Forecasting Analysis of Heavy Metal Concentrations in the Ciliwung River Using Random Forest and Xgboost Methods

تُعد الأنهار شرايين المدن، فهي تحمل الحياة، والنفايات، والآثار غير المرئية للصناعة البشرية. وفي قلب جاكرتا النابض، يتدفق نهر "تشيليوونغ" من المرتفعات عبر أحياء مكتظة ومناطق صناعية قبل أن يصل إلى البحر. ولعقود من الزمن، كان العلماء يعلمون أن هذا المجرى المائي يحمل معادن ثقيلة، وهي عناصر سامة مثل الرصاص والكادميوم والزئبق، التي لا تتحلل ويمكن أن تتراكم في السلسلة الغذائية. تأتي هذه الملوثات من المصانع، وانبعاثات المركبات، والنفايات المنزلية، مما يشكل تهديداً صامتاً لكل من النظام البيئي والناس الذين يعتمدون على النهر. تقليدياً، كانت عملية فحص هذه السموم عملية بطيئة ومكلفة تتطلب من العلماء جمع عينات المياه وإرسالها إلى مختبر للتحليل الكيميائي. ومع أنها دقيقة، إلا أن هذه الطريقة كانت تفاعلية؛ فهي تخبرنا بما حدث بالأمس، وليس بما قد يحدث غداً. ومع نمو المدن وتغير الأنماط المناخية، تبرز حاجة ملحة لفهم أين تتجه هذه الملوثات، مما يسمح للمديرين بالتحرك قبل أن تصبح جودة المياه خطيرة.

لقد اتخذ فريق من الباحثين من جامعات في إندونيسيا والمملكة المتحدة وماليزيا نهجاً جديداً لمواجهة هذا التحدي. فبدلاً من انتظار نتائج المختبر، استخدموا برامج حاسوبية مصممة للتعلم من البيانات الماضية للتنبؤ بالحالة المستقبلية لنهر "تشيليوونغ". وقد ركزوا على ثلاثة معادن ثقيلة محددة: الرصاص، والكادميوم، والزئبق. وللقيام بذلك، جمعوا سجلات تاريخية لجودة المياه من عام 2015 إلى عام 2023، مع النظر في العوامل التي تؤثر على التلوث، مثل حموضة الماء وكمية النفايات العضوية والجسيمات العالقة. ثم قاموا بتغذية هذه المعلومات في نوعين قويين من أنظمة التعلم الحاسوبي. أحد الأنظمة، المعروف باسم "الغابة العشوائية" (Random Forest)، يعمل من خلال بناء العديد من أشجار القرار البسيطة وحساب متوسط إجاباتها. أما النظام الآخر، المسمى "إكس جي بوست" (XGBoost)، فهو طريقة أكثر تقدماً تبني الأشجار واحدة تلو الأخرى، حيث تتعلم كل شجرة جديدة من أخطاء الشجرة السابقة لتنقيح التنبؤ. وكان الهدف هو معرفة أي نظام يمكنه التنبؤ بشكل أفضل بمستويات المعادن السامة في النهر من عام 2024 حتى عام 2030.

أظهرت النتائج أن النظام الأكثر تقدماً، "إكس جي بوست"، كان المتنبئ الأفضل؛ فقد حقق باستمرار أخطاءً أقل واستطاع التقاط الأنماط المعقدة للتلوث بشكل أفضل من نظيره. وباستخدام هذا النموذج الأفضل أداءً، توقع الباحثون تركيز المعادن الثقيلة للسنوات القادمة. وقدروا أن مستويات الرصاص ستتراوح بين 14.285 و19.483 ميكروغرام لكل لتر، والكادميوم بين 7.413 و9.998 ميكروغرام لكل لتر، والزئبق بين 0.227 و0.457 ميكروغرام لكل لتر. وعند مقارنة هذه الأرقام بحدود السلامة التي وضعتها الحكومة الإندونيسية للمياه المستخدمة في الترفيه وتربية الأسماك، قدمت التوقعات شعوراً حذراً بالارتياح؛ إذ ظلت جميع القيم المتوقعة دون العتبات القانونية. ومع ذلك، كشفت الدراسة أيضاً عن تفصيل مثير للقلق؛ فبينما كانت المستويات آمنة، توقعت الدراسة أن كمية الكادميوم ستحوم قريباً جداً من الحد الأقصى المسموح به، مما يشير إلى أن النهر يعمل بهامش أمان ضيق للغاية.

وقد حرص الباحثون على توضيح أن هذه الأرقام ليست ضمانات للسلامة المستقبلية، بل هي تقديرات مدروسة بناءً على الاتجاهات الحالية. لم يأخذ النموذج في الاعتبار التغيرات المفاجئة، مثل تصريف صناعي جديد ضخم أو حدث جوي غير عادي قد يجرف المزيد من الملوثات إلى النهر. لقد تعلم البرنامج الحاسوبي من الماضي، لذا إذا بدا المستقبل مشابهاً للماضي، فإن التنبؤ يظل قائماً؛ أما إذا تغير المستقبل بشكل جذري، فقد لا يتمكن النموذج من رصد ذلك. وهذا هو السبب في أن المؤلفين يؤكدون أن عملهم لا ينبغي أن يحل محل الاختبارات المختبرية التقليدية، بل يعمل كنظام إنذار مبكر. فهو يسمح للمسؤولين برؤية المخاطر المحتملة قبل أن تصبح حالات طوارئ، مما يساعدهم على تحديد مكان تركيز جهود المراقبة ومتى يجب تشديد اللوائح.

يسلط هذا البحث الضوء على تحول في كيفية إدارتنا لبيئتنا. فلقد كانت إدارة الأنهار لسنوات طويلة عبارة عن لعبة رد فعل، تنتهي بتنظيف التلوث بعد أن يكون قد تسبب في الضرر بالفعل. ويقترح هذا النهج الجديد مستقبلاً يمكننا فيه استباق المشكلات. ومن خلال استخدام البيانات للتنبؤ بالاتجاهات، يمكن لمخططي المدن والوكالات البيئية الانتقال من مجرد الاستجابة للأزمات إلى منع وقوعها. ويؤكد البحث أنه بينما يستوفي نهر "تشيليوونغ" حالياً معايير السلامة، فإن الضغط الناتج عن الحياة الحضرية مستمر. إن مستويات الرصاص والكادميوم تسير في اتجاه يتطلب اليقظة؛ فإذا لم يتم التحكم في مصادر التلوث، فقد يتجاوز النهر بسرعة الخط الفاصل من الأمان إلى الخطر. إن هذا العمل بمثابة تذكير بأن الحفاظ على نظافة النهر لا يقتدي فقط بتنظيف ما هو موجود بالفعل، بل بفهم القوى غير المرئية التي تدفع الملوثات إلى الماء، واستخدام كل أداة متاحة، من الكيمياء إلى علوم الحاسوب، لحماية صحة المدينة وناسها.