المياه الجوفية (Groundwater)

تشير المياه الجوفية إلى المياه الموجودة تحت سطح الأرض ضمن مسامات التربة والصخور، وكذلك في شقوق الصخور. وهي تشكل حوالي 30% من موارد المياه العذبة التي يمكن الوصول إليها في العالم. يتم تصنيف التكوين الجيولوجي، سواء كان وحدة صخرية أو رواسب غير مجمعة، على أنه طبقة مياه جوفية إذا كان قادرًا على إنتاج كمية كبيرة من المياه. ويدل منسوب الماء على الحد العلوي للمنطقة المشبعة، حيث تمتلئ جميع مسامات التربة والشقوق والفراغات الصخرية بالمياه بالكامل. يعمل التسرب السطحي على تجديد المياه الجوفية، والتي يمكن أن تظهر بشكل طبيعي على السطح من خلال الينابيع والتسربات، وبالتالي تشكل الواحات أو الأراضي الرطبة. علاوة على ذلك، يتم استخراج المياه الجوفية في كثير من الأحيان للأغراض الزراعية والبلدية والصناعية عن طريق بناء وتشغيل الآبار. يطلق على المجال العلمي المعني بتوزيع وحركة المياه الجوفية اسم هيدروجيولوجيا المياه، والمعروف أيضًا باسم هيدرولوجيا المياه الجوفية.

المياه الجوفية هي المياه الموجودة تحت سطح الأرض في مسام الصخور والتربة وفي كسور التكوينات الصخرية. حوالي 30% من جميع المياه العذبة المتوفرة بسهولة في العالم هي مياه جوفية. يُطلق على وحدة الصخور أو الرواسب غير المجمعة اسم طبقة المياه الجوفية عندما يمكنها إنتاج كمية صالحة للاستخدام من المياه. يُطلق على العمق الذي تصبح فيه مسام التربة أو الشقوق والفراغات في الصخور مشبعة تمامًا بالماء المنسوب المائي. يتم إعادة شحن المياه الجوفية من السطح. وقد تفرز من السطح بشكل طبيعي عند الينابيع والتسربات، ويمكن أن تشكل واحات أو أراضي رطبة. كما يتم سحب المياه الجوفية في كثير من الأحيان للاستخدام الزراعي والبلدي والصناعي عن طريق بناء وتشغيل آبار الاستخراج. دراسة توزيع وحركة المياه الجوفية هي جيولوجيا المياه، وتسمى أيضًا هيدرولوجيا المياه الجوفية.

بينما يُنظر إليها عادة على أنها مياه تدور داخل طبقات المياه الجوفية الضحلة، إلا أنها تشمل، في سياق تقني، رطوبة التربة، والتربة الصقيعية (التربة المتجمدة)، والمياه غير المتحركة داخل القاعدة الصخرية ذات النفاذية المنخفضة للغاية، والمياه الحرارية الأرضية العميقة أو المياه المتكونة من النفط. من المفترض أن المياه الجوفية قد تساهم في التشحيم، مما قد يؤثر على حركة الصدع. من المفترض أن جزءًا كبيرًا من باطن الأرض يحتوي على مياه، والتي قد تكون أحيانًا مختلطة مع سوائل أخرى.

تتمتع المياه الجوفية في كثير من الأحيان بمزايا أكثر من المياه السطحية، كونها أكثر اقتصادية وملاءمة وأقل عرضة للتلوث. وبالتالي، فهو بمثابة مصدر سائد لتوفير مياه الشرب العامة. ففي الولايات المتحدة، على سبيل المثال، تمثل المياه الجوفية أكبر خزان للمياه الصالحة للاستخدام، حيث تستخرج كاليفورنيا سنويا أكبر كمية من المياه بين جميع الولايات. تحتوي الخزانات الجوفية بشكل جماعي على كميات أكبر بكثير من المياه من السعة المجمعة لجميع الخزانات السطحية والبحيرات في الولايات المتحدة، بما في ذلك البحيرات الكبرى. تعتمد العديد من أنظمة المياه البلدية بشكل حصري على المياه الجوفية. على الصعيد العالمي، يعتمد أكثر من ملياري شخص على المياه الجوفية باعتبارها مصدر المياه الرئيسي لهم.

يساهم الاستخدام البشري للمياه الجوفية في مواجهة تحديات بيئية مختلفة. على سبيل المثال، تعتبر المياه الجوفية الملوثة أقل وضوحًا وأكثر صعوبة في معالجتها مقارنة بالتلوث في المسطحات المائية السطحية مثل الأنهار والبحيرات. ينشأ تلوث المياه الجوفية في الغالب من التخلص غير المناسب من النفايات الأرضية. تشمل المصادر الأولية المواد الكيميائية الصناعية والمنزلية، ومدافن النفايات البلدية، والإفراط في الاستخدام الزراعي للأسمدة والمبيدات الحشرية، وبحيرات النفايات الصناعية، ومخلفات التعدين ومياه الصرف الصحي، والتكسير الهيدروليكي الصناعي، وحفر المياه المالحة في حقول النفط، وتسرب صهاريج تخزين النفط وخطوط الأنابيب الجوفية، وحمأة الصرف الصحي وأنظمة الصرف الصحي. علاوة على ذلك، فإن المياه الجوفية معرضة لتسرب المياه المالحة في المناطق الساحلية ويمكن أن تؤدي إلى هبوط الأرض عند الاستخراج غير المستدام، مما يؤدي إلى غرق المناطق الحضرية (على سبيل المثال، بانكوك) وفقدان كبير للارتفاع (على سبيل المثال، عدة أمتار في الوادي المركزي في كاليفورنيا). وتتفاقم هذه المشاكل بسبب ارتفاع منسوب مياه البحر والآثار الأخرى لتغير المناخ، وخاصة تلك التي تؤثر على الدورة الهيدرولوجية. لقد كان استخراج المياه الجوفية بواسطة الإنسان متورطًا في تحول قدره 31 بوصة في الميل المحوري للأرض.

التعريف

تُعرف المياه الجوفية بأنها المياه العذبة الموجودة داخل المسام الموجودة تحت سطح التربة والصخور. ويشير أيضًا إلى المياه المنتشرة داخل طبقات المياه الجوفية تحت منسوب المياه الجوفية. يتم التمييز أحيانًا بين المياه الجوفية المرتبطة ارتباطًا وثيقًا بالمياه السطحية والمياه الجوفية العميقة، ويطلق على الأخيرة اسم "المياه الأحفورية" إذا كانت قد تسللت منذ آلاف السنين.

الدور في الدورة الهيدرولوجية

يمكن تصور المياه الجوفية باستخدام نفس المعلمات الهيدرولوجية مثل المياه السطحية: المدخلات والمخرجات والتخزين. وتتم إعادة تغذية المياه الجوفية الطبيعية من خلال تسرب المياه السطحية، والتي تتسرب بعد ذلك إلى المنطقة المشبعة. تشمل مسارات التصريف الطبيعية للمياه الجوفية الينابيع والتسرب إلى المسطحات المحيطية. يمكن أن تتجاوز السعة الحجمية لتخزين المياه الجوفية بشكل كبير قدرة المياه السطحية مقارنة بمدخلاتها، مما يظهر معدل دوران أبطأ، ويتوقف على خصائص طبقة المياه الجوفية. ويسهل هذا التفاوت الاستخدام البشري غير المستدام للمياه الجوفية لفترة طويلة دون عواقب وخيمة فورية. ومع ذلك، على المدى الطويل، فإن متوسط معدل التسرب فوق مصدر المياه الجوفية، جنبًا إلى جنب مع مدخلات الجدول، يحدد الحد الأعلى لاستهلاك المياه المستدام من ذلك المصدر.

يتم تجديد المياه الجوفية بشكل طبيعي عن طريق المياه السطحية الناشئة عن هطول الأمطار والجداول والأنهار، بشرط أن تصل هذه التغذية بنجاح إلى منسوب المياه الجوفية.

تعمل المياه الجوفية كمستودع طويل الأمد ضمن دورة المياه الطبيعية، حيث تتراوح فترات بقاءها من أيام إلى آلاف السنين. وهذا يتناقض مع الخزانات قصيرة المدى، مثل الغلاف الجوي والمياه السطحية العذبة، والتي لها فترات بقاء تمتد من دقائق إلى سنوات. تتطلب المياه الجوفية العميقة، التي تتم إزالتها بشكل كبير من نقاط التغذية السطحية، فترة ممتدة لإكمال دورتها الطبيعية.

يمثل الحوض الارتوازي الكبير، الواقع في وسط وشرق أستراليا، أحد أنظمة طبقات المياه الجوفية المحصورة الأكثر توسعًا في العالم، حيث يغطي مساحة تبلغ حوالي 2 مليون كيلومتر². كشف التحليل الهيدروجيولوجي للعناصر النزرة في المياه المستخرجة من طبقات المياه الجوفية العميقة أن عمر بعض المياه يمكن أن يزيد عن مليون سنة.

تشير الدراسات المقارنة لعصور المياه الجوفية عبر الحوض الارتوازي الكبير إلى زيادة تدريجية في العمر من الشرق إلى الغرب. تُظهر المياه الجوفية التي تغذي طبقات المياه الجوفية على طول الخط الشرقي عمرًا صغيرًا نسبيًا. ومع هجرة هذه المياه الجوفية غربًا عبر القارة، يزداد عمرها، حيث تم العثور على أقدم مياه في المناطق الغربية. يشير هذا التقدم العمري الملحوظ إلى متوسط معدل تدفق يبلغ حوالي متر واحد سنويًا للمياه الجوفية التي تعبر الحوض الارتوازي الكبير، وتغطي ما يقرب من 1000 كيلومتر من مصدر التغذية على مدى مليون سنة.

إعادة شحن المياه الجوفية

موقع طبقة المياه الجوفية

الخصائص

درجة الحرارة

إن السعة الحرارية النوعية الكبيرة للمياه، جنبًا إلى جنب مع الخصائص العازلة للتربة والصخور، تعمل بشكل فعال على تخفيف التأثيرات المناخية، وبالتالي الحفاظ على المياه الجوفية في درجة حرارة مستقرة نسبيًا. في المواقع التي تكون فيها درجات حرارة المياه الجوفية حوالي 10 درجات مئوية (50 درجة فهرنهايت) بشكل ثابت بسبب هذه الظاهرة، يمكن تسخيرها لتنظيم درجات الحرارة الداخلية في الهياكل السطحية. على سبيل المثال، خلال الفترات الدافئة، يمكن توزيع المياه الجوفية الباردة نسبيًا من خلال مشعات المبنى ومن ثم إعادة حقنها في الأرض عبر بئر منفصل. على العكس من ذلك، في المواسم الباردة، يمكن أن تكون هذه المياه الدافئة نسبيًا بمثابة مصدر حرارة عالي الكفاءة للمضخات الحرارية، مما يوفر ميزة كبيرة على الأنظمة المعتمدة على الهواء.

التوفر

تشكل المياه الجوفية ما يقرب من ثلاثين بالمائة من إمدادات المياه العذبة العالمية، وتمثل حوالي 0.76% من إجمالي المياه على الأرض، بما في ذلك المحيطات والجليد الدائم. ومن الجدير بالذكر أن ما يقرب من 99% من المياه العذبة السائلة في العالم هي مياه جوفية. ويعادل الحجم الإجمالي لمخزون المياه الجوفية العالمي تقريبًا احتياطيات المياه العذبة المجمعة الموجودة في كتل الجليد والثلوج، والتي تشمل المنطقتين القطبيتين. وبالتالي، تعمل المياه الجوفية كمورد تخزين طبيعي بالغ الأهمية، وقادر على تخفيف العجز في المياه السطحية، خاصة أثناء ظروف الجفاف.

يمكن تقدير حجم المياه الجوفية داخل طبقة المياه الجوفية من خلال مجموعة من قياسات مستوى مياه الآبار المحلية وتحليل السجلات الجيولوجية التي تم الحصول عليها من عمليات حفر الآبار. تساعد هذه السجلات في التأكد من مدى وعمق وسمك الرواسب والصخور الحاملة للمياه. قبل الاستثمار في آبار الإنتاج، غالبًا ما يتم حفر آبار اختبارية استكشافية لتحديد أعماق المياه وجمع عينات من التربة والصخور والمياه لتحليلها مختبريًا. اختبارات الضخ التي تم إجراؤها في آبار الاختبار هذه تحدد خصائص تدفق طبقة المياه الجوفية.

تظهر خصائص طبقة المياه الجوفية تباينًا يعتمد على الجيولوجيا، وبنية الركيزة، والتضاريس الخاصة بحدوثها. وبشكل عام، توجد طبقات المياه الجوفية الأكثر إنتاجية ضمن التكوينات الجيولوجية الرسوبية. في المقابل، عادةً ما تنتج الصخور البلورية المتعرضة للعوامل الجوية والمتكسرة كميات أقل من المياه الجوفية عبر بيئات عديدة. من بين المصادر الأكثر غزارة للمياه الجوفية هي المواد الغرينية غير المجمعة إلى سيئة الأسمنت، والتي تتراكم كرواسب تملأ الوادي في وديان الأنهار الرئيسية والأحواض الهيكلية المنخفضة جيولوجيًا.

يمكن تعديل أنماط تدفق السوائل داخل البيئات الصخرية المتنوعة عن طريق التشوه الهش للصخور في مناطق الصدع؛ تشكل الآليات الأساسية التي تحكم هذه التعديلات التركيز الأساسي للجيولوجيا المائية لمنطقة الصدع.

الاستخدامات البشرية

من المتوقع أن يتزايد الاعتماد على المياه الجوفية في المستقبل، مدفوعًا في المقام الأول بتصاعد الطلب على المياه في جميع القطاعات وزيادة التقلب في أنماط هطول الأمطار. ويختلف الاستخدام الآمن للمياه الجوفية بشكل كبير، اعتمادًا على تكوينها العنصري وحالات الاستخدام المحددة، مع وجود اختلافات ملحوظة في مدى ملاءمتها للاستهلاك البشري والماشية والمحاصيل الزراعية المختلفة.

الكميات

تمثل المياه الجوفية مصدر المياه العذبة العالمي الأكثر استخدامًا، حيث تخدم أغراضًا مثل إمدادات مياه الشرب والري الزراعي والعمليات الصناعية. يتم تلبية ما يقرب من نصف مياه الشرب في العالم، و40% من مياه الري، وثلث احتياجاته من المياه الصناعية عن طريق المياه الجوفية.

ووفقًا لتقييم بديل، تشكل المياه الجوفية ما يقرب من ثلث إجمالي عمليات سحب المياه على مستوى العالم، بينما تشكل المياه السطحية الثلثين المتبقيين. توفر المياه الجوفية مياه صالحة للشرب لما لا يقل عن 50% من سكان العالم، ويعتمد ما يقدر بنحو 2.5 مليار فرد حصريًا على موارد المياه الجوفية لتلبية احتياجاتهم الأساسية اليومية من المياه.

أشار تقدير مماثل من عام 2021 إلى أن "المياه الجوفية توفر ما بين ربع وثلث عمليات سحب المياه العذبة السنوية في العالم لتلبية المتطلبات الزراعية والصناعية والمنزلية".

يقدر استخراج المياه العذبة عالميًا بحوالي 600 مرة. كيلومتر³ سنويًا في عام 1900، وتصاعدت إلى 3,880 كيلومتر³ سنويًا بحلول عام 2017. وشهدت الفترة بين عامي 1950 و1980 زيادة واضحة بشكل خاص، حيث بلغ متوسطها حوالي 3% سنويًا، ويُعزى ذلك جزئيًا إلى النمو السكاني المتسارع والتوسع السريع في استخدام المياه الجوفية، خاصة لأغراض الري. اعتبارًا من عام 2022، يبلغ معدل الزيادة السنوية حوالي 1%، وهو ما يتماشى مع اتجاهات النمو السكاني المعاصرة.

من المتوقع أن يتراوح استنزاف المياه الجوفية عالميًا من 100 إلى 300 كيلومتر³ سنويًا. يُعزى هذا الانخفاض في المقام الأول إلى "التوسع في الزراعة المروية في الأراضي الجافة".

تُشكل منطقة آسيا والمحيط الهادئ أهم مستخرج للمياه الجوفية في العالم، حيث تضم سبعًا من الدول العشر الأولى ذات أعلى معدلات استخراج المياه الجوفية: بنغلاديش، والصين، والهند، وإندونيسيا، وإيران، وباكستان، وتركيا. وتتحمل هذه الدول مجتمعة مسؤولية ما يقرب من 60% من سحب المياه الجوفية على مستوى العالم.

جوانب جودة مياه الشرب

تختلف مدى ملاءمة المياه الجوفية كمصدر للمياه الآمنة. توجد شكوك كبيرة فيما يتعلق بجودة المياه الجوفية عبر البيئات الهيدروجيولوجية المتنوعة، حيث يمكن أن يؤدي انتشار الملوثات مثل الزرنيخ والفلورايد والملوحة إلى تقليل ملاءمتها للاستخدام الصالح للشرب. من المعترف به عالميًا أن الزرنيخ والفلورايد من الملوثات ذات الأولوية، على الرغم من أن المواد الكيميائية المحددة ذات الأولوية تختلف باختلاف الدولة.

إن عدم التجانس الكبير في الخصائص الهيدروجيولوجية يؤدي إلى تباين مكاني كبير في ملوحة المياه الجوفية. ويساهم هذا التقلب بدوره في التقلب الكبير في مخاطر أمن المياه الجوفية، حتى داخل المناطق المحلية. إن ارتفاع ملوحة المياه الجوفية يجعل المياه غير مستساغة وغير صالحة للاستهلاك، مع تفاقم الظروف في كثير من الأحيان في المناطق الساحلية، لا سيما بسبب تسرب المياه المالحة الناتجة عن الاستخراج المفرط. وقد لوحظت هذه الظاهرة بشكل خاص في بنجلاديش وشرق وغرب الهند والعديد من الدول الجزرية.

يساهم تغير المناخ في ارتفاع درجة حرارة المياه الجوفية. على سبيل المثال، ارتفعت درجة حرارة المياه الجوفية في فيينا بمقدار 0.9 درجة مئوية بين عامي 2001 و2010، وبنسبة 1.4 درجة إضافية بين عامي 2011 و2020. وقد قام باحثون من معهد كارلسروه للتكنولوجيا (KIT) وجامعة فيينا بمشروع تعاوني لقياس الخسارة المتوقعة في المياه الصالحة للشرب الناجمة عن ارتفاع درجة حرارة المياه الجوفية بحلول نهاية القرن الحالي. يؤكد هؤلاء الباحثون على أن أنماط ارتفاع درجة حرارة المياه الجوفية الضحلة الإقليمية تظهر تباينًا كبيرًا بسبب الاختلافات المكانية في تأثيرات تغير المناخ وأعماق منسوب المياه، مما يشير إلى وجود فجوة معرفية حالية فيما يتعلق باستجابة المياه الجوفية لارتفاع درجة حرارة السطح عبر مختلف النطاقات المكانية والزمانية. ومع ذلك، تتوقع دراستهم أنه في ظل سيناريو الانبعاثات المتوسطة، سيقيم ما بين 77 مليون و188 مليون شخص في مناطق بحلول عام 2100 حيث تتجاوز درجات حرارة المياه الجوفية عتبات درجة حرارة مياه الشرب (DWT) الأكثر صرامة المحددة عالميًا.

إمدادات المياه للتطبيقات البلدية والصناعية

تسهل الآبار واسعة النطاق توفير المياه البلدية والصناعية. يتم تصنيف مجموعات الآبار المتعددة التي تخدم مصدر مياه واحد على أنها "حقول آبار"، قادرة على استخلاص المياه من طبقات المياه الجوفية المحصورة أو غير المحصورة. إن استخدام المياه الجوفية من طبقات المياه الجوفية العميقة والمحصورة يوفر حماية معززة ضد تلوث المياه السطحية. علاوة على ذلك، تم تصميم بعض الآبار المتخصصة، والمعروفة باسم "الآبار المجمعة"، لتعزيز تسرب المياه السطحية، عادة من الأنهار.

عادةً ما تقع طبقات المياه الجوفية التي توفر موارد المياه العذبة المستدامة للمناطق الحضرية وللري الزراعي بالقرب من سطح الأرض (في نطاق بضع مئات من الأمتار) وتتلقى التغذية بالمياه العذبة. عادة ما تنشأ هذه التغذية من الأنهار أو المياه النيزكية (أي هطول الأمطار) التي تتسرب إلى طبقة المياه الجوفية من خلال الطبقات غير المشبعة. في الحالات التي تظهر فيها المياه الجوفية ملوحة مرتفعة أو تركيزات أيونية معينة، تمثل تحلية المياه طريقة معالجة قياسية. ومع ذلك، فإن المحلول الملحي الناتج يتطلب التخلص الآمن أو استراتيجيات إعادة الاستخدام المفيدة.

الري

على الصعيد العالمي، يساهم ري ما يقرب من 20% من الأراضي الزراعية، باستخدام مصادر المياه المتنوعة، في 40% من إجمالي إنتاج الغذاء. تشمل منهجيات الري في جميع أنحاء العالم تحويل المياه السطحية عبر القنوات، واستخراج المياه الجوفية من خلال الضخ، وإدارة المياه القائمة على السدود. تلعب طبقات المياه الجوفية دورًا حاسمًا في الممارسات الزراعية. وفي المناطق القاحلة، كانت طبقات المياه الجوفية العميقة بمثابة مصادر ري حيوية تاريخياً. ويتم تخصيص نسبة كبيرة، وتحديدًا 70%، من إجمالي المياه الجوفية المستخرجة للتطبيقات الزراعية. ركزت الأبحاث المكثفة على تحديد التركيزات المسموح بها للأملاح المختلفة لاستخدامات زراعية متميزة.

في الهند، توفر المياه الجوفية 65% من احتياجات الري، مع ما يقرب من 90% من إجمالي المياه الجوفية المستخرجة مخصصة للري الزراعي.

تُستخدم أحيانًا طبقات المياه الجوفية الرسوبية أو "الأحفورية" لتوفير كل من الري والمياه الصالحة للشرب للمراكز الحضرية. على سبيل المثال، استخرج مشروع النهر الصناعي الكبير في ليبيا، والذي بدأه معمر القذافي، كميات كبيرة من المياه الجوفية من طبقات المياه الجوفية في الصحراء الكبرى لخدمة المناطق الساحلية ذات الكثافة السكانية العالية. وفي حين أثبت هذا النهج أنه أكثر فعالية من حيث التكلفة من تحلية مياه البحر، فمن المتوقع أن يحدث الاستنفاد المتوقع لطبقات المياه الجوفية هذه في غضون 60 إلى 100 عام.

في البلدان النامية

التحديات

أولاً، أدت استراتيجيات التخفيف من آثار الفيضانات، المصممة لحماية البنية التحتية الموجودة في السهول الفيضية، إلى تقليل معدلات تغذية طبقة المياه الجوفية المرتبطة بأحداث الفيضانات الطبيعية عن غير قصد. ثانياً، يمكن أن يؤدي الاستنزاف المستمر للمياه الجوفية في أنظمة طبقات المياه الجوفية الواسعة إلى هبوط الأراضي، مما يؤدي إلى تدمير البنية التحتية، وثالثاً، تسهيل تسرب المياه المالحة. رابعا، قد يؤدي تصريف التربة الكبريتية الحمضية، الموجودة عادة في المناطق الساحلية المنخفضة، إلى تحمض وتلوث المياه العذبة ومجاري مياه مصبات الأنهار سابقا.

السحب على المكشوف

تشكل المياه الجوفية موردًا قيمًا وفيرًا في كثير من الأحيان. تقع غالبية المناطق الأرضية في العالم تحت طبقات المياه الجوفية، والتي تقع أحيانًا على أعماق كبيرة. ومع ذلك، في بعض الحالات، تشهد طبقات المياه الجوفية هذه استنزافًا سريعًا بسبب الأنشطة البشرية. يمكن أن يؤدي هذا الاستخدام المفرط، الذي يطلق عليه الإفراط في التجريد أو السحب على المكشوف، إلى تحديات كبيرة للبشر والأنظمة البيئية. إن القضية الأكثر وضوحاً فيما يتعلق باستهلاك المياه الجوفية البشرية هي انخفاض منسوب المياه إلى ما دون العمق التشغيلي للآبار الموجودة. وبالتالي، هناك حاجة إلى حفر آبار أعمق للوصول إلى المياه الجوفية؛ وفي مناطق مثل كاليفورنيا وتكساس والهند، انخفض منسوب المياه بمئات الأقدام بسبب الضخ المكثف. تشير البيانات التي حصلت عليها الأقمار الصناعية GRACE إلى أن 21 من طبقات المياه الجوفية الرئيسية البالغ عددها 37 على الأرض تعاني حاليًا من النضوب. على سبيل المثال، في منطقة البنجاب في الهند، انخفضت مستويات المياه الجوفية بمقدار 10 أمتار منذ عام 1979، مع تكثيف معدل الاستنفاد. يمكن أن يؤدي تناقص منسوب المياه الجوفية بدوره إلى التعجيل بمشاكل إضافية مثل الهبوط الناجم عن المياه الجوفية وتسرب المياه المالحة.

علاوة على ذلك، فإن سحب المياه الجوفية من طبقات المياه الجوفية المفرطة التخصيص يشكل تهديدًا كبيرًا بحدوث أضرار جسيمة لكل من النظم البيئية الأرضية والمائية. يمكن أن يظهر هذا الضرر بشكل واضح في بعض الحالات، بينما في حالات أخرى قد يحدث بشكل غير محسوس على مدى فترات طويلة. كثيرا ما يتم التقليل من الأهمية البيئية للمياه الجوفية، حتى من قبل المتخصصين مثل علماء الأحياء في المياه العذبة وعلماء البيئة. تدعم أنظمة المياه الجوفية الأنهار والأراضي الرطبة والبحيرات، بالإضافة إلى النظم البيئية الجوفية الموجودة داخل طبقات المياه الجوفية الكارستية أو الغرينية.

بينما لا تحتاج جميع النظم البيئية إلى مياه جوفية، فإن بعض البيئات الأرضية، مثل الصحاري المفتوحة وغيرها من المناطق القاحلة، تحافظ على نفسها في المقام الأول من خلال هطول الأمطار المتقطع، ورطوبة التربة الناتجة، ورطوبة الغلاف الجوي. وعلى الرغم من وجود نظم إيكولوجية أرضية أخرى في مناخات أكثر اعتدالا لا تعتمد بشكل حاسم على المياه الجوفية، فإنها تظل عنصرا أساسيا في العديد من النظم الإيكولوجية العالمية الكبرى. يحدث تبادل المياه ديناميكيًا بين المياه الجوفية والمياه السطحية. تعتمد معظم الأنهار والبحيرات والأراضي الرطبة على المياه الجوفية، وعلى العكس من ذلك، يمكنها إعادة شحن المياه الجوفية في مواقع أو فترات مختلفة. تساهم المياه الجوفية في رطوبة التربة من خلال الترشيح، وتعتمد العديد من المجتمعات النباتية الأرضية بشكل مباشر على المياه الجوفية أو رطوبة التربة المتسربة فوق طبقة المياه الجوفية لجزء على الأقل من كل عام. تمثل المناطق البيئية مثل المناطق المنخفضة (الواجهة التي تختلط فيها مياه المجاري والمياه الجوفية) والمناطق المشاطئة الموائل التي تعتمد بشكل كبير أو كلي على المياه الجوفية.

كشفت دراسة أجريت عام 2021 أنه من بين ما يقرب من 39 مليون بئر مياه جوفية تم فحصها، يواجه 6-20٪ خطرًا كبيرًا للاستنزاف إذا انخفضت مستويات المياه الجوفية المحلية حتى ببضعة أمتار، أو، كما لوحظ في العديد من المناطق وربما أكثر من نصف طبقات المياه الجوفية الرئيسية، وتستمر هذه الانخفاضات.

وتتعرض طبقات المياه الجوفية العذبة، وخاصة تلك التي تعاني من محدودية تجديد المياه النيزكية (مثل الثلج أو المطر)، للاستغلال المفرط. اعتمادًا على الهيدروجيولوجيا المحلية المحددة، يمكن أن يؤدي ذلك إلى دخول المياه غير الصالحة للشرب أو تسرب المياه المالحة من طبقات المياه الجوفية المتصلة هيدروليكيًا أو المسطحات المائية السطحية. وتشكل هذه الظاهرة تحدياً كبيراً، خاصة في المناطق الساحلية وغيرها من المناطق التي تتميز بالضخ المفرط للمياه الجوفية.

الهبوط

الهبوط هو ظاهرة تنشأ من الإفراط في استخراج المياه الجوفية، مما يؤدي إلى ضغط الفراغات تحت السطح، وبالتالي انهيار الأرض التي فوقها. بصريًا، يمكن أن يظهر هذا على شكل منخفضات تشبه الحفرة على سطح الأرض. تتضمن الآلية الأساسية حالة التوازن الطبيعي، حيث يساهم الضغط الهيدروليكي للمياه الجوفية داخل المسام في كل من طبقة المياه الجوفية والخزان في دعم جزء من وزن الرواسب المغطاة. عندما تتم إزالة المياه الجوفية من طبقات المياه الجوفية من خلال الضخ المفرط، فإن ضغط المسام داخل طبقة المياه الجوفية يتضاءل، مما قد يؤدي إلى ضغطها. في حين أن بعض هذا الضغط قد يكون قابلاً للعكس جزئيًا في حالة استعادة الضغوط، إلا أن جزءًا كبيرًا منه يكون دائمًا. يؤدي هذا الضغط على طبقة المياه الجوفية في نهاية المطاف إلى هبوط الأرض، والذي يتميز بانخفاض سطح الأرض.

داخل طبقات المياه الجوفية غير المجمعة، تتواجد المياه الجوفية داخل المسام بين جزيئات الحصى والرمل والطمي. وإذا كانت طبقة المياه الجوفية هذه محصورة بطبقات منخفضة النفاذية، فإن انخفاض ضغط المياه داخل طبقات الرمل والحصى يؤدي إلى تصريف تدريجي للمياه من الطبقات المحصورة المجاورة. إذا كانت هذه الطبقات المحصورة تتكون من مواد قابلة للضغط مثل الطمي أو الطين، فإن فقدان المياه لاحقًا إلى طبقة المياه الجوفية يقلل من ضغط المياه داخل الطبقة المحصورة نفسها، مما يؤدي إلى ضغطها تحت وزن المواد الجيولوجية المغطاة. في الحالات الواضحة، يصبح هذا الضغط ملحوظًا على سطح الأرض على شكل هبوط. ومن المؤسف أن نسبة كبيرة من الهبوط الناتج عن استخراج المياه الجوفية لا يمكن عكسه، حيث أن الارتداد المرن ضئيل للغاية. ونتيجة لذلك، لا يكون الهبوط دائمًا فحسب، بل تعاني طبقة المياه الجوفية المضغوطة أيضًا من انخفاض دائم في قدرتها على تخزين المياه.

تقع مدينة نيو أورليانز، لويزيانا، حاليًا تحت مستوى سطح البحر، وهي حالة تعزى جزئيًا إلى استخراج المياه الجوفية من أنظمة طبقات المياه الجوفية/خزانات المياه الأساسية. خلال النصف الأول من القرن العشرين، شهد وادي سان جواكين هبوطًا كبيرًا، وصل إلى 8.5 متر (28 قدمًا) في مناطق معينة، ويرجع ذلك أساسًا إلى استنزاف المياه الجوفية. كما واجهت العديد من المدن الواقعة على دلتا الأنهار، مثل البندقية في إيطاليا وبانكوك في تايلاند، هبوطًا سطحيًا. سجلت مدينة مكسيكو سيتي، التي تم بناؤها على قاع بحيرة سابق، معدلات هبوط تصل إلى 40 سنتيمترًا (قدم و4 بوصات) سنويًا.

بالنسبة للمراكز الحضرية الساحلية، يؤدي الهبوط إلى تفاقم مخاطر التحديات البيئية الإضافية، بما في ذلك ارتفاع مستوى سطح البحر. على سبيل المثال، من المتوقع أن يتعرض 5.138 مليون نسمة في بانكوك للفيضانات الساحلية بحلول عام 2070، نتيجة لهذه العوامل التآزرية.

تملح المياه الجوفية بسبب التبخر

يمكن أن يؤدي التبخر الكبير من مصادر المياه السطحية إلى تملح المياه الجوفية المرتبطة بها. وتظهر هذه الظاهرة طبيعيا تحت المسطحات المائية الداخلية وصناعيا في المناطق الزراعية المروية. علاوة على ذلك، في المناطق الساحلية، يمكن أن يؤدي استخراج المياه الجوفية البشرية المنشأ إلى عكس اتجاه التسرب الطبيعي نحو المحيط، مما يؤدي إلى تملح التربة.

تتراكم الأملاح القابلة للذوبان في المياه التي تعبر البيئات الأرضية، وخاصة كلوريد الصوديوم. وعندما تخضع هذه المياه لعملية التبخر، تترسب هذه الأملاح الذائبة وتبقى في التربة. وفي مناطق الري، غالباً ما يؤدي عدم كفاية تصريف التربة وطبقات المياه الجوفية الضحلة إلى ارتفاع منسوب المياه إلى السطح في المنخفضات الطبوغرافية. ويؤدي هذا إلى مشاكل كبيرة في تدهور الأراضي، بما في ذلك تملح التربة والتشبع بالمياه، وهو ما يتفاقم بسبب ارتفاع تركيزات الملح في المياه السطحية. ونتيجة لذلك، لوحظت تأثيرات سلبية كبيرة على كل من الاقتصادات المحلية والنظم البيئية.

في المناطق شبه القاحلة التي تستخدم الري السطحي، تواجه طبقات المياه الجوفية خطر التملح، خاصة عندما يتم إعادة استخدام فاقد مياه الري الذي لا يمكن تجنبه والذي يتسرب تحت الأرض للري التكميلي عبر الآبار.

عادةً، تحتوي مياه الري السطحية على تركيزات ملح تبلغ حوالي 0.5 جم/لتر أو أعلى. نظرًا لطلب الري السنوي بحوالي 10,000 متر مكعب8§/هكتار أو أكثر، يمكن أن يتجاوز مدخل الملح السنوي إلى الأرض 5000 كجم/هكتار.

يمكن أن يؤدي التبخر المستمر إلى زيادة مستمرة في تركيز الملح في طبقة المياه الجوفية، مما يشكل في النهاية خطرًا بيئيًا.

لإدارة الملوحة في هذه السيناريوهات، يجب استخراج كمية محددة من مياه الصرف سنويًا من طبقة المياه الجوفية عبر نظام صرف تحت السطح وتصريفها بأمان. يمكن أن تكون أنظمة الصرف هذه إما أفقية، باستخدام الأنابيب أو المصارف أو الخنادق، أو عمودية، باستخدام الآبار للاستخراج. يمكن تقدير حجم الصرف المطلوب بشكل فعال من خلال نموذج المياه الجوفية الذي يتضمن عنصر الملوحة المائية الزراعية، مثل SahysMod.

تسرب مياه البحر

تظهر طبقات المياه الجوفية الساحلية عادةً عدسة مياه عذبة تعلو مياه البحر الأكثر كثافة. ولأن مياه البحر أكثر كثافة من المياه العذبة، فإنها تتسرب إلى طبقة المياه الجوفية عن طريق الانتشار من المحيط. في طبقات المياه الجوفية الساحلية المسامية، مثل التكوينات الرملية، يبلغ سمك طبقة المياه العذبة فوق المياه المالحة حوالي 12 مترًا (40 قدمًا) لكل 0.3 متر (1 قدم) من رأس المياه العذبة فوق متوسط ​​مستوى سطح البحر. يُعرف هذا الارتباط رسميًا باسم معادلة غيبن-هيرتسبرج. يمكن أن يؤدي استخراج المياه الجوفية بشكل مفرط بالقرب من السواحل إلى تسرب المياه المالحة إلى طبقات المياه الجوفية العذبة، وبالتالي تلويث موارد المياه الصالحة للشرب. تواجه العديد من طبقات المياه الجوفية الساحلية، بما في ذلك طبقة المياه الجوفية بيسكين بالقرب من ميامي وطبقة المياه الجوفية في سهل نيو جيرسي الساحلي، مشكلات تسرب المياه المالحة بسبب عوامل مثل الضخ الزائد وارتفاع مستويات سطح البحر.

يشير تسرب مياه البحر إلى دخول مياه البحر أو وجودها داخل طبقات المياه الجوفية الساحلية، مما يمثل حالة محددة من تسرب المياه المالحة. وفي حين أنها ظاهرة طبيعية، إلا أنها يمكن أن تتفاقم أو تبدأ بسبب التأثيرات البشرية، بما في ذلك ارتفاع مستوى سطح البحر الناجم عن تغير المناخ. داخل طبقات المياه الجوفية المتجانسة، يظهر تسرب مياه البحر عادة على شكل إسفين ملحي أسفل منطقة انتقالية إلى المياه الجوفية العذبة، مع تدفق المياه العذبة باتجاه البحر فوقها. يمكن لمثل هذه التعديلات أيضًا أن يكون لها تأثيرات ثانوية على البيئة الأرضية المغطاة. على سبيل المثال، قد يؤدي ارتفاع مستويات المياه الجوفية الساحلية في العديد من طبقات المياه الجوفية في كاليفورنيا إلى زيادة مخاطر الفيضانات وتعقيد إدارة الجريان السطحي.

يسهل ارتفاع مستويات سطح البحر اختلاط مياه البحر بالمياه الجوفية الساحلية، مما يجعلها غير صالحة للاستخدام عندما تشكل أكثر من 2-3% من إجمالي حجم الخزان. تشير التقديرات إلى أنه على طول 15% من الساحل الأمريكي، تقع مستويات المياه الجوفية المحلية السائدة حاليًا تحت مستوى سطح البحر.

التلوث

تغير المناخ

من المرجح أن يتم التوسط في التأثيرات الأكثر أهمية لتغير المناخ على موارد المياه الجوفية من خلال التأثيرات غير المباشرة على الطلب على مياه الري، مدفوعة في المقام الأول بالتبخر المعزز. وقد لوحظ على نطاق واسع انخفاض عالمي في مخزون المياه الجوفية. ويعزى هذا الاستنزاف إلى زيادة استخدام المياه الجوفية لأغراض الري الزراعي، وخاصة في المناطق القاحلة. وينبع جزء من هذا الطلب المتزايد على الري من مشاكل ندرة المياه التي تفاقمت بسبب تأثير تغير المناخ على الدورة الهيدرولوجية. يبلغ إجمالي إعادة توزيع المياه البشرية المنشأ حوالي 24000 كيلومتر تقريبًا³ سنويًا، وهو ما يعادل تقريبًا ضعف التغذية السنوية العالمية للمياه الجوفية.

يؤدي تغير المناخ إلى تغييرات في دورة المياه، مما يؤثر لاحقًا على المياه الجوفية من خلال آليات مختلفة، بما في ذلك تناقص تخزين المياه الجوفية، وانخفاض التغذية، وتدهور جودة المياه، لا سيما في أعقاب الأحداث المناخية القاسية. على العكس من ذلك، في المناطق الاستوائية، يبدو أن هطول الأمطار والفيضانات الشديدة تؤدي إلى زيادة إعادة شحن المياه الجوفية.

ومع ذلك، تظل التداعيات الدقيقة لتغير المناخ على أنظمة المياه الجوفية مجالًا نشطًا للبحث، ويرجع ذلك في المقام الأول إلى ندرة البيانات العلمية الشاملة من مراقبة المياه الجوفية، والتي تشمل الاختلافات المكانية والزمانية، ومعدلات الاستخراج، والنماذج العددية القوية لعمليات التغذية.

قد تظهر عواقب تغير المناخ بشكل متباين على تخزين المياه الجوفية؛ على سبيل المثال، من المحتمل أن تؤدي أحداث هطول الأمطار الكبرى المتوقعة الأكثر كثافة، وإن كانت أقل تواتراً، إلى زيادة تغذية المياه الجوفية عبر العديد من البيئات. وعلى العكس من ذلك، قد تؤدي فترات الجفاف الطويلة والأكثر شدة إلى جفاف التربة وضغطها، وبالتالي تقليل من التسرب إلى المياه الجوفية.

في المناطق المرتفعة، قد يؤدي انخفاض مدة وحجم الغطاء الثلجي إلى انخفاض تغذية المياه الجوفية خلال موسم الربيع. علاوة على ذلك، فإن تأثيرات تراجع الأنهار الجليدية في جبال الألب على أنظمة المياه الجوفية لم يتم فهمها بشكل شامل بعد.

وقد أدى ارتفاع مستوى سطح البحر العالمي، نتيجة لتغير المناخ، إلى تسرب مياه البحر إلى طبقات المياه الجوفية الساحلية على مستوى العالم، وخاصة في المناطق المنخفضة والدول الجزرية الصغيرة. ومع ذلك، فإن استخراج المياه الجوفية يشكل عادة المحرك الرئيسي لتسرب مياه البحر، وغالبا ما يحل محل تأثير ارتفاع مستوى سطح البحر. يشكل هذا التطفل تهديدًا كبيرًا للنظم البيئية الساحلية وقدرة سبل العيش على الصمود، حيث تم تحديد بنغلاديش، وخاصة غابات المنغروف في سونداربانس، باعتبارها منطقة معرضة للخطر للغاية.

قد يؤدي تغير المناخ أيضًا إلى تفاقم تلوث المياه الجوفية بشكل غير مباشر؛ يمكن أن تؤدي العواصف الأكثر تواتراً وشدة إلى تعبئة الملوثات مثل الأسمدة أو مياه الصرف الصحي أو الفضلات البشرية من مراحيض الحفر، وبالتالي تلويث المياه الجوفية. في الوقت نفسه، تؤدي حالات الجفاف إلى تقليل قدرات تخفيف مياه الأنهار وانخفاض مستويات المياه الجوفية، وبالتالي زيادة خطر تلوث المياه الجوفية.

تشمل أنظمة طبقات المياه الجوفية التي تظهر قابلية التأثر بتغير المناخ الفئات اللاحقة (لا تتأثر الفئات الأربع الأولى في الغالب بالسحب البشري المنشأ، في حين توضح الأمثلة من خمسة إلى ثمانية تضاعف الضعف بسبب كثافة استخراج المياه الجوفية البشرية):

1. أنظمة طبقات المياه الجوفية الساحلية والدلتا منخفضة التضاريس؛
2. أنظمة طبقات المياه الجوفية الواقعة في خطوط العرض الشمالية القارية أو داخل المناطق الألبية والقطبية؛
3. طبقات المياه الجوفية الكامنة وراء المناطق الحضرية ذات الدخل المنخفض التي تتوسع بسرعة، والمجتمعات النازحة أو غير الرسمية الكبيرة؛
4. طبقات المياه الجوفية الغرينية الضحلة أسفل الأنهار الموسمية في المناطق القاحلة؛
5. أنظمة طبقات المياه الجوفية التي يتم ضخها بشكل مكثف لدعم الري بالمياه الجوفية في المناطق القاحلة؛
6. خزانات المياه الجوفية التي يتم ضخها بشكل مكثف والتي تغذي المدن القاحلة؛
7. الضخ المكثف لطبقات المياه الجوفية الساحلية؛
8. أنظمة طبقات المياه الجوفية منخفضة التخزين ومنخفضة التغذية في المناطق القاحلة.

التكيف مع تغير المناخ

تعتبر زيادة استخدام المياه الجوفية، لا سيما في منطقة جنوب الصحراء الكبرى في أفريقيا، استراتيجية قابلة للتطبيق للتكيف مع تغير المناخ، خاصة عندما يؤدي تغير المناخ إلى ظروف جفاف أكثر حدة أو تواترًا.

تستفيد استراتيجيات التكيف التي تركز على المياه الجوفية من تخزين المياه الجوفية الموزعة والقدرة الكامنة لأنظمة طبقات المياه الجوفية على الاحتفاظ بفائض المياه الموسمي أو العرضي. تظهر هذه الأساليب انخفاضًا كبيرًا في خسائر التبخر مقارنة بالبنية التحتية التقليدية، مثل السدود السطحية. على سبيل المثال، في أفريقيا الاستوائية، يمكن أن يؤدي استخراج المياه من احتياطيات المياه الجوفية إلى تعزيز مرونة إمدادات المياه والغذاء مع تغير المناخ.

التخفيف من آثار تغير المناخ

يعد تقدم الطاقة الحرارية الأرضية، المعروفة كمصدر مستدام للطاقة، أمرًا محوريًا في الحد من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون₂ وبالتالي التخفيف من تغير المناخ. تعمل المياه الجوفية كوسيلة مهمة في عمليات تخزين ونقل واستخراج الطاقة الحرارية الأرضية.

في الدول الرائدة مثل هولندا والسويد، يتم التعرف على المياه الجوفية والمياه الجوفية تدريجيًا كمكونات متكاملة - تعمل كمصادر موسمية أو أحواض أو مخازن حرارية - داخل شبكات التدفئة والتبريد في المناطق.

علاوة على ذلك، توفر طبقات المياه الجوفية العميقة إمكانية احتجاز الكربون وعزله، وهي عملية مصممة لتخزين الكربون وبالتالي الحد من تراكم الكربون في الغلاف الجوي. ثاني أكسيد.

إدارة المياه الجوفية

تسهل أطر حوكمة المياه الجوفية الإدارة والتخطيط وتنفيذ السياسات المتعلقة بموارد المياه الجوفية. تعمل هذه العمليات عبر نطاقات ومستويات جغرافية مختلفة، بما في ذلك السياقات الإقليمية والعابرة للحدود.

تتضمن إدارة المياه الجوفية في المقام الأول التنفيذ العملي والأنشطة التشغيلية اليومية. إن تصور المياه الجوفية كمورد خاص، يرتبط غالبًا بملكية الأراضي ومعترف به قانونًا على هذا النحو في بعض الولايات القضائية، يؤدي إلى تعقيد تنظيمه وإدارته من أعلى إلى أسفل. وبالتالي، يجب على الحكومات أن تتقبل بشكل كامل مسؤولياتها تجاه هذا المورد، مع الاعتراف بخصائص الصالح العام المتأصلة فيه.

تنظم الأطر القانونية والتنظيمية الوطنية الوصول إلى المياه الجوفية والأنشطة البشرية التي تؤثر على جودتها. وينبغي أن تشمل الهياكل القانونية الشاملة أيضًا حماية مناطق التصريف وإعادة الشحن، وحماية المناطق المحيطة بآبار إمدادات المياه، ووضع معايير الإنتاجية المستدامة وضوابط الاستخراج، وتنفيذ لوائح الاستخدام المترابط. علاوة على ذلك، في بعض الولايات القضائية، يتم دمج إدارة المياه الجوفية مع تنظيم المياه السطحية، بما في ذلك أنظمة الأنهار.

وجهات النظر الوطنية

تشكل المياه الجوفية مصدرًا حيويًا لمياه الشرب، لا سيما في المناطق القاحلة.

تواجه المنطقة العربية ندرة شديدة في المياه على مستوى العالم، حيث تعمل المياه الجوفية كمصدر رئيسي للمياه في 11 دولة عربية على الأقل من أصل 22 دولة. وقد أدى الإفراط في استخراج المياه على نطاق واسع عبر أجزاء عديدة من هذه المنطقة إلى انخفاض كبير في منسوب المياه الجوفية، وخاصة في المناطق ذات الكثافة السكانية العالية والمناطق الزراعية.

• جميع الصفحات التي تحتوي على عناوين تحتوي على المياه الجوفية
• التدفق الأساسي – التدفق المستمر الملاحظ بين أحداث الهطول المختلفة.
• الهيدرولوجيا
• قائمة طبقات المياه الجوفية
• قائمة طبقات المياه الجوفية في الولايات المتحدة
• الموارد المائية – مصادر المياه الطبيعية ذات المنفعة المحتملة للأغراض البشرية.
• الأمن المائي - هدف إدارة المياه، بهدف الاستفادة من الفرص المتعلقة بالمياه مع تخفيف المخاطر المرتبطة بها.

المراجع

مكتب USGS للمياه الجوفية

• مكتب المسح الجيولوجي الأمريكي للمياه الجوفية
• IAH، الرابطة الدولية لعلماء الهيدروجيولوجيا
• مشروع المياه الجوفية – منصة إلكترونية مخصصة لنشر المعرفة بالمياه الجوفية.
• UGPRO – مبادرة بحثية مدتها سبع سنوات (2013-2020) تبحث في "إمكانات المياه الجوفية لصالح الفقراء".