ملخص عن الدراسات المرشحة للتنافس على جائزة الأمير سلطان بن عبد العزيز العالمية للمياه
موضوع-إدارة مكامن المياه الجوفية الساحلية
مركز البيئة والمياه
معهد البحوث، جامعة الملك فهد للبترول والمعادن، الظهران، المملكة العربية السعودية

تقع جامعة الملك فهد للبترول والمعادن في مدينة الظهران، حيث تعلو قبة الدمام التي هي جزء مهم من النظام الهيدروجيولوجي للمكامن المائية الساحلية في المنطقة الشرقية. ودفع هذا الموقع الباحثين والعلماء بالجامعة إلى الاجتهاد والاجتهاد في النشاطات البحثية منذ مطلع الثمانينات من القرن الميلادي المنصرم نحو تطوير تقنيات متقدمة لرفع كفاءة فهم إدارة المكامن المائية الساحلية في جميع أنحاء العالم مستخدمين ما تم تطويره من المعرفة عن المكامن المائية في المنطقة الشرقية.
تمتد المكامن المائية الساحلية على طول السواحل الشرقية من المنطقة الشرقية للمملكة والتي تتألف من نظام متعدد المكامن المائية المحصورة. ويميز هذا النظام متعدد المكامن المائية المحصورة بوجود وحدات محصورة. والوحدات الرئيسية الحاملة للمياه في المنطقة هي على النحو التالي مرتبة تنازلياً: مكمن أم الرضمة ذو الحجر الجيري والدولومايت، وعضو الخبر والعلات ذو الحجر الجيري والدولومايت، ومكمن النيوجين المركب. وتتمثل التكوينات المصمتة بواسطة الطفل والصلصال في الجزء الأعلى من تكوين الوسيع، والألوان المتنوعة للطفل والصلصال في أعلى تكوين العليا. وبوجود كسيرات صخرية ومجففات لتكوين الرس والمدرا وصلصال سيلا على أعلى تكوين أم الرضمة، والطفل والصلصال (الطفل البرتقالي) لقاعدة عضو العلات، وصلصال تكوين الهدروخ وطفل تكوين الدمام. والمكامن المائية الرئيسية الساحلية المنتجة في المنطقة الشرقية هي: أم الضمة، والدمام (عضوي الخبر والعلات)، والنيوجين (يوجد منتجاً بشكل رئيسي في منطقة الأحساء). تزود هذه المكتمن المائية الساحلية المنطقة الشرقية بالمياه وتسد حوالي 95% من احتياجاتها المائية للأغراض المنزلية، والزراعية، والصناعية. تضم المنطقة الشرقية تسع مدنٍ وبلدات رئيسية مثل الدمام، والخبر، والظهران، والجبيل، والخفجي، والقطيف. كما أنها أيضاً تضم حقول إنتاج النفط الرئيسية، بالإضافة إلى ثلاث مدن صناعية التي تحوي فيها مصانع البتروكيماويات. وقد تعرضت هذه المكامن المائية إلى ضخ جائر من أجل سد الاحتياجات المائية المتنامية في عمليات التطور السريع والهائل في كافة القطاعات. وقد حصل ذلك خلال الثلاث عقود المنصرمة والتي شهدت ارتفاع في عدد السكان من أقل من 1.5 مليون نسمة إلى 3.2 مليون نسمة. وارتفع السحب الكلي للمياه من اقل من 400 مليون متر مكعب عام 1975م إلى 1800 مليون متر مكعب سنوياً عام 2004م. وقد ظهرت آثار سلبية على أجزاء من هذه المكامن المائية مثل تداخل المياه المالحة مع مياهها، ارتفاع مستويات الملوحة مع انحدار في مستويات مناسيب المياه الجوفية. ويمكن تحديد التحديات التي تواجة إدارة المكامن المائية الساحلية بالتالي:

• تسود في المكامن المائية الساحلية صفات معينة في الجيولوجيا البنائية مثل: الطيات المقعرة، والطيات المحدبة، والوحدات المقببة. ولهذه الصفات تأثيرات مهمة على الخصائص الهيدروجيولوجية لهذه المكامن في أماكن محلية محددة وعلى المستوى الإقليمي. ويعتبر فهم هذه الصفات على المستويات المحلية والإقليمية تحدٍ كبير نحو الإدارة المناسبة لهذه المكامن.
• ومع التزايد المتوقع للطلب على المياه في المنطقة الشرقية، فإن المكامن المائية الساحلية ستتعرض إلى ارتفاع في الضخ الجائر للمياه الجوفية. وهذا يؤدي إلى المزيد من التدهور في مستوياتها ودرجة ملوحتها مصحوبة بضائلة تعويضها بالتغذية الطبيعية.
• وستكون هذه المكامن المائية الساحلية أكثر هشاشة وتعرضاً لتداخل المياه شديدة الملوحة من خلال عدة ممرات سواء كان التداخل من الطبقات السفلية الأكثر ملوحة إلى الطبقات العليا في نظام المياه الجوفية. مما يؤدي إلى هجر وترك التزود بالمياه الجوفية من هذه الآبار المتملحة نتيجة الارتفاع في الأملاح الذائبة.
• وتعني تطوير خطط الإدارة المناسبة لهذه المكامن المائية الساحلية أن تتخذ القرارات بشأن: (1)- معدلات الضخ والحقن الصناعي (إذا كان معمول به). (2)- التوزيع المكاني لآبار الضخ والحقن. (3) إجراءات خفض الطلب على المياه.
هذا وقد تم اعتبار هذه التحديات كأولويات في البرامج البحثية للجامعة من أجل حماية استدامة المكامن المائية الساحلية في المنطقة الشرقية، وترشيد استعمالات موارد المياه في هذه المكامن. وتتضمن أهداف الجامعة في برامج أبحاث المكامن المائية الساحلية الآتي:
• فهم أعمق للطبيعة المعقدة لهيدروجيولوجية المكامن المائية الساحلية في المنطقة الشرقية على المستويات المحلية والإقليمية، وخاصة تلك المكان التي تزود المناطق المدنية والزراعية بالمياه الجوفية.
• التقويم الكمي لتداخل المياه المالحة، والتسربات تحت خطط ضخ مختلفة، ومعرفة طرق الاستعاضة الطبيعية (من الأمطار، ومن خلال حدود المكامن).
• تقويم استجابة المكامن المائية (مناسيب المياه وتركيز الأملاح) من تطبيق بدائل إدارية باستخدام أدوات النمذجة الحسابية.
• تحديد القرار الأمثل لسحب المياه من المكامن المائية بالنسبة لمواقع حقول وكميات وبرامج الضخ.
ونستعرض في الفقرة التالية خمسة من دراسات أبحاث مختارة أجراها قسم المياه والتي ساهمت بشدة في تحسين فهم إدارة المكامن المائية الساحلية في المنطقة الشرقية والعالم:

1- تطوير وإدارة مكمن الدمام المائي في المنطقة الشرقية.
تعاملت هذه الدارسة البحثية مع تطوير خطط إدارة مكمن الدمام المائي. وقد استخدمت تقنيات النمذجة الحسابية المتقدمة في نماذج التمثيل الحسابي لسريان المياه الجوفية للمكمن. وبعهدها حددت الضخ الأمثل من ناحية كميات وحقول الضخ في هذا المكمن المائي الساحلي على المستوى الإقليمي. ويستطيع مكمن الدمام المائي سد الاحتياجات المائية المتوقعة في المنطقة ولمدة زمنية معقولة إذا ما أحسن وضع وتطبيق خطة إدارته. وقد أضحت البيانات التي قدمتها هذه الدراسة أساساَ للأبحاث والإجراءات الإدارية المستقبلية.

2- النمذجة الحسابية لنظام متعدد المكامن المائية في المنطقة الشرقية.
أجريت هذه الدراسة الشاملة من أجل تحسين إدارة نظام متعدد المكامن المائية على المستوى الإقليمي والتي تضم إضافة إلى مكمن أم الرضمة مكمن الدمام (بالأخذ بالاعتبار وحدات الخبر والعلات) والمتواجدة بشكل رئيسي في مناطق مدن الدمام والخبر والظهران وأبقيق الكبرى. هذا وقد تم تطوير نموذج حسابي ثلاثي الأبعاد لتمثيل سريان المياه الجوفية في نظام متعدد المكامن المائية من أجل تحديد الخصائص الهيدروليكية للنظام متضمنة الاتصال فيما بينهم، ولتقييم نتائج مختلف بدائل الضخ والتطوير. وقد أظهرت نتائج النموذج الحسابي أن تبني استراتيجية إدارة الطلب على المياه، من خلال طرح برنامج شامل لإجراءات الترشيد، قد يكون فعالاً ضمان إنتاجية المكامن المائية بعيدة الأمد. وقد أدت نتائج مقاربات النمذجة الحسابية لهذه الدراسة في تحسين فهم المكامن المائية الساحلية في المنطقة الشرقية على المستوى الإقليمي.

3- إدارة المكامن المائية الساحلية الإقليمية في المنطقة الشرقية.
تم تطوير نموذج حسابي إقليمي لنظام متعدد المكامن المائية يغطي منطقة أوسع من المنطقة الشرقية وبمساحة تبلغ 76.00 كلم2 من أجل تقويم سلوك نظام المكامن المائية تحت ظروف إجهاد طويلة الأمد تمتد لمدة 31 عاماً (1995-2025م). شملت الدراسة مكمني الدمام (كوحدة واحدة) وأم الرضمة. وكان الهدف الرئيسي لهذه الدراسة هو للتوصل إلى فهم أفضل للصفات الهيدروليكية لنظام متعدد المكامن المائية على نطاق أوسع ولتقويم آثار الإجهادات طويلة الأمد على مستقبل المياه الجوفية. وهذا للمساعدة في اختيار أفضل خطة إدارة تحمي إنتاجية المكمن المائي بالتزامن مع التطور الشامل للمملكة. وتضم المنطقة المختارة للدراسة مدن أكثر مثل القطيف، والأحساء، والفاضلي، والصرار، ووادي المياه، والحنية. ويقطنها أكثر من 80% من سكان المنطقة الشرقية، والذين يتركزون بشكل رئيسي في الدمام، والظهران، والخبر، والهفوف، وأبقيق، والقطيف. وتختزن هذه المنطقة الجزء الأكبر من النفط ومصافي النفط في المملكة. وأظهرت نتائج النمذجة الحسابية أن تجفيف مكمن الدمام المائي سيقع في المناطق ذات الإنتاجية الضعيفة وعلى طول منكشف المكمن إذا ما استمر النمط الحالي للضخ واتجاهه نحو الارتفاع. وسيظهر مكمن أم الرضمة المائي تقمع شديد للهبوط في المناطق التي بها مشاريع زراعية كبيرة. بينما ستكون عملية تجفيف المكامن المائية والهبوط في مناسيبها قليل إذا ما اتبعت بدائل الترشيد. وكانت هذه الخطط للإدارة دليل للتطور المستقبلي ولحماية المياه الجوفية بالمنطقة. وأظهرت الدراسة أن هناك تغذية شديدة لهذه المكامن المائية الساحلية بالمياه. وأظهرت نتائج النماذج الحسابية لإدارة المياه الجوفية أن تطبيق طرق ترشيد المياه بخفض 30% من حقول آبار القطاعات الزراعية، والصناعية، والبلدية سيكون فعالاً أكثر في تخفيض الهبوط مع نهاية عام 2025م. ويمكن استخدام تقنيات الدراسة في أماكن ساحلية أخرى في المملكة أو في أماكن جافة أخرى بالعالم وذلك لتحسين إدارة المياه الجوفية في المكامن المائية الساحلية، ولحماية نوعية المياه الجوفية وإنتاجية المكامن المائية المستفذة.

4- إدارة المكامن المائية الساحلية تحت صفات جيولوجية بنائية معقدة لقبة الدمام.
أجريت الدراسة بدافع الضرورة لفهم هيدروجيولوجية بناء جيولوجي معقد بالتحديد ضمن منطقة سكنية محددة مثل منطقة الظهران الكبرى الواقعة فوق قبة الدمام. هذا ولم يرد الكثير في المنشورات العلمية عن استخدام التقنيات الحاسوبية لتحديد تحليل الموازنة المائية الجوفية بالتفصيل لكل مكمن مائي منفرد في نظام متعدد المكامن المائية تحت ظروف الحالات المستقرة والمتغيرة للمياه الجوفية. وفي هذه الدراسة فقد تم استخدام تقنية التحاليل الحاسوبية لتحديد الموازنة المائية لكل مكمن مائي منفرد في نظام متعدد المكامن المائية في المنطقة السكنية في مدينة الظهران الكبرى. تمثل هذه المنطقة نظاماً هيدروجيولوجياً مركباً بسبب بناءه الجيولوجي المعقد. ولقد تم معاملة كل مكمن مائي مثل العلات، والخبر، وأم الرضمة كوحدة منفردة ضمن نظام متعدد المكامن المائية. هذا وقد تم استخدام نموذج هيئة المساحة الجيولوجية الأمريكية مدفلو (USGS-MODFLOW) لحساب الموازنة الحجمية المائية الكلية بالنسبة لمداخيل وخوارج نظام متعدد المكامن المائية أثناء الحالات المستقرة والمتغيرة. ثم تم استخدام برنامج حاسوبي خاص (MODCELL) لحساب المداخيل والمخارج لكل خلية في المكمن المائي المنفرد ضمن المنطقة الخاضعة للنمذجة الحسابية تحت ظروف الحالات المستقرة والمتغيرة. يستخدم هذا البرنامج مخارج (MODFLOW) لحساب الموازنة المائية لكل خلية. وأخيراً تم استخدام نموذج نفعي (CONVML) لتحويل ملفات البيانات الخارجة من (MODCELL) والتي تحتوي على تفاصيل الموازنة المائية لكل مكمن مائي إلى من ملفات رقمية مزدوجة إلى أشكال ترمزية. هذا وقد تم تطوير برنامج خاص لتحويل ملفات (MODCELL) إلى شكل متوائم مع متطلبات هيئة (CONVML). وكان من نتائج هذه الدراسة الإضافات إلى المعرفة العلمية المتعلقة بالهيدروجيلوجية المركبة لمنطقة سكنية ساحلية محددة. وكانت عوناً في تطوير خطط ضخ من مختلف مناطق التجمعات السكانية التي تقع ضمن مناطق الدمام- الظهران الكبرى. وقد تم استخدام أدوات الدراسة المطورة من قبل المختصين لفهم الصفات الهيدروجيولوجية المركبة.

5- نظام اتخاذ القرار الديناميكي مطور بالحاسب الآلي لإدارة المياه الجوفية من المكامن المائية الساحلية لأغراض الري في المنطقة الشرقية.
إن الإدارة الفعالة للمكامن المائية الساحلية مهمة من أجل الاستدامة طويلة الأمد للمياه الجوفية والتنمية الزراعية. وهذا يتطلب نظام ديناميكي فعال لاتخاذ القرار بالاعتماد على خصائص المكمن المائي من أجل توقع التأثيرات قصيرة وطويلة الأمد لسينوريهات ضخ مختلفة للمياه الجوفية لأغراض الري على حالات المكامن المائية. وهذا يساعد على تبني أنماط زراعية وري مناسبة للمشاريع الزراعية الصغيرة والكبيرة على أساس إنتاجية المكمن المائي والتأثيرات السلبية على خصائصه. وهذه ضرورية لتجنب التأثيرات غير المحبذة على المكامن المائية الساحلية بالنسبة لنوعية المياه والإنتاج. كما أن جدولة وتشغيل الري المناسبة ستسهم في خفض الطلب على المياه، وعلى استعمال الوقود وتقلل تكاليف عمليات الري. ويمكن تخفض الطلب على المياه لأغراض الري، وتقلل من الفاقد في المياه، وذلك باستخدام التقنيات الحديثة والمناسبة لإدارة موارد المياه الجوفية، وإدارة مياه الري على مستوى المزرعة، وهذا ضروري من أجل لحماية المياه الجوفية والنشاطات الزراعية. ويتضمن ذلك اختيار أنسب أنواع المحاصيل لزراعتها، وكذلك اختيار مساحة كل حقل مروي من كل بئر، والمسافات بين الآبار على أساس التقويم المناسب لحالات المياه الجوفية في المكامن المائية المحلية، وحسب قدرتها طويلة الأمد على إنتاج المياه لأغراض الري على مستوى البئر والمزرعة، والتي يجب أن يكون نتيجتها أقل تأثير سلبي على منسوب ونوعية المياه الجوفية. ويجب أن ترتبط بجدولة ري فعالة وبحسب احتياجات النباتات الحقيقية للمياه لتجنب الزيادة في ضياع مياه الري. وفي هذا السياق فقد تم تطوير نظام اتخاذ القرار الديناميكي مطور بالحاسب الآلي لإدارة ضخ المياه الجوفية من نظام متعدد المكامن المائية لأغراض الري في المشاريع الزراعية الساحلية الكبيرة. يتكون النظام من جزئيين متكاملين هما: نموذج التمثيل الحسابي للمياه الجوفية، والنظام الديناميكي المطور بالحاسب الآلي لإدارة مياه الري. يحدد نظام اتخاذ القرار الديناميكي المطور بالحاسب الآلي لإدارة المياه الجوفية المساحة المناسبة لحقل الزراعة، وتوزيع الآبار، وخطط الضخ، من أجل تجنب الآثار السلبية على مناسيب ونوعية المياه على أساس التمثيل الحسابي لسريان المياه الجوفية للمكمن المائي المحلي. ويحدد النظام الديناميكي المطور بالحاسب الآلي لإدارة مياه الري الاحتياجات المائية لكل محصول ولكل حقل، ويحدد أيضاً جرعات الري والتوقيت بين كل رية للمحاصيل المزروعة على مستوى المزرعة. ويمكن استخدامها لمختلف طرق الري، مع احتمال نقص المياه، ويأخذ بالاعتبار نوع التربة ومساهمة مياه الأمطار والمياه الجوفية الضحلة للمنطقة الزراعية المختارة، وأساليب الزراعة. وكان من نتائج تطبيق الأنظمة المطورة في مشروع زراعي كبير في المنطقة الشرقية توفير كميات كبيرة من مياه الري من المكامن المائية الساحلية (تتراوح بين 25% - 35%). هذا وقد استخدام هذه التقنيات العلمية المطورة من قبل المختصين لتحسين إدارة المياه في مشاريع زراعية كبيرة أخرى محلياً ودولياً,
هذا وقد تم استخدام الخبرة العلمية المكتسبة، ومن الأدوات، والنماذج من قبل الباحثين والعلماء والمختصين في دراسات مشابهة في المملكة وفي مناطق أخرى في العالم في إدارة مكامن المياه الساحلية. كما نتج عن تطبيق توصيات هذه الدراسات منافع مهمة للهيئات المحلية في المنطقة الشرقية للمملكة في مجال حماية موارد المياه الجوفية من المكامن المائية الساحلية.