التقنيات الحديثة في إدارة الموارد المائية (الفصل الخامس) ...

الفصل الخامس

التقنيات الحديثة في إدارة الموارد المائية

(5.1) مقدمة

v      تعاني الدول العربية بحسب أحدث تقرير صادر عن المنتدى العربي للبيئة والتنمية من ندرة المياه وتعد المنطقة العربية من أفقر مناطق العالم في المياه.

v      من المتوقع أن يصل معدل حصة الفرد خلال سنوات قليلة إلى أدنى درجات الفقر المائي الحاد نتيجة زيادة السكان وتضاؤل الإمدادات.

v      وبالتالي فإن هناك صعوبة في ربح رهان التنمية المستدامة في أي بلد، إذا كانت الهياكل القانونية والتنظيمية للموارد المائية القائمة تعاني بعض الاختلال والثغرات، واستعمال أساليب وتقنيات لا تتماشى مع الطرق الحديثة للإدارة المتكاملة للمياه.

v      ويجب التذكير أن هناك بعض الدول التي تعاني من محدودية الموارد المائية ستواجه تحديات كبرى في الألفية الثالثة في الميدان المائي، لكونه لا يتوفر على الإمكانات والوسائل الوقائية والعلاجية معاً.

v      إن الوضع المائي أصبح حرجاً في بعض دول العالم ومنها المملكة العربية السعودية، وإن كانت غالبيتها تخطت حاجز العجز المائي، إلا أن بعضها يعرف عجزاً مائياً في غاية الخطورة.

v      وفي ظل هذه الظروف، تبقى السياسات العامة لاستخدام الموارد المائية وإدارتها بعيدة عن المفاهيم الحديثة للإدارة المتكاملة على الرغم من الجهود المبذولة.

v      ولمواجهة هذه الوضعية، يجب تعميق البحث لاستنباط الآليات الضرورية التي تمكن من تحقيق الأمن المائي من خلال إعداد إستراتيجية للإدارة المتكاملة للمياه ، ومسايرة التقنيات الحديثة للتدبير، بهدف التقليص من حدة العجز المائي وانعكاساته السلبية على السكان والبيئة والتنمية المستدامة.

v    وبالنظر إلى التطور الهائل للعلوم المتصلة بالموارد المائية واستعمالاتها المتنوعة والمختلفة، وما يترتب عنها من المشاكل، فإن الضرورة تقتضي البحث عن التكنولوجيا والتقنيات الملائمة لتنمية الموارد المائية، واستنباط الآليات والتقنيات الحديثة لتقويم القوانين.

v     إن استخدام هذه التقنيات وتطبيقاتها في إدارة الموارد المائي سوف تساعد على تقليل الفجوة بين الموارد المتاحة والإمكانيات المأمولة لحل مشكلة نقص المياه والاستخدام الأمثل لها.

v    من أهم التقنيات الحديثة التي يمكن استخدامها في إدارة الموارد المائية وأهم تطبيقاتها سوف يتم تناولها في الجزء التالي.

(5.2) نظم المعلومات الجغرافية   Geographic Information System- GIS

ü      يمكن تعريف نظم المعلومات الجغرافية بأنها نظم حاسوبية لجمع وإدخال ومعالجة وتحليل وعرض وإخراج المعلومات الجغرافية الوصفية لأهداف محددة تساعد على التخطيط واتخاذ القرارات المختلفة،

ü      بحيث نتمكن باستخدام نظم المعلومات الجغرافية (GIS) من إدخال المعلومات الجغرافية (خرائط, صور جوية, مرئيات فضائية) والوصفية (أسماء، جداول), معالجتها (تنقيحها من الخطأ), تخزينها, استرجاعها, استفسارها, تحليلها تحليل مكاني وإحصائي, وعرضها على شاشة الحاسوب أو على ورق في شكل خرائط, تقارير, ورسومات بيانية أو من خلال الموقع الالكتروني.

ü      تعتبر نظم المعلومات الجغرافية (GIS) واحدة من التقنيات القائمة على استخدام الحاسب الآلي، والتي لها القدرة على عرض المعلومات الجغرافية بصورها المختلفة، وتنفيذ العمليات الإحصائية، إضافة إلى إمكانيتها في تأسيس قواعد البيانات المكانية والوصفية المرتبطة بها، بل وأصبحت أداة فاعلة في التخطيط، واتخاذ القرار.

ü      نظم المعلومات الجغرافية تتألف من مجموعة من العلوم والتقنيات المستخدمة كما يوضح في الشكل رقم (5.1)

الشكل رقم (5.1). مجموعة نظم المعلومات الجغرافية.

أهداف استخدام نظم المعلومات الجغرافية:

وذلك لإنجاز أحد الهدفين التاليين أو كليهما:

1- العثور على المواقع المناسبة لإنجاز هدف ما، اعتماداً على شروط ومعايير محددة، مثل العثور على أفضل موقع لإنشاء سد، أو أفضل موقع لمشروع زراعي. ويمكن القيام بذلك باستخدام عدد من العمليات المنطقية.

2- الاستعلام عن خصائص معالم الخريطة، مثل معرفة الكثافة السكانية لمنطقة إدارية، أو اسم صاحب العقار. وتنجز هذه العمليات في الأغلب بالنقر على المعلم الجغرافي (المنطقة الإدارية أو الطريق أو العقار) فيقوم نظام المعلومات الجغرافية باستخراج سماته من قاعدة البيانات المرافقة ويعرضها.

 (5.2.1) نظام تحديد المواقع العالمي Global Positioning System - GPS

ü      نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) نظام إبحار مؤلف من 24 قمراً اصطناعياً في 6 مدارات حول الكرة الأرضية بالإضافة إلى محطاتها الأرضية، الشكل رقم (5.2)، يزوّد كل منها معلومات دقيقة عن الوقت والموقع لتمكن أجهزة استقبال GPS من حساب المواقع على سطح الأرض.

الشكل رقم (5.2). قمر GPS اصطناعي، واحد من 24 قمراً تدور في 6 مدارات حول الأرض.

ü      يجب استقبال إشارة من ثلاثة أقمار اصطناعية على الأقل لتحديد موقع جهاز الاستقبال في شكل خط عرض وخط طول، أو في أي شكل آخر تابع لشبكة الإحداثيات المحلية إذا تم تعريفها في جهاز الاستقبال. فيما يتطلب حساب ارتفاع الموقع وجود إشارة إضافية من قمر اصطناعي رابع.

ü      تستخدم تقنية GPS للحصول على بيانات متجهة عن المواقع الجغرافية، وتوفر بعض أجهزة الاستقبال المتطورة إمكانيات لرصد النقاط والخطوط والمضلعات، وتخزينها في طبقات منفصلة، جنباً إلى جنب مع جداول قواعد البيانات، مع إمكانية تصديرها إلى هيئة GIS المطلوبة.

ü      مثال: للحصول على طبقة الآبار في القرية، يقوم مستخدم GPS أولاً بإنشاء جدول لتخزين البيانات الوصفية ويسمى أيضاً معجم بيانات (data dictionary) يتضمن اسم مالك البئر ورقم الترخيص وعمقه، ثم يجري مسحاً حقلياً لرصد مواقع الآبار، وذلك بالضغط على زر خاص في لوحة المفاتيح بعد الوقوف عند البئر مباشرة وإدخال اسم مالك البئر ورقم الترخيص وعمقه.

ü      وفي نهاية المطاف يحصل على بيانات الآبار المكانية وسماتها، وهي بيانات جاهزة للاستخدام في معظم برمجيات نظام المعلومات الجغرافية.

(5.2.2) نظم المعلومات الجغرافية في مجال دراسة المياه

ü      لقد شهدت السنوات الماضية اتجاها عاما إلى الاستفادة القصوى من نظم المعلومات الجغرافية في مجال دراسة المياه والتحليل الهيدرولوجي.

ü      الفائدة الكبرى من تطبيق نظم المعلومات الجغرافية في مجال المياه في أنها تمكن العاملين في حقل المياه من ربط المعلومات الجغرافية كالأحواض المائية بالمعلومات البيانية كالأمطار, منسوب ارتفاع المياه, واستخدام هذه المعلومات مع بعضها البعض لإجراء تحليلات للاستفادة منها في بناء السدود والخزانات

ü      كما تساعد أيضا في دراسة حالة المياه الجوفية, الضخ الجائر, تدخل مياه البحر, وتأثير التجمعات السكانية على المياه.

ü      كما يمكن استخدام نظم المعلومات الجغرافية لإنتاج خرائط ملونة توضح درجة التلوث ومقارنة ذلك بالمواصفات المعتمدة من منظمة الصحة العالمية

ü      فمثلا إذا كانت قراءة الكلورايد في محطة قياس نوعية المياه قد تعدت 250 ملجم في اللتر فيمكن إعطاء هذه المحطة لونا أحمر لكي يدل على خطورة الموقف كما يمكن التعرف على أسباب هذه الخطورة بالنظر إلى مصادر التلوث حول المحطة (مصانع, نفايات, مبيدات زراعية, الخ).

ü      وتطبيق نظم المعلومات الجغرافية في مجال دراسة المياه أخذ بعداً استراتيجياً خاصة وأن الماء في المملكة العربية السعودية تعتبر من أكثر العناصر البيئية التي تحتاج إلى إدارة وترشيد.

ü      فعلى سبيل المثال يمكن استخدام مزيج من الخرائط الورقية, والتصوير الجوى, والاستشعار من بعد, والنظام العالمي لتحديد المواقع (GPS) ونظم المعلومات الجغرافية لدراسة أحوال المياه بأي منطقة من المملكة.

ü      وبالتالي يمكن استخدام نظم المعلومات الجغرافية لتوفير بيانات وصفية و مكانية وخرائط عن مواقع توفر المياه و حجم المخزون المائي وتحديد مواقع السدود والعمر الزمني المتوقع لهذا المخزون.

ü      ومن الدراسات في هذا المجال يمكن تسجيل معلومات متنوعة مثل الفحوصات الفيزيائية للماء ( درجة الحرارة, الرائحة و الطعم, اللون,.... الخ) والفحوصات الكيماوية (الرقم الهيدروجيني, الأوكسجين الذائب, الأوكسجين المستهلك حيويا, الأوكسجين المستهلك كيماوياً,..... الخ) على قاعدة بيانات تدار بواسطة برنامج مثل أروكل (Oracle) ووضع كل المعلومات الجغرافية (مواقع الآبار, الطرق, استخدام الأراضي, الجيولجيا) على برنامج مثل (ArcInfo).

ü      كذلك يمكن أجراء تحليلات في غاية الأهمية (تحديد الآبار الجوفية الصالحة للشرب, كمية المخزون الاستراتيجي).

ü      تساعد نظم المعلومات الجغرافية في الإجابة عن كثير من التساؤلات التي تخص التحديد مثل:

·            النمط الزراعي ( أنواع المحاصيل المناسب زراعتها في الوحدة الزراعية),

·           القياسات (ما هي مساحة وإحداثيات الوحدة المحددة، وما هو قطر أنبوب الري الذي يروي),

·           الموقع (أين تقع الوحدة الزراعية العائدة إلى المالك),

·           الشرط (ما هي أنابيب الري التي قطرها 300 مم في منطقة أو مزرعة ما),

·           والتغير (درجة ملوحة التربة من عام 1965م إلى العام 2006م),

·           التوزيع النمطي (ما هي العلاقة بين توزيع السكان ومناطق تواجد المياه) والسيناريوهات المتعلقة بالهيدرولوجي (ماذا يحصل إذا زاد تغير تدفق مياه الري في الأنبوب).

(5.2.3) قاعدة البيانات الجغرافية

من أجل توفير قاعدة البيانات الجغرافية حتى يمكن التنبؤ بأثر بدائل الإدارة على المخزون المائي (كماً وكيفاً) لتحقيق التنمية المستدامة للمياه. وتمشيا مع السياسة العامة للدولة بالانتقال من الطرق العادية لحفظ ومعالجة البيانات إلى الطرق ألآلية تقوم وزارة المياه والكهرباء حاليا بتوفير كافة الإمكانات المادية والبشرية لوضع قاعدة بيانات جغرافية تفصيلية للموارد المائية بالمملكة تحقق المتطلبات الآتية:

1- سهولة الاستخدام بواسطة المزارع ومهندس الري  وصانع القرار  والمستثمر.

2- إمكانية التحديث بصفة مستمرة.

3- التكامل بين البيانات المختلفة والقدرة على إعطاء بيانات المدخلات للنماذج الرياضية.

4- سهولة وسرعة عرض البيانات الهيدروجيولوجية الخاصة بخزانات المياه وتحديد إمكانياتها ومعدلات السحب الآمنة لتجنب استنزافها أو تلوثها.

(5.2.4) استخدامات نظم المعلومات الجغرافية في إدارة الموارد المائية

من استخدامات نظم المعلومات الجغرافية نستعرض بعضا من الاستخدامات العامة لنظم المعلومات الجغرافية في حقول متعددة، وذلك على النحو التالي:

1- دراسة أنظمة  التصريف: يستوجب استخدام تقنية نظم المعلومات الجغرافية. في دراسة أنظمة تصريف المياه ويشمل ذلك جمع معلومات عن أطوال المجاري النهرية، وسرعة التدفق، ودرجات الانحدار، وغيرها من المعاملات المورفومترية عند بناء نموذج الجريان السطحي وتحديد المتغيرات الجغرافية المؤثرة فيه.

2- تحديث خرائط الترب: لنظم لمعلومات الجغرافية القدرة على تحديث خرائط الترب، من خلال جمع عينات من التربة عن منطقة ما، ومن ثم تحليل العينات، وإدخال. بياناتها في الحاسب، ومن ثم إنتاج خرائط تصنيف الترب.

3- ‏ بناء قواعد البيانات البيئية: نجد استخداما متطورا لهذه التقنية في برامج المراقبة البيئية على المستويين المحلي والعالمي. فبرامج نظم المعلومات الجغرافية استخداماتها متعددة، ذلك أن دمج معطيات الأقمار الصناعية. ونتائج المسوحات الأرضية والبيانات التي توضح خصائص الغلاف الحيوي، إضافة إلى بيانات المتغيرات الجيوكيميائية والطبيعية كالحرارة، والارتفاع ، والمحتوى الرطوبي، ونوعية الملوثات الناشئة عن الغلاف الجوي أو من سطح الأرض، أو من المياه تحت السطحية تسهم في بناء قواعد البيانات البيئية.

4- دراسة استخلاص المعلومات الهيدرولوجية اللازمة لتصميم السدود بطرق آلية، وتتنـوع الاسـتفادة من نظم المعلومات الجغرافية في مجال السدود تنوعاً كبيراً بحسب الغرض.

5- تساعد نظم المعلومات الجغرافية في الحصول على البيانات المطلوبة بطريقة آلية وبدقة متناهية وبسرعة أكبر من الطرق اليدوية التقليدية.

(5.2.5) تطبيقات نظم المعلومات الجغرافية في إدارة الموارد المائية

هناك العديد من المشروعات العلمية تم إنجازها في مجال استخدام نظم المعلومات الجغرافية كأداة في الدراسات البيئية والمائية، وأظهرت تلك التطبيقات تفوقا ملحوظا لهذه التقنية، فضلا عن دورها في ربط المعلومات البيئية والمائية بعضها ببعض لتقديم الحلول المناسبة. ومن هذه المشروعات التي تم إنجازها هي:

1- المشروع العلمي لدراسة جودة المياه جودة المياه في منطقة حوض التصريف القريبة من مدينة سانت لويس في ولاية ميزوري الأمريكية، والذي تم على مساحة لا تتجاوز 40 ميلا مربعاً. واستخدم تقنية نظام تحديد المواقع الجغرافية العالمي GPS، وحدد المشروع أربعة مواقع لدراسة المياه على شبكة التصريف، ومن ثم أجريت مجموعة من التحليلات كنسبة أيونات الهيدروجين ، والأملاح الكلية المذابة، وبعض التحليلات الأخرى. حيث تم إدخال تلك المعلومات عن مواقع عينات المياه إلى الحاسب الآلي باستخدام برنامج ArcView، ومن ثم عرضها على خريطة المنطقة المدروسة، إضافة إلى دمج المعلومات الحقلية بخريطة استعمال الأرض لمنطقة الدراسة، والتي ساعدت على فهم الاختلاف في معامل جودة المياه بين عينات المياه الأربعة.

2- إجراء دراسة جغرافية استخدم فيها برنامج ArcView 3.2a، وذلك بعرض صور فضائية مختارة، تقع غربي منطقة تبوك بالمملكة العربية السعودية. وذلك بتحديد مجموعة من المواقع مستخدمين جهاز تحديد المواقع الجغرافية العالمي GPS، ومن ثم جمع عينات من التربة ، وقاموا بدراستها ميدانياً للتعرف على أنواعها ومكوناتها، ومن ثم ربطها بالعوامل الجغرافية المؤثرة فيها.

ونستنتج من السابق أن التقنيات المساحية الحديثة بصفة عامة – ونظم الرصد على الأقمار الصناعية بصفة خاصة – تقدم مميزات أهمها:

·         الدقة العالية وإنجاز العمل الحقلي في أقل وقت ممكن مما يؤدي إلى خفض التكلفة الاقتصادية.

·         وبإجراء مقارنة اقتصادية بين تكلفة إنجاز هذه الدراسة باستخدام النظم المساحية التقليدية والنظام التكاملي الذي تم تطبيقه تبين أن النظام التكاملي الجديد قلل من زمن تجميع القياسات بنسبة 75% وأدى إلى خفض تكلفة المشروع بنسبة 50 % كما هو موضح بالجدول رقم (5.1).

الجدول رقم (5.1). مقارنة اقتصادية بين الطرق المساحية التقليدية والنظام التكاملي الجديد.

البند	الطرق التقليدية	النظام التكاملي
عدد الأفراد	20	5
الوقت المستهلك للأعمال الحقلية	4 أسابيع	1 أسبوع
تكلفة الفدان	16 جنيه	8 جنيه
الوفر في الوقت اللازم	ــ	75 %
نسبة خفض تكلفة المشروع	ــ	50   %

(5.2.6) البرامج الحاسوبية المستخدمة في مجال النمذجة الهيدرولوجية

·         بعد أن يقوم مصممو السدود بجمع المعلومات الضرورية لحساب السيول يتم إدخال هذه المعلومات في برامج حاسوبية لحساب المنحنى المائي أو كمية التخزين السنوي، ولقد ظهرت منذ بداية الستينات العديد من البرامج الهيدرولوجية المخصصة لمثل هذه الاستخدامات. من هذه البرامج مثل برنامج (HEC-HMS) وبرنامج (MIKE-11/NAM)

• يحتاج تطبيق النماذج الهيدرولوجية إلى عناية واعتبارات فائقة فيما يتعلق بتقدير المتغيرات المدخلة إلى هذه النماذج فلا عجب أن تعتبر عملية تقدير المتغيرات أحد أهم العمليات الحرجة في النمذجة الهيدرولوجية، لذا فإن دقة المخرجات الناتجة من هذه النماذج تعتمد بشكل كبير على كفاءة عملية المعايرة للمتغيرات المدخلة، فعملية المعايرة يمكن تعريفها على أنها اختيار القيم المناسبة للمتغيرات المدخلة للنماذج الهيدرولوجية والتي تعطي نتائج أقرب للنتائج التي تم رصدها في الحقل.

(5.3) الاستشعار عن بعد Remote Sensing

ü      الاستشعار عن بعد هو دراسة الظواهر من الجو أو الأقمار الاصطناعية، وهو يؤهّل العلماء لترجمة الظواهر بطريقة أفضل. وهذه الوسيلة مفيدة جداً في مسح مناطق شاسعة بكلفة صغيرة نسبياً.

ü      يستخدم الاستشعار عن بعد في دراسة المناطق القطبية والصحاري والغابات والمناطق الجبلية، فالخرائط ذات المقياس الصغير والدقة الجيدة يمكن إنتاجها بكلفة أقل انطلاقاً من صور الأقمار الاصطناعية.

ü      ويمكن القول أن الاستشعار عن بعد مناسب لدراسة المناطق الشاسعة ذات التضاريس الصعبة، وحيثما تكون كلفة أعمال المساحة التقليدية باهظة.

ü      تزودنا الأقمار الاصطناعية والاستشعار عن بعد بمعين لا ينضب من المعلومات، تتضمن دراسة شكل الأرض وتضاريسها وتوزّع اليابسة والبحار على سطحها، ودراسة النباتات والتربة والتركيب المعدني.

ü      توفر لذلك الكثير من الوقت والتكلفة المطلوبة لإنجاز المسح الحقلي المطلوب.

ü      كما تساعد المعلومات الملتقطة على فترات منتظمة للعلماءَ على تمييز مدى التغيير في الشروط الأرضية خلال الفصول، مثل التغييرات في رطوبة التربة الموسمية، وهذه معلومات مفيدة جداً في تخطيط المناطق التي تشهد تغييرات متكررة في الغطاء الأرضي لها، مثل الأراضي الزراعية والأغوار والمناطق التي تتأثر بالمد والجزر.

ü      تظهر أهمية الاستشعار عن بعد بجميع أنواعه: الصور الجوية ومناظر الأقمار الصناعية الرادار وغيرها, وتقدم معلومات متنوعة وعديدة عن الأرض. أنها تساعد على المراقبة المستمرة للأرض ومواردها.

(5.3.1) مكونات نظام الاستشعار عن بعد

يتكون نظام الاستشعار عن بعد الذي يستخدم الإشعاعات الكهرومغناطيسية:

• المصدر: قد يكون مصدر الإشعاع الكهرومغناطيسي كضوء الشمس أو الحرارة.
• التفاعل مع ظاهرات سطح الأرض: يعتمد على كمية الإشعاعات المنعكسة أو المنقولة.
• التفاعل مع الغلاف الجوي: حيث تتأثر بالطاقة المارة في الغلاف الجوي.
• أجهزة الاستشعار: تسجيل الإشعاعات بعد تفاعلها مع سطح الأرض والغلاف الجوي.

منصات الاستشعار عن بعد

• الطائرات للاستشعار عن بعد.
• الأقمار الصناعية الخاصة بدراسة الموارد الأرضية والمناخ.

(5.3.2) مجالات استخدام الاستشعار عن بعد

المجالات التي يمكن أن تساهم بها وسائل الاستشعار عن بعد بأنواعها الجوية والفضائية هي:

• المياه: تساعد وسائل الاستشعار عن بعد في عمليات استكشاف أماكن المياه الجوفية.
• المعادن: تعمل الاستشعار في استكشاف الخامات المعدنية والبترولية.
• الزراعة: القيام بحصر المحاصيل الزراعية والكشف عن الأمراض النباتية.
• الأعمال الهندسية: تستخدم في دراسة المشاريع الإنشائية والعمرانية.

(5.3.3)استخدامات الاستشعار عن بعد:

1-    تحديد وحصر المواقع التي تتجمع بها المياه كالبحيرات والخزانات والمناطق المنخفضة التي تتجمع بها السيول، ويمكن التعرف عليها مباشرة من الصور الفضائية، كما يمكن أيضا تحديد مساحات هذه المواقع ومعرفة التغيرات الموسمية التي قد تطرأ على حجم المياه الموجودة فيها.

2-    تتبع ورسم أنماط وأشكال مناطق تصريف المياه كالأودية والأنهار والقنوات، كما يمكن أيضا تتبع مساراتها ومراقبتها من حيث طول المجرى وعرضه وعمقه وخشونة سطحه ودرجة ترسب الطمي ونحت وتآكل ضفافه.

3-    الحصول على نظرة شاملة لتأثير الفيضانات والدمار الذي تخلفه عند حدوثها في منطقة ما، كما يمكن أيضا تقييم أوضاع المناطق المتأثرة بالجفاف.

4-    تحديد أعماق المياه الضحلة.

5-    الكشف عن الينابيع الحارة والينابيع الموجودة داخل البحر.

6-    دراسة الأحوال الجوية من أمطار وحرارة ورياح وثلوج ونحو ذلك وتوقع التغيرات التي قد تطرأ عليها.

7-    معرفة مناطق تجمع الثلوج ومساحاتها وتقييم زمن ومعدل ذوبانها ومتابعتها باستمرار.

8-    تحديد أنسب المواقع لإنشاء السدود.

9-    تقدير ملوحة المياه الجوفية الضحلة من خلال السبخات الملحية الظاهرة على سطح الأرض.

10-    الكشف عن وجود المياه الجوفية بالصخور النارية والمتحولة لاعتمادها اعتمادا مباشرا على تواجد الشقوق والفواصل والقواطع الرأسية والصدوع.

11-     دراسة أنواع المحاصيل  الزراعية و دراسة النباتات الطبيعية.

12-    دراسة أمراض النباتات.

وهناك بعض الدراسات التطبيقية الأخرى توضح استخدامات الاستشعار عن بعد:

1- تفسير الصور للحصول على معلومات عن المياه الجوفية

ü      لقد أصبح الاستشعار عن بعد وسيلة هامة عند القيام بمشاريع تنمية المياه الجوفية، فالمياه الجوفية لا يمكن رؤيتها من خلال معلومات الاستشعار عن بعد ولكن الصور الجوية والفضائية توفر معلومات شاملة وحديثة عن الظواهر السطحية وبالتالي تستخدم هذه المعلومات للاستدلال عن المياه الجوفية.

ü      وحتى مع توفر الخرائط الجيدة تستخدم الصور الجوية والفضائية كوسيلة مكملة للحصول على المعلومات السطحية الضرورية وذلك لأن الخريطة لا تظهر جميع التفاصيل. وعليه فإن هذه الدراسة تهدف إلى توضيح دور الاستشعار عن بعد كوسيلة سريعة ورخيصة نسبياً للحصول على معلومات عن المياه الجوفية.

ü      وخزانات المياه الجوفية وكمية ونوعية المياه فيها يمكن أن يستدل عليها جزئياً من خلال المعلومات السطحية.

ü       والظواهر السطحية التي تستخدم للاستدلال على المياه الجوفية بعضها يعد من العوامل المؤثرة فيها مثل الظواهر الجيولوجية والجيومورفولوجية وبعضها الآخر يعتمد على المياه الجوفية مثل بعض النباتات الطبيعية والنشاط الزراعي.

ü      ومن المعروف أن المسامية porosity والنفاذية permeability تختلف من صخر إلى آخر. فعلى سبيل المثال المسامية والنفاذية جيدة في الصخور الرملية ولذا فإنها غالباً تخزن المياه وتسمح للمياه بالحركة خلال مسامها، الأمر الذي يجعل إنتاجية البئر في مثل هذا الخزان عالية ومجدية اقتصادياً.

ü      وعلى العكس من ذلك الصخور الطفلية Shale تكون المسامية فيها جيدة ولكن النفاذية فيها منخفضة ولذا فإنها قادرة على خزن الماء ولكنها لا تسمح باستغلاله. وهذا يعني أن التعرف على أنواع الصخور يدل على خزانات المياه الجوفية وخصائصها الطبيعية والكيميائية.

2- دراسة تلوث البيئة المائية

o        ومن المعروف أنه لا توجد مياه طبيعة إلا وتحتوي على شيء من المواد الغريبة. وعندما نتحدث عن تلوث المياه لا بد أن نأخذ بالحسبان نمطين اثنين من مصادر التلوث: الملوثات المباشرة والملوثات غير المباشرة.

o        ويقصد بالملوثات المباشرة تلك التي يمكن حصر موقع مصدرها، مثل مخارج المصانع. أما الملوثات غير المباشرة فتضم الملوثات التي تكون مناطق مصادرها متعددة ومتفرقة مثال ذلك ما تحمله معها المياه الخارجة من الحقول الزراعية من أسمدة ورواسب.

o        ويتعذر تحديد نوع الملوث ومعرفة تركيزه باستخدام الصور وحدها. إلا أنه يمكن استخدام الصور لتحديد الموقع الذي يلتقي فيه الملوث بالكتلة المائية، وتحديد طريقة انتشاره.

o        ويمكن في بعض الأحيان كما في حالات الرواسب المعلقة في الماء تقدير تركيز الرواسب بقياسات كمية للراديومترية الفوتوغرافية يرافقها تحليل مخبري لعينات مختارة من الماء.

 (5.3.4) تطبيقات الاستشعار عن بعد على إدارة الموارد المائية

o        الاستشعار عن بعد Remote Sensing‏ عبارة عن مجموعة من الطرق تستخدم لجمع المعلومات عن ظواهر سطح الأرض (الطبيعية والبشرية) دون ملامستها، وذلك من مسافات قد تكون قريبة أو بعيدة ومعلومات الاستشعار عن بعد تجمع بواسطة أجهزة حساسة للإشعاع الكهرومغناطيسي المنعكس أو المنبعث من الأجسام تحملها غالبا الطائرات أو الأقمار الصناعية الآلية.

o        والمعلومات التي تقدمها أجهزة الاستشعار عن بعد أما أن تكون معلومات مرئية Imaging Sensors أو معلومات غير مرئية Non-imaging Sensors.

o        والمعلومات المرئيـة المتمثـلة في كل من الصور الجوية Aerial Photographs والصور الفضائية Images Space هي التي تستخدم بشكل رئيسي في التطبيقات الجغرافية.

o        والصور الجوية عبارة عن صور فوتوغرافية تؤخذ بواسطة طائرات خاصة مجهزة بآلات تصوير خاصة تسجل الإشعاع الكهرومغناطيسي في نطاق الطيف المرئي ( 0.4 ‏- 0.7 ‏ميكرومتر) أو تحت الحمراء القريبة ( 0.7 ‏- 0.9 ميكرومتر) على أفلام (أسود وأبيض أو ملونة) حساسة لهذه الطاقة.

o        أما الصور الفضائية فيقصد بها هنا الصور الفوتوغرافية المستخرجة (المنتجة) من الصور (المرئيات) الرقمية Digital Image الأصلية لأجهزة الاستشعار المحمولة Sensors على الأقمار الصناعية الآلية.

o        بدأ برنامج لاندساتLandsat ‏ في بداية السبعينات الميلادية، ويشتمل هذا البرنامج على سلسلة من الأقمار الصناعية التي أطلق منها حتى الآن خمسة بنجاح، كان أولها لاندسات -1‏الذي أطلق في يوليو 1972‏م. والأقمار الصناعية الثلاثة الأولى في هذه السلسلة كانت تكرر تصويرها كل 18 يوماً لأية منطقة على الكرة الأرضية (ماعدا القطبين)، بينما لاندسات-4، ولاندسات-5، ‏تكرر التصوير كل 16 يوم.

o        وجميع الأقمار الصناعية التي أطلقت في هذا البرنامج مجهزة بالماسح متعدد الأطيافMultispectral Scanning System (MSS)  الذي يسجل الطاقة لأربعة نطاقات من الطيف المرئي وتحت الحمراء. 

• ومن المعروف أن أجزاء كثيرة من البلاد العربية تعاني من نقص المياه وصعوبة الحصول عليها. وتساعد وسائل الاستشعار عن بعد في عمليات استكشاف مكامن المياه الجوفية، ومراقبة المجاري والخزانات السطحية. وهناك استخدامات عديدة للاستشعار عن بعد يمكن الاستفادة منها.

(5.4) تقنيات النظائر

• إن استخدم تقنيات النظائر المشعة (التكنولوجيا النووية) يعتبر من احدث التقنيات العلمية المستخدمة في القرن الحالي.
• تستخدم في أكثر من مجال: مثل دراسات المياه الجوفية لمعرفة حركتها وأعمارها وكذلك الطب لمعالجة بعض الأمراض مثل اليود المشع وفي الزراعة للحفاظ على الأغذية وفي مجال الصناعة للحصول على الطاقة الكهربائية مثل اليورانيوم.
• وتعتبر نظائر الأوكسجين والهيدروجين والكربون والنيتروجين من أكثر النظائر أهمية لكونها عناصر أساسية في النظام الهيدرولوجي والجيولوجي والبيولوجي حيث تعمل النظائر المستقرة لهذه العناصر ككاشف للماء والكربون والنيترات.
• تستخدم النظائر في الكشف عن مصادر المياه الجوفية ويتم تحديدها بمساندة المعلومات المتوفرة عن مناسيب المياه الجوفية في آبار المراقبة، ونتائج التحليل الكيميائي لتلك الآبار، والجدير بالذكر أن النظائر البيئية تدخل بشكل روتيني مع المسح الجيوفيزيائي في البحوث الحديثة المتعلقة بالمياه.
• وتعمل النظائر المشعة على تحديد مدة دورة المياه الجوفية وتجددها في حين تحدد النظائر البيئية الدلالات على صحة هذه العلاقة والمدة الزمنية لها.
• النظائر هي عناصر شبيهه لعنصر ما في الجدول الدوري تحمل نفس صفاتها الكيميائية وتختلف عنها في بعض الصفات الفيزيائية، فهي عناصر ذات أنوية متماثلة تدور حولها عدد مختلف من النيوترونات، فمنها المستقرة ومنها المشعة. ويوضح الجدول رقم (5.2) أهم العناصر الداخلة في دورة الماء في الطبيعة.

الجدول رقم (5.2). العناصر ونظائرها المستقرة والمشعة المستخدمة في دراسات المياه.

العنصر	العنصر الأساسي			النظير 1			النظير 2
الرمز	الحالة	المسمى	الرمز	الحالة	المسمى	الرمز	الحالة	المسمى	الرمز
الهيدروجين		مستقر	هيدروجين		مستقر	ديتيريوم		مشع	تريتيوم
الأكسجين		مستقر	أكسجين 16		مستقر	أكسجين 17		مستقر	أكسجين 18
الكربون		مستقر	كربون 12		مستقر	كربون 13		مشع	كربون 14

o        قبل اكتشاف هذه الظاهرة كانت غالبية العناصر الموجودة في الطبيعة المكونة للجدول الدوري مثل الأوكسجين والهيدروجين والنحاس والحديد والكبريت واليورانيوم معروفة

o        وكان يعتقد أنها تشكل اللبنات الأساسية في بناء الوجود المادي ، وأن لكل عنصر حالة واحدة يظهر بها تحدد خواصه الكيميائية والفيزيائية وتؤهله لاحتلال خانة معينة -دون غيرها– في هذا الجدول، لكن اكتشاف هذه الظاهرة أكد وجود أكثر من حالة فيزيائية (نووية ) لكل عنصر من  العناصر سميت هذه الحالات " النظائر" .

o        والنظائر لعنصر واحد تحتل المكان نفسه في الجدول الدوري، فمثلاً للهيدروجين ثلاثة نظائر هي: التريتيوم والدوتيريوم والهيدروجين تقع في الخانة الأولى من الجدول الدوري, وللأكسجين سبعة. تختلف نظائر العنصر الواحد في خواصها النووية على الرغم من تطابق خواصها الكيميائية. من هنا جاء اهتمام علم الفيزياء النووية بالنظائر فيما يقابل اهتمام علم الكيمياء بالعناصر.

o        ترتبط التفاعلات الكيميائية وبالتالي الخواص الكيميائية للعناصر بإلكتروناتها بينما تتوقف الخواص النووية على تركيب النواة.

o        النواة هي ذلك الجزء الصغير من الذرة الذي يشغل حيزاً (غالباً شكله كروي تقريباً) أصغر من الجزء الذي تشغله الذرة بعشرة آلاف مرة, وتتألف من جسيمات صغيرة يطلق عليها " النيكلونات "

o        وهي على نوعين, نوع يحمل شحنة كهربائية تدعى البروتونات وعددها يساوي عدد إلكترونات الذرة ويكتب دليل سفلي إلى أسفل يسار الرمز الكيميائي, والثاني غير مشحون - فهي إذن معتدلة كهربائياً - وتدعى النيترونات, يضاف عددها إلى عدد البروتونات ليشكلا معاً العدد الكتلي ويكتب دليل علوي إلى أعلى يسار الرمز الكيميائي, وذلك للدلالة على النظير ,وقد يكتب بجوار اسم النظير, فنقول الهيدروجين 1 والهيدروجين 2 والهيدروجين 3 , للدلالة على أي من نظائر الهيدروجين.

(5.4.1) تصنيف النظائر

تصنف النظائر تحت قسمين أساسيين:

الأول: " نظائر مستقرة " وهي لا تتغير أبداً وتشكل غالبية العناصر الموجودة في الطبيعة وتكون نسبتها إلى بعضها من أجل عنصر محدد ثابتة.  

الثاني : " غير مستقرة أو مشعة " وهي أقل وفرة في الطبيعة من النظائر المستقرة, ويرجع سبب عدم استقرارها لوجود طاقة زائدة داخل نوى ذراتها ما يجعلها تسعى دائماً وبشكل تلقائي للتخلص من هذه الطاقة، وعندما تطلقها أو تطلق جزءاً منها نقول أنها تفككت أو اضمحلت، وبالنتيجة تنتقل نواة الذرة من حالة إلى حالة أخرى إذا أصدرت أشعة جاما أو أنها تتحول إلى نظير آخر إذا أطلقت أشعة ألفا أو أشعة بيتا.

 (5.4.2) مصادر النظائر في الطبيعة واستخداماتها

ü      تعتبر مياه المحيطات هي المياه القياسية الوحيدة المناسبة لقياس كمية النظائر المستقرة لأية مياه في العالم وذلك لكون تلك المياه متجانسة لحد كبير وكذلك لاحتوائها على كمية ثابتة من عنصري الأكسجين والهيدروجين.

ü    تتفاوت كمية النظائر بشكل عام من مكان إلى آخر معتمدة في ذلك على موقعها بالنسبة لخطوط الطول والعرض إضافة إلى ارتفاعها من منسوب مستوى سطح البحر.

ü    ومن التقنيات الحديثة التي تستخدم فيها التكنولوجيا النووية في التطبيقات السلمية والبيئية، وفيها يتم تقدير تركيز النظائر «اوكسجين ـ 18، ديتيريوم، كربون ـ 14، كربون ـ 13، نيتروجين ـ 15» التي توجد بشكل طبيعي في البيئة. وبدراسة تغيراتها يمكن الحصول على معلومات تفيد في المجالات التطبيقية المختلفة.

أهم استخدامات النظائر في مجالات دراسات المياه الجوفية عدة من أهمها:

1- تقييم كفاءة السدود في زيادة تغذية خزانات المياه الجوفية وفي الحصاد المطري.

2- تحديد اتجاهات سريان المياه الجوفية في الخزانات الأرضية.

3- تحديد سرعات المياه الجوفية (العميقة والسطحية).

4- تحديد أعمار المياه الجوفية، وأعمار المياه المالحة المتداخلة في الخزانات الجوفية وأصل تلك المياه.

استخدام النظائر في تحديد عمر المياه:

عندما تتم معرفة مصدر إعادة اختزان إحدى الطبقات الصخرية المائية يمكننا تحديد عمر المياه بها أي آخر مرة كانت تلك المياه قد لامست الغلاف الجوي. وعلى هذا يمكننا معرفة المدة التي استغرقتها المياه لتصل من مصدرها ليعاد اختزانها في تلك الطبقة الصخرية المائية، وبالتالي يمكننا حساب الكميات الآمنة للسحب من تلك الطبقة.

 (5.4.3) النظائر والتغذية الجوفية

ü      تفقد المياه السطحية بالتبخر أثناء جريانها قبل أن تترشح إلى التربة من الطبقة الغير مشبعة بالمياه. على الرغم من أن درجة التبخر في المناطق القاحلة عالية جدا إلا أنه من الممكن أن تكون محتوى النظائر في المياه الجوفية الحديثة والأمطار متقاربة جداً، مما يدل على جدوى استخدام طريقة النظائر في التحليل الهيدرولوجي للمناطق القاحلة.

ü      إن التحليل الكيميائي للكاتيونات والانيونات للمياه الجوفية في آبار المراقبة وعينات مياه الأمطار وبحيرة سد  مثلاً في أي منطقة ما يمكن أن يعطي دلالة واضحة على أن التغذية الجوفية تمت أو لم تتم من مياه الأمطار أو بحيرة السد. كذلك يمكن تحديد نسبة تغذية الخزانات الجوفية في المنطقة من تلك المياه المتواجدة بالخزان السطحي والمياه المتجمعة خلف بحيرة السد.

(5.4.4) طريقة التحليل بالنظائر

تتميز طريقة التحليل باستخدام النظائر المستقرة والمشعة في الكشف عن مصادر المياه عن باقي الطرق التقليدية في أنها بسيطة جدا فلا تحتاج إلى أجهزة متخصصة أو مواد ذات معايير محددة إنما تقتصر على الدقة في أخذ القياسات أثناء أخذ عينات المياه في الحقل.

القياسات الحقلية:

    أثناء أخذ عينات المياه يجب أن يتم أخذ بعض القياسات الضرورية والتي من شأنها أن تساهم في دقة نتيجة الدراسة، وهي على سبيل المثال :

• منسوب المياه.
• درجة الحرارة.
• درجة الحموضة.
• درجة الملوحة.
• كمية الأكسجين الذائبة في الماء.

طريقة أخذ العينات:

يتم أخذ عينات المياه من آبار المياه الجوفية باستخدام المضخات الصغيرة التي تعمل بالطاقة الكهربائية حيث أنه يتم توصيل المياه الخارجة من الآبار بمجسات تقيس درجة الحرارة ودرجة الملوحة وكمية الأكسجين الذائبة في الماء وتستمر المضخة في العمل إلى أن تتوقف شاشة العرض المتصلة بالمجسات عن التغيير ويتم تسجيل القراءات ويتبع ذلك ملء علب تجميع المياه (القنينات) بالمياه .

حفظ العينات

تحفظ العينات في أماكن باردة تصل درجة حرارتها إلى 5 درجات مئوية ويفضل كذلك حفظها بعيدة عن أشعة الشمس المباشرة حتى يتم إجراء التحليل المطلوب.

(5.5) الهياكل المؤسسية اللازمة للتقنيات الحديثة لإمكانية التطبيق والاستفادة

. إن من أهم الهياكل المؤسسية اللازمة للتقنيات الحديثة المطلوبة للنهوض بالواقع المائي وإدارته بكفاءة عالية هي:

 أولاً- بناء القدرات الفنية والمهنية

تستند مؤسسات المياه الحديثة على آليات وتقنيات عمل حديثة قادرة على توظيف الإمكانات المتاحة والمستحدثة في إعداد البرامج والخطط التنموية. ولا ينحصر هذا التوظيف على الطاقة الذاتية للكادر المهني وإنما على مزاوجتها مع التقنيات الحديثة المستخدمة للحصول على البيانات والمعطيات الدقيقة عن الواقع المائي وإخضاعها للتحليل العلمي عبر برامج متطورة تبحث في أدق التفاصيل لطرح الحلول الممكنة، لاعتمادها في بناء السياسة المائية الآنية والبعيدة المدى على المستوى الوطني.

ثانياً- موجبات العمل المؤسساتي للمياه:

لا يتوقف العمل المؤسسي للمياه على النظام الإداري والتشريعي لتحديد المهام والصلاحيات وحسب، بل على النظام التقني والمعلوماتي الذي يوفر البيانات والمعطيات اللازمة لإعداد البرامج والخطط التنموية الآنية والمستقبلية.

ثالثاً- مركز البحوث والدراسات المائية:

إن إحدى مقومات العمل المؤسسي وجود مركز للبحوث والدراسات المائية لإعداد البرامج والخطط الإنمائية بعيدة المدى، ويشترط بناءه آليات عمل وخبراء مياه وأجهزة متطورة يمكن أن تقدم البيانات والمعطيات الدقيقة عن الحالة أو المشروع المراد دراسته وتطويره على المدى البعيد. ويتطلب إعداد البرامج والخطط المستقبلية طاقم عمل متكامل من خبراء المياه ومساعديهم يتم اختيارهم تبعاً للكفاءة والخبرة العلمية والشعور العالي بالمسؤولية تجاه المصالح العليا للوطن

[DOC]

التقنيات الحديثة في إدارة الموارد المائية

مواقع أعضاء هيئة التدريس في جامعة الملك سعود