Influence of Geographical Location on the Temporal Dynamics of Reservoir Storage: A Case Study of Bogotá, Colombia

تُعد المياه العذبة شريان الحياة للمدن الحديثة، ومع ذلك فإن الأنظمة التي تجمعها وتخزنها تزداد هشاشة. ومع تزايد التجمعات السكانية الحضرية وتغير الأنماط الجوية لتصبح أكثر اضطراباً، لم يعد السلوك القديم المتمثل في إدارة المياه بناءً على المتوسطات الماضية كافياً. يكمن التحدي في التنبؤ بكيفية سلوك الخزانات عندما يتغير المناخ أو عندما تتغير الاحتياجات البشرية. وللقيام بذلك، غالباً ما يلجأ العلماء إلى تحليل السلاسل الزمنية، وهو أسلوب ينظر في كيفية تغير متغير واحد، مثل حجم المياه، بمرور الوقت لإيجاد أنماط خفية. يمكن لهذه الأنماط أن تكشف ما إذا كان النظام يتبع إيقاعاً ثابتاً وقابلاً للتنبؤ، أم أنه مدفوع بقوى غير منتظمة، مثل حالات الجفاف المفاجئة أو القرارات البشرية المتعمدة لإطلاق المياه من أجل التحكم في الفيضانات. إن فهم هذه الإيقاعات أمر بالغ الأهمية للمدن التي تعتمد على هذه الخزانات، لأن الفشل في توقع انخفاض مستويات المياه يمكن أن يؤدي إلى نقص شديد في المياه لملايين الأشخاص.

في عام 2024، واجهت مدينة بوغوتا، كولومبيا، تذكيراً صارخاً بهذه الهشاشة. فقد أدى جفاف شديد مرتبط بظاهرة مناخية عالمية تُعرف باسم "النينيو" إلى دفع خزانات المدينة إلى مستويات منخفضة بشكل حرج، مما أجبر السلطات على تقنين المياه لما يقرب من عشرة ملايين نسمة. سلطت هذه الأزمة الضوء على فجوة في الأدوات المتاحة لمديري المياه. وبينما تحاول بعض النماذج محاكاة الفيزياء المعقدة للأمطار والتبخر، تعتمد نماذج أخرى على الأنماط الإحصائية الموجودة في البيانات التاريخية. وقد طرح الباحثون وراء هذه الدراسة، وهم فريق من عدة جامعات في بوغوتا، سؤالاً محدداً: هل يحدد الموقع الجغرافي للخزان أي أداة إحصائية هي الأفضل للتنبؤ بمستقبله؟ لقد ركزوا على أربعة خزانات رئيسية تمد المدينة بالمياه: تشوزا، ونيوسا، وسيسجا، وتوميني. هذه المسطحات المائية ليست متطابقة؛ فهي تقع في تضاريس مختلفة، وتتلقى الأمطار بأنماط مختلفة، وتُدار لأغراض مختلفة. افترض الفريق أن نهج نمذجة واحد لن يصلح لجميع هذه الخزانات. بدلاً من ذلك، فإن أفضل طريقة للتنبؤ ستعتمد على "البصمة" الفريدة لموقع كل خزان وتفاعله مع الإدارة البشرية.

بدأ الباحثون بفحص تاريخ تخزين المياه في هذه الخزانات الأربعة. ووجدوا أن الخزانات تسلك سلوكين متميزين، يفرضهما بشكل كبير مكان وقوعها. فخزان تشوزا، الواقع في حديقة وطنية على المنحدر الشرقي لجبال الأنديز، يتبع نمط هطول أمطار بسيط ذو ذروة واحدة نموذجي لتلك المنطقة؛ حيث يمتلئ خلال موسم أمطار رئيسي واحد ويفرغ خلال موسم الجفاف. ولأن سلوكه مدفوع بالكامل تقرياً بهذه الدورة الطبيعية، وجد الباحثون أن نموذجاً إحصائياً قياسياً، يبحث عن الأنماط الموسمية المتكررة، قد نجح معه بشكل جيد. ومع ذلك، فإن الخزانات الثلاثة الأخرى — نيوسا، وسيسجا، وتوميني — هي جزء من نظام شمالي أقرب إلى القلب الحضري للمدينة. تشهد هذه الخزانات موسمين للأمطار في السنة، مما يخلق إيقاعاً أكثر تعقيداً ذا ذروتين. علاوة على ذلك، ولأنها تُستخدم للتحكم في الفيضانات ولإمداد المدينة بالمياه، فإن مستوياتها يتم تعديلها بشكل متكرر من قبل المشغلين البشريين الذين يفتحون ويغلقون البوابات. هذا التدخل البشري يقطع الإيقاع الطبيعي، مما يضيف طبقة من التعقيد لا يمكن لنموذج موسمي بسيط استيعابها بسهولة.

وللتعامل مع هذا التعقيد، طور الفريق نهجاً هجيناً للخزانات الشمالية. لقد جمعوا بين طريقة تفكك البيانات إلى أجزائها الموسمية المتكررة وطريقة أخرى تحلل التقلبات غير المنتظمة المتبقية. فكر في الأمر كفصل أغنية إلى لحنها وضوضاء الخلفية الخاصة بها؛ الجزء الأول يلتقط دورة المناخ المتكررة والمتوقعة، بينما يفسر الجزء الثاني التغيرات غير المتوقعة المدفوعة بشرياً. وعندما اختبروا هذا النموذج الهجين مقابل النموذج التقليدي، كانت النتائج مذهلة. بالنسبة للخزانات الثلاثة الشمالية، حقق النهج الهجين تنبؤات دقيقة للغاية، حيث تراوحت الأخطاء بين 5 و9 بالمائة تقريباً. في المقابل، أنتج النموذج التقليدي لخزان تشوزا، الذي يعتمد على نمط موسمي واحد، معدل خطأ أعلى وصل إلى ما يقرب من 29 بالمائة. ومع ذلك، فقد كان الباحثون حذرين في توضيح أن هذا الخطأ المرتفع لم يكن فشلاً للنموذج نفسه؛ فقد حدد النموذج بشكل صحيح النمط الموسمي المعتاد، لكن الجفاف في عام 2024 كان حدثاً استثنائياً دفع الخزان بعيداً جداً عن نطاقه التاريخي المعتاد. لقد كان النموذج صحيحاً بشأن القواعد، لكن الطقس كسر تلك القواعد.

كما نظرت الدراسة عن كثب في مدى جودة أداء النماذج خلال الأزمة الفعلية في عام 2024. بالنسبة للخزانات الشمالية، حافظت النماذج الهجينة على تنبؤاتها ضمن نطاق واقعي من عدم اليقين، حتى مع اشتداد الجفاف. يشير هذا إلى أنه من خلال فصل الإشارة المناخية الطبيعية عن القرارات التشغيلية البشرية، استطاع النموذج استيعاب صدمة الجفاف بشكل أفضل. أما خزان تشوزا، فقد شهد انخفاض مستويات المياه فيه إلى درجات منخفضة جداً بحيث سقطت تحت هوامش الأمان التي توقعها النموذج. حدث هذا لأن تشوزا يعتمد على موسم أمطار واحد؛ فعندما فشل ذلك الموسم، لم تكن هناك فرصة ثانية للتعافي، على عكس الخزانات الشمالية التي تستفيد من موسمين للأمطار ونظام إدارة أكثر مرونة. وخلص الباحثون إلى أن الخطأ المرتفع لخزان تشوزا لم يكن بسبب خطأ النموذج، بل لأن الخزان تعرض لحدث استثنائي لم يكن لأي نموذج تاريخي أن يتوقعه بالكامل.

في الختام، تشير الورقة البحثية إلى أنه لا توجد طريقة واحدة "مثلى" للتنبؤ بتخزين المياه لمدينة بأكملها. فجغرافيا الحوض تحدد نظام هطول الأمطار لديه، والدور التشغيلي للخزان يحدد كيفية تفاعل البشر معه. بالنسبة لخزان مثل تشوزا، الذي يتبع إيقاعاً طبيعياً بسيطاً، فإن نموذجاً موسمياً قياسياً يعد كافياً. أما بالنسبة لخزانات مثل سيسجا وتوميني، التي تخضع لكل من الأنماط المناخية المعقدة والإدارة البشرية النشطة، فإن النهج الهجين الذي يفصل بين هذين التأثيرين يعد أكثر فعالية بكثير. تقدم الدراسة أداة عملية لمديري المياه، موضحة أنه من خلال تطويع طريقة التنبؤ لتناسب الواقع الفيزيائي والتشغيلي المحدد لكل خزان، يمكن للمدن توقع الأزمات بشكل أفضل. لا تدعي هذه الدراسة حل مشكلة تغير المناخ أو التنبؤ بالجفاف الشديد بيقين تام، لكنها توفر طريقة أكثر وضوحاً وموثوقية لفهم ديناميكيات تخزين المياه في عالم متغير. ومن خلال إدراك أن الموقع والتدخل البشري يشكلان البيانات، يمكن للمديرين التخطيط بثقة أكبر، والتمييز بين نظام يتصرف بشكل طبيعي ونظام يواجه تحدياً غير مسبوق.