الجريان السطحي (علم المياه)

دورة الماء (أو الدورة الهيدرولوجية) هي دورة بيوجيوكيميائية تتضمن التغير المستمر في حالة الماء على سطح الأرض وفوقه وتحته عبر خزانات مختلفة. تبقى كتلة الماء على الأرض ثابتة نسبيًا مع مرور الوقت. ^{[ 2 ]} ومع ذلك، فإن توزيع الماء بين الخزانات الرئيسية - الجليد ، والماء العذب ، والماء المالح ، ومياه الغلاف الجوي - متغير ويعتمد على المتغيرات المناخية . ينتقل الماء من خزان إلى آخر، مثلًا من النهر إلى المحيط ، أو من المحيط إلى الغلاف الجوي، نتيجةً لمجموعة متنوعة من العمليات الفيزيائية والكيميائية. تشمل العمليات التي تحرك هذه التدفقات: التبخر ، والنتح ، والتكثيف ، والهطول ، والتسامي ، والتسرب ، والجريان السطحي ، والجريان الجوفي. وخلال هذه العملية، يمر الماء بأطوار مختلفة: سائل، وصلب ( جليد )، وبخار . يلعب المحيط دورًا محوريًا في دورة الماء، إذ يُعد مصدرًا لـ 86% من التبخر العالمي. ^{[ 3 ]}

تعتمد دورة الماء على تبادل الطاقة على شكل انتقالات حرارية بين مختلف أطوار الماء. ويمكن أن تؤدي الطاقة المنبعثة أو الممتصة أثناء تغير الطور إلى تغيرات في درجة الحرارة . ^{[ 4 ]} تُمتص الحرارة عندما يتحول الماء من الحالة السائلة إلى الحالة البخارية عبر التبخر. وتُعرف هذه الحرارة أيضًا بالحرارة الكامنة للتبخر. ^{[ 5 ]} في المقابل، عندما يتكثف الماء أو ينصهر من الجليد الصلب، فإنه يُطلق طاقة وحرارة. وعلى الصعيد العالمي، يلعب الماء دورًا حاسمًا في نقل الحرارة من المناطق الاستوائية إلى القطبين عبر دوران المحيطات. ^{[ 6 ]}

تُعدّ مرحلة التبخر في دورة الماء بمثابة عملية تنقية، إذ تفصل جزيئات الماء عن الأملاح والجسيمات الأخرى الموجودة في حالتها السائلة. ^{[ 7 ]} أما مرحلة التكثيف في الغلاف الجوي فتُغذي اليابسة بالمياه العذبة. وينقل تدفق الماء السائل المعادن عبر الكرة الأرضية، كما يُعيد تشكيل التضاريس الجيولوجية للأرض من خلال عمليات التجوية والتعرية والترسيب. وتُعدّ دورة الماء ضروريةً أيضاً لاستمرار معظم أشكال الحياة والنظم البيئية على كوكب الأرض.

تؤثر الأنشطة البشرية بشكل كبير على دورة المياه. فأنشطة مثل إزالة الغابات ، والتوسع العمراني ، واستخراج المياه الجوفية ، تُغير المناظر الطبيعية ( تغيرات استخدام الأراضي )، وكلها تؤثر على دورة المياه. ^{[ 8 ] : 1153} إضافةً إلى ذلك، يُؤدي تغير المناخ إلى تكثيف دورة المياه . وقد أظهرت الأبحاث أن الاحتباس الحراري يُسبب تحولات في أنماط هطول الأمطار، وزيادة في تواتر الظواهر الجوية المتطرفة ، وتغيرات في توقيت وشدة هطول الأمطار. ^{[ 9 ] : 85} وتؤثر هذه التغيرات في دورة المياه على النظم البيئية ، وتوافر المياه ، والزراعة، والمجتمعات البشرية.

الجريان السطحي (المعروف أيضًا بالجريان فوق سطح الأرض) هو تدفق المياه غير المقيد فوق سطح الأرض، على عكس جريان القنوات (أو جريان الجداول ). يحدث الجريان السطحي عندما لا تستطيع مياه الأمطار الزائدة ، أو مياه العواصف ، أو مياه ذوبان الثلوج ، أو مصادر أخرى، التسرب إلى التربة بالسرعة الكافية . قد يحدث هذا عندما تكون التربة مشبعة بالماء إلى أقصى حد، ويهطل المطر بسرعة تفوق قدرة التربة على امتصاصه . غالبًا ما يحدث الجريان السطحي لأن المناطق غير المنفذة للماء ( مثل الأسطح والأرصفة ) لا تسمح بتسرب الماء إلى الأرض. علاوة على ذلك، يمكن أن يحدث الجريان السطحي من خلال عمليات طبيعية أو من صنع الإنسان. ^{[ 10 ]}

يُعد الجريان السطحي مكونًا رئيسيًا من مكونات دورة المياه ، وهو العامل الأساسي في تآكل التربة بفعل المياه . ^{[ 11 ] [ 12 ]} تُسمى مساحة الأرض التي تُنتج الجريان السطحي الذي يصب في نقطة مشتركة بحوض التصريف .

يمكن أن تشكل مياه الجريان السطحي التي تتدفق على سطح الأرض قبل وصولها إلى مجرى مائي مصدرًا غير مباشر للتلوث ، إذ قد تحمل ملوثات من صنع الإنسان أو ملوثات طبيعية (مثل أوراق الشجر المتعفنة). تشمل الملوثات التي من صنع الإنسان في مياه الجريان السطحي البترول والمبيدات الحشرية والأسمدة وغيرها. ^{[ 13 ]} ويتفاقم الكثير من التلوث الزراعي بفعل مياه الجريان السطحي، مما يؤدي إلى عدد من الآثار السلبية في اتجاه مجرى النهر، بما في ذلك تلوث المغذيات الذي يسبب ظاهرة التخثث .

بالإضافة إلى التسبب في تآكل المياه والتلوث، فإن جريان المياه السطحية في المناطق الحضرية هو سبب رئيسي للفيضانات الحضرية ، مما قد يؤدي إلى أضرار في الممتلكات، ورطوبة وعفن في الأقبية ، وفيضانات في الشوارع.

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.

يصف نموذج الجريان السطحي، أو نموذج جريان مياه الأمطار، كيفية تحول مياه الأمطار إلى جريان سطحي في حوض تصريف (منطقة تجميع المياه). وبشكل أدق، يُنتج هذا النموذج رسمًا بيانيًا للجريان السطحي استجابةً لهطول الأمطار، ويُمثل هذا الرسم البياني ويُدخل كمدخلات . يجب معايرة نماذج جريان مياه الأمطار قبل استخدامها.

يُعدّ نموذج الخزان الخطي من نماذج الجريان السطحي المعروفة ، إلا أن تطبيقه العملي محدود. أما نموذج الخزان غير الخطي، فهو أكثر شمولية، ولكنه لا يزال يقتصر على مستجمعات المياه التي تكون مساحتها محدودة بافتراض توزيع الأمطار بشكل منتظم تقريبًا على المنطقة. ويعتمد الحد الأقصى لحجم مستجمع المياه على خصائص هطول الأمطار في المنطقة. وعندما تكون منطقة الدراسة كبيرة جدًا، يمكن تقسيمها إلى مستجمعات فرعية، ومن ثمّ دمج منحنيات الجريان السطحي المختلفة باستخدام تقنيات توجيه الفيضانات .