Fragmented Corrections to the van Genuchten–Mualem Model Diverge by 24–68% from a Consistent Coupled Parameterization: A Quantitative Demonstration for Thermal, Osmotic, and Hysteretic Conditions

لا تتحرك المياه عبر التربة بالطريقة التي تتدفق بها في أنبوب أملس. ففي باطن الأرض، تلتصق المياه بالحببات الدقيقة، وتشق طريقها عبر متاهة من المسام التي تتقلص وتتمدد مع جفاف التربة أو رطوبتها. وللتنبؤ بكيفية حركة هذه المياه — سواء كانت أمطاراً تتسرب إلى حقل، أو ملحاً ينتشر من الري، أو رطوبة تنتقل عبر حاجز طيني — يعتمد العلماء على مجموعة قياسية من القواعد تُعرف بنموذج "فان جنكتن-مواليم" (van Genuchten–Mualem). يعمل هذا النموذج كحاسبة افتراضية لحركة المياه في التربة ذات التشبع المتغير، حيث يصف مدى إحكام تمسك المياه بجزيئات التراب ومدى سهولة انزلاقها من خلالها. وعلى مدى عقود، عملت هذه الحاسبة بشكل جيد في ظل ظروف بسيطة ومستقرة. لكن العالم الحقيقي نادراً ما يكون بسيطاً؛ فدرجات حرارة التربة تتقلب، ومياه الري غالباً ما تحتوي على أملاح ذائبة، والمسار الذي تسلكه المياه عند البلل نادراً ما يكون هو نفسه المسار الذي تسلكه عند الجفاف.

وعندما تبرز هذه الظروف المعقدة، حاول الباحثون تقليدياً إصلاح النموذج القياسي عبر تطبيق تصحيحات منفصلة ومعزولة؛ حيث كانوا يعدلون الأرقام لتأثير الحرارة، ثم يطبقون تعديلاً مختلفاً للملوحة، وأخيراً يضيفون لمسة ثالثة للفرق بين البلل والجفاف. والمشكلة هي أن هذه "الرقع" كانت تُدمج معاً دون التحقق مما إذا كانت تتوافق مع نفس المنطق الأساسي. وفي دراسة جديدة، أظهر باحثون من جامعة هو تشي منه للموارد الطبيعية والبيئة وجامعة هو تشي منه للتكنولوجيا أن هذا النهج المجزأ يؤدي إلى أخطاء جسيمة. فمن خلال توحيد هذه التصحيحات في إطار واحد متسق وإجراء محاكاة حاسوبية مفصلة، أثبتوا أن الطريقة القدة والمجزأة لحساب حركة المياه يمكن أن تخطئ بنسب تصل إلى عشرات بالمائة، مما يغير بشكل جذري التوقعات حول عمق اختراق المياه وكيفية إشباعها للتربة.

ركز الباحثون على ثلاثة عوامل بيئية محددة تغير سلوك المياه في الأرض: درجة الحرارة، والملوحة، وتاريخ ما إذا كانت التربة في حالة بلل أو جفاف. أولاً، نظروا في الحرارة؛ فمع ارتفاع درجة حرارة التربة، تصبح المياه أقل لزوجة، مما يعني أنها تتدفق بسهولة أكبر، تماماً مثل العسل الذي يصبح أقل كثافة في يوم حار. وغالباً ما يتجاهل النموذج القياسي هذا التغيير، حيث يعامل الماء كما لو كان له نفس الكثافة بغض النظر عن درجة الحرارة. ثانياً، فحصوا الملوحة؛ فعندما تحتوي المياه على أملاح ذائبة، يتولد ضغط تناضحي يمكنه إما جذب المياه نحوها أو حجزها، اعتماداً على ما إذا كانت التربة تعمل كمرشح يحجز الملح أم لا. وتفترض العديد من النماذج الحالية أن التربة تحجز الملح تماماً، وهو وضع نادراً ما يحدث في الترب الحالية مثل الترب الرملية أو الغرينية. ثالثاً، نظروا في ظاهرة "التلاكؤ" (hysteresis)، وهي ظاهرة تجعل التربة تحتفظ بالمياه بشكل مختلف اعتماداً على ماضيها؛ فالتربة التي تجف تحتفظ بالمياه بقوة أكبر من نفس التربة التي تمتص الماء حالياً، ومع ذلك تتجاهل العديد من الحسابات هذا التمييز وتستخدم منحنى واحداً لكلتا الحالتين.

ولاختبار مدى أهمية هذه التعديلات المنفصلة، بنى الفريق نموذجاً حاسوبياً موحداً يتعامل مع درجة الحرارة، والملوحة، وتاريخ البلل في آن واحد، مع ضمان اتساق القواعد لكل عامل مع الآخر. ثم أجروا محاكاة لسيناريو واقعي: عمود من تربة طميية جافة يتم ريها بمياه مالحة تحت تدرج حراري صيفي، حيث تكون السطح ساخناً والطبقات العميقة أكثر برودة. وقارنوا نتائج نموذجهم الموحد بنتائج النهج التقليدي المجزأ، حيث يُطبق كل تصحيح بمعزل عن الآخر أو بناءً على افتراضات خاطئة. وكانت الاختلافات صارخة ومتميزة فيزيائياً؛ فعندما تجاهلت المحاكاة حقيقة أن الماء الدافئ يتدفق بشكل أسرع، قللت من تقدير إجمالي كمية المياه التي تتسرب إلى التربة بنسبة 27 بالمائة. وعندما تجاهلت الفرق بين مسارات البلل والجفاف، توقعت أن جبهة البلل ستنتقل بعمق أكبر بنسبة 68 بالمائة مما هي عليه في الواقع، مما يوحي بأن الماء سيصل إلى أعماق أكبر بكใต้ الأرض مما سيحدث فعلياً.

ولعل الخطأ الأكثر دراماتيكية جاء من كيفية تعامل النماذج مع الملح؛ ففي العالم الحقيقي، معظم الترب الشائعة مثل الرمل والغرين لا تعمل كمرشحات مثالية للملح، بل تسمح للملح بالتحرك بحرية مع الماء. ومع ذلك، فإن النهج المجزأ التقليدي يفترض غالباً أن التربة تعمل كغشاء مثالي، يحجز كل الملح ويخلق ضغطاً اصطناعياً هائلاً يحجز الماء خلفه. ووجد الباحثون أنه حتى الافتراض الخاطي الصغير بأن التربة تحجز جزءاً ضئيلاً جداً من الملح يمكن أن يقلل من توقعات ترشح المياه بنسبة تتراوح بين 24 إلى 51 بالمائة. وإذا افترض النموذج أن التربة غشاء مثالي، فإنه يوقف حركة الماء تماماً، عبر حقن ضغط وهمي يعادل عموداً من الماء بارتفاع عشرات أو حتى مئات الأمتار. هذا الخطأ ليس مجرد خطأ حسابي بسيط، بل هو تغيير جوهري في الصورة الفيزيائية لما يحدث تحت الأرض.

كما تحقق البحث أيضاً من صحة النهج الموحد الجديد مقابل بيانات من العالم الحقيقي لضمان أن التصحيحات مستندة إلى الواقع. فبالنسبة لتأثير درجة الحرارة، استخدموا بيانات مقاسة بشكل مستقل لإظهار أن مجرد التعديل لتوتر السطح ليس كافياً، بل هناك حاجة لعلاقة أكثر تعقيداً لمطابقة السلوك المرصود. وبالنسبة لتأثير الملح، راجعوا قياسات من ترب مختلفة وأكدوا أن تأثير "الغشاء" يقترب من الصفر في الرمال والغرين، ولا يصبح مهماً إلا في الطين شديد الانضغاط. وبالنسبة للفرق بين البلل والجفاف، اختبروا نموذجهم الموحد مقابل قياسات مختبرية لمنحنيات رطوبة التربة، ووجدوا أن عامل تعديل بسيط يمكنه التنبؤ بسلوك البلل للتربة المتوسطة إلى الناعمة بدقة معقولة، وإن كانت القيمة الدقيقة تختلف باختلاف نوع التربة.

إن النتيجة الجوهرية هي أن الاتساق أمر بالغ الأهمية؛ فبما أن درجة الحرارة والملوحة والتلاكؤ تؤثر على حركة المياه من خلال آليات فيزيائية مختلفة، فإن تطبيقها بطريقة مفككة لا يسمح للأخطاء بأن تلغي بعضها البعض، بل إن الأخطاء تتراكم، مما يؤدي إلى توقعات منحرفة بهوامش كبيرة. لقد قدم الباحثون إطاراً رياضياً واحداً مغلق الصيغة يدمج هذه العوامل الثلاثة دون الحاجة إلى معاملات جديدة مجهولة. وتعود هذه الصيغة الجديدة إلى النموذج القياسي عندما تكون الظروف طبيعية، مما يضمن توافقها مع البيانات الموجودة، لكنها تظل قوية عندما تتغير الظروف. والنتيجة هي أداة أكثر موثوقية للمهندسين والعلماء الذين يحتاجون للتنبؤ بكيفية حركة المياه عبر الأرض، سواء كانوا يديرون الري في الحقول المتأثرة بالملوحة، أو يصممون حواجز لاحتواء الملوثات، أو يفهمون كيفية انتقال الرطوبة عبر القشرة الأرضية. ومن خلال توحيد هذه التصحيحات، تضمن هذه الدراسة أن الأرقام المستخدمة لوصف الأرض ليست مجرد مجموعة من الرقع، بل هي صورة متماسكة للواقع.