تداخل مياه البحر مع المياه العذبة

بحث متقدم

أ ب ت ث ج ح خ د ذ ر ز س ش ص ض ط ظ ع غ ف ق ك ل م ن هـ و ي

تداخل مياه البحر مع المياه العذبة

تداخل مياه بحر مع مياه عذبه

Sea water nitrogen -

تداخل مياه البحر مع المياه العذب

تداخل مياه البحر مع المياه العذبة

حركية المياه

المشاكل الناجمة عن استنزاف المياه الجوفية

المناطق التي تواجه حالياً تداخل المياه

مواجهة مشكلة تداخل المياه البحرية

يُعرَّف تداخل المياه بأنّه حركة المياه المالحة إلى طبقات المياه العذبة saltwater- freshwater intrusion والتي من الممكن أن تقود بدورها إلى تلوث مصادر مياه الشرب وغيرها. تشكل المياه العذبة قضية مصيرية عالمياً؛ لأن المياه هي المكون الرئيسي للحياة قبل أن تكون مورداً حيوياً واستراتيجياً؛ كما تُعدّ المياه ركيزة أساسية في مجالات التنمية الشاملة كافة. ونتيجة للانفجار السكاني خلال القرن الماضي؛ أضحت قضية توفر المياه تسبب هاجساً متصاعداً عالمياً، وذلك نتيجة الزيادة المطردة في استهلاك المياه؛ بسبب زيادة الأنشطة الزراعية والصناعية، علاوة على مؤشرات التلوث المصاحبة لها، وخاصةً في المناطق الشاطئية التي لا تشكل إلا جزءاً بسيطاً من مساحة معظم الدول المطلة على البحار، بيد أن الكثافة السكانية تكون فيها مرتفعة جداً؛ مما يتطلب استهلاكاً كبيراً للمياه الجوفية الشاطئية من أجل توفير مياه الشرب والري والاستخدامات الصناعية المختلفة، وما ينجم عن ذلك من انخفاض في مستويات أحواض المياه الجوفية وغزوها من قبل مياه البحر. وفي ظل محدودية الموارد على مستوى العالم أصبح شح المياه قضية عالمية ومصدر قلق متزايد لتبعاته المصيرية على مستوى تطور تاريخ الإنسان المستقبلي.

قد يظهر تداخل المياه المالحة طبيعياً- وإلى درجة ما- في معظم طبقات المناطق الشاطئية بسبب الاتصال الهدروليكي بين المياه الجوفية العذبة ومياه البحر. ولأن المحتوى المعدني في المياه المالحة أعلى منه في المياه العذبة؛ فإنّ المياه المالحة تكون أكثف وأكثر ضغطاً، ونتيجة لذلك تُدفع المياه المالحة نحو اليابسة لتستقر أسفل المياه العذبة. يمكن أن تزيد نشاطات بشرية معيّنة وخاصة ضخ المياه الجوفية من آبار المياه العذبة الشاطئية من تداخل المياه المالحة في العديد من المناطق الشاطئية، حيث يخفّض استخلاص المياه من مستوى المياه العذبة الجوفية؛ مما يؤدي إلى انخفاض ضغطها سامحاً بذلك للمياه المالحة أن تتدفق أكثر باتجاه اليابسة (الشكل 1).

الشكل (1) تداخل طبقات المياه المالحة والمياه العذبة.

وهناك مساهم آخر لتداخل المياه، ألا وهو قنوات الملاحة navigation canals أو القنوات الزراعية وقنوات الصَرف drainage channels التي يمكن أن توفر بدورها ممرات conduit لانتقال المياه المالحة براً. ويمكن أن يزداد تداخل المياه المالحة سوءاً في الحوادث الحرجة مثل ارتفاع العواصف الريحية.

حركية المياه

في الهوامش الشاطئية coastal margins يلتقي تدفق المياه العذبة من اليابسة المياهَ المالحة من البحر. تتدفق المياه العذبة الجوفية من اليابسة باتجاه الشاطئ حيث يكون ارتفاع المياه الجوفية ومستواها عنده منخفضين، وبسبب الكثافة الكبرى للمياه المالحة تكون قوتها الهدروليكية أعلى من قوة المياه العذبة. يمكن إرجاع وجود الذروة الهدروليكية إلى ضغط السائل الممارس من قبل عمود المياه. حيث ينتقل عمود المياه ذو القوة الهدروليكية العليا باتجاه عمود المياه ذي القوة الهدروليكية المنخفضة في حال كانت أعمدة المياه متصلة. يُسبب الضغط والكثافة الأعلى للمياه المالحة انتقال المياه إلى الطبقات الشاطئية على شكل وتد wedge أسفل المياه العذبة، وتلتقي المياه المالحة والعذبة في منطقة تدعى بمنطقة الانتقال transition zone، حيث يظهر الاختلاط من خلال ظاهرة التبعثر dispersion أو الانتشار diffusion (الشكل 2). في الحالة الطبيعية يكون المدى أو الانتشار البري لوتد المياه المالحة محدوداً؛ لأن مستويات المياه الجوفية العذبة أو ارتفاع عمود المياه العذبة تزداد كلما كان ارتفاع اليابسة أعلى.

الشكل (2) تموضع منطقة التبعثر بين المياه المالحة والمياه العذبة.

أسباب تداخل المياه المالحة

1- استنزاف المياه العذبة وإعادة التعويض: يحدث تداخل المياه المالحة عندما تُستنزف مستويات المياه الجوفية في الطبقات التي تحملها بقدر يفوق إعادة التعويض recharge، ويتعلق ذلك مباشرةً بمكان التداخل ومحددات كمية المياه المالحة التي تستطيع أن تتداخل مع النظام الطبقي للمياه العذبة.

السبب الأساسي للخلل في إعادة التعويض هو استخلاص المياه الجوفية أو سحبها، وهي تُعدّ المصدر الأساسي لمياه الشرب في المناطق الشاطئية عامة. يمكن أن يخفض استخلاص المياه الجوفية من مستوى قاعدة المياه العذبة؛ ومن ثمّ يخفض الضغط الممارَس من قبل عمود المياه العذبة، ويسمح للماء المالح الأكثر كثافة أن يتدفق نحو اليابسة لاحقاً. لقد خفض سحب المياه في كاب مي Cape May في نيوجرسي (الولايات المتحدة الأمريكية) منذ عام 1940 مستويات المياه الجوفية إلى ما يصل نحو 30 متراً؛ مما أدى إلى خفض قاعدة المياه إلى أسفل مستوى مياه البحر مُسبباً تداخلاً واسعاً وتلوث الآبار المزودة للمياه. يمتد أحياناً وتد المياه المالحة saltwater wedge -في ظل ظروف معينة- نحو اليابسة إلى أسفل المياه العذبة، وتستطيع الآبار المزوّدة للمياه العذبة الواقعة قرب وتد المياه المالحة أن تسحب المياه المالحة نحو الأعلى؛ مما يُحدث ما يدعى بمخروط المياه المالحة saltwater cone، الّذي يمكن أن يصل إلى البئر ويلوّثها، كما يحدث في بعض الطبقات مثل الطبقة الفلوريدية ذات المستوى الأخفض.

وبما أن تداخل المياه المالحة يتعلق مباشرةً بمعدل إعادة تعويض المياه الجوفية، فإن ذلك يسمح للعوامل الأخرى التي يمكن أن تساهم في زحف encroachment المياه المالحة إلى طبقات المياه العذبة -كالمتغيرات المناخية مثل الهطل المطري والسيول السطحية ودرجة الحرارة- بأن تؤدي دوراً مهماً ومؤثراً في تداخل المياه المالحة؛ فمع كميات هطل مطري منخفضة ودرجات حرارة أكثر دفئاً سيكون معدل إعادة تعويض المياه منخفضاً جداً نتيجة قلة المياه التي تصل إلى الطبقات الجوفية والتبخر المتزايد.

إضافة إلى تلك العوامل هناك عوامل أخرى تؤثر في معدل إعادة تعويض المياه الجوفية على نحو غير مباشر، على سبيل المثال: زيادة انبعاث ثنائي أكسيد الكربون في الغلاف الجوي، لأن ذلك سيقود إلى زيادة معدل التبخر على نحو غير مباشر؛ مما يؤثر في معدل إعادة تعويض الطبقات الشاطئية بالمياه العذبة. يوضح الشكل (3) حالة الضخ الرئيسي لمياه البئر الذي يقود بدوره إلى ما يدعى مخروط التشتت أو التبعثر cone of dispersion في قاعدة المياه.

الشكل (3) حالتا الضخ الأولى والضخ الرئيسي للبئر.

عند حدوث هذه الظاهرة سينتقل -تداخل المياه المالحة- العذبة إلى اليابسة؛ مما يؤدي إلى نشوء تراكيز ملحية أعلى في طبقات المياه، فيجعلها عديمة الفائدة للاستهلاك البشري إذا لم تعالج.

هناك عامل آخر يمكن أن يؤثر مباشرةً في استنزاف الطبقة الشاطئية، ألا وهو إدارة استخدام الأرض وتخطيطها land planning and management، حيث يمكن أن تتطلب النشاطات المختلفة- مثل ري المحاصيل الزّراعية والاستخدامات الصّناعية- سحب كمية كبيرة من موارد المياه العذبة.

كما يُخفّض الضَّخّ المفرط لتلك الطبقات الشاطئية من مستوى قاعدة المياه ووفرتها. ويسبب انتقال منطقة التشتت نحو اليابسة، ويقلّص -على نحو مفاجئ- المياه العذبة الصالحة للشرب والاستخدامات البشرية، ويزيلها.

يُعاد ملء الطبقات طبيعياً من خلال الهطل المطري والمياه السطحية التي تُشبع أو تروي الأرض.

2- شبكات الصرف والقنوات: يؤدي إنشاء القنوات وشبكات الصرف إلى حدوث ظاهرة تداخل المياه المالحة. توفر القنوات مسالك أو طرقاً للمياه المالحة؛ لكي تُحمَل باتجاه اليابسة، كما يحدث تماماً عند تعميق القنوات المستعملة لأغراض الملاحة. فمثلاً؛ يُلقى ضمن مصب بحيرة سابين Sabine في خليج المكسيك العديد من المسارات التي تسمح بانتقال المياه إلى البحيرة وبانتقال المجرى إلى النهر المغذي للبحيرة؛ إضافة إلى أن حفر القنوات في المستنقعات المحيطة قد يؤدي لتسهيل عملية التنقيب عن النفط والغاز إلى غور الأرض (هبوطها)؛ مما يُحفّز حركة المياه المالحة باتجاه اليابسة.

تقود شبكات الصرف الّتي بُنيت لتصريف مياه المناطق الشاطئية المسطحة إلى تداخل المياه من خلال خفض قاعدة المياه العذبة؛ مما يؤدي إلى إنقاص ضغط المياه الممارس من قبل عمود المياه العذبة. لقد ظهر تداخل المياه المالحة على نحوٍ واسع في جنوب شرقيّ فلوريدا نتيجة قنوات الصرف التي بنيت بين عامي 1903 و1930 من أجل الزراعة والتطوّر الحضري. وقد عُزي السبب الرئيسي للتداخل إلى انخفاض قاعدة المياه؛ على الرَّغم من أنّ القنوات حملت كذلك المياه المالحة باتجاه اليابسة، حتى في حال بناء بوابات التحكم بالمياه.

3- التشققات والفوالق: أظهرت صور الأقمار الصناعية مدى تداخل الأحواض الجوفية، ولاسيما في المغاور الكارستية الموجودة في الصخور القريبة من الساحل اللبناني؛ والتي تساهم في تداخل المياه العذبة مع المياه المالحة كما في منطقتي شكّا والشويفات. ففي شكّا ينابيع مياه عذبة ضخمة داخل مياه البحر تأتي من اليابسة عبر شبكة قنوات كارستية وفوالق جوفية. وهي نفسها يمكن أن تخدم لعكس هذا المسار حين تتناقص المياه العذبة في اليابسة، فتدفعها مياه البحر باتجاه الداخل. وهذه الظاهرة (وجود العديد من الينابيع العذبة المتدفقة في البحر من خلال الفوالق والتجاويف الأرضية) موجودة على طول امتداد الساحل.

المشاكل الناجمة عن استنزاف المياه الجوفية

أ- انخفاض قاعدة المياه: من المحتمل أن التأثير الأكثر خطورة في استنزاف المياه الجوفية هو انخفاض مستوى المياه water table، تُعرّف قاعدة المياه على أنها منطقة تحت الأرض تكون مشبعة كلياً بالمياه العذبة، ويمكن أن تُحفر لاستخراج المياه العذبة. يصبح استخلاص المياه أكثر صعوبة عندما ينخفض مستواها. إذا انخفض مستوى المياه أسفل البئر؛ فإنه في هذه الحالة لا بدّ أن يُعاد حفره و يُؤسَس عمق أخفض. سيكون هذا الإجراء مكلفاً جداً، وتزداد التكلفة مع زيادة الاستجرار والحفر.

ب- التغير في التداخل: تظهر مشكلة أخرى عند حدوث ظاهرة تداخل المياه المالحة في طبقات المياه العذبة الشاطئية، ألا وهي التغير في تداخل المياه المالحة والعذبة، وكذلك تُعرف بمنطقة التشتت أو منطقة الانتقال transition and dispersion zone، تلتقي في هذه المنطقة المياه العذبة والمالحة مشكلةً حاجزاً هدرولوجياً، يمنع عموماً الحركة الهدرولوجية الطبيعية للمياه العذبة الجوفية باتجاه مياه البحر.

يُسبب الضخ الزائد لتلك الطبقة الشاطئية تغيرات في كمية المياه العذبة المنتقلة باتجاه مناطق التفريغ الشاطئي coastal discharge area، وتسمح للمياه البحرية بالانتقال نحو اليابسة مُتجهة إلى نظام الطبقة، ويؤدي إلى تراكيز كلورية عالية في المياه ونقص في مساحة تخزين المياه العذبة في الطبقة الحاملة.

عندما ينتقل التداخل براً؛ فإن البئر ذات العمق الأكثر سوف تبدأ في سحب المياه العذبة المالحة الملوثة، وهذا يعني أن المياه يجب أن تُعالج قبل الاستهلاك البشري، أو أن يُوقف استخدام تلك البئر ريثما يتمكن معدل إعادة التعويض من إجبار منطقة التداخل بالعودة إلى موقعها الطبيعي، ويمكن أن تأخذ هذه الحادثة وقتاً طويلاً وتخفض من إتاحة المياه العذبة في المنطقة.

المناطق التي تواجه حالياً تداخل المياه

المالحة -العذبة

تواجه العديد من الطبقات الشاطئية درجات مختلفة من تداخل المياه المالحة، كما في السواحل الشرقية للولايات المتحدة، كما أثبتت دراسات حديثة تداخل المياه المالحة في كل من المناطق الساحلية السورية واللبنانية. وعموماً يمكن القول: إن أي منطقة يزداد فيها معدل ضخ المياه الجوفية العذبة -وخاصة في المناطق الحضرية التي تكثر فيها الزراعة والصناعة- على معدل التعويض ستكون منطقة تداخل للمياه المالحة مع المياه العذبة وبدرجات مختلفة. لقد سمح سحب جزء كبير من المياه الجوفية ووجود نظام قنوات صرف جديدة في انخفاض مستوى المياه العذبة؛ ومن ثم تحفيز حركة المياه المالحة باتجاه طبقة المياه العذبة ونظم القنوات؛ مما يؤدي إلى تدهور المياه الجوفية نتيجة الضخ المفرط للطبقات المحلية.

آثار تداخل المياه

إن تبعات تفاقم مشكلة تملّح المياه الجوفية كبيرة وخطرة على المجتمع في عدّة قطاعات. فكلّ من يستعمل تلك المياه سيتأثّر بنوعيتها الرديئة في الزراعة -وهي المستهلك الأهم- وفي الاستعمالات البشرية المختلفة. فتأثيرها في الزراعة يتمثل في عدم تحمل معظم المزروعات الاقتصادية للتغير في الملوحة ولو كان طفيفاً، فمثلاً ينخفض إنتاج البندورة والخيار إلى مع ملوحة مياه ريّ بين ، كما أن زراعة الفريز تناقصت كثيراً بسبب حساسيته المفرطة تجاه الملوحة، وهذا يهدد ديمومة الإنتاج الزراعي. كما أن تأثير مياه البحر -والتي يمكن أن تكون ملوثة، والتي تختلط مع المياه العذبة المستخرجة من الآبار في مياه الشرب- ينجم عنها تهديد بأمراض معوية وأوبئة قد تكون معدية وخطرة.

مواجهة مشكلة تداخل المياه البحرية

لتخفيف تأثير مشكلة تداخل مياه البحر المالحة في الخزانات الجوفية يُتَّبَع ما يلي:

1- الحدّ من الحفر العشوائي للآبار في الطبقات الصخرية الحاملة للمياه الموجودة في المنطقة الساحلية.

2- ضبط مستويات الضخّ في الآبار القائمة وكمّياتها وفتراتها. لكن إذا كان الوضع القائم مفروضاً لا محالة؛ فإن هناك ثلاثة اقتراحات لحلول ممكنة، هي إجراءات تقنية استخدمت في عدّة دول تتعرّض للمشكلة ذاتها:

أ- حفر آبار ارتوازية: بكميات ضخ كبيرة على أن تكون بالداخل وبارتفاعات أعلى؛ بعيدة عن الشاطىء لمسافات تُحدَّد من قبل الخبراء الجيولوجيين؛ ومن ثمّ يُضخّ من هذه الآبار إلى المناطق الساحلية السكنية. وهذه الطريقة متوفرة حالياً في المنطقة الساحلية في لبنان على نحو عفوي.

ب- التغذية من المياه السطحية (سلاسل من آبار الحقن injection wells): تُضخّ المياه السطحية من الأنهار والأودية المجاورة إلى آبار تُحفَر في المناطق المُعرّضة لمشكلة تداخل مياه البحر خصوصاً. تعمل هذه الطريقة على رفع مستوى المياه الجوفية بأثر الضخّ العكسي؛ ومن ثم يصبح منسوب المياه الجوفية أعلى من منسوب المياه المالحة؛ ممّا يمنع تسرّب الأخيرة إلى الخزّانات الجوفية.

جـ- حفر آبار وقائية: هي مجموعة آبار تحفر بالقرب من الشريط الساحلي وبمنطقة تلاقي مياه البحر والمياه العذبة الجوفية، وبشكل متوازٍ غير متباعد. لا تُستعمل هذه الآبار لضخّ المياه، بل تبقى كحاجز أنابيب فارغة تعمل على وقاية الخزّانات الجوفية إلى الداخل بآلية هدرولوجية حيث تتسرّب مياه البحر إليها؛ ومن ثم ينشأ منها حاجز هدروليكي hydraulic barrier بين المياه المالحة والمياه الجوفية.

3- لقد طورت حلول أخرى لمنع تسرب المياه المالحة في الطبقات الشاطئية، من أهمها ما يدعوها العلماء اليوم بتقانة التبلور crystallization technology: وهي طريقة جديدة نسبياً لمنع تداخل المياه المالحة إلى الطبقات الشاطئية، وتنفذ فقط في مشاريع الاختبار project test. النظرية الأساسية وراء عملية البلورة هو خفض نفوذية التشكلات الصخرية الجيولوجية التي تعمل كحاجز للطبقة الشاطئية؛ بحيث يُضاف محلول فوق مشبع بالمعادن الذوّابة؛ ويُتوقَّع له أن يغيّر من مسامية التشكلات الصخرية؛ وأن يمنع المياه المالحة من الانسكاب مروراً بتلك الصخور باتجاه الطبقة الحاملة للمياه. تتفاعل عملية البلورة مع التربة والتشكّلات الصخرية الجيولوجية متحولة إلى جص (راسب) يشكل عامل ربط binding agent، وهذا المحلول المتبلور المُفرَط في الإشباع له تدفق وخواص محددة تسمح له أن يخترق التربة والطبقات الصخرية، ويعمل في الوقت ذاته كغطاء يقلّل من نفوذيّة الحواجز الصخرية، ويمنَع تداخل المياه المالحة إلى الطبقة.

2- آليات المواجهة الإدارية والفنية: لا تقتصر آليات المواجهة فقط على الأمور التقنية، بل يجب إقامة نظام الرصد الواجب اعتماده لتوفير مواجهة شاملة متكاملة integrated لحلّ هذه المشكلة، وهناك ثلاثة مكوّنات رئيسة تضمّ الجيولوجيا والبيئة المحيطة؛ والأنظمة الديناميكية بما فيها المياه ذاتها؛ والتدخّل البشري..

محمد ماهر قباقيبي

مراجع للاستزادة:

- S. F. Atkinson, Salt Water Intrusion,CRC Press; 2018.

- G. Felisa, et al., Saltwater Intrusion in Coastal Aquifers: A Primary Case Study along the Adriatic Coast Investigated within a Probabilistic Framework. Water, 2013.

- T. A. Johnson, R.Whitaker, Saltwater Intrusion in the Coastal Aquifers of Los Angeles County, California; Chapt. 2 (in Coastal Aquifer Management), edited by A. H. Cheng, D. Ouazar, Lewis Publishers , 2004.