Dynamic Flood Routing in Sediment-Affected Reservoirs Using Satellite- Derived Area-Elevation Curves: A Case Study of Golestan Dam, Iran

تُعد السدود من بين أكثر محاولات البشرية طموحاً لترويض الأنهار، حيث تعمل كإسفنجات ضخمة تمتص الزيادات المفاجئة في المياه لحماية البلدات والمزارع الواقعة في اتجاه مجرى النهر. وللقيام بذلك بأمان، يعتمد المهندسون على فهم أساسي لشكل السد: مقدار المساحة المتاحة لاحتواء الماء عند أي ارتفاع معين. هذه العلاقة، المعروفة باسم منحنى "المساحة-الارتفاع"، تُرسَم عادةً عند بناء السد لأول مرة، بناءً على الوادي النظيف والفارغ الذي صُمم ليملأه. ولعقود من الزمن، كان النهج المعياري في سلامة الفيضانات هو افتراض أن هذا الشكل لا يتغير أبداً. المنطق بسيط: إذا كنت تعرف كمية الماء التي تسعها الدلو، يمكنك التنبؤ بدقة بكمية الماء التي ستتدفق فوق الحافة عندما تضرب عاصفة ما. ومع ذلك، فإن هذا الافتراض يتجاهل قوة بطيئة ومستمرة تعيد تشكيل كل خزان مائي بمرور الوقت: وهي الرواسب. تحمل الأنهار الرمال والطمي والطين، وعندما تتباطأ سرعتها عند دخول الخزان المائي، تترسب هذه المواد في القاع. وعلى مر السنين والعقود، يؤدي هذا التراكم إلى رفع قاع الخزان، مما يؤدي فعلياً إلى تقليص حجم "الدلو" وتغيير شكله، غالباً بطرق يصعب رؤيتها من السطح.

في دراسة حديثة ركزت على سد كولستان في شمال إيران، سعى الباحثون لاختبار ما يحدث عندما نتوقف عن افتراض أن الدلو يظل بنفس الحجم. قام الفريق، بقيادة مهندسين من جامعة جرجان للعلوم الزراعية والموارد الطبيعية وجامعة السلطان قابوس، بالتحقيق في كيفية تغيير الامتلاء التدريجي للخزان بالرواسب لطريقة سلوك مياه الفيضانات. وقد اختاروا سد كولستان لأنه يقع في منطقة معرضة لهطول أمطار غزيرة وفيضانات مفاجئة، مما يجعل التنبؤ الدقيق بالفيضانات مسألة سلامة عامة. السد، الذي اكتمل بناؤه في عام 1999، صُمم في الأصل لاستيعاب حجم معين من المياه، ولكن بحلول عام 2015، كشفت المسوحات الهيدروغرافية -وهي في الأساس خرائط تحت مائية لقاع الخزان- عن تغيير جذري. فقد أدت الرواسب إلى رفع قاع الخزان بأكثر من خمسة أمتار وقللت إجمالي سعة التخزين عند مستوى المفيض بنسبة تقارب 40 بالمائة. وهذا يعني أن الخزان أصبح أقل عمقاً بشكل ملحوظ ويحتوي على مياه أقل مما اقترحته المخططات الأصلية.

ولفهم كيف يؤثر هذا التغيير المادي على سلامة الفيضانات، لجأ الباحثون إلى أداة حديثة تتجاوز الحاجة إلى المسوحات المائية المكلفة وغير المتكررة: وهي صور الأقمار الصناعية. باستخدام "محرك جوجل إيرث" (Google Earth Engine)، وهو نظام سحابي قوي يعالج كميات هائلة من البيانات، حلل الفريق أكثر من 100 صورة التقطتها أقمار "سنتينل-2" (Sentinel-2) بين عامي 2015 و2025. تلتقط هذه الأقمار صوراً للأرض كل بضعة أيام بدقة كافية لرؤية تفاصيل صغيرة بحجم سيارة واحدة. ومن خلال تطبيق تقنية تحليل ألوان محددة تميز بين الماء واليابسة، تمكن الباحثون من تتبع الخط الخار খো الدقيق لسطح الخزان عند مستويات مياه مختلفة. سمح لهم ذلك بإعادة بناء الشكل الحالي للخزان، وإنشاء خريطة محدثة لكيفية استيعاب الماء عند كل ارتفاع، مما أدى فعلياً إلى تحديث أبعاد "الدلو" بناءً على ما رأته الأقمار الصناعية بالفعل بدلاً مما رُسم على الورق قبل خمسة وعشرين عاماً.

بعد ذلك، قام الفريق بتغذية نسختين مختلفتين من شكل الخزان في نموذج حاسوبي مصمم لمحاكاة "توجيه الفيضان"، وهي عملية تتبع كيفية تحرك موجة الفيضان عبر السد وخارجه. أجروا عمليات محاكاة لأربعة أنواع مختلفة من العواصف، تتراوح من حدث شائع يحدث كل 25 عاماً إلى فيضان كارثي نادر يحدث كل 200 عام. في كل سيناريو، اختبروا شرطين: أحدهما حيث يكون الخزان فارغاً وجاهزاً لاستقبال المياه، والآخر حيث يكون ممتلئاً بالفعل. كشفت النتائج عن فرق صارخ بين الرؤية القديمة الثابتة والواقع الديناميكي الجديد. فعندما استخدم الباحثون الشكل المحدث للخزان المملوء بالرواسب، أظهرت عمليات المحاكاة أن السد سيطلق كمية أكبر بك jauh من المياه أثناء الفيضان مما تم حسابه سابقاً. بالنسبة لفيضان ضخم يحدث كل 200 عام، توقع النموذج المحدث أن السد سيطلق حوالي 12 مليون متر مكعب إضافي من المياه عما اقترحه النموذج القديم. وهذا حجم من المياه يعادل تقريباً ملء أربعة آلاف مسبح أولمبي.

إن تداعيات هذه المياه الإضافية عميقة لكل من يعيش في اتجاه مجرى النهر. وجدت الدراسة أن فقدان مساحة التخزين بسبب الرواسب يعني أن الخزان لا يمكنه حجز قدر كبير من ذروة الفيضان كما كان يعتقد المهندسون سابقاً. في عمليات المحاكاة، كان تدفق المياه الذروي المتدفق من السد أعلى، وكان الحجم الإجمالي لموجة الفيضان أكبر عندما تم أخذ الرواسب في الاعتبار. كان هذا التأثير أكثر دراماتيكية عندما بدأ الخزان فارغاً، وهي حالة قد يتوقع المرء فيها أن يعمل السد بأفضل أداء له. حتى في هذا السيناريو المثالي، كان الخزان المختنق بالرواسب يمتلك مساحة أقل لامتصاص صدمة الفيضان، مما أدى إلى إطلاق مياه أسرع وأكثر قوة. لاحظ الباحثون أيضاً أن مستوى الماء داخل الخزان ارتفع أعلى مما هو متوقع في النماذج المحدثة، مما جعل الماء يقترب من أعلى جدار السد. وبالنسبة لسد مبني من التراب، مثل سد كولستان، حيث يتكون الهيكل من تربة وصخور مضغوطة، فإن وصول مستوى الماء إلى قرب القمة يمكن أن يشكل خطراً جسيماً على السلامة.

كما سلطت الدراسة الضوء على خلل دقيق ولكن مهم في كيفية قياسنا للخزانات تقليدياً. فعندما قارن الباحثون خرائطهم المستمدة من الأقمار الصناعية مع المسح المائي لعام 2015، وجدوا أن الطريقتين اتفقتا جيداً في نطاق مستويات المياه المتوسطة، لكنهما اختلفتا بشكل كبير عند المستويات القصوى. ففي مستويات المياه المنخفضة جداً، رصدت الأقمار الصناعية جيوباً صغيرة من المياه في المنخفضات الضحلة التي فات المسح المائي رصدها، ويرجع ذلك على الأرجح إلى أن قوارب المسح لم تستطع التنقل في تلك المناطق الضحلة المملوءة بالرواسب. أما عند المستوى الأعلى، بالقرب من المفيض، فقد بدا أن المسح المائي اعتمد على تقديرات الخط المستقيم التي لم تتطابق مع الواقع المعقد والمنحني لشكل الخزان. يشير هذا إلى أن المسوحات التقليدية، رغم قيمتها، يمكن أن تغفل أحياناً عن التفاصيل الدقيقة للهندسة الحقيقية للخزان، خاصة مع تغيرها بمرور الوقت. في المقابل، يلتقط نهج الأقمار الصناعية سطح الماء الفعلي كما هو موجود في يوم معين، مما يوفر صورة أكثر واقعية للسعة الحالية للخزان.

في النهاية، تثبت هذه الدراسة أن الاعتماد على التصميم الأصلي للسد لم يعد كافياً لإدارة مخاطر الفيضانات في بيئة متغيرة. فالرواسب التي تتراكم في الخزامات ليست مجرد مصدر إزعاج يقلل من تخزين المياه، بل إنها تغير بشكل جوهري السلوك الهيدروليكي للنظام بأكم له. ومن خلال تجاهل هذه التغييرات، قد يقلل المهندسون ومسؤولو السلامة من تقدير خطر الفيضان، معتقدين أن السد يمكنه حجز مياه أكثر مما يستطيع في الواقع. تقترح الدراسة أن استخدام صور الأقمار الصناعية لتحديث شكل الخزانات بانتظام يوفر طريقة عملية وفعالة من حيث التكلفة للحفاظ على دقة نماذج الفيضانات. وبدلاً من الانتظار لعقود من أجل إجراء مسح مائي جديد، يمكن للسلطات استخدام التدفق المستمر لبيانات الأقمار الصناعية لرؤية كيفية تطور الخزان وتعديل خطط السلامة الخاصة بهم وفقاً لذلك. بالنسبة لسد كولستان ولعدد لا يحصى من السدود حول العالم، فإن هذا التحول من الرؤية الثابتة للماضي إلى الرؤية الديناميكية للحاضر قد يعني الفرق بين فيضان مدار وبين كارثة محققة.