تقدير حجم الجريان السطحي والترسبات لجابيه شمال العراق
لأغراض حصاد المياه باستخدام نظام المعلومات الجغرافية
الدكتور محمد عزالدين محمد - أستاذ مساعد - قسم هندسة الموارد المائية -كلية الهندسة- جامعة الموصل -جمهورية العراق
رشا محمد سامي السليم - مدرس مساعد- قسم هندسة الموارد المائية -كلية الهندسة- جامعة الموصل -جمهورية العراق
مجلة جامعة دمشق للعلوم الهندسية المجلد الثامن والعشرون- العدد الأول- 2012 - ص 1 - 37 :
الملخص
يتضمن البحث في المرحلة الأولى تقدير حجم الجريان السطحي والترسبات المحمولة معه والناتجة عن هطول الأمطار على 2 جابيه نهر الخوصر الموسمي الواقعة شمال شرق مدينة الموصل/جمهورية العراق التي تبلغ مساحتها بحدود 725 كم . إذْ إن هناك مقترحاً لإنشاء سد يهدف إلى حصاد مياه الجريان السطحي لأغراض الري التكميلي في المنطقة التي تستغل من خلال زراعتها بمحصول الحنطة والشعير بشكل واسع. اعتُمَِد نموذج المناسيب الرقمية (Digital Elevation Model (DEM بغرض وصف طبوغرافية المنطقة وهي من العوامل الأساسية والمؤثرة في اتجاه حركة المياه وسرعتها. كذلك اعتُمَِدتِ البيانات اليومية للأمطار ودرجات الحرارة العظمى والصغرى للمدة بين عام 1989 و 2007 لمحطة الموصل، وذلك بغرض تقدير حجم الجريان السطحي والترسبات الناتجة عن كل عاصفة مطرية مؤثرة. يتضمن النموذج الذي طُبقَ كلاً من نظام المعلومات الجغرافية (Geographical Information System (GIS فضلاً عن برنامج تقدير النحر الناتج عن المياه Water Erosion Prediction (Project (WEPP. اعتمدت هذه النتائج في المرحلة الثانية بغرض محاكاة الموازنة المائية للمياه الداخلة إلى خزان السد المقترح، وكذلك لتقدير المياه الخارجة من الخزان بتطبيق طريقة السمبلكس (Simplex) للبرمجة الخطية، وهي إحدى طرائق الحلول الفضلى لتحديد أكبر مساحة يمكن تلبية متطلبات الري لها.
أظهرت النتائج أن معدل الحجم السنوي لمياه الجريان السطحي الناتجة عن هطول الأمطار بحدود 25.4*10 متراً مكعباً خلال 27.1*10 وبمعدل ،المعتمدة السنوات 6 متراً مكعباً للسنوات ذات الهطول المطري القريب من المعدل، وهي كميات ذات أهمية كبيرة في عمليات الري التكميلي في المنطقة من أجل رفع الإنتاجية وزيادة المردود المالي من خلال تلبية متطلبات الري لمساحه مقدارها 13100 هكتار، كما أظهرته نتائج الحلول الفضلى، مما يعزز مقترح إنشاء السد في موقع الدراسة، فضلاً عن إمكانية الاستفادة منه في أغراض الاستخدامات المدنية المحدودة في المنطقة القريبه من موقع السد. كما بلغ المعدل السنوي للرسوبيات المحمولة مع مياه الجريان السطحي 140212 طن.
الكلمات المفتاحية: الجريان السطحي والترسبات، حصاد المياه، نظام المعلومات الجغرافية.
1-المقدمة :
تعد مياه الأمطار من المصادر الأساسية لري المحاصيل الشتوية في مناطق العالم عموماً وفي المناطق الجافة وشبه الجافة خصوصاً ذات الكميات المحدودة من المياه السطحية التي تعاني من شح مصادر المياه. ونتيجة للتغيرات المناخية وما نتج عنها من تغير في درجات الحرارة وفي كميات الأمطار وتوزيعها خلال الموسم المطري، بدأ التوجه إلى إقامة منشآت حصاد المياه بأساليبها المختلفة بغرض خزن مياه الجريان السطحي في أوقات وفرة الأمطار لغرض الاستفادة منها وإطلاقها لأغراض الري في أوقات قلة الأمطار أو توقفها، لضمان تلبية متطلبات المحاصيل الزراعية والحصول على الإنتاجيه العالية. فضلاً عن إمكانية الاستفادة من هذه المياه في حالة خزنها في السدود لتوليد الطاقة الكهربائية والاستخدامات المدنية اعتماداً على حجم السد وكمية المياه المتوافرة في المنطقة. يتطلب إنشاء هذه الخزانات تقدير حجم مياه الجريان السطحي عند مواقع هذه السدود بغرض تحديد الحجم المناسب للخزان، فضلاً عن أنه مع سقوط الأمطار تحصل عملية فصل حبيبات التربة ومحاولة نقلها بفعل الطاقة التي يمتلكها الجريان السطحي الناتج عنها مسببة نحراً للتربة وجرفها، ومن جهة أخرى فعندما تتناقص سرعة الجريان السطحي الحامل لها عند دخوله إلى الخزانات وتقل الطاقة الكامنة التي يمتلكها على حمل الرسوبيات فإنها تؤدي إلى ترسيبها مسببة العديد من الآثار السلبية في السدود والمنشآت الهيدروليكية؛ مما يتطلب تقدير كمياتها لأخذها بالحسبان عند التصميم.
تقدر مياه الجريان السطحي والترسبات المحمولة معه من خلال القياسات الحقلية في محطات الرصد للسنوات السابقة في حالة توافرها، أو باعتماد نماذج المحاكاة الرياضية في المناطق غير المرصودة التي تعتمد على علاقات ومعادلات رياضية مشتقة وعلاقات مخبرية وحقلية التي بدأ استخدامها بشكل كبير لوصف آلية تصرف وحركة المياه في الجابية والأحواض الثانوية وتقدير كمياتها، وهي وسيلة فعالة في اتخاذ القرار في إدارة الموارد المائية. وهناك نماذج أكثر تعقيداً تتضمن تقدير حمل الرسوبيات المنقولة مع مياه الجريان السطحي.
في السنوات الأخيرة بدأ التوجه إلى تطبيق نظام المعلومات الجغرافية (GIS) كونه الوسيلة المساعدة الفعالة في التعامل مع البيانات وتغذيتها إلى الحاسوب، إِذْ إن البيانات المتوافرة من الخرائط المختلفة منها الطبوغرافية، ونوع التربة، واستخدام الأرض، وغيرها يمكن اعتمادها مباشرة في تغذية النموذج بسهوله ودقة. وقد قدم عدد من الباحثين نماذج هيدرولوجية باعتماد نظام المعلومات الجغرافية [1 و2]، وكان العامل المشترك في تطبيق هذه النماذج اعتماد النظام في وصف منطقة الدراسة والحوض المائي من النواحي كلّها وهي من المتطلبات الأساسية للنماذج الهيدرولوجية.
قدم [3] بحثاً هدفَ إلى تطوير أسلوب تقدير حصاد المياه في المناطق شبه الجافة وهي منطقة Rajasthan في الهند باستخدام نظام المعلومات الجغرافية. أُعِدتْ خرائط استخدام الأرض من بيانات الاستشعار عن بعد من صور الأقمار الصناعية، كما اعتمد نموذج المناسيب الرقمية (DEM) لتحديد المساحة الجابية لستة أحواض مائية. استخدمت هذه الخرائط في طريقة خدمات صيانة التربة (SCS) ورقم المنحني (CN) لتقدير عمق الجريان السطحي الناتج عن عواصف مطرية مختلفة لتقدير حجم الجريان السنوي لكل حوض. أظهرت النتائج إمكانية اعتماد نظام المعلومات الجغرافية في التخطيط لحصاد المياه في مساحات كبيرة.
استخدم [4]، طريقة تعتمد على نظام المعلومات الجغرافية لتحديد مصادر الرسوبيات ومساحتها وتقدير كمياتها الناتجة عن عواصف مطرية. مثِّلَتِ المساحة الجابية من خلال تقسيمها إلى خلايا متساوية المساحة واعتمدت الصور الفضائية للتعبير عن حالة التربة واستخداماتها، وكذلك لتحديد نوع التربة. قدرت الرسوبيات اعتماداً على المعادلة العامة لفقد التربة (USLE) اعتماداً على خصائص كل خلية، وتم التوصل إلى نتائج مقبولة تتعلق بنسبة وصول الرسوبيات والجريان السطحي مقارنة بالقيم المقيسة لمنطقة Nagwa وKarso في الهند .
طبق [5]، نموذجاً عملياً وهو المعادلة العامة لفقد التربة (USLE)، ونموذجاً فيزيائياً مع نظام المعلومات الجغرافية، للتنبؤ بالرسوبيات الناتجة عن جريان المياه لثلاثة أحواض كبيرة تقع مقدم خزانات Ragoleto وTrinita وPozzillo في إيطاليا. هدفَ العمل إلى مقارنة الرسوبيات المقدرة بالمقيسة في البحيرة والتحري عن كيفية تأثير التفاصيل الدقيقة لوصف الجابية في تقدير نتائج الرسوبيات. أعطت نتائج النموذج الفيزيائي قيماً أعلى من قيم النموذج العملي وكلاهما أعطى قيماً أعلى من القيم المقيسة فعلياً بشكل عام.
قدم [6] بحثاً يتضمن تطبيق نموذج رياضي يعتمد أسلوب البرمجة الخطية لتحديد الحجم الأمثل للخزان المائي الذي يعطي أقل مجموع لكلفة السد فضلاً عن كلفة التحسينات والتشذيب اللازم لمجرى النهر أسفل موقع السد. تضمن البحث تحليلاً اقتصادياً لكلفة السد والتشذيب اللازم لمجرى النهر أسفل السد بافتراض عدة قيم ممكنة للسعة الهيدروليكية للمجرى باعتماد موجة فيضان لمدد تردد مختلفة. أظهرت النتائج أن هناك قيمة فضلى لسعة الخزن تعطي أقل مجموع كلفة كما تعطي في الوقت نفسه أفضل عامل أمان لإمرار موجة الفيضان.
قدم [7]. نموذجاً محاكاة لإيجاد الحجم الأمثل للخزان اللازم لأغراض الري التكميلي باعتماد طريقة البرمجه الخطية. اعتمد مبدأ الموازنة الحجمية في تتبع حجم الماء المخزون خلال موسم المطر، ومقدار الطلب. وقد اعتُمَِدتْ طريقة رقم المنحني (CN) المقدمة من قبل خدمات حفظ التربة الأمريكية في تقدير حجم الجريان السطحي. طُبقَ النموذج على منطقة الحضر (يبلغ المعدل السنوي لأمطارها بحدود 150 ملم) الواقعة قرب مدينة الموصل/جمهورية العراق. أظهرت النتائج أن التصميم الاقتصادي الأفضل هو الذي يتطلب مساحة جابية تعادل ثلاثة أرباع مساحة الحقل الكلية، وفي هذه الحالة تكون نسبة تجهيز الماء للمحصول بمقدار 87.5% من الحد الأقصى للطلب، وإن حجم الخزان المطلوب هو بحدود م 111 3 / هكتاراً من المساحة الكلية للحقل.
تم تخمين الموارد المائية في Jammu Himalaya في الهند اعتماداً على أسلوب الموازنة المائية التي درِستْ باستخدام نموذج رياضي وبمساعدة تقانات الاستشعار عن بعد ونظام المعلومات الجغرافية التي ساعدت مساعدة كبيرة في تقدير النقص والزيادة في رطوبة التربة لمساحة الجابية. أظهرت تقديرات الموازنة المائية أن أعلى قيم للجريان السطحي السنوي تكون في المناطق التي تعلو المناطق الزراعية ومناطق الغابات الكثيفة، وتكون أقل في المناطق غير المزروعة أو الغابات المفتوحة. وتبين أن المواقع المناسبة لإقامة منشاَت حصاد المياه لهذه الجابية تغطي مساحه مقدارها 11% من مجموع مساحة الجابية، أما ما تبقى من المساحة فهو غير مناسب [8] .
هدفَ البحث الحالي إلى تقدير حجم الجريان السطحي السنوي المتراكم من مجموع العواصف المطرية المفردة، وكذلك كمية الرسوبيات السنوية الناتجة عنها لحوض نهر الخوصر الموسمي المبين في الشكل (1) الذي تبلغ مساحته الجابية 725كم 2 . اعتمدت البيانات اليومية للهطول ودرجات الحرارة العظمى والصغرى المسجلة خلال السنوات من عام 1989 إلى عام 2007 لمحطة الموصل الأقرب إلى منطقة الدراسة، وباستخدام نظام المعلومات الجغرافية وبعض البرامج المساعدة العاملة معه لتحقيق ذلك. ولهذه النتائج أهميه كون أن هناك مقترحاً لإنشاء سد على هذا النهر لخزن المياه لأغراض الري التكميلي للمساحات المزروعة في هذه المنطقة التي تستغل بزراعتها بمحصول الحنطة والشعير، فضلاً عن الاستخدامات المدنية المحدودة للقرى القريبة. إذْ إن هذه النتائج من المعلومات الأساسية لغرض اعتماد أسلوب البرمجة الخطية في الحلول الفضلى لتحقيق هدف آخر هو المساحة القصوى التي يمكن زراعتها بمحصول الحنطة التي تعتمد على كمية المياه المخزونة والمتوافرة لسد احتياجات الري التكميلي لها.
2- منطقة الدراسة :
تقع منطقة الدراسة شمال شرق مدينة الموصل/ جمهورية العراق كما هي مبينة في الشكل (1) وهي تمثل المساحة الجابية لنهر الخوصر الموسمي التي تبلغ كم 725 2 . راوحت طوبوغرافية المنطقة بين الميل الحاد عند الجزء الشمالي منها الذي يصل إلى 25% وبأقصى مستوى منسوب مقداره 1233م فوق مستوى سطح البحر إلى قليلة الميل في الجزء الجنوبي منها عند المنفذ والذي يبلغ بحدود 0.2% وبمنسوب 260م فوق مستوى سطح البحر، وبلغ المعدل العام لميل المنطقة بحدود 0.73%. تتكون نسجة التربة بين طينية غرينية، مزيجية طينية غرينية، إلى مزيجية غرينية، فضلاً عن مناطق من الصخور الكلسية في الجزء الشمالي من المنطقة [11] وكما هو موضح في الشكل (2) . يبلغ معدل الهطول السنوي للمنطقة بحدود 350 ملم ومعدل الحد الأقصى والأدنى لدرجات الحرارة بحدود 30 و 15 درجة مئوية على التوالي.
6- النتائج والمناقشة :
في المرحلة الأولى قدر المجموع السنوي لعمق الجريان السطحي المكافئ للسنوات من 2007-1989 المبين في الشكل(3)، من مجموع أعماق الجريان السطحي الناتج من العواصف المطرية المفردة الساقطة في منطقة الدراسة والمبين مجموعها السنوي في الشكل نفسه. راوحت نسبة عمق الجريان إلى عمق المطر الساقط (معدل معامل الجريان السطحي السنوي)، بين %5.5 و%15.5، وهذا يعتمد على توزيع سقوط الأمطار خلال الموسم الواحد وعلى شدة كل عاصفة مطرية التي لها تأثير في تحديد عمق الجريان الناتج، إذْ إن تقارب المدد بين العواصف المطرية يزيد من عمق الجريان السطحي من خلال تأثيرها في رطوبة التربة وانخفاض قابليتها على الارتشاح. كما أن زيادة شدة المطر تزيد من الجريان الناتج عنها نظراً إلى قابلية ارتشاح التربة المحدودة والمنخفضة مع زمن سقوط المطر، وهذا يبرر اختلاف نسبة عمق الجريان إلى عمق المطر على الرغم من تقارب مجموع عمق المطر السنوي لبعض المواسم. نلاحظ من الشكل (3) أن عمق الجريان السطحي السنوي تراوح بين 7.7 و 71.2 ملم، وبمعدل 35.1 ملم وهو معادل لحجم جريان سطحي مقداره 25.4*10 6 م 3 ، وهو ذو أهمية ويمكن الاستفادة منه في حالة خزنه لأغراض الري التكميلي للمنطقة في أوقات توقف الأمطار أو شحها.
كذلك تضمنت نتائج النموذج وزن الرسوبيات المحمولة مع مياه الجريان السطحي المبين مجموعها السنوي في الشكل(4) والناتجة من مجموع الرسوبيات الناتجة عن كل عاصفة مطرية. بلغ أقل وزن لهذه الرسوبيات بحدود 103*4.1 طناً - وأعلاها 103*701 طناً سنوياً ،وبمعدل 103*140 طناً. إن لهذه القيم أهمية كبيرة وذلك تقدير الوزن والحجم الكلي لهذه الترسبات بغرض أخذها بالحسبان في تقدير حجم التخزين الميت الذي بلغ 106*2.2 م3 عند عَدّ 20 سنة لعمر السد المقترح، والذي حدد بدوره حجم التخزين الحي المتيسر لأغراض الري وغيرها، وهو أساس في محاكاة الموازنة المائية.
اعتمدت مخرجات المرحلة الأولى وهي حجم الجريان السطحي الناتج عن كل عاصفة مطرية خلال كل سنة من السنوات المعتمدة (2007-1989) كونها جزءاً من البيانات اللازمة كمدخلات للمرحلة الثانية والمتضمنة محاكاة للموازنة المائية للمياه الداخلة إلى الخزان. فضلاً عن أن متطلبات الري التكميلي وفواقد التبخر المتغيرة حسب مرحلة النمو هي من مدخلات نموذج المحاكاة أيضاً. أظهرت نتائج البرمجة الخطية للحلول الفضلى أن أكبر مساحة يمكن تلبية متطلبات الري لها لمحصول الحنطة هي بحدود 27804 هكتاراً للموسم المطري 1995-1996، وهو الموسم الذي كان فيه عمق مطر السنوي 473 ملم، كما هو مبين في الشكل (5). في حين بلغت أقل مساحة يمكن إرواؤها بحدود 245 هكتارا
للموسم المطري 1999-2000 الذي كان فيه أقل عمق مطر سنوي وهو بحدود 140 ملم، وهي مساحة صغيرة ولم يظهر تأثير حصاد المياه فيها واضحاً كون أن معظم مياه الأمطار في ذلك الموسم كانت في نهايته؛ مما حدد بشكل كبير المساحة التي يمكن تلبية احتياجات الري لها وخصوصاً في بداية الموسم الزراعي. بشكل عام يراوح المعدل السنوي للأمطار الساقطة في منطقة الدراسة 350-400 ملم، ومن الشكل (5) نلاحظ أن المساحة التي يمكن إرواؤها في السنوات القريبة من معدل المطر السنوي راوحت بين 2738 إلى 26907 هكتار، أي بمعدل 15423 هكتار وهي المساحة القصوى التي يمكن ضمان إروائها باحتمالية مقبولة. إن هذه المساحات الإروائية قُدّرتْ على أساس اعتماد تلبية متطلبات المحصول من مياه الري بنسبة %100، ويمكن زيادة هذه المساحة بدرجة كبيرة في حالة اعتماد أسلوب الري الناقص (Deficit Irrigation) واعتماداً على درجة النقص في الري، إِذْ إن زيادة المساحة المروية على حساب إنتاجيه قد يحقق وارداً أكبر اعتماداً على العلاقة بين عمق الري وإنتاجية المحصول. كذلك نلاحظ من الشكل (5)، أن فواقد المسيل المائي كانت لسنوات محددة فقط ولم يتجاوز أقصاها 106*18.3 متراً مكعباً؛ مما يبين أن حجم الخزان في الموقع المختار كان مناسباً، كما أن حجم المياه السنوية التي تجري في النهر لا تتطلب إنشاء سد آخر عليه.
بشكل عام تعزز النتائج أهمية حصاد المياه في موقع الدراسة، وذلك لوجود كميات من مياه الجريان السطحي في أوقات وفرة الأمطار ووجود الموقع المناسب لخزنها والاستفادة منها في فترات توقف الأمطار أو شحها لضمان الحصول على الإنتاجية القصوى للمحاصيل الزراعي.
الشكل (1): الأحواض الثانوية وخطوط الجريان لمنطقة الدراسة، وموضحاً موقعها من خارطة العراق.
الشكل (2): خارطة تصنيف التربة (أ) وخارطة استخدام الأرض (ب) لمنطقة الدراسة.
المراجع:
1- Mallants, D. and Badji, M., “Integrating GIS and deterministic hydrological models: a powerful tool for impact assessment.”, Proc. EGIS, 1991, 672-679.
2- Savabi, M. R., Flanagan, D. C, Hebel, B., and Engel, B. A., “Application of Water Erosion Prediction Project and GIS to small watershed.”, Journal of Soil and Water Conservation. 1995, 50(5), 477-483.
3- Gupta, K. K., Deelstra, J., and Sharma, K. D., “ Estimation of Water Harvesting Potential for a Semiarid Area using GIS and Remote Sensing” International Association of Hydrological Science, Pub. No. 242, 1997, 53-62.
4- Jain, M. K., and Kothyari, U. C., “Estimation of Soil Erosion and Sediment Yield Using GIS”. Hydrological-des SciencesHydrologiques, 45(5), 2000. 771-786.
5- Amore, E., Modica, C., Nearing, M. A., and Santoro, V. C., “Scale Effect in USLE and WEPP Application for Soil Erosion Computation from Three Sicilian Basins”, Journal of Hydrology 293, 2004, 100-114.
6- الجبوري، كامل علي، وحاجم، أحمد يوسف، "السعة المثلى لخزانات السدود". المؤتمر الهندسي الثاني للكلية الهندسية العسكرية، الكلية الهندسية . العسكرية، بغداد، 24 -22 آذار 1994.
7- Hachum, A. Y., and Mohammad, E. M. “Optimal Reservoir Sizing for Small Scale Water Harvesting System at Al-Hader in Northern Iraq”, Journal of Al-Rafidain Engineering, 15(3), 2007, 83-95.
8- Jasrotia, A. S., Majhi, A., and Sunil Singh, “ Water Balance Approach for Rainwater Harvesting using Remote Sensing and GIS Technique, Jammu Himalaya, India”. Journal of Water Resource Management, 23(14), 2009, 3035-3055.
9- Wilcox, B. P., Sbaa, M. A., Blackburn, W. H., and Milligan, J. H., “ Runoff Prediction from sagebrush rangelands Using Water Erosion Prediction Project Technology”, Journal of Range Management, 45(5), 1992, 470-475.
10- Flanagan, D. C., and Nearing , M. A., “ Sediment Particle Sorting on Hillslope Profiles in the Water Erosion Prediction Project model”, Transaction of the ASAE, 43(3), 2000, 573-583.
11- Mohammad, E. M., “A Conceptual Model for Flow and Sediment Routing for a Watershed Northern Iraq”, Ph.D. Thesis, College of Engineering, University of Mosul, Iraq. 2005, 170.
12- Nearing, M. A., “Evaluation Soil Erosion Models Using Measured Plot data: Accounting for Variability in the Data”, Earth Surface Processes and Land Form”, 25, 1035-1043.
3- الكيلاني، ريم محمد، "دراسة مدى الاستفادة من مياه الأمطار والري التكميلي في الموصل" ، رسالة ماجستير، كلية الهندسة، جامعة الموصل، العراق، .81 ،2010.
ليست هناك تعليقات:
إرسال تعليق