الطرائق الإحصائية لتحليل الاتجاهات الطويلة الأجل في التخطيط الهندسي

ويكمل الاختبار، يوفر تقدير المنحدر المائي من نوع " Theil-Sen " مقياسا قويا لحجم الاتجاه، ويحسب متوسط جميع المنحدرات بين نقاط البيانات، التي هي أقل حساسية من الانحدار العادي لأدنى الساحات، ويُعد الجمع بين مان كينديل لإجراء اختبارات ذات أهمية، ويُعدّل التحليل الكمي في تحليل الاتجاهات الهيدرورميولوجية.

وتشمل البدائل الأخرى غير المتكافئة اختبار " سبيرمان " وتجربة " ماني كنديل " الموسمية الموسمية، التي تفيد البيانات ذات الدورات الموسمية القوية، والتي تتيح للمهندسين اختبار الاتجاهات الاحتكارية عبر المواسم أو الأشهر، وتكشف مثلا عما إذا كان تهطال الشتاء يتصاعد بينما تظل المجاميع الصيفية دون تغيير.

النهج التراجعية

ويُظهر نموذج التراجع التهطال كوظيفة من وظائف الزمن، مما يتيح تقدير حجم الاتجاه وفترات الثقة، ويفترض حدوث تراجع بسيط في خط التراجع معدل تغيير مستمر في السنة، قد يكون كافياً للسجلات القصيرة أو عندما يكون الاتجاه متوازياً بوضوح، غير أن سلسلة التهطال غالباً ما تظهر سلوكاً غير خطي، مما يحفز على استخدام التراجع التعددي (مثلاً، فترات الاختراق).

(أ) إن تراجع الكمية هو امتداد قوي لاتجاهات النماذج فقط في المتوسط بل في جميع مراحل التوزيع، وهذا مهم بصفة خاصة بالنسبة للهندسة لأن الهياكل الأساسية تستجيب عادة للهيمن المفرط وليس للمتوسط، ويمكن أن يكشف التراجع الكمي أن نسبة سقوط الأمطار المرتفعة 95 في المائة تتزايد بمعدل أسرع من المتوسط، مما يعني أن التطرفات تتصاعد حتى وإن تغيرت ببطء. [القيمة الكمية للفيضانات]

وتتيح نماذج إضافية عامة وأجهزة سلسة للأماكن وجود تركيبات غير قياسية مرنة يمكن أن تلتقط اتجاهات معقدة دون فرض شكل وظيفي صارم، وهذه التقنيات مفيدة أثناء التحليل الاستكشافي لتصوير الأنماط قبل اختيار نموذج شبه قياسي للاختبار.

سلسلة الزمن

وكثيرا ما تتألف سلسلة التهطال من مكونات موسمية ومادية ومخلفة، وتفصل أساليب التحلل الكلاسيكية (الإيجابية أو المتعددة) هذه العناصر، ولكنها تفترض أن العناصر الأساسية للاتجاهات الموسمية مستقلة ومستقرة، وطريقة " تسويق الاتجاهات الموسمية " (الاختصار في الاتجاهات باستخدام لويس) أكثر قوة: فهي تقدر بصورة متكررة العناصر الموسمية ومكونات الاتجاهات باستخدام التراجع المحلي، وتستوعب تغير الموسم.

ويمكن تحليل عنصر الاتجاه من قانون الإجراءات المتعلقة بمكافحة غسل الأموال باستخدام نفس اختبارات الكشف عن الاتجاهات أو نماذج الانحدار، مما يعزل بشكل فعال الإشارة المناخية من التقلبات في غضون سنوات طويلة، وهذه الخطوة حاسمة عندما يكون الهدف هو تقييم ما إذا كانت المجاميع السنوية للتنبؤ قد تحولت فعلا على مدى عقود.

التغيير

وكثيرا ما يفترض تصميم الهياكل الأساسية وجود مناخ ثابت، ولكن اختبارات تحليل نقاط التغيير ما إذا كان هذا الافتراض قائما، فاختبار بيتيت هو طريقة غير متماثلة تحدد نقطة واحدة في السلسلة الزمنية التي يتحول فيها التوزيع إلى حد كبير، إذ أن نماذج نقاط التغيير في بايزيا توسّع نطاق هذا الاختبار بإتاحة نقاط تغيير متعددة وربط الاحتمالات بمواقعها، وعلى سبيل المثال، فإن تحليل سجلات تدفق تدفقات منتصف القرن العشرين قد كشف عن حدوث زيادات مفاجئة بسبب استخدام الأراضي.

ومن المهم تحديد نقاط التغيير لأن الاتجاه الذي ينجم عن تحول مفاجئ (مثل تغيير النظام في دورة المحيط الحيوي) قد يتطلب استجابات تخطيطية مختلفة عن الاتجاه التدريجي، ويمكن للمهندسين بعد ذلك تصميم النظام الجديد مع الحفاظ على المرونة في التحولات المقبلة، كما تساعد أساليب نقاط التغيير في تجانس البيانات بكشف التحولات الصناعية بسبب تغيرات الأجهزة أو نقل المحطات.

تحليل القيمة القصوى

ويفترض كثير من التصميمات الهندسية - وخاصة لحماية الفيضانات - تقديرات فترة العودة للتنبؤات الشديدة، ويفترض التحليل التقليدي للقيمة القصوى وجودة، ولكن الاتجاه الذي يستوعبه EVA يدمج الوقت كحد ثابت في معايير القيمة القصوى المعمم أو توزيعه العام، على سبيل المثال، كمستويات عمرية للتوزيع غير المعتمدة على نوع الجنس، يمكن التعبير عنها كسجل زمني مختصر بالنسبة للتغيرات في القيمة.

كما أن نماذج الحيازات التي تُعدّ من خلال البيكس والتي تُعدّ بمعدلات غير ثابتة في بويسسون تُحدّد أيضاً تغييرات في تواتر الأحداث، وتربط هذه النُهج الاتجاهات التاريخية مباشرة بقيم التصميم المستقبلية، مما يوفر أساساً أكثر واقعية للقرارات الهندسية من فترات العودة الثابتة.

اعتبارات البيانات والتحديات

ويبدأ تحليل الاتجاهات الحسنة ببيانات التهطال الطويلة الأجل العالية الجودة، ومن الناحية المثالية، ينبغي أن تمتد السجلات على الأقل من 30 إلى 50 سنة وأن تكون خالية من أوجه عدم التجانس الناجمة عن التغيرات في الأجهزة أو ممارسات المراقبة أو مواقع المحطات، كما أن الثغرات في البيانات، لا سيما إذا كانت منهجية (مثل الشتاء المفقود)، يمكن أن تُقدّر الاتجاهات السائدة، وينبغي للمهندسين أن يقيّموا مدى اكتمال السجل واتساقه قبل تطبيق الأساليب الإحصائية.

وثمة تحد رئيسي آخر هو التمييز بين التقلبات الطبيعية والاتجاهات البشرية المنشأ، وحتى مع وجود سجلات طويلة، يمكن أن تؤدي تغيرات المناخ الداخلية إلى اتجاهات متعددة الأبعاد لا تدل على حدوث تحولات دائمة، ويمكن أن يساعد تجميع النُهج التي تجمع بين مجموعات متعددة من بيانات المراقبة أو تتضمن نواتج نموذجية للمناخ على تقييم ما إذا كان من المحتمل استمرار الاتجاه الملاحظ، وبالنسبة للتخطيط الهندسي، من الحكمة النظر في الاتجاهات والتوقعات التاريخية من نماذج الدائرة العامة على الصعيد الإقليمي.

وأخيرا، فإن التباين المكاني يعقّد تحليل الاتجاهات، إذ قد لا تنطبق الاتجاهات الملاحظة في محطة واحدة على المصيد القريب، لا سيما في المناطق الجبلية أو الساحلية، ويمكن أن تؤدي أساليب الاستقطاب المكاني (مثلا، الترجيح، والترجيح العكسي) إلى ظهور اتجاهات، ولكنها تنطوي على مزيد من عدم اليقين، ويجب على المهندسين أن ينظروا في مدى التمثيل المكاني لبيانات التهطالية، وقد يفضلون قياسات الأعم من الأحوا.

التطبيق في التخطيط الهندسي

وتسترشد المعلومات الإحصائية المستمدة من تحليلات الاتجاهات مباشرة بمعايير التصميم الهندسي وتقييمات المخاطر، فيما يلي أمثلة ملموسة على جميع النواحي الفرعية للهندسة المدنية والبيئية.

مياه العواصف والتدريب الحضري

وقد تُصمم نظم الصرف البلدية لظواهر سقوط الأمطار مع فترات عودة محددة (مثلا العاصفة العشرية)، وإذا أظهر تحليل الاتجاهات زيادة كبيرة في كثافة التهطال القصوى، فإن الهياكل الأساسية القائمة قد تكون ناقصة، ويمكن للمهندسين أن يستخدموا منحنىات غير مهيمنة على أساس الكثافة القائمة على التقلبات في المدن، بحيث تشمل معايير للانتقال الزمني لتقدير حجم الأمطار الحالية والمقبلة.

إدارة موارد المياه

وتتوقف قواعد تشغيل المستودعات على توزيع التدفق الداخلي، الذي يحكمه إلى حد كبير التهطال، كما أن الاتجاه الآخذ في الانخفاض في إجمالي الأمطار السنوية، إلى جانب زيادة التهرب من المياه بسبب الاحترار، قد يقلل من توافر المياه، ويساعد تحليل الاتجاهات الإحصائية مديري المياه على تعديل سياسات تخصيص المياه، وتنفيذ تدابير جانب الطلب، أو خطة للهياكل الأساسية الجديدة للتخزين، وبالمثل، يمكن أن تؤدي مقاطعات الري إلى تحسين أنماط زراعة المحاصيل والبرمجة القائمة على النماذج المحتملة المستقبلية.

إدارة مخاطر الفيضانات

ويستخدم تصميم الفيضانات والفيضانات تقليدياً أقصى ما يمكن احتماله من الفيضانات أو حدث الفيضانات الذي يبلغ 100 سنة، وقد يؤدي تحليل تردد الفيضان غير المهيمن الذي يتضمن اتجاهات التهطال إلى حدوث مخاطر فيضانات تعتمد على الزمن، مما يمكن أن يغير الارتفاعات المطلوبة في الإبداع، كما أن نظم الأنهار التي تكون فيها اتجاهات التهطال إيجابية قد تحتاج المهندسين إلى رفع القيود أو وضع لوحات أكثر سخاء.

الهياكل الأساسية الزراعية

وتتوقف نظم دفقة المياه وشبكات الري وهياكل مكافحة التحات على خصائص التهطال، وقد تتطلب الاتجاهات نحو المزيد من الأمطار، وإن كان أقل تواترا، تفاوتا في سرعة تصريف المياه أو في قدرات أكبر من الكبريت، ويمكن للمهندسين الزراعيين أن يستخدموا تراجعا كميا لكشف التغيرات في ذيل توزيع هطول الأمطار، ثم تصميم نظم صرف المياه التي يمكن أن تعالج العواصف الثقيلة دون زيادة تآكل التربة.

مدونات ومعايير البناء

وتستند حمولات التصميم الهيكلي لأسطح السفن ونظم مياه الأمطار إلى سجلات تاريخية عن سقوط الأمطار، ومع ظهور الاتجاهات، يجب تحديث رموز البناء لضمان استمرار سلامة البناء الجديد، وتوفر إحصاءات الاتجاهات قاعدة الأدلة للتنقيحات الرمزية، مثل زيادة الحمولة المحددة للمباني في المناطق مع التكثيف الملحوظ للعواصف الملاءمة، ويمكن لمدونة المباني الدولية ومرفقاتها الإقليمية أن تدمج هذه البيانات من خلال إضافات، كما تم القيام بها في بعض الدول.

النُهج الناشئة

وفي حين أن الأساليب الإحصائية التقليدية لا تزال قائمة على أسس، فإن التقنيات الجديدة توسع مجموعة أدوات المحلل. ] خوارزميات التعلم المتين ] مثل الغابات العشوائية، وآلات الدعم، والشبكات العصبية يمكن أن تُنشئ علاقات غير خطية معقدة بين الهيمنة والمؤشرات المناخية الواسعة النطاق، غير أن هذه النماذج تتطلب التحقق من أفضل المفاهيم.

وتوفر نماذج التسلسل الهرمي في بايزيا إطارا لجمع المعلومات عبر محطات أو مناطق متعددة، وتنتج تقديرات أكثر استقرارا للاتجاهات حيث تكون السجلات الفردية قصيرة، وتُحدِّد من عدم اليقين بشكل طبيعي ويمكن أن تدمج المعارف السابقة بشأن العمليات المناخية، وبالنسبة للتخطيط الهندسي، تقدم النماذج البيزيائية بيانات للاتجاهات المحتملة (مثل احتمال ارتفاع نسبة التهطال السنوي بأكثر من 5 مم/دكاديم) التي تتواء مع نهج التصميم القائمة على المخاطر.

وثمة اتجاه واعد آخر هو الجمع بين الاتجاهات الملحوظة والإسقاطات المستمدة من نماذج المناخ، إذ يمكن للمحللين، من خلال مقارنة الاتجاهات التاريخية والاتجاهات المحاكاة النموذجية، أن يقيموا المصداقية النموذجية ثم يستخدموا النماذج لتوسيع نطاق الاتجاه نحو المستقبل، وهذا النهج الهجين - الذي كثيرا ما يسمى " التكيف مع تغير المناخ - يقدم توقعات تصميمية تستند إلى بيانات حقيقية بينما يُحسب في الوقت نفسه لمدخلات البرمجيات المتجانسة في المستقبل([1]).

خاتمة

ولا غنى عن الأساليب الإحصائية لتحليل الاتجاهات الطويلة الأجل للتهطال في التخطيط الهندسي الحديث، فهي تحول البيانات التاريخية الخام إلى نظرة عملية بشأن التغيرات في متوسط وتطرف التهطال، مما يتيح تصميم الهياكل الأساسية التي تكون مرنة لتقلب المناخ وتغيره، ويتوقف اختيار الطريقة على خصائص البيانات، والسؤال المحدد الذي يجري طرحه، والتواتر المطلوب في الإنتاج - سواء كان ذلك مجرد تقدير للجودة أو الفيضانية.

ومع استمرار تغير أنماط المناخ، يجب على المهندسين أن يبتعدوا عن الهيمنة وأن يتقبلوا ممارسات التصميم المكيفة والمستنيرة إلى الاتجاهات، وأن يستكملوا بانتظام التحليلات الإحصائية بملاحظات جديدة، وأن يدمجوا التوقعات الجماعية، وأن يتواصلوا مع صانعي القرار، سيبنيون الهياكل الأساسية التي لا تزال آمنة ووظيفية على مدى الحياة المتوخاة، ومن خلال التخطيط في أدلة إحصائية صارمة، يمكن للمجتمع الهندسي أن يواجه التحدي المتمثل في نظام الته المتغير مع حماية المجتمعات المحلية والاقتصادات والنظم الإيكولوجية.