دور الجيوش في الهيدرولوجيا: تعزيز تحليل البيانات وصنع القرار

وقد أحدثت نظم المعلومات الجغرافية ثورة في مجال الهيدرولوجيا بتوفير أدوات قوية لتحليل البيانات المكانية المتصلة بالموارد المائية، وتصورها وإدارتها، وأصبحت نظم المعلومات الجغرافية أداة مفيدة وهامة في مجال الهيدرولوجيا لدراسة وإدارة موارد المياه الأرضية، ويتطلب تغير المناخ والطلب الأكبر على الموارد المائية قدرا أكبر من المعرفة من حيث استخدام نموذج بياناتنا المكاني الأكثر حيوية.

Understanding GIS Technology in Hydrological Context

إن نظم المعلومات الجغرافية أداة فعالة لتخزين البيانات المكانية وإدارتها وعرضها غالبا ما تصادف في إدارة الموارد المائية، وتسمح التكنولوجيا للمستحضرات الهيدرولوجية بالعمل مع مجموعات بيانات معقدة تمثل الخصائص المكانية والزمنية لنظم المياه، وتتوفر تكنولوجيا نظام المعلومات الجغرافية القدرة على جمع وتخزين وتلاعب وتحليل وتفسير مختلف مجموعات البيانات الهيدرولوجية الموزعة، من ناحية أخرى، تكون الهيدرولوجيا ذات طبيعة.

إن نظام المعلومات الجغرافية هو نظام مكاني حديث يوفر لك حلولا تلبي حاجتك إلى رصد وتقييم الظروف، وإجراء البحوث، وتقديم المعلومات، ويوفر نظام المعلومات العلمية لمديري موارد المياه والمخططين وأصحاب المصلحة، ويتيح للمجتمع المحلي المشاركة والتعاون والمشاركة في الخرائط والمقاييس ذات الاستخدام السهل، وقد كان تطور منابر نظام المعلومات الجغرافية هاما بصفة خاصة بالنسبة للهيدرولوجيا، حيث أصبحت برامج نظام المعلومات الجغرافية فجوة تاريخية متزايدة بين المقاييس الحالية.

التطبيقات الأساسية لنظام المعلومات الجغرافية في الهيدرولوجيا

رسم خرائط وتحديد أماكن مستجمعات المياه

وتمثل رسم خرائط مستجمعات المياه أحد أهم التطبيقات الأساسية لنظام المعلومات الجغرافية في مجال الهيدرولوجيا، ففي حالة نماذج المياه السطحية، كثيرا ما يُطبق نموذج الارتفاع الرقمي على بيانات الهيدروغرافيا من أجل تحديد حدود مستجمعات المياه، ويُعد فهم هذه الحدود جزءا لا يتجزأ من فهم الأماكن التي سيتدفق فيها الهرّب، ويتيح هذا النموذج الهيدرولوجي القدرة على تحديد مناطق الصرف بدقة وفهم أنماط التدفق داخل منطقة معينة.

ومن المطلوب إدارة مستجمعات المياه لتحديد التدفق الطبيعي للمياه وتوافرها وعلاقتها بعوامل أخرى مثل نوعية المياه، واستخدام الأراضي، وتغطية الغطاء النباتي للإدارة المستدامة لموارد المياه، وتتمتع هذه الشبكة باختصاصات استخراج مستجمعات المياه من أي نموذج للارتفاع الرقمي، وبالإضافة إلى ذلك، فإنها تنظر أيضا في عوامل أخرى مختلفة مثل التضاريس، واستخدام الأراضي، وتغطية الغطاء النباتي، وأنواع التربة، وتحليلات الهيدرولوجيا، ونوعية المائية.

ووضعت ولاية واشنطن مجموعة بيانات موحدة ومتكاملة ومستمدة من الارتفاع لتعزيز رسم الخرائط الهيدروغرافية وتحليلها، مما أدى إلى تحسين إدارة الموارد المائية واتخاذ القرارات، وأدى مشروع تجريبي في مستجمعات مياه ستيلاغوميش إلى تحسينات كبيرة، مما يدل على قيمة البيانات الهيدروغرافية العالية الاستبانة لتحسين إدارة مستجمعات المياه والرصد البيئي.

تقييم المخاطر المتعلقة بالفيضانات وإدارتها

وقد برز تقييم مخاطر الفيضانات كمنطقة تطبيق حرجة توفر فيها تكنولوجيا نظام المعلومات الجغرافية فوائد كبيرة، وهناك تطبيق آخر مفيد لنظام المعلومات الجغرافية فيما يتعلق بتقييم مخاطر الفيضانات، ويمكن أن يتوقع استخدام نماذج الارتفاع الرقمي، إلى جانب بيانات الذروة في تصريف المياه، المناطق التي سيغرق فيها قنابل الفيضانات تبعاً لحجم سقوط الأمطار، وهذه القدرة التنبؤية تمكن المجتمعات المحلية من إعداد أحداث الفيضانات المحتملة ووضع استراتيجيات ملائمة للتخفيف من آثارها.

وفي دراسة لمستجمع مياه نهر إيلينوي، وجد رابي (2014) أنه يمكن وضع خريطة دقيقة بشكل لائق لمخاطر الفيضانات باستخدام بيانات قياس حركة عدم الانحياز وتدفقات المياه، غير أن التحليل القائم على هذين البارامترات لا يُحسب وحده للتطورات التي من صنع الإنسان، بما في ذلك الجرافات أو نظم الصرف، وبالتالي لا ينبغي اعتباره نتيجة شاملة، مما يبرز أهمية إدراج مصادر بيانات متعددة في النماذج الشاملة لمخاطر الفيضانات.

وتمتد تطبيقات نظام المعلومات الجغرافية الحديثة في إدارة الفيضانات إلى ما يتجاوز مجرد رسم الخرائط، وفي حين توفر نظم المعلومات الجغرافية أفضل الأدوات لإدارة موارد المياه وغيرها من المسائل ذات الصلة مثل الجفاف والفيضانات، يقدم الاستشعار عن بعد البيانات الأساسية لإدارة هذه الموارد، كما يمكن إدماج نظام المعلومات الجغرافية في العديد من التقنيات مثل نماذج الاستخبارات الاصطناعية والنماذج الهيدرولوجية.

رصد وإدارة نوعية المياه

وتمثل إدارة نوعية المياه مجالاً حيوياً آخر لتطبيق تكنولوجيا المعلومات الجغرافية، ويتيح النظام المتكامل للرصد العالمي دمج مختلف مصادر البيانات، مثل بيانات رصد نوعية المياه، وبيانات استخدام الأراضي، والبيانات الهيدرولوجية، من أجل إيجاد فهم شامل لظروف نوعية المياه في مجال معين، ويمكن مع النظام المتكامل للرصد والتقييم تحديد مصادر وأسباب تلوث المياه، وتصوير التوزيع المكاني لبارامترات نوعية المياه.

وهذه المعلومات حيوية لاتخاذ القرارات المتعلقة بإدارة نوعية المياه، مثل اختيار التدابير المناسبة لمراقبة التلوث، وتحديد المجالات ذات الأولوية لتحسين نوعية المياه، وتقييم فعالية برامج إدارة نوعية المياه، وقدرة التحليل المكاني لنظام المعلومات الجغرافية على تمكين مديري موارد المياه من تتبع مصادر التلوث، ورصد التغيرات الزمنية في نوعية المياه، ووضع استراتيجيات محددة الهدف للتدخل.

كما أن نظام المعلومات الجغرافية قادر على توليد الإنذارات عندما يتم العثور على أي تغييرات غير عادية، وهذه القدرة على الرصد في الوقت الحقيقي تعزز استجابة نظم إدارة نوعية المياه وتتيح التدخل السريع عند حدوث أحداث التلوث.

إدارة موارد المياه الجوفية

وقد أصبحت إدارة المياه الجوفية ذات أهمية متزايدة نظرا للدور الحاسم للمياه الجوفية في إمدادات المياه العالمية، حيث إن استخدام نظام المعلومات الجغرافية لتحليل المياه الجوفية يندرج في مجال الهيدروجيولوجيا، وبما أن 98 في المائة من المياه العذبة المتاحة على الأرض هي المياه الجوفية، فإن الحاجة إلى وضع نماذج فعالة وإدارة هذه الموارد واضحة، وبما أن الطلب على المياه الجوفية ما زال يزداد مع تزايد عدد سكان العالم، فمن الحيوي إدارة هذه الموارد على النحو السليم.

إن تطبيقات نظام المعلومات الجغرافية تحدث أثرا كبيرا على إدارة المياه الجوفية بطرق عدة، مثل رسم خرائط وتتبع موارد المياه الجوفية الهندية، بما في ذلك معدلات تغذية المياه الجوفية واستنفادها، ونوعية المياه، ومواقع جيدة، والمياه الجوفية مصدر أساسي للري، ومياه الشرب، والمياه الصناعية، ولكنها غالبا ما تكون أكثر استخداما في بعض المناطق، ويمكن استخدام الشبكة لرصد ومراقبة موارد المياه من خلال وضع خرائط شاملة لنوعية المياه الجوفية.

تكامل البيانات والنمذجة الهيدرولوجيّة

نماذج الارتقاء الرقمي وتحليل التضاريس

وتشكل نماذج الارتقاء الرقمي الأساس للعديد من التطبيقات الهيدرولوجية داخل نظام المعلومات الجغرافية، وتتزايد تركيز نماذج الارتفاع الرقمي أو نظم الإدارة الرقمية على نطاق أوسع من البيانات الطبوغرافية الرقمية، كما أن الجودة والحساب إذا كانت نظم الإدارة ذات قيمة بالغة في التطبيقات الهيدرولوجية، وتوفر الإدارة رقمياً لجزء من أرض الأرض على سطح ذي بعدين.

وتسمح معالجة نظم الإدارة البيئية باستخراج البارامترات الهيدرولوجية الحرجة، وتناقش هذه الورقة طرق إعداد العوامل الهيدرولوجية، وهي: TWI، وTRI، وSPI، و TPI، وثديّة المجاري، وقطع المسافة إلى التيار عن طريق تجهيز نظم المعلومات الجغرافية، وتستخدم هذه العوامل الهيدرولوجية المشتركة على نطاق واسع في العديد من ورقات البحوث العلمية إما لوضع النماذج أو لقياس علاقتها بالعوامل البيئية الأخرى.

دمج مصادر البيانات المتعددة

ومن أقوى قدرات نظام المعلومات الجغرافية في مجال الهيدرولوجيا القدرة على إدماج مصادر البيانات المتنوعة في أطر تحليلية متماسكة، ويوفر نظام المعلومات الجغرافية أدوات جديدة قوية لجمع المعلومات المتصلة بالخرائط وتخزينها وإدارتها وعرضها، في حين يمكن لنماذج المحاكاة أن توفر لصانعي القرار أدوات تفاعلية لفهم النظام المادي، والحكم على الكيفية التي يمكن أن تؤثر بها إجراءات الإدارة على ذلك النظام.

ومن مزايا استخدام برمجيات نظام المعلومات الجغرافية للنموذج الهيدرولوجي أن الصور الرقمية للبيانات يمكن ربطها ببيانات في الوقت الحقيقي، وهذه القدرة تتيح نُهجاً دينامية للنموذج يمكن أن تدمج الظروف الحالية والأنماط التاريخية لتوليد توقعات أكثر دقة.

وقد وسعت إمكانية الوصول إلى المعلومات، وخفضت تكلفة العديد من مجموعات البيانات الهيدرولوجية، وارتباط العديد من هذه التغييرات بالشبكة العالمية للجدول، ودور نظام المعلومات الجغرافية في التطورات الهائلة البعيدة المدى، وتكنولوجيا المعلومات الجارية، مثل المكتبات الرقمية، ومستودعات البيانات، وتعدين البيانات، والتواصل العالمي، ووسعت إلى حد كبير إمكانية الوصول إلى البيانات الهيدرولوجية.

إطارات النماذج الهيدرولوجيـة

(إيزري) هيدرو) تتكون من نموذج بيانات، وجهاز أدوات، وسير عمل تم تطويره على مر السنين لدعم تنفيذ نظام المعلومات الجغرافية في الموارد المائية، وأدوات الطاقة المائية في القطب الشمالي، وأجهزة تنزيل نظام المعلومات الإدارية المتكامل، ودليل الوثائق وأفضل الممارسات لدعم التحميل وتركيب أدوات الهيدرولوجيات العرشية، وهذه الأدوات المتخصصة توفر نُهجاً موحدة للتحليل الهيدرولوجي في بيئات نظام المعلومات الجغرافية.

ويشمل هذا التكامل ثلاثة عناصر رئيسية: (1) بناء البيانات المكانية، (2) إدماج طبقات النماذج المكانية، (3) نظام المعلومات الجغرافية والتفاعل النموذجي، ويمكن أن يساعد نظام المعلومات الجغرافية في تصميم النماذج ومعايرتها وتعديلها ومقارنتها، وهذا النهج المنظم للتكامل يكفل أن النماذج الهيدرولوجية يمكن أن تستفيد بفعالية من قدرات التحليل المكاني لمنابر نظام المعلومات الجغرافية.

وفي الوقت الحاضر، اعترف مستعملو نظام المعلومات الجغرافية والمستحضرات الهيدرولوجية على نحو متزايد بالفوائد المتبادلة لمثل هذا التكامل من النجاحات التي تحققت في السنوات العشر الماضية، وقد مكّنت مختلف تقنيات النموذج الهيدرولوجي من تجاوز مرحلة جرد البيانات وإدارتها من إجراء نماذج متطورة ومحاكاة، ومن أجل جهود النماذج الهيدرولوجيا، وفر نظام المعلومات الجغرافية، ولا سيما من خلال قدراتهم القوية على تجهيز بيانات نظام إدارة البيانات البصرية الخاص بالدينام (نموذجات).

نماذج الهيدرولوجيا المكانية

ونموذج الهيدرولوجيا المكاني هو نموذج يقوم على محاكاة تدفق المياه ونقلها في منطقة محددة من الأرض باستخدام هياكل بيانات نظام المعلومات الجغرافية، ويفترض أن الحدود في هذه المنطقة تمثل بلوغين، مثل حدود أحواض الأنهار أو حدود طبقة المياه الجوفية، وتمثل هذه النماذج تقدما كبيرا في العلوم الهيدرولوجية عن طريق إدراج التقلبات المكانية صراحة في محاكاة تدفق المياه.

ففي حالة صهر الثلج مثلاً، يمكن أن يكون مقدار شلال الثلج مدخلاً في نظام المعلومات الجغرافية للتنبؤ بمياه المياه التي ستسافر إلى أسفل المجرى، وهذه المعلومات لها تطبيقات في إدارة أصول الحكومات المحلية والزراعة والعلوم البيئية، وقدرة التنبؤ بحركة المياه استناداً إلى المدخلات المكانية تتيح التنبؤ والتخطيط على نحو أكثر دقة في مختلف القطاعات.

نظم دعم القرار والتخطيط

التصور والاتصال

وتؤدي قدرات نظام المعلومات الجغرافية على التبصر دوراً حاسماً في إيصال المعلومات الهيدرولوجية المعقدة إلى مختلف أصحاب المصلحة، ويرجع السبب في اعتماد تكنولوجيا نظام المعلومات الجغرافية إلى أنها تتيح تشرد المعلومات المكانية بطرق تكاملية يسهل فهمها وتصورها، كما أن المعلومات المكانية التي يتم جمعها تخضع كذلك لتحليل متطابق لنظام المعلومات الجغرافية.

وعلاوة على ذلك، يمكن أن تساعد الشبكة في وضع الخرائط وتصوير المعلومات من خلال مختلف الخرائط والرسوم البيانية التفاعلية التي يمكن أن تساعد على نقل المعلومات المعقدة إلى أصحاب المصلحة والجمهور، مما ييسر مشاركتهم في إدارة مستجمعات المياه، وهذه القدرة المعززة على الاتصال تدعم عمليات اتخاذ القرارات على نحو أكثر شمولاً واستنارة.

ومن شأن الانتشار السريع لنظام المعلومات الجغرافية في المجتمع أن يجعل مختلف النماذج الهيدرولوجية أكثر شفافية وأن يتيح إبلاغ عملياتها ونتائجها لمجموعة كبيرة من المستعملين، وهذا التحول الديمقراطي في المعلومات الهيدرولوجية يتيح مشاركة أوسع في مناقشات إدارة الموارد المائية.

تخطيط الهياكل الأساسية وتقييم القابلية للتأثر

وتدعم تكنولوجيا نظام المعلومات الجغرافية تخطيط الهياكل الأساسية عن طريق إتاحة التحليل المكاني للمخاطر والفرص المتصلة بالمياه، ويمكن أن تساعد هذه المعلومات على تحديد المجالات التي تكون عرضة للتآكل أو الفيضانات أو التلوث بشكل خاص، ووضع استراتيجيات للتخفيف من هذه القضايا، وقدرة هذه البلدان على تحديد المناطق الضعيفة قبل تطوير الهياكل الأساسية على الحد بدرجة كبيرة من المخاطر والتكاليف في المستقبل.

(ب) أن تُحسّن مجموعات البيانات الكبيرة بتطبيق مختلف تقنيات النماذج والإحصاءات والتصوير البصري، وأن تُحوّل البيانات إلى معلومات قابلة للتنفيذ، وأن تُفهم كيف ستؤثر الأحداث الجوية البالغة الشدة وتغير الطلب على المياه على توافر المياه وعلى القدرة على مواجهة الجفاف، وهذه القدرات التحليلية تمكّن مديري موارد المياه من وضع استراتيجيات أكثر مرونة في مجال الهياكل الأساسية والإدارة.

نظم دعم قرارات موارد المياه

وقد بُذلت عدة جهود لتطوير وصيانة نظم دعم القرارات المتعلقة بالموارد المائية، وهي تدمج تكنولوجيا المعلومات الجغرافية مع نماذج هيدرولوجية وأدوات تحليلية أخرى لتوفير الدعم الشامل لقرارات إدارة الموارد المائية.

واستعرضت شركة بانيكوني وآخرون (1999) مواطن القوة والضعف في نظام المعلومات الجغرافية، وأوضحت الأسباب التي تجعل النماذج الهيدرولوجية الموزعة تعتمد عادة على نظام المعلومات الجغرافية، وتصوير البيانات، وغير ذلك من أدوات البرمجيات لأغراض التجهيز الأولي واللاحق، وكعنصرين تكميليين لنظم دعم القرارات، ووضعت نظاما لدعم القرارات لتقدير رطوبة التربة من قياسات السواتل، وتوثيق هذه التقديرات باستخدام قياس الحقيقة الأرضية والنموذج الهيدرولوجي.

التطبيقات المتقدمة والاتجاهات الناشئة

Climate Change Impact Assessment

وتؤدي تكنولوجيا المعلومات الجغرافية دوراً متزايد الأهمية في تقييم آثار تغير المناخ على الموارد المائية، وتدرك كيف ستؤثر الأحداث الجوية البالغة الشدة وتغير الطلب على المياه على توافر المياه وعلى قدرة الجفاف على التكيف، وتأتي البيانات الضخمة من عدد متزايد من أجهزة الاستشعار والموارد، وتتحقق أنماط واتجاهات الإدارة على نحو أكثر فعالية.

إن إدماج نماذج المناخ مع نظام المعلومات الجغرافية يتيح لمديري موارد المياه تقييم السيناريوهات المستقبلية ووضع استراتيجيات للإدارة التكيّفية، وهذه القدرة الاستشرافية ضرورية لضمان الأمن الطويل الأجل للمياه في مواجهة الظروف المناخية المتغيرة.

النموذج المتكامل المتعدد الأقطار

والهدف من البحث هو وضع نهج متكامل لنموذج نظم المعلومات الجغرافية والهيدرولوجيا الهيدرولوجيا للعوامل المسببة للفيضانات مجتمعة، ومعالجة القلق المتزايد إزاء الفيضانات في فلوريدا، وتكمن روايته في التكامل السلس لنموذج استعراض سياسة الاستثمار، الذي يتضمن السمات الهيدرولوجية والهيدروليكية المحلية، مع تحليل لعوامل الفيضانات المشتركة في المناطق الساحلية، بما في ذلك التقلبات في معدلات التهطال، وتغير استخدام الأراضي.

ويعزز هذا الأسلوب التقدم في النماذج الهيدرولوجيا - الهيدرولوجيا لمحاكاة التدفق السطحي ودون السطحي، إلى جانب القدرات القوية لنظام المعلومات الجغرافية، وييسر استخدام نظام المعلومات الجغرافية في إعداد البيانات المكانية والتصوير المرئي مدخلات سهلة الاستعمال، ويتيح تصور البيانات في شكل مفضل، وتمثل هذه النُهج المتكاملة المعالم الرئيسية للنموذج الهيدرولوجي وتظهر القدرات المتزايدة لتكنولوجيا نظم المعلومات الجغرافية.

تكامل البيانات في الوقت الحقيقي

كما تتاح بيانات السير التاريخي والحالي عن طريق شبكة الإنترنت من مصادر مثل دائرة الطقس الوطنية ووكالة حماية البيئة بالولايات المتحدة، كما أن القدرة على إدماج مسارات البيانات في الوقت الحقيقي في النماذج الهيدرولوجية القائمة على نظام المعلومات الجغرافية تتيح القدرة الدينامية على الرصد والتنبؤ.

ويدعم هذا التكامل في الوقت الحقيقي تطبيقات مثل التنبؤ بالفيضانات ورصد الجفاف وتنبيهات نوعية المياه، ويوفر الجمع بين التحليل التاريخي والظروف الراهنة إطارا قويا لإدارة موارد المياه التشغيلية.

الاعتبارات التقنية وإدارة البيانات

أساليب تخزين البيانات والتمثيل

وتناقش ثلاث طرق لتخزين المعلومات الجغرافية: الراس أو الشبكة، والشبكة غير النظامية الثلاثية، وشبكات خطوط النقل، ويجري تحليل الجوانب الحسابية والجغرافية والهيدرولوجية لكل طريقة من طرق تخزين البيانات، ويمكن أن يؤثر اختيار طريقة تمثيل البيانات تأثيرا كبيرا على دقة وكفاءة التحليلات الهيدرولوجية.

وتُعتبر النهج القائمة على أساس الترسب مناسبة بشكل خاص للنموذج السطحي المستمر، بينما تُستفحل الأساليب القائمة على الناقلات في تمثيل سمات منفصلة مثل شبكات المجاري المائية والحدود التي تُجمع فيها المياه، وتُدعم منابر نظام المعلومات الجغرافية الحديثة أشكال البيانات المتعددة، مما يمكّن أخصائيي الهيدرولوجيات من اختيار أنسب تمثيل لكل طلب.

Remote Sensing Integration

ويجري استعراض استخدام البيانات المستشعرة عن بعد في النظم العالمية للمعلومات والنمذجة الهيدرولوجية، ويوفر الاستشعار عن بعد مدخلات أساسية من البيانات للعديد من التطبيقات الهيدرولوجية، بما في ذلك تصنيف استخدام الأراضي، ورصد الغطاء النباتي، وكشف المياه السطحية.

إن إدماج الصور الساتلية وغيرها من البيانات المستشعرة عن بعد مع منابر نظام المعلومات الجغرافية يتيح إجراء تقييمات هيدرولوجية واسعة النطاق تكون غير عملية باستخدام القياسات الأرضية وحدها، وهذه القدرة قيمة بصفة خاصة لرصد مستجمعات المياه النائية أو التي يتعذر الوصول إليها ولتتبع التغيرات التي تحدث بمرور الوقت.

اعتبارات جودة البيانات والاستحقاقات

وتتوقف دقة التحليلات الهيدرولوجية القائمة على نظام المعلومات الجغرافية اعتماداً بالغ الأهمية على نوعية بيانات المدخلات، وهذه الأساليب تعني أن قيم خصائص التربة التي يتم الحصول عليها عندما يُستفسر من نظام المعلومات الجغرافية يرجح أن تكون تقديرات مستمدة من أساليب الاستقراء المكاني مثل الاختناق من البيانات الفعلية المخزنة في نظام المعلومات الجغرافية، ومن المرجح أن تؤدي هذه التغييرات إلى تحسين المدخلات النموذجية والسبل التي يتم بها معالجة عدم اليقين والخطأ في المدخلات والنواتج النموذجية.

ويعد فهم وإدارة عدم اليقين في البيانات المكانية أمرا أساسيا لإنتاج نماذج هيدرولوجية موثوقة، وتشمل منابر نظام المعلومات الجغرافية الحديثة أدوات لتقييم جودة البيانات ونشر عدم اليقين من خلال سير العمل التحليلي، مما يتيح اتخاذ قرارات أكثر قوة.

استراتيجيات التنفيذ العملي

تنمية تدفق العمل

تستخدم أدوات الهيدرولوجيا لنموذج تدفق المياه عبر سطح الأرض، وتستخدم أدوات الهيدرولوجيا لنموذج تدفق المياه عبر سطح الأرض، والمعلومات عن شكل سطح الأرض مفيدة للعديد من الميادين مثل التخطيط الإقليمي والزراعة والحراجة، وتحتاج هذه الميادين إلى فهم للكيفية التي يمكن بها تدفق المياه عبر منطقة ما، وكيفية تأثير التغيرات في تلك المنطقة على ذلك التدفق.

ويمكن تطبيق أدوات الهيدرولوجيا بصورة فردية أو باستخدامها بالتسلسل لإنشاء شبكة من المجاري المائية أو تعيين مستجمعات المياه، كما أن وضع تدفقات عمل منهجية يكفل تحقيق نتائج متسقة ومتجددة عبر مختلف المشاريع والمحللين.

معايرة نموذجية وتقييم

ويتطلب التنفيذ الناجح للنماذج الهيدرولوجية القائمة على نظام المعلومات الجغرافية معايرة دقيقة والتحقق من البيانات الملاحظــة، وهذه العملية تضمن أن التنبؤات النموذجية تعكس بدقة ظروف العالم الحقيقي ويمكن الاعتماد عليها لأغراض صنع القرار.

وتيسر قدرات التحليل المكاني لنظام المعلومات الجغرافية مقارنة النواتج النموذجية مع البيانات الملاحظـة في مواقع متعددة، مما يتيح التحقق الشامل من الأداء النموذجي، ويتيح هذا النهج المصادقة المكانية قدرا أكبر من الثقة في التنبؤات النموذجية مقارنة بالطرائق التقليدية للتحقق من صحة النقاط.

مشاركة أصحاب المصلحة وتدريبهم

وكبداية، سيشمل المخطط الأساسي الجديد لعلوم المعلومات الجغرافية التابع للرابطة الوطنية لعلوم المحيطات في مجال العلوم الجغرافية وحدة لتطبيق الموارد المائية، وتشمل المسائل المعلقة التي لا تزال يتعين النظر فيها ما يلي: (1) على أي مستوى ينبغي تطوير معظم الوحدات (القسم الأقل تحت مستوى الدراسات العليا أو الشعبة العليا)؟ (2) إذا تضمنت وحدة نموذجية ربط تقنيات النماذج الهيدرولوجية ببرامجيات لنظام المعلومات الجغرافية، هل يتعين تبسيط النماذج لأغراض التدريس؟

ويتطلب التنفيذ الفعال لتكنولوجيا نظم المعلومات الجغرافية في مجال الهيدرولوجيا التدريب الملائم وبناء القدرات، ويتعين على المهنيين العاملين في مجال الموارد المائية تطوير المهارات في مجال تكنولوجيا المعلومات الجغرافية والعلوم الهيدرولوجياتية على السواء من أجل الاستفادة الكاملة من قدرات النظم المتكاملة.

التحديات والاتجاهات المستقبلية

تحديات التكامل المفاهيمي

ويدفع أصحاب البلاغ بأن النهج القائمة القائمة بذاتها ومختلف النهج المتباينة/الثابتة لإدماج نظام المعلومات الجغرافية في النماذج الهيدرولوجية هي أساساً نهج محركة من التكنولوجيا دون معالجة المشاكل المفاهيمية التي ينطوي عليها التكامل معالجة كافية، وأن مفاهيم الفضاء والزمن المتأصل في الجيل الحالي من نظام المعلومات الجغرافية لا تتفق من الناحية المفاهيمية مع تلك الواردة في النماذج الهيدرولوجية، وهذا التعارض يفرض قيوداً ضمنية على نوع النماذج الهيدرولوجية التي يمكن تطويرها.

وتتطلب معالجة هذه التحديات المفاهيمية إجراء بحوث وتطويرات مستمرة من أجل تحقيق تكامل أكثر تماسكا بين منابر نظام المعلومات الجغرافية وأطر النماذج الهيدرولوجيا، ويمثل تطوير التكنولوجيات الموحدة ونماذج البيانات خطوة هامة نحو حل هذه القضايا.

الطلب على الحاسوب والقابلية للتقسيم

ونظراً لأن النماذج الهيدرولوجية أصبحت أكثر تطوراً وتدمج بيانات مكانية عالية الاستبانة، فإن الطلبات الحاسوبية تزداد ارتفاعاً كبيراً، ويجب أن توازن برامج نظام المعلومات الجغرافية الحديثة بين الحاجة إلى تمثيل مكاني مفصل مع وجود قيود عملية على وقت التجهيز والموارد الحاسوبية.

وتوفر هياكل تجهيز السحاب والتجهيز الموزعة حلولا واعدة لهذه التحديات المتعلقة بالقدرة على التصعيد، مما يتيح تحليل مجموعات البيانات الأكبر حجما والنماذج الأكثر تعقيدا مما يمكن أن يكون ممكنا على النظم القائمة بذاتها.

التكنولوجيات والفرص الناشئة

وهناك فرص هائلة في مجال تكامل نظم المعلومات الجغرافية والهيدرولوجيا، ونعتقد أن هناك تحديات كافية في استخدام نظام المعلومات الجغرافية لوضع تصورات ونمذجة للعمليات الهيدرولوجية المعقدة ولعولمة الهيدرولوجيا، وأن التطور المستمر لتكنولوجيا نظم المعلومات الجغرافية، إلى جانب التقدم المحرز في الاستشعار عن بعد والاستخبارات الصناعية والأساليب الحسابية، يعد بتوسيع قدرات التحليل الهيدرولوجي حتى أبعد.

ويجري بصورة متزايدة إدماج تقنيات التعلم من الآلات والاستخبارات الاصطناعية في النماذج الهيدرولوجية القائمة على نظام المعلومات الجغرافية، مما يتيح التعرف على النمط المتطور بقدر أكبر، وقدرة التنبؤ بهذه النُهج الناشئة على تحسين التنبؤ بالفيضانات، والتنبؤ بنوعية المياه، والتطبيقات الحرجة الأخرى.

دراسات الحالة والتطبيقات العالمية الحقيقية

إدارة المياه الحضرية

وفي هذه الورقة، استخدم استخدام نظام المعلومات الجغرافية إلى جانب طريقة " إيه بي " لتوثيق ورسم خرائط الاحتياجات الحالية من المياه في المدينة، فضلا عن الاحتياجات المائية في المستقبل القريب، وجرى النظر في المعايير التالية: الطرق، ومركز المدينة، والساحل، والمنحدر الهيكلي، والخطة الحضرية العامة في ميتيلين، والمواقع التي بها مبان على طابقين، ومواقع لا تحتوي على مقطورين، والسكان، والمسافات الحالية المستخدمة في خرائط المياه.

ويدل هذا المثال على الكيفية التي يمكن بها لنظام المعلومات الجغرافية أن يدمج عوامل متعددة لدعم التخطيط الحضري الشامل للمياه، وقدرة على تصور وتحليل التوزيع المكاني للطلب على المياه تتيح تخطيطاً أكثر كفاءة للهياكل الأساسية وتخصيص الموارد.

إدارة موارد المياه العابرة للحدود

وتعتزم هذه الدراسة استحداث الخطوات التي تنطوي عليها إنشاء نظام للمعلومات الجغرافية يساعد على إدارة الموارد المائية في حوض الأمازون، ومن المهم وضع خطط إدارية باستخدام نظام المعلومات الجغرافية للمساعدة على الحفاظ على حوض النهر وحمايته في مختلف البلدان التي تحاصره، ولا سيما مع تزايد التعقيدات الناجمة عن تغير المناخ.

وقد اختير حوض نهر الأمازون لهذه الدراسة نظرا لأهمية الحوض وتعقيد حدوده المشتركة بين إكوادور والبرازيل وبوليفيا وبيرو وسورينام وغيانا وفنزويلا وكولومبيا، وهذا التطبيق يبرز قيمة نظام المعلومات الجغرافية لإدارة الموارد المائية التي تعبر الحدود السياسية، حيث تعتبر الإدارة المنسقة أمرا أساسيا ولكن صعبا.

تقييم موارد المياه في المنطقة القاحلة

ومن أجل إدارة الموارد المائية بفعالية، أصبح من الضروري تحفيز الأمطار المفرطة على الأراضي لتحديد مخاطر الفيضانات ومخاطر الجفاف، ومن المهم أن يكون هناك قدر من التهطال وتصريف المياه في التربة من الأهمية بالنسبة للمناطق التي تفيضان، وقد انخفضت مستويات التهطال انخفاضا كبيرا على مدى العقود القليلة الماضية، وإذا أراد البشر الحفاظ على مستويات المياه، فإنه يتعين وضع خطط بديلة، في هذه الورقة، فإن قناة المياه الرئيسية والدلتا على امتداد المناطق البديلة التي تتجهض في وادي الدان.

وتظهر هذه الدراسة الإفرادية تطبيق تكنولوجيا نظام المعلومات الجغرافية في مناطق نسر المياه حيث تتسم إدارة الموارد المائية الفعالة بأهمية حاسمة بالنسبة للاستدامة، وقدرة التحليل المكاني تتيح تحديد مواقع تجميع المياه المحتملة وتقييم فرص تغذية المياه الجوفية.

أفضل الممارسات والتوصيات

بروتوكولات إدارة البيانات

ويعد إنشاء بروتوكولات قوية لإدارة البيانات أمرا أساسيا لإجراء تحليل مائي ناجح يستند إلى نظام المعلومات الجغرافية، ويشمل ذلك الحفاظ على البيانات الفوقية السليمة وتوثيق مصادر البيانات والخطوات العملية، وتنفيذ مراقبة النسخ لمجموعات البيانات والنماذج.

وتيسر أشكال البيانات الموحدة وتنسيق النظم تبادل البيانات والتعاون فيما بين مختلف المنظمات والمشاريع، ويكفل التقيد بالمعايير المعمول بها إمكانية قيام باحثين مستقلين بتجديد التحليلات الهيدرولوجية القائمة على نظام المعلومات الجغرافية والتحقق منها.

ضمان الجودة والتحقق

ويضمن تنفيذ إجراءات شاملة لضمان الجودة موثوقية التحليلات الهيدرولوجية القائمة على نظام المعلومات الجغرافية، ويشمل ذلك إجراء فحص منهجي لبيانات المدخلات والتحقق من النتائج الوسيطة، ومقارنة النواتج النموذجية مع الظروف الملاحظـة.

ويساعد تحليل الحساسية على تحديد معايير المدخلات التي لها أكبر تأثير على النتائج النموذجية، مما يتيح بذل جهود مركزة لتحسين نوعية البيانات حيثما يكون ذلك أكثر أهمية، كما يساعد فهم الحساسية النموذجية على إيصال الشكوك إلى صانعي القرار.

التعاون المتعدد التخصصات

وأصبحت تكنولوجيا نظام المعلومات الجغرافية بسرعة أداة موحدة لإدارة القضايا البيئية، وهي تساعد مخططي القرارات وصانعي القرارات في مجال حماية البيئة والتنمية المستدامة، ويتطلب التطبيق الفعال لنظام المعلومات الجغرافية في مجال الهيدرولوجيا التعاون بين أخصائيي الهيدرولوجيات، وأخصائيي نظم المعلومات الجغرافية، ومديري موارد المياه، وغيرهم من أصحاب المصلحة.

وتجلب الأفرقة المتعددة التخصصات وجهات نظر وخبرات متنوعة تعزز نوعية التحليلات الهيدرولوجية وأهميتها، ويكفل الاتصال المنتظم بين أعضاء الأفرقة أن تتناول التحليلات التقنية الاحتياجات الإدارية في العالم الحقيقي وأن تُبلغ النتائج بفعالية إلى صانعي القرار.

مستقبل نظام المعلومات الجغرافية في الهيدرولوجيا

التقدم التكنولوجي

ويتزايد باستمرار تطبيق نظام المعلومات الجغرافية في الموارد المائية، ومن أجل التشديد على أهمية نظام المعلومات الجغرافية في إدارة الموارد المائية، يجري تناول وتقييم التطبيقات المتصلة بهذا المجال من أجل البحث والتطوير في المستقبل بكفاءة، كما أن التقدم التكنولوجي المستمر يبشر بزيادة قدرات التحليل الهيدرولوجي القائم على نظام المعلومات الجغرافية.

وتنتج التكنولوجيات الناشئة مثل أجهزة الاستشعار عن طريق شبكة الإنترنت، والمركبات الجوية غير المأهولة، والنظم الساتلية المتقدمة كميات غير مسبوقة من البيانات الهيدرولوجية، وتتطور منابر نظام المعلومات الجغرافية لمعالجة هذه التحديات الكبيرة في مجال البيانات واستخلاص معلومات ذات مغزى من مجموعات البيانات الضخمة.

تعزيز قدرات النماذج

وثمة سؤال آخر وأكثر تعقيداً هو السؤال عن الكيفية التي يمكن بها إعادة النظر في النماذج الهيدرولوجية في السياق المكاني الذي توفره نظم المعلومات الجغرافية، أي أنه بدلاً من ربط النماذج القائمة بقواعد بيانات نظم المعلومات الجغرافية، يمكن استحداث نماذج هيدرولوجية جديدة تستفيد من قدرات تنظيم البيانات المكانية لنظام المعلومات الجغرافية؟

وفي نموذج الهيدرولوجيا المكاني، يركّز التركيز أولا على الوصف الرقمي للبيئة، ثم على صياغة نماذج العمليات التي يمكن أن تلائم البيانات المتاحة والوصف البيئي، ويمثل هذا التحول في النموذج اتجاها هاما لتطوير النماذج الهيدرولوجية في المستقبل ضمن أطر نظام المعلومات الجغرافية.

رصد موارد المياه على الصعيد العالمي

إن عولمة تكنولوجيا نظام المعلومات الجغرافية وزيادة توافر مجموعات البيانات العالمية تتيح الرصد الشامل لموارد المياه على الصعيدين القاري والعالمي، وتدعم هذه القدرة الجهود الدولية الرامية إلى التصدي للتحديات التي تواجه أمن المياه وتحقيق أهداف التنمية المستدامة.

وتتيح برامج نظام المعلومات الجغرافية على شبكة الإنترنت والحساب السحابي تبادل المعلومات الهيدرولوجية في الوقت الحقيقي عبر المنظمات والبلدان، مما ييسر الاستجابة المنسقة للتحديات المتصلة بالمياه، وتمثل هذه البرامج التعاونية أداة هامة لمعالجة قضايا المياه العابرة للحدود والشواغل العالمية المتعلقة بأمن المياه.

خاتمة

وتهدف هذه الورقة إلى تقديم دراسة استقصائية شاملة عن أفضل الممارسات واستخدامات تكنولوجيات نظام المعلومات الجغرافية في هندسة الموارد المائية، تشمل رسم خرائط للموارد المائية، وقياسات هطول الأمطار، والتنبؤ بالفيضانات، وإدارة الري، ونوعية المياه، ورصد الجفاف، وقد أدى إدماج تكنولوجيا المعلومات الجغرافية في العلوم الهيدرولوجيا إلى إحداث تحول جوهري في كيفية دراسة الموارد المائية وإدارتها وحمايتها.

ومن تحديد مجرى المياه وتقييم مخاطر الفيضانات إلى رصد نوعية المياه وإدارة المياه الجوفية، يوفر نظام المعلومات الجغرافية أدوات أساسية للتصدي للتحديات المكانية المعقدة المتأصلة في الهيدرولوجيا، وقدرة على إدماج مصادر البيانات المتنوعة، وتبصر العلاقات المعقدة، ودعم نُهج النماذج المتطورة، تجعل نظام المعلومات الجغرافية تكنولوجيا لا غنى عنها للإدارة الحديثة لموارد المياه.

ومع استمرار تزايد التحديات والمطالب المتعلقة بالمياه على الموارد المائية، لن يصبح دور نظام المعلومات الجغرافية في مجال الهيدرولوجيا أكثر أهمية، مع استمرار التقدم في تكنولوجيا المعلومات الجغرافية، إلى جانب تحسين النماذج الهيدرولوجية وتوسيع نطاق توافر البيانات، يبشر بتعزيز قدرتنا على إدارة الموارد المائية على نحو مستدام والاستجابة بفعالية لحالات الطوارئ المتصلة بالمياه.

وبالنسبة للمهنيين في مجال الموارد المائية، وصانعي السياسات، والباحثين، فإن تطوير الخبرة في التحليل الهيدرولوجي القائم على نظام المعلومات الجغرافية يمثل استثمارا أساسيا في بناء القدرات لمواجهة التحديات الحالية والمقبلة في مجال المياه، كما أن القدرات الشاملة لمنابر النظام العالمي للمعلومات الجغرافية الحديثة، إلى جانب الطابع المكاني للعمليات الهيدرولوجية، تكفل أن تظل هذه التكنولوجيا مركزية في علوم وإدارة الموارد المائية لعقود قادمة.

• [تخطير مأهبة وتحديد خصائصها ] باستخدام نماذج الارتفاع الرقمي وأدوات التحليل المكاني
• Flood risk mapping and assessment] through integration of topographic, hydrologic and infrastructure data
• ] رصد نوعية المياه وتتبع مصادر التلوث ] باستخدام التحليل المكاني وتكامل البيانات في الوقت الحقيقي
• ] رسم خرائط لموارد المياه الجوفية وإدارتها بما في ذلك توصيف طبقات المياه الجوفية وتحديد مناطق التغذية
• Hydrological modeling and simulation] incorporating spatial variability and multiple data sources
• ] تقييم أثر تغير المناخ لتخطيط الموارد المائية والتكيف معها
• تطوير نظام دعم اتخاذ القرارات للإدارة المتكاملة لموارد المياه
• تخطيط الهياكل الأساسية وتقييم القابلية للتأثر باستخدام تحليل المخاطر المكانية
• رصد وتنبؤ في الوقت الحقيقي ] من خلال تكامل شبكات الاستشعار والنماذج التنبؤية
• ] الاتصالات ومشاركة أصحاب المصلحة باستخدام خرائط تفاعلية وأدوات تصوير

For additional information on GIS applications in water resources, visit the Esri Water Resources page or explore ] ArcGIS Pro Hydrology Tools documentation. The U.S. Geological Survey also provides extensive resources and data for hydro.