تسرب المياه المالحة

يُعرف تسرب المياه المالحة بأنه حركة المياه المالحة إلى طبقات المياه الجوفية العذبة ، مما قد يؤدي إلى تدهور جودة المياه الجوفية، بما في ذلك مصادر مياه الشرب ، وعواقب أخرى. يحدث تسرب المياه المالحة بشكل طبيعي في طبقات المياه الجوفية الساحلية ، نتيجةً للترابط الهيدروليكي بين المياه الجوفية ومياه البحر . ولأن المياه المالحة تحتوي على نسبة معادن أعلى من المياه العذبة، فهي أكثر كثافةً وضغطًا. ونتيجةً لذلك، يمكن للمياه المالحة أن تتسرب إلى الداخل أسفل المياه العذبة. ^{[ 1 ]} وفي مناطق أخرى، قد يؤدي تصريف المياه الجوفية تحت سطح البحر إلى دفع المياه العذبة إلى المياه المالحة.

أدت بعض الأنشطة البشرية، ولا سيما ضخ المياه الجوفية من آبار المياه العذبة الساحلية ، إلى زيادة تسرب المياه المالحة في العديد من المناطق الساحلية. ويؤدي استخراج المياه إلى انخفاض مستوى المياه الجوفية العذبة، مما يقلل من ضغطها ويسمح بتدفق المياه المالحة إلى الداخل. ومن العوامل الأخرى المساهمة في تسرب المياه المالحة قنوات الملاحة أو القنوات الزراعية وقنوات الصرف ، التي توفر ممرات لتدفق المياه المالحة إلى الداخل. كما يساهم ارتفاع مستوى سطح البحر الناتج عن تغير المناخ في تسرب المياه المالحة. ^{[ 2 ]} ويمكن أن تتفاقم هذه الظاهرة بسبب الظواهر المناخية المتطرفة مثل العواصف المصاحبة للأعاصير . ^{[ 3 ]}

عند الحافة الساحلية، تلتقي المياه الجوفية العذبة المتدفقة من المناطق الداخلية بالمياه الجوفية المالحة القادمة من المحيط. تتدفق المياه الجوفية العذبة من المناطق الداخلية باتجاه الساحل حيث يكون الارتفاع ومستويات المياه الجوفية أقل. ^{[ 2 ]} ولأن المياه المالحة تحتوي على نسبة أعلى من الأملاح والمعادن الذائبة ، فإنها أكثر كثافة من المياه العذبة، مما يؤدي إلى ارتفاع الضغط الهيدروليكي فيها. يشير الضغط الهيدروليكي إلى ضغط السائل الذي يمارسه عمود الماء: سينتقل عمود الماء ذو ​​الضغط الهيدروليكي الأعلى إلى عمود الماء ذي الضغط الهيدروليكي الأقل، إذا كان العمودان متصلين. ^{[ 1 ]}

يؤدي ارتفاع ضغط وكثافة المياه المالحة إلى تحركها نحو طبقات المياه الجوفية الساحلية على شكل إسفين تحت المياه العذبة. وتلتقي المياه المالحة والعذبة في منطقة انتقالية حيث يحدث الاختلاط من خلال التشتت والانتشار . وعادةً ما يكون امتداد إسفين المياه المالحة داخل اليابسة محدودًا لأن مستويات المياه الجوفية العذبة، أو ارتفاع عمود المياه العذبة، تزداد مع ارتفاع منسوب الأرض. ^{[ 2 ]}

يُمكن أن يُؤدي تسرب مياه البحر إلى الأنهار إلى العديد من العواقب السلبية، لا سيما على الأنشطة الزراعية والنظم البيئية الحية في المناطق العليا من الأنهار. وقد طُوّرت حلول عديدة لمنع أو تقليل الآثار السلبية لتسرب مياه البحر. ومن الحلول المستدامة للأنهار استخدام ستائر الفقاعات الهوائية التي تُمكن من حل مشكلة تسرب مياه البحر في الأنهار بشكل كامل. ^{[ 9 ]}

تعاني العديد من المجتمعات الساحلية في جميع أنحاء الولايات المتحدة من تلوث آبار إمدادات المياه بالمياه المالحة، وهذه المشكلة مستمرة منذ عقود. ^{[ 10 ]} وتتأثر العديد من طبقات المياه الجوفية الساحلية في البحر الأبيض المتوسط ​​بتسرب مياه البحر. ^{[ 11 ] [ 12 ]} وتختلف عواقب تسرب المياه المالحة على آبار الإمداد اختلافًا كبيرًا، اعتمادًا على مدى التسرب، والاستخدام المقصود للمياه، وما إذا كانت نسبة الملوحة تتجاوز المعايير المحددة لهذا الاستخدام. ^{[ 2 ] [ 13 ]} في بعض المناطق، مثل ولاية واشنطن، لا يصل التسرب إلا إلى أجزاء من طبقة المياه الجوفية، مما يؤثر على آبار إمدادات مياه معينة فقط. في المقابل، واجهت طبقات مياه جوفية أخرى تلوثًا مالحًا أكثر انتشارًا، مما أثر بشكل كبير على إمدادات المياه الجوفية في المنطقة. على سبيل المثال، في كيب ماي، نيو جيرسي ، حيث أدى استخراج المياه الجوفية إلى انخفاض منسوب المياه الجوفية بما يصل إلى 30 مترًا، تسبب تسرب المياه المالحة في إغلاق أكثر من 120 بئرًا لإمدادات المياه منذ أربعينيات القرن الماضي. ^{[ 5 ]}

وضع ويليم بادون-غيبن أولى الصيغ الفيزيائية لتغلغل المياه المالحة في عامي 1888 و1889، وكذلك ألكسندر هيرزبرغ في عام 1901، ومن هنا جاءت تسمية علاقة غيبن-هيرزبرغ. ^{[ 14 ]} وقد استنتجوا حلولاً تحليلية لتقريب سلوك التغلغل، والتي تستند إلى عدد من الافتراضات التي لا تنطبق على جميع الحالات الميدانية.

في المعادلة،

${\displaystyle z={\frac {\rho _{f}}{(\rho _{s}-\rho _{f})}}h}$

يُعبَّر عن سُمك منطقة المياه العذبة فوق مستوى سطح البحر على النحو التالي:${\displaystyle h}$ويتم تمثيل ذلك تحت مستوى سطح البحر على النحو التالي:${\displaystyle z}$السماكتان${\displaystyle h}$و${\displaystyle z}$، ترتبط ببعضها البعض من خلال${\displaystyle \rho _{f}}$و${\displaystyle \rho _{s}}$أين${\displaystyle \rho _{f}}$هي كثافة المياه العذبة و${\displaystyle \rho _{s}}$هي كثافة الماء المالح. تبلغ كثافة الماء العذب حوالي 1.000 غرام لكل سنتيمتر مكعب (غ/سم³ ⁾ عند 20  درجة مئوية، بينما تبلغ كثافة ماء البحر حوالي 1.025 غ/سم³ ^. يمكن تبسيط المعادلة إلى

${\displaystyle z\ =40h}$[ ^{2 ]​}

تنص نسبة غيبن-هيرزبرغ على أنه مقابل كل متر من المياه العذبة في طبقة المياه الجوفية غير المحصورة فوق مستوى سطح البحر، سيكون هناك أربعون متراً من المياه العذبة في طبقة المياه الجوفية تحت مستوى سطح البحر.

في القرن العشرين، سمحت القدرة الحاسوبية المتزايدة بشكل كبير باستخدام الطرق العددية (عادةً الفروق المحدودة أو العناصر المحدودة ) التي تتطلب افتراضات أقل ويمكن تطبيقها بشكل أكثر عمومية. ^{[ 15 ]}

يُعتبر نمذجة تسرب المياه المالحة أمراً صعباً. ومن بين الصعوبات الشائعة التي تنشأ ما يلي:

• إن احتمال وجود شقوق وصدوع وكسور في طبقة المياه الجوفية، والتي لا يُعرف موقعها وامتدادها بدقة، ولكن لها تأثير كبير على تطور تسرب المياه المالحة.
• إن احتمال وجود تباينات صغيرة النطاق في الخصائص الهيدروليكية للخزان الجوفي، والتي هي صغيرة جدًا بحيث لا يمكن أخذها في الاعتبار بواسطة النموذج ولكنها قد يكون لها أيضًا تأثير كبير على تطور تسرب المياه المالحة.
• يؤدي تسرب المياه المالحة إلى تغيير الخصائص الهيدروليكية. فغالباً ما يكون خليط المياه المالحة والعذبة غير مشبع بالكالسيوم، مما يحفز ذوبان الكالسيوم في منطقة الاختلاط ويغير الخصائص الهيدروليكية.
• العملية المعروفة باسم تبادل الكاتيونات ، والتي تبطئ تقدم توغل المياه المالحة وتبطئ أيضًا تراجع توغل المياه المالحة.
• إن عدم استقرار تدفقات المياه المالحة في كثير من الأحيان يجعل نمذجة هذه الظاهرة أكثر صعوبة. فديناميكيات طبقات المياه الجوفية تميل إلى البطء، ويستغرق مخروط التدفق وقتاً طويلاً للتكيف مع التغيرات في أنظمة الضخ، وهطول الأمطار، وما إلى ذلك. لذا، قد يختلف الوضع في الميدان اختلافاً كبيراً عما هو متوقع بناءً على مستوى سطح البحر، ونظام الضخ، وما إلى ذلك.
• بالنسبة للنماذج طويلة الأجل، يُمثل تغير المناخ المستقبلي مجهولاً كبيراً، لكن من الممكن تحقيق نتائج جيدة. غالباً ما تعتمد نتائج النماذج بشكل كبير على مستوى سطح البحر ومعدل تغذية المياه الجوفية، وكلاهما مُتوقع أن يتغير في المستقبل.

تُعدّ المياه المالحة مشكلةً أيضاً عندما يفصل قفلٌ مائيّ المياه المالحة عن المياه العذبة (على سبيل المثال، أقفال هيرام إم. تشيتندن في واشنطن). في هذه الحالة، بُني حوض تجميع يُمكن من خلاله ضخّ المياه المالحة عائدةً إلى البحر. كما يُضخّ جزءٌ من المياه المالحة المتسربة إلى ممرّ الأسماك لجعله أكثر جاذبيةً للأسماك المهاجرة . ^{[ 16 ]}

مع تزايد أهمية مشكلة تملح المياه الجوفية، ينبغي تطبيق مبادرات أكثر تعقيداً، بدءاً من الحلول التقنية والهندسية المحلية وصولاً إلى القواعد أو الأدوات التنظيمية الخاصة بطبقات المياه الجوفية أو المناطق بأكملها. ^{[ 17 ]}

• بنين
• قبرص
• بو رقراق (المغرب)
• باكستان
• سورينام
• تونس
• الولايات المتحدة
  • حوض نهر ACF (فلوريدا/جورجيا)
  • بيئة فلوريدا
  • مقاطعة إسيكس، ماساتشوستس ^{[ 18 ]}
  • أقفال حيرام م. تشيتندن (واشنطن)
  • جزيرة هاتشينسون (جورجيا)
  • بحيرة لانير (جورجيا)
  • بحيرة بونتشارترين (لويزيانا)
  • نهر ميامي (فلوريدا)
  • دلتا نهر المسيسيبي
  • سهل أوكسنارد (كاليفورنيا)
  • سان لياندرو (كاليفورنيا)
  • سونوما كريك (كاليفورنيا)
  • الشاطئ الغربي لبحيرة سوبيريور ^{[ 19 ]} (مينيسوتا)
• دلتا نهر ميكونغ
• إيطاليا ^{[ 11 ] [ 20 ] [ 21 ]}

• المياه الجوفية
• المهاجر البيئي – الأشخاص الذين يغادرون منطقة ما بسبب تغير البيئة 
• غارالد ج. باركر – جيولوجي وعالم هيدرولوجيا أمريكي 
• سد مطاطي قابل للنفخ
• ذروة المياه – مفهوم حول جودة وتوافر موارد المياه العذبة