שיקום מורפולוגי ואקולוגי של נחלים באמצעות גישה חדשנית לשימוש בכלים קיימים

מורפולוגיית הערוץ מהווה גורם מרכזי בוויסות משטר הזרימה, בהסעת הסחף ובהיווצרות בתי גידול בנחלים. פגיעה במבנה המורפולוגי עלולה לשבש את שיווי המשקל הדינמי של המערכת ולפגוע ברציפות ההידרואקולוגית לאורך הנחל. לפיכך, שיקום מורפולוגיית הערוץ מניע לרוב תהליכי שיקום אקולוגי. בעשורים האחרונים התברר כי שיקום מורפולוגי ואקולוגי של נחלים, שתכנונו מבוסס בעיקר על תצפיות וניסיונות שיקום קודמים, יכול להעניק פתרונות נקודתיים, אך מתקשה להתמודד עם הדינמיקה המורכבת של תהליכים במערכות של נחלים ^[5]. ללא הבנה מעמיקה של שיווי המשקל הדינמי בין זרימה, סחיפה, השקעה וצורת הערוץ, התערבויות נקודתיות עלולות ליצור בעיות חדשות ואף להפחית את יציבות המערכת ^[6]. בעקבות זאת התפתחה גישה מערכתית הרואה בנחל מערכת דינמית החותרת לאיזון מתמשך בין תהליכי הסעה ושקיעה של סחף. גישה זו מובילה לשילוב הולך וגובר של מודלים הידרודינמיים ככלי תומך בקבלת החלטות.

שימוש במודלים הידרודינמיים מאפשר לבחון תרחישים עתידיים, למשל – להעריך כיצד שינויים בחתך או בתוואי הערוץ, כגון הוספת פיתול או אשד (riffle), עשויים להשפיע על יציבות הערוץ ועל תפקודו האקולוגי; לצפות אילו אזורים מועדים לסיכון מבחינת סחיפה והשקעה; לזהות פרמטרים אקולוגיים, כגון אפיון של מגוון בתי גידול בנחל, על פי שינויים פיזיקליים במשטר הזרימה ^{[2, 3, 4]}. כלי מרכזי בהקשר זה הוא HEC-RAS‏ (Hydrologic Engineering Center's River Analysis System)‏, מודל המשמש להדמיה דו-ממדית של זרימה, מפלסי מים, חלוקת אנרגיה וכוחות גזירה – רכיבים המהווים בסיס לתכנון שיקום מודרני ^[1].

לצד הצורך בשיפור התפקוד ההידרומורפולוגי והאקולוגי של נחלים, קיימים לעיתים אילוצי תפעול המהווים שיקול מרכזי בתכנון ההתערבויות. למשל, במקטעי נחל שעוברים בלב שטחים חקלאיים, יש צורך בשמירה על יכולת חציית הנחל על-ידי כלי רכב חקלאיים.

בנחל ציפורי התחלנו בפיילוט לבדיקת תרומת הגישה המערכתית לתכנון השיקום במטרה להעריך את התאמתה לנחלים ים תיכוניים ולתרום לגיבוש מתודולוגיות יישומיות לניהול ולשיקום מבוססי תהליכים בישראל. הדגימה, המידול והניתוח המורפולוגי משמשים יחדיו ליצירת הבנה מערכתית טובה יותר של תגובת הנחל להתערבויות תוך שאיפה לשיקום של האיזון ההידרומורפולוגי ושל מגוון תפקודים אקולוגיים.

דוגמה לשימוש במודל HEC-RAS בתהליכי השיקום בנחל ציפורי

במסגרת פרויקט השיקום של נחל ציפורי התחדדה ההבנה כי לחלק ממעברי המים בנחל יש השפעה הידרומורפולוגית ואקולוגית גדולה מדי, ולכן יש להחליפם במעברים שהשפעתם נמוכה משמעותית. נתמקד לדוגמה, במעבר אירי בלתי מבוטן, החוצה מקטע נחל בלב שטח חקלאי במורד היישוב ראס עלי.

אף שמעברים מסוג זה לרוב אינם חוסמים את זרימת המים, את תנועת הסחף או את מעבר החומר הצמחי, השפעתם על מורפולוגיית הערוץ ועל תהליכי ההתפתחות שלו משמעותית. במקרה כזה נוצרת במעבר התרחבות של הערוץ עקב מעבר כלי רכב, ועומק המים קטֵן. שינוי מקומי בשיפוע האורכי יוצר הצטברות סחף במעלה המעבר, בעוד שבמורדו נוצרת מדרגה המגבירה את מהירות הזרימה ואת הסחיפה המקומית (איור 1א). התהליכים האלה פוגעים ברציפות ההידרומורפולוגית והאקולוגית של הנחל, מערערים את האיזון הדינמי בין הסעה לשקיעה של סחף, ועלולים להוביל לאי-יציבות מבנית לאורך מקטע הנחל. ברמה האגנית, פגיעות מסוג זה עלולות להצטבר ולהוביל לשינוי בדפוסי ההסעה והשקיעה של סחף, להגברת סיכוני הצפה במורד עקב הסעת יתר או סתימות מקומיות ולפגיעה בתפקוד המערכת האקולוגית של הנחל לאורך זמן.

בעזרת מודל גבהים דיגיטלי, המבוסס על מדידות LiDAR‏ (Light Detection and Ranging) ברזולוציה גבוהה (0.5 מ'), שוחזרה תבניתו המרחבית של הערוץ. תבנית זו שולבה בהדמיות זרימה באמצעות HEC-RAS‏ כדי לבחון התנהגות של שיטפון בספיקה מלאת גדות במעבר הקיים, לעומת מצב שבו במקום המעבר ישנו מבנה הידרומורפולוגי משופר – במקרה זה מעבר אירי המתוכנן לאפשר זרימות קייציות.

המעבר המתוכנן נותן מענה לצורך התפעולי של מעבר כלי רכב חקלאיים, תוך שמירה על חתך זרימה התומך בתפקוד הידרומורפולוגי משופר ביחס למצב הקיים. התרחיש החלופי כלל עיצוב מחדש של שיפוע הנחל, רוחב הערוץ והחתך ההידראולי. תצורה זו מאפשרת זרימת בסיס קייצית השומרת על קישוריות הידרוביולוגית לאורך המקטע, ובמקביל מפחיתה הצפות בשטחים החקלאיים הסמוכים באירועי גלישה (איור 1ב, 1ג). נוסף על כך, הפחתת מהירויות הזרימה מובילה לירידה במאמצי הגזירה ותומכת בשמירה על שיווי המשקל הדינמי של הסחף לאורך זמן.

איור 1

השפעת מעבר מים קיים לעומת תכנון הידרומורפולוגי משופר על פרופיל הערוץ ודפוסי הזרימה

א. פרופיל אורכי של הערוץ; ב. הדמיה של ספיקה מלאת גדות במצב הקיים. ניתן לראות גלישה של המים לשדות; ג. הדמיה של ספיקה מלאת גדות במצב מתוכנן. במצב זה המים לא גולשים מהערוץ. סקאלת הצבעים מתארת מאמצי גזירה ביחידות פסקל.

הדוגמה שלעיל ממחישה כיצד שילוב נתוני שדה, ניתוח מורפולוגי ומידול הידרודינמי מאפשר מעבר משיקום נקודתי לתכנון מבוסס תהליכים, הרואה בנחל מערכת דינמית שלמה. התערבויות מקומיות במבנה הערוץ, כגון מעברי מים, אינן פועלות במנותק אלא משפיעות על רציפות הזרימה והסעת הסחף, ולכן עשויות ליצור תגובות שרשרת במעלה ובמורד הנחל – החל מהצטברות סחף, דרך שינויי שיפוע מקומיים ועד פגיעה ביציבות הערוץ.

השימוש ב-HEC-RAS אפשר להעריך באופן כמותי את ההשפעה של מבנים קיימים ביחס לחלופות תכנוניות ולבחון את תרומתם לשיפור היציבות ההידרומורפולוגית, הרציפות האקולוגית והאיזון בין הסעה ושקיעה של סחף, תוך צמצום סיכוני סחיפה והצפה. ניתוח תוצרי המודל ותרגומם להחלטות תכנוניות מחייבים מומחיות מקצועית והכשרה ייעודית, שכן פרשנות לא מדויקת עלולה להוביל להתערבויות שאינן מותאמות לדינמיקה המורכבת של המערכת הנחלית.