تقييم تأثير ضخ المياه الجوفية وتشقق السدود الخرسانية تحت الأرض على تسرب مياه البحر باستخدام النمذجة العددية وتعلم آلي قابل للتفسير

لماذا يمكن لمياه البحر أن تهدد مخزوننا الخفي من الماء

بالنسبة للعديد من المجتمعات الساحلية، لا تأتي أكثر مصادر الشرب موثوقية من الأنهار أو الخزانات، بل من طبقات رمل وحصى تحت الأرض تخزن المياه العذبة. عند ضخ كميات مفرطة من هذه المياه الجوفية، أو عند فشل الهياكل الحامية، يمكن لمياه البحر أن تزحف داخلياً تحت السطح وتحول الإمدادات العذبة إلى مياه مالحة. تستعرض هذه المقالة كيف يتصرف جبهة المياه المالحة الخفية عندما يُضَخ الماء من الآبار وعندما تتشقق سدود خرسانية تحت الأرض، وتبيّن كيف يمكن للنماذج الحاسوبية الحديثة وأدوات تعلم الآلة أن تساعد المديرين في حماية الموارد المائية الساحلية.

التقدم الهادئ للمياه المالحة تحت الأرض

على طول الساحل، تدفع المياه الجوفية العذبة المتدفقة نحو البحر تلقائياً وسادة من المياه المالحة الأثقل. إذا ازداد الضخ من الآبار أو انخفض التغذية الطبيعية، يتزعزع هذا التوازن وقد تتحرك الوسادة المالحة نحو الداخل، وصولاً في نهاية المطاف إلى الآبار ومنافذ الريّ. أحياناً يبني المهندسون سدوداً تحت الأرض أو جدراناً حاجزة لتقليل تقدم هذه الوسادة بتضييق المسار الذي يمكن أن تتحرك عبره مياه البحر. لكن في الواقع، قد تتشقق هذه الحواجز الخرسانية أو تُبنى مع فتحات متعمدة، مما يسمح بتسرب بعض مياه البحر. إن فهم كيفية استجابة طول وسادة المياه المالحة للضخ ولتلك التشققات أمر حيوي، لكنه يصعب اختباره مباشرة في الميدان.

من الفيزياء التفصيلية إلى الاختصارات الذكية

بدأ المؤلفون بمجموعة موجودة من 438 محاكاة حاسوبية مصممة بعناية لمورد مائي ساحلي مائل، أنشئت باستخدام نموذج يتتبع كل من تدفق الماء ونقل الملح. في تلك المحاكاة، نوّعوا ثمانية عوامل رئيسية، كلها معبر عنها كنسب بلا أبعاد: تباين الكثافة بين المياه العذبة والمالحة، وارتفاع وعرض التشقّق في السد تحت الأرض، وارتفاع السد وبعده عن الشاطئ، وعمق البئر وبعده عن السد، ومعدل الضخ. لكل سيناريو أنتج النموذج الطول النسبي للوسادة المالحة مقارنةً بعمق المكمن، وهو مقياس مضغوط لمدى تقدم مياه البحر نحو الداخل. خدمت مجموعة البيانات التركيبية الكبيرة هذه كأرض تدريب لمجموعة من نماذج تعلم الآلة.

تعليم الآلات للتنبؤ بالوسادة المالحة

اختبر الفريق ستة أساليب تعلم مختلفة، تتراوح من الانحدار الخطي البسيط إلى تقنيات أكثر مرونة مثل أشجار القرار والغابات العشوائية وطريقة متقدمة تسمى تعزيز التدرج المتطرف. قبل تدريب هذه النماذج، فحصوا البيانات بحثاً عن تكرار وعدم تجانس إحصائي، مستخدمين اختبارات معيارية لمعرفة أي المدخلات لها تأثير حقيقي وما إذا كانت بعض المتغيرات تتحرك جنباً إلى جنب بشكل مفرط. ثم استخدموا استراتيجية بحث آلية لضبط إعدادات كل نموذج داخلياً، وقيّموا الأداء بواسطة التحقق المتقاطع الصارم. كان الفائز الواضح عائلة النماذج التجميعية، وخاصة نهج تعزيز التدرج، الذي أعاد إنتاج أطوال الوسادة المحاكاة بأخطاء صغيرة بما يكفي لتكون عملياً مهملة.

فتح الصندوق الأسود للتنبؤات

لا تكفي الدقة وحدها لمديري المياه، الذين يحتاجون أيضاً إلى فهم أي الروافع هي الأكثر أهمية. لجعل النموذج الأكثر أداءً أكثر شفافية، استخدم المؤلفون أدوات تشرح كيف يدفع كل مُدخل التنبؤ نحو الأعلى أو الأسفل. أظهرت هذه التفسيرات أن معدل الضخ من البئر هو الضابط السائد لطول الوسادة: الضخ الأعلى يجذب المياه المالحة أبعد نحو الداخل. جاء ارتفاع التشقّق في السد في المرتبة التالية، يليه عرضه والمسافة بين البئر والسد. عوامل أخرى، مثل الارتفاع الكلي للسد أو الموقع الدقيق من الشاطئ، لعبت أدواراً لكنها كانت أقل تأثيراً ضمن النطاقات المختبرة. كما أكد الفريق أن نموذجهم قادر على مطابقة مجموعة منفصلة من المحاكاة التفصيلية لمورد ساحلي حقيقي في قبرص، ما يعزز الثقة بأنه يمكن أن يعمل خارج حالات التدريب الأصلية.

تحويل العلوم المعقدة إلى أدوات قابلة للاستخدام

لجعل هذه الرؤى في متناول اليد، غلّف المؤلفون النموذج المُدرَّب بواجهات بسيطة لسطح المكتب والويب. بدلاً من تشغيل محاكاة فيزيائية مكثفة، يمكن للمدير الآن إدخال مجموعة من النسب بلا أبعاد—تمثل ضخ البئر وهندسة السد وحجم التشقّق—والحصول فورياً على تقدير للمسافة التي قد تصل إليها وسادة المياه المالحة نحو الداخل. عملياً، تُظهر الدراسة أن نموذجاً مدفوعاً بالبيانات ومدرَّباً بعناية يمكن أن يحل محل حسابات عددية أكثر تطلباً، مع الاحتفاظ بانعكاسه للفيزياء الأساسية.

ما معنى ذلك لمستخدمي المياه الساحلية

تُظهر هذه الدراسة أن الزحف الداخلي لمياه البحر يمكن التنبؤ به بسرعة وبموثوقية باستخدام التعلم الآلي المدرب على محاكاة عالية الجودة. للقراء غير المتخصصين، الرسالة الأساسية بسيطة: مدى شدة ضخنا للمياه الجوفية الساحلية ومدى جودة تصميمنا وصيانة الحواجز تحت الأرض يؤثران مباشرة على استمرار نقاء الآبار أو تحولها إلى ملوحة. من خلال توضيح أي خيارات التصميم وظروف التشغيل هي الأكثر أهمية، وتقديم هذه المعرفة في برمجيات سهلة الاستخدام، تقدّم الدراسة أداة عملية لاتخاذ القرار لحماية المياه العذبة النادرة في المناطق الساحلية المتعرضة لضغوط متزايدة.

الاستشهاد: Armanuos, A.M., Zeleňáková, M. & Elshaarawy, M.K. Assessing the impact of groundwater abstraction and concrete dam fractures on saltwater intrusion using numerical modeling and interpretable machine learning. Sci Rep 16, 8940 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-27998-4

الكلمات المفتاحية: تسرب مياه البحر, المورد المائي الساحلي الجوفي, ضخ المياه الجوفية, السد تحت الأرض, تعلم الآلة