Table of Contents
مستجمعات المياه الحضرية تحت الضغط
وتعتمد المدن في جميع أنحاء العالم على مستجمعات المياه الصحية لتوفير مياه الشرب النظيفة، ودعم الاستجمام، والمحافظة على الحياة البرية، ومع ذلك فإن التوسع السريع في الأسطح غير المزروعة، والأماكن التي تقف فيها، والسطحات، والهيدرولوجيا الطبيعية لهذه النظم، والكميات التي تتدفق في الغالب إلى الأرض، وتعالج المشاكل المتعلقة بالنفط، والمعادن الثقيلة، والفيضانات، والمسببات الضارة.
فهندسة النظم الإيكولوجية تطبق مبادئ إيكولوجية لإعادة أو تكرار العمليات الطبيعية التي ترش المياه وتثبيت التربة وتنظيم التدفق، ومن خلال إعادة التفكير في كيفية تصميم وإدارة المناظر الحضرية، يمكن للمدن أن تحول نفسها من مصادر التلوث إلى نظم تنظف المياه بصورة نشطة، ولا يتعلق النهج ببناء أرض رطبة واحدة أو زرع بضعة أشجار - بل يتعلق بإعادة تشكيل متعمد للنسيج الحضري للعمل بالطبيعة وليس ضده.
تحديد هندسة النظم الإيكولوجية في الممارسة العملية
إن هندسة النظم الإيكولوجية هي التلاعب المتعمد بالعناصر الحيوية والبيولوجية للنظم الإيكولوجية لتحقيق نتائج بيئية محددة، وفي سياق مستجمعات المياه الحضرية، يتيح المهندسين ونظم تصميم الإيكولوجيات التي تخفف من وظائف الأراضي الرطبة الطبيعية والغابات والفيضانات، وتلتقط هذه التدخلات المياه العواصف البطيئة وتعالجها قبل دخولها إلى المياه، خلافا للهياكل الأساسية التقليدية التي تنقل المياه بعيدا، فإن هندسة النظام الإيكولوجي تُف المياه.
ويستمد هذا المفهوم من عقود من البحوث في مجال إعادة البيئة، وهيكل المنظر الطبيعي، والهندسة البيئية، وتركز التنفيذ المبكر على الأراضي الرطبة المشيدة لمعالجة المياه المستعملة، ولكن الميدان قد توسع منذ ذلك الحين ليشمل السقف الأخضر، والزوابق البيولوجية، والأصفاد القابلة للطوابق، والحدائق المطرية، والعوازل المشاطئة، وما هي توحيد هذه النهج هو الاعتماد على النُظم الحية - المُزُج، والتربة، والكميات - لا تؤدي أعمال البنية التحتية.
لماذا تتطلب مستجمعات المياه الحضرية نهجا جديدا
وقد صممت إدارة مياه العواصف التقليدية بهدف وحيد في الاعتبار: نقل المياه من المشهد بأسرع ما يمكن، وهذا النهج يعامل المياه كمنتج نفايات بدلاً من مورد، كما أنه يتجاهل الأثر التراكمي لمئات من التدفقات الصغيرة والملوثة التي تدخل شبكة من المجاري المائية، حيث أن مستجمعات المياه أصبحت أكثر تحضراً، ويزيد حجم وسرعة مياه الأمطار بصورة مثيرة، ويغذي الموائل الممزقة ويدمر الموائل.
ومن العوامل الدافعة الأخرى تزايد الاعتراف بأن محطات المعالجة المركزية وحدها لا تستطيع حل المشكلة، إذ أن تدفقات المجارير المتجمعة التي تدفن مياه المجارير غير المعالجة في المجاري المائية أثناء الأمطار الغزيرة تشكل تحديا مستمرا في المدن القديمة، كما أن البنية التحتية الخضراء، وهي مجموعة فرعية من هندسة النظم الإيكولوجية، تقلل من حجم مياه الأمطار التي تدخل في المجاري المشتركة، مما يقلل من أحداث التدفق المفرط، وقد اعتمدت هذه النهج مدن مثل فيلادلفيا، التي تستثمر بلايين البنى في المياه الخضراء.
الأساليب الرئيسية وآلياتها
وتشمل هندسة النظم الإيكولوجية مجموعة واسعة من التدخلات، تتناسب كل منها مع ظروف محددة للمواقع وتحديات للملوثات، والأساليب التالية هي من بين أكثر الطرق تنفيذا ودراست في مستجمعات المياه الحضرية.
الأراضي الرطبة
وتُعدّ الأراضي الرطبة المُهَوَّلة نظماً تُكرِّر العمليات المادية والكيميائية والبيولوجية الموجودة في الأراضي الرطبة الطبيعية، وتتألف من أحواض ضحلة تُزرع بنباتات مُبْتَجَّلة، مثل الهرَّب والبوليروس، حيث تُحدّ من مياه الأمطار السطحية أو المياه المستعملة، بينما تُتحوّل المياه ببطء عبر الأراضي الرطبة، تُصَّبُ المواد الصلبة المُ على مغذيات مثل النباتات المُ المُ المُ المُ المُ المُ المُ المُ المُ المُ المُ المُرضَّةُصَّبةُصَّبةُ إلى مُ.
وهذه النظم فعالة بشكل خاص في إزالة مجموع المواد الصلبة المعلقة، والطلب على الأكسجين الكيميائي الحيوي، والمغذيات، ويمكن أن تحقق الأراضي الرطبة المصممة تصميما جيدا تخفيضا بنسبة ٧٠-٩٠ في المائة في حمولات الرواسب، و ٤٠-٦٠ في المائة في مجموع النيتروجين، تبعا لمعدلات التحميل والوقت الذي يستغرقه الاحتفاظ بها، كما أنها توفر فوائد إضافية مثل موئل الأحياء البرية، والفيضانات التي شيدت في الهواء، والقيمة.
الخنازير الخضراء والحدائق الارتدادية
وتتكون السقف الأخضر من حمراء مائية، وطبقة مياه، ومتوسطة، ونباتية رُكبت على رأس مبنى، وتعترض هطول الأمطار، مما يتيح لجزء من الماء أن يهرب أو يُنقل من النباتات، بينما يُطلق سراح الباقي ببطء أو يُخزن للاستخدام في وقت لاحق، مما يقلل من حجم وذرة تدفق مياه الأمطار من موقع للمبنى.
كما تعمل الحدائق العمودية أو الجدران الحية على نحو مماثل ولكنها مهيأة على مواجهات البناء، وفي حين أن قدرتها على الاحتفاظ بمياه العواصف أقل لكل منطقة من مناطق الوحدة، فإنها توفر فوائد إضافية مثل العزلة في المناطق الحضرية، والتخفيف من حدة الحرارة في المناطق الحضرية، وتحسين نوعية الهواء، وفي البيئات الحضرية الكثيفة التي يكون فيها الفضاء الأرضي محدودا، تمثل السقف الخضراء والحدائق العمودية فرصة حاسمة لضخ الهندسة الإيكولوجية إلى البعد الرأسي للمدينة.
مناطق الحاجب الربيانية
وتشكل العوازل الرباتية شرائط من النباتات الأصلية المزروعة على ضفاف المجاري والأنهار والبحيرات، وهي بمثابة منطقة انتقالية بين استخدامات الأراضي المرتفعة والنظم المائية، كما أن الغطاء النباتي يبطأ تدفق الأراضي، ويمسح الرواسب والملوثات المرتبطة بها قبل دخولها إلى المياه، كما أن الرووتات تربط التربة، وتخفض من التحات المصرفية وتهكم.
ويكتسي استخدام وتكوين الحاجز المائي أهمية حاسمة في فعاليته، وكثيرا ما يوصى بعنصر لا يقل عن 30 مترا (100 قدما) على كل جانب من جوانب المجرى، وذلك فيما يتعلق بمهام نوعية المياه، وإن كانت العوازل الأضيق يمكن أن توفر منافع كبيرة في المناطق الحضرية، ويفضل على النباتات المحلية ذات النظم العميقة الجذور أن توفر قدرا أفضل من التسلل والملوثات البديلة.
Stormwater Management Ponds
كما أن مواقد إدارة مياه العواصف، التي تسمى أيضاً أماكن الاحتجاز أو الأحواض المحجوزة، مصممة لالتقاط وتخزين المياه من المناطق المتقدمة، وتحافظ على بركات الاستبقاء على مجموعة دائمة من المياه بين العواصف، بينما تهدر برك الاحتجاز تماماً في غضون فترة محددة، وفي كلتا الحالتين، تقلل عملية الاستنزاف والغطاء البيولوجي من الملوثات، وتزداد فعالية البذور المستطيلة في إزالة المغذيات نظراً لأن المجموعة الدائمة تدعم البغاوات.
وكثيرا ما تتضمن الأعمدة الحديثة للمياه العواصفية طوابقا صغيرا من قبل المعالجة يلتقط الرواسب والحطام قبل دخول المياه إلى البركة الرئيسية، وهذا التصميم يبسط صيانة المرافق ويوسع نطاق حياة المرفق، كما أن التصميمات الناشئة تشمل أيضا رفوف الأراضي الرطبة التي تزرع بنباتات متصاعدة، مما يعزز إزالة الملوثات ويوفر الموئل على الرغم من فائدته،
آليات تحسين نوعية المياه
ويتطلب فهم كيفية تحسين هندسة النظم الإيكولوجية لنوعية المياه إلقاء نظرة على العمليات المادية والكيميائية والبيولوجية التي تقوم عليها هذه الآليات، وهي تعمل بشكل متضافر، وتتوقف فعاليتها على عوامل مثل وقت الاتصال، ونوع النبات، وتكوين التربة، ومعدلات التحميل.
التخزين المادي والترسب
ومع انتقال مياه العواصف من خلال النبات والتربة، فإن الجسيمات المعلقة محاصرة جسديا، وتستقر رسوبيات القوس في البراعم والأراضي الرطبة حيث تكون سرعة التدفق منخفضة، وتُستولى على الجسيمات الحسنة كحشوات مياه من خلال تزايد سقف أخضر أو المنطقة الجذرية من عازف ممزق، وغالبا ما يكون هذا العزل المادي هو الخط الأول للدفاع عن الملوثات التي تكون ملزمة بالرسوب.
التقاط التكنولوجيا البيولوجية والتحويلات
إن النباتات وال الكائنات المجهرية هي أفق هندسة النظم الإيكولوجية، حيث تُصدر المغذيات في الأراضي الرطبة والعشب في المناطق العازلة المذابة مثل النيترات والفوسفات للنمو، وعندما يتم قطع الغطاء النباتي وإزالته، تُصدر هذه المغذيات بصورة دائمة من النظام، وفي الوقت نفسه، تتحول البكتيريا والنسيج في التربة وعمود المياه
الامتزاز والتنبؤ الكيميائيان
وتُزال العديد من الملوثات، بما فيها المعادن والفوسفور، من خلال الامتصاص إلى جزيئات التربة أو المواد العضوية، وتتوفر للمعادن الكلايية وأكسيد الحديد في التربة قدرة عالية على المعادن الملزمة مثل الرصاص والنحاس والزنك، وكثيرا ما يمكن أن يُستبدَد الفوسفور ككاليوم أو فوسفات الحديد في وجود مواقد ملائمة.
خفض المسببات
وتخفض البكتيريا الحشرية وغيرها من المسببات المرضية في نظم هندسة النظم الإيكولوجية من خلال عدة آليات، إذ إن التعرض للضوء فوق البنفسجي في المياه الضحلة أو على السطح المكشوف يقتل أو ينشط الكثير من البكتيريا، كما أن الاختبار من خلال البروتوزوا وغيرها من الكائنات المجهرية يزيل المسببات المرضية من عمود المياه، ويزيل التخصيب من خلال التربة وتركيب الجسماني الزمان.
الآثار القابلة للقياس على نوعية المياه
وقاعدة الأدلة المتعلقة بهندسة النظم الإيكولوجية كبيرة، حيث توثق مئات الدراسات التي يجري استعراضها من الأقران تحسينات في نوعية المياه في مختلف البيئات الحضرية، وتلخص ما يلي نطاقات الأداء النموذجية للملوثات المشتركة.
- Total suspended solids:] 70-90٪ من الانخفاض في الأراضي الرطبة المشيدة ومياه العواصف المصممة تصميما جيدا.
- Total nitrogen:] 30-70% reduction, with higher removal in systems that incorporate denitrification zones.
- Total phosphorus:] 40-80٪ تخفيض، بحسب كيميائي التربة وتواتر جمع النباتات.
- Havy metals (lead, copper, zinc):] 50-90٪ من خلال الرواسب والاستيعاب.
- Fecal coliform bacteria:] 60-99٪ من التخفيض مع الوقت الكافي للاحتفاظ بالخدمة والتعرض للأشعة فوق البنفسجية.
وتتعرض هذه النطاقات للأداء للتأثير بسبب المناخ وتصميم النظم وممارسات الصيانة، ويمكن للمناخ الباردة أن تقلل النشاط البيولوجي في الشتاء، رغم أن العديد من النظم لا تزال تعمل من خلال العمليات المادية، فالالصيانة المنتظمة، بما في ذلك إزالة الرواسب وإدارة النباتات، أمر أساسي لاستمرار الأداء مع مرور الوقت، فالمدن التي تستثمر في الرصد المنهجي لأصول البنية التحتية الخضراء لديها هي أفضل قدرة على تحقيق الأداء الأمثل وتحديد نظم الأداء الناقص.
دراسات حالة في مجال استعادة مستجمعات المياه الحضرية
وتوضح تطبيقات العالم الحقيقي إمكانات هندسة النظم الإيكولوجية لتحويل مستجمعات المياه الحضرية، وتبرز الأمثلة التالية استراتيجيات مختلفة ونتائجها.
بورتلاند، أوريغون: الأراضي الرطبة في نظام مختلط لصرف المجاري
وكانت بورتلاند رائدة في إدماج الأراضي الرطبة المشيدة في برنامجها المشترك لمراقبة تدفق مياه المجاري المائية، حيث بنيت المدينة أرضا رطبة بحجم 2.6- مترا في موقع محطة معالجة مياه المجاري الحالية لمعالجة التدفقات المرتفعة أثناء أحداث العواصف، وتزيل الأراضي الرطبة ما يقدر ب 2.2 مليون جنيه من الصلب و 700 5 جنيه من النيتروجين سنويا، وفيما عدا الفوائد المتصلة بنوعية المياه، توفر الأراضي الرطبة الموائل لمواقع المشتركة بين الطيور والحشرات.
Singapore: The ABC Waters Program
برنامج سنغافورة للنشاط والجميل والماء النظيف يدمج هندسة النظام الإيكولوجي في استراتيجية إدارة المياه في المدينة، وتحوّل هذه المبادرة قنوات الصرف الخرسانية إلى الأنهار المجنسة والمجاري مع الأراضي الرطبة والحدائق المطرية والزواحل النباتية، وتحسن نوعية المياه عن طريق التصفير، وتخلق أيضاً حيزاً استجمامياً وتحسن التنوع البيولوجي.
فيلادلفيا: مدينة خضراء، مياه نظيفة
خطة (فيلادلفيا) لـ25 سنة لتقليل تدفق المجارير تعتمد بشدة على البنية التحتية لمياه العاصفة الخضراء المدينة تستثمر 2.4 مليار دولار لتركيب آلاف الحدائق المطيرة، والزهور الأحيائي، والأسطح الخضراء، والرصفات القابلة للشرب عبر المشهد الحضري، هذه النظم تلتقط من السطح غير المستقر وتسمح لها بالتسلل أو أخذها من قبل النباتات
New York City: Green Infrastructure in the Gowanus Canal Watershed
قناة غوانوس في بروكلين هي واحدة من أكثر أجساد المياه تلوثا في الولايات المتحدة مع تراث من التلوث الصناعي وتدفقات المجاري المشتركة
تحديات التنفيذ والحلول العملية
وعلى الرغم من الفوائد الواضحة، فإن هندسة النظم الإيكولوجية لا توجد بها عقبات، ويجب على المدن التي تسعى إلى اعتماد هذه النهج أن تزيل الحواجز المالية والتقنية والمؤسسية.
التكاليف الأولية والتمويل
وتحتاج الأراضي الرطبة المُنشأة والأسطح الخضراء وغيرها من النظم الإيكولوجية المُهندسة إلى استثمار مباشر يمكن أن يتجاوز تكلفة البنية التحتية التقليدية للمياه العواصف، غير أن تحليلات تكاليف دورة الحياة تبين في كثير من الأحيان أن البنية التحتية الخضراء قادرة على المنافسة عندما تُحسب الفوائد الطويلة الأجل، بما في ذلك انخفاض تكاليف العلاج، وانخفاض استخدام الطاقة، وزيادة قيم الملكية، ويمكن للمدن تمويل هذه المشاريع من خلال رسوم المرافق العامة والمانح، وإقامة شراكات بين القطاعين العام والخاص.
توافر الأراضي
فالأراضي الحضرية باهظة التكلفة وغالبا ما تكون قد تطورت بالفعل، ويمكن أن يكون إيجاد مساحات للأراضي الرطبة أو الحدائق المطرية صعبا في الأحياء الكثيفة، وتشمل الحلول القيام بمهام التعبئة، على سبيل المثال، إدماج معالجة مياه العواصف في الحدائق، والمساحات المدرسية، وقوافل السيارات، وتستخدم السقف الخضراء مساحة غير مستخدمة، ويمكن تركيب الممرات البيولوجية على طول الشوارع دون الحاجة إلى حيازة الأراضي.
الاحتياجات من الصيانة
إن نظم هندسة النظم الإيكولوجية هي هياكل أساسية معيشية وتتطلب رعاية مستمرة، ويجب رصد الأراضي الرطبة للأنواع الغازية وتراكم الرواسب، وتحتاج السقف الخضراء إلى الري أثناء التهجئة الجافة والحشيش للحفاظ على الغطاء النباتي، وتحتاج أحواض مياه العواصف إلى القيام بتنقية دورية، ويجب على المدن أن ترصد تكاليف الصيانة وتدريب الموظفين على المهارات المتخصصة اللازمة لهذه النظم، ويمكن لبرامج المتطوعين وقائمي الحدائق المحلية أن تكمل الصيانة البلدية، ولا سيما بالنسبة للأصغر حجمها.
الحواجز التنظيمية والمؤسسية
وقد تم وضع العديد من مدونات البلديات ولوائح الدولة مع مراعاة الهياكل الأساسية التقليدية، إذ لا يمكن أن تستوعب قوانين التزود الأسطح الخضراء أو متطلبات الانتكاس التي تحد من الأسلاك العازلة المشيدة، كما أن عمليات السماح للأراضي الرطبة المشيدة يمكن أن تكون معقدة، لا سيما عندما تنطوي على تعديلات هيدرولوجية في المجاري المائية الخاضعة للتنظيم، ويجب على المدن تحديث مدوناتها وتبسيط السماح بتشجيع هندسة النظم الإيكولوجية، كما أن التنسيق فيما بين الوكالات أمر بالغ الأهمية، حيث يجب أن تنفذ الإدارات المعنية بإدارة مياه الأمطار والنقل والتخطيط.
الاتجاهات المستقبلية والابتكارات الناشئة
ولا يزال مجال هندسة النظم الإيكولوجية يتطور، مدفوعاً بتطورات في علوم المواد، وتحليلات البيانات، والتفاهم الإيكولوجي، ومن المرجح أن تشكل عدة اتجاهات الجيل القادم من إدارة نوعية المياه الحضرية.
البنية التحتية الخضراء الذكية
وتتيح أجهزة الاستشعار والمراقبة المدمجة في البنية التحتية الخضراء رصدها في الوقت الحقيقي وإدارتها التكييفية، ويمكن للأراضي الرطبة الذكية أن تعدل مستويات المياه لتعظيم إزالة الملوثات، ويمكن للأسطح الخضراء التي لها الري الآلي ومراقبة الصرف أن تزيد إلى أقصى حد من الاحتفاظ بمياه العواصف مع الحفاظ على صحة النباتات، ويمكن أن تسترشد البيانات المستمدة من هذه النظم بالجدول الزمني للنفقة وتوفر الأدلة اللازمة للإقراض القائم على الأداء.
التربة المعمارية والبيوت
ويجري تطوير تعديلات التربة لتعزيز قدرة إزالة الملوثات في البنية التحتية الخضراء، كما أن بيوك، وهي مادة شبيهة بال الفحم تنتج من الكتلة الأحيائية، لها مساحة سطحية عالية ويمكن أن تحقق المعادن والمواد العضوية الأصغر حجماً في التربة، كما أنها تحسن القدرة على حيازة المياه والنشاط المجهري، ويمكن إدخال تعديلات أخرى، مثل ملفات الحديد أو بقايا معالجة المياه القائمة على الألمنيوم، في عمليات إزالة الأحيائي.
التكامل مع الزراعة الحضرية
ويمكن الجمع بين هندسة النظم الإيكولوجية وبين إنتاج الأغذية من أجل خلق مشهد حضري متعدد الوظائف، ويمكن أن توفر الأراضي الرطبة المبنية مياه الري في الحدائق المجتمعية، ويمكن للأسطح الخضراء أن تدعم إنتاج الخضر في الوقت الذي تدير فيه مياه العواصف، مما يزيد من العائد الاقتصادي على استثمارات البنية التحتية الخضراء ويبني الدعم المجتمعي، وقد أظهرت المشاريع الرائدة في ديترويت وكليفلاند جدوى الجمع بين معالجة مياه العواصف والزراعة الحضرية، وإن كان الأمر يتطلب اهتماماً دقيقاً للسلامة الغذائية.
Resilience to Climate Change
إن تغير المناخ يكثف أحداث هطول الأمطار ويزيد من تواتر حالات الجفاف، ويجب تصميم نظم هندسة النظم الإيكولوجية لمعالجة المتطرفين، كما أن القدرة على الاحتجاز المفرطة الحجم، والأنواع النباتية المتسامحة مع الجفاف، وبروتوكولات التشغيل المرنة، كما يمكن تصميم البنية التحتية الخضراء لتوفير منافع مشتركة مثل التبريد، وتخزين الكربون، والوصل بين الموئل، مما يجعلها حجر الزاوية في استراتيجيات التكيف مع المناخ في المناطق الحضرية.
جلب كل شيء معا: طريق إلى الأمام لمستجمعات المياه الحضرية
وتتيح هندسة النظم الإيكولوجية مسارا عمليا ومرتدا لاستعادة نوعية المياه في مستجمعات المياه الحضرية، وقد ثبتت هذه الأساليب، وقابلية الفوائد، وفائدة المجتمعات المحلية المشتركة كبيرة، ومع ذلك يتطلب اعتماد هذه النهج تحولا في العقل بعيدا عن اعتبار المياه العواصفية مشكلة ينبغي نقلها بعيدا، ورؤية هذه المياه موردا يمكن أن يغذي النظم الإيكولوجية الحضرية، كما يتطلب تعاونا سياسيا ومستمرا.
وبالنسبة للمدن التي تبدأ هذه الرحلة، فإن بدء العمل فيها الصغير يمكن أن يولد زخماً، إذ يمكن أن تبرهن حديقتها الوحيدة التي تُمطر في ساحة مدرسية أو سقف خضراء في مبنى بلدي على المفهوم وتثقيف الجمهور، ومن هناك، يتطلب التوسع في التنفيذ على مستوى مستجمعات المياه التخطيط المتكامل، ومعايير أداء واضحة، ومشاركة المجتمع المحلي، وقد أظهرت المدن أكبر نجاح - بورتلاند، وسنغافورة، وفيلادلفيا - التزمت باستثمارات طويلة الأجل، وتكييف نهجها على أساس بيانات الرصد.
فالعلم واضح: فهندسة النظم الإيكولوجية يمكن أن تحسن بشكل مجدي نوعية المياه في مستجمعات المياه الحضرية، ويتمثل التحدي الآن في تنفيذها على نطاق واسع، والحفاظ عليها بفعالية، والابتكار باستمرار، مع تزايد عدد سكان المناطق الحضرية والموارد المائية التي تتعرض لإجهاد متزايد، فإن الضرورة الملحة للعمل لم تكن أكبر، إذ أن المدن تستطيع، من خلال الهندسة التي لها طابعها بدلا من أن تكافحها، بناء مستجمعات مياه أكثر صحة وأكثر قدرة على التكيف مع الأجيال القادمة.