دور بيانات التمهيد في تطوير الهياكل الأساسية التكيفية من أجل التكيف مع تغير المناخ

دور بيانات التمهيد في تطوير الهياكل الأساسية التكيفية من أجل التكيف مع تغير المناخ

ومع تزايد درجات الحرارة العالمية واتساع أنماط الطقس، فإن الحاجة إلى الهياكل الأساسية التي يمكن أن تصمد أمام أحداث التهطال القصوى لم تكن أكثر إلحاحا، بل إن حالات الجفاف الطويلة والعواصف غير الموسمية لم تعد مفارقة، بل إن التحديات المتكررة التي تهدد حياة الناس والاقتصادات والنظم الإيكولوجية، وفي قلب بناء الهياكل الأساسية المكيفة والمتكيفة مع المناخ، تكمن في مدخلات حرجة: البنية التحتية الدقيقة وذات الاستبانة العالية.

وتشير البنية التحتية التكيفية إلى نظم مصممة لاستيعاب الظروف المتغيرة - سواء باستيعاب مياه العواصف الزائدة أو إعادة توجيه تدفقات الفيضانات أو حفظ المياه أثناء الجفاف، وعلى عكس الهياكل الأساسية الثابتة التي بنيت للمتوسطات التاريخية، تُستنير التصميمات التكييفية بالاحتمال، وعدم التيقن، والإسقاطات المناخية الطويلة الأجل، وتوفر بيانات التنبؤات الأساس لهذه التصميمات، مما يتيح للمهندسين تحديد حجم المخاطر ويستثمرون في حلول فعالة من حيث التكلفة.

The Science of Precipitation Measurement

ويتطلب فهم التهطال مزيجا من الأدوات الأرضية وتكنولوجيات الاستشعار عن بعد، ولكل طريقة مواطن القوة والقيود، وينتج عن إدماج مصادر البيانات المتعددة أكثر صور سقوط الأمطار وسقوط الثلج وغيرها من أشكال التهطال الموثوق بها.

صواريخ المطر والمراقبة الأرضية

ولا تزال مقاييس المطر هي أكثر الأدوات مباشرة واتساعا لقياس التهطال، إذ أن شبكات القياسات الآلية واليدوية توفر قياسات على أساس نقطة في مواقع محددة، وفي حين أن القياسات بسيطة ودقيقة للظروف المحلية، فهي متفرقة في مناطق كثيرة، ولا سيما في المناطق الجبلية أو الريفية، فإن المنظمة العالمية للأرصاد الجوية توصي بأن تكون هناك كثافة دنيا من قياسات لكل 250 كيلو متر مربع، ولكن توجد فيها ثغرات في المناطق المسطحة.

تقديرات التمهيد باستخدام السواتل

وتوفر السواتل مثل السواتل التي تديرها ناسا (بعثة قياس الترجيح العالمي) والوكالة اليابانية لاستكشاف الفضاء الجوي تغطية شبه عالمية، وتستخدم أجهزة الاستشعار الميكروويفية والأشعة تحت الحمراء لتقدير معدلات التهطال من الخواص السحابية، وهذه المنتجات قيمة لا تقدر بالنسبة للمناطق التي تفصل البيانات، ولرصد العواصف الكبيرة، غير أن تقديرات السواتل أقل دقة على المستويات المحلية ويمكن أن تتميز بها عوامل مثل تقنيات التجليد السطحي.

نظم الرادار الريحية

ويقدّر الرادار الخفي تقديرات التهطال في الوقت الحقيقي على المناطق التي تصل إلى 250 كيلومترا من موقع الرادار، ويمكن لرادار دوبلر أن يكشف عن كثافة وحركة التهطال، مما يتيح التنبؤات القصيرة الأجل (التي تبث الآن) ذات الأهمية الحيوية للإنذارات بالفيضانات العاجلة، كما أن شبكة الولايات المتحدة NEXRAD وبرنامج أوروبي أوبر إيبرا قد تعاني من أخطاء في شبكات الرادار الوطنية، ومع ذلك، من جراء التلالات الأرضية.

Reanalysis and Climate Models

وتجمع بيانات التحليلات بين الملاحظات التاريخية والنماذج العددية للتنبؤ بالطقس لإنتاج سجلات متسقة وطويلة الأجل، وتوفر منتجات مثل " ERA5 " من المركز الأوروبي للتنبؤات الجوية المتوسطة المدى تقديرات للتنبؤ بالطقس قبل الساعة إلى عام 1940، كما أن نواتج نموذجية للمناخ (مثلاً من تواتر CMIP6) تغيرات في التنبؤات السابقة في إطار سيناريوهات مختلفة للانبعاثات.

لماذا بيانات التهطالية هي أساسية بالنسبة للتصميم

وتصمم البنية التحتية تقليدياً باستخدام إحصاءات فترة العودة - مثلاً عاصفة تبلغ 100 سنة، وتتاح لها فرصة واحدة في المائة في أي سنة معينة، وبما أن تغير المناخ يغير توزيعات التهطال، فإن فترات العودة التي تستند فقط إلى البيانات التاريخية قد أصبحت قديمة، وأن تحديث هذه الإحصاءات ببياناتها الحالية والمتوقعة هو الخطوة الأولى نحو التصميم التكييفي.

نظم المياه العاصفة والتدريب

ويجب أن تعالج نظم الصرف الحضري ارتفاعاً في الارتفاع من هطول الأمطار الغزيرة، وإذا قل تقدير العواصف التصميمية، وفيضان الشوارع، وسقوط الطوابق السفلية، وتدفقات المجاري المائية المتدفقة مجتمعة، تُطلق مياه المجارير غير المعالجة في المجاري المائية، وتسمح بيانات التهطال للمهندسين بحساب منحنىات أحواض الأمطار التي تُحدد كم تساقط الأمطار على فترات قصيرة.

حواجز الفيضانات واللافينات

وقد تُلغى الجاذبية في الفيضانات الساحلية والأنهارية، والفيضانات، والحواجز التي تنجم عن ارتفاع العواصف والتي تُصمم على أساس مستويات المياه التي تُدفع بالطفرة وتدفق العواصف، وبدون بيانات دقيقة عن التهطال، من جراء الفيضانات التي يتوقع أن تكون فيها النماذج الإحصائية حدثاً يتراوح بين سنة واحدة و500 سنة، ولكن يصل الآن كل بضعة عقود، وتشمل النهج الإيجابية تصميم قفزات ذات فترات زمنية متقنية أو إدراج ذروة في التدفقات.

إمدادات المياه والقدرة على التكيف مع الجفاف

الجفاف هو الوجه الآخر لتقلبات التهطال، إذ تتطلب المستودعات وقنوات الري ونظم المياه البلدية فهما طويل الأجل لأنماط التهطال لإدارة التخزين والتخصيص، وعندما ينخفض التهطال، كثيرا ما يرتفع الطلب، والهياكل الأساسية للتدريب، وتشمل الاستراتيجيات التصحيحية توسيع قدرة الخزانات، وبناء نظم تغذية طبقات المياه الجوفية، وتنفيذ إعادة تدوير المياه التي تسترشد بها سجلات التهطال وتوقعات الجفاف.

الهياكل الأساسية للنقل

فالطرق والجسور ونظم السكك الحديدية معرضة للفيضانات والانهيالات الأرضية ودورات الجذور المجمدة التي تُدفع بالعجلات، مثلا، يمكن أن ينجم انهيار جسر الطريق السريع أثناء الفيضانات عن انخفاض تقدير الستار حول المؤسسات، ويساعد تحديث النماذج الهيدروليكية مع بيانات التهطال الحالية على إعطاء الأولوية للتقويات وإعادة تكييف الترددات.

التحديات في جمع واستخدام بيانات التمهيد

وعلى الرغم من التقدم التكنولوجي، لا تزال هناك عقبات كبيرة تحول دون ترجمة البيانات الخام إلى قرارات ذات طابع أساسي عملي.

الثغرات المكانية والتزمنية

وتفتقر أجزاء كثيرة من العالم إلى شبكات قياسية مكثفة أو تغطية رادارية عالية الجودة، وتعاني أفريقيا وأمريكا الجنوبية وأجزاء من آسيا من ثغرات كبيرة، وتساعد البيانات الساتلية، ولكن في حل أدنى، وتؤدي هذه الثغرات إلى عدم اليقين في تقديرات التصميم، ولا سيما بالنسبة للأحداث البالغة الشدة التي قد لا تلتقطها شبكة من أجهزة الاستنشاق، وتعمل ] على تحسين عمليات الرصد في مناطق البيانات، ولكن التقدم المحرز في هذا المجال.

عدم الاستقرار

وتفترض الإحصاءات الكلاسيكية أن أنماط التهطال هي أنماط ثابتة - أي الاحتمالات المستقبلية تشبه الماضي، وتبطل تغير المناخ هذا الافتراض، ولا يستخدم سوى البيانات التاريخية إلا المخاطر المستقبلية، ويجب على المخططين أن يدمجوا توقعات المناخ التي تحمل في حد ذاتها عدم اليقين، إذ يتطلب اتخاذ القرارات في ظل عدم اليقين العميق اتباع نهج قوية تؤدي إلى حد كبير في مجموعة من المستقبلات الممكنة، وليس مجرد تقدير أفضل.

إمكانية الوصول إلى البيانات وتوحيدها

وحتى في الحالات التي توجد فيها بيانات، قد لا يكون من السهل الوصول إليها للمخططين، ولا سيما في البلدان النامية، وتستخدم الوكالات المختلفة أشكالا مختلفة، وفترات زمنية، وإجراءات لمراقبة الجودة، وقاعدة بيانات عاصفة NoA Storm Database ونظراؤنائها الدوليين قيمين ولكن مجزأة، وترمي الجهود مثل النظام العالمي لنظم رصد الأرض إلى تنسيق تبادل البيانات، ولكن لا تزال قابلة للاشتراكها.

ترجمة البيانات إلى مواصفات هندسية

يحتاج المهندسون إلى بيانات تهطالية تترجم إلى بارامترات تصميم: منحنىات الطول والتواتر، والرسوم الهيدروغرافية، والتوزيع الزمني، وتقوم الجمعية الأمريكية للمهندسين المدنيين بنشر معايير مثل معيار ASCE 7 فيما يتعلق بحمولات الأمطار، ولكن هذه المعايير تستكمل بصورة متكررة، ولا تزال العديد من البلديات تعتمد على منحنىات جيش الدفاع الإسرائيلي المتقادمة من الستينات أو السبعينات.

دراسات الحالة: الهياكل الأساسية المكيفة للبيانات

وتظهر الأمثلة على العالم الحقيقي كيف تؤدي بيانات التهطال إلى تحول القدرة على التكيف مع الهياكل الأساسية.

"غرفة هولندا لبرنامج "ريفر

وبعد الفيضانات المأساوية التي حدثت في عامي 1993 و1995، انتقلت هولندا من بناء فلزات أعلى إلى إعطاء الأنهار مساحة أكبر، وباستخدام بيانات التهطال والإسقاطات المناخية العالية الاستبانة، حدد المخططون أجزاء من الأنهار يمكن توسيعها أو تعميقها أو خفضها لاستيعاب تدفقات أعلى، وقلل البرنامج من مخاطر الفيضانات، مع تعزيز نهج الاستجمام والإيكولوجيا المرن، وات المعلوماتية، بدلا من الدفاعات الهيكلية الصارمة.

برنامج مياه سنغافورة

وقد وضعت سنغافورة، وهي مدينة مدارية ذات هطول مكثف من الأمطار الموسمية، برنامج المياه النظيفة الفعّالة والجميلة، وذلك بتحليل بيانات التهطال ذات السرعة العالية، وصمم المهندسون شبكة من المجاري، والكنال، والمستودعات التي تدمج مراقبة الفيضانات مع إمدادات المياه والترفيه، وساعدت قنوات تصريف المياه التي تُستخدم في التباطؤ، وتكيفها، وحساساتها.

Mitigation Flood

وتواجه شاطئ ميامي ارتفاعاً في مستوى سطح البحر وحدثاً في هطول الأمطار الغزيرة، وباستخدام بيانات مستكملة عن تردد الأمطار من نظام أطلس 14 (الذي يضم الآن الاتجاهات المناخية)، قامت المدينة بتركيب شبكة من مضخات مياه العواصف، وطرقاً مرتفعة، وصمامات الصرف ذات اتجاه واحد، وأظهرت البيانات أن العواصف القصيرة الأجل والعواصف العالية الإحساس أصبحت أكثر شيوعاً، لذا فقد صُمم على ضخ المياه في وقت أقل من المعايير السابقة.

إدماج توقعات المناخ في تخطيط الهياكل الأساسية

ولا تشمل مشاريع البنية التحتية الأكثر تطلعاً التهطال التاريخي فحسب بل تشمل أيضاً نواتج نموذج المناخ، بل إن اختيار سيناريو الانبعاثات (مثلاً، RCP4.5 ضد RCP8.5) ومجموعة النماذج تؤثر على التغييرات المتوقعة، وينبغي للمخططين استخدام نماذج متعددة لاكتساب عدم اليقين وتطبيق تصحيح التحيز لمطابقة الملاحظات المحلية.

تضييق النماذج العالمية

أما نماذج المناخ العالمية فتعمل في قرار الكسور (100-200 كيلومتر) فبالنسبة للبنية التحتية المحلية، يلزم تقليص حجمها إلى مستجمعات المياه أو على نطاق المدن، ويقيم التخفيض الإحصائي علاقات بين التنبؤات الواسعة النطاق والتهيؤ المحلي.() ويستخدم التوسع الدينامي نماذج المناخ الإقليمية (مثلاً، نظام إدارة المحتوى في المناطق) لتصويب الفيزياء على نطاق رفيع، ويحتاج كلا النهجين إلى بيانات أخرى عالية الجودة لرصد الاستثمار.

صنع القرار الآلي

وبدلاً من أن يُفضّل المخططون التكيفيون إلى مستقبل واحد، فإنهم يستخدمون صنع قرار قوي، وهم يُختبرون تصميمات البنية التحتية على العديد من الآفاق المناخية المعقولة، ويُحدّدون مواطن الضعف والخيارات التي تؤدّي أداءً جيداً عبر نطاق واسع، وتعتمد عملية الإدارة على مجموعات كبيرة من سيناريوهات التهطال المتولدة عن نماذج المناخ.

مسارات السياسة العامة الدينامية

ويحدِّد تمديد نظام إدارة السجلات والمحفوظات، والمسارات الدينامية للسياسة التكيُّفية، نقاط الإشارة - المفترسة على أساس التهطال الملحوظ - تلك الإشارة عند الانتقال إلى استراتيجية تكيف مختلفة، مثلاً إذا انخفض متوسط السنوات العشر للتنبؤ السنوي دون عتبة، فإن القيود المفروضة على المياه أو التوسع في إزالة الملح ستُنشأ، وهذا النهج يُبقي البنية التحتية مرنة ويتجنب القفل المبكر.

الابتكارات التكنولوجية التي تعزز استخدام البيانات التمهيدية

وتجعل الأدوات الجديدة بيانات التهطال أكثر سهولة وقابلية للتطبيق بالنسبة لمخططي الهياكل الأساسية.

شبكة الإنترنت للأشياء ورصد الزمن الحقيقي

ويمكن لمقاسات الأمطار المنخفضة التكلفة والمجسات التي تعمل على مستوى المياه أن تتدفق البيانات إلى منابر السحاب، مما يتيح التنبؤ بالفيضانات في الوقت الحقيقي، وتطويع البوابات والمضخات وإطلاقات الخزانات، وتتيح الشبكات في مدن مثل أمستردام وطوكيو للمشغلين تعديل دقيقات البنية التحتية للتصريف قبل العاصفة.

تعليم الآلات من أجل ملء الغاب وإصلاحية بياس

ويمكن أن تسد خوارزميات التعلم الماكنة الثغرات في سجلات القياس، ودمج البيانات الساتلية والرادارية، وتصحيح التحيزات من خلال علاقات التعلم مع التضاريس والغطاء الأرضي، وقد استخدمت الشبكات العصبية والغابات العشوائية لتحسين تقديرات التهطال في المناطق الجبلية حيث تكون مسدودة الرادار، وهذه الأساليب تتطلب بيانات تدريبية ولكنها يمكن أن تعزز بشكل كبير دقة مجموعات بيانات التصميم.

التوائم الرقمية من أجل محاكاة الهياكل الأساسية

إن التوأم الرقمي - الارتداد الفيزيائي لبيانات التهطال الفعلي في استخدام الهياكل الأساسية، يمكن أن يُحفّز أداء النظام، كما أن التوأم الرقمي لشبكة مياه العواصف يمكن أن يُجري سيناريوهات " ماذا لو " ، ما الذي يحدث إذا حدثت عاصفة مدتها 100 سنة، بالإضافة إلى ارتفاع مستوى سطح البحر؟ إن المحاكاة تحدد التدفقات الزائدة وتقترح مواقع صمامات مثل هلسنكي تبني توأم رقمية من أجل تنسيق الاستجابات في قطاعات المياه.

السياسات والتمويل والأطر المؤسسية

ويتطلب اعتماد الهياكل الأساسية للتكيف التي تحركها البيانات سياسات داعمة وآليات تمويل وقدرات مؤسسية.

مدونات ومعايير البناء

وينبغي أن تُسند قوانين البناء الوطنية ولاية استخدام بيانات التهطال التي تُعدّل المناخ، ويقوم مجلس المدونة الدولية بوضع أحكام لمرونة الفيضانات، ولكن التبني طوعي في العديد من الولايات، وقد أصدر المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا التابع للولايات المتحدة توجيهات بشأن قدرة المجتمعات المحلية على التكيف تشمل معايير التصميم القائمة على التهطال.

حوافز لجمع البيانات وتقاسمها

ويمكن للوكالات الاتحادية والمانحين الدوليين تمويل توسيع شبكات الرصد، لا سيما في المناطق الضعيفة، ويشجع نظام البنك الدولي لتقييم مدى القدرة على التكيف المشاريع على إدماج البيانات المناخية، وسياسات البيانات المفتوحة - شأنها شأن سياسات برنامج كوبرنيكوس التابع للاتحاد الأوروبي - على إتاحة بيانات التهطال بحرية، وتخفيض الحواجز أمام المخططين.

التدريب وبناء القدرات

يحتاج المهندسون والمخططون الحضريون وموظفو الأشغال العامة إلى التدريب على استخدام مجموعات بيانات التهطال المعقدة والأساليب الاحتمالية، وتساعد برامج التعليم المستمر، مثل تلك التي تقدمها شعبة قدرة الهياكل الأساسية التابعة للرابطة، على سد الفجوة بين منتجي البيانات ومستعمليها.

المشاركة المجتمعية والفوائد المشتركة

فالهياكل الأساسية التصحيحية هي الأكثر نجاحاً عندما تشرك المجتمعات المحلية، ويمكن تصور بيانات التمهيد لتبيان مخاطر الفيضانات، ومساعدة السكان على فهم ودعم الاستثمارات في البنية التحتية الخضراء أو إعادة التوطين، واعتماد حلول قائمة على الطبيعة - مثل الأراضي الرطبة الحضرية أو التي تؤدي إلى الحد من مخاطر الفيضانات، مع تحسين نوعية المياه والاستجمام، وهذه المنافع المشتركة تعزز حالة الاستثمار الموجه إلى البيانات.

الاستنتاج: مسار البيانات إلى الأمام

إن تغير المناخ يعيد كتابة قواعد تصميم الهياكل الأساسية، فبدون بيانات قوية ومستكملة عن التهطال، فإن الهياكل التي نعتمد عليها في كل طريق يومي، وجسور، وشبكات المياه، ودفاعات الفيضانات، لا يمكن أن تفشل أكثر فأكثر، بل إن الاستثمار في شبكات الرصد، واعتماد معايير تصميم مكيفة مع المناخ، وإضفاء المرونة على التخطيط، هي خطوات أساسية.