الإصلاحات الهندسية لتعزيز سلامة وكفاءة السدود

وقد شكلت هندسة السدود حجر الزاوية في إدارة موارد المياه لأكثر من قرن، حيث قدمت خدمات أساسية مثل مراقبة الفيضانات، والري الزراعي، والإمداد بالماء البلدي، وتوليد الطاقة الكهرمائية، غير أن المخزون العالمي من السدود هو من العمر في الولايات المتحدة وحدها، حيث أن تغير المناخ يكثف من التطرف الهيدرولوجي، وتطالب هذه الضغوط المتقاربة بإصلاحات هندسية شاملة توازن بين التحسينات في مجال السلامة والكفاءة التشغيلية.

ازدهار الإصلاح الهندسي للسدود

وتمثل السدود بعض أكبر وأعقد الأعمال الهندسية المدنية التي بنيت في أي وقت مضى، ومن الناحية التاريخية، اكتسبت مدة تصميمها من 50 إلى 100 سنة مناخا مستقرا نسبيا ونموا محدودا للسكان في أسفل المجرى، واليوم، تختلف الحقيقة: إن أحداث هطول الأمطار الشديدة تزداد تواترا، وتتغير حمولات الرواسب، وتتجاوز الكثير من السدود فترة تصميمها الأصلية، وتدل نتائج الفشل على ذلك في حوادث انسكاب اليو في كاليفورنيا عام 2020.

التحديات الرئيسية التي تواجه سلامة وفعالية السدود

ولفهم نطاق الإصلاحات الهندسية، من الضروري أولاً دراسة المشاكل المحددة التي تهدد سلامة السد والحد من الكفاءة، وهذه التحديات تشمل مجالات هيكلية وبيئية وعملية.

تدهور الهياكل الأساسية والشيخوخة

وقد تتدهور السدود الملموسة والمصرفية بمرور الوقت من خلال ردود الفعل الكيميائية، ودورات التجمّد، والإجهاد الميكانيكي، واتساع حركة الكالي - سيليكا، والهجوم على الكبريت، والارتباط بالتقوية شائع في السدود الملموسة القديمة، وتعاني السدود المصرفية من التآكل الداخلي (اللف)، والتسوية، وفقدان السلامة القصوى للكميات، حيث أن العديد من حالات الفشل الخرساني في إعادة التأهيل، هي مخاطرة.

الترسب وفقدان القدرة على التخزين

إن ترسب المستودعات مشكلة عالمية تقلل من حجم التخزين وتضعف الرقابة على الفيضانات وتخفض من الإنتاج الكهرمائي، وعلى الصعيد العالمي تفقد الخزانات حوالي 1 في المائة من قدرتها على التخزين كل سنة بسبب تراكم الرواسب، وفي بعض المناطق، مثل الشرق الأوسط وجنوب آسيا، تزداد المعدلات، وبدون إدارة رسوبية فعالة، سيصبح العديد من السدود غير صالحة للاسترجاع اقتصاديا خلال عقود، وذلك من أجل استعادة خيارات صعبة.

Climate Change and Extreme Weather Events

ويزيد تغير المناخ من تواتر وشدة أحداث التهطال القصوى التي تضغط مباشرة على السدود المسدودة والقدرة على مكافحة الفيضانات، وبالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تؤدي فترات الجفاف الطويلة إلى إضعاف التربة المزروعة من خلال عمليات التفكك في التربة، بينما يمكن لصهر الثلج السريع أن ينتج تدفقات تتجاوز حدود التصميم بكثير، ويستلزم عدم اليقين المرتبط بالهيدرولوجيا في المستقبل تصميم وتشغيل السدود بقدر أكبر من المرونة مما تسمح به الافتراضات التقليدية للمناخ الثابت.

معايير التصميم وممارسات التشغيل القديمة

وقد صممت سدود كثيرة باستخدام تقديرات الفيضان الاحتمالية منذ منتصف القرن العشرين لم تعد صالحة، وكثيرا ما تكون الإجراءات التنفيذية المتعلقة بالإفراج عن المياه وتشغيل البوابات والاستجابة لحالات الطوارئ يدوية بطيئة التكيف مع الظروف السائدة في الوقت الحقيقي، ويحول عدم وجود نظم بيانات متكاملة دون أن يُستفد المشغلون من إطلاقات المياه إلى أقصى حد سواء من أجل السلامة والمنافع الاقتصادية.

الإصلاحات الهندسية لتحسين السلامة

ويجب ألا تقتصر إصلاحات السلامة على معالجة عمليات التحديث المادي فحسب بل أيضاً على الرصد والنموذج والممارسات المؤسسية، كما أن الفئات التالية تمثل أكثر التدخلات تأثيراً التي يجري نشرها حالياً من خلال برامج رئيسية للسلامة على نطاق العالم.

نظم الرصد المتقدمة والكشف المبكر

فالعمليات اليدوية التقليدية غير كافية لكشف وضع أساليب الفشل في الوقت المناسب، إذ إن شبكات الاستشعار الحديثة - بما في ذلك قياسات الألياف الضوئية، والمليارات، ومواصفات الفطائر، والبيانات المستمرة عن أجهزة الترسبات الجيولوجية - توفر على سبيل المثال أجهزة الاستشعار المتأصلة في موقع كاليفورنيا على نطاق واسع على السدود الحرجة مثل أورفيل، مما يربط البيانات بأجهزة الإنذار الآلي.

إعادة التأقلم والارتقاء

وتشكل السلامة السيزمية شاغلا رئيسيا للسدود في المناطق التي تكتونية مثل الساحل الغربي للولايات المتحدة واليابان ونيبال، وتشمل استراتيجيات إعادة التكيف ما يلي:

• مهابط مُرسَلة بعد الإصطدام لتثبيت سدود الجاذبية ضد الإطاحة
• تركيب جدران مقطوعة، أو خلط التربة العميقة، أو ستائر الرماية لتحسين قوة الأساس.
• تعزيز السدود الخرسانية مع مؤخرات إضافية أو أجزاء مسموعة.
• توسيع أو إطراء المنحدرات الضارية للحد من الضغط أثناء الهز
• إضافة مدافن صخرية إلى أصابع قدم أسفل النهر لمقاومة التشوهات الناتجة عن التكرار.

ويجب أن تُصمَّم هذه الاستردادات حسب نوعية قياسات السد، وظروفه الأساسية، ومستوى المخاطر السيزمية، وتحتاج اللجنة الاتحادية لتنظيم الطاقة ووكالات السلامة التابعة للدولة الآن إلى تقييمات دورية للمخاطر السيزمية للسدود الشديدة الخطورة.() وتوفر رابطة موظفي الدولة للسلامة السدود مبادئ توجيهية لتقييم تدابير الكلفة.

خطط العمل المعززة لحالات الطوارئ وبروتوكولات الاستجابة

ولا تكفي الإصلاحات الهندسية وحدها دون تخطيط طارئ قوي، كما يجب تحديث خطط العمل الطارئة لتعكس البيانات الهيدرولوجية الجديدة، وتطوير المجرى المائي، وتحليلات الفشل، وينبغي أن تُجرى عمليات التدريج وأجهزة الحاسوب المنضدي بانتظام مع مديري الطوارئ المحليين، كما يمكن إدماج نظم مراقبة البوابة الآلية مع نماذج هيدرولوجية آنية لتنفيذ تسلسلات الإطلاقات التي كانت مخططة مسبقا عند ارتفاع مستويات الانتشار السريع.

إعادة تأهيل السدود القديمة وإعادة تأهيلها

وبالنسبة لآلاف السدود التي تتجاوز أو تقترب من حياتها التصميمية، يلزم وضع برامج شاملة لإعادة التأهيل تشمل التدخلات المشتركة ما يلي:

• إصلاح ووقاية من الماء من وجوه السد، وطرق سكب، و منفذ يعمل.
• استبدال البوابات القديمة والصمامات والخراطيش بمواد مقاومة للتآكل مثل الصلب اللاصق أو المركب.
• تحسين نظم الصرف لتقليل الضغط العالي والتحكم في النزيف.
• تركيب حواجز جديدة غير مباشرة في الضواحي باستخدام أسوار التربة - البنتونيت أو الأسمنتبونت أو الخرسانة البلاستيكية.
• إضافة مبالغ مجهزة بملفات مجهزة بملفات متحركة لتثبيت المنحدرات من المضبوطات.

The U.S. Bureau of Reclamation] operates one of the most comprehensive dam rehabilitation programs globally, with a focus on life-fold cycle management and risk —informed decision making.

تعزيز الكفاءة من خلال الهندسة الابتكارية

إن السلامة والكفاءة ليستا هدفين متعارضين؛ فالتحسينات العديدة التي تعزز السلامة تزيد أيضا من المرونة التشغيلية والعائدات الاقتصادية، وتستهدف الإصلاحات التالية جانب الكفاءة في معادلة الأداء.

التصميمات السريعة والقدرات على إدارة الفيضانات

عدم كفاية القدرة على الانسكاب هو السبب الرئيسي لفشل السدود خلال الفيضانات الشديدة وتشمل الإصلاحات الهندسية ما يلي:

• توسيع أو تخفيض محركات السكك الحديدية لزيادة القدرة على تصريف النفايات.
• إضافة برازات أو أعشاب تمزق لتعزيز تدفق الأحداث الكبيرة دون رفع مستويات المجمع.
• اعادة اصلاح الطرق المتدفقة مع وير من الغوغاء الغير متحكم به للقضاء على مخاطر الفشل الميكانيكي
• دمج مسارات الانسكابات المتتالية التي تُزيل الطاقة وتخفض من البقعة في الإصبع
• Integrating auxiliary spillways or emergency spillways designed to handle the Probable Maximum Flood (PMF).

ولا يحول التحديث السريع دون الإفراط في التخريب فحسب، بل يخفض أيضاً الحاجة إلى استخدام لوحات مجانية مفرطة، مما يتيح مستويات مجمّعة طبيعية أعلى من إمدادات المياه والطاقة الكهرمائية، ويتيح نموذج ديناميات السوائل الحاسوبية الآن إجراء تحليل مفصّل للهيدروليكات المتدفقة من أجل تحقيق الحد الأمثل من الهندسة وتفكك الطاقة.

تكامل الطاقة الكهرمائية وزيادة الكفاءة

وهناك الكثير من السدود التي لا تستخدم في توليد الطاقة، ويمكن أن تأتي مكاسب الكفاءة من:

• :: إصلاح المشتغلين بالاضطرابات مع تصميمات حديثة عالية الكفاءة (مثلاً، تحديث كابلان أو فرانسيس أو بيلتون).
• إضافة وحدات متغيرة تعمل بكفاءة عبر مجموعة أوسع من الرأس والتدفق.
• تركيب وحدات صغيرة للطاقة الكهرمائية في السدود ذات الرأس المنخفض أو غير الطاقة لتوليد الكهرباء من التدفقات التي كانت تهدر سابقاً.
• تنفيذ قدرة تخزين مضخة في السدود الموجودة في خزانات التخزين لتخزين فائض الطاقة المتجددة من الرياح والطاقة الشمسية.

The U.S. Department of Energy's Water Power Technologies Office] supports research and demonstration projects to increase hydropower flexibility and reduce environmental impacts, such as fish‐friendly turbine designs and advanced control systems.

إدارة الرواسب والاحتياطي

ويجب إدارة تراكم الترسبات بنشاط للحفاظ على التخزين، والحد من الصيانة، والحفاظ على الربط بين النظم الإيكولوجية.

• التدفّق الهيدروليكي عن طريق خفض مستويات مياه الخزان للسماح بالتدفق لحمل الرواسب عبر السد، التي كثيرا ما تستخدم في نظم تعمل موسميا.
• نظم التفافية المُتَجَرِّفة التي تُحوّلُ تدفق الرواسبِ إلى داخل الخزانِ وعودت إلى النهرِ أسفل النهرِ.
• الميكانيكية تُجفّف باستخدام الرش أو الطائر المُقطرة، مع التخلص أو إعادة استخدام الرواسب المُزالة.
• تدابير مستجمعات المياه في أعلى النهر مثل إعادة التحريج، والتحقق من السدود، والرعي المراقب للحد من التحات وحصيلة الرواسب.

(ج) السدود الكبيرة في الصين، مثل سد غورخيز الثلاثة، واستخدام التخفيضات المقررة وعملية الخزان التعاقبي لتعظيم المرور عبر الرواسب، وتتيح التكنولوجيا المتقدمة في مجال الصوت والليزر قياس التركيز في الرواسب في الوقت الحقيقي، مما يتيح استراتيجيات إطلاق متكيفة.

إدارة المياه الذكية والتألق

إن وضعف عمليات سد الثغرات يُحدث ثورة في السلامة والكفاءة على السواء، وتشمل العناصر الرئيسية ما يلي:

• التنبؤات الهيدرولوجيّة في الوقت الحقيقي التي تستخدم الرادار الجوي، وقياسات التيار، وتجميع نماذج التهطال للتنبؤ بالأيام القادمة.
• تشغيل البوابة الآلية على أساس منحنىات قواعد الخزان التي توازن تخزين الفيضانات، والإمداد بالمياه، والتدفقات الإيكولوجية.
• التواؤم الرقمية - الارتدادات الفيزيائية للسد والمستودعات - التي تحاكي السيناريوهات التشغيلية وأساليب الفشل في ظروف مختلفة.
• نظم متكاملة لدعم القرار تجمع البيانات من وكالات متعددة لتنسيق إطلاقات المياه عبر حوض نهري.

أمثلة على تنفيذات السد الذكي تشمل نظام التحكم الجديد في سد شاستا في كاليفورنيا والذي يستخدم بيانات حقائب الثلج في الوقت الحقيقي لتعظيم إطلاقات الطاقة الكهرمائية

الاتجاهات المستقبلية في شركة Dam Engineering

وفي المستقبل، يجب على مجتمع هندسة السدود أن يعتمد نهجاً استباقياً ومتكيفاً يدمج علوم المناخ والمواد المتقدمة ومشاركة المجتمع المحلي، وترسم الاتجاهات التالية تشكيل الجيل القادم من الإصلاحات.

Climate —Adaptive Design and Reassessment

وبدلاً من الاعتماد على سجلات الفيضانات التاريخية، ينبغي أن تستخدم التصميمات المقبلة تقييمات المخاطر التي تنطوي على معلومات مناخية تتضمن توقعات تهيج ودرجات الحرارة في أسوأ الحالات، وتحتاج وكالات عديدة للسلامة السدود الآن إلى " اختبار ضغط " للسدود في إطار مجموعة من السيناريوهات المناخية المقبلة، بما في ذلك الأحداث التي تتجاوز الإطار المرجعي للإدارة التكيفية، تسمح بتنفيذ التعديلات الهيكلية والتشغيلية تدريجياً مع تطور علوم المناخ.

المواد المتقدمة وتقنيات البناء

وستمكن الابتكارات في مجال علوم المواد من إيجاد سدود أكثر استدامة وتكيفاً، وتشمل هذه المجالات ما يلي:

• Fiberreinforced polymer (FRP) composites for retrofitting concrete structures and extending fatigue life.
• الخرسانة ذاتية التعافي التي تستخدم البكتيريا أو البوليمرات المكبسة لغلق الشقوق تلقائياً
• Geogrid — highlyreinforced soil structures for embankment dams, allowing steeper slopes and reduced footprint.
• :: أساليب التنسيب المعجلة التي تُعَدُّل والتي تقصر وقت البناء على الطرق المسدودة والمبالغ المُبالغ فيها.
• أمبراطوريات متطورة للحماية من المياه تحمي الخرسانة من الهجوم الكيميائي وتلف المشابه

عمليات الحفظ المتكاملة من أجل الاستدامة

ومستقبل إدارة السدود يكمن في تحقيق الاستخدام الأمثل المتعدد الجوانب الذي يوازن بين الاحتياجات البشرية والإيكولوجية، ويجب أن تُبنى متطلبات التدفق البيئي، وإدارة نوعية المياه، والوصول إلى الأماكن الترفيهية في منحنى قواعد العمليات، كما يجري بالفعل تنفيذ إصلاحات مثل بروتوكولات " إطلاق المواد الانشطارية " لموائل المناطق المحيطة بمنطقة النهر التي تتسم بدرجة الحرارة، في حوض نهر كولومبيا، وتنسيق السدود المتعددة كنظام - أبعد من التدفق الفردي، والاستمرارية الشاملة في الفيضانات.

المشاركة المجتمعية والإدارة الشفافة

ولا تتطلب إصلاحات السلامة هندسية فحسب بل أيضاً ثقة عامة، وينبغي أن يشرك مالكو السدود ومنظمو الحسابات المجتمعات المحلية في مجال الاتصال بالمخاطر، والتخطيط لحالات الطوارئ، واتخاذ القرارات فيما يتعلق بالتعديلات الرئيسية أو وقف التشغيل، كما أن تبادل البيانات عبر الحدود، مثل مستويات الخزانات الموجودة حالياً، والدعم الطويل الأجل الذي يوفره التصنيفات الخطرة، والدفع إلى إزالة السدود في بعض المناطق (مثلاً، نهر كلاث) يدل على أن الحلول البديلة يمكن أن تفيد في نفس الوقت.

خاتمة

إن الحاجة إلى إجراء إصلاحات هندسية في مجال السلامة والكفاءة أمر عاجل ومتعدد الجوانب، إذ إن تطوير نظم الرصد، وإعادة تشكيل الهياكل اللازمة لمرونة السيزمية والهيدرولوجية، وإدارة الرواسب، وإدماج التكنولوجيات الرقمية الذكية، يمكن لصناعة السدود أن تمدد الحياة المفيدة للهياكل الأساسية الحيوية، وأن تتكيف مع المناخ المتغير، وأن تستمر الاستثمارات في البحوث، والتحديثات التنظيمية، والشراكات التعاونية - مثل تلك التي تعززها اللجنة الدولية المعنية بالأدوات المتعلقة بالسلامة.