ويتسارع تآكل السواحل كتحدي بيئي عالمي، يهدد الهياكل الأساسية والنظم الإيكولوجية وسبل عيش الملايين من الناس الذين يعيشون في المناطق الساحلية، ولا تقتصر نماذج التنبؤ بالتحات الافتراضي على التمرينات الأكاديمية فحسب، بل هي أدوات أساسية لتخطيط استخدام الأراضي، وتقييم مخاطر التأمين، والقدرة على التكيف مع المجتمعات المحلية، والتأهب لحالات الطوارئ، وفي السنوات الأخيرة، أدى دمج البيانات الساتلية ذات الاستبانة العالية والنماذج الدينامية الموجية الصاعية إلى إحداث تغييرات في تآكلات الفضائية الجديدة.

ازدهار الازدهار في الإدمان الدقيق

فالتآكل الساحلي عملية طبيعية، ولكن الأنشطة البشرية وتغير المناخ قد عجلت معدله بشكل كبير، إذ إن ارتفاع مستوى سطح البحر، وزيادة كثافة العواصف، وتغيير إمدادات الرواسب تسهم جميعها في سرعة تراجع السواحل، ووفقا لتقرير 2021 الصادر عن الفريق الحكومي الدولي المعني بتغير المناخ، الذي يحمي الموائل الساحلية الشديدة الخطورة، قد ارتفع مستوى سطح البحر العالمي بحوالي 0.20 متر منذ عام 1901، كما أن معدل التآكل في الموانئ قد تسارع.

وتعتمد أساليب التنبؤ بالتآكل التقليدية على بيانات الوضع الساحلي التاريخية، والدراسات الاستقصائية الأرضية، والصيغ التجريبية البسيطة، وفي حين أن هذه النهج توفر خط الأساس، فإنها تعاني من قيود كبيرة: فهي مكلفة للحفاظ على النطاق، ولا يمكن أن تلتقط تغيرات قصيرة الأجل تحركها الأحداث (مثل عاصفة واحدة تهدر من الدونات)، وكثيرا ما لا تُحسب للتفاعلات الثلاث المعقدة بين الأمواج والنماذج التقليدية، والثباتات التي تتحول إلى الرسوب).

بيانات ساتلية: ويندو جديد على برنامج شرايلين

تطور الاستشعار عن بعد بواسطة السواتل من أداة بحثية متناهية الى مصدر بيانات رئيسي للرصد الساحلي المميزة الرئيسية للصور الساتلية تكمن في تغطيتها القابلة للتكرار، وقد عملت وكالات الفضاء على تشغيل سواتل رصد الأرض لعدة عقود، مما خلق محفوظات واسعة من الصور يمكن أن تُلغى لإعادة بناء مواقع واتجاهات الشواطئ التاريخية، وهناك برنامجان من أهم برامج السواتل للتطبيقات الساحلية هما سلسلة سواتل رصد الأرض لعام ١٩٧٢.

عدد من أجهزة الاستشعار ذات الصلة بالحلول العالية والقدرات الجديدة

إن الحل المكاني للصور الساتلية أمر حاسم لرصد التآكل، إذ توفر شركة لانديستا وسانتينيل 10-30 متر، مما يمكن أن يكشف عن التغيرات التي تطرأ على نطاق عدد قليل من المترات - كافية بالنسبة لمعظم الدراسات الإقليمية والمحلية، وتجمع السواتل التجارية الجديدة مثل شبكة ديميتال غلوب العالمية في فيفيو 3 على حلول دون المستوى، مما يتيح الكشف عن خصائص التآكل الفردية مثل الندوب، وتدفقات المتوازنة، وعمليات الاستبانة.

كما أن البيانات الساتلية يمكن تجهيزها لاستخراج متغيرات إضافية تؤثر على التآكل، مثلاً، يمكن استخدام النطاقات المتعددة الأطياف لتصنيف أنواع الرواسب الشاطئية، وتحديد الغطاء النباتي (الذي يثبّت الكثبان)، بل وتقدير تركيزات الرواسب المعلّقة في المنطقة القريبة من الشاطئ، ويمكن للصكوك مثل رادار الاصطناعي ذي الفتحة الاصطناعية أن تقيس الشبه السطحية والأنماطام في منطقة شاسعة.

تحليل الوقت والتعلم في مجال الآلات

وتنشأ القدرة الحقيقية للبيانات الساتلية عندما تستخدم في بناء سلسلة طويلة من التغير الساحلي، ومن الطرق المشتركة نظام التحليل الرقمي للشواطئ، وهو أداة قائمة على نظام المعلومات الجغرافية، وهي أداة تقوم على أساس نوع الجنس في المسح الجيولوجي للولايات المتحدة.

موجة الديناميكية: مهندس التغيير الساحلي

وفي حين توفر البيانات الساتلية ما هو (الموقع الساحلي بمرور الوقت)، فإن ديناميات الموجات تفسر كيف ولماذا، فالوحات هي القوة الرئيسية التي تهدر الأغلفة الساحلية، وتزيل الرمل من الشواطئ، وتنقل الرواسب على طول الشاطئ، ويمكن أن تتجاوز الطاقة في موجة عاصفة واحدة آلاف الأمواج الأصغر مجتمعة، وبالتالي فإن أي نموذج للتنبؤ بالتحات لا يتضمن معايير موجة مفصلة سيكون غير كامل.

البارامترات الرئيسية للوجوح

وهناك ثلاث خصائص أساسية للموجات، وهي أهمها مسألة إمكانية التحات:

  • Significant wave altitude (Hs)] - the average altitude of the highest one third of waves, which correlates with total wave energy.
  • Peak wave period (Tp) ] - the time between successive wave crests. Longer‐period waves carry more energy and can reach deep water, attacking the lower part of coastal profiles.
  • Wave direction (Australia) - waves approaching at an oblique angle generate longshore currents that transport sediment, while those arriving head‐on cause more direct erosion.

وبالإضافة إلى ذلك، فإن تركيب الموجات والارتفاع (الطول الرأسي الأقصى الذي تصل إليه موجة على الشاطئ) أمر حاسم لتحديد مدى اتساع نطاق التآكل الداخلي، والجمع بين موجات عالية ذات المد أو موجات عواصف عالية أمر مدمر بشكل خاص.

مصادر البيانات المتعلقة بديناميات الموجات

وتأتي بيانات الموجات من الطوافات التي تقدم قياسات دقيقة، ولكنها لا تتعدى في مواقع محددة، وكثيرا ما تكون لها ثغرات أثناء الأحداث المتطرفة، واليوم، تستخدم نماذج الموجات مثل الموجات المتوسطة والشبكة الساتلية (النموذج المتحرك للسواتل " الويف وايت " ) لإنتاج موجات وتوقعات على الصعيدين الإقليمي والعالمي، وتستمد هذه النماذج من حقول الرياح من نماذج الغلاف الجوي وكميات قابلة للنوات.

ومن أكثر التطورات إثارة في التنبؤ بالتآكل الموجي استخدام قياس الأعماق القريبة من الشاطئ المستمدة من الصور الساتلية، ومن خلال تحليل ترديد وسحب الموجات في الصور المحمولة جوا أو بالسواتل، يمكن للباحثين أن يولدوا أعمق المياه في المناطق الضحلة، وهذا " قياس الأعماق المغذي بالأشعة " يوفر مدخلات حاسمة في نماذج التلويث، وذلك حتى في كسر شكل التأثيرات الدقيقة في الموجات البحرية.

إدماج البيانات الساتلية وديناميات الموجات في نماذج التنبؤ

ويتمثل التحدي الرئيسي في علوم تحات الساحل الحديثة في كيفية الجمع بين عمليات الرصد الساتلية والناتج النموذجي الموجي والمتغيرات البيئية الأخرى في إطار تنبؤي متماسك، وقد وضع الباحثون عدة نُهج تتراوح بين النماذج الإحصائية وعمليات المحاكاة القائمة على العمليات.

النماذج الإحصائية والتعلمية

وتتصل النماذج الإحصائية بالتغير الساحلي إلى مجموعة من متغيرات التنبؤ، مثل الطاقة الموجية، والظواهر الشاذة على مستوى البحر، والوضع على سطح الساحل، نظراً لأن هذه النماذج تدرَّب على البيانات التاريخية، فإنها يمكن أن تكون فعالة من الناحية الحسابية ومن السهل تطبيقها على المناطق الكبيرة، ومن النوع المشترك نموذج التراجع المتعدد الخطوط الذي يفترض وجود علاقة خطية بين التنبؤات ومعدل التآكل().

وتتمتع النماذج الإحصائية بميزة السرعة، ولكنها تتطلب بيانات تدريبية واسعة النطاق وقد لا تستهلك جيداً الظروف خارج نطاق التدريب - مثل الارتفاع غير المسبوق في مستوى سطح البحر المتوقع في نهاية القرن.

النماذج القائمة على العمليات

أما النماذج القائمة على العمليات فتحاكي الميكانيكيات المادية للتحات، بما في ذلك تحويل الموجات، وتعليق الرواسب، والنقل، وتغير ارتفاع مستوى السرير، أما النموذج الأكثر استخداماً في مجال العمليات للتحات الساحلي فهو " إكس بيتش " ، وهو نموذج مفتوح المصدر استحدثه معهد دلتار للبحوث الهولندي، ويمكن للخوخ أن يحفز التحات على نطاق العواصف (بما في ذلك التحات الدونات) في إطار نظام مكاني مرتفع (الترات)، وهو يشمل ديناميات الأولية) ويجمع بين الموجات والمسافية.

القيد الرئيسي للنماذج القائمة على العمليات هو تكلفتها الحسابية، حتى العاصفة الواحدة على مسافة كيلومتر واحد من الساحل يمكن أن تستغرق ساعات على محطة عمل حديثة، مما يجعلها صعبة التطبيق على النطاقات الإقليمية أو للتنبؤات الجماعية، ولكن التقدم الأخير في الحساب الموازي واستخدام نماذج بديلة (حيث يتم تدريب جهاز توجيه سريع على التحايل الفيزيائي الكامل) بدأ في التغلب على هذا الحاجز.

النماذج الهجينة واستيعاب البيانات

أكثر الحدود واعدة هو تطوير نماذج الهجينات التي تجمع بين قوّات النُهج الإحصائية و النهج القائمة على العمليات، في إطار هجين، تُدمج عمليات الرصد بواسطة السواتل في النموذج لتصحيح الأخطاء وتحديث متغيرات الدولة (مثل حجم الشواطئ) في الوقت الحقيقي، تقنيات استيعاب البيانات مثل فيلم "الكلامان" تستخدم على نطاق واسع في التنبؤ بالطقس، ويجري تكييفها الآن لتحسين صور التآكل الساحلي.

ومن أمثلة النماذج الهجينة إدماج المعدلات المستمدّة من نظام إدارة الدعم الميداني مع محاكاة خزفية، حيث تُقدّم معدلات الـ دي إس أي اتجاهاً خلفياً طويل الأجل، بينما يلتقط خماسي كلورش أحداثاً عواصف قصيرة الأجل، والتوقع النهائي هو مبلغ مرجح، مع تعديل الأوزان استناداً إلى الأداء الأخير لكل نموذج.() وقد بدأت الوكالات التنفيذية مثل المسح الجيولوجي الأمريكي في استخدام نظم تقييم المخاطر هذه.

دراسات الحالة: إدماج أنشطة السواتل في مجال المياه

رصد خط سواحل لويزيانا

وقد فقدت دلتا نهر ميسيسيبي في لويزيانا متوسطاً من حقل كرة القدم في كل 100 دقيقة بسبب التآكل والخسائر، وقامت هيئة لويزيانا لحماية المناطق الساحلية وإعادة إسكانها بتنفيذ برنامج رصد يستخدم صوراً لتتبع معدلات التراجع عن مسارات الأراضي الرطبة، وقد تم ربط هذه المعدلات بواسطة نظام لويزيانا لحماية وإعادة الإمداد في المناطق الساحلية ببرنامج رصدي من خلال تحديد أولويات موجة عام 2020

Predicting Beach Erosion in the UK

ويدير مرصد ساحل قناة المملكة المتحدة برنامجا إقليميا للرصد الساحلي يعتمد على الصور الساتلية وبيانات الطفاف الموجية، وبإطعام مخرفات السواحل المزودة بالسواتل في اكس بيتش، تمكنوا من إنتاج توقعات عالية الاستبانة لسلسلة العواصف الشتوية للفترة 2020-21، وقد تنبؤ النموذج بشكل صحيح بالعديد من بؤر التحات التي أحدثت أضرارا كبيرة فيما بعد، بما في ذلك أجزاء من سلطة الحرق البحرية المحتملة.

الاتجاهات المستقبلية والتحديات المتبقية

وفي المستقبل، تعد عدة تطورات بزيادة تعزيز نماذج التنبؤ بالتحات الساحلي.

أجهزة الاستشعار الساتلية ذات التردد العالي

بعثات مثل مركب مياه الـ (ناسا) و الأوقيانوغرافية المُطلَقة في ديسمبر 2022 ستوفر قياسات عالمية لتصاعد سطح الماء في مكان غير مسبوق (كميتر) لخصائص المحيطات)

استيعاب البيانات في الوقت الحقيقي والإنذار المبكر

الهدف النهائي هو نظام للإنذار المبكر في الوقت الحقيقي الذي يغوي البيانات الساتلية والتنبؤات بالموجات وتوقعات المد لإصدار إنذارات محلية قبل وقوع ضربات العاصفة هذه النظم موجودة بالفعل للفيضانات الساحلية (مثلاً، لوحة بيانات الأشعة الساحلية التابعة للدائرة الجوية الوطنية الأمريكية)

Accounting for Climate Change Uncertainties

ومن التحديات الرئيسية أن تغير المناخ سيغير نظم الموجات وارتفاع مستوى سطح البحر على السواء بطرق غير مؤكدة، إذ أن التوقعات المناخية المستقبلية من نماذج المناخ العالمية (مثل CMIP6) تبين مجموعة واسعة من النتائج، ولا سيما فيما يتعلق بتكثيف العواصف، بما في ذلك أوجه عدم التيقن في نماذج التحات، هي الآن أساسية للتخطيط الطويل الأجل، وتزداد النُهج القائمة على التكوين، حيث يجري العديد من النماذج في إطار سيناريوهات المناخية المختلفة، شيوعاً.

الاستنتاج: من البيانات إلى المقررات

وقد أدى دمج البيانات الساتلية وديناميات الموجات إلى تحويل التنبؤ بالتحات الساحلي من الانضباط الرجعي إلى علم تشغيلي تطلعي، حيث توفر الصور الساتلية العالية الاستبانة التغطية المكانية والزمنية التي لا يمكن أن تتطابق معها الدراسات الاستقصائية الأرضية، بينما توفر نماذج الموجات أقصى قدر من الحفز المادي الذي يدفع إلى التحات، وعندما يقترن ذلك بنماذج إحصائية أو عملية - أو لا يزال أفضل، من خلال أطر تصميم البيانات المهوبة - أدوات التخفيف من التآكل.

ومع استمرار تحسن القرار الساتلي، تصبح نماذج الموجات أكثر دقة، وتطور تقنيات التعلم الآلي، يمكننا أن نتوقع أن تصبح التنبؤات بالتحات مكانا مشتركا مثل التنبؤات الجوية، وبالنسبة للمجتمعات الساحلية التي تواجه ضغطا لا يطاق من ارتفاع البحار والعواصف الأقوى، فإن هذا ليس مجرد معلم أكاديمي، بل هو خطوة حاسمة نحو القدرة على التكيف.