ويمثل التسلل أحد أهم العمليات الأساسية التي كثيراً ما تغفلها الدورة الهيدرولوجية، وهو يحكم كيفية دخول المياه المتساقطة ومياه الري إلى التربة، ويحدّد في نهاية المطاف مدى توافر المياه الجوفية، وصحة النظم الإيكولوجية، وقدرة إمدادات المياه المحلية على الصمود، وعندما تنتقل المياه من السطح إلى السطح السفلي، فإنه يُنشئ سلسلة من الآثار التي تؤثر على كل شيء من طفرة التربة والنمو النباتي إلى عمق واستقرار الجدول المحلي.

ويمكن أن تؤدي جداول المياه المحلية - السطح العلوي للمنطقة المشبعة حيث تملأ مسامير التربة بالكامل بملامح دينامية للمياه ترتفع وتهبط استجابة للتسرب، وإعادة تغذية المياه الجوفية، وضخها، والتصريف الطبيعي في المجاري أو الربيع، والعلاقة بين التسلل وسلوك طاولة المياه معقدة، وتتأثر بخصائص التربة، والغطاء الأرضي، والطبوغرافيا، والتدخل البشري، وتستكشف هذه المادة آليات التسرب المباشر.

ميكانيكيون التسلل

ويبدأ التسلل في الوقت الذي يلتقى فيه الماء سطح التربة، ويحكم فيه معدل دخول المياه إلى التربة على يد قوتين رئيسيتين: الجاذبية التي تسحب المياه إلى أسفل، وأعمال الكبسولة التي تجذب المياه إلى مسامير التربة ضد الجاذبية، وتحدد هذه القوى مجتمعة قدرة التسرب في التربة - الحد الأقصى الذي يمكن فيه للتربة أن تستوعب المياه في ظروف معينة.

القدرة على التسلل وتوقيت الاستحقاق

إن القدرة على التسلل ليست ثابتة، وعندما يبدأ المطر أولاً، تكون التربة جافة ومهبلة في كثير من الأحيان، بحيث تدخل المياه بسرعة، ومع مرور الوقت، ترتفع نسبة التسلل إلى الماء، إلى أن تصل إلى معدل التسلل النهائي للدولة، وهذا الانخفاض يحدث لأن التربة الرطبة لديها أقل من المواد الخاوية لامتصاص المياه الإضافية، ولأن الجسيمات الطينية قد تتضخم، وتغلق مساحات الرش.

وتشمل البارامترات الرئيسية التي تؤثر على القدرة على التسلل ما يلي:

  • Soil texture]: الرملية التربة لها مسامير كبيرة ومترابطة جيداً تسمح بالتسلل السريع، في حين أن التربة المزروعة بمسامات صغيرة وملتوية تبطئ معدلات التسلل.
  • Soil structure]: Well-aggregated soils with stable crumb structures promote infiltration by creating macropores. Compaction or crusting destroys these structures and drastically reduces infiltration.
  • Initial soil moisture]: تستوعب التربة الجافة المياه بسرعة أكبر من التربة الرطبة لأن هناك درجة أعلى من درجة الخياطة، وتشكل ظروف الرطوبة المتسرع عاملاً حاسماً في توليد النفايات.
  • Land cover and vegetation]: Forest canopies intercept rainfall and reduce the energy of raindrops, protecting soil structure. Root systems create macropores that funnel water deep into the subsoil. Grassland and agricultural land exhibit medium infiltration rates depending on management practices.
  • Rainfall intensity and duration]: إذا تجاوزت كثافة الأمطار قدرة التسلل، يبدأ التسلل ويولد.

التسلل ضد التحلل

ومن المهم التمييز بين التسلل من التحلل، والتسلل هو دخول المياه إلى التربة من السطح، والارتقاء هو حركة المياه في التربة، وصولاً في نهاية المطاف إلى طاولة المياه الجوفية، وقد يكون التربة فيها تسلل مرتفع ولكنها منخفضة التحلل إذا كانت تحتوي على طبقة تقييدية مثل صليب الطين أو حجر السرير، وفي هذه الحالات، تتراكم المياه في المنطقة الجذرية بدلاً من إعادة شحنها.

العوامل التي تتقاسم جداول المياه المحلية

إن طاولة المياه المحلية ليست سطحا ثابتا، بل إنها تُعدّل طبوغرافيا الأرض فوقها ولكنها تُنخفض، وفي المناطق الرطبة، تكون طاولة المياه سطحية عادة، في كثير من الأحيان في حدود بضعة أمتار من السطح، وفي المناطق القاحلة يمكن أن تكون عشرات أو مئات من المتر العميق، ويوفر التسلل المصدر الرئيسي للتغذية للحفاظ على مستويات منضدة المياه، ولا سيما في طبقات المياه الجوفية غير المثقلة.

مسارات إعادة شحن المياه الجوفية

وتتم إعادة الشحن عن طريق مسارين رئيسيين: إعادة التغذية المباشرة من التسرب عبر التربة، وإعادة التغذية غير المباشرة من فقدان المجاري أو البحيرات أو الأراضي الرطبة، وفي المناطق التي توجد فيها تربة مائية قابلة للذوبان، ومنحدرات منخفضة، وتهيمن عمليات إعادة تشفير النفايات، وفي بيئات الصخور المكسورة أو المكسورة، تحدث إعادة التغذية عن طريق طرق التدفق التفضيلية مثل الوصلات المكانية والزيئيبة.

كما أن توقيت إعادة التغذية مهم، وكثيرا ما يجلب الشتاء والربيع المبكر أعلى معدلات التغذية في المناخات المعتدلة لأن التهرب من الأرض منخفض ورطوبة التربة مرتفعة، وفي مناطق البحر الأبيض المتوسط، تحدث معظم التغذية أثناء الأمطار الشتوية، مما يترك طاولات المياه تهبط خلال الصيف الجاف.

الصمود الموسمي

وترتفع طاولات المياه المحلية وتهبط استجابة لأنماط التسلل والتبخر الموسمية، ففي الولايات المتحدة الوسطى مثلا، يمكن أن ترتفع طاولات المياه الضحلة بعد عدة أمتار في الربيع بعد أمطار الثلوج والربيع، ثم تهبط بعدة أمتار في أواخر الصيف وتسقط كقطع غيار المحاصيل وتعيد شحنها، وهذه التقلبات طبيعية وتدعم الهيدرولوجيا في الأراضي الرطبة، وتدفق التربة في المجاري.

بيد أنه عندما تخفض الأنشطة البشرية التسلل - من خلال الرصف أو التراب أو إزالة الغطاء النباتي - يعطل الإيقاع الطبيعي لتقلبات طاولة المياه، ويؤدي انخفاض التغذية إلى انخفاض متوسط مستويات جداول المياه، التي يمكن أن تستمر لسنوات إن لم تخفف.

آثار انخفاض التسلل

فالتنمية الحضرية هي أكثر الأسباب الدرامية لتقليل التسلل، فالطرق وقوف السيارات والسير على الرصيف هي أسطح غير مائلة تمنع المياه من دخول التربة، وبدلا من ذلك، تطفأ الأمطار بسرعة، وتحمل الملوثات إلى المجاري، وتخفض تغذية المياه الجوفية، ونتيجة لذلك، تتراجع دائرة طاولة المياه وتزيد من مخاطر الفيضانات.

استنفاد المياه الجوفية

وعندما يُضعف التسلل، تتناقص تغذية المياه الجوفية، وعلى مر الزمن، تهبط مستويات المياه، ولا سيما في المناطق التي تعتمد أيضا على ضخ المياه الجوفية لمياه الشرب أو الري، وفي المناطق الساحلية، يمكن أن يحدث تسرّب المياه المالحة مع انخفاض رؤوس المياه العذبة، وفي المناطق الداخلية، قد تختفي الآبار الضحلة، وقد تختفي الأراضي الرطبة.

الأراضي

ومن النتائج غير المتعمدة على وجه الخصوص لتدهور طاولة المياه انخفاض الأراضي، وعندما تُزال المياه الجوفية من طبقات الطين المضغوطة أسرع مما يمكن تجديده، فإن هيكل التربة ينهار، وهذا الدمج الدائم يقلل من قدرة مستودع المياه الجوفية ويمكن أن يتسبب في غرق قابل للقياس في سطح الأرض، وفي وادي سان جوكين في كاليفورنيا، مثلا، أدى تدهور التربة إلى تغذية 8 مترات في بعض المناطق بسبب إصلاح الهياكل الأساسية المه على الضخ.

انخفاض تدفق القاعدة إلى سترام

وفي كثير من مستجمعات المياه، يتواصل تدفق المياه خلال فترات الجفاف بسبب تصريف المياه الجوفية - أي المياه من طاولة المياه التي تتدفق إلى قناة المجاري المائية، وهذا معروف بتدفق المياه، وعندما تتناقص طاولات المياه بسبب انخفاض التسلل، تتناقص تدفقات المياه، وقد تصبح المجاري متقطعة أو جافاة، مما يضر بالنظم الإيكولوجية المائية، ويقلل من موثوقية إمدادات المياه، ويركّز الملوثات في المياه المتبقية.

وأظهرت البحوث التي نشرت في الجريدة الرسمية [(FLT:0])] عملياتها الإهدارية ] أنه حتى التوسع الحضري المعتدل (10-20 في المائة من الغطاء غير الناقص) يمكن أن يقلل من تدفق القاعدة بنسبة 30 إلى 50 في المائة مقارنة بالظروف الحرجية (انظر ] هذه الدراسة للتفاصيل.

زيادة مخاطر الفيضانات

ويزيد التسلل المخفض من سرعة سطح الماء، الذي يغطّي شبكات مياه الأمطار ويسبب الفيضانات المفاجئة، وهذه مشكلة معروفة في المدن ذات الغطاء غير المائي الواسع، ولكن المشكلة تزداد تفاقما بسبب انخفاض طاولة المياه: فعندما تكون طاولة المياه منخفضة، فإن قدرة التربة على استيعاب المياه قد تكون في الواقع أعلى بالنسبة لحدث المطر، ولكن إذا كانت التربة تغطيها الرصيفات، فإن الأثر الصافي للفيضانات أكبر.

الحلول الرامية إلى تعزيز التسلل

ولحسن الحظ، توجد استراتيجيات عديدة لإعادة أو تعزيز التسلل في كل من المناطق الحضرية والريفية، وتندرج هذه النهج تحت مظلة ] الهياكل الأساسية الخضراء و] التنمية ذات الأثر المنخفض .

المخصصات المستحقة

وتتيح الرصفات القابلة للاشتعال (المصفوفات المتشابكة، والخرسانة المخروطة، والمطهرة) مياه الأمطار مباشرة عبر سطح الرصيف إلى خزان حجري أساسي حيث تتسلل إلى داخل التربة الفرعية، ويمكن لهذه النظم أن تلتقط وتتسلل إلى ما يصل إلى 80 في المائة من سقوط الأمطار السنوي، وتخفض بشكل كبير من سرعة المياه وتعيد شحنها، وهي مناسبة للسيارات والطرق المنخفضة.

وتوفر وكالة الحماية البيئية توجيهات واسعة النطاق بشأن تصميم الرصيفات المهلكة وصيانتها (انظر ]EPA Permeable Pavements).

قوارب المطر والبيولوجيا

الحدائق المائية ضحلة، مزروعة الكساد التي تجمع الجذور من السقف، والممرات، وغيرها من الأسطح غير المزروعة، وهي مصممة لتجميد المياه مؤقتاً، وسمحت لها بالتسلل خلال 24 إلى 48 ساعة، وتخلق النباتات المحلية ذات النظم الجذرية العميقة مراكب تعمل على تعزيز التسلل، وتتشابه الحواضر في شكلها، وكثيراً ما تستخدم على طول الطرق لمعالجة مياه الأمطار.

وقد تتسلل حديقة الأمطار المصممة تصميما جيدا إلى ما بين ٣٠ و ٧٥ في المائة من المياه أكثر من الماشية التقليدية، وقد أظهرت الدراسات في شمال غرب المحيط الهادئ أن الحدائق المطرية يمكن أن تقلل من حجم الجرعات بنسبة ٦٠ إلى ٩٠ في المائة للعواصف الصغيرة، مما يسهم إسهاما مباشرا في إعادة تغذية المياه الجوفية.

نفايات حفظ المياه ومحاصيل الغطاء

وفي المناطق الزراعية، تدمر الحراثة التقليدية هيكل التربة وتؤدي إلى القشرة السطحية، مما يقلل من التسلل، وتترك الحراثة (لا تزول أو تخفض) بقايا المحاصيل على السطح، وتحمي مسامير التربة والمواد العضوية، وتزيد المحاصيل المغطّية من التسلل بإضافة قنوات جذورية ومواد عضوية، وتنتج عن ذلك زيادة تخزين المياه في ملامح التربة، وانخفاض الجرعة، وزيادة تغذية المياه الجوفية.

The USDA Natural Resources Conservation Service] has documented that no-till systems can increase infiltration by 30 - 100% compared to conventional tillage (see ]NRCS Cover Crops).

استعادة الأراضي الرطبة

والأراضي الرطبة هي بؤر تسلل طبيعية، ويمكن لتربتها المشبعة، والمواد العضوية الوفيرة، والنباتات الكثيفة أن تتيح لها الاستيلاء على المياه وتخزينها، وترميمها ببطء إلى طبقة المياه الجوفية الأساسية، ويمكن لإعادة أو بناء الأراضي الرطبة في المواقع الاستراتيجية أن تعزز بشكل كبير التغذية المحلية، وعلى سبيل المثال، فإن مشروع إعادة تغذية نهر كيسيمي في فلوريدا قد تم إئتمانه برفع جداول المياه المحلية وتحسينها.

دراسة حالة: برنامج فيلادلفيا للبيئة، المياه النظيفة

فيلادلفيا نفذت واحدة من أكثر برامج البنية التحتية الخضراء طموحا في الولايات المتحدة، وهي Green City, Clean Waters] Plan aims to capture 85% من مياه الأمطار من المجاري المشتركة باستخدام أدوات خضراء مثل الحدائق المطرية، والرصيف الخبيث، وخنادق الأشجار، وقد أدى البرنامج بالفعل إلى خفض مستوى المياه الجوفية المرتفعة بمقدار 1.5 بليون غالون سنويا.

قياس التسلل والنمذجة

ولإدارة التسلل بفعالية، نحتاج إلى قياسه، وتشمل الأساليب الميدانية ما يلي:

  • Double-ring infiltrometer]: حلقتان محوريتان تُدفعان إلى التربة وتُملأان بالمياه، ويتيح معدل انخفاض مستوى المياه في الحلقة الداخلية قياسا مباشرا لقدرة التسلل، وهذه الطريقة هي المعيار بالنسبة للدراسات الهندسية والزراعية.
  • Tension infiltrometer]: جهاز يطبق خطاً طفيفاً لتحفيز الأمطار بكثافة محددة، مما يتيح قياس التدفق غير المشبع قرب السطح، ويستخدم لتقييم آثار المكورات.
  • Time-domain reflectometry (TDR)] and soil moisture sensors: these can monitor changes in soil water content over time, indirectly indicating infiltration rates when combined with precipitation data.

وهناك نماذج عديدة مثل HYDRUS-1D] و SWAT]]] تحفيز التسلل باستخدام معادلة ريتشاردز للتدفق غير المزري، وهذه النماذج قيمة للتنبؤ باستجابات منضدة المياه في إطار سيناريوهات مختلفة لاستخدام الأراضي، غير أن جميع النماذج تتطلب معايرة ميدانية محددة.

السياق الهيدرولوجي الواسع

فالتسلل هو مجرد قطعة واحدة من اللغز الهيدرولوجي، ولكنه جزء يربط سطح الأرض بالسطح العميق، كما أن إعادة شحن المياه الجوفية، والتسلل يحافظ على تدفق المياه في الأنهار، ويدعم النظم الإيكولوجية المزروعة، ويساعد على وقف الجفاف، كما أنه يؤثر على نوعية المياه: فمع أن المياه تنهار عبر التربة، فإنه يُستنزف ويرفع العديد من الملوثات من الطاولات التي لا تزيد من حدتها.

إن تغير المناخ يزيد من أهمية التسلل، كما أن أحداث سقوط الأمطار التي تنجم عن ارتفاع درجة الحرارة في الغلاف الجوي، والخطر الذي ينجم عن فيضان التربة التي تتسرب فيها طاقة عالية من التسلل يمكن أن تستوعب هذه الأمطار المكثفة بسرعة أكبر، وتخفض سرعة الذروة، وعلى العكس من ذلك، فإن تعاويذ الجفاف الأطول تهطل على سطح التربة، وتتناقص في التسلل عندما تأتي الأمطار في نهاية المطاف، ويمكن للإدارة التكييفية التي تحتفظ بغطس النباتي النباتي وبطاقات الصحية أن تساعد على الحفاظ على الحفاظ على التربة.

خاتمة

إن الأثر الهيدرولوجي للتسلل على جداول المياه المحلية عميق ومتعدد الأوجه، إذ يحدد التسلل ما إذا كان التهطال يصبح مورداً يغذي المياه الجوفية ويديم تدفق المياه، ويدعم النظم الإيكولوجية، أو يصبح ملوثاً ويسهم في الفيضانات، وبالتالي فإن حماية وتعزيز التسلل يشكل حجر الزاوية للإدارة المستدامة للمياه.

فمن نطاق حديقة الأمطار الواحدة إلى شبكة للهياكل الأساسية الخضراء على نطاق المدينة، فإن كل جهد يرمي إلى إعادة التسلل يساعد على تثبيت طاولات المياه المحلية، وبالنسبة للمجتمعات التي تواجه نضوب المياه الجوفية أو هبوط الأراضي أو زيادة الفيضانات، فإن الاستثمار في ممارسات التسلل إلى الخارج ليس مفيدا فحسب، بل هو أمر أساسي، ويمكن أن يؤدي الفهم العلمي، إلى جانب التنفيذ العملي، إلى عكس اتجاه انخفاض جداول المياه وإلى بناء مستقبل أكثر أمنا للمياه.