DOI: https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2024.e24663
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38298644
تاريخ النشر: 2024-01-01
المؤلف: Valeria Lorenzi وآخرون
الموضوع الرئيسي: أنظمة الكارست والهيدروجيولوجيا
نظرة عامة
تبحث الدراسة في ديناميات المياه الجوفية للطبقات الكارستية، مع التركيز بشكل خاص على طبقة المياه الجوفية الجبلية في جراند ساسو وربيع فيتيلا دورو المرتبط بها. تسلط الدراسة الضوء على ضعف هذه الطبقات أمام نقل المياه السريعة من خلال الشبكات الكارستية، مما يمكن أن يؤثر بشكل كبير على إمدادات مياه الشرب، خاصة في ظل تأثيرات تغير المناخ. تم إجراء اختبار تتبع لتمييز مساهمات إعادة الشحن إلى ربيع فيتيلا دورو، مما يكشف عن تفاعل معقد بين الطبقة الجوفية الإقليمية ونظام كارستي محلي. تشير النتائج إلى أن تصريف الربيع يتأثر بكل من مكون التدفق السريع، المسؤول عن ذروات التصريف وأحداث العكارة، وتدفق أبطأ من الطبقة الجوفية المحلية، والذي يمكن التعرف عليه من خلال التحليلات الهيدروكيميائية والإيزوتوبية.
تؤكد الدراسة على الحاجة إلى إدارة المياه الجوفية بشكل مثالي لمواجهة التحديات التي تطرحها الأحداث الجوية المتطرفة، والتي يمكن أن تعطل إعادة شحن الطبقات الجوفية وتهدد إمدادات المياه. النموذج المفاهيمي المفصل الذي تم تطويره من نتائج اختبار التتبع يحدد ثلاثة مصادر لإعادة الشحن: تدفق أساسي مستقر من الطبقة الجوفية الإقليمية، وتدفق سريع مرتبط بأحداث الهطول، وتدفق كارستي أبطأ يدعم التصريف خلال فترات إعادة الشحن المنخفضة. لا يعزز هذا النموذج فقط فهم تدفق المياه الجوفية في الأنظمة الكارستية، ولكنه يوفر أيضًا رؤى قابلة للتنفيذ لاستراتيجيات إدارة المياه، مما يسمح بممارسات سحب متميزة بناءً على مستويات الضعف المتفاوتة للينابيع. تؤكد البحث على أهمية التواصل الفعال لهذه النتائج مع أصحاب المصلحة لتحسين إدارة الطبقات الكارستية كمصادر حيوية لمياه الشرب.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على أهمية الطبقات الكارستية، التي، على الرغم من تغطيتها فقط 15% من المناطق القارية العالمية، تعتبر مصادر مياه عذبة حيوية لحوالي 678 مليون شخص. تظهر الأنظمة الكارستية ديناميات هيدروليكية معقدة تختلف بشكل ملحوظ عن الطبقات المسامية والمشقوقة، ويرجع ذلك أساسًا إلى تأثير عمليات الذوبان، والميزات التكتونية، وتكوين القنوات والكهوف. تسهم هذه العوامل في ديناميات تدفق المياه الجوفية المتغيرة بشكل كبير، حيث تصل السرعات إلى عدة مئات من الأمتار في الساعة، مما يمكن أن يعزز انتشار الملوثات ويقلل من قدرات التنظيف الذاتي.
تؤكد الورقة على ضعف موارد المياه الجوفية الكارستية بسبب الاستغلال المفرط وتغير المناخ، مما يستدعي تنفيذ تدابير إدارة وقائية من قبل المؤسسات الحكومية. لفهم ديناميات الأنظمة الكارستية بشكل أفضل، تستخدم الدراسة كل من المتتبعين الطبيعيين والاصطناعيين لتحديد مناطق التجميع وتوصيف تدفق المياه الجوفية. تركز الدراسة بشكل خاص على طبقة المياه الجوفية الكارستية في جراند ساسو، حيث يتم التحقيق في مجموعة ينابيع تافو من خلال المراقبة الهيدروكيميائية واختبارات التتبع. تكشف النتائج عن منطقتين متميزتين لإعادة الشحن للينابيع، مع إيلاء اهتمام خاص لحساسية ربيع فيتيلا دورو للتغيرات الهيدرولوجية والأحداث الجوية المتطرفة. تهدف الدراسة إلى معالجة أسئلة بحث رئيسية تتعلق بتأثير الشبكات الكارستية على إعادة شحن الينابيع، والاستجابة للأحداث المتطرفة، وتحديد مناطق إعادة الشحن المشتركة والفريدة للينابيع.
الطرق
في أبريل 2022، تم إجراء اختبار تتبع باستخدام متتبعين فلوريسنتين: يورانين (حمض أصفر 73) وصوديوم نافثيونات، وكلاهما معروفان بسلامتهما وتوافقهما البيئي في الدراسات الهيدروجيولوجية. تم حقن يورانين، الذي يتمتع بذوبانية عالية وحد كشف يبلغ 0.001 ميكروغرام/لتر، في خندق ريجوبيانو، تلاه صوديوم نافثيونات، الذي لديه حد كشف يبلغ 0.1 ميكروغرام/لتر. كان الهدف من الاختبار هو مراقبة حركة هذه المتتبعين في مجرى المياه إلى نفق فيتيلا دورو ونهر تافو، الواقعين على بعد 1.2 كم و1.4 كم من نقطة الحقن، على التوالي. تم إجراء الحقن على فترات ساعة واحدة، مع إجراء المراقبة باستخدام فلوريمترات ميدانية تم ضبطها لجمع البيانات كل خمس دقائق.
لضمان الكشف الدقيق عن المتتبعين، تم تنفيذ أخذ عينات المياه التقليدية أيضًا، مع جمع العينات في زجاجات زجاجية كهرمانية لتخفيف آثار تحلل يورانين الضوئي. تم تعيين تكرار أخذ العينات في البداية على 15 دقيقة، مع الانتقال إلى فترات ساعة بعد توقع وصول التركيز الذروي. بالإضافة إلى ذلك، تم نشر أكياس فحم بالقرب من مواقع المراقبة والحقن لالتقاط أي متتبع متبقي بعد الاختبار. شملت تحليل العينات المجمعة تحديد الخصائص الطيفية المحددة للمتتبعين، مع أقصى امتصاص عند 490 نانومتر ليورانين و320 نانومتر لنافثيونات. تم إجراء معايرة الفلوريمتر المختبري باستخدام معايير معدة قبل تحليل العينات، لضمان نتائج موثوقة.
النتائج
تكشف نتائج الدراسة عن خصائص هيدروجيولوجية وهيدروكيميائية هامة لربيعي فيتيلا دورو ومورتايو د’أنغري، استنادًا إلى البيانات المجمعة من أبريل 2021 إلى مايو 2023. بلغ هطول الأمطار خلال هذه الفترة ذروته عند 80 مم/يوم، مع إجمالي سنوي متوسط قدره 866 مم. تراوحت معدلات التصريف من 0.2 م³/ث إلى 0.99 م³/ث، مع متوسط قدره 0.36 م³/ث. تراوحت الموصلية الكهربائية (EC) بين 278 ميكروسيمنز/سم و400 ميكروسيمنز/سم، بينما أظهرت العكارة حدًا أقصى قدره 21.9 NTU. من الجدير بالذكر أنه تم ملاحظة ارتباط بين أحداث الهطول التي تتجاوز 20 مم/يوم وزيادات في التصريف وEC ودرجة الحرارة والعكارة. أظهرت التحليلات الهيدروكيميائية أن كلا الينبوعين يتكونان بشكل أساسي من فئات بيكربونات-كالسيوم، مع ظهور فيتيلا دورو بتركيزات أعلى من الكبريتات، مما يشير إلى مسارات تدفق متميزة تتأثر بطبقة ريجوبيانو كونغلوميرات.
أشارت اختبارات التتبع التي أجريت في ربيع فيتيلا دورو إلى أن كل من متتبعين يورانين ونافثيونات وصلوا إلى نقاط المراقبة في غضون حوالي 11 ساعة بعد الحقن، مع تسجيل تركيزات ذروية في أوقات مختلفة. كانت معدلات الاسترداد للمتتبعين منخفضة نسبيًا، حيث كانت 6.1% ليورانين و4.9% لنافثيونات في موقع فيتيلا دورو، و14.3% و12.3% في موقع نهر تافو، على التوالي. تشير هذه النتائج إلى نظام تدفق مياه جوفية معقد، مع أدلة على مسارات تدفق سريعة وأخرى أبطأ. تختتم الدراسة بأن تصريف ربيع فيتيلا دورو يتأثر بمزيج من تدفق قاعدة الطبقة الجوفية الإقليمية ومساهمات إضافية من كونغلوميرات ريجوبيانو الكارستية، مما يبرز الديناميات المعقدة لإعادة شحن المياه الجوفية وتدفقها في هذه المنطقة.
المناقشة
ت outlines قسم المناقشة في ورقة البحث التطور الجيولوجي والهيدروجيولوجي لجبال الأبينيني الوسطى، خاصة خلال فترة الأوائل-الرباعية، التي تتميز بالتكتونيات الضاغطة والتمديدية. تؤثر التكوينات الجيولوجية في المنطقة، بما في ذلك كلسيات مونتيفيوري وكونغلوميرات ريجوبيانو، بشكل كبير على دوران المياه الجوفية داخل الطبقات الكارستية. تسلط الدراسة الضوء على كيفية تأثير معدلات الترسيب وأنشطة الفوالق على تطوير الأنظمة الكارستية، مما يؤدي إلى تباينات في مستويات المياه الجوفية وتركيز التدفق نحو الينابيع مثل فيتيلا دورو ومورتايو د’أنغري. تظهر هذه الينابيع سلوكيات هيدروديناميكية متميزة، حيث يظهر ربيع فيتيلا دورو استجابة سريعة للأحداث الجوية بسبب مساهمات طبقتها الجوفية الكارستية المحلية، بينما يتم تغذية مورتايو د’أنغري بشكل أساسي من الطبقة الجوفية الإقليمية.
استخدمت المراقبة الهيدروكيميائية التي أجريت في هذه الدراسة طرقًا مستمرة ومتفردة لتحليل تصريف الينابيع والعكارة والتركيب الكيميائي. تكشف النتائج عن تفاعل معقد لمصادر إعادة الشحن لربيع فيتيلا دورو، بما في ذلك تدفق القاعدة من الطبقة الجوفية الإقليمية، والتسلل المباشر من كونغلوميرات ريجوبيانو، ومساهمات من الشبكات الكارستية. توضح اختبارات التتبع في الدراسة ديناميات تدفق المياه الجوفية، مما يشير إلى أن ربيع فيتيلا دورو حساس بشكل خاص لهطول الأمطار وذوبان الثلوج، مما يمكن أن يؤدي إلى أحداث عكارة كبيرة. تؤكد البحث على أهمية فهم هذه الديناميات لإدارة موارد المياه الجوفية بشكل فعال، خاصة في سياق الظروف المناخية المتغيرة ومخاطر التلوث المحتملة. بشكل عام، توفر الدراسة رؤى قيمة حول الخصائص الهيدروجيولوجية لطبقة المياه الجوفية في جراند ساسو، داعية إلى استراتيجيات إدارة مثلى تأخذ في الاعتبار الضعف والمساهمات المتميزة للينابيع الاثنين.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2024.e24663
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38298644
Publication Date: 2024-01-01
Author(s): Valeria Lorenzi et al.
Primary Topic: Karst Systems and Hydrogeology
Overview
The research investigates the groundwater dynamics of karst aquifers, specifically focusing on the Gran Sasso Mountain regional aquifer and its associated Vitella d’Oro spring. The study highlights the vulnerability of these aquifers to rapid recharge water transfer through karst networks, which can significantly affect drinking water supply, especially under climate change impacts. A tracer test was conducted to differentiate the contributions of recharge to the Vitella d’Oro spring, revealing a complex interaction between the regional aquifer and a local karst system. The findings indicate that the spring’s discharge is influenced by both a fast flow component, responsible for discharge peaks and turbidity events, and a slower flow from the local aquifer, which is identifiable through hydrochemical and isotopic analyses.
The study emphasizes the need for optimized groundwater management to address challenges posed by extreme weather events, which can disrupt aquifer recharge and threaten water supply. The detailed conceptual model developed from the tracer test results identifies three sources of recharge: a stable base flow from the regional aquifer, a rapid flow linked to precipitation events, and a slower karst flow that supports discharge during low recharge periods. This model not only enhances the understanding of groundwater flow in karst systems but also provides actionable insights for water management strategies, allowing for differentiated withdrawal practices based on varying vulnerability levels of the springs. The research underscores the importance of effectively communicating these findings to stakeholders to improve the management of karst aquifers as vital drinking water resources.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the significance of karst aquifers, which, despite covering only 15% of global continental areas, serve as crucial freshwater resources for approximately 678 million people. Karst systems exhibit complex groundwater hydrodynamics that differ markedly from porous and fissured aquifers, primarily due to the influence of dissolution processes, tectonic features, and the formation of conduits and caves. These factors contribute to highly variable groundwater flow dynamics, with velocities reaching several hundred meters per hour, which can enhance pollutant dispersion and reduce self-cleaning capacities.
The paper emphasizes the vulnerability of karst groundwater resources due to over-exploitation and climate change, prompting the implementation of preventive management measures by governmental institutions. To better understand the hydrodynamics of karst systems, the study employs both natural and artificial tracers to delineate catchment areas and characterize groundwater flow. Specifically, the research focuses on the Gran Sasso karst aquifer, investigating the Tavo spring group through hydrogeochemical monitoring and tracer tests. The findings reveal two distinct recharge areas for the springs, with particular attention given to the Vitella d’Oro spring’s sensitivity to hydrological variations and extreme meteorological events. The study aims to address key research questions regarding the influence of karst networks on spring recharge, the response to extreme events, and the identification of shared and unique recharge areas for the springs.
Methods
In April 2022, a tracer test was conducted utilizing two fluorescent tracers: Uranine (Acid Yellow 73) and Sodium Naphthionate, both recognized for their safety and environmental compatibility in hydrogeological studies. Uranine, with a high solubility and a detection threshold of 0.001 μg/L, was injected into the Rigopiano ditch, followed by Sodium Naphthionate, which has a detection threshold of 0.1 μg/L. The test aimed to monitor the movement of these tracers downstream to the Vitella d’Oro tunnel and the Tavo River, located 1.2 km and 1.4 km from the injection point, respectively. The injection was performed at one-hour intervals, with monitoring conducted using field fluorometers set to acquire data every five minutes.
To ensure accurate detection of the tracers, traditional water sampling was also implemented, with samples collected in amber glass bottles to mitigate the effects of Uranine’s photo-decay. Sampling frequency was initially set at 15 minutes, transitioning to hourly intervals after the estimated peak concentration was expected to arrive. Additionally, charcoal bags were deployed near the monitoring and injection sites to capture any residual tracer post-test. The analysis of the collected samples involved identifying specific spectral characteristics of the tracers, with absorption maxima at 490 nm for Uranine and 320 nm for Naphthionate. Calibration of the laboratory fluorometer was performed using prepared standards prior to sample analysis, ensuring reliable results.
Results
The results of the study reveal significant hydrogeological and hydrogeochemical characteristics of the Vitella d’Oro and Mortaio d’Angri springs, based on data collected from April 2021 to May 2023. Rainfall during this period peaked at 80 mm/day, with an average annual total of 866 mm. Discharge rates ranged from 0.2 m³/s to 0.99 m³/s, with an average of 0.36 m³/s. Electrical conductivity (EC) varied between 278 μS/cm and 400 μS/cm, while turbidity showed a maximum of 21.9 NTU. Notably, a correlation was observed between rainfall events exceeding 20 mm/day and increases in discharge, EC, temperature, and turbidity. The hydrochemical analysis indicated that both springs are predominantly bicarbonate-calcium facies, with Vitella d’Oro exhibiting higher sulfate concentrations, suggesting distinct flow paths influenced by the Rigopiano Conglomerates aquifer.
Tracer tests conducted at the Vitella d’Oro spring indicated that both Uranine and Naphthionate tracers arrived at monitoring points within approximately 11 hours post-injection, with peak concentrations recorded at different times. The recovery rates for the tracers were relatively low, at 6.1% for Uranine and 4.9% for Naphthionate at the Vitella d’Oro site, and 14.3% and 12.3% at the Tavo River site, respectively. These findings suggest a complex groundwater flow system, with evidence of both rapid and slower flow paths. The study concludes that the Vitella d’Oro spring’s discharge is influenced by a combination of regional aquifer base flow and additional contributions from the karstified Rigopiano Conglomerates, highlighting the intricate dynamics of groundwater recharge and flow in this area.
Discussion
The discussion section of the research paper outlines the geological and hydrogeological evolution of the central Apennines, particularly during the Oligocene-Quaternary period, characterized by compressional and extensional tectonics. The region’s geological formations, including the Montefiore Calcarenites and Rigopiano Conglomerates, significantly influence groundwater circulation within karst aquifers. The study highlights how sedimentation rates and fault activities have affected the development of karst systems, leading to variations in groundwater levels and the concentration of flow towards springs like Vitella d’Oro and Mortaio d’Angri. These springs exhibit distinct hydrodynamic behaviors, with the Vitella d’Oro spring showing a rapid response to meteorological events due to its local karstified aquifer contributions, while Mortaio d’Angri is primarily fed by the regional aquifer.
The hydrogeochemical monitoring conducted in this study utilized continuous and discrete methods to analyze the springs’ discharge, turbidity, and chemical composition. The findings reveal a complex interplay of recharge sources for the Vitella d’Oro spring, including base flow from the regional aquifer, direct infiltration from the Rigopiano Conglomerates, and contributions from karst networks. The study’s tracer tests elucidate the groundwater flow dynamics, indicating that the Vitella d’Oro spring is particularly sensitive to rainfall and snowmelt, which can lead to significant turbidity events. The research emphasizes the importance of understanding these dynamics for effective groundwater resource management, especially in the context of varying climatic conditions and potential pollution risks. Overall, the study provides valuable insights into the hydrogeological characteristics of the Gran Sasso aquifer, advocating for optimized management strategies that consider the distinct vulnerabilities and contributions of the two springs.