رصد التهطال في تصاريح الجبال للطرق والجسر الهندسي

إن رصد التهطال في الممرات الجبلية عنصر حاسم في كثير من الأحيان، غير أنه يغفل في هندسة الهياكل الأساسية الحديثة، فالطرق والجسور التي تقطع الممرات المرتفعة العرض تواجه تقلبات جوية شديدة، من العواصف المفاجئة إلى سقوط الثلج الذي يمكن أن يزعزع استقرار التربة والهياكل التي يزيد حجمها، وبدون بيانات دقيقة ومناسبة عن سقوط الأمطار، وثغرات الجليد، لا يمكن للمهندسين تصميم نظم فريدة لضبطيات.

أهمية رصد التهطال

وترتكز بيانات التهطال الموثوق بها على كل مرحلة من مراحل حياة البنية التحتية في الممرات الجبلية، بدءاً من التصميم الأولي إلى العمليات الروتينية والاستجابة في حالات الطوارئ، ويستخدم المهندسون سجلات التهطال التاريخية والوقت الحقيقي لتحديد كثافة الأمطار في اللفائف، وأسطح الجسور، وأكتاف الطرق، وفي حالات مثل جبال الألب السويسرية، أو الأنديز، أو تدفقات جسور جبال الصخرة، حتى في حالة واحدة من حالات السحب القصوى.

وعلاوة على ذلك، يدعم الرصد الدقيق القرارات التنفيذية مثل إغلاق الطرق، وتخفيض السرعة، ونشر أطقم إزالة الألغام، وعندما تتوقّع التنبؤات أن الأمطار المجمدة أو الثلج الثقيل، تعتمد وكالات النقل على قياسات الأرض من محطات الطقس الآلية للتحقق من صحة البيانات الساتلية وإصدار إنذارات في الوقت المناسب، وفي عام 2020، قيّدت إدارة كولورادو لمراقبة التهطال المحسنة مع الحد من الحوادث المتصلة بالطقس على مدار الساعة الثانية عشرة.

أساليب الرصد

ويستخدم المهندسون وعلماء النيازك مجموعة من الأدوات لقياس التهطال في الممرات الجبلية، ولكل طريقة مواطن القوة والقيود، ولا سيما في البيئات المرتفعة الارتفاع التي تتسم بطابع التضاريس المعقدة.

Rain Gauges

ولا يزال قياس الأمطار التقليدي يشكل مقياسا ثابتا لقياس هطول الأمطار عند نقطة معينة، إذ إن قياسات الدونات ومقاييس الوزن شائعة في شبكات رصد الجبال، إذ أن قياسات الدروع التي تستخدم في القمار لا تقاس بكثافة الأمطار، وذلك بإحصاء النبضات كحشوة وبقايا صغيرة، بينما تتراكم قياسات الوزن عند كل التهطال (بما في ذلك الثلج) وتسجل التغيرات في الكثافة.

Weather Radars

وتُوفر الرادارات الجوية تغطية مكانية على المناطق الكبيرة، ولكن في التضاريس الجبلية، فإن سد الشعاعات بفعل الحوافات والقمم يخلق ثغرات كبيرة، كما أن انعكاسات الرادار أقل موثوقية من ارتفاعات عالية لأن الشعاع الراداري قد يُطلق عليه ضربات متدنية المستوى.

ساتل الاستشعار عن بعد

وتوفر السواتل مثل بعثة قياس التهطال العالمي تقديرات التهطال العالمي كل ثلاث ساعات، وفي الممرات الجبلية النائية التي تكون فيها المحطات الأرضية شحيحة، تسد البيانات الساتلية فجوة حرجة، غير أن القرار المكاني )من ٥ إلى ١٠ كيلومترات( كثيرا ما يكون متلازما جدا بالنسبة لممرات الطرق الضيقة، كما أن تقنيات التدني باستخدام نماذج الارتفاع الرقمي العالية الاستبانة يمكن أن تحسن الدقة، ولكن التحقق من الحقيقة الأرضية لا يزال ضروريا.

محطات الطقس الآلية

(أ) تدمج محطات الطقس الآلية الحديثة أجهزة الاستشعار المتعددة: قياسات الأمطار، أو مسبارات درجة الحرارة، أو أجهزة قياس الريح، ومستشعرات الرطوبة، ومجسات عمق الثلج (مثلاً، أو مجسات فوق الصوت أو الليزر) وتحيل هذه المحطات البيانات عبر الخلايا أو السواتل أو وصلات الراديو.() وفي الولايات المتحدة، توزع [البرنامج الخاص بشبكة] المعلومات ذات الصلة بالشبكة (النظام المتكامل لتحديد المواقع)

Snow Pillows and Snow Depth Sensors

وبالنسبة للمرورات التي تسودها ثلوج، فإن وسائد الثلج - وهي مثانات كبيرة مصففة بالسائل تقيس وزن حقيبة الثلج التي ترتفع فيها السعة - هي أمر أساسي، إذ أنها، مجتمعة مع أجهزة استشعار عمق الثلج، توفر معادلة مياه الثلج، وهي الميكروات الرئيسية للتنبؤ بالمنافذ الربيعية والفيضانات المحتملة، وتدير شبكة حفظ الموارد الطبيعية )NRCS( SNOTEL ما يزيد على ٨٠٠ وسادة ثلجية عبر غرب الولايات المتحدة.

التحديات في رصد المرور في الجبال

ويشكل نشر وصيانة معدات رصد التهطال في الممرات الجبلية تحديات عديدة تعقّد نوعية البيانات واستمراريتها.

ارتفاع مستوى الارتفاع والتضاريس

وكثيرا ما يتطلب تركيب أجهزة أعلى من 2000 متر رفع طائرات الهليكوبتر أو مركبات متخصصة خارج الطرق، ويعرقل عمل المؤسسة من جراء الصخور، والهزات الشديدة، ويجب أن تصمد المعدات في درجات حرارة متطرفة (من 40 درجة مئوية إلى + 40 درجة مئوية) وإشعاع عالي الارتفاع، بل وتتدهور مساحات قوية بسرعة أكبر من الظروف في المناطق المنخفضة، مما يستوجب زيارات صيانة أكثر تواترا.

تغيرات الطقس السريع

ويمكن أن تنتقل طقس الجبال من السماء الواضحة إلى التلويث في غضون دقائق، وهذا يتطلب فترات عينات في الوقت الحقيقي تبلغ خمس دقائق أو أقل للاستخدام التشغيلي ذي المغزى، غير أن المحطات التي تعمل بالبطارية في المواقع النائية قد تحتاج إلى حفظ الطاقة، مما يؤدي إلى فترات أطول للإبلاغ تفوت فترات زمنية قصيرة، ويمكن تغطية الألواح الشمسية بالثلج لأيام، مما يرغم على الاعتماد على البطاريات التي يجب استبدالها سنويا.

محدودية إمكانية الوصول

وخلال العواصف الجليدية الثقيلة أو الجليدية، قد لا تتمكن أطقم الصيانة من الوصول إلى محطات الرصد لأيام أو أسابيع، مما يؤدي إلى ثغرات في البيانات عندما تكون هناك حاجة ماسة إلى البيانات، وتعالج بعض الوكالات ذلك عن طريق تجميع محطات تدور حول الجليد أو التوقف عن العمل، ولكن العديد من الممرات لا تملك هذه الهياكل الأساسية، كما أن عمليات الاسترجاع التي تقوم على طائرات الهليكوبتر باهظة التكلفة ومعتمدة على الطقس.

الإمداد بالطاقة والاتصالات

ولا تتوفر طاقة الاحتباس الحراري في معظم الممرات المرتفعة، فالقطار تعتمد على الألواح الشمسية أو التربينات الريحية الصغيرة أو خلايا الوقود، وكثيرا ما تكون وصلات الاتصال عبر الشبكات الخلوية غير موجودة؛ وتستخدم أجهزة الإرسال الساتلية (مثلا إيريديوم) ولكن لها تقلل من نطاق الترددات وارتفاع التكلفة، ويمكن أن تؤخر أخطاء نقل البيانات أو التقاعس الإنذارات الحرجة.

سندات السفر والاختبار

ويزداد تضخم قياس النوافذ صعوبة: إذ يذوب الثلج في الثلج، ولكن التدفئة يمكن أن يسبب فقداناً للتبخر، وتتأثر مقادير الازدهار بالزئبق، وتحتاج إلى معايرة دقيقة لتصلب درجات الحرارة، دون وجود برامج دقيقة لقياس جودة البيانات في الميدان.

الأثر على الهندسة على الطرق والجسر

ويشكِّل رصد التهطال بشكل مباشر القرارات الهندسية للطرق والجسور الجبلية، ويعتمد كل مقاس للتصميم - من الاستقرار المنحدر إلى تصريف السفن - على إحصاءات دقيقة للتهطال.

تصميم نظام التدريب

ويستخدم المهندسون منحنىات الترددات العالية الكثافة إلى المنبعات الكبيرة، وأنبوب مياه العواصف، وأجهزة غسل الجسور، وفي ممرات الجبال، يجب أن تستمد هذه المنحنى من البيانات المحلية لأن التأثيرات الأوزيوغرافية يمكن أن تخلق ميكروسات حيث تختلف مجاميع التهطال بغرامة تزيد على بضعة كيلومترات.

الثلج و الجليد

ويجب أن تدعم الجسور في تصاريح الجبال حمولات الثلج التي يمكن أن تتجاوز 500 كيلوغرام/م2 في السنوات الثقيلة، وتحدد كميات الثلج في رموز مثل ASCE 7-22، التي تعتمد على خرائط التحميل الثلجي الأرضية التي لا تكون إلا جيدة مثل البيانات الأساسية للتهطال، وتشير الدراسات الأخيرة في نيفادا إلى أن حمولات الثلج الأرضية في بعض الممرات قد زادت بنسبة 20 في المائة على مدى العقود الثلاثة الماضية بسبب التغيرات في أنماط تصميم العواصف، مما أدى إلى استمرار الحاجة إلى تحديثها.

خطر الانزال والتآكل

ويمكن أن يؤدي هطول الأمطار الثقيل إلى حدوث انهيارات أرضية وتدفقات حطام يمكن أن تحجب الطرق وتضر أسس الجسر، ويساعد رصد رطوبة التربة وكثافة التهطال المهندسين على تحديد العتبات اللازمة للإغلاق أو التعزيز، وقد وضع برنامج المخاطر الأرضية التابع لبرنامج الولايات المتحدة الأمريكية (FLT:1]) نظما للإنذار المبكر لعدة مرات من مرور الجبال في واشنطن وأوريغون توفر نماذج لقياس الأمطار.

صيانة الشتات و الشتات

ويحدّد نوع التهطال (المطر المتجمد، والثلوج المبلّل، والثلوج الجاف) المعدل الأمثل لإلغاء السمنة الكيميائية والتطبيقات، وتسمح محطات الطقس الآلية التي تكتشف درجة حرارة سطح الطرق، والاحتكاك، ومرحلة التهطال باستراتيجيات لمكافحة التهطال التي تقلل من استخدام الملح بنسبة 30 إلى 50 في المائة مع الحفاظ على السلامة، مثلاً، يستخدم المكتب الاتحادي السويسري شبكة من 200 محطة في مرمرات الألب لإطلاق الأملاح قبل التنبؤات.

جسر السطح

وتعجل إدارة الطرق العامة النرويجية في النرويج برصد التهطال في سطح سطح سطح سطح سطح الجسر وتشققه، وتغذي بيانات التهطال في الوقت الحقيقي في نظم إدارة الجسور التي تحدد تطبيقات وعمليات إصلاح محكمة للحماية، وتستخدم رصداً للتنبؤ بالتعرّض للكلوريد على جسور الجبال الساحلية، وتخطط لدورات غسل المياه لإزالة الملح قبل أن تخترق الخرسانة.

دراسة حالة: غوثارد باس، سويسرا

وطريق غوثارد في جبال الألب السويسرية، وهو طريق نقل حيوي من الشمال إلى الجنوب، يمثل مثالاً مفيداً على الرصد المتكامل للتهيؤ، وهنا، يعمل المعهد الاتحادي السويسري لبحوث سنو وأفالانشي على شبكة الكثافة من محطات التلقائية التي تقيس مدى التهطال، وعمق الثلج، والرياح، وقد تجاوزت مزيج البيانات في نظام لدعم القرارات يتحكم في إغلاق الطرقات، وتدابير الدفاع عن الفيضانات التي تم اكتشافها على مدار الساعة 21.

الاتجاهات المستقبلية في رصد التمهيد

وتمضي التكنولوجيا قدما بسرعة للتصدي لتحديات رصد الجبال، وتعود عدة اتجاهات بتحسين دقة البيانات وحسن التوقيت وإمكانية الوصول إلى هندسة الهياكل الأساسية.

شبكة الإنترنت للأمور (IoT) وشبكات " منخفض الطاقة "

ويمكن الآن للمستشعرات التي تقل استهلاكها من الطاقة أن تنقل بيانات عن طريق شبكة لورواوا أو NB-IoT على مسافات تتراوح بين 10 و15 كيلومتراً في خط البصر، وفي تصاريح المرور الجبلية، يمكن للطائرات المسيرة أو أجهزة إعادة الإرسال الأرضية أن تمتد لتشمل المواقع النائية، وهذه الشبكات تتيح صفائف الاستشعار الكثيفة - مئات من مقاييس الأمطار المنخفضة التكلفة - التي تلتقط تكلفة التبديلات الدقيقة.

طائرات استطلاعية للتفتيش عن بعد والنشر

ويمكن للمركبات الجوية غير المأهولة المجهزة بآلات الليدار والكاميرات الحرارية أن تقيّم عمق حقائب الثلج، وأن تكتشف القذف على حواجز الجسر، بل وتخفض مقاييس الأمطار المؤقتة إلى مواقع خطرة، وتخفض الطائرات العمودية الحاجة إلى دخول البشر إلى المناطق المعرضة للآفالانتشي، وفي اليابان، تستخدم الطائرات بدون طيار لرصد 200 تمرير جبلي بعد إجراء عمليات تقييم سريعة للأضرار.

تعليم الآلات من أجل النماذج الافتراضية

ويمكن الآن أن تنبأ خوارزميات التعلم الماكنة التي تم تدريبها على بيانات التهطال التاريخي وحالة الطرق بتشكيل الرصيف قبل ذلك بحوالي 85 في المائة من الدقة، وهذه النماذج تدمج تقديرات التهطال الساتلي، والرادار الجوي، وبيانات المحطات الأرضية، وسد الثغرات التي تبرز فيها أجهزة الاستشعار، مثلاً برنامج الولايات المتحدة للتعلم السريع

تحسين التصوير الساتلي واستيعاب البيانات

وسيوفر الجيل القادم من السواتل - مثل مجموعة الـ " ميتوب - س " الأوروبية وسلسلة " ناسا " المشتركة بين الوكالة الوطنية للطاقة الذرية ومنظمة " ناسا " - تقديرات أولية للتحليل على مستوى الكيلومترات، ويمكن أن تؤدي هذه المنتجات، بالاقتران مع استيعاب البيانات في نماذج الطقس العالية الاستبانة (مثل نموذج التجديد السريع العالي)، إلى تنبؤات موثوقة باهتمامات المركبات في مرحلة ما قبل 12 ساعة.

خاتمة

إن رصد التهطال في الممرات الجبلية هو أكثر بكثير من عملية الأرصاد الجوية؛ وهو مدخل أساسي للهياكل الأساسية الآمنة والمرنة للطرق والجسور، ومن تصميم نظم الصرف وحساب حمولات الثلج لإدارة الصيانة في الشتاء والإنذار المبكر للانهيالات الأرضية، فإن كل قرار يعتمد على بيانات دقيقة عن التهطال، وتحتاج التحديات الفريدة التي ينطوي عليها الرصد العالي الكثافة - وهو تواتر شديد، ومحدودية الوصول، وقيود القوى - إلى اختيار مدروس ونشر هياكل أساسية