Modelling nutrient dynamics in a large tropical semiarid river-reservoir system

في المناظر الطبيعية الشاسعة والقاحلة بفعل الشمس في شمال شرق البرازيل، تُعد المياه مورداً ثميناً وعابراً. هنا، لا تتدفق الأنهار بإيقاع ثابت طوال العام كما هو الحال في الغابات الرطبة؛ بل هي أنهار متقطعة، غالباً ما تجف لتصبح مجرد قطرات أو تختفي تماماً لنصف العام. وعندما تهطل الأمطار، فإنها تأتي في دفقات مفاجئة وقوية، محولةً مجاري الأنهار الجافة إلى قنوات جارية. وتنتشر في هذه المجاري المائية شبكة كثيفة من الخزانات، وهي بحيرات اصطناعية بُنيت لتجميع وتخزين مياه الأمطار للاستخدام البشري. وتخلق هذه البيئة الفريدة لغزاً معقداً للعلماء الذين يحاولون فهم كيفية انتقال العناصر الغذائية عبر هذا النظام. فالعناصر الغذائية، وتحديداً النيتروجين والفسفور، ضرورية للحياة، ولكن عندما تدخل الماء بكميات زائدة، يمكن أن تسبب عملية تسمى "التحلل الغذائي" (eutrophication). وهذه حالة يتسبب فيها الوفرة المفرطة من الغذاء في نمو الطحالب بشكل جامح، مما يؤدي إلى استنزاف الأكسجين والإضرار بالنظام البيئي. ويكمكن التحدي في هذه المنطقة في التمييز بين مصدرين مختلفين تماماً لهذه العناصر الغذائية: التدفق المستمر والثابت من محطات معالجة مياه الصرف الصحي، والجريان السطحي الناتج عن غسل التربة والأسمدة من الأرض بفعل الأمطار، وهو ما يُعرف بالجريان السطحي. إن فهم كيفية اختلاط هذه المصادر، وتحركها، وتغيرها أثناء انتقالها عبر الأنهار والخزانات أمر بالغ الأهمية لحماية جودة المياه التي يعتمد عليها الملايين.

لقد تصدى باحث في جامعة سيارا الفيدرالية لهذا التحدي من خلال بناء نموذج حاسوبي مبسط لتتبع حركة النيتروجين غير العضوي، وهو شكل من أشكال المغذيات التي تغذي نمو الطحالب بشكل مباشر، عبر أكبر نظام نهري-خزاني شبه جاف في البرازيل. ويشمل هذا النظام حوضي نهري سالجادو وميديو جاغواريب، اللذين يصبان في خزان كاستاثاو الضخم، وهو مورد مائي حيوي للمنطقة. وبدلاً من الاعتماد على عمليات محاكاة معقدة وكثيفة البيانات يصعب تشغيلها، طور الباحث أداة مباشرة تحسب كيفية انتقال المياه والمغذيات شهراً بشهر. يفترض النموذج أن المياه تختلط تماماً عند أي نقطة، وتتدفق في اتجاه ثابت، وأن العناصر الغذائية تتحلل طبيعياً أو تترسب بمرور الوقت بمعدل يمكن التنبؤ به. ومن خلال تغذية النموذج ببيانات حقيقية حول تدفق الأنهار، وتصريف مياه الصرف الصحي، ومستويات المغذيات المقاسة، تمكن الباحث من اختبار مدى قدرة النظام على التنبؤ بما يحدث للنيتروجين أثناء انتقاله لمسافة تقارب 160 كيلومتراً من منابع الأنهار إلى الخزان الرئيسي.

أظهرت النتائج أن النموذج عمل بشكل جيد للغاية، حيث تنبأ بدقة بانخفاض تركيزات النيتروجين مع تحرك المياه نحو المصب. ووجدت الدراسة أن النيتروجين يتحلل أو يُزال من الماء بمعدل 0.,3 في اليوم، وهي سرعة مطابقة لما لوحظ سابقاً للفسفور في نفس الأنهار. ويشير هذا إلى أنه رغم اختلاف طبيعتهما الكيميائية، فإن كلا العنصرين الغذائيين يختفيان من عمود الماء بنفس الوتيرة في ظل هذه الظروف الاستوائية شبه الجافة المحددة. ومع ذلك، فإن مصدر النيتروجين روى قصة مختلفة؛ فقد حسب النموذج أن الجريان السطحي من الأرض يحمل تركيز نيتروجين يبلغ 2.0 ملليغرام لكل لتر. وبينما يعد هذا خمسة أضعاف تركيز الفسفور الموجود في نفس الجريان السطحي - مما يعكس حقيقة أن النيتروجين أسهل في الذوبان والحمل بواسطة الماء - إلا أنه لا يزال أقل مما يُرى عادة في المناطق الرطبة والممطرة. ومن المرجح أن هذه القيمة المنخفضة تعود إلى قلة الأمطار في المنطقة، وحقيقة أن الأنهار غالباً ما تجف، ووجود الكثير من الخزانات الصغيرة التي تلتقط المياه وتصفيها قبل وصولها إلى النهر الرئيسي.

ولعل الاكتشاف الأكثر كشفاً كان كيفية تغير مصدر التلوث اعتماداً على كمية المياه المتدفقة. فعندما يكون منسوب النهر منخفضاً، يكون التدفق المستمر من محطات معالجة مياه الصرف الصحي هو المساهم الرئيسي في حمولة المغذيات. ولكن مع انتفاخ النهر بفعل الأمطار، تتغير الصورة بشكل دراماتيكي. فقد أظهرت الدراسة أنه مع زيادة التدفق، يرتفع مساهم الجريان السطحي من الأرض بشكل هائل، ليصبح في النهاية مسؤولاً عن 99 بالمائة من إجمالي النيتروجين في الماء. وقد طور الباحث علاقة رياضية بسيطة لوصف هذا التحول، موضحاً أنه بمجرد وصول تصريف النهر إلى نقطة معينة، يصبح التلوث المنتشر من الأرض هو القوة المهيمنة. ويعني هذا الديناميكي أن إدارة جودة المياه لا يمكن أن تعتمد على استراتيجية واحدة؛ فما يصلح خلال فترة الجفاف سيفشل أثناء الفيضان.

إن تداعيات ذلك على إدارة المياه صارخة. فقد أجرى الباحث عمليات محاكاة لمعرفة ما سيكون مطلوباً للوفاء بمعايير جودة المياه البرازيلية في ظل ظروف مختلفة. فخلال فترات التدفق العالي، عندما يكون النهر ممتلئاً ويكون الجريان السطحي في ذروته، سيحتاج النظام إلى تقليل إجمالي حمولة النيتروجين بنسبة 50 بالمائة وحمولة الفسفور بنسبة هائلة تصل إلى 80 بالمائة لمجرد استيفاء الحدود القانونية. وهذا يسلط الض الضوء على أن التحكم في الفسفور هو المهمة الأصعب بكما. كما بحثت الدراسة فيما يحدث عندما تدخل هذه المياه الغنية بالمغذيات إلى خزان كاستاثاو. فعندما يزدัง تدفق النهر، ترتفع نسبة النيتروجين إلى الفسفور في الماء، لتقترب من قيمة 10. وهذا التحول مهم لأنه يغير نوع الطحالب التي قد تنمو في الخزان، مما قد يغير التوازن البيئي. علاوة على ذلك، وبينما يساعد زيادة حجم الخزان في تخفيف كلا العنصرين، أظهرت عمليات المحاكاة أن مستويات الفسفور تظل مرتفقة بشكل خطير حتى عندما يكون الخزان ممتلئاً، في حين تظل مستويات النيتروجين ضمن الحدود الآمنة. وهذا يؤكد أن مجرد تخزين المزيد من المياه ليس كافياً؛ إذ تتطلب المنطقة ضوابط أكثر صرامة على الفسفور الداخل إلى النظام لضمان بقاء المياه آمنة لمستخدميها الكثر. وباستخدام البيانات المتاحة عادةً فقط، يوفر نهج النمذجة هذا وسيلة عملية للمناطق الأخرى ذات الأنهار المتقطعة والجافة المماثلة لفهم تحديات المغذيات الخاصة بها وتصميم حلول أفضل لها.