جريان المياه

يُعرف جريان الأنهار ، أو الجريان السطحي في القنوات ، بأنه تدفق المياه في الأنهار والقنوات الأخرى ، وهو عنصر أساسي في دورة المياه . وهو أحد مكونات الجريان السطحي ، أي حركة المياه من اليابسة إلى المسطحات المائية ، أما المكون الآخر فهو الجريان السطحي . وتأتي المياه المتدفقة في القنوات من الجريان السطحي من سفوح التلال المجاورة، ومن تدفق المياه الجوفية من باطن الأرض، ومن المياه المتدفقة من الأنابيب. ويُقاس تصريف المياه المتدفقة في القناة باستخدام مقاييس التدفق ، أو يُمكن تقديره باستخدام معادلة مانينغ . ويُطلق على سجل التدفق مع مرور الوقت اسم الرسم البياني المائي . ويحدث الفيضان عندما يتجاوز حجم المياه سعة القناة.

تلعب الجداول المائية دورًا حيويًا في الدورة الهيدرولوجية الضرورية للحياة على الأرض. وتعتمد أنواع بيولوجية متنوعة، من الكائنات وحيدة الخلية إلى الفقاريات، على أنظمة المياه الجارية كموائل وموارد غذائية. تُعدّ الأنهار بيئات مائية رئيسية لمختلف أنواع النباتات والحيوانات. بل إنها تُسهم في الحفاظ على امتلاء طبقات المياه الجوفية بالمياه من خلال تصريفها عبر مجاريها. إضافةً إلى ذلك، تبقى المحيطات ممتلئة بالمياه بفضل الأنهار والجريان السطحي اللذين يُجددانها باستمرار. ^{[ 1 ]} يُعدّ جريان الجداول الآلية الرئيسية لانتقال المياه من اليابسة إلى المحيطات أو إلى أحواض التصريف الداخلية .

يستمد تصريف المياه في الجداول من أربعة مصادر: هطول الأمطار في القناة، والجريان السطحي، والجريان البيني، والمياه الجوفية.

• هطول الأمطار في القنوات هو الرطوبة التي تسقط مباشرة على سطح الماء، وفي معظم الجداول، فإنه يضيف القليل جداً إلى التصريف.

• تتدفق المياه الجوفية إلى مجرى النهر عند نقطة التقاء القناة بمستوى المياه الجوفية، موفرةً إمدادًا ثابتًا من المياه، يُعرف بالتدفق الأساسي ، خلال فترات الجفاف والأمطار على حد سواء. ونظرًا لوفرة المياه الجوفية المتاحة للأنهار وبطء استجابتها لهطول الأمطار، فإن التدفق الأساسي يتغير تدريجيًا مع مرور الوقت، ونادرًا ما يكون السبب الرئيسي للفيضانات. ومع ذلك، فإنه يُسهم في حدوث الفيضانات بتوفيره سطحًا تتراكم عليه مياه الجريان السطحي من مصادر أخرى.

• الجريان البيني هو الماء الذي يتسرب إلى التربة ثم ينتقل جانبياً إلى مجرى النهر في المنطقة الواقعة فوق مستوى الماء الجوفي . ينتقل جزء كبير من هذا الماء داخل التربة، ويتحرك جزء منه ضمن طبقاتها. يُعد هذا الجريان، إلى جانب الجريان القاعدي، أهم مصدر لتصريف المياه في الأنهار الواقعة في الأراضي الحرجية. أما الجريان السطحي في المناطق الحرجية الكثيفة فيُسهم بشكل ضئيل في تدفق المياه في الأنهار.

• في المناطق الجافة والمزروعة والحضرية، يُعدّ الجريان السطحي مصدرًا رئيسيًا لجريان الأنهار. يبدأ الجريان السطحي كطبقة رقيقة من الماء تتحرك ببطء شديد (عادةً أقل من 0.25 قدم في الثانية) فوق سطح الأرض. في ظل هطول أمطار غزيرة، وفي غياب عوائق كالأرض الوعرة والنباتات والتربة الماصة، يتراكم هذا الجريان بسرعة ليصل إلى مجاري الأنهار في غضون دقائق، مُسببًا ارتفاعًا مفاجئًا في التصريف. تحدث أسرع استجابة بين هطول الأمطار وجريان الأنهار في المناطق الحضرية، حيث تجمع مصارف الحدائق ومزاريب الشوارع وشبكات الصرف الصحي مياه الجريان السطحي وتوجهها مباشرةً إلى الأنهار. قد تصل سرعة الجريان في أنابيب الصرف الصحي إلى ما بين 10 و15 قدمًا في الثانية. ^{[ 2 ]}

الأنهار دائمة الجريان، وهذا مفيد للبيئة، إذ لا تبقى المياه الراكدة عذبة وجذابة لفترة طويلة. وهناك عوامل عديدة، طبيعية وبشرية، تُسبب تغير الأنهار باستمرار: ^{[ 3 ]}

الآليات الطبيعية

• جريان المياه الناتج عن هطول الأمطار وذوبان الثلوج
• التبخر من التربة والمسطحات المائية السطحية
• النتح بواسطة النباتات
• تصريف المياه الجوفية من طبقات المياه الجوفية
• تغذية المياه الجوفية من المسطحات المائية السطحية
• ترسبات البحيرات والأراضي الرطبة​
• تكوّن أو اختفاء الأنهار الجليدية والحقول الثلجية والتربة الصقيعية

آليات من صنع الإنسان

• سحب المياه السطحية وتحويل المياه عبر الأحواض
• تنظيم تدفق الأنهار لتوليد الطاقة الكهرومائية والملاحة
• إنشاء وإزالة وترسيب الخزانات وأحواض تجميع مياه الأمطار
• تحويل مجرى النهر وبناء السدود
• تجفيف أو استعادة الأراضي الرطبة
• تؤدي تغييرات استخدام الأراضي ، مثل التوسع الحضري، إلى تغيير معدلات التعرية، والتسرب، والجريان السطحي، أو التبخر.
• مصارف مياه الصرف الصحي
• الري

تغير المناخ

• زيادة/نقصان في الهطول
• تغير درجة حرارة الهواء
• تغير تقلبات تدفق المياه
• انخفاض في كمية الثلوج المتراكمة
• ازدياد حالات الجفاف والفيضانات

تساهم الزيادات/النقصان في هطول الأمطار بشكل كبير في التغيرات في تدفق المياه في الجداول.

قام باحثون من معهد أبحاث المياه بفحص أكثر من 500 مستجمع مائي في جميع أنحاء الولايات المتحدة الأمريكية، ووجدوا أن ارتفاع درجات الحرارة في فصل الشتاء يتسبب في تقلبات أكثر حدة في تدفق المياه في الجداول. ^{[ 4 ]}

تشير البيانات إلى أن مستجمعات المياه التي تشهد تساقطًا كثيفًا للثلوج تتلقى كميات أكبر من الأمطار مقارنةً بالسابق. ونتيجةً لذلك، تشهد الجداول الآن تدفقات مائية أسرع من العواصف المطرية، بدلًا من التدفق البطيء للثلوج الذائبة. ويمكن أن تُعزى هذه التقلبات أيضًا إلى تسارع ذوبان الغطاء الثلجي بسبب ارتفاع درجات الحرارة. ^{[ 5 ]}

من منظور المياه الجوفية ، فإن ارتفاع معدلات التبخر والنتح يقلل من رطوبة التربة وإعادة تغذية المياه الجوفية، مما يؤدي إلى انخفاض التدفق الأساسي (الجزء المستدام من تدفق المياه الجوفية).

يُقاس تدفق المياه في الجداول بكمية المياه المتدفقة عبر نقطة محددة خلال فترة زمنية معينة. تُستخدم في الولايات المتحدة وحدة القدم المكعب في الثانية ، بينما تُستخدم في معظم الدول الأخرى وحدة المتر المكعب في الثانية . توجد طرق متنوعة لقياس تصريف الجداول أو القنوات. يوفر مقياس التدفق بيانات التدفق المستمر على مدار الزمن في موقع واحد لأغراض إدارة موارد المياه والبيئة، أو لأغراض أخرى. تُعد قيم تدفق المياه مؤشرات أفضل من ارتفاع المقياس لحالة النهر بأكمله. تُجرى قياسات تدفق المياه كل ستة أسابيع تقريبًا بواسطة موظفي هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية . يدخلون إلى مجرى النهر لإجراء القياس، أو يقومون بذلك من قارب أو جسر أو جسر معلق فوق المجرى. لكل محطة قياس، تُحدد العلاقة بين ارتفاع المقياس وتدفق المياه من خلال قياسات متزامنة لارتفاع المقياس وتدفق المياه ضمن النطاق الطبيعي للتدفقات (من التدفقات المنخفضة جدًا إلى الفيضانات). توفر هذه العلاقة بيانات تدفق المياه من تلك المحطة. ^{[ 7 ]} لأغراض لا تتطلب قياسًا مستمرًا لتدفق المياه مع مرور الوقت، يمكن استخدام عدادات التيار أو أجهزة قياس سرعة المياه الصوتية بتقنية دوبلر . أما بالنسبة للجداول الصغيرة - التي يبلغ عرضها بضعة أمتار أو أقل - فيمكن تركيب سدود .

يُعدّ جريان المياه في القنوات مسؤولاً عن نقل الرواسب والمغذيات والملوثات إلى المصب. فبدون جريان المياه في الجداول، لن تتمكن المياه في أي مستجمع مائي من الوصول بشكل طبيعي إلى وجهتها النهائية في بحيرة أو محيط، مما يُخلّ بالتوازن البيئي. ويُمثّل جريان المياه في الجداول أحد أهم مسارات انتقال المياه من اليابسة إلى البحيرات والمحيطات. أما المسارات الرئيسية الأخرى فهي الجريان السطحي (تدفق المياه من اليابسة إلى المجاري المائية المجاورة أثناء هطول الأمطار ونتيجة للري)، وتدفق المياه الجوفية إلى المياه السطحية، وتدفق المياه من الأنابيب والقنوات المُنشأة. ^{[ 14 ]}

يُضفي جريان المياه على المجتمع فوائد ومخاطر. يُعدّ جريان المياه في المصب وسيلةً لتجميعها وتخزينها في السدود لتوليد الطاقة أو استخراج المياه. كما يُسهّل جريان المياه النقل في اتجاه المصب. لكل مجرى مائي حد أقصى لمعدل جريان المياه يمكن استيعابه، ويمكن حساب هذا الحد. إذا تجاوز جريان المياه هذا الحد الأقصى، كما يحدث عند وجود كمية كبيرة من المياه في المجرى، فلن يتمكن المجرى من استيعاب كل هذه المياه، مما يؤدي إلى حدوث فيضان.

كان فيضان نهر المسيسيبي عام 1993 ، وهو الأكبر على الإطلاق في تاريخ النهر، استجابةً لهطول أمطار غزيرة وطويلة الأمد خلال فصلي الربيع والصيف. أدت الأمطار المبكرة إلى تشبع التربة على مساحة تزيد عن 300 ألف ميل مربع من حوض النهر العلوي، مما قلل بشكل كبير من قدرة التربة على امتصاص المياه، تاركًا إياها ذات قدرة تخزينية ضئيلة أو معدومة. ومع استمرار هطول الأمطار، امتلأت المنخفضات السطحية والأراضي الرطبة والبرك والخنادق والحقول الزراعية بمياه الأمطار المتدفقة. ونظرًا لعدم وجود قدرة متبقية على استيعاب المياه، اندفعت مياه الأمطار الإضافية من الأرض إلى قنوات الروافد، ومنها إلى نهر المسيسيبي . ولأكثر من شهر، تجاوز إجمالي كمية المياه المتدفقة من مئات الروافد قدرة قناة نهر المسيسيبي على استيعاب المياه، مما تسبب في فيضانها على ضفافها وغمر السهول الفيضية المجاورة. وفي المناطق التي تم فيها حصر مياه الفيضان بشكل مصطنع بواسطة قناة هندسية محاطة بسدود مبنية، مما حال دون وصولها إلى مساحات واسعة من السهول الفيضية، ارتفعت مستويات الفيضان إلى مستويات أعلى. ^{[ 15 ]}

• النمذجة الهيدرولوجية
• قائمة الأنهار حسب تصريفها
• فقدان البث
• مجرى مائي دائم
• نموذج الجريان السطحي (الخزان)
• مجرى النهر
• موارد المياه
• تدفق القناة المفتوحة