المنطقة تحت السطحية

المنطقة تحت السطحية هي منطقة الرواسب والمسامات الموجودة أسفل مجرى النهر وعلى طوله ، حيث يختلط فيها الماء الجوفي الضحل مع الماء السطحي . وتُعدّ ديناميكيات التدفق وسلوكه في هذه المنطقة (المعروفة بالتدفق تحت السطحي أو التدفق السفلي ) ذات أهمية بالغة لتفاعلات الماء السطحي مع الماء الجوفي، فضلاً عن تكاثر الأسماك ، من بين عمليات أخرى. ^{[ 1 ]} وباعتبارها ممارسة مبتكرة لإدارة المياه الحضرية ، يمكن للمهندسين تصميم المنطقة تحت السطحية وإدارتها بفعالية لتحسين جودة المياه والبيئة النهرية . ^{[ 2 ]}

تُسمى تجمعات الكائنات الحية التي تسكن هذه المنطقة بـ hyporheos .

تم صياغة مصطلح hyporheic في الأصل بواسطة ترايان أورغيدان ^{[ 3 ]} في عام 1959 من خلال الجمع بين كلمتين يونانيتين: hypo (أسفل) و rheos (تدفق).

المنطقة تحت السطحية هي منطقة التبادل السريع، حيث تتحرك المياه داخل وخارج مجرى النهر حاملةً معها الغازات والمواد المذابة والملوثات والكائنات الدقيقة والجسيمات. ^{[ 4 ]} وبحسب التركيب الجيولوجي والتضاريس، قد لا يتجاوز عمق المنطقة تحت السطحية بضعة سنتيمترات، أو قد تمتد لعشرات الأمتار أفقياً أو عمقاً.

يُعدّ الإطار المفاهيمي للمنطقة تحت السطحية، باعتبارها منطقة خلط وتخزين، جزءًا لا يتجزأ من دراسة علم المياه . أول مفهوم رئيسي يتعلق بهذه المنطقة هو زمن الإقامة ؛ إذ يتحرك الماء في القناة بسرعة أكبر بكثير مقارنةً بالمنطقة تحت السطحية، وبالتالي فإن هذا التدفق الأبطأ للماء يزيد فعليًا من زمن إقامة الماء داخل مجرى النهر. يؤثر زمن إقامة الماء على معدلات معالجة المغذيات والكربون. فزيادة زمن الإقامة تعزز احتفاظ المذاب، والذي يمكن إطلاقه لاحقًا مرة أخرى في القناة، مما يؤخر أو يضعف الإشارات الصادرة من مجرى النهر. ^{[ 5 ]}

المفهوم الرئيسي الآخر هو التبادل تحت السطحي، ^{[ 6 ] [ 7 ]} أو سرعة دخول المياه إلى المنطقة تحت السطحية أو خروجها منها. تدخل مياه الجداول إلى المنطقة تحت السطحية مؤقتًا، ولكنها تعود في النهاية إلى القناة السطحية أو تساهم في تخزين المياه الجوفية. يتأثر معدل التبادل تحت السطحي ببنية قاع النهر، حيث تُنشئ خشونة القاع مسارات تدفق أقصر. ^{[ 8 ] [ 9 ]} بينما تُنشئ السمات الجيومورفولوجية، مثل أنماط تعرج الجداول، وتتابعات البرك والمنحدرات، وسدود الحطام الخشبي الكبيرة، وغيرها، مسارات تدفق أطول.

تؤثر المنطقة تحت السطحية وتفاعلاتها على حجم مياه النهر المتدفقة باتجاه المصب. وتشير المقاطع المستفيدة إلى تصريف المياه الجوفية في النهر مع تدفق المياه باتجاه المصب، مما يزيد حجم المياه في القناة الرئيسية من المنبع إلى المصب. وعلى العكس، عندما تتسرب المياه السطحية إلى منطقة المياه الجوفية (مما يؤدي إلى فقدان صافٍ للمياه السطحية)، يُعتبر ذلك المقطع من النهر "فاقدًا" للمياه.

توفر المنطقة تحت السطحية مجموعة متنوعة من الفوائد البيئية. ومن الأمثلة على ذلك: ^{[ 10 ]}

• موطن ومأوى لأنواع مختلفة من الأسماك والنباتات المائية والكائنات الحية التي تعيش بين النباتات؛
• خفض تركيز الملوثات المذابة في مياه الجداول؛
• التحكم في تبادل الماء والمواد المذابة بين التيار الرئيسي والمياه الجوفية؛
• تخفيف درجة حرارة مياه النهر.

إن النظام البيئي للجداول والأنهار يتجاوز مجرد المياه المتدفقة التي يمكن رؤيتها على السطح، فالأنهار متصلة بالمناطق المجاورة لها على ضفافها. ^{[ 11 ]} ولذلك، تشمل الجداول والأنهار المنطقة تحت السطحية الديناميكية التي تقع أسفل المجرى الرئيسي وعلى جانبيه. ونظرًا لوقوع هذه المنطقة تحت سطح الماء، قد يصعب تحديدها وقياسها ومراقبتها. ومع ذلك، تُعد المنطقة تحت السطحية منطقة نشاط بيولوجي وفيزيائي، وبالتالي فهي ذات أهمية وظيفية للنظم البيئية للجداول والأنهار. ^{[ 12 ]} يستخدم الباحثون أدوات مثل الآبار وأجهزة قياس الضغط ، والمواد المتتبعة المحافظة والتفاعلية، ^{[ 13 ]} ونماذج النقل التي تأخذ في الحسبان انتقال المياه وتشتتها في كل من مجرى النهر وتحت السطح. ^{[ 14 ]} يمكن استخدام هذه الأدوات بشكل مستقل لدراسة حركة المياه عبر المنطقة تحت السطحية وإلى مجرى النهر، ولكنها غالبًا ما تكون متكاملة للحصول على صورة أدق لديناميكيات المياه في المجرى ككل.

المنطقة تحت السطحية هي منطقة انتقالية بين مجرى النهر والطبقات الجوفية، وهي منطقة ديناميكية تختلط فيها المياه السطحية بالمياه الجوفية عند سطح الترسيب. من منظور بيوجيوكيميائي، غالبًا ما تكون المياه الجوفية منخفضة الأكسجين المذاب ولكنها غنية بالعناصر الغذائية المذابة. في المقابل، تحتوي مياه مجرى النهر الرئيسي على نسبة أعلى من الأكسجين المذاب ونسبة أقل من العناصر الغذائية. هذا يخلق تدرجًا بيوجيوكيميائيًا، قد يوجد على أعماق متفاوتة تبعًا لامتداد المنطقة تحت السطحية. غالبًا ما تهيمن الكائنات الحية الدقيقة غيرية التغذية على المنطقة تحت السطحية، حيث تعالج العناصر الغذائية المذابة المتبادلة عند هذا السطح.

تتمثل الاختلافات الرئيسية بين المياه السطحية والمياه الجوفية في تركيز الأكسجين ودرجة الحرارة ودرجة الحموضة. ^{[ 15 ]} وباعتبارها منطقة فاصلة بين المجرى الرئيسي والمياه الجوفية، تخضع المنطقة تحت السطحية لتدرجات فيزيائية وكيميائية تُولّد تفاعلات كيميائية حيوية قادرة على تنظيم سلوك المركبات الكيميائية والكائنات المائية داخل منطقة التبادل. ^{[ 16 ]} تُسهم المنطقة تحت السطحية إسهامًا كبيرًا في تخفيف الملوثات الذائبة في مياه القناة ^{[ 17 ]} وفي دورة الطاقة والمغذيات والمركبات العضوية. ^{[ 18 ]} علاوة على ذلك، تُظهر تحكمًا كبيرًا في نقل الملوثات عبر حوض النهر. ^{[ 19 ]}

العوامل الرئيسية التي تؤثر على التبادل تحت السطحي هي: ^{[ 20 ]}

• هندسة طبقة المياه الجوفية الأساسية وخصائصها الهيدروليكية ^{[ 21 ] [ 22 ]}
• التغير الزمني في ارتفاع منسوب المياه الجوفية ^{[ 23 ]}
• الخصائص الطبوغرافية ونفاذية مجرى النهر ^{[ 24 ]}
• التدرجات الأفقية الناتجة عن التغيرات في شكل قناة المجرى ^{[ 25 ]}

• مقال عن المنطقة تحت السطحية للجداول المائية، وتنقية المياه . يتضمن رسمًا توضيحيًا.