نمذجة المياه الجوفية

إن أنظمة جريان المياه الجوفية في الطبيعة أكثر تعقيداً من الحالات البسيطة والمبسطة الوحيدة الاتجاه، أو الجريان في مستوٍ تدرس أنظمة الجريان في مستو رأسي كرشح المياه في الوديان ومن الأنهار لتغذية المياه الجوفية، رشح المياه من أحواض الترشيح لتغذية المياه الجوفية، اندساس مياه البحر ضمن الطبقات المائية قرب الشواطئ، والجريان الجوفي تحت أساسات السدود.

كما تدرس كجريانات ثنائية البعد في المستو الأفقي، كجريان المياه الجوفية ضمن الطبقة المائية وهناك أشكال متنوعة لأنظمة الجريان في مستوٍ. غير أن أنظمة الجريان ثلاثية الأبعاد أكثر تعقيدأ، كالتبادل المائي الجوفي بين عدة طبقات مائية.

يمكن دراسة الجريانات البسيطة وإجراء الحسابات بالطريقة التحليلية. لكن إذا كانت أنظمة الجريان معقدة وذات حدود متنوعة وغير منتظمة، وتتلقى تغذية من المياه السطحية، وتنصرف بالضخ من الآبار، فمن الأفضل حساب هذه الجريانات باستخدام النماذج الرياضية، للحصول على حلول سريعة وأكثر دقة، وتسمح بوضع تصور مستقبلي لتطور نظام الجريان المدروس.

تتطلب الإدارة الفعالة للمياه الجوفية توافر إمكانية تقدير الجريان الجوفي، وانتقال المحاليل، واستجابة المائع، وجريان المحلول، للتغير في الظروف الطبيعية والاصطناعية.

إن أحد الأساليب المستنبطة منذ منتصف ستينات القرن العشرين هو موديل المحاكاة الكومبيوتري لتحليل الجريان، وانتقال المحاليل في منظومات المياه الجوفية، وترافق تطور الموديلات المشابهة على الكومبيوتر مع تطور منظومات الكومبيوتر، وازدياد ذاكراتها وسرعاتها، وارتفاع كفاءاتها.

إن معادلات حركة المياه الجوفية هي معادلات وضعية، لأنها تعتمد على عدة فرضيات تبسيطية، ما يجعلها بعيدة عن الواقع أحياناً.

أما المعادلات التي تعطي نتائج قريبة من الوضع الحقيقي، فيصعب حلها بالطرائق الرياضية الكلاسيكية، لذلك ابتكر العلماء طريقة منهجية جديدة لحل هذه المسائل المعقدة، تتلخص بوضع موديل للمنطقة المدروسة، تمثّل عليه البارامترات كلها، الخاصة بالصخور والمناخ والهيدرولوجيا وغيرها.

ويمكن بواسطة الموديل تقدير تغيرات نظام المياه الجوفية في حال تغير واحد أو أكثر من البارامترات مع الزمن، مما يوفر جهوداً وتكاليف مالية كبيرة، ويعطي فرصة لتقدير التغيرات المستقبلية، ويسمح بوضع خطة استراتيجية شاملة أكثر موثوقية لتطوير النشاط الاقتصادي في المنطقة المعنية.

إن وضع خارطة مناسيب للمياه الجوفية وتحديد اتجاهات حركتها، وحساب كميات الجريان الجوفي، وتقدير تغيراتها في المستقبل، من المهام الصعبة، وغير الممكنة عملياً دون استخدام الموديلات الفيزيائية والرياضية.

تعد نمذجة المياه الجوفية حالياً جزءاً رئيسياً في معظم مشاريع تنمية المياه الجوفية، وحمايتها ومعالجتها لذلك من الضروري، في الأحوال كافة، من أجل تفسير أي نموذج للمياه الجوفية واستخدامه بدقة، فهم محدودية كل نموذج بوضوح، إضافة إلى القيود التقنية المتشددة، كدقة الحسابات فإن بناء أي نموذج.

سيعتمد على فرضيات متنوعة، تتعلق بالنظام الطبيعي الواقعي المنمذج، وأن البارامترات الهيدروجيولوجية والهيدرولوجية المستخدمة في النموذج تقريبية دوماً بالنسبة لتوزيعها الفعلي في الحقل، التي لا يمكن تحديدها بدقة تامة، وتستبدل أنظمة المعادلات الجبرية بالمعادلات التفاضلية النظرية التي تصف جريان المياه الجوفية.

النماذج

تحمل كلمة موديل معاني عديدة مستخدمة بكثرة، فيمكن أن يكون بتعبير بسيط تمثيلاً لمنظومة حقيقية أو ظاهرة أو عملية. والموديل الاعتباري هو فرضية عن كيفية عمل منظومة، أو حدوث عملية ما. ويمكن تعميم هذه الفرضية كمياً كموديل رياضي.

والموديلات الرياضية هي تجريدات، تمثل العمليات بمعادلات رياضية، والخصائص الفيزيائية كثوابت، أو معاملات في المعادلات، وتمثل قياسات الحالة الراهنة، أو الممكنة في المنظومة كمتحولات.

تصنف موديلات المحاكاة ضمن خمسة أنواع:

1.   موديلات أحواض الرمل، ونماذج هيلي- شاو.

2.   موديلات كهربائية.

3.   موديلات غشائية.

4.   موديلات المائع اللزج.

5.   موديلات رقمية.

تمثل موديلات أحواض الرمل نظام الجريان بشكل فيزيائي مشابه للحقيقة. فالماء يتدفق فعلاً في حوض الرمل ضمن الوسط المسامي، بشكل يشبه الوسط الحقيقي، بينما يجري تمثيل جريان المياه في الموديلات الأخرى بعناصر مادية، أو رقمية مناسبة ويقتصر تطبيق النماذج الفيزيائية على الأهداف التعليمية والإيضاحية.