إدارة الموارد المائية التغير المناخي الهيدرولوجيا علم المياه هندسة البيئة

رقم منحنى الجريان السطحي (Runoff Curve Number)

- إدارة مياه الأمطار, الجريان السطحي, رقم المنحنى, علم البيئة, هطول الأمطار

تاريخ وتطور رقم منحنى الجريان السطحي

تم تطوير مفهوم رقم منحنى الجريان السطحي في أواخر الخمسينيات وأوائل الستينيات من القرن الماضي من قبل الخدمة الزراعية التابعة لوزارة الزراعة الأمريكية (SCS)، والتي أصبحت الآن خدمة الحفظ الطبيعي (NRCS). استند التطوير إلى تحليل بيانات الجريان السطحي وهطول الأمطار من مئات الأحواض التجريبية الصغيرة في جميع أنحاء الولايات المتحدة. قام الباحثون في SCS بتحليل هذه البيانات لتحديد العلاقة بين هطول الأمطار والجريان السطحي، مع مراعاة عوامل مثل نوع التربة، واستخدام الأراضي، وحالة الرطوبة الأولية للتربة. أدت هذه الجهود إلى تطوير نظام رقم منحنى الجريان السطحي، الذي يوفر طريقة بسيطة وفعالة لتقدير الجريان السطحي.

العوامل المؤثرة على رقم منحنى الجريان السطحي

يعتمد رقم منحنى الجريان السطحي على عدة عوامل رئيسية تؤثر على قدرة الأرض على توليد الجريان السطحي. تشمل هذه العوامل:

  • نوع التربة: تصنف التربة إلى أربع مجموعات هيدرولوجية (A، B، C، D) بناءً على معدل تسربها ومعدل نقل المياه. تميل التربة الرملية (المجموعة A) إلى معدلات تسرب عالية، وبالتالي لديها أرقام منحنى منخفضة، في حين أن التربة الطينية (المجموعة D) لديها معدلات تسرب منخفضة وتكون مرتبطة بأرقام منحنى أعلى.
  • استخدام الأراضي: يؤثر نوع الغطاء النباتي، وتطبيق الممارسات الزراعية، وتطوير المناطق الحضرية بشكل كبير على الجريان السطحي. على سبيل المثال، الغابات والمراعي لديها أرقام منحنى منخفضة بسبب زيادة التسرب والاعتراض. من ناحية أخرى، الأسطح الصلبة مثل الطرق والأرصفة لديها أرقام منحنى عالية لأنها تمنع التسرب وتزيد من الجريان السطحي.
  • حالة الرطوبة الأولية (AMC): تصف AMC كمية الرطوبة الموجودة في التربة قبل هطول الأمطار. هناك ثلاث فئات لـ AMC: AMC-I (جاف جدًا)، AMC-II (متوسط الرطوبة)، و AMC-III (رطب). تؤثر AMC على رقم منحنى الجريان السطحي؛ فكلما كانت التربة أكثر جفافاً، زادت قدرتها على امتصاص المياه، مما يؤدي إلى رقم منحنى أقل.

حساب رقم منحنى الجريان السطحي

لتحديد رقم منحنى الجريان السطحي لحوض معين، يلزم اتخاذ الخطوات التالية:

  1. تحديد مجموعة التربة الهيدرولوجية: يمكن تحديد مجموعة التربة من خلال الرجوع إلى الخرائط الهيدرولوجية للتربة أو من خلال الاختبارات الميدانية.
  2. تحديد استخدام الأراضي والغطاء: يجب تحديد نوع استخدام الأراضي والغطاء (مثل الغابات، والمراعي، والمناطق الحضرية، والأراضي الزراعية) لكل منطقة داخل الحوض.
  3. تحديد رقم منحنى الجريان السطحي: باستخدام جداول رقم منحنى الجريان السطحي (التي توفرها NRCS وغيرها)، يمكن تحديد رقم منحنى الجريان السطحي المقابل لمجموعات التربة واستخدام الأراضي وحالة AMC.
  4. حساب رقم منحنى الجريان السطحي المرجح: إذا كان الحوض يتكون من مناطق متعددة ذات خصائص مختلفة للتربة واستخدام الأراضي، فيجب حساب رقم منحنى الجريان السطحي المرجح باستخدام المعادلة التالية:

    CN = (A1 * CN1 + A2 * CN2 + … + An * CNn) / Atotal

    حيث:
    • CN هو رقم منحنى الجريان السطحي المرجح.
    • A1، A2، …، An هي مساحات المناطق المختلفة.
    • CN1، CN2، …، CNn هي أرقام منحنى الجريان السطحي المقابلة للمناطق المختلفة.
    • Atotal هي المساحة الإجمالية للحوض.

تقدير الجريان السطحي باستخدام رقم منحنى الجريان السطحي

بمجرد تحديد رقم منحنى الجريان السطحي، يمكن استخدامه لتقدير كمية الجريان السطحي الناتجة عن حدث هطول الأمطار معين. تستخدم المعادلة التالية، والتي تعرف باسم معادلة الجريان السطحي في SCS:

Q = ((P – 0.2S)^2) / (P + 0.8S)

حيث:

  • Q هو الجريان السطحي (بالبوصة أو المليمتر).
  • P هو هطول الأمطار (بالبوصة أو المليمتر).
  • S هو القدرة على الاحتجاز المحتملة (بالبوصة أو المليمتر).

يتم تحديد S باستخدام المعادلة التالية:

S = (1000 / CN) – 10

من المهم ملاحظة أن هذه المعادلة صالحة فقط عندما يتجاوز هطول الأمطار (P) حد الاحتجاز الأولي (Ia)، والذي يتم حسابه على أنه 0.2S. إذا كان P أقل من Ia، فإن الجريان السطحي (Q) هو صفر.

أهمية رقم منحنى الجريان السطحي

لرقم منحنى الجريان السطحي أهمية كبيرة في مجموعة متنوعة من التطبيقات، بما في ذلك:

  • تصميم أنظمة إدارة مياه الأمطار: يتم استخدام رقم منحنى الجريان السطحي لتصميم الأحواض، والأقنية، وأنظمة الصرف الصحي الأخرى لضمان قدرتها على التعامل مع حجم الجريان السطحي المتوقع من أحداث هطول الأمطار.
  • النمذجة الهيدرولوجية: يتم دمج رقم منحنى الجريان السطحي في نماذج المياه لتحليل دورة المياه، والتنبؤ بالجريان السطحي، وتقييم تأثيرات تغيير استخدام الأراضي على الجريان السطحي.
  • إدارة الفيضانات: يساعد رقم منحنى الجريان السطحي في تحديد مناطق الفيضانات المحتملة، وتقدير أحجام الفيضانات، وتطوير استراتيجيات التخفيف من آثار الفيضانات.
  • تقييم تأثيرات استخدام الأراضي: يمكن استخدام رقم منحنى الجريان السطحي لتقييم تأثيرات تغيير استخدام الأراضي (مثل التحضر، وإزالة الغابات) على حجم الجريان السطحي وتوقيته، مما يساعد في اتخاذ قرارات مستنيرة بشأن تخطيط استخدام الأراضي وإدارة الموارد.
  • إدارة جودة المياه: يساعد رقم منحنى الجريان السطحي في تقدير كمية الملوثات التي قد يتم نقلها إلى المسطحات المائية عن طريق الجريان السطحي، مما يساعد في تطوير استراتيجيات لحماية جودة المياه.

قيود رقم منحنى الجريان السطحي

على الرغم من فائدته، فإن رقم منحنى الجريان السطحي له بعض القيود التي يجب أخذها في الاعتبار:

  • التبسيط: يعتمد رقم منحنى الجريان السطحي على افتراضات معينة وتبسيطات للعلاقات الهيدرولوجية المعقدة. قد لا يمثل بدقة الجريان السطحي في جميع الظروف، خاصة في الأحواض المعقدة ذات الخصائص المتغيرة.
  • عدم الدقة المحتملة: يمكن أن تتأثر دقة تقديرات الجريان السطحي برقم منحنى الجريان السطحي باختيار قيم رقم المنحنى المناسبة، والتي يمكن أن تكون ذاتية وتعتمد على الخبرة.
  • الاعتماد على البيانات: تتطلب حسابات رقم منحنى الجريان السطحي بيانات دقيقة حول نوع التربة، واستخدام الأراضي، وهطول الأمطار. يمكن أن تؤثر الأخطاء في هذه البيانات على دقة تقديرات الجريان السطحي.
  • عدم مراعاة بعض العمليات الهيدرولوجية: لا يأخذ رقم منحنى الجريان السطحي بشكل كامل في الاعتبار بعض العمليات الهيدرولوجية مثل التدفقات الجوفية، والتي يمكن أن تؤثر على الجريان السطحي.

تحسينات وتطورات في رقم منحنى الجريان السطحي

على الرغم من قيوده، ظل رقم منحنى الجريان السطحي أداة شائعة وقيّمة في علم المياه. وقد تم اقتراح العديد من التحسينات والتعديلات على الطريقة الأصلية لتحسين دقتها وقابليتها للتطبيق. وتشمل هذه:

  • التعديلات حسب نوع التربة: تم تطوير تعديلات على أرقام منحنى الجريان السطحي التقليدية لتحسين دقة تقديرات الجريان السطحي في أنواع معينة من التربة، مثل التربة المشققة.
  • التعديلات حسب منطقة الحوض: تم اقتراح تعديلات لتحسين أداء رقم منحنى الجريان السطحي في الأحواض ذات التضاريس شديدة الانحدار أو الظروف الهيدرولوجية الخاصة.
  • دمج تقنيات الاستشعار عن بعد: تم دمج تقنيات الاستشعار عن بعد، مثل صور الأقمار الصناعية، لتوفير بيانات أكثر تفصيلاً حول استخدام الأراضي، مما يحسن دقة تقديرات رقم منحنى الجريان السطحي.
  • استخدام نماذج حاسوبية متطورة: تم دمج رقم منحنى الجريان السطحي في نماذج حاسوبية متطورة، والتي تأخذ في الاعتبار مجموعة واسعة من العوامل الهيدرولوجية لتوفير تنبؤات أكثر دقة للجريان السطحي.

تطبيقات عملية لرقم منحنى الجريان السطحي

لرقم منحنى الجريان السطحي تطبيقات عملية واسعة النطاق في مختلف المجالات:

  • تصميم الطرق والجسور: يستخدم المهندسون المدنيون رقم منحنى الجريان السطحي لتقدير حجم الجريان السطحي وتصميمه للتأكد من قدرة الطرق والجسور على تحمل الجريان السطحي الناتج عن الأمطار الغزيرة.
  • التخطيط الحضري والتنمية: يستخدم المخططون الحضريون رقم منحنى الجريان السطحي لتقييم تأثيرات التنمية الحضرية على الجريان السطحي وتصميم البنية التحتية لإدارة مياه الأمطار، مثل البرك والممرات المائية، للحد من الفيضانات وحماية جودة المياه.
  • الزراعة وإدارة الأراضي: يستخدم المزارعون ومديرو الأراضي رقم منحنى الجريان السطحي لتقييم تأثير الممارسات الزراعية على الجريان السطحي وتصميم استراتيجيات إدارة المياه، مثل تقليل الحراثة وزراعة المحاصيل لتخفيف تأثير الجريان السطحي ومنع تآكل التربة.
  • إدارة الموارد المائية: تستخدم وكالات إدارة الموارد المائية رقم منحنى الجريان السطحي لتقييم توافر المياه، والتنبؤ بتدفق الأنهار والجداول، وتطوير استراتيجيات إدارة الموارد المائية المستدامة.
  • الاستجابة للكوارث والحد من المخاطر: تستخدم وكالات إدارة الطوارئ رقم منحنى الجريان السطحي لتقييم مخاطر الفيضانات وتطوير خطط الاستجابة للكوارث، بما في ذلك الإخلاء والإنقاذ.

تحديات ومستقبل رقم منحنى الجريان السطحي

على الرغم من استخداماته العديدة، يواجه رقم منحنى الجريان السطحي بعض التحديات:

  • التعقيد: يمكن أن يكون تطبيق رقم منحنى الجريان السطحي في الأحواض المعقدة أمرًا صعبًا بسبب التباين في خصائص التربة واستخدام الأراضي وحالة الرطوبة.
  • البيانات: تتطلب حسابات رقم منحنى الجريان السطحي بيانات دقيقة ومحدثة عن نوع التربة واستخدام الأراضي وهطول الأمطار. قد يكون الحصول على هذه البيانات مكلفًا ويستغرق وقتًا طويلاً.
  • التحسين المستمر: يجب تحسين رقم منحنى الجريان السطحي بشكل مستمر ليعكس التغيرات في استخدام الأراضي والمناخ.

ومع ذلك، فإن مستقبل رقم منحنى الجريان السطحي يبدو واعدًا. مع التقدم التكنولوجي، مثل الاستشعار عن بعد والحوسبة المتقدمة، يمكن أن تزداد دقة وسهولة تطبيق هذه الأداة. بالإضافة إلى ذلك، فإن زيادة الوعي بأهمية إدارة مياه الأمطار وتغير المناخ سيعزز الطلب على استخدام رقم منحنى الجريان السطحي في جميع أنحاء العالم.

خاتمة

رقم منحنى الجريان السطحي هو أداة أساسية في علم المياه تساعد في تقدير الجريان السطحي من هطول الأمطار. يعتمد على عوامل مثل نوع التربة، واستخدام الأراضي، وحالة الرطوبة الأولية. على الرغم من بعض القيود، يستخدم رقم منحنى الجريان السطحي على نطاق واسع في تصميم أنظمة إدارة مياه الأمطار، والنمذجة الهيدرولوجية، وإدارة الفيضانات، وتقييم تأثيرات استخدام الأراضي. مع التقدم التكنولوجي والبحث المستمر، من المتوقع أن يستمر رقم منحنى الجريان السطحي في لعب دور مهم في إدارة الموارد المائية المستدامة.

المراجع

“`

مقالات مرتبطة