استخدام التصوير الساتلي في إدارة الموارد المائية والمستودعات

مقدمة

إن المياه العذبة هي أحد أهم الموارد على كوكبنا، إذ أنها تشكل الأساس لبقاء الإنسان والزراعة والصناعة وصحة النظام الإيكولوجي، غير أن إدارة هذا المورد القيّم أصبحت أكثر تعقيدا في ظل التحديات المتزايدة مثل تغير المناخ، والنمو السكاني السريع، والتحضر، والمطالب المائية المتنافسة، وتؤدي الخزانات وهيئات المياه الطبيعية دورا محوريا في تخزين وتوزيع المياه، ومع ذلك فإن إدارتها المستدامة تتطلب توافر بيانات دقيقة وفي الوقت المناسب.

وفي العقود الأخيرة، ظهرت صور السواتل كأداة لا غنى عنها لمديري موارد المياه في جميع أنحاء العالم، وعلى عكس الشبكات الأرضية التقليدية التي كثيرا ما تكون محدودة في مجال التغطية المكانية وإمكانية الوصول إليها، تقدم السواتل ملاحظات متبادلة ومكررة وفعالة من حيث التكلفة على النطاقات الإقليمية والعالمية، وهذه التكنولوجيا تتيح رصد الهيئات المائية التي يصعب الوصول إليها، وتوفر معلومات حاسمة لصنع القرار، ووضع السياسات.

وتتناول هذه المادة التطبيقات المتعددة الجوانب للاستشعار عن بعد بواسطة السواتل في مجال إدارة موارد المياه، وتستكشف كيفية مساعدة البيانات الساتلية على رصد مستويات المياه، وكشف أنماط الرواسب، وتقييم نوعية المياه، ودعم التخطيط المتكامل للموارد، كما أنها تعالج التحديات الراهنة التي تواجهها التكنولوجيا، وتبرز الاتجاهات المستقبلية الواعدة التي يمكن أن تعزز إدارة المياه على الصعيد العالمي.

دور التصوير الساتلي في إدارة موارد المياه

وتجهز سواتل رصد الأرض بتقنيات متنوعة من أجهزة الاستشعار تلتقط الإشعاع الكهرومغناطيسي المنعكس أو المنبعث من سطح الأرض، وتعمل هذه أجهزة الاستشعار عبر مختلف النطاقات المائية - بما في ذلك أجهزة المعلومات المرئية والمقربة من الاشعة، والأشعة تحت الحمراء القصيرة الموجات، والأشعة الحرارية تحت الحمراء، وقطع الموجات الدقيقة - كل منها يقدم معلومات فريدة عن خصائص الأجسام المائية.

ومن بين البعثات الساتلية الأكثر استخداما لرصد موارد المياه سلسلة لاندسات التابعة للوكالة، وبعثتي رصد الغلاف الجوي والماء على الصعيد الإقليمي التابعتين لوكالة الفضاء الأوروبية (Senstinel-2) وشركة Sentinel-3 (GTRS)، ومجموع عمليات تقييم نوعية المياه السطحية وتجربة المناخ التي تقوم بها وكالة ناسا الألمانية (GROACE)، كما أن قياسات خط العرض المتعدد الأطياف التي توفر قياسا عاليا (10) إلى 30 مترا)

How Satellite Sensors Capture Water Data

وتظهر هيئات المياه توقيعات على الأطياف متميزة تسمح للسواتل بتفريقها عن الأراضي المحيطة، فمثلاً، يستوعب الماء بقوة الإشعاعات غير المباشرة والإشعاعية SWIR، مما يتسبب في ظهوره في ظلام في هذه الفرق، بينما تعكس الأرض والنباتات بقوة، وهذا التناقض يتيح التحديد الواضح لحدود المياه، وتساعد النطاقات المرئية على كشف تغيرات لون المياه الناجمة عن المؤشرات المعلقة للطلاءات، والكلوروفيل، ونوعية العضوية المهية.

وتقيس أجهزة الاستشعار الحرارية ذات الأشعة تحت الحمراء درجة حرارة المياه السطحية، ومقياس حيوي لفهم معدلات التبخر، والتلوث الحراري، وقابلية الموائل للأنواع المائية، كما أن أجهزة التأجير على متن السفن مثل جيسون - 3 وسينتيل - 3 تستخدم نبضات الموجات الدقيقة لقياس الارتفاعات السطحية للمياه تحديدا، بغض النظر عن ظروف الطقس أو ضوء النهار، مما يتيح رصد مستويات الغطاء النباتي والمراحي بصورة متكررة ودقيقة.

رصد مستويات المياه باستخدام التأشيرات الساتلية

وقد أدى التأشيرات الساتلية إلى ثورة الرصد الهيدرولوجي من خلال توفير قياسات ثابتة عالية الدقة لارتفاعات سطح الماء عبر آلاف البحيرات والمستودعات والأنهار في جميع أنحاء العالم، ومن خلال إطلاق نبضات الموجات الدقيقة نحو الأرض وتسجيل الوقت الذي يستغرقه ظهور النبضات، تقوم أجهزة التأجير بحساب المسافة إلى سطح الماء بدقة عالية.

ومنذ إطلاق بعثات رائدة مثل برنامج " تيبكس "/بوسيدون في عام 1992، تليها جيسون-1 وجيسون-2 وجيسون-3 و " سينتينيل-3 " ، تم وضع سجل مستمر للتغييرات في مستوى المياه الداخلية، ويمكن الاطلاع على هذه البيانات من خلال منابر مثل قاعدة البيانات الخاصة بسلسلة الزمن الهيدرولوجي في المياه الداخلية، وسجلات إدارة المستودعات العالمية ومرصد البحري، التي توفر إمكانية الوصول إلى المياه.

ويستخدم مديرو موارد المياه بيانات التألق لرصد التباينات الموسمية والسنوية في مستويات الخزان، وتقييم آثار الجفاف والفيضانات، وتقييم عمليات السدود، فعلى سبيل المثال، خلال فترة الجفاف الطويلة في جنوب غرب الولايات المتحدة، شهدت الطوابق الساتلية الانخفاضات الكبيرة في بحيرة ميد وبحيرة باول، وهما أكبر خزانين على قرارات نهر كولورادو، وكانت هذه المعلومات حاسمة في توجيه عمليات الجفاف فيما بين الدول.

وبالإضافة إلى ذلك، فإن بيانات التألق لا تقدر بثمن بالنسبة لرصد هيئات المياه العابرة للحدود حيث تحد القيود السياسية أو اللوجستية من القياسات في الموقع، كما أن القدرة على الحصول على بيانات عن مستوى المياه في الوقت القريب من الواقع على المناطق النائية أو الحساسة سياسيا تعزز الشفافية وتدعم جهود إدارة المياه التعاونية.

اكتشاف التغيرات والترسبات في المستودعات

ويشكل الرواسب الحافظة تحدياً مستمراً يؤثر على قدرة تخزين المياه، وسلامة السدود، وصحة النظام الإيكولوجي، حيث تنقل الأنهار الرواسب - مثل الحرير والرمل والمواد العضوية - التي تراكمت في الخزانات، مما يقلل تدريجياً من حجمها الفعلي ويزيد من مخاطر الفيضانات، وتشمل أساليب رصد الرواسب التقليدية إجراء دراسات استقصائية باهظة التكلفة وكثيفة العمالة، وهي دراسات غالباً ما تكون غير متكافئة ومحدودة من الناحية المكانية.

وتتيح الصور الساتلية بديلا فعالا من حيث التكلفة ومرتقبا لكشف أنماط الرسوبيات والتغيرات في قياس الأعماق في الخزانات، ويمكن للصور المتعددة الأطياف، ولا سيما في النطاقات المرئية وشبه الحمراء، أن تكشف عن انخفاضات الرواسب ومستويات الاضطرابات ومناطق الترسيب، لا سيما خلال فترات المياه المنخفضة التي يكون فيها التعرض للتراكم في المياه أكثر وضوحا، عن طريق سلسلة زمنية من الصور التي يبثها مديرو السواتل.

فقدان القدرة على الترسب والحفظ

وقد أظهرت البحوث التي تستخدم بيانات السلسلة الزمنية للاندسات أن الخزانات في المناطق شبه القاحلة والمناطق القاحلة يمكن أن تفقد ما بين 1 في المائة و 3 في المائة من قدرتها على التخزين سنويا بسبب الرسوبيات، ويمكن أن تؤثر هذه القدرة تأثيرا كبيرا على توافر المياه للزراعة ومياه الشرب وتوليد الطاقة الكهرمائية.

إن الكشف المبكر عن مواقع الترسبات عن طريق الصور الساتلية يتيح لمديري المياه تنفيذ إجراءات الصيانة في الوقت المناسب، مثل تدابير التطهير المستهدفة أو تدابير حفظ التربة في أعلى المجرى، وتساعد هذه التدخلات على توسيع نطاق العمليات في الخزانات، والحد من مخاطر الفيضانات، والحفاظ على موثوقية إمدادات المياه.

تقييم نوعية المياه باستخدام الاستشعار عن بعد

وتشكل نوعية المياه عنصراً حاسماً في إدارة الموارد المائية، مما يؤثر على صحة الإنسان والنظم الإيكولوجية المائية والأنشطة الاقتصادية، ويوفر الاستشعار عن بعد بواسطة السواتل وسيلة قوية لتقييم البارامترات الرئيسية لنوعية المياه عبر النطاقات المكانية الواسعة وعلى مر الزمن، وتشمل البارامترات التي يرصدها الساتل عادة تركيز الكلوروفيل (مؤشر الكتلة الأحيائية للطلاب)، والاضطرابات، ومجموع المواد الصلبة المعلّقة، والأصناف العضوية الملوّنة.

إن بعثة هيئة الاستشعار ٣ التابعة للوكالة الفضائية الأوروبية، المجهزة بصك المحيطات وملوثات الأراضي، مناسبة بشكل خاص للتطبيقات المائية بسبب حساسيتها العالية من الإشعاعات وفرقها الطيفية العالية الاستخدام الأمثل لكشف مكونات نوعية المياه، وهذه القدرة تدعم الرصد التشغيلي للتغذية، والأحداث الملوثة، والوضع الايكولوجي للمستودعات والبحيرات.

Algal Blooms and Eutrophication Monitoring

وتطرح المزهرات المهددة بالزرق، ولا سيما المزهرة السمية، تهديدات خطيرة لسلامة مياه الشرب والأنشطة الترفيهية والحياة المائية، ويمكن لهذه الأنهار أن تنتج سمات تلوث إمدادات المياه، مما يؤدي إلى تقديم المشورة الصحية العامة ومتطلبات المعالجة المكلّفة، وتتيح البيانات الساتلية الكشف المبكر عن البيوتادايين سداسي الكلور عن طريق تحديد مستويات محددة من الكلوروفوري المرتجف.

فعلى سبيل المثال، تستخدم شبكة تقييم السيانوبكتريا بيانات من طراز Sentinel-3 لإلقاء إنذارات مبكرة من الأورام السماوية في البحيرات والمستودعات في جميع أنحاء الولايات المتحدة، ويمكن أيضاً للمستشعرات ذات الحمراء الحرارية أن تكتشف شذوذات درجة الحرارة السطحية التي غالباً ما تولد الدم، وتوفر قدرة تنبؤية إضافية، عند الجمع بين العينات الأرضية للماء.

ويمكن تصور رصد الاعتلال عن طريق الصور الساتلية، مما يساعد على تتبع الرواسب الناتجة عن تآكل التربة، والممارسات الزراعية، وأنشطة البناء، وإزالة الغابات، وفي أعقاب أحداث شدة سقوط الأمطار، يمكن تصور السباكات الرسوبية التي تدخل خزانات، مما يبرز المجالات التي تمس الحاجة فيها إلى حفظ التربة وأفضل الممارسات الإدارية، وتعترف المنظمات الدولية مثل برنامج الأمم المتحدة للبيئة وشبكة الأمم المتحدة للمياه برصد نوعية المياه بواسطة السواتل باعتبارها عنصرا حيويا في الجهود المبذولة لتحقيق التنمية المستدامة.

تخطيط الموارد والإدارة المتكاملة للمياه

وتؤدي مجموعات البيانات المستمدة من السواتل دورا حاسما في التخطيط والإدارة الشاملين لموارد المياه، ومن خلال إدماج عمليات الرصد الساتلية لمستويات المياه، وأحجام التخزين، والتدفقات، والتنبؤ بالنماذج الهيدرولوجيات، يمكن لمديري المياه أن يتقنوا عمليات الخزان لتحقيق أهداف متعددة، بما في ذلك طلبات الري، وتوليد الطاقة الكهرمائية، ومراقبة الفيضانات، وصيانة التدفق البيئي.

وتوفر منتجات التهطال الساتلي، مثل تلك التي تنتج عن بعثة قياس التهطال العالمي التابعة لناسا، تقديرات قُرب وقتها الحقيقي لتساقط الأمطار تكون قيمة بالنسبة للتنبؤ بالتدفقات الداخلية وتعديل إطلاقات الخزان بصورة استباقية، وهذه القدرة تعزز التأهب للظواهر الجوية البالغة الشدة وتخفض من خطر الفيضانات أو نقص المياه.

وخلال فترات الجفاف، تساعد البيانات الساتلية في قياس معدل استنفاد الخزانات وتحديد مصادر المياه البديلة، بما في ذلك المياه الجوفية، وتقوم بعثات GRACE و GRACE-FO بقياس التغيرات في تخزين المياه الأرضية، بما في ذلك المياه السطحية، ورطوبة التربة، والمياه الجوفية على نطاق واسع، وتستخدم الوكالات الإقليمية لإدارة المياه، مثل إدارة موارد المياه في كاليفورنيا، مجموعات البيانات هذه لتقييم أوجه العجز في المياه على نطاق الأحواض، وتسترشد بها في تكييفها.

وفي مجال إدارة الفيضانات، تدعم الصور الساتلية القريبة من الزمن رسم خرائط سريعة لمدى التطعيم، والمساعدة على الاستجابة في حالات الطوارئ، وتخطيط الإجلاء، وتقييم الأضرار، ويمكن لسواتل الرادار الاصطناعي، مثل الساتل ESA ' s Sentinel-1`، أن تخترق الغطاء السحابي وأن تعمل ليلا أو نهارا، مما يجعلها لا غنى عنها خلال الأزمات، كما أن أجهزة إدارة الطوارئ التابعة للمفوضية الأوروبية تعمل في الوقت المناسب على تعزيز القدرة على مواجهة الكوارث.

التطبيقات العالمية الحقيقية ودراسات الحالات الإفرادية

وتبرز عدة مبادرات عالمية ومشاريع بحثية القيمة التشغيلية للصور الساتلية في إدارة موارد المياه، حيث تستخدم الشبكة العالمية لرصد المراحيض وبحيرات المياه التي تديرها منظمة الأغذية والزراعة التابعة للأمم المتحدة، مقياسا قياسيا ساتليا لتتبع مستويات المياه في أكثر من ٠٠٠ ٢ خزان في جميع أنحاء العالم، وتولد البيانات معلومات عن بوابة الوصول المفتوحة الخاصة بمنتجات المياه التابعة لمنظمة الأغذية والزراعة، التي تدعم التحسينات في كفاءة استخدام المياه الزراعية.

Case Study: Lake Mead and the Colorado River Basin

وقد رصدت بحيرة ميد، وهي أكبر مستودع في الولايات المتحدة، رصداً واسعاً من خلال مزيج من بعثات سواتل لادسات، سينتيل - 2، وبعثات عطل التأجير الساتلية على مدى العقدين الماضيين، وكشفت البيانات الساتلية عن انخفاض كبير في القدرة على التخزين، حيث بلغت الخسارة نحو 60 في المائة بين عامي 2000 و2015، ويرجع ذلك أساساً إلى ظروف الجفاف المطولة وإلى الإفراط في توزيع حقوق المياه في حوض نهر كولورادو.

وكان هذا السجل الساتلي الشامل مفيدا في تيسير أول إعلان عن النقص الاتحادي في نهر كولورادو في عام 2021، الذي صدر به تكليف بتخفيضات في استخدام المياه في الولايات بما فيها أريزونا ونيفادا والمكسيك، وعلاوة على ذلك، لا يزال الرصد المستمر بواسطة السواتل يسترشد بالمفاوضات واستراتيجيات الإدارة التكييفية فيما بين ولايات الأحواض السبعة، مما يكفل تقاسم المياه على نحو أكثر إنصافا واستدامة.

دراسة حالة: بحيرة تركانا وتنمية الطاقة الكهرمائية في شرق أفريقيا

وفي شرق أفريقيا، رصدت مستويات مياه بحيرة تركانا عن كثب باستخدام التأشيرات الساتلية لتقييم الآثار في أسفل المجرى الناشئة عن تشييد السدود في أعلى النهر وتنمية الطاقة الكهرمائية، وكشفت البيانات عن التقلبات المرتبطة بعمليات السدود في نهر أومو، وهو تدفق البحيرة الرئيسي، مما أثار القلق بشأن توافر المياه للمجتمعات الرعوية التي تعتمد على موارد البحيرة.

وقد مكّنت عمليات الرصد بواسطة السواتل السلطات المحلية وأصحاب المصلحة من فهم المفاضلات بين توليد الطاقة الكهرمائية والاحتياجات الإيكولوجية والاجتماعية - الاقتصادية على نحو أفضل، مما أدار عملية وضع سياسات أكثر توازناً لإطلاق المياه تهدف إلى التقليل إلى أدنى حد من الآثار الضارة على المجتمعات المحلية في المناطق المتدفقة والحفاظ على السلامة الإيكولوجية.

التحديات والحدود في مجال رصد المياه بواسطة السواتل

وعلى الرغم من إمكانياته التحويلية، يواجه الاستشعار عن بعد بواسطة السواتل عدة تحديات أو قيود متأصلة في إدارة موارد المياه، ومن القيود الرئيسية التي تعوق الحصول على الصور البصرية في المناطق المدارية والمونية والمناطق الغائمة في كثير من الأحيان، وفي حين أن أجهزة الاستشعار ذات الفتحة الاصطناعية يمكنها اختراق الغيوم وتشغيلها ليلا ونهارا، فإن بياناتها تتطلب تجهيزا وتفسيرا متخصصين.

ويشكل الحل المكاني تحديا آخر، إذ إن العديد من أجهزة الاستشعار الساتلية التي تستخدم عادة، مثل لادسات بغزارة 30 مترا، قد لا تلتقط على نحو كاف أجسام المياه الصغيرة، أو المجاري الضيقة، أو قنوات الري، ويمكن للسواتل التجارية ذات الاستبانة العالية أن تسد هذه الفجوة، ولكنها كثيرا ما تأتي بتكلفة كبيرة، مما يحد من استخدامها على نطاق واسع.

كما أن القرار المؤقت يقيد قدرات الرصد، فعلى سبيل المثال، تعيد شركة لادسات النظر في نفس الموقع كل 16 يوما، وهو ما قد لا يكفي لالتقاط أحداث هيدرولوجية سريعة مثل الفيضانات السريعة، أو إطلاقات السدود، أو تفشيات الطحالب المفاجئة، ويحسن الحكم في هذا الشأن بجولة إعادة النظر مدتها خمسة أيام، ولكن لا تزال هناك ثغرات، ولا سيما بالنسبة لهيئات المياه الأصغر أو التي كثيرا ما تتغير.

وتتطلب معالجة البيانات وتفسيرها خبرة كبيرة وموارد حاسوبية، ويجب أن تخضع بيانات السواتل السريعة للتصحيح في الغلاف الجوي، والمعايرة المستشعرة، والمواءمة الجيولوجية قبل استخدامها، علاوة على أن عمليات الرصد الساتلية هي قياسات غير مباشرة؛ وتحويل البيانات عن الطيف إلى بارامترات كمية مثل مستوى المياه، أو تركيز الرواسب، أو الكلوروفيل - أ يتطلب تطهيرا من المقاييس التجريبية أو نماذج التحويل الإشعاعي.

فالقدرات المؤسسية غير متكافئة على الصعيد العالمي، ففي حين أن العديد من مجموعات البيانات الساتلية متاحة مجاناً ومفتوحة، بما في ذلك صور لاندسات وأجهزة الاستشعار، فإن القدرة على التنزيل، والعملية، والتحليل، وتفسير هذه البيانات تتباين تبايناً واسعاً، فالوصول إلى منابر التجهيز القائمة على الغيوم مثل محرك غوغل الأرض قد أضفت طابعاً ديمقراطياً على استخدام البيانات، ولكن التدريب والهياكل الأساسية ما زالت تشكل حواجز حاسمة، ولا سيما في البلدان النامية.

الاتجاهات المستقبلية والتقدم التكنولوجي

ويعود الجيل القادم من البعثات الساتلية والابتكارات التكنولوجية إلى تعزيز قدرات رصد موارد المياه بشكل كبير، وتهدف البعثات المقبلة إلى توفير حل مكاني وزمني أعلى، وتحسين الحساسية من حيث الطيف، وتقنيات قياس جديدة من شأنها أن تزيد من فهمنا لديناميات المياه.

فعلى سبيل المثال، ستستخدم بعثة المياه السطحية وأصول المحيطات التابعة لناسا، المقرر إطلاقها قريبا، متداخلة رادارية متقدمة لقياس الارتفاعات السطحية للمياه مع تفاصيل مكانية غير مسبوقة عبر البحيرات والأنهار والمستودعات في جميع أنحاء العالم، ومن المتوقع أن تسد هذه الشبكة ثغرات البيانات الحرجة بالنسبة لهيئات المياه الصغيرة والمتوسطة الحجم التي لم ترصدها السواتل الموجودة رصدا كافيا.

وسيتيح التقدم المحرز في التصوير الفائق الطيفي تحديد مؤشرات نوعية المياه على نحو أكثر دقة، بما في ذلك أنواع الطحالب والملوثات المحددة، وتحسين الكشف المبكر عن أحداث التلوث، كما أن إدماج الاستخبارات الاصطناعية والتعلم الآلاتي في تجهيز البيانات الساتلية يعجل باستخراج السمات الآلية، والكشف عن الشذوذ، والنماذج التنبؤية.

وستستمر البرامج الحاسوبية السحابية وسياسات البيانات المفتوحة في توسيع نطاق الوصول إلى البيانات الساتلية وإمكانية استخدامها، وتعزيز التعاون العالمي بشأن التحديات المتعلقة بالمياه، وبالإضافة إلى ذلك، سيزيد انتشار السواتل الصغيرة وأجهزة الحاسوب من إعادة النظر في الترددات وتوفير حلول رصد قابلة للمواءمة تتناسب مع الاحتياجات الإقليمية.

وفي نهاية المطاف، ستمكن هذه التطورات التكنولوجية، إلى جانب تعزيز الملاحظات الأرضية وإشراك المجتمعات المحلية، من زيادة التكيف والإنصاف والإدارة المستدامة لموارد المياه في جميع أنحاء العالم، مما يساعد على تأمين المياه العذبة للأجيال المقبلة.