تحديد مستجمعات المياه

تحديد مستجمعات المياه هو عملية تحديد حدود مستجمعات المياه، والتي تُعرف أيضاً باسم حوض التصريف أو حوض النهر. وهي خطوة مهمة في العديد من مجالات العلوم البيئية والهندسة والإدارة، على سبيل المثال لدراسة الفيضانات والموائل المائية وتلوث المياه.

يُنفَّذ نشاط تحديد مستجمعات المياه عادةً من قِبَل الجغرافيين والعلماء والمهندسين. تاريخيًا، كان تحديد مستجمعات المياه يتم يدويًا على خرائط طبوغرافية ورقية ، ويُستكمل أحيانًا بالبحوث الميدانية. في ثمانينيات القرن الماضي، طُوِّرت أساليب آلية لتحديد مستجمعات المياه باستخدام الحواسيب والبيانات الإلكترونية، وهي الآن شائعة الاستخدام.

تستخدم الطرق المحوسبة لتحديد مستجمعات المياه نماذج الارتفاع الرقمية (DEMs)، وهي مجموعات بيانات تمثل ارتفاع سطح الأرض. ويمكن إجراء تحديد مستجمعات المياه المحوسب باستخدام برامج نمذجة هيدرولوجية متخصصة مثل WMS ، أو برامج نظم المعلومات الجغرافية مثل ArcGIS أو QGIS ، أو باستخدام لغات برمجة مثل Python أو R.

تُعدّ مستجمعات المياه وحدة جغرافية أساسية في علم المياه ، وهو العلم المعني بحركة المياه وتوزيعها وإدارتها على سطح الأرض. ويمكن اعتبار تحديد مستجمعات المياه تطبيقًا لعلم الهيدروغرافيا ، وهو فرع من العلوم التطبيقية يُعنى بقياس ووصف الخصائص الفيزيائية للمحيطات والبحار والمناطق الساحلية والبحيرات والأنهار. كما يرتبط هذا العلم بعلم الجيومورفومترية ، وهو العلم الكمي لتحليل أسطح الأرض. ولا يزال تحديد مستجمعات المياه مجالًا بحثيًا نشطًا، حيث يعمل العلماء والمبرمجون على تطوير خوارزميات وأساليب جديدة، والاستفادة من بيانات عالية الدقة بشكل متزايد من الاستشعار عن بُعد الجوي أو الفضائي .

الطريقة التقليدية لتحديد حدود مستجمعات المياه هي رسمها يدويًا على خريطة طبوغرافية ورقية ، أو على طبقة شفافة. يمكن بعد ذلك تقدير مساحة مستجمعات المياه باستخدام جهاز قياس المساحة ، وذلك بوضع ورقة رسم بياني وحساب خلايا الشبكة، أو يمكن رقمنة النتيجة لاستخدامها مع برامج الخرائط. يمكن تنفيذ العملية نفسها على جهاز كمبيوتر، برسم حدود مستجمعات المياه (باستخدام الفأرة أو القلم الضوئي) فوق نسخة رقمية من خريطة طبوغرافية. ^{[ 1 ]} يُشار إلى هذه العملية باسم "الرقمنة المباشرة" أو "الرقمنة على الشاشة". ^{[ 2 ]}

يتطلب تحديد مستجمعات المياه "يدويًا" معرفة كيفية قراءة وتفسير الخريطة الطبوغرافية، على سبيل المثال لتحديد التلال والوديان واتجاه أشد المنحدرات. ^{[ 3 ]} وحتى في عصر الحوسبة، لا يزال تحديد مستجمعات المياه يدويًا مهارة مفيدة للتحقق من صحة مستجمعات المياه المُنشأة بواسطة البرامج. ^{[ 1 ]}

يمكن العثور على تعليمات تحديد مستجمعات المياه يدويًا في بعض الكتب الدراسية في الجغرافيا أو الإدارة البيئية، وفي الكتيبات الحكومية، ^{[ 4 ] [ 5 ]} أو في دروس الفيديو التعليمية عبر الإنترنت. ^{[ 6 ]}

وفقًا لهيئة المسح الجيولوجي الأمريكية، هناك 5 خطوات لتحديد مستجمعات المياه يدويًا: ^{[ 6 ]}

1. حدد نقطة الاهتمام على طول مجرى مائي على الخريطة. هذه هي "نقطة تصريف المياه" أو "نقطة الصب".
2. تخيل أو ارسم خطوط تدفق المياه السطحية التي تشير إلى أسفل المنحدر بشكل عمودي على خطوط الكنتور الطبوغرافية (هذا هو الاتجاه الأكثر انحدارًا).
3. حدد موقع النقاط الطبوغرافية المرتفعة (القمم) حول مجرى النهر.
4. حدد النقاط على طول خطوط الكنتور التي تقسم التدفقات باتجاه مجرى النهر أو بعيدًا عنه (التلال).
5. قم بتوصيل النقاط لتحديد مستجمع المياه.

القواعد العامة:

• ينبغي أن يكون حد مستجمع المياه عموديًا على خطوط الكنتور عند تقاطعه معها.
• يجب ألا تعبر حدود مستجمعات المياه الأنهار أو الجداول إلا عند المصب. (في بعض الحالات، قد يمر خط أزرق يمثل قناة أو خط أنابيب من صنع الإنسان عبر حدود مستجمعات المياه الخاصة بك).
• ينبغي أن يمتد خط حدود مستجمعات المياه على طول خطوط التلال ويربط بين النقاط المرتفعة.

من عيوب تحديد مستجمعات المياه يدويًا أنها عرضة للأخطاء وللتقدير الشخصي للمحلل. وقد ذكرت وكالة حماية البيئة في إلينوي : "ضع في اعتبارك أن تحديد مستجمعات المياه ليس علمًا دقيقًا. أي شخصين، حتى لو كانا خبيرين، سيتوصلان إلى حدود مختلفة قليلاً." ^{[ 5 ]}

خاصةً بالنسبة للأحواض المائية الصغيرة، وعندما تكون النتائج الدقيقة ضرورية، قد يكون الاستطلاع الميداني ضروريًا للعثور على معالم غير ظاهرة على الخرائط. "يُتيح لك الخروج إلى الميدان تحديد التغييرات البشرية، مثل خنادق الطرق، ومجاري تصريف مياه الأمطار، والعبارات التي قد تُغير اتجاه تدفق المياه، وبالتالي تُغير حدود الحوض المائي." ^{[ 5 ]}

يُعدّ استخدام برامج الحاسوب لتحديد مستجمعات المياه أسرع بكثير من الطرق اليدوية، وقد يكون أكثر اتساقًا أيضًا، إذ يُزيل التحيز الذاتي للمحلل. تُستخدم الطرق الآلية لتحديد مستجمعات المياه منذ ثمانينيات القرن الماضي، وهي الآن شائعة الاستخدام في الأوساط العلمية والهندسية. حتى أن الباحثين استخدموا طرقًا حاسوبية لتحديد مستجمعات المياه على سطح المريخ. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

تستخدم طرق تحديد مستجمعات المياه الآلية بيانات رقمية لارتفاع سطح الأرض، وهي نموذج الارتفاع الرقمي (DEM). عادةً، تستخدم الخوارزميات طريقة "أشد ميل" لحساب اتجاه التدفق من خلية شبكية (أو بكسل) إلى إحدى الخلايا المجاورة لها. ^{[ 9 ]}

من الممكن استخدام نماذج الارتفاع الرقمية (DEMs) بأشكال مختلفة لتحديد مستجمعات المياه، مثل الشبكة المثلثية غير المنتظمة (TIN) ^{[ 10 ]} أو التبليط السداسي ^{[ 11 ]،} إلا أن معظم الخوارزميات الحديثة تستخدم شبكة مستطيلة منتظمة ^{[ 12 ]} . في ثمانينيات وتسعينيات القرن الماضي، كان يتم الحصول على نماذج الارتفاع الرقمية غالبًا عن طريق مسح خطوط الكنتور على الخرائط الطبوغرافية الورقية وتحويلها إلى صيغة رقمية، ثم تحويلها إلى شبكة مثلثية غير منتظمة أو نموذج ارتفاع رقمي شبكي [13]. ^{في الآونة الأخيرة} ، يتم الحصول على نموذج الارتفاع الرقمي عن طريق الاستشعار عن بُعد الجوي أو الفضائي ، باستخدام تقنيات التصوير المجسم ، أو الليدار ، أو الرادار ^{[ 14 ]} .

لاستخدام نموذج الارتفاع الرقمي (DEM) ذي الشبكة المستطيلة لتحديد مستجمعات المياه، يجب أولاً معالجته أو "تهيئته" للحصول على نتائج واقعية. ^{[ 9 ]} يُشار إلى النتيجة أحيانًا باسم نموذج الارتفاع الرقمي "المُعزز هيدرولوجيًا" أو "HydroDEM". تستطيع معظم حزم البرامج المذكورة أدناه أداء هذه الوظائف على نموذج الارتفاع الرقمي "الخام"، أو يمكن للمحللين تنزيل نماذج ارتفاع رقمية مُهيأة هيدرولوجيًا مثل HydroSHEDS شبه العالمي، ^{[ 15 ]} أو MERIT-Hydro، ^{[ 16 ]} أو EDNA ^{[ 17 ]} للولايات المتحدة القارية. الخطوات المعتادة للتهيئة الهيدرولوجية لنموذج الارتفاع الرقمي هي:

1. املأ الأحواض.
2. "تشغيل" قنوات البث.
3. احسب اتجاه التدفق.
4. احسب تراكم التدفق.

بالإضافة إلى ذلك، تسمح بعض الطرق بإنشاء "أسوار على طول قمم التلال" وحرق مسارات التدفق عبر البحيرات. ^{[ 18 ]} كما تفرض بعض الطرق ميلًا طفيفًا على المناطق المسطحة لضمان استمرار التدفق نحو المصب. ^{[ 19 ]} تتضمن خطوة "حرق" قنوات الجداول تعميق القناة بشكل مصطنع، عن طريق طرح قيمة ارتفاع كبيرة من وحدات البكسل التي تمثل القناة. وهذا يضمن بقاء التدفق داخل القناة بعد دخوله، بدلًا من خروجه وتدفقه فوق اليابسة أو إلى قناة أخرى. تستنتج بعض الخوارزميات موقع القنوات تلقائيًا من نموذج الارتفاع الرقمي. وعادةً ما تُحقق نتائج أفضل بحرق قنوات الجداول المُرسمة، أو القنوات المُستمدة من صور الأقمار الصناعية أو الصور الجوية. ^{[ 20 ]}

تتوفر عدة خوارزميات لحساب اتجاه التدفق من نموذج الارتفاع الرقمي. تُعرف الطريقة الأولى، التي قدمها الجغرافيان الأستراليان أوكالاهان ومارك عام ١٩٨٤، باسم D8. ^{[ ١٢ ]} يتدفق الماء من بكسل إلى أحد الاتجاهات الثمانية الممكنة إلى خلية مجاورة (بما في ذلك الاتجاه القطري)، بناءً على اتجاه أشد انحدار. لهذه الطريقة عيوب، إذ يقتصر تدفق الماء على ثمانية اتجاهات، يفصل بينها ٤٥ درجة، مما قد ينتج عنه أنماط تدفق غير واقعية. كذلك، ولأن التدفق كله يسير في اتجاه واحد، فإن طريقة D8 غير قادرة على نمذجة الحالات التي يتشعب فيها التدفق، كما هو الحال على سفوح التلال المحدبة، أو في دلتا النهر ، أو في الأنهار المتفرعة أو المتشعبة . وقد تم اقتراح خوارزميات بديلة وتطبيقها للتغلب على هذا القيد، مثل D∞. ^{[ 21 ]} ومع ذلك، لا تزال خوارزمية D8 مستخدمة على نطاق واسع، وقد تم استخدامها لإنشاء مجموعات بيانات مهمة مثل HydroBasins ^{[ 15 ]} وMERIT-Basins. ^{[ 16 ]}

لا يكون تحديد مستجمعات المياه باستخدام الحاسوب دقيقًا دائمًا. تنشأ بعض الأخطاء من وضع مخرج مستجمع المياه بشكل غير صحيح على شبكة الأنهار الرقمية، أو ما يُعرف بـ"تحديد نقطة الصب". ^{[ 22 ]} وينشأ نوع آخر من الأخطاء من عدم دقة بيانات التضاريس الرقمية، أو من كون دقتها منخفضة جدًا بحيث لا تسمح برصد مسارات التدفق. ^{[ 2 ]} بشكل عام، يمكن لنماذج الارتفاع الرقمية ذات الدقة المكانية العالية أن تصف تضاريس سطح الأرض واتجاه التدفق بشكل أكثر واقعية. ومع ذلك، هناك مفاضلة، حيث أن الشبكة الأكثر دقة ذات عدد أكبر من البكسلات تزيد من وقت الحساب. ^{[ 16 ]} ومع ذلك، حتى البيانات عالية الدقة قد لا ترصد مسارات التدفق بشكل كافٍ في البيئات المعقدة مثل المدن والضواحي، حيث يتم توجيه التدفق بواسطة الأرصفة والعبارات ومصارف مياه الأمطار. ^{[ 23 ]} أخيرًا، يمكن أن تنتج بعض الأخطاء عن الخوارزمية أو اختيار المعلمات. ^{[ 24 ]}

نظراً لشيوع الأخطاء، تُصرّ بعض الجهات المختصة على ضرورة التدقيق في نتائج التحديد الآلي للحدود. تسمح معايير هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية لمجموعة بيانات حدود مستجمعات المياه في الولايات المتحدة باستخدام برامج حاسوبية "لإنشاء خطوط حدودية وسيطة أو "مسودة"، والتي يجب على المحلل التحقق منها لاحقاً من خلال عرضها على شاشة الحاسوب فوق الخرائط الأساسية (الخرائط الطبوغرافية الممسوحة ضوئياً، والصور الجوية) للتأكد من دقتها. ^{[ 1 ]}

كُتبت بعض البرامج الأولى لتحديد مستجمعات المياه بلغة فورتران ، مثل CATCH ^{[ 25 ]} وDEDNM ^{[ 19 ]} . تُعد أدوات تحديد مستجمعات المياه جزءًا من العديد من حزم برامج نظم المعلومات الجغرافية، مثل ArcGIS و QGIS و GRASS GIS . كما توجد برامج مستقلة لتحديد مستجمعات المياه، مثل TauDEM. وتُدمج أدوات تحديد مستجمعات المياه أيضًا في بعض حزم برامج النمذجة الهيدرولوجية.

نشر مطورو البرامج أيضًا مكتبات أو وحدات برمجية بلغات متعددة (انظر القائمة أدناه). العديد من هذه الحزم مجانية ومفتوحة المصدر، مما يعني إمكانية توسيعها أو تعديلها من قِبل الراغبين والقادرين على كتابة أو تعديل التعليمات البرمجية. أخيرًا، توجد تطبيقات ويب لتحديد مستجمعات المياه. بعض هذه التطبيقات مزودة بميزات إضافية للعلوم والهندسة، مثل حساب إحصائيات التدفق أو أنواع الغطاء الأرضي لمستجمعات المياه (مثل: StreamStats وModel My Watershed).

تتوفر العديد من مجموعات البيانات المتجهة التي تمثل مستجمعات المياه على شكل مضلعات، ويمكن عرضها وتحليلها باستخدام نظم المعلومات الجغرافية أو برامج أخرى. في هذه المجموعات، تُقسّم مساحة الأرض بأكملها إلى "مستجمعات فرعية" أو "مستجمعات رئيسية". ويمكن دمج هذه المستجمعات الرئيسية أو تجميعها للحصول على مستجمعات أكبر. وترتبط هذه المستجمعات الرئيسية ببيانات رمزية هيدرولوجية أو بيانات وصفية مماثلة لإنشاء شبكة تدفق ، مما يسمح بتحديد مسارات التدفق والوصلات من خلال تحليل الشبكة. ^{[ 34 ]}

هذه القائمة غير شاملة، حيث قامت العديد من المنظمات والمناطق بإنتاج بيانات خرائط مستجمعات المياه الخاصة بها ونشرها عبر الإنترنت. ومن أبرز مجموعات البيانات ما يلي:

• مجموعة بيانات حدود مستجمعات المياه في الولايات المتحدة، ^{[ 35 ]} موقع الويب (يتم تحديثه باستمرار)
• حدود مستجمعات المياه التابعة للشبكة الهيدروغرافية الوطنية الكندية، ^{[ 36 ]} موقع الويب
• موقع HydroBasins الإلكتروني ^{[ 37 ]} (عالمي، 2013)
• المشتقات الهيدرولوجية للنمذجة والتطبيقات (HDMA)، ^{[ 38 ] [ 39 ]} (عالمي، 2017)
• MERIT-Basins، ^{[ 40 ] [ 41 ]} موقع الويب (عالمي، 2021)
• موقع Hydrography90m، ^{[ 42 ]} (2022، عالمي، يُظهر جداول المياه العليا الأصغر)