An Integrated Sensitivity and Surrogate Modelling Framework for Stakeholder-Aware Groundwater Management under Salinity Stress

تُعد الخزانات الجوفية الساحلية هي المستودعات الخفية التي تغذي المدن والمزارع على طول شواطئ العالم، لكنها توجد في توازن دقيق. فخلف الرمال والحصى، تطفو المياه العذبة الناتجة عن الأمطار والأنهار فوق طبقة أكثر كثافة من المياه المالحة التي تسربت من المحيط. وهذه الحدود ليست ثابتة؛ بل تتحرك باستمرار. فعندما يسحب الناس الكثير من المياه العذبة من باطن الأرض، ينخفض الضغط، وتندفع المياه المالحة الثقيلة نحو الداخل، محولةً الإمداد العذب إلى مياه شديدة الملوحة لا يمكن استخدامها للشرب أو الري. إن إدارة هذه الحرب غير المرئية تتطلب معرفة كمية المياه التي يمكن أخذها من أي آبار دون التسبب في انهيار النظام بأكمله. ولعقود من الزمن، حاول العلماء حل هذه المشكلة عبر تشغيل محاكاة حاسوبية معقدة تحاكي التدفق تحت الأرض، ولكن هذه الحسابات كانت ثقيلة وبطيئة لدرجة أن اختبار كل استراتيجية ضخ ممكنة يصبح أمراً مستحيلاً.

لقد طور فريق من الباحثين الآن طريقة جديدة للتنقل في هذه المشكلة، وهي أسرع وأوضح ومصممة لمساعدة الأشخاص الذين يعتمدون فعلياً على المياه في اتخاذ القرارات. وبالتركيز على خزان "كهك" الجوفي في وسط إيران، وهي منطقة تهدد فيها بحيرة ملحية الأراضي الزراعية المجاورة، أنشأ الفريق إطار عمل يستبدل النماذج الحاسوبية البطيئة و"الصندوق الأسود" بأدوات تعتمد على المعادلات والشفافية. وبدلاً من معاملة النظام الجوفي كآلة غامضة لا تنتج سوى نتيجة، تبني طريقتهم مجموعة من القواعد الواضحة التي تشرح بالضبط كيف يغير ضخ بئر معينة مستوى الماء ويدفع جبهة المياه المالحة. ومن خلال الجمع بين هذه القواعد الواضحة وطريقة لإيجاد أفضل الحلول الوسطى بين الاحتياجات المتنافسة، تمكن الباحثون من تحديد استراتيجيات الضخ التي تلبي احتياجات المزارعين وتحمي الأرض، مع تقليل الوقت اللازم لإيجاد الحل بنسبة تقارب 98 بالمائة.

تبدأ القصة في حوض "قم" الجنوبي، حيث تسحب ما يقرب من 1500 بئر المياه للاستخدام الزراعي والمنزلي. تقع المنطقة بجوار بحيرة ملحية، وقد دفع الضخ المستمر المياه المالحة بالفعل عدة كيلومترات نحو الداخل، مما يهدد بإفساد التربة لآلاف الهكتارات من الأراضي الزراعية. في الماضي، كان محاولة فهم كيفية إيقاف ذلك يتطلب تشغيل نموذج حاسوبي عالي الدقة آلاف المرات، مع تعديل معدلات الضخ لكل بئر في كل مرة لمعرفة ما سيحدث. هذه العملية تشبه محاولة العثور على إبرة في كومة قش من خلال فحص كل قطعة قش واحدة تلو الأخرى؛ فهي دقيقة ولكنها تستغرق وقتاً طويلاً جداً لدرجة تجعلها غير مفيدة لاتخاذ القرار في الوقت الفعلي. أدرك الباحثون أنه لإدارة الخزان الجوفي بفعالية، كانوا بحاجة إلى أداة يمكنها التنبؤ بنتيجة خطة الضخ فوراً وشرح سبب حدوث تلك النتيجة.

لبناء هذه الأداة، استخدم الفريق أولاً النموذج الحاسوبي التفصيلي والبطيء لإنشاء قاعدة بيانات ضخمة من السيناريوهات المحتملة. لقد قاموا بمحاكاة رد فعل الخزان الجوفي تجاه آلاف مجموعات الضخ المختلفة، وتسجيل التغيرات في مستويات المياه وحركة المياه المالحة. ومن هذه البيانات، قاموا بتدريب برنامج حاسوبي جديد لا يكتفي بتخمين الإجابة، بل يكتب العلاقة الرياضية بين المدخلات والمخرجات. هذا البرنامج، وهو هجين من طريقتين تحليليتين مختلفتين، تعلم تجميع الآبار بناءً على موقعها ونوع الصخور التي تقع فيها. ثم استنتج معادلات محددة لكل مجموعة تصف بالضبط مقدار انخفاض مستوى الماء ومدى تحرك المياه المالحة عندما تضخ بئر بمعدل معين. والنتيجة هي مجموعة من الصيغ الواضحة والقابلة للقراءة التي تعمل كنسخة "تسريع" للمحاكاة المعقدة، مما يسمح للباحثين باختبار آلاف الاستراتيجيات في الوقت الذي كان يستغرقه تشغيل محاكاة واحدة فقط.

مع وجود هذا النموذج السريع والشفاف بين أيديهم، التفت الباحثون إلى العنصر البشري في المشكلة. ففي منطقة تضم خمس مناطق زراعية متميزة، لكل مجموعة من المزارعين احتياجاتها الخاصة ومخاوفها من المياه المالحة. بعض المناطق أقرب إلى البحيرة وأكثر عرضة للخطر، بينما تكون مناطق أخرى أبعد عن ذلك. لم يكن الهدف مجرد إيجاد الحل الرياضي الأمثل، بل إيجاد حل يمكن لأصحاب المصلحة الاتفاق عليه. استخدم الفريق خوارزمية لتوليد مجموعة واسعة من خطط الضخ الممكنة، حيث تمثل كل منها مقايضة مختلفة بين كمية المياه التي يمكن استخراجها ومدى تقدم المياه المالحة. ثم طبقوا ثلاث طرق مختلفة لفض النزاعات على هذه الخيارات: إحداها بحثت عن المكسب الأكثر توازناً للجميع، وأخرى صنفت الخيارات بناءً على عدد الأشخاص الذين يفضلونها، وثالثة ركزت على الخطة الأكثر متانة في حالة عدم اليقين.

كشف التحليل أنه لا توجد إجابة مثالية واحدة، ولكن هناك بعض الاستراتيجيات التي تبرز كخيارات مقبولة لجميع الأطراف. وجد الباحثون أن 92 خطة ضخ كانت فعالة رياضياً، ولكن ثلاثاً منها فقط كانت مقبولة في آن واحد لدى مجموعات أصحاب المصلحة الخمس. ومن المثير للاهتمام أنه بينما اختارت طرق فض النزاع المختلفة أفضل الخيارات، إلا أنها اتفقت جميعها على خيار "ثاني أفضل"، مما يشير إلى وجود إجماع قوي على مسار قابل للتطبيق. وأظهرت السيناريوهات الأكثر واعدة أنه من خلال إعادة توزيع مكان سحب المياه بعناية — عبر تقليل الضخ من الآبار الأقرب إلى البحيرة المالحة وزيادة الضخ من تلك الأبعد في الداخل — فمن الممكن تلبية حوالي 65 بالمائة من إجمالي الطلب على المياه لجميع أصحاب المصلحة مع إبقاء تغلغل المياه المالحة تحت السيطرة.

تسلط هذه الدراسة الضوء على رؤية جوهرية: ليس فقط إجمالي كمية المياه التي يتم ضخها هي المهمة، بل أيضاً مكان ضخها. لقد أثبت الباحثون أن نقل حمل الضخ بعيداً عن الحواف الحساسة للخزان الجوفي يمكن أن يبطئ بشكل كبير تقدم المياه المالحة دون قطع إمدادات المياه بشكل جذري. هذا الاكتشاف يتحدى الفكرة القائلة بأن الحل الوحيد هو ببساطة ضخ كمية أقل من المياه بشكل عام. بدلاً من ذلك، يشير إلى أن الإدارة الذكية للتوزيع المكاني للآبار يمكن أن تحمي المورد مع الحفاظ على الإنتاجية. ويسمح إطار العمل الجديد لصناع القرار برؤية هذه المقايضات بوضوح، وفهم كيف يؤثر التغيير في بئر واحدة على النظام بأكمله، بدلاً من الاعتماد على مخرجات حاسوبية غامضة.

في نهاية المطاف، يقدم هذا العمل مساراً عملياً لإدارة المياه الجوفية في عالم تزداد فيه ندرة المياه العذبة ويتنامى فيه تهديد تغلغل المياه المالحة. ومن خلال استبدال عمليات المحاكاة البطيئة وغير المفهومة بمعادلات سريعة وشفافة، أنشأ الباحثون أداة يمكن استخدامها للتفاوض والتخطيط في الوقت الفعلي. نجح إطار العمل في تقليل التكلفة الحسابية لإيجاد هذه الحلول بنسبة 98 بالمائة، مما جعل إجراء التحليلات المعقدة اللازمة للإدارة المستدامة أمراً ممكناً. وبينما أجريت الدراسة في منطقة محددة في إيران، فإن الطريقة مصممة لتكون قابلة للتكيف مع خزانات جوفية ساحلية أخرى تواجه ضغوطاً مماثلة. وتشير النتائج إلى أنه باستخدام الأدوات الصحيحة، من الممكن تحقيق التوازن بين الاحتياجات المتنافسة للزراعة وحماية البيئة، وضمان بقاء المياه تحت أقدامنا عذبة للأجيال القادمة.