Съгласно приетото от МОСВ хидрогеоложко райониране на страната, поречието на р. Арда попада в Източнородопския район на Рило-Родопската област, а горното течение на реката и притоците и - в Централнородопския район.

В тектонско отношение целият водосбор е разположен в обсега на Източнородопския блок, който е изграден от докамбрийски, палеогенски и кватернерни. В отделни малки изолирани петна се разкриват и метаморфозирани мезозойски скали и неогенски наслаги. В тези скали са се формирали пукнатинни, пукнатинно-карстови и порови води. Тези води са проучени сравнително слабо, с изключение на района около Кърджали, Момчилград и Крумовград. За останалата територия има данни само за отделни райони за по-отдавнашни години. В някои участъци са прокарани търсещо-проучвателни хидрогеоложки.

С най-важно практическо значение са алувиалните наслаги на река Арда, реките Перперек, Крумовица и Върбица с техните притоци, както и в долното течение на Бяла река. Речните тераси са оформени главно в долните и частично в средните течения на реките. В горните части преобладават ерозионни процеси и алувиални наслаги отсъстват, или са разпространени в долинни уширения, където са с малка площ и дебелина и без практическо значение.

Непрекъснати тераси по реките са оформени съответно:

Палеогенските седименти оформят слоест водоносен комплекс с предимно ниска водообилност. Той е със широко площно разпространение, значителна дебелина, незакономерна промяна на различните скални видове в хоризонтална и вертикална посока, водещи заедно с неравномерната напуканост до филтрационна анизотропност на вместващите скали.

В този комплекс са се формирали няколко типа води:

А. Пукнатинно пластови води - Формирани са в седиментно-туфогенните материали, като са водоносни основно пясъчниците, конгломератите и в по-малка степен туфите и туфобрекчите. Подземните води са привързани към зоните с регионална напуканост. Пясъчниците и конгломератите често са заглинени, което намалява техните водноколекторски свойства и водообилност. Пукнатинно-пластовите води се подхранват от валежи, но поради това, че в повечето случаи водопропускливите скали са покрити от водоупори, това подхранване е затруднено. От друга страна силно разчленения релеф спомага за по-бързото дрениране на пластовите води в пресичащите ги дерета, което също намалява обемите на акумулираните в тях води. повечето от изворите са с незначителни водни количества. Някои сондажи пресичат тези пластове под местния ерозионен базис, като дават малки дебити на самоизлив. При проведените опитни водочерпения стойностите за относителните дебити са ниски - често под 0.1 l/s.m, но в някои по-напукани и по-водообилни участъци и повече. Към този тип води се отнасят и водите формирани във надвъглищния, въглищния и подвъглищния водоносни хоризонти в Смолянския въглищен басейн (Шишков и др., 1964; Шишков, Андреев, 1965; Брънкин и др., 1969). Подхранването на подземните води тук също се осъществява от валежи в зоните на разкрития, а дренирането - от извори с незначителен дебит - от 005 до 0.25 l/s. Изключение правят няколко извора, чийто максимални дебити достигат до 0.45-2.2 l/s след интензивни валежи. В обсега на Смолянския въглищен басейн относителните дебити са ниски - 0.0003 до 0.143 l/s.m и коефициент на филтрация от 0.016 до 0.08 m/24h.

В. Пукнатинни води. Това са водите привързани към изветрителната зона на вулканските покрови - изградени от риолити, андезити, дацити, техните лавобрекчи, както и към здраво споените седиментни скали. Водоносността им се определя основно от регионалната изветрителна и тектонска напуканост на скалите като е по-висока в близост до тектонски нарушения. Тези скали образуват общ водоносен хоризонт с покриващите ги елувиални, делувиални и колувиални наслаги. Оформя се общ ненапорен водоносен хоризонт, с положение на водно ниво зависещо от релефа от няколко десетки сантиметра до 7-10m и повече. Сезонните колебания на водното ниво са от порядъка на 0.3-0.4 m. Подхранването на подземните води се осъществява от валежи, а дренирането става от извори в ниските части на релефа, с дебит от 0.06 до 0.2 l/s и рядко по-високи. Поради плитката циркулация на подземните води тези извори се характеризират с променливи дебити, като някои от тях пресъхват през лятото. Възможно е дрениране и в алувиалния водоносен хоризонт и директно в реките. С най-голяма водообилност са призматично напуканите андезити, от които излизат многобройни извори. Най-значимият извор от тях е северно от с. Студен кладенец, с дебит от 3 до 50 l/s (средно 10-12 l/s) излизащ от блокови андезити. Отсъстват данни за филтрационни параметри на този водоносен хоризонт.

Тези води са формирани в метаморфните скали на Прародопската и Родопската надгрупи, представени от пъстри високо метаморфни скали - предимно различни видове гнайси и шисти, прослоени с амфиболити, лептинити, калкошисти, на места с талк, хлорит, процепени от магматити, мигматизирани и гранитизирани. Разпространение има и мраморния комплекс на Добростанската свита. Всички скали са напукани в различна степен, а мраморите и окарстени. Пресните подземни води формирани в тези скали са главно 2 типа:

Поровите води в кватернерните наслаги са предимно хидрокарбонатни, калциево натриеви, със средна минерализация около 0.5-0.6 g/l. На места има повишено съдържание на магнезий.

В олигоценските вулкано-седиментни скали водите са относително по-пресни - с минерализация средно около 0.4 g/l.Те са предимно хидрокарбонатни и хидрокарбонатно-хлоридни, калциево-натриеви и калциево-магнезиеви, а на места и с повишено съдържание на сулфати. Във варовиковите пачки водите са хидрокарбонатни калциеви и калциево-магнезиеви. Пукнатинните води в младопалеогенските кисели ефузии са хидрокарбонатни калциево-натриево-магнезиеви, на места с повишено съдържание на хлориди, с минерализация средно около 0.25g/l.

Палеогенският теригенен комплекс в Смолянско се характеризира с води предимно с ниска минерализация - 0.1-0.3g/l и рядко по-висока. По тип преобладаващи хидрокарбонатните и по рядко хидрокарбонатно-сулфатни калциево натриеви и калциево магнезиеви.

Водите в метаморфозирания кристалинен комплекс са хидрокарбонатно-калциево-магнезиеви и магнезиево калциеви, на места с повишено съдържание на натрий. Стойностите на минерализацията се изменят от под 0.1 g/l до 0.6 g/l.

Карстовите води в архайските и протерозойските мрамори са хидрокарбонатно калциеви и калциево-магнезиеви, пресни, с минерализация около 0.2 g/l.

Имайки предвид плитката циркулация на подземните води, те са уязвими спрямо замърсяване. В някои взети проби се установяват наличие на нитрити, нитрати и амоняк извън нормите на БДС 28-23/1983,но липсва площна закономерност за разпространението на замърсителите. Обикновено то има случаен характер и зависи от степента на антропогенна натовареност на съответната зона на подхранване. Относително по-висока степен на замърсяване има в по-ниските части, където има условия за развитие на земеделие и в близост до населените места. Така например в района около Кърджали, Момчилград, Крумовград от взети през 1996-7г. 41 броя водни проби в 15 е установено наличие на амоняк, а в 14 на нитрити.

Промишлената дейност също дава отражение на качествата на подземните води. Като основен замърсител по отношение на тежки метали и сулфати се явяват рудничните води, в района на Мадан, Рудозем, Златоград, Ерма река, Маджарово и т. н. Подземните галерии се явяват колектор на пукнатинните и карстови води, като инфилтриралите се в тях води се замърсяват при допир с рудния материал. Като източници на замърсяване се възприемат и съпътстващите рудодобива обекти, като флотационни фабрики, хвостохранилища и т. н. Поради прекратяване дейността на голяма част от рудниците в тях е прекратен водотливът и част от галериите са наводнени. Рудничните води замърсяват и повърхностните води на р. Арда и притоците и, което от своя страна може да доведе и до замърсяване на водите в алувиалния хоризонт.

Източник на замърсяване се явяват и промишлените предприятия в обсега на големите градове Кърджали, Смолян и др.

Пример за негативното въздействие е наличието на тежки метали в терасата на р. Арда в обсега на ОЦК-Кърджали.

Водосборът на река Арда е един от слабо проучените в хидрогеоложко отношение в България. За него липсват данни от регионални обобщения за ресурсите от подземни води и са провеждани само проучвания само с локално значение. Прокарвани са проучвателни сондажи за изясняване на хидрогеоложките особености в находищата на руди при Мадан, Рудозем, Златоград, Ерма река, Маджарово и др., както и за Смолянския въглищен басейн. Тези проучвания дават информация за възможния локален водоприток към подземните изработки, без да могат да се оценят регионалните ресурси. Отделните сондажни проучвания, извършвани от “Геоводинженеринг” - Асеновград, също имат спорадичен характер и не могат да се използват за регионални оценки.

Като основен изходен материал служат Картите на естествените и прогнозно-експлоатационните ресурси на подземните води в България, като информацията от тях бе допълнена и адаптирана съобразно по-късни данни получени при хидрогеоложките сондирания и обобщението на Сариев (1997). Като основен показател за по-голямата част от територията е използван модулът на подземния отток (за прогнозно-експлоатационния ресурс). За Смолянският карстов басейн, поради неизясненото му площно разпространение ресурсите са определени по сумарен минимален дебит на изворите. За подземните води в алувиалните наслаги естествените ресурси за терасите на притоците на р. Арда ресурсите са определени на базата на инфилтрационното подхранване от валежи. Приет е, по аналогия с подобни райони, приблизителен инфилтрационен коефициент 0.15. Използвани са данните за валежите за най-близките дъждомерни станции.

А. Подземни води в терасата на р. Арда. Както бе отбелязано терасата на р. Арда е развита само в изолирани помежду им долинни уширения в 3 участъка. Данни за формираните ресурси в тези участъци са дадени в таблицата:

Алувиални водоносни хоризонти са установени и на реките Върбица, Крумовица, Перперек, а също и на Бяла река, която се влива в р. Арда извън територията на България. Затова експлоатационните им ресурси се разглеждат отделно от тези на алувиалния хоризонт на р. Арда (таблицата по-долу)

Необходимо е да се има предвид, че тези ресурси се дренират по протежението на реките и голяма част от тях се оттича като повърхностен отток. Поради хидравличната връзка между речни и подземни води има възможностите за привличане при експлоатация на допълнителни водни количества (привлекаеми ресурси).

Пукнатинни води

Освен естествени изходища, прокарваните многобройни подземни минни изработки за търсене и добив на полезни изкопаеми служат като колектор на подземните води. Така например, вследствие на рудничен водоотлив при с.Ерма река изтичат около 30 l/s пукнатинно-карстова термална и студена вода.

Посочените водни количества се дренират изцяло от извори, които формират част от повърхностния отток на р. Арда и притоците й.

Спецификата на водосбора - преобладават предимно пукнатинни води, предопределя възможностите за използване на подземни води основно чрез каптиране на извори. По данни на НСИ в момента се използват около 615 l/s (400 l/s от фирмите на ВиК и 215 l/s от други потребители). Тази информация е коригирана с данните дадени от Сариев (1997), получени при посещение на всеки водоизточник в изследваната от него територия (по-голямата част от обхвата на кватернерния водоносен хоризонт на реките Върбица, Крумовица и Перперек и прилежащите им територии с пукнатинни води). Съгласно тях водопотреблението в проучените участъци е с около 100 l/s по-голямо, отколкото даденото от НСИ. Ориентировъчно баланса на прогнозно-експлоатационните ресурси, както и тяхното разпределение по типове води и по поречия е следното: