تعريف علم الهيدرولوجيا

ماهو علم الهيدرولوجيا

تعريف علم الهيدرولوجيا هو العلم الذي يشمل حدوث مياه الأرض ، وتوزيعها وحركتها وخصائصها وعلاقتها بالبيئة ، في كل مرحلة من مراحل الدورة الهيدرولوجية، و دورة الماء ، أو الدورة الهيدرولوجية هي عملية مستمرة يتم من خلالها تنقية المياه عن طريق التبخر ، ونقلها من سطح الأرض بما في ذلك المحيطات ، إلى الغلاف الجوي والعودة إلى الأرض والمحيطات.وإن جميع العمليات الفيزيائية والكيميائية ، والبيولوجية التي تنطوي على الماء ، أثناء انتقالها لمساراتها المختلفة في الغلاف الجوي ، فوق وتحت سطح الأرض ومن خلال النباتات المتنامية ، تهم أولئك الذين يدرسون الدورة الهيدرولوجية.وهناك العديد من المسارات التي قد تتخذها المياه في دورة السقوط المستمرة ، مثل هطول الأمطار ، أو تساقط الثلوج ، والعودة إلى الغلاف الجوي ، ويمكن التقاطها لملايين السنين ، في أغطية جليدية قطبية ، وقد يتدفق إلى الأنهار وأخيرا إلى البحر.وقد ينقع في التربة ليتبخر مباشرة من سطح التربة ، عندما يجف أو يمكن أن يحدث من خلال زراعة النباتات ـ وقد تتسرب من خلال التربة إلى خزانات المياه الجوفية (الخزانات الجوفية) ، ليتم تخزينها أو قد تتدفق إلى الآبار أو الينابيع أو تعود إلى الجداول ، عن طريق التسرب ، وقد تكون دورة المياه قصيرة ، أو قد تستغرق ملايين السنين. [1]يقطع الناس على دورة المياه مسارها لاستخداماتهم الخاصة ، فيتم تحويل الماء مؤقتًا من جزء من الدورة ، عن طريق ضخه من الأرض أو سحبه من نهر أو بحيرة ، أو يتم استخدامها لمجموعة متنوعة من الأنشطة ، مثل الأسر والشركات والصناعات ، لري المزارع والمتنزهات ، و إنتاج الطاقة الكهربائية ، وبعد الاستخدام يتم إرجاع الماء إلى جزء آخر من الدورة ، فربما يتم تصريفه في اتجاه مجرى النهر ، أو يُسمح له بالتسرب إلى الأرض ، وعادة ما تكون المياه المستخدمة أقل جودة ، حتى بعد المعالجة ، والتي غالبًا ما تطرح مشكلة للمستخدمين النهائيين.ويدرس أخصائي الهيدرولوجيا عمليات النقل الأساسية ، لتكون قادرة على وصف كمية ونوعية المياه ، أثناء انتقالها خلال الدورة (التبخر ، هطول الأمطار ، تدفق التيار ، التسرب ، تدفق المياه الجوفية ، ومكونات أخرى).كما يشارك مهندس الهيدرولوجيا الهندسي ، أو مهندس الموارد المائية ، في تخطيط وتحليل وتصميم وبناء وتشغيل المشاريع ، من أجل التحكم في موارد المياه ، واستخدامها وإدارتها ، ولا نغفل أن مشاكل الموارد المائية هي مصدر قلق علماء الأرصاد الجوية ، وعلماء المحيطات ، والجيولوجيين ، والكيميائيين ، والفيزيائيين ، وعلماء الأحياء ، والاقتصاديين ، وعلماء السياسة ، والمتخصصين في الرياضيات التطبيقية وعلوم الكمبيوتر ، والمهندسين في العديد من المجالات.

فائدة علم الهيدرولوجيا للمجتمع ودور علماء المياه

يطبق علماء الهيدرولوجيا المعرفة العلمية والمبادئ الرياضية ، لحل المشكلات المتعلقة بالمياه في المجتمع مثل ، المشاكل الكمية والنوعية والتوافر ، وقد تكون معنية بإيجاد إمدادات المياه للمدن ، أو المزارع المروية ، أو السيطرة على فيضان الأنهار ، أو تآكل التربة ، أو قد تعمل في مجال حماية البيئة ، مثل منع التلوث ، أو تنظيفه ، أو تحديد المواقع للتخلص الآمن من النفايات الخطرة.وقد يكون لدى الأشخاص المدربين في علم المياه ، مجموعة متنوعة من المسميات الوظيفية ،حيث يشارك العلماء والمهندسون في علم المياه ، في كل من التحقيقات الميدانية والعمل المكتبي.ففي الميدان ، يمكنهم جمع البيانات الأساسية ، والإشراف على اختبار جودة المياه ، والطواقم الميدانية المباشرة والعمل مع المعدات ، وتتطلب العديد من الوظائف السفر ، وبعضها في الخارج ، حيث يقضي أخصائي الهيدرولوجيا وقتًا طويلاً في العمل الميداني ، في التضاريس النائية والوعرة.وفي المكتب ، يقوم علماء الهيدرولوجيا بأشياء كثيرة مثل تفسير البيانات الهيدرولوجية ، وإجراء التحليلات لتحديد إمدادات المياه المحتملة ، ويعتمد الكثير من عملهم على أجهزة الكمبيوتر ، لتنظيم وتلخيص وتحليل كتل البيانات ، ولدراسات النمذجة مثل التنبؤ بالفيضانات ، وعواقب إطلاق الخزانات ، أو تأثير تسرب خزانات النفط تحت الأرض.عمل علماء المياه متنوعه ، مثل استخدامات المياه والتي تتراوح من التخطيط لمشاريع المياه بين دولارات تقدر بالملايين ، إلى تقديم المشورة لأصحاب المنازل ، حول مشاكل تصريف المياه في الفناء الخلفي.[2]

وظيفة أخصائي الهيدرولوجيا

كما ذكرنا سابقًا أن عالم المياه ، هو الشخص الذي يدرس الماء و دورة الماء ، ومن ثم يستخدمون خبراتهم لحل المشاكل في مجالات جودة المياه ، أو توافرها ، وبناء عليه يقوم اختصاصي الهيدرولوجيا عادةً بما يلي :

قياس خصائص المسطحات المائية ، مثل الحجم وتدفق التيار.

جمع عينات الماء والتربة لاختبار خصائص معينة ، مثل مستويات التلوث.

تطبيق نتائج البحث للمساعدة في تقليل الآثار البيئية للتلوث ، والتآكل والمشكلات الأخرى.

البحث عن طرق لتحسين الحفاظ على المياه والحفاظ عليها.

استخدم نماذج الكمبيوتر للتنبؤ بإمدادات المياه المستقبلية ، وانتشار التلوث والأحداث الأخرى.

تقييم جدوى المشاريع المتعلقة بالمياه ، مثل محطات الطاقة الكهرومائية ، وأنظمة الري ، ومرافق معالجة النفايات.

إعداد التقارير المكتوبة ، والعروض التقديمية للنتائج التي توصلوا إليها.

ويستخدم الهيدرولوجيين أجهزة الاستشعار عن بعد لجمع البيانات ، وعادة ما يقومون هم ، أو الفنيون الذين يشرفون عليهم بتركيب وصيانة هذه المعدات ، كما أنهم يستخدمون برامج كمبيوتر معقدة لتحليل البيانات ونمذجتها ، ويستخدمون معدات مخبرية معقدة لتحليل العينات الكيميائية التي يتم جمعها في الميدان.كما يعمل الهيدرولوجيين بشكل وثيق مع المهندسين ، والعلماء والمسؤولين الحكوميين لدراسة ، وإدارة إمدادات المياه ، على سبيل المثال ، يعملون مع صانعي السياسات لتطوير خطط الحفاظ على المياه ، ومع علماء الأحياء لرصد الحياة البرية البحرية..كما يتخصص معظم أخصائي الهيدرولوجيا وعلماء المياه في مصدر محدد للمياه ، أو جانب معين من دورة المياه ، مثل تبخر المياه من البحيرات والجداول.مسميات أخرى لأخصائي علم الهيدرولوجيايطلق على أخصائي علم الهيدرولوجيا أو عالم المياه عدة مسميات أخرى ، هي كالتالي :

هيدرولوجي المياه السطحية.

هيدرولوجي بحري.

هيدرولوجي البحوث.

هيدرولوجي المياه الجوفية.

علم الهيدرولوجيا وسطح الماء

تلبي معظم المدن احتياجاتها من المياه عن طريق سحبها من أقرب نهر ، أو بحيرة أو خزان ، يساعد علماء الهيدرولوجيا المدن ، من خلال جمع وتحليل البيانات اللازمة للتنبؤ بكمية المياه المتاحة ، من الإمدادات المحلية وما إذا كانت ستكون كافية لتلبية الاحتياجات المستقبلية المتوقعة للمدينة ، وللقيام بذلك ، يدرس علماء الهيدروجين سجلات هطول الأمطار ، وأعماق الثلج ، وتدفقات الأنهار التي يتم جمعها ، وتجميعها من قبل علماء الهيدرولوجيا في مختلف الوكالات الحكومية ، ومن ثم يقومون بجرد مدى تدفق النهر بالفعل من قبل الآخرين.ويمكن أن تكون إدارة الخزانات معقدة للغاية ، لأنها تخدم عمومًا العديد من الأغراض، فتزيد الخزانات من موثوقية إمدادات المياه المحلية ، ويستخدم علماء الهيدروغرافيا الخرائط الطبوغرافية ، والصور الجوية لتحديد موقع شواطئ الخزان ، ولحساب أعماق الخزان وسعة التخزين ،و يضمن هذا العمل أنه حتى في أقصى السعة ، لن يتم إغراق الطرق السريعة أو السكك الحديدية أو المنازل.كما يعتمد تحديد كمية المياه التي سيتم إطلاقها ومقدار تخزينها على الوقت من السنة ، وتنبؤات التدفق للأشهر العديدة القادمة ، واحتياجات الري والمدن ، وكذلك مستخدمي المياه في المصب الذين يعتمدون على الخزان ، وإذا تم استخدام الخزان أيضًا للترفيه أو لتوليد الطاقة الكهرومائية ، فيجب مراعاة هذه المتطلبات ، ويجب تنسيق القرارات مع مديري الخزانات الأخرى على طول النهر.[3]ويقوم علماء الهيدرولوجيا بجمع المعلومات اللازمة ، وإدخالها في الكمبيوتر ، وتشغيل نماذج الكمبيوتر للتنبؤ بالنتائج في إطار استراتيجيات التشغيل المختلفة. على أساس هذه الدراسات ، يمكن لمديري الخزانات اتخاذ أفضل قرار للمشاركين.وفي بعض الأحيان يتم تقييد توفر المياه السطحية للسباحة ، أو الشرب أو الاستخدامات الصناعية أو غيرها بسبب التلوث ، ويمكن أن يكون التلوث مجرد إزعاج قبيح وغير ملائم ، أو يمكن أن يكون تهديدًا غير مرئي ، ولكنه مميت لصحة الناس والنباتات والحيوانات.ويساعد الهيدرولوجيين مسؤولي الصحة العامة في مراقبة إمدادات المياه العامة ، لضمان تلبية المعايير الصحية ، وعند اكتشاف التلوث ، يعمل المهندسون البيئيون مع علماء الهيدرولوجيا في تصميم برنامج أخذ العينات اللازم ، ويجب مراقبة جودة المياه في مصبات الأنهار والجداول والأنهار والبحيرات ، ومسح صحة الأسماك والنباتات والحياة البرية على امتدادها.وتتعلق الأعمال ذات الصلة بالمطر الحمضي وتأثيراته على الحياة المائية ، وسلوك المعادن السامة والمواد الكيميائية العضوية في البيئات المائية ، ويتم تطوير النماذج الهيدرولوجية ، ونوعية المياه الرياضية واستخدامها من قبل علماء الهيدرولوجيا للتخطيط والإدارة والتنبؤ بآثار جودة المياه للظروف المتغيرة.ويمكن أن يقوم علماء الهيدرولوجيا في الميدان بإجراء تحليلات بسيطة مثل الأس الهيدروجيني والعكارة ومحتوى الأكسجين ، وتتطلب التحليلات الكيميائية الأخرى معدات مخبرية أكثر تعقيدًا.ففي الماضي ، كانت مياه الصرف الصحي البلدية والصناعية مصدرًا رئيسيًا للتلوث في الجداول والبحيرات. وكثيرا ما تتلقى هذه النفايات الحد الأدنى فقط من المعالجة ، أو يتم إلقاء النفايات الخام في الأنهار ، أما اليوم ، نحن أكثر وعيًا بعواقب مثل هذه الإجراءات ، ويجب استثمار مليارات الدولارات في معدات مكافحة التلوث لحماية مياه الأرض.ومن الصعب تحديد مصادر التلوث الأخرى والتحكم فيها ، وتشمل هذه أملاح إزالة الجليد من الطرق ، والجريان السطحي للعواصف من المناطق الحضرية ، والأراضي الزراعية ، والتآكل من مواقع البناء.

علم الهيدرولوجيا و المياه الجوفية

غالبًا ما تكون المياه الجوفية ، التي يتم ضخها من تحت سطح الأرض ، أرخص وأكثر ملاءمة وأقل عرضة للتلوث من المياه السطحية ، لذلك يتم استخدامه عادة لإمدادات المياه العامة ، توفر المياه الجوفية أكبر مصدر لتخزين المياه الصالحة للاستخدام ، تحتوي الخزانات الجوفية على مياه أكثر بكثير من سعة جميع الخزانات والبحيرات السطحية ، بما في ذلك البحيرات الكبرى ، وفي بعض المناطق ، قد تكون المياه الجوفية هي الخيار الوحيد ، وبعض البلديات تعيش على المياه الجوفية فقط.ويقدر علماء الهيدرولوجيا حجم المياه المخزنة تحت الأرض من خلال قياس مستويات المياه ، في الآبار المحلية وفحص السجلات الجيولوجية ، من حفر الآبار لتحديد مدى وعمق وسمك الرواسب والصخور الحاملة للماء.وقبل الاستثمار في الآبار كاملة الحجم ، قد يشرف علماء المياه على حفر آبار الاختبار ، ويلاحظون الأعماق التي يصادف فيها الماء ، ويجمعون عينات من التربة والصخور ، والمياه للتحليل المختبري ، وقد يقومون بإجراء مجموعة متنوعة من الاختبارات الجيوفيزيائية على الحفرة المكتملة ، مع الاحتفاظ بسجلات دقيقة لملاحظاتهم ونتائج الاختبار.كما يحدد الهيدرولوجيين معدل الضخ الأكثر كفاءة ، من خلال مراقبة مدى انخفاض مستويات المياه في البئر المضخوخ ، وفي أقرب جيرانه ، ويمكن أن يؤدي ضخ البئر بسرعة كبيرة إلى جفافه ، أو قد يتداخل مع الآبار المجاورة ، على طول الساحل ، ويمكن أن يتسبب التدفق الزائد ، في تسرب المياه المالحة ، من خلال رسم هذه البيانات وتحليلها ، ويمكن لعلماء الهيدرولوجيا تقدير الغلة القصوى والأمثل للبئر.

علم الهيدرولوجيا و المياه الجوفية الملوثة

المياه الجوفية الملوثة أقل وضوحا ، ولكنها أكثر غدرا وصعوبة في التنظيف ، فمن التلوث في الأنهار والبحيرات ، ينتج تلوث المياه الجوفية في الغالب عن التخلص غير السليم من النفايات على الأرض ، وتشمل المصادر الرئيسية الكيماويات الصناعية ، والمنزلية ومدافن القمامة ، وبحيرات النفايات الصناعية ، والمخلفات ومعالجة مياه الصرف الناتجة عن المناجم ، وحفر المحاليل الملحية في حقول النفط ، وتسرب خزانات النفط وخطوط الأنابيب تحت الأرض ، وحمأة الصرف الصحي ، وأنظمة الصرف الصحي.ويقدم الهيدرولوجيين إرشادات في موقع مراقبة الآبار ، حول مواقع التخلص من النفايات ، ويأخذونها على فترات منتظمة ، لتحديد ما إذا كان الراشح غير المرغوب فيه ، مثل المياه الملوثة التي تحتوي على مواد كيميائية سامة ، أو خطرة تصل إلى المياه الجوفية.وفي المناطق الملوثة ، قد يجمع علماء المياه عينات من التربة والمياه لتحديد نوع ومدى التلوث ، ثم يتم رسم البيانات الكيميائية على الخريطة لتوضيح حجم واتجاه حركة النفايات ، وفي الحالات المعقدة ، توفر النمذجة الحاسوبية لتدفق المياه ، وترحيل النفايات إرشادات لبرنامج التنظيف.وفي الحالات القصوى ، قد تتطلب الإجراءات العلاجية حفر التربة الملوثة ، أما اليوم  يدرك معظم الناس والصناعات أن حجم الأموال المستثمرة في الوقاية أقل بكثير من التنظيف ، وغالبًا ما تتم استشارة الهيدرولوجيين لاختيار المواقع المناسبة لمنشآت التخلص من النفايات الجديدة.[4]ويتم تقليل خطر التلوث إلى الحد الأدنى من خلال تحديد الآبار في مناطق المياه الجوفية العميقة ، والتربة غير النفاذة ، وتشمل الممارسات الأخرى بطانة الجزء السفلي من المكب ، بمواد مانعة للماء ، وجمع أي سوائل مع مصارف ، والحفاظ على سطح المكب مغطى قدر الإمكان ، مع المراقبة الدقيقة فهي ضرورية دائمًا.

كيف تصبح أخصائي في علم الهيدرولوجيا

بالنسبة لمعظم الوظائف ، يحتاج علماء الهيدرولوجيا إلى درجة الماجستير ، مع التركيز في العلوم الطبيعية ، وقد يحتاجون إلى ترخيص في بعض الولايات القضائية.وتعتبر درجة البكالوريوس كافية لبعض وظائف الأخصائي الهيدرولوجي للمبتدئين ، فعادةً ما يحتاج المتقدمون لشغل مناصب البحث المتقدم ، وأعضاء هيئة التدريس بالجامعة ، إلى درجة الدكتوراه ، وعدد قليل من الجامعات تقدم درجات علمية في علم المياه ، وبدلاً من ذلك ، تقدم معظم الجامعات تركيزات هيدرولوجية ، في علوم الأرض ، أو علوم البيئة ، أو برامج الهندسة.كما يحتاج الطلاب المهتمون بأن يصبحوا متخصصين في علم المياه ، إلى دورات دراسية مكثفة في الرياضيات ، والإحصاء والعلوم الفيزيائية ، والكمبيوتر وعلوم الحياة ، والكيمياء والبيولوجيا ، بالإضافة إلى ذلك هناك حاجة إلى خلفية كافية في مواضيع أخرى مثل الاقتصاد والتمويل العام ، والقانون البيئي وسياسة الحكومة ، وسيكون الطلاب الذين لديهم خبرة في نمذجة الكمبيوتر وتحليل البيانات ، ورسم الخرائط الرقمية هم الأكثر استعدادًا ، لدخول سوق العمل.[5]كما يستخدم علماء الهيدرولوجيا أنظمة المعلومات الجغرافية (GIS) ، والاستشعار عن بعد ، ومعدات نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) للقيام بعملهم.

المستوى التعليمي لأخصائي علم الهيدرولوجيا

معظم علماء المياه حاصلون على درجة البكالوريوس ، وأكثر مجالات الدراسة شيوعًا هي الجيولوجيا ، تلك الدرجة  يمتلكها حوالي  23 ٪ من علماء الهيدرولوجيا.وغالبًا ما يكون لدى الهيدرولوجيين مستويات مماثلة من التعليم ، فحوالي  54٪ من علماء الهيدرولوجيا حاصلون على درجة البكالوريوس ، والثاني الأكثر شيوعًا هو درجة الماجستير بنسبة 46٪.