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.

تتضمن جميع العمليات الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية التي تشمل الماء، خلال انتقالها عبر مختلف المسارات في الغلاف الجوي وتحت سطح الأرض وداخل النباتات المتنامية، أهمية كبيرة لأولئك الذين يدرسون الدورة الهيدرولوجية.

يمكن للمياه أن تتدفق عبر العديد من المسارات في دورة السقوط المستمرة، مثل هطول الأمطار أو تساقط الثلوج، ثم العودة إلى الغلاف الجوي، ويمكن أن تبقى لملايين السنين في أغطية جليدية قطبية، وقد تتحرك في الأنهار وتصل أخيرا 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. 

يتم قطع دورة المياه المعتادة للاستخدام الشخصي، ويتم توجيه الماء مؤقتا من جزء محدد من الدورة، سواء عن طريق ضخه من الأرض أو سحبه من نهر أو بحيرة، أو استخدامه لأغراض متنوعة مثل الأسر والشركات والصناعات وري المزارع والحدائق وتوليد الكهرباء. وبعد الاستخدام، يتم إعادة توجيه الماء إلى جزء آخر من الدورة، سواء عن طريق تصريفه في مجرى النهر أو السماح له بالتسرب إلى الأرض. وعادة ما يكون الماء المستخدم ذو جودة منخفضة، حتى بعد المعالجة، مما يشكل تحديا للمستخدمين النهائيين.

يدرس الخبير في علم الهيدرولوجيا عمليات النقل الأساسية، ليصف كمية ونوعية المياه أثناء تداولها في الدورة المائية (التبخر، هطول الأمطار، تدفق التيار، التسرب، تدفق المياه الجوفية، وغيرها من المكونات).

يشارك مهندس الهيدرولوجيا الهندسي، أو مهندس الموارد المائية، في تخطيط وتحليل وتصميم وبناء وتشغيل المشاريع المتعلقة بالتحكم في موارد المياه واستخدامها وإدارتها. ولا يمكن تجاهل حقيقة أن مشاكل الموارد المائية تشكل مصدر قلق للعديد من العلماء مثل 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

يستخدم علماء الهيدرولوجيا المعرفة العلمية والمبادئ الرياضية لحل المشكلات المتعلقة بالمياه في المجتمع، مثل المشاكل الكمية والنوعية والتوافر. ويمكن أن تكون هذه المشاكل متعلقة بإمدادات المياه للمدن أو المزارع المروية، أو السيطرة على فيضانات الأنهار، أو تآكل التربة، أو حماية البيئة، مثل منع التلوث أو تنظيفه، أو تحديد مواقع آمنة للتخلص من النفايات الخطرة.

قد يكون للخبراء في علم المياه مجموعة متنوعة من الألقاب الوظيفية ، حيث يشارك العلماء والمهندسون العاملين في مجال علم المياه في التحقيقات الميدانية والأعمال المكتبية.

في هذا المجال، يمكن للمتخصصين جمع البيانات الأساسية والإشراف على اختبار جودة المياه والعمل مباشرة مع فرق العمل في الميدان والتعامل مع المعدات. وتتطلب بعض الوظائف السفر، وبعضها خارج البلاد، حيث يقضي أخصائي الهيدرولوجيا وقتًا طويلاً في العمل الميداني في التضاريس النائية والوعرة.

وفي المكتب، يقوم علماء الهيدرولوجيا بأعمال متنوعة مثل تفسير البيانات الهيدرولوجية، وإجراء التحليلات لتحديد إمدادات المياه المحتملة، ويعتمد الكثير من عملهم على أجهزة الكمبيوتر لتنظيم وتلخيص وتحليل كتل البيانات، ولدراسة النماذج مثل التنبؤ بالفيضانات وعواقب إطلاق الخزانات أو تأثير تسرب خزانات النفط تحت الأرض.

يقوم علماء المياه بأعمال متنوعة، مثل تخطيط مشاريع المياه التي تكلف ملايين الدولارات، إلى تقديم النصح لأصحاب المنازل حول مشاكل تصريف المياه في الفناء الخلفي.

وظيفة أخصائي الهيدرولوجيا

كما ذكرنا سابقا، عالم المياه هو الشخص الذي يدرس الماء ودورة الماء، ويستخدم خبراته لحل مشاكل جودة المياه وتوافرها، وبالتالي، يقوم اختصاصي الهيدرولوجيا عادة بالأعمال التالية

1. يتم قياس خصائص المسطحات المائية، مثل الحجم وتدفق التيار.
2. يتم جمع عينات من الماء والتربة لاختبار بعض الخصائص المحددة، مثل مستويات التلوث.
3. يتم استخدام نتائج البحث للمساعدة في تقليل الآثار البيئية للتلوث والتآكل وغيرها من المشكلات.
4. البحث عن طرق لتحسين الحفاظ على المياه والحفاظ عليها.
5. يمكن استخدام نماذج الحاسوب للتنبؤ بإمدادات المياه المستقبلية وانتشار التلوث والأحداث الأخرى.
6. تقويم فعالية المشاريع المتعلقة بالمياه، مثل محطات توليد الطاقة الكهرومائية وأنظمة الري ومرافق معالجة النفايات.
7. يشمل العمل على إعداد التقارير المكتوبة والعروض التقديمية للنتائج التي تم التوصل 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.

يتعاون الهيدرولوجيون بشكل وثيق مع المهندسين والعلماء والمسؤولين الحكوميين في دراسة وإدارة إمدادات المياه، على سبيل المثال، يعملون مع صانعي السياسات لتطوير خطط الحفاظ على المياه، ومع علماء الأحياء لرصد الحياة البرية والبحرية..

يتخصص معظم أخصائي الهيدرولوجيا وعلماء المياه في مصدرٍ محددٍ للمياه، أو جانبٍ محددٍ من دورة المياه، مثل تبخر المياه من البحيرات والجداول.

مسميات أخرى لأخصائي علم الهيدرولوجيا

يتم استخدام عدة مسميات لوصف أخصائي علم الهيدرولوجيا أو عالم المياه، وتشمل الأسماء التالية:

• هيدرولوجي المياه السطحية.
• هيدرولوجي بحري.
• هيدرولوجي البحوث.
• هيدرولوجي المياه الجوفية.

علم الهيدرولوجيا وسطح الماء

تستوفي معظم المدن احتياجاتها من المياه عن طريق سحبها من أقرب نهر أو بحيرة أو خزان. يقوم علماء الهيدرولوجيا بمساعدة المدن عن طريق جمع البيانات الضرورية وتحليلها للتنبؤ بكمية المياه المتاحة من المصادر المحلية وما إذا كانت كافية لتلبية الاحتياجات المستقبلية المتوقعة للمدينة. ولتحقيق ذلك، يقوم علماء الهيدروجين بدراسة سجلات هطول الأمطار وسمك الثلوج وتدفقات الأنهار التي يتم جمعها وتجميعها من قبل علماء الهيدرولوجيا في مختلف الوكالات الحكومية، ثم يقومون بتقدير تدفق النهر الفعلي من جانب الآخر.

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.

تحديد كمية المياه المفرج عنها ومستوى التخزين يعتمد على الفصل الزمني، والتوقعات المتعلقة بتدفق المياه لعدة أشهر قادمة، واحتياجات الري والمدن، واعتمادا على المستخدمين الذين يعتمدون على الخزان، سواء للاستخدام الترفيهي أو لتوليد الطاقة الكهرومائية، يجب مراعاة هذه المتطلبات، ويجب تنسيق القرارات مع مشغلي الخزانات الأخرى على طول النهر.

يقوم علماء الهيدرولوجيا بجمع المعلومات اللازمة وإدخالها في الحاسوب، وتشغيل نماذج الحاسوب للتنبؤ بالنتائج في إطار استراتيجيات التشغيل المختلفة، وبناءً على هذه الدراسات، يمكن لمديري الخزانات اتخاذ أفضل القرارات للمشاركين.

قد يتم حظر استخدام المياه السطحية في بعض الأحيان بسبب التلوث، ويمكن أن يكون هذا التلوث مجرد إزعاج غير ملائم أو يشكل تهديدًا مميتًا لصحة الناس والنباتات والحيوانات.

ويساعد الخبراء في الهيدرولوجيا مسؤولي الصحة العامة في رصد إمدادات المياه العامة، لضمان التوافق مع المعايير الصحية، وعند اكتشاف التلوث، يعمل المهندسون البيئيون مع علماء الهيدرولوجيا على وضع برنامج لأخذ العينات اللازمة، ويجب مراقبة جودة المياه في مجاري الأنهار والبرك والبحيرات، وتقييم صحة الأسماك والنباتات والحياة البرية على طولها.

تشمل الأعمال ذات الصلة المطر الحمضي وتأثيره على الكائنات المائية، وسلوك المعادن السامة والمواد الكيميائية العضوية في البيئات المائية، ويتم تطوير نماذج هيدرولوجية وتقييم جودة المياه واستخدامها من قبل علماء هيدرولوجيا للتخطيط والإدارة والتنبؤ بتأثيرات جودة المياه في ظروف متغيرة.

يمكن لعلماء الهيدرولوجيا الميدانيين إجراء تحليلاتبسيطة مثل قياس الحموضة والعكارة ومحتوى الأكسجين، وتتطلب التحليلات الكيميائية الأخرى معدات مخبرية أكثر تعقيدًا.

في السابق، كانت مياه الصرف الصحي البلدية والصناعية مصدرا رئيسيا لتلوث الجداول والبحيرات. وغالبا ما يتم معالجة هذه النفايات بشكل أدنى، أو يتم إلقاؤها بشكل خام في الأنهار. ولكن اليوم، نحن أكثر وعيا بعواقب هذه الإجراءات، ويجب علينا استثمار مليارات الدولارات في معدات مكافحة التلوث لحماية مياه الأرض.

يعد تحديد مصادر التلوث الأخرى والسيطرة عليها صعبًا، وتشمل ذلك إزالة الأملاح من الطرق، وتصريف مياه العواصف من المناطق الحضرية والأراضي الزراعية، وتآكل المواد من مواقع البناء.

علم الهيدرولوجيا و المياه الجوفية

عادة، المياه الجوفية التي يتم ضخها من تحت سطح الأرض تكون أرخص وأكثر ملاءمة وأقل عرضة للتلوث من المياه السطحية، وبالتالي غالبا ما تستخدم لتلبية احتياجات المياه العامة، إذ تعتبر المياه الجوفية المصدر الرئيسي لتخزين المياه الصالحة للاستخدام، حيث تتسع الخزانات الجوفية لكميات أكبر بكثير من خزانات المياه السطحية بما في ذلك البحيرات الكبيرة، وفي بعض المناطق، قد تكون المياه الجوفية الخيار الوحيد المتاح، وهناك بعض البلديات التي تعتمد حصرا على المياه الجوفية لاستدامتها.

يقوم علماء الهيدرولوجيا بتقدير حجم المياه المخزنة تحت الأرض عن طريق قياس مستويات المياه في الآبار المحلية وفحص السجلات الجيولوجية لتحديد مدى وعمق وسمك الرواسب والصخور التي تحتوي على الماء.

قبل الاستثمار في آبار كاملة الحجم، قد يقوم علماء المياه بحفر آبار اختبارية لمراقبة عمق الماء وجمع عينات من التربة والصخور والماء للتحليل المختبري. قد يجرون مجموعة متنوعة من الاختبارات الجيوفيزيائية على البئر المكتملة ويحتفظون بسجلات دقيقة لملاحظاتهم ونتائج الاختبارات.

يقوم المختصون في مجال الهيدرولوجيا بتحديد معدل الضخ الأمثل عن طريق مراقبة انخفاض مستوى المياه في البئر المضخوخ والآبار المجاورة. يجب تجنب ضخ المياه بسرعة كبيرة حتى لا ينشف البئر، وقد يتداخل مع الآبار الأخرى على الساحل. كما يمكن أن يؤدي التدفق الزائد إلى تسرب المياه المالحة. يمكن لعلماء الهيدرولوجيا تحليل هذه البيانات واستنتاج الحصاد الأمثل والأقصى للبئر.

علم الهيدرولوجيا و المياه الجوفية الملوثة

تكون المياه الجوفية الملوثة أقل وضوحا، ولكنها أكثر خطورة وصعوبة في التنظيف. فتلوث المياه الجوفية يحدث بشكل رئيسي نتيجة للتخلص غير السليم من النفايات على الأرض، وتشمل المصادر الرئيسية المواد الكيميائية الصناعية والمنزلية ومدافن القمامة، وبحيرات النفايات الصناعية، ومخلفات 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.

يقدم الهيدرولوجيون إرشادات في موقع مراقبة الآبار حول مواقع التخلص من النفايات، ويقومون بزيارات منتظمة لتحديد ما إذا كان المياه المتسربة غير مرغوب فيها، مثل المياه الملوثة التي تحتوي على مواد كيميائية سامة أو خطرة، والتي يمكن أن تلوث المياه الجوفية.

في المناطق الملوثة، 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.

في الحالات الشديدة، قد يتطلب العلاج حفر التربة الملوثة. ومع ذلك، يدرك الناس والصناعات الآن أن حجم الأموال المستثمرة في الوقاية أقل بكثير من حجم التنظيف. وعادةً ما يتم استشارة الهيدرولوجيين لاختيار المواقع المناسبة لإنشاء منشآت للتخلص من النفايات الجديدة.

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 في مجال الهيدرولوجيا، يحتاج العلماء إلى درجة الماجستير مع التركيز على العلوم الطبيعية، وقد يلزمهم الترخيص في بعض الولايات القضائية.

تعتبر درجة البكالوريوس كافية لبعض وظائف الأخصائي الهيدرولوجي للمبتدئين، ولكن عادة ما يحتاج المتقدمون لشغل مناصب البحث المتقدم وأعضاء هيئة التدريس في الجامعة إلى درجة الدكتوراه. وتقدم عدد قليل من الجامعات درجات علمية في علم المياه، وبدلا من ذلك، تقدم معظم الجامعات تخصصات هيدرولوجية في علوم الأرض أو علوم البيئة أو برامج الهندسة.

كما يتطلب الطلاب المهتمون بأن يصبحوا متخصصين في علم المياه، يحتاجون إلى دورات دراسية مكثفة في الرياضيات والإحصاء والعلوم الفيزيائية وعلوم الكمبيوتر وعلوم الحياة والكيمياء والبيولوجيا. بالإضافة إلى ذلك، هناك حاجة إلى معرفة 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 استعدادا لدخول سوق العمل.

كما يستخدمُ علماءُ الهيدرولوجيا أنظمةَ المعلوماتِ الجغرافيةِ (GIS)، والاستشعار عن بعد، ومعداتِ نظامِ تحديدِ المواقعِ العالميِّ (GPS) للقيامِ بعملِهم.

المستوى التعليمي لأخصائي علم الهيدرولوجيا

يحمل معظم علماء المياه درجة البكالوريوس، ويتخصصون بشكل شائع في الجيولوجيا، حيث يمتلك حوالي 23٪ من علماء الهيدرولوجيا هذه الدرجة العلمية.

يتمتع معظم علماء الهيدرولوجيا بمستويات تعليمية مماثلة، حيث يحصل حوالي 54٪ منهم على درجة البكالوريوس، وتأتي درجة الماجستير في المرتبة الثانية بنسبة 46٪.