كيفية إدماج المناخ تغيير التكيف مع الهندسة المدنية الممارسة

The Growing Urgency: Why Climate Adaptation is Critical for Civil Engineers

وقد سلمت الأوساط الهندسية منذ وقت طويل بأن تصميم الهياكل الأساسية وتشييدها وصيانتها يجب أن تشكل عوامل تتعلق بالقوى البيئية، وما هو جديد وغير مستقر هو سرعة وحجم التغير، وقد ارتفع متوسط درجات الحرارة العالمية بحوالي 1.2 درجة مئوية فوق المستويات قبل الصناعية، ومع هذا الاحترار، يمكن أن يكون الجو أكثر رطوبة، مما يؤدي إلى حدوث زيادة حادة في معدلات سقوط الأمطار، وفي الوقت نفسه، فإن ارتفاع معدلات الحشود الجليدي وتغير المحيطات.

إن الآثار ظاهرة بالفعل، ففي عام 2023، أظهرت الفيضانات المأساوية في ليبيا وباكستان ومدينة نيويورك أن البنية التحتية المصممة لمناخ الأمس ليست كافية لعالم الغد، ناهيك عن الغد، و]IPCC Sixth Assessment Report]، يحذر من أنه حتى في ظل سيناريوات الانبعاثات المعتدلة، فإن الأحداث المهيمنة الشديدة سوف تصبح أكثر تواتراً وأكثر كثافة، وتستمر في التكيف على مستوى سطح البحر.

Climate Change Impacts on Civil Engineering Infrastructure

ويجب على المهندسين أن يفهموا كيف تؤثر المخاطر المناخية المحددة على مختلف أنواع الهياكل الأساسية، وتقل هذه المخاطر عن أهم الآثار التي تنظمها فئة المخاطر.

الفيضانات: ريفرين، ساحل، وحضر

فالفيضانات هي أكثر الأخطار المناخية انتشارا بالنسبة للبنية التحتية المدنية، وتنجم الفيضانات النهرية عن زيادة التهطال وصهر الجليد، وتصريف المياه الكاسحة، ونظم الليفي، وتتفاقم الفيضانات الساحلية من ارتفاع مستويات سطح البحر، مما يزيد من خط الأساس لظواهر موجة العواصف، وتحدث الفيضانات الحضرية عندما يتجاوز سقوط الأمطار الغزيرة قدرة شبكات مياه العواصف، وتشمل الآثار الأضرار الهيكلية، والتحات، وتلوث إمدادات المياه، وتعطل الخدمات.

موجات الحرارة ومركبات التثبيت

ويؤدي ارتفاع متوسط درجات الحرارة إلى تهدئة الرصيف، وتقسيم السكك الحديدية، والتوسع الحراري في الجسور، وتزيد موجات الحرارة من حمولات التبريد للمباني وتحلل أداء الخرسانة والأبجد، وفي المناطق الباردة، قد يبدو انخفاض تواتر دورات الموز، ولكن الدورات التي تحدث يمكن أن تكون أكثر حدة، وتتسارع الرصفة، وتهدد كذلك خطوط العرض في المناطق الشمالية.

ارتفاع مستوى سطح البحر وتآكل السواحل

ويزيد ارتفاع مستوى سطح البحر من تعرض الموانئ الساحلية للهياكل الأساسية، والطرق السريعة، ومصانع معالجة المياه، والمجتمعات المحلية السكنية - إلى التطهير والتحات، ويظهر مستوى سطح البحر فيواير أن العديد من المناطق المنخفضة الصمود على امتداد الساحل الأمريكي يمكن أن تشهد تراجعاً مستمراً في الفيضانات على ارتفاع مستوى سطح البحر بحلول عام 2050.

الرياح القصوى والنار

وتفرض الأعاصير والأعاصير الأكثر حدة أعباء رياحية أعلى على المباني والأبراج والجسور، وتزيد من حدة الحرائق البرية بفعل الجفاف وارتفاع درجات الحرارة، وتهدد الهياكل في الواجهة بين الأراضي البرية والحضرية، وتزيد تدفقات الحطام بعد إطلاق النار وعدم الاستقرار المتخلف من ارتفاع مستوى المخاطرة بالهياكل الأساسية من المناطق المحروقة.

المبادئ الأساسية للهندسة المدنية المقاومة للمناخ

إن التكيف مع المناخ في مجال الهندسة المدنية ليس حول الحلول الوحيدة التي تناسب الجميع، بل يتطلب مجموعة من المبادئ التوجيهية التي يمكن تطبيقها على المشاريع والمقاييس.

صنع القرار على أساس المخاطر

وبدلاً من التصميم المحدد لحدث واحد من حالات سوء المعاملة، ينبغي للمهندسين أن يوظفوا تقييمات مخاطر محتملة تتضمن التوقعات المناخية، وهذا يعني استخدام مجموعة من السيناريوهات المحتملة في المستقبل (مثلاً، RCP 4.5 و RCP 8.5) وتقييم احتمالات ونتائج مختلف أنماط الفشل، ونتيجة لذلك تصميم مدروس للمخاطر يمكن أن يُفهم على نحو أمثل في قيود الميزانية والسلامة.

الإدارة التكييفية والتصميم المرن

فالعدم اليقين في التوقعات المناخية مرتفع، ولا سيما في عمر الهياكل الأساسية المتعددة المديونية، وتشمل الإدارة التكيفية تصميم نظم يمكن تعديلها أو تحسينها مع ظهور معلومات جديدة، وتشمل الأمثلة بناء حواجز فيضانات يمكن رفعها في المستقبل، وتصميم أسس تستوعب ارتفاع مستوى سطح البحر في المستقبل، كما أن المرونة تعني إدماج نظم الرصد في الإجراءات التكييفية التي تحفز على اتخاذ إجراءات عند بلوغ العتبات.

الروبوت والارتداد

ويمكن أن يستمر العمل بنظام قوي تحت حمولات شديدة، حتى وإن لحقت أضرار، ويكفل إعادة التوحيد أن يتولى عنصر آخر، مثلا، شبكة نقل تضم جسورا متعددة وطرقا، زيادة التصريف في حالة الفيضانات، ويزيد الجمع بين القوة والتكرار من قدرة النظام على الصمود دون أن يتطلب كل عنصر على حدة تحمل الحد الأقصى للحدث.

الاستراتيجيات العملية لإدماج التكيف مع المناخ

ويمكن للمهندسين، انطلاقا من المبدأ إلى الممارسة العملية، أن يعتمدوا مجموعة من الاستراتيجيات التي تعالج المخاطر المناخية وأنواع البنية التحتية المحددة.

Site Selection and Land Use Planning

وكثيرا ما يبدأ التكيف الأكثر فعالية قبل التصميم، فتجنب الفيضانات والمناطق الساحلية ذات المخاطر العالية والمناطق المعرضة للحرائق يمكن أن يقلل بشكل كبير من المخاطر، وعندما لا يمكن تجنب هذه المواقع، ينبغي للمهندسين أن يرسموا خرائط شاملة للمخاطر، وأن ينظروا في الظروف المقبلة (بما في ذلك ارتفاع مستوى سطح البحر وتوسيع نطاق الفيضانات لمدة 100 سنة)، وأن يدمجوا النكسات والحواجز.

معايير التصميم المعززة ومدوناتها

وقد وضعت مدونات ومعايير البناء القائمة إلى حد كبير باستخدام بيانات المناخ التاريخية، وتقوم منظمات كثيرة باستكمال الرموز لتعكس الظروف المناخية في المستقبل، فعلى سبيل المثال، تقدم جمعية المهندسين المدنيين في البلدان الأمريكية توجيهات بشأن إدراج الإسقاطات المناخية في عوامل التحميل، ومتطلبات المنافذ الحرة، وتصميم الصرف الصحي.() وينبغي للمهندسين أن يستخدموا أحدث نسخ من المعايير ذات الصلة، وعند الاقتضاء، أن يتجاوزوا الحد الأدنى من متطلبات المشاريع التي تستغرق وقتا طويلا.

استخدام المواد المقاومـة

إن اختيار المواد هو استراتيجية تكيف حرجة ولكنها كثيرا ما تغفل، ويمكن أن يقاوم الخرسانة العالية الأداء التي تحتوي على مواد سمينة تكميلية الهجوم الكيميائي من مياه البحر والأضرار التي تصيب الجمود، ويوسع الفولاذ المعزز المقاوم للكوروزون (مثلا، الصلب غير القابل للذوبان أو البارزات المحتوية على الماء) حياة الجسور والهياكل البحرية، ويمكن تعديل البنادق الثابتة لتأدية أفضل في الأنهار الحضرية.

البنية التحتية الخضراء والحلول القائمة على الطبيعة

وتستخدم البنية التحتية الخضراء عمليات طبيعية لإدارة المياه والآثار المناخية المعتدلة، وتشمل الأمثلة ما يلي:

• Permeable pavements and bioretention cells] that capture and treat runoff, reducing floodtoms and recharging groundwater.
• Rain gardens and green roofs] that absorb rainfall, provide insulation, and lower building energy demands.
• Constructed wetlands and riparian buffers] that attenuate flood flows, stabilization banks, and filter pollutants.
• Living shorelines] that use native vegetation and oyster reefs to protect coasts from erosion while enhancing habitat.

وكثيرا ما توفر هذه الحلول منافع مشتركة مثل تحسين نوعية المياه، والتبريد الحضري، والأماكن الترفيهية، ويمكن إدماجها في مشاريع واسعة النطاق أو إعادة استخدامها في المناطق الحضرية القائمة.

الحد من الفيضانات: النهج الصلبة والناقصة

وتتراوح استراتيجيات التخفيف من الفيضانات بين جدران الفيضانات المصممة والليوفين والمتنزهات التي يمكن أن تغرق في الفيضانات ومقاومة الفيضانات وتشمل التدابير الرئيسية ما يلي:

• Elevating structures] above the base flood elevation plus freeboard.
• Flood barriers and gates] that protect critical facilities such as hospitals, substations, and water treatment plants.
• Drainage improvements] such as larger culverts, stormwater detention basins, and underground storage.
• Floodable structure] that allows water to flow through lower levels without damaging critical systems.

وينبغي للمهندسين أيضاً أن ينظروا في المخاطر المتبقية بعد وضع تدابير هيكلية ووضع خطط للاستجابة لحالات الطوارئ كجزء من التصميم.

الحماية الساحلية: تصميم بحار مشرقة

وفيما يتعلق بالمشاريع الساحلية، يجب أن يدمج المهندسون توقعات ارتفاع مستوى سطح البحر في حياة التصميم، وتشمل النهج النموذجية ما يلي:

• Elevated foundations] and roadways that account for future water levels.
• Seawalls and revetments] designed with high crest altitudes and scour protection.
• Beach nourishment and dunes] as sacrificial buffers that absorb wave energy.
• Managed retreat] where relocation of infrastructure away from the shore is planned in stages.

وتكلّف كل استراتيجية من هذه الاستراتيجيات، وتختلف من حيث التكلفة والبيئة، ومن ثم، فإن مجموعة من التدابير الصعبة والناجعة غالبا ما تكون أكثر فعالية، مثل الجدار البحري الذي يقترن بالشاطئ الحي أمامه للحد من انعكاس الموجات وتحسين الموئل.

Incorporating Climate Data into Engineering Practice

وتتوقف نوعية التكيف مع المناخ على نوعية البيانات المستخدمة، ولا يمكن للمهندسين الاعتماد فقط على سجلات سقوط الأمطار التاريخية أو قياسات المد والجزر، بل يجب عليهم العمل مع نماذج مناخية منخفضة الحجم، وتوقعات جماعية، وتحليل قيم بالغة التطرف غير ثابت.

والتعاون مع علماء المناخ أمر أساسي، إذ يتعين على العديد من الوكالات، مثل U.S. Geological Survey] و NOAA، أن توفر البيانات والأدوات المتاحة للجمهور، وينبغي للمهندسين أن يستخدموا الإسقاطات المناخية الإقليمية التي تتواءم مع عمر تصميم الهياكل الأساسية (نحو 50 إلى 100 سنة) وأن يختاروا سيناريوهات الانبعاثات المناسبة، وتراعي أقوية السيناريوهات طائفة من الاحتمالات بدلا من سيناريو واحد.

وثمة جانب حاسم آخر هو فهم مفهوم عدم الاستقرار، حيث تتغير الخصائص الإحصائية لمتغيرات المناخ بمرور الزمن، فعلى سبيل المثال، قد يكون حدث سقوط الأمطار الذي دام 100 سنة في عام 2020 فترة عودة لا تتجاوز 50 سنة بحلول عام 2060، ويجب على المهندسين أن يدمجوا تحليل الترددات غير الثابتة في تصميمات المياه وحماية الفيضانات.

التحديات في التنفيذ

ورغم الحاجة الواضحة، فإن إدماج التكيف مع المناخ في الممارسات الهندسية المدنية يواجه عدة حواجز.

• Cost]: فتصميم أحداث أكثر تطرفاً كثيراً ما يزيد من تكاليف رأس المال الأولية، غير أن تحليل تكاليف دورة الحياة يُظهر في كثير من الأحيان أن بناء هياكل أساسية أكثر مرونة أرخص من إصلاح الضرر بعد وقوع كارثة، إذ أن تحديد ذلك للزبائن وللجمهور يظل تحدياً.
• Uncertainty]: Climate projections vary across models and scenarios. Decision-makers often demand precise numbers, but engineering must embrace scenarios and probabilistic approaches.
• Regulatory and Institutional Barriers: Many building codes and permitting processes are still based on historical data. Updating these regulations is slow. In addition, zoning laws and insurance requirements may inadvertently encourage development in vulnerable areas.
• Lack of Data and Tools]: في كثير من المناطق، لا تتوافر بيانات مناخية عالية الاستبانة والإسقاطات المخفضة النطاق أو لا تكون مصممة للاستخدام الهندسي، وقد يحتاج المهندسون إلى الاستثمار في برامجيات وتدريبات جديدة.
• Skills Gap]: القليل من مناهج الهندسة المدنية تشمل حالياً الدورات المطلوبة بشأن التكيف مع المناخ.

فرص الابتكار والقيادة

كما أن تحديات تغير المناخ تتيح فرصاً كبيرة للمهندسين المدنيين، إذ يمكن للمتبنىين المبكرين للتصميمات التي تكيف مع المناخ أن يفرقوا أنفسهم في السوق، وأن يجتذبوا العملاء الذين يفكرون في المستقبل، وأن يقللوا من مخاطر المسؤولية، وتتزايد صلاحية المشاريع التي تتضمن التكيف مع المناخ للحصول على تقديرات أقساط في شهادات الاستدامة مثل نظام " إنفيت " و " ليد " .

وهناك أيضا فرص للابتكار في علوم المواد وتكنولوجيا الاستشعار وأساليب البناء، وعلى سبيل المثال، فإن الخرسانة الذاتية التي تشقق الختم تقلل من الصيانة في البيئات المعرضة للفيضانات، وترصد البنية التحتية الذكية التي تحتوي على أجهزة استشعار مدمجة الظروف الصحية والبيئية الهيكلية، مما يتيح استجابات التكيف، ويفتح المجال المتنامي للهندسة القائمة على الطبيعة، أوجه تعاون جديدة مع علماء البيئة والمهندسين المعماريين.

وعلاوة على ذلك، يمكن أن يولد التكيف مع المناخ منافع اجتماعية أوسع نطاقاً، إذ أن البنية التحتية الخضراء تحسن نوعية الهواء والمياه، وتخفض الجزر الحرارية الحضرية، وتوفر حيزاً للاستجمام، حيث تعمل الحدائق المفلورة واللوحات العامة كمساحات أمان في الطقس الجاف وتخزين المياه أثناء العواصف، ومن خلال إدماج هذه التصميمات المتعددة الوظائف، يمكن للمهندسين المدنيين أن يعززوا قدرة المجتمعات المحلية على التكيف مع تحقيق قيمة تتجاوز أداء الهياكل الأساسية.

دراسات الحالات: مشاريع التكيف الناجحة

روتردام - المياه: التكيف من خلال التصميم

وفي هولندا، نفذت مدينة روتردام مربّعات المياه التي تضاعف كمساحات عامة وتخزن مياه العواصف، وأثناء الأحوال الجوية العادية، تكون المربعات هي محاكم كرة السلة، ومتنزهات التزلج، ومواقد القدّيس، وأثناء هطول الأمطار الشديد، فإنها تملأ المياه، وتخزن مؤقتاً ما يصل إلى 1.8 مليون لتر في كل هكتار، مما يخفف من الضغط على التكيّف في الشوارع.

مشروع تيسير السواحل في مدينة نيويورك الشرقية

وعقب إعصار ساندي، أطلقت مدينة نيويورك مشروع East Side Coastal Resiliency (ESCR)] لحماية أقل من الهاتان من ارتفاع عواصف المياه وارتفاع مستوى سطح البحر، ويتضمن المشروع ارتفاعا في المناطق الجبلية، وجدران مدفونة داخل المشهد، وبوابات الفيضانات التي يمكن نشرها، ويربط البنية التحتية القابلة للتأثر بنوعية الحياة العامة المفتوحة.

خاتمة

إن إدماج التكيف مع تغير المناخ في الممارسات الهندسية المدنية ليس ضروريا فحسب، بل إنه فرصة لبناء عالم أكثر مرونة واستدامة وإنصافا، ومن خلال فهم الآثار المناخية وتطبيق المبادئ الأساسية للتصميم القائم على المخاطر والتكيف، واعتماد استراتيجيات عملية على جميع أنواع الهياكل الأساسية، يمكن للمهندسين أن يساعدوا المجتمعات المحلية على مواجهة التحديات المقبلة، كما أن الأدوات والمعارف والسوابق موجودة، والمهمة الآن هي أن يدمجوا هذه الاحتياجات في كل مشروع، من أكبر قدر من تحسين بيئة تصريف الأعمال.