DOI: https://doi.org/10.5194/hess-29-4417-2025
تاريخ النشر: 2025-09-16
المؤلف: Liheng Wang وآخرون
الموضوع الرئيسي: المياه الجوفية وكيمياء النظائر
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة التفاعلات بين المياه الجوفية والمياه السطحية (GW-SW) في حوض نهر شولي (SRB) في شمال غرب الصين، مع التركيز على التباين المكاني لهذه العلاقات في سياق إدارة الموارد المائية في المناطق الجافة. من خلال التحليلات الهيدروكيميائية والنظائر المستقرة لـ 31 عينة، تحدد الأبحاث تأثير الارتفاع الكبير على نظائر مياه الأنهار، حيث تنخفض قيم δ¹⁸O بمعدل -0.08 ‰ (100 م)⁻¹، وهو أقل من المعدلات التي لوحظت في المناطق المجاورة. تكشف النتائج أنه في المنابع العليا، يتم الحصول على مياه النهر بشكل أساسي من الأمطار، ومياه ذوبان الأنهار الجليدية، والمياه الجوفية، بينما في منطقة الوسط، تعيد مياه النهر شحن المياه الجوفية في الارتفاعات العالية، ويساهم تدفق الينابيع في تدفق النهر في الارتفاعات المنخفضة. في المنابع السفلية، يصبح تدفق الري العائد مصدرًا حيويًا لشحن المياه الجوفية.
تشير التحليلات الهيدروكيميائية إلى زيادة تدريجية في المواد الصلبة الذائبة الكلية (TDS) من 371.40 ملغ لتر⁻¹ في المنبع إلى 1072.13 ملغ لتر⁻¹ في المصب، مع تباين TDS للمياه الجوفية من 506.51 إلى 1499.65 ملغ لتر⁻¹. يتأثر التركيب الكيميائي لمياه النهر بشكل كبير بتآكل السيليكات والكربونات، بينما تتشكل كيمياء المياه الجوفية من ذوبان المعادن وتفاعلات تبادل الكاتيونات. تختتم الدراسة بأن حوض SRB يواجه تحديات كبيرة في ندرة المياه، مما يتطلب فهمًا شاملاً لتفاعلات GW-SW من أجل إدارة مستدامة للموارد المائية. يدعو المؤلفون إلى إجراء أبحاث مستقبلية لاستخدام مؤشرات أكثر تحفظًا لتعزيز دقة تقييمات انتقال مصادر المياه، مما يساهم في الاستخدام المستدام للموارد المائية في البيئات الجافة.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على الدور الحاسم لتفاعلات المياه الجوفية والمياه السطحية (GW-SW) ضمن الدورة الهيدرولوجية، مع التأكيد على أهميتها للنزاهة البيئية واحتياجات المياه البشرية عبر المناظر الطبيعية المختلفة. يشير المؤلفون إلى أن هذه التفاعلات تحدث من خلال آليات مثل التسرب والتسلل من الضفاف، لكن تباينها المكاني الزمني المعقد يشكل تحديات للتحديد الكمي والدقيق. هذا الفهم ضروري لتقييم توازن المياه في حوض النهر وإدارة مستدامة للموارد المائية، خاصة في المناطق الجافة وشبه الجافة، التي تواجه ضغوطًا متزايدة من تغير المناخ والأنشطة البشرية.
تؤكد الورقة على قيود الطرق الهيدرولوجية التقليدية على مستوى الحوض، خاصة في الظروف المناخية القاسية، وتدعو إلى استخدام التحليلات الهيدروكيميائية والنظائر كأدوات فعالة لوصف تبادل GW-SW. يحدد المؤلفون عمليتين رئيسيتين من هذه التفاعلات – الظروف الخارجة والداخلة – ويبرزون فائدة مؤشرات النظائر المستقرة في توضيح هذه الديناميات، خاصة في البيئات الجافة حيث يؤدي التبخر إلى تباين نظائري كبير. تختتم المقدمة ببيان أهداف الدراسة، والتي تشمل وصف التباين المكاني للتراكيب النظيرية والهيدروكيميائية، وتطوير نموذج مفاهيمي لتفاعلات GW-SW، وإجراء تقييم شامل لجودة المياه في حوض نهر شولي (SRB) في شمال غرب الصين. تهدف هذه الأبحاث إلى تعزيز الفهم النظري وإبلاغ إدارة مستدامة للموارد المائية في المناطق الجافة على مستوى العالم.
نقاش
يظهر حوض نهر شولي (SRB)، الواقع على الحافة الشمالية لهضبة تشينغهاي-التبت في شمال غرب الصين، إطارًا هيدرولوجيًا وجيولوجيًا معقدًا. يبدأ النهر من شبكة من الأنهار الجليدية في جبال كيلان، ويتدفق عبر مقاطع جغرافية متميزة تتميز بارتفاعات وظروف مناخية متباينة. تهيمن التضاريس الجبلية العالية على المنابع العليا، بينما تنتقل المنابع الوسطى والسفلية إلى سهول رسوبية أكثر انبساطًا. يبلغ متوسط التدفق السنوي للنهر حوالي $10.31 \times 10^8 \, \text{م}^3$، لكن هذا ينخفض بشكل كبير عندما يمر النهر عبر ممر هيكسي، ويرجع ذلك أساسًا إلى زيادة استغلال الموارد المائية للزراعة والصناعة، مما يزيد من فقدان التبخر والتسرب. يعقد المناخ الجاف في المنطقة، مع متوسط هطول الأمطار السنوي الذي يبلغ فقط 78.5 مم ومعدلات تبخر تصل إلى 3042 مم، من توفر المياه.
جيولوجيًا، يقع حوض SRB في منطقة نشطة تكتونيًا، حيث يؤثر الرفع الكبير والانكسارات على تطور النهر. المنطقة العليا غنية بأنواع الصخور المتنوعة، بما في ذلك التكوينات المتحولة والرسوبية، بينما شهد ممر هيكسي هبوطًا وترسيبًا على مر الزمن الجيولوجي. توجد المياه الجوفية في الحوض بشكل أساسي في مناطق المروحة الرسوبية، مع إعادة شحنها بشكل رئيسي من هطول الأمطار الجوية. تسلط الدراسة الضوء على الاتصال الهيدروليكي الوثيق بين مياه النهر والمياه الجوفية، خاصة في المنابع العليا حيث تؤدي تغييرات التضاريس إلى تكوين الينابيع. تكشف التحليلات الهيدروكيميائية أن مياه النهر تظهر قلوية ضعيفة ومستويات متباينة من المواد الصلبة الذائبة الكلية (TDS)، مع مساهمات كبيرة من عمليات تآكل الصخور. تشير التركيبة النظيرية لمياه النهر والمياه الجوفية إلى أن هطول الأمطار هو المصدر الرئيسي لإعادة الشحن، مما يبرز أهمية فهم هذه الديناميات الهيدرولوجية من أجل إدارة فعالة للموارد المائية في المنطقة.
DOI: https://doi.org/10.5194/hess-29-4417-2025
Publication Date: 2025-09-16
Author(s): Liheng Wang et al.
Primary Topic: Groundwater and Isotope Geochemistry
Overview
This study investigates the interactions between groundwater and surface water (GW-SW) in the Shule River Basin (SRB) of Northwest China, emphasizing the spatial heterogeneity of these relationships in the context of water resource management in arid regions. Through hydrochemical and stable isotopic analyses of 31 samples, the research identifies a significant altitude effect on river water isotopes, with δ¹⁸O values decreasing at a rate of -0.08 ‰ (100 m)⁻¹, which is lower than rates observed in adjacent regions. The findings reveal that in the upper reaches, river water is primarily sourced from precipitation, glacier meltwater, and groundwater, while in the midstream area, river water recharges groundwater at higher elevations, and spring discharge contributes to river flow at lower altitudes. In the lower reaches, irrigation return flow becomes a critical source of groundwater recharge.
The hydrochemical analysis indicates a progressive increase in total dissolved solids (TDS) from 371.40 mg L⁻¹ upstream to 1072.13 mg L⁻¹ downstream, with groundwater TDS ranging from 506.51 to 1499.65 mg L⁻¹. The chemical composition of river water is largely influenced by silicate and carbonate weathering, whereas groundwater chemistry is shaped by mineral dissolution and cation exchange reactions. The study concludes that the SRB faces significant water scarcity challenges, necessitating a comprehensive understanding of GW-SW interactions for sustainable water resource management. The authors advocate for future research to utilize more conservative tracers to enhance the accuracy of water source transition assessments, thereby contributing to the sustainable utilization of water resources in arid environments.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the critical role of groundwater and surface water (GW-SW) interactions within the hydrological cycle, emphasizing their importance for ecological integrity and human water needs across various landscapes. The authors note that these interactions occur through mechanisms like seepage and bank infiltration, but their complex spatial-temporal variability poses challenges for accurate identification and quantification. This understanding is essential for watershed water balance assessments and sustainable water resource management, particularly in arid and semi-arid regions, which face increasing pressures from climate change and human activities.
The paper underscores the limitations of traditional hydrological methods at the basin scale, particularly in extreme climatic conditions, and advocates for the use of hydrochemical and isotopic analyses as effective tools for characterizing GW-SW exchanges. The authors outline the two primary processes of these interactions—effluent and influent conditions—and highlight the utility of stable isotopic tracers in elucidating these dynamics, especially in arid environments where evaporation leads to significant isotopic fractionation. The introduction concludes by stating the study’s objectives, which include characterizing the spatial variability of isotopic and hydrochemical compositions, developing a conceptual model of GW-SW interactions, and conducting a comprehensive water quality assessment in the Shule River basin (SRB) in northwest China. This research aims to enhance theoretical understanding and inform sustainable water resource management in arid regions globally.
Discussion
The Shule River Basin (SRB), located on the northern edge of the Qinghai-Tibet Plateau in northwestern China, exhibits a complex hydrological and geological framework. The river, originating from a network of glaciers in the Qilian Mountains, flows through distinct geographical segments characterized by varying elevations and climatic conditions. The upper reaches are dominated by high-altitude mountainous terrain, while the middle and lower reaches transition into flatter alluvial plains. The average annual runoff of the river is approximately $10.31 \times 10^8 \, \text{m}^3$, but this decreases significantly as the river traverses the Hexi Corridor, primarily due to increased water resource exploitation for agriculture and industry, which exacerbates evaporation and seepage losses. The region’s arid climate, with annual precipitation averaging only 78.5 mm and evaporation rates reaching 3042 mm, further complicates water availability.
Geologically, the SRB is situated in a tectonically active area, with significant uplift and faulting influencing the river’s development. The upstream region is rich in diverse rock types, including metamorphic and sedimentary formations, while the Hexi Corridor has experienced subsidence and sediment deposition over geological time. Groundwater in the basin is primarily found in alluvial fan areas, with recharge mainly from atmospheric precipitation. The study highlights the close hydraulic connection between river water and groundwater, particularly in the upper reaches where terrain changes lead to the formation of springs. The hydrochemical analysis reveals that river water exhibits a weak alkalinity and varying total dissolved solids (TDS) levels, with significant contributions from rock weathering processes. The isotopic composition of river water and groundwater indicates that precipitation is the principal source of recharge, underscoring the importance of understanding these hydrological dynamics for effective water resource management in the region.