طريقة “تتبع الأثر” لمسح التلوث البحري

1996 المصبات البحرية لمياه الصرف الصحي

أ.د عادل رفقي عوض

KFAS

طريقة تتبع الأثر لمسح التلوث البحري علوم الأرض والجيولوجيا

لما كان الإنسان يستعمل بيئته البحرية كمصدر للغذاء والاستجمام وكمجمع نهائي للنفايات, في الوقت الذي تتزايد معه أهمية استخدام هذا المصدر يوماً بعد يوم, مما يجعل المصدر مجالاً لنزاع محتمل بين الدول المستفيدة منه.

وقد انعكس هذا الاهتمام بهذا المصدر في صورة تقارير عالمية درست آثار النمو السريع في مجالي الإعمار والتصنيع على تلوث مياه البحر, وخصوصاً مياه الشواطئ وخصوصاً حصره ومعالجته.

وضمن هذا الإطار تجري على مستوى العالم حالياً دراسات ميدانية عديدة لملاحقة آثار التلوث بأسلوب علمي يعرف ب(تتبع الأثر) وملاحقة الملوثات في بقع مدروسة, وهذه الدراسات تقوم على أسس تقليدية معروفة إلا أن منهجية طريقة تتبع الأثر قد شهدت تطوراً في العقد الأخير من القرن الحالي.

 

وقد عالجنا في هذا الجزء من الكتاب التطور المنهجي في الطريقة المذكورة ومجالات تطبيق الهندسة (الاستشفافية) لتحقيق هذا الغرض, وهي تقوم على إطلاق مواد معينة فوق سطح البحر وملاحقتها وتتبعها لحظة بلحظة, لدراسة التغيرات التي تطرأ عليها وعلى المياه المتأثرة بها.

كما تساهم تقنيات الاستشعار عن بعد واستخدام الصور والمعطيات الفضائية في مسح الملوثات البحرية وملوثات المسطحات المائية وتحديد أنواعها ومناطق ودرجات التلوث لبيان فاعلية التشتيت البحري للملوثات.

 ويعالج هذا الجزء عموماً أهم هذه التقنيات, حتى المطورة منها (الفلورة بالليزر) مع الإشارة إلى كلفتها الاقتصادية العالية وعدم التأكد من وثوقيتها العلمية بشكل كامل حتى اليوم.

 

الإطلاق اللحظي لعنصر التتبع

أ- منهجية العمل: 

نرفع كمية ليتر واحد من مياه البحر, ونحل بها مادة التتبع, ويمكننا حسب اللزوم تعديل كثافة المحلول لتحقيق تناسبها مع كثافة مياه البحر, وبذلك فإن عملية إطلاق (حقن) مادة التتبع لا تؤثر على الشروط الطبيعية للبحر.

يبين الشكل (5-1) مثالاً نموذجياً يوضح كيف تشكل مادة الأثر شكلاً هو أشبه بالغيمة تُنقل وتُنشر في الوسط المائي المحيط .

والنتائج في الشكل (5-1) (خطوط تساوي التراكيز) يمكن الحصول عليها من القراءات اللحظية وتسجيلات الزمن ووضعية وتركيز المادة المستخدمة في تتبع الأثر.

 

إن تتبع الأثر بواسطة القارب هي عادة الطريقة الوحيدة للحصول على معلومات مفصلة وتمثيلية لغرض التقويم المستقبلي.

ويمكن إيجاد وصف كافٍ عن تقنيات الإبحار المرافقة للعملية وتقويم المعلومات الأولي في مصادر متعددة منها (1و2).

وسوف نناقش هنا بعض التطبيقات الممكنة لنتائج تتبع الأثر والمقارنة بين المنهجيات المختلفة في عمليات المسح.

 

ب ـــ الحمل الحراري Convection

إن لنقل الحمولات الطافية فوق سطح البحر بواسطة التيارات البحرية أهمية كبيرة ويمكن تحديد سرعة هذا النقل من خلال دراسة تتبع الأثر مباشرة.

ويظهر الشكل (5-1) المسار (الخط المنكسر) للتركيز الأعظمي (لغيمة) عنصر تتبع الأثر. وتحدد سرعات التيار مباشرةً عن بُعد عبر حسابات الزمن لكل مرحلة بين الوضعيات المختلفة للغيمة والمبينة بالشكل.

كذلك نشاهد اتجاهات الانتقال في الشكل (5-1). وهكذا يمكن تحديد الطريق الواقعية لمياه المجاري –المحررة – أو الجارية في منطقة الحقن – بوساطة تجربة تتبع الأثر, ويصح ذلك طالما أن خطوط التراكيز لعنصر التتبع ظاهرة.

وإذا أردنا الحصول على سرعات الانتقال والاتجاهات بدون استعمال عناصر تتبع الأثر, فيجب علينا أخذ طريقة قياس التيارات بعين الاعتبار سواء استخدمنا العوامات أو تركنا استخدامها.

لدى تحديد قياس التيارات بالطريقة اليدوية أو الآلية يمكننا تحديد سرعتها (دورة المروحة/ وحدة زمنية) واتجاهها (بواسطة البوصلة الداخلية للجهاز المستخدم) وذلك كله في مكان ثابت وعلى عمق ثابت.

 

ويمكن إنزال التيارات من قارب مزود بمرساة (ياطر) أو قد يكون له نظام مرساة خاص أو نظام طافية خاص به (ويحتوي هذا النظام على تجهيزات مسجّلة فقط), يجب ملاحظة أنه يمكن الحصول على تغطية لحقل انتقال مياه المجاري المحتمل فقط من قياسات عديدة تؤخذ بوضعيات مختلفة.

وتبدو طريقة عنصر تتبع الأثر قياساً بطريقة قياس التيارات, متفوقة وتنبؤاتها بعملية انتقال مياه المجاري أكثر دقة, وهي تتطلب عناصر بشرية أقل مما تتطلبه طريقة قياس التيارات. وإلى جانب طريقة قياس التيارات وعنصر تتبع الأثر فإنه يمكننا استخدام طريقة العوامات لمراقبة انتقال التيارات.

وتتألف العوامة عادة من جسم مقاوم غاطس ومربوط بطافية على سطح البحر. وفوق سطح البحر يوضع علم صغير أو يُركّب رادار عاكس لرصد وضعية العوامة, وتسمح عاكسات الرادار بتحديد وضعية دقيقة عن بعد وباستعمال تقنية التعويم المتعدد (العوامات المتعددة).

 

لدى استعمال الرادار, الذي يكون عادة مثبتاً بالأرض, فإن عدد العوامات يحدد فقط من خلال الحاجة للتمييز الواضح بين النقاط على شاشة الرادار وذلك للتمكن من التحديد الدقيق لمسار كل عوامة على حدة.

بشكل مبدئي تقدم تقنية التعويم المتعدد إمكانية ممتازة لقياس وضع التيار الإجمالي وذلك لأن التيار يجري قياسه في وقت واحد وفي مواقع عديدة ضمن منطقة كبيرة نسبياً. إن تحديد التيار العام هام على وجه الخصوص لإجراء الدراسات الأولية في المياه المتلقية, ولهذا السبب تستعمل عادة تقنية التعويم.

على الصعيد العملي, يتطلب استعمال العوامات تعاملاً حريصاً مع الحركة المقاسة للعوامة, ولأجل رصد ومتابعة حركة الماء الفعلية يتوجب تصحيح انجراف العوامة المدروسة بفعل تأثير دفع الرياح لها فوق سطح البحر.

 

يبين الشكل (5-2) مثالاً على التصحيحات التي قد يلزمنا إجراؤها بسبب جرف الرياح للعوامة لتحديد تحركات الماء المرصودة من خلال مشاهداتنا لهذه العوامة.

ولما كان الشكل الخاص للعوامة وقياس جسمها يعتبران أمراً مهماً في المشاهدات المدروسة والمراقبة فإن المنحنى الوارد في الشكل (5-2) لايمكن تعميمه والاستناد إليه في وضع إطار يحدد الانتقال الدقيق للعوامة المدروسة.

وقد تم رسم المنحنى من خلال تجارب تمت فيها مراعاة كل من العوامل التالية في آن واحد, العوامات, غيوم, تتبع الأثر, الرياح. وتم افتراض أن غيمة عنصر التتبع ممثلة لحركة الماء الحقيقية.

كما أن انحراف مسار العوامة عن مسار غيمة تتبع الأثر تمّ اعتباره ممثلاً لأثر الريح على العوامة.

يتبين لنا من الشكل (5-2) أن تصحيحات أثر الرياح على تحركات العوامة المراقبة ضرورية دوماً إضافة إلى ذلك, نجد أن التصحيحات ليست محددة بشكل جيد, سيما وأنه يبدو أن سرعة الريح تسبب انحرافات مختلفة للعوامة.

 

وهذا يمكن تفسيره بواسطة تغير سرعة الريح أثناء فترة المشاهدة التي لا تُسجل سرعة الريح إلا أثناءها, بينما يبقى أثر الرياح على حركة العوامة في الفترة التي لا يتم فيها مراقبتها غير مسجل.

إن عملية تصحيح المشاهدات للعوامة في التيارات العادية تصبح أمراً شاقاً وعملية غير دقيقة, وفي حالة تيارات الماء البطيئة فإن الرياح فقط هي التي تعطي للعوامة حركتها, وفي هذه الحالة تصبح طريقة العوامات لقياس سرعة التيار غير مفيدة, وتظهر حركة الماء كفرق صغير جداً بين اتجاه منحنيين (شعاعين) كبيرين (انحراف العوامة المراقب وتصحيح الانحراف المحسوب للريح).

إن عدم دقة هذا النظام في حالة الحركة البطيئة للمياه تجعله نظاماً غير مجد وبدون معنى. (الشكل رقم 5-2).

 

جـ- التشتيت Dispersion

يمكن اعتبار حالة تناثر وانحلال مياه الصرف مطابقة لحالة الحمل الحراري والتشتيت، وحالة التشتيت التي تستنتج من دراسات تتبع الأثر تعني ناتج عمليتي الانتشار الدوامي المضطرب والحمل الحراري النسبي.

ويبين الشكل رقم (5-1) كيفية توسع غيمة تتبع الأثر حين تنتقل بواسطة التيار. ويعطي تعبيراً رقمياً لتحدد الغيمة هذه، وذلك من خلال العوامل في معادلة التشتيت.

هناك عدة نظريات تشتيت جاهزة ونظرية التشتيت المختارة الآن يجب تعديلها باستمرار وذلك لتناسب الشروط (الأوقيانوغرافية) لمنطقة التخلص من مياه الملوثات، ويعتمد على دراسات تتبع الأثر لأجل تعديل النظرية العامة.

وكمثال على ذلك، نورد هناك نظرية تشتيت مُستَنْبَطة تجريبياً. وهذه النظرية بالذات، تمّ وضعها بعد إجراء تجارب تتبع الأثر في بحر الشمال.

 

وقد استُعملت لإجراء المسح (الأوقيانوغرافي) لشاطئ مدينة دكار في (السنغال) ومعادلة التشتيت هي التالية.

حيث: (R, t) C هو تركيز عنصر تتبع الأثر الذي يأخذ شكل قطع ناقص ضمن حالة تركيز ثابت ممثلا بقيمة "R" والزمن "t" بعد الإطلاق (f Ci/ m³) M هو كمية متتبع الأثر المطلقة في كل وحدة عمق (f Ci/ m³)

 t هو الزمن ويقدر بـ (S) (ثانية)

R هو العامل الخطي الذي يأخذ شكل قطع ناقص في حالة تركيز ثابت.

a/b هو نسبة محور القطع (المعادلة 2)

C (O. t) هو التركيز عند مركز الرقعة ويقدر بـ (f Ci/ m³)

Y ثابت يعرّف في المعادلة (3) ويقدر بـ (S³/m²)

 

لأجل تجربة الأثر المبينة في الشكل رقم (5-1)، b/ a تم قياسها و y قد أوجدت من الخط الانحداري (Regression Line) للمعادلة (1):

ولأجل دراسات مشابهة تحت ظروف أوقيانوغرافية مختلفة فإن القيميتين (y) و (b/ a) تم أيضا تحديدها، ومجالات التغيير لعوامل التشتيت طبقت مباشرة لتحديد مدى تغير التلوث تبعا لشروط أوقيانوغرافية مختلفة تم تحديدها كنتيجة أخيرة.

ولأجل منطقة التصريف بكاملها (خليج Goree، شكل 5-5) فإن أربع دراسات تتبع أثر أعطت المجموعة (المجال التالي) للقيم الوسطى:

يجب الحكم على أهمية هذه السلسلة من التغيرات من خلال التغيرات المشتقة من انحلال مياه الصرف، والتراكيز الجرثومية الملاحظة من دراسة حالة شواطئ مدينة داكار التي ستأتي لاحقاً.

 

د- تخفيف تركيز مياه الصرف

يمكن تقدير تخفيف تركيز مياه الصرف من خلال تجربة تتبع أثر تقوم على استخدام تقنية التكامل العددي والأسس التي تقوم عليها هذه التقنية يمكن تلخيصها بما يلي:

1- يتم اعتبار محلول تتبع الأثر المحرر لحظيا جزءا من جريان مياه الصرف المستمر.

2- يتم الانطلاق من وقائع ومعطيات وظروف أوقياتوغرافية ثابتة (لمياه المحيطات) وتكون أيضا كمية مياه المجاري الملوثة والمصبوبة في المصدر المائي (البحر هنا) ثابتة أيضا. وهذا يعني أن التغيرات التي ستطرأ على مياه المجاري ستكون ثابتة أيضا.

3- في حالة الظروف المشروحة في النقطة (2) فإن التغيرات الطارئة على كل دفعة من الجريان المصبوب لمياه الصرف في البحر، يمكن متابعتها ومعرفتها وتحديدها شريطة أن نعرف كمية وحجم الدفقة الواحدة المصبوبة تماما كما نلقي قدرا محدودا من مادة تتبع الأثر المحلولة في ليتر واحد من مياه البحر ونراقبها.

 

الشكل رقم (5-3) يقدم نموذجا لتخفيف التركيز تبعا لتجربة تتبع الأثر المنفرد والمبينة في الشكل (5-1) ويحسب تخفيف التركيز (الانحلال) في وضع منفرد في المياه المتلقية بواسطة المعادلة التالية:

S الانحلال في أجزاء من مياه البحر وتقسم على (الجزء المدروس من مياه الصرف الصحي + 1).

Co تركيز ملوث محدد (p) في مياه مجاري مصرّفة بشكل مستمر يقدر بـ (p/ m³).

C تركيز ملوث محدد في المياه المتلقية للتصريف المستمر ويقدر بـ (p/ m³).

V سرعة الحمل الحراري (m/s) أو سرعة الانتقال.

A كمية متتبع الأثر المحررة لحظيا وتقدر بـ (mci).

Q معدّل جريان الصرف الصحي المستمر وتقدر بـ (m³/s).

C تركيز مادة تتبع الأثر، انظر المعادلة (1) وتقدر بـ (v ci/m³).

X محور اتجاه الانتقال (m)

 

من الملاحظ أن سركة الانتقال (V) والتركيز (C)، إذا رُسما بيانيا مقابل الزمن، فإننا نحصل على اسس حسابات تخفيف التركيز وبالنتيجة فإن انحلال مياه الصرف الصحي يمكن تقديره من خلال حسابات تتعلق بالمياه المتلقية وتعتمد على العوامل التالية:

Y: معدل التشتيت، المعادلة (1) يقدر بـ (S³/m²).

b/a: شكل منحنيات تساوي التراكيز، المعادلة (2).

V: سرعة انتقال تيارات الحمل تقدر بـ (m/s).

الآن وقد حددنا y، b/a، و V نستطيع استخراج عبارة تحليلية لتخفيف التركيز. عادة يفضل التكامل العددي، لأنه يمكننا بسهولة حساب التغيرات في سرعة الانتقال (مثال: تغيرات المد والجزر) مع الشروط الأطرية للتكامل أو بدونها.

 

ه- تلاشي فعالية البكتيريا

يُظهر التلوث عادة مدى وجود الكائنات الحية الدقيقة (مثال الفيروسات والبكتيريا)، وهذه الكائنات الحية يزول نشاطها بعد بقائها فترة قصيرة في مياه البحر، ولكن معدل هذا الخمول متغير من منطقة لأخرى بشكل غير معروف بعد. وهنا سوف نستعمل كمثال عصيات "أشيريشياكولي".

إن زوال النشاط هذا يعطي زولاً بكتريولوجياً ناتجاً عن تأثير الانحلال الفيزيائي لمياه الصرف الصحي. أما الأثر الكلي للانحلال وزوال فعالية البكتيريا فيعبر عنه غالبا بالمعادلة التالية:

حيث:

C/ هو التركيز الحالي/ الفعلي للملوث النوعي كما هو مقاس في المياه المتلقية (E. Coli/ 100m) أو عدد عصيات الاشيريشياكولي في كل 100 مل.

C تحسب من المعادلة (4) مثال: التركيز المتوقع في حال حدوث الانحلال فقط.

هو زمن الانتقال في مياه المصدر المائي ما بين المصب وموقع الرصد/ دقيقة.

T₉₀ الزمن اللازم لتخفيض 90% من المؤشر الجرثومي مثل "اشيرشياكولي" الانحلال الوحيد (min).

تحدد T₉₀ تجريبياً، وهناك عدة طرق لتحديدها يمكن العودة إليها في المصادر (8 و 9 و 10). 

 

من خلال الخبرة المكتبسبة لدى المركز الدانمركي للنظائر المشعة في كوبنهاجن، يبدو أنه من المجدي في أغلب الحالات أن تحدد T₉₀ من تجارب تحوي إطلاق مادة تتبع الأثر لحظيا في موقع مصب مياه الصرف الموجود، وبعد ذلك يجري تتبع الأثر بواسطة قارب وأخذ العينات من مياه البحر ومياه الصرف الصحي للتحليل الجرثومي.

وحسب تقارير مدروسة فإن قيمة T₉₀، يمكن تحديدها بشكل أفضل من خلال استعمال معدلات التدفق (fr) بدلا من قيم C/C المفردة.

وتحسب التدفقات على سبيل المثال على عمق متر واحد من سطح البحر:

حيث: dA يمثل عنصر المساحة في مقطع عرضي عمودي على اتجاه الانتقال.

وهكذا فإن لكل مقطع عرضي من عينة ما يمكن تحديد واحدة لـ (fr) ويعيّن موقعها مقابل محول  (الشكل 5-4).

 

لأجل إيجاد "T₉₀" من ميل الخط الانحداري. إذا وُجد أن "T₅₀" أو قيم أخرى لـ "T" يمكن أن عطي فوائد أكبر فمن الممكن حسابها بالطريقة نفسها كما هو الأمر في حالة "T₉₀" وآنذاك تتغير المعادلة (5) وفقا لذلك.

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]