DOI: https://doi.org/10.5194/essd-18-7199-2026
تاريخ النشر: 2026-10-01
المؤلف: Yining Zang وآخرون
الموضوع الرئيسي: أنظمة الكارست والهيدروجيولوجيا
نظرة عامة
تتناول هذه القسم تطوير قاعدة بيانات WoKaS-Iso، وهي مجموعة شاملة من بيانات السلاسل الزمنية لل isotopes المستقرة، وبالتحديد الأكسجين-18 ($\delta^{18}O$) والديوتيريوم ($\delta^{2}H$)، في الأنظمة الهيدروجيولوجية الكارستية. تعالج هذه القاعدة التحديات التي تطرحها محدودية الوصول والتكاليف العالية المرتبطة بتحليل isotopes المستقرة، والتي كانت تاريخياً تعيق الأبحاث الكارستية وفهم العمليات الكارستية، لا سيما في الدراسات المقارنة والدراسات واسعة النطاق. تجمع قاعدة بيانات WoKaS-Iso بيانات من 241 نبعًا و74 كهفًا، بما في ذلك 365 موقعًا فرديًا للتقطير، مما ينتج عنه إجمالي 1007 سلسلة زمنية تمتد من 1967 إلى 2024، مع تغطية كبيرة خلال العقد 2010.
تعزز قاعدة البيانات فهم السلوكيات الهيدرولوجية في المياه الجوفية الكارستية من خلال دمج السجلات النظيرية مع المتغيرات البيئية المساعدة مثل تصريف الينابيع، ومعدل تقطير الكهوف، والهطول، و isotopes مياه الأمطار. من الجدير بالذكر أن 79% من مجموعات بيانات الينابيع و68% من مجموعات بيانات مياه تقطير الكهوف تظهر دقة أفضل من الفترات الشهرية. من خلال توفير بيانات نظيرية واسعة ومفصلة عبر المناطق الكارستية الرئيسية في جميع أنحاء العالم – بما في ذلك الصين والولايات المتحدة وأوروبا والشرق الأوسط وأستراليا – لا تعزز قاعدة بيانات WoKaS-Iso فقط التوصيف والنمذجة الهيدروجيولوجية ولكن تدعم أيضًا إدارة موارد المياه المستدامة وتعزز جهود البحث التعاوني.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على أهمية مناطق الصخور الكربونية، وخاصة الأنظمة الكارستية، التي تدعم 16.5% من السكان العالميين وتوفر مياه شرب لحوالي 9.2%. لا تعمل هذه المياه الجوفية كمصادر مياه حيوية فحسب، بل تحتوي أيضًا على شبكات كهوف واسعة تحتفظ بسجلات المناخ القديم، مما يعكس التغيرات البيئية التاريخية. تعقد التباينات الهيكلية الفطرية والخصائص الهيدروليكية غير الخطية للأنظمة الكارستية توصيف أنظمة تدفقها ومسارات التلوث، مما يستلزم فهمًا شاملاً لسلوكياتها الهيدروجيولوجية من أجل إدارة موارد المياه المستدامة، خاصة في المناطق الحساسة للاحتباس الحراري.
تم تحديد isotopes مستقرة من الأكسجين والهيدروجين كمتتبعين فعالين لفهم مصادر المياه، ومسارات التدفق تحت السطح، وأوقات العبور في الهيدروجيولوجيا الكارستية. توفر رؤى حاسمة حول عمليات إعادة الشحن وديناميات التدفق، مما يربط أحداث الهطول باستجابات الينابيع أو تقطير الكهوف. أظهرت الدراسات الحديثة فائدة نهج الهيدروجيولوجيا النظيرية في توضيح التباين المكاني والزماني في إعادة الشحن الكارستي وإعادة بناء الظروف المناخية الهيدرولوجية السابقة. على الرغم من إنشاء قواعد بيانات النظائر العالمية، لا يزال تطبيق isotopes المستقرة في البيئات الكارستية محدودًا بسبب التكاليف العالية للتحليل والبيانات المتناثرة. لمعالجة ذلك، تم تطوير قاعدة بيانات WoKaS-Iso، التي تجمع سلاسل زمنية من سجلات isotopes المستقرة من ينابيع الكارست وكهوف المياه المتقطرة، جنبًا إلى جنب مع بيانات هيدرولوجية مكملة. تهدف هذه المبادرة إلى تعزيز فهم الهيدروجيولوجيا الكارستية وتسهيل الدراسات المقارنة عبر مناطق مختلفة.
طرق
تعزز قاعدة بيانات WoKaS-Iso قاعدة بيانات WoKaS (مخطط تدفق الينابيع الكارستية العالمية) الحالية من خلال دمج بيانات isotopes المستقرة (δ¹⁸O وδ²H) لـ 241 نبعًا كارستيًا على مستوى العالم، بناءً على تجميع أولي لـ 119 سلسلة زمنية من isotopes المستقرة من أوروبا. يسمح هذا التمديد بدمج سجلات isotopes مع بيانات التصريف لـ 29 نبعًا تتداخل مع WoKaS، بينما تم الحصول على بيانات إضافية عن isotopes، هيدرولوجية، ومناخية من الأدبيات التي تمت مراجعتها من قبل الأقران، والتقارير الفنية، ومساهمات من المتعاونين في البحث. تم تطوير مكون الكهف من قاعدة البيانات بالتعاون مع مجموعة العمل SISAL (تحليل وتركيب isotopes الكهوف)، حيث تم دمج 74 كهفًا، مع 66 سجلًا مستمدًا من SISAL_mon_v1 والباقي من المتعاونين.
لضمان تداخل البيانات، تم توحيد جميع سجلات الكهوف وفقًا لمخطط WoKaS-Iso. كما تقوم قاعدة البيانات بتجميع مجموعات بيانات هيدرولوجية ومناخية متزاوجة، بما في ذلك تصريف الينابيع الكارستية، والهطول، و isotopes مياه الأمطار، التي تم تجميعها من مصادر متنوعة، بما في ذلك مجموعات بيانات المناخ المودل من المنتجات العالمية. تسهل تنظيم مجموعات البيانات إلى فئات مخرجات ومدخلات النظام التحليل الشامل، مع توضيح منهجيات مفصلة لاستعادة البيانات، والتوحيد، ومراقبة الجودة في الأقسام ذات الصلة من الورقة. يتم تمثيل سير العمل لإنشاء قاعدة بيانات WoKaS-Iso بصريًا في الشكل المرافق.
مناقشة
تجمع قاعدة بيانات WoKaS-Iso بيانات نظيرية واسعة من 241 نبعًا كارستيًا و74 كهفًا، تشمل 365 نقطة ملاحظة للتقطير. تتضمن مجموعة البيانات قياسات من isotopes الأكسجين ($\delta^{18}O$) والهيدروجين ($\delta^{2}H$)، جنبًا إلى جنب مع معدلات التصريف وبيانات الهطول، مع وجود 51% من الينابيع تحتوي على بيانات تصريف. معظم بيانات isotopes هي ملاحظات خام، بينما يتم رقمنة جزء أصغر من الأدبيات. شملت عملية جمع البيانات بحثًا منهجيًا عن الدراسات المنشورة، والتعاون مع الباحثين، ورقمنة الأشكال لضمان تغطية شاملة ودقة. تم تنفيذ تدابير مراقبة الجودة لتوحيد مجموعات البيانات وتعزيز موثوقيتها للتحليلات الهيدرولوجية والنظيرية.
من الناحية المكانية، تغطي قاعدة البيانات المناطق الكارستية الرئيسية العالمية، مع تركيز ملحوظ للسجلات في أوروبا والصين والولايات المتحدة. تظهر الديناميات النظيرية تباينات إقليمية تتأثر بالظروف المناخية، مع اختلافات كبيرة في قيم $\delta^{18}O$ و$\delta^{2}H$ التي لوحظت عبر مواقع مختلفة. تختلف الدقة الزمنية، حيث تكون بيانات تصريف الينابيع عمومًا ذات دقة أعلى من بيانات تقطير الكهوف. كما تدمج قاعدة البيانات مجموعات بيانات الهطول والتبخر العالمية لتوفير إطار عمل قوي لفهم الهيدروجيولوجيا الكارستية. تشير تقييمات أداء نماذج isotopes الهطول إلى أن نموذج IsoGSM يتفوق على الآخرين في توقع التباين النظيري، مما يجعله الخيار الموصى به للأماكن التي تفتقر إلى الملاحظات المحلية. قاعدة بيانات WoKaS-Iso متاحة للجمهور، مما يسهل المزيد من الأبحاث في الهيدروجيولوجيا الكارستية وديناميات isotopes.
DOI: https://doi.org/10.5194/essd-18-7199-2026
Publication Date: 2026-10-01
Author(s): Yining Zang et al.
Primary Topic: Karst Systems and Hydrogeology
Overview
The section outlines the development of the WoKaS-Iso database, a comprehensive collection of time series data for stable isotopes, specifically Oxygen-18 ($\delta^{18}O$) and Deuterium ($\delta^{2}H$), in karst hydrogeological systems. This database addresses the challenges posed by limited accessibility and high costs associated with stable isotope analysis, which have historically hindered karst research and the understanding of karst processes, particularly in comparative and large-scale studies. The WoKaS-Iso database compiles data from 241 springs and 74 caves, including 365 individual drip sites, resulting in a total of 1007 time series spanning from 1967 to 2024, with significant coverage during the 2010s.
The database enhances the understanding of hydrological behaviors in karst aquifers by integrating isotopic records with ancillary environmental variables such as spring discharge, cave drip rate, precipitation, and rainwater isotopes. Notably, 79% of the spring datasets and 68% of the cave drip water datasets exhibit resolutions finer than monthly intervals. By providing extensive and detailed isotopic data across major karst regions worldwide—including China, the USA, Europe, the Middle East, and Australia—the WoKaS-Iso database not only advances hydrogeological characterization and modeling but also supports sustainable water resource management and fosters collaborative research efforts.
Introduction
The introduction highlights the significance of carbonate rock areas, particularly karstified systems, which support 16.5% of the global population and provide potable water for approximately 9.2%. These aquifers not only serve as crucial water sources but also contain extensive cave networks that preserve paleoclimate records, reflecting historical environmental variability. The inherent structural heterogeneity and nonlinear hydraulic properties of karst systems complicate the characterization of their flow regimes and contamination pathways, necessitating a comprehensive understanding of their hydrogeological behaviors for sustainable water resource management, especially in regions sensitive to global warming.
Stable isotopes of oxygen and hydrogen are identified as effective tracers for understanding water sources, subsurface flow paths, and transit times in karst hydrogeology. They provide critical insights into recharge processes and flow dynamics, linking precipitation events to spring or cave drip responses. Recent studies have demonstrated the utility of isotope-hydrology approaches in elucidating spatial and temporal variability in karst recharge and reconstructing past hydroclimatic conditions. Despite the establishment of global isotope databases, the application of stable isotopes in karst environments remains limited due to high analysis costs and scattered data. To address this, the WoKaS-Iso database was developed, compiling time series of stable isotope records from karst springs and cave drip waters, alongside complementary hydrological data. This initiative aims to enhance the understanding of karst hydrology and facilitate comparative studies across different regions.
Methods
The WoKaS-Iso database enhances the existing WoKaS (World Karst Spring hydrograph) database by incorporating stable isotope data (δ¹⁸O and δ²H) for 241 karst springs globally, building on an initial compilation of 119 stable isotope time series from Europe. This extension allows for the integration of isotope records with discharge data for 29 springs that overlap with WoKaS, while additional isotopic, hydrological, and climatological data were sourced from peer-reviewed literature, technical reports, and contributions from research collaborators. The cave component of the database was developed in collaboration with the SISAL (Speleothem Isotope Synthesis and Analysis) working group, incorporating 74 caves, with 66 records derived from SISAL_mon_v1 and the remainder from collaborators.
To ensure data interoperability, all cave records were standardized according to the WoKaS-Iso schema. The database also synthesizes paired hydrological and climatic datasets, including karst spring discharge, rainfall, and rainwater isotopes, which were compiled from various sources, including modelled climatic datasets from global products. The organization of the datasets into system output and input categories facilitates comprehensive analysis, with detailed methodologies for data recovery, standardization, and quality control outlined in the relevant sections of the paper. The workflow for the creation of the WoKaS-Iso database is visually represented in the accompanying figure.
Discussion
The WoKaS-Iso database compiles extensive isotopic data from 241 karst springs and 74 caves, encompassing 365 drip observation points. The dataset includes measurements of oxygen ($\delta^{18}O$) and hydrogen ($\delta^{2}H$) isotopes, alongside discharge rates and precipitation data, with 51% of springs having discharge data. Most isotope data are raw observations, while a smaller fraction is digitized from literature. The data collection involved systematic searches for published studies, collaboration with researchers, and digitization of figures to ensure comprehensive coverage and accuracy. Quality control measures were implemented to standardize datasets and enhance their reliability for hydrological and isotopic analyses.
Spatially, the database covers key global karst regions, with a notable concentration of records in Europe, China, and the USA. The isotopic dynamics exhibit regional variations influenced by climatic conditions, with significant differences in $\delta^{18}O$ and $\delta^{2}H$ values observed across different sites. Temporal resolution varies, with spring discharge data generally having higher resolution than cave drip data. The database also integrates global precipitation and evapotranspiration datasets to provide a robust framework for understanding karst hydrology. Performance evaluations of precipitation isotope models indicate that the IsoGSM model outperforms others in predicting isotopic variability, making it the recommended choice for locations lacking local observations. The WoKaS-Iso database is publicly accessible, facilitating further research in karst hydrology and isotope dynamics.