علم المياه

المياه الجوفية هي المياه الموجودة تحت سطح الأرض، وغالبًا ما تُضخ لتوفير مياه الشرب. ^{[ 1 ]} يهتم علم هيدرولوجيا المياه الجوفية ( الهيدروجيولوجيا ) بقياس تدفق المياه الجوفية وانتقال المواد المذابة. ^{[ 6 ]} تشمل المشكلات في وصف المنطقة المشبعة تحديد خصائص طبقات المياه الجوفية من حيث اتجاه التدفق، وضغط المياه الجوفية، وبالتالي عمق المياه الجوفية (انظر: اختبار طبقة المياه الجوفية ). يمكن إجراء القياسات هنا باستخدام مقياس الضغط . كما تُوصف طبقات المياه الجوفية من حيث الموصلية الهيدروليكية، وسعة التخزين، ونفاذية المياه. هناك عدد من الطرق الجيوفيزيائية ^{[ 7 ]} لتوصيف طبقات المياه الجوفية. توجد أيضًا مشكلات في توصيف المنطقة غير المشبعة (المنطقة غير المشبعة). ^{[ 8 ]}

التسرب هو العملية التي يدخل بها الماء إلى التربة. يُمتص جزء من الماء، بينما يتسرب الباقي إلى مستوى المياه الجوفية . تعتمد قدرة التسرب، أي أقصى معدل لامتصاص التربة للماء، على عدة عوامل. توفر الطبقة المشبعة بالماء مقاومة تتناسب مع سمكها، بينما توفر هذه المقاومة بالإضافة إلى عمق الماء فوق التربة القوة الدافعة ( الضغط الهيدروليكي ). تسمح التربة الجافة بتسرب سريع بفعل الخاصية الشعرية ؛ وتتضاءل هذه القوة كلما أصبحت التربة رطبة. يقلل الانضغاط من المسامية وأحجام المسام. يزيد الغطاء السطحي من قدرة التسرب عن طريق إبطاء الجريان السطحي، وتقليل الانضغاط، وغير ذلك من العمليات. تقلل درجات الحرارة المرتفعة من اللزوجة ، مما يزيد من التسرب. ^{[ 9 ] : 250-275}

يمكن قياس رطوبة التربة بطرق مختلفة؛ باستخدام مسبار السعة ، أو مقياس الانعكاس الزمني ، أو مقياس التوتر السطحي . وتشمل الطرق الأخرى أخذ عينات من المواد المذابة والطرق الجيوفيزيائية. ^{[ 10 ]}

يهتم علم المياه بقياس تدفق المياه السطحية وانتقال المواد المذابة، مع أن معالجة التدفقات في الأنهار الكبيرة تُعتبر أحيانًا موضوعًا منفصلاً في علم الهيدروليكا أو الهيدروديناميكا. يشمل تدفق المياه السطحية التدفق داخل قنوات الأنهار المعروفة وخارجها. تتضمن طرق قياس التدفق بعد وصول المياه إلى النهر مقياس التدفق (انظر: التصريف ) وتقنيات التتبع. تشمل المواضيع الأخرى انتقال المواد الكيميائية كجزء من المياه السطحية، وانتقال الرواسب، والتعرية.

يُعدّ التبادل بين الأنهار والخزانات الجوفية أحد أهم مجالات علم المياه. ويمكن أن تكون تفاعلات المياه الجوفية/السطحية في الجداول والخزانات الجوفية معقدة، وقد يختلف اتجاه التدفق الصافي للمياه (إلى المياه السطحية أو إلى الخزان الجوفي) مكانيًا على طول مجرى النهر ومع مرور الوقت في أي موقع معين، وذلك تبعًا للعلاقة بين مستوى النهر ومستويات المياه الجوفية.

في بعض الدراسات، يُنظر إلى علم المياه على أنه يبدأ من حدود الغلاف الجوي مع اليابسة ^{[ 11 ]} ، ولذا من المهم الإلمام الكافي بكل من الهطول والتبخر. يمكن قياس الهطول بطرق متنوعة: جهاز قياس قطرات المطر لرصد خصائص الهطول بدقة زمنية عالية؛ الرادار لرصد خصائص السحب، وتقدير معدل هطول الأمطار، والكشف عن البَرَد والثلج؛ مقياس المطر لإجراء قياسات دقيقة روتينية للأمطار والثلوج؛ الأقمار الصناعية لتحديد المناطق الممطرة، وتقدير معدل هطول الأمطار، وبيانات الغطاء الأرضي/استخدامات الأراضي، ورطوبة التربة، والغطاء الثلجي، أو ما يعادله من الماء في الثلج، على سبيل المثال. ^{[ 12 ]}

يُعدّ التبخر جزءًا هامًا من دورة الماء. ويتأثر جزئيًا بالرطوبة، التي يمكن قياسها باستخدام مقياس الرطوبة . كما يتأثر بوجود الثلج والبرد والجليد، ويرتبط بالندى والضباب. يدرس علم المياه التبخر بأشكاله المختلفة: من أسطح المياه، والنتح من أسطح النباتات في النظم البيئية الطبيعية والزراعية. ويمكن قياس التبخر مباشرةً باستخدام حوض التبخر الخاص بسيمون .

تتضمن الدراسات التفصيلية للتبخر اعتبارات الطبقة الحدية بالإضافة إلى الزخم وتدفق الحرارة وموازنات الطاقة.

يمكن للاستشعار عن بُعد للعمليات الهيدرولوجية أن يوفر معلومات عن المواقع التي قد لا تتوفر فيها أجهزة استشعار ميدانية أو تكون قليلة العدد. كما يُمكّن من إجراء عمليات رصد على نطاقات مكانية واسعة. ويمكن قياس العديد من المتغيرات التي تُشكّل التوازن المائي الأرضي، مثل تخزين المياه السطحية ، ورطوبة التربة ، والهطول ، والتبخر ، والثلوج والجليد ، باستخدام الاستشعار عن بُعد بدقة مكانية وزمانية متفاوتة. ^{[ 13 ]} وتشمل مصادر الاستشعار عن بُعد أجهزة استشعار أرضية، وأجهزة استشعار محمولة جواً، وأجهزة استشعار فضائية قادرة على التقاط بيانات الموجات الميكروية ، والبيانات الحرارية، وبيانات الأشعة تحت الحمراء القريبة ، أو استخدام تقنية الليدار ، على سبيل المثال.

في علم المياه، تُعنى دراسات جودة المياه بالمركبات العضوية وغير العضوية، والمواد الذائبة والرواسب. كما تتأثر جودة المياه بتفاعل الأكسجين المذاب مع المواد العضوية والتحولات الكيميائية المختلفة التي قد تحدث. وقد تشمل قياسات جودة المياه طرقًا ميدانية، حيث تُجرى التحليلات في الموقع، غالبًا بشكل آلي، أو تحليلات مخبرية قد تتضمن تحليلات ميكروبيولوجية .

• تحليلات الميزانية
• تقدير المعلمات
• التوسع في الزمان والمكان
• استيعاب البيانات
• مراقبة جودة البيانات – انظر على سبيل المثال تحليل الكتلة المزدوجة

تُستخدم ملاحظات العمليات الهيدرولوجية للتنبؤ بالسلوك المستقبلي للأنظمة الهيدرولوجية (تدفق المياه، جودة المياه). ^{[ 14 ]} ومن أهم الشواغل الحالية في البحوث الهيدرولوجية "التنبؤ في الأحواض غير المقاسة" (PUB)، أي في الأحواض التي لا تتوفر فيها بيانات أو تتوفر فيها بيانات قليلة جدًا. ^{[ 15 ]}

يهدف علم الهيدرولوجيا الإحصائي إلى توفير أساليب إحصائية مناسبة لتحليل وتصميم نماذج لمختلف أجزاء الدورة الهيدرولوجية. ^{[ 16 ]} ومن خلال تحليل الخصائص الإحصائية للسجلات الهيدرولوجية، مثل هطول الأمطار أو تدفق الأنهار، يستطيع علماء الهيدرولوجيا تقدير الظواهر الهيدرولوجية المستقبلية. وعند تقييم مدى تكرار الأحداث النادرة نسبيًا، تُجرى التحليلات بناءً على فترة تكرار هذه الأحداث. وتشمل الكميات الأخرى ذات الأهمية متوسط ​​التدفق في النهر، سواءً في السنة أو حسب الموسم.

تُعدّ هذه التقديرات بالغة الأهمية للمهندسين والاقتصاديين لتمكينهم من إجراء تحليل دقيق للمخاطر ، ما يُسهم في التأثير على قرارات الاستثمار في البنية التحتية المستقبلية، وتحديد خصائص موثوقية إنتاجية أنظمة إمداد المياه. كما تُستخدم المعلومات الإحصائية لصياغة قواعد تشغيل السدود الكبيرة التي تُشكّل جزءًا من أنظمة تشمل الاحتياجات الزراعية والصناعية والسكنية .

النماذج الهيدرولوجية هي تمثيلات مفاهيمية مبسطة لجزء من الدورة الهيدرولوجية. تُستخدم هذه النماذج بشكل أساسي للتنبؤ الهيدرولوجي وفهم العمليات الهيدرولوجية، ضمن المجال العام للنمذجة العلمية . ويمكن تمييز نوعين رئيسيين من النماذج الهيدرولوجية: ^{[ 17 ]}

• النماذج القائمة على البيانات. تُعدّ هذه النماذج أنظمةً مُغلقة ، تستخدم مفاهيم رياضية وإحصائية لربط مُدخل مُحدد (مثل هطول الأمطار) بمُخرجات النموذج (مثل الجريان السطحي ). ومن التقنيات الشائعة الاستخدام: الانحدار ، ودوال النقل ، وتحديد النظام . قد تكون أبسط هذه النماذج نماذج خطية، ولكن من الشائع استخدام مُكونات غير خطية لتمثيل بعض الجوانب العامة لاستجابة حوض التصريف دون الخوض في تفاصيل العمليات الفيزيائية الحقيقية. ومن الأمثلة على ذلك السلوك المعروف بأن حوض التصريف يستجيب بشكل أسرع وأقوى عندما يكون رطبًا مُسبقًا مُقارنةً بحالته الجافة.
• النماذج القائمة على وصف العمليات. تسعى هذه النماذج إلى تمثيل العمليات الفيزيائية الملاحظة في الواقع. عادةً ما تتضمن هذه النماذج تمثيلات للجريان السطحي ، والجريان تحت السطحي ، والتبخر ، وجريان القنوات ، ولكنها قد تكون أكثر تعقيدًا. ضمن هذه الفئة، يمكن تقسيم النماذج إلى نماذج مفاهيمية ونماذج حتمية. تربط النماذج المفاهيمية بين تمثيلات مبسطة للعمليات الهيدرولوجية في منطقة ما، بينما تسعى النماذج الحتمية إلى حل أكبر قدر ممكن من فيزياء النظام. يمكن تقسيم هذه النماذج إلى نماذج الحدث الواحد ونماذج المحاكاة المستمرة.

تسعى الأبحاث الحديثة في مجال النمذجة الهيدرولوجية إلى اتباع نهج أكثر شمولية لفهم سلوك الأنظمة الهيدرولوجية من أجل إجراء تنبؤات أفضل ومواجهة التحديات الرئيسية في إدارة موارد المياه.

تُعدّ حركة المياه وسيلةً مهمةً لنقل مواد أخرى، كالتربة والحصى والصخور والملوثات، من مكانٍ إلى آخر. وقد تنشأ المدخلات الأولية إلى المسطحات المائية من مصدرٍ نقطي أو خطي أو مساحي ، كالجريان السطحي . ومنذ ستينيات القرن الماضي، طُوّرت نماذج رياضية معقدة بفضل توفر الحواسيب فائقة السرعة. وتشمل أكثر فئات الملوثات شيوعًا التي جرى تحليلها: المغذيات ، والمبيدات ، والمواد الصلبة الذائبة الكلية ، والرواسب .

• البرنامج الهيدرولوجي الدولي (IHP) ^{[ 18 ]}

• المعهد الدولي لإدارة المياه (IWMI) ^{[ 19 ]}
• معهد ديلفت للتعليم المائي التابع للأمم المتحدة ^{[ 20 ]}

• مركز علم البيئة والهيدرولوجيا - المملكة المتحدة ^{[ 21 ]}
• مركز علوم المياه، جامعة كرانفيلد ، المملكة المتحدة ^{[ 22 ]}
• eawag – البحوث المائية، ETH زيورخ، سويسرا ^{[ 23 ]}
• معهد الهيدرولوجيا، جامعة ألبرت لودفيج في فرايبورغ، ألمانيا ^{[ 24 ]}
• هيئة المسح الجيولوجي للولايات المتحدة - الموارد المائية في الولايات المتحدة ^{[ 25 ]}
• خدمة الأرصاد الجوية الوطنية التابعة للإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي - مكتب التطوير الهيدرولوجي، الولايات المتحدة ^{[ 26 ]}
• مركز الهندسة الهيدرولوجية التابع لفيلق المهندسين بالجيش الأمريكي ، الولايات المتحدة ^{[ 27 ]}
• مركز أبحاث المياه ، الولايات المتحدة ^{[ 28 ]}
• قسم الاقتصاد والعلوم الاجتماعية التابع للإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي (NOAA)، الولايات المتحدة ^{[ 29 ]}
• مركز أبحاث المخاطر والكوارث الطبيعية بجامعة أوكلاهوما، الولايات المتحدة ^{[ 30 ]}
• المركز الوطني لأبحاث الهيدرولوجيا ، كندا ^{[ 31 ]}
• المعهد الوطني للهيدرولوجيا ، الهند ^{[ 32 ]}

• المعهد الأمريكي للهيدرولوجيا (AIH) ^{[ 33 ]}
• الجمعية الجيولوجية الأمريكية (GSA) - قسم الهيدروجيولوجيا ^{[ 34 ]}
• الاتحاد الجيوفيزيائي الأمريكي (AGU) - قسم الهيدرولوجيا ^{[ 35 ]}
• الجمعية الوطنية للمياه الجوفية (NGWA) ^{[ 36 ]}
• الجمعية الأمريكية لموارد المياه ^{[ 37 ]}
• اتحاد الجامعات للنهوض بعلوم المياه (CUAHSI) ^{[ 38 ]}
• الرابطة الدولية لعلوم المياه (IAHS) ^{[ 39 ] [ 40 ]}
• مجموعة العمل الإحصائية في علم المياه (مجموعة فرعية من الجمعية الدولية لعلوم المياه) ^{[ 41 ]}
• الجمعية الهيدرولوجية الألمانية (DHG: Deutsche Hydrologische Gesellschaft) ^{[ 42 ]}
• الجمعية الهيدرولوجية الإيطالية (SII-IHS) – Società Idrologica Italiana
• الرابطة الشمالية للهيدرولوجيا ^{[ 43 ]}
• الجمعية الهيدرولوجية البريطانية ^{[ 44 ]}
• الجمعية الجغرافية الروسية (مركز موسكو) – لجنة الهيدرولوجيا ^{[ 45 ]}
• الرابطة الدولية للهيدرولوجيا البيئية ^{[ 46 ]}
• الرابطة الدولية لعلماء الهيدروجيولوجيا ^{[ 47 ]}
• جمعية علماء الهيدرولوجيا والأرصاد الجوية - نيبال ^{[ 48 ]}

• مبادرة المياه المتصلة، جامعة نيو ساوث ويلز ^{[ 49 ]} - دراسة قضايا المياه الجوفية وموارد المياه في أستراليا والتوعية بها
• مبادرة حوض موراي دارلينج ، وزارة البيئة والتراث، أستراليا ^{[ 50 ]}