ارزیابی اثرات تغییر اقلیم بر منابع آب (زیر حوضه لنجانات)
الموضوعات :
داریوش رحیمی
1
(
عضو هیئت علمی دانشگاه اصفهان
)
فاطمه بشیریان
2
(
گروه جغرافیایی طبیعی ، دانشگاه اصفهان
)
احمد نوربخش
3
(
گروه جغرافیای طبیعی ، دانشگاه اصفهان
)
نصرت فرهادی
4
(
دانشگاه فرهنگیان معاونت آموزشی پردیس حضرت فاطمه زهرا اهواز
)
الکلمات المفتاحية: تغییر اقلیم, روند, منابع آب, LARS-WG, زیر حوضه لنجانات,
ملخص المقالة :
تغییر اقلیم و گرمایش جهانی چالش جدی بر منابع آب ایران است. منابع آب حوضه زاینده‌رود در دو دهه اخیر تحت تأثیر تغییر اقلیم کاهش یافته است. برای ارزیابی اثر تغییر اقلیم بر منابع آب، روند یابی، آشکار سازی نقاط چرخش، پیش‌نگری و آنالیز دقت مدل‌ها برای داده‌های دمای حداقل و حداکثر، بارش و دبی در طول دوره آماری 1401-1345 انجام گرفت. در این فرایند از روش‌های آنومالی، آزمون نا پارامتری من-کندال و پیتتیتت، مبدل لارس (گزارش ششم) و ضریب همبستگی، ضریب تعیین، آرام اس ای استفاده شد. نتایج واکاوی روند نشان دهنده کاهش معنادار میانگین دمای سالانه در دوره (1401-1345) در حدود ۱.۴ درجه سلسیوس و کاهش معنادار بارش فصل زمستان با شیب ۱.۲۸- است. یافته‌ها نشان داد روند افزایش دما در دوره ۲۰۴۰-۲۰۲۱ ادامه خواهد داشت. در سناریوهای گوناگون دمای کمینه بین ۰.۴ تا ۰.۷، دمای بیشینه ۰.۶-۰.۸ درجه سلسیوس، بارش سالنه نیز حدود ۱۱% کاهش می‌یابد. همچنین براساس رابطه دما-بارش میزان تبخیر به ازای هر ۰.۱ درجه سلسیوس افزایش دما ۳% افزایش می‌یابد. در نتیجه این میانگین دبی 5/1 تا 9/1 درصد در دوره زمانی (2040-2021) است؛ بنابراین چنانچه در زمینه مدیریت منابع آب بازنگری صورت نگیرد چالش دسترسی به منابع آب در آینده جدی‌تر خواهد شد. در این زمینه راهبردهای سازگاری با تغییر اقلیم و افزایش تاب‌آوری پیشنهاد می‌شود.
1- انصاری مهابادی، ثمین، دهبان، حسین، زارعیان، محمدجواد و فرخ نیا، اشکان. (1401): بررسی روند تغییرات دما و بارش حوضه‌های آبریز ایران در افق 20 سال آینده بر اساس برونداد مدل‌های CMIP6، پژوهش آب ایران، جلد 16، شماره 1.
2- بشیریان، فاطمه، رحیمی، داریوش، موحدی، سعید و ذاکری نژاد، رضا. (1399): شبیه‌سازی رواناب، تبخیر، برگاب و تغذیه آب زیرزمینی دریاچه ارومیه در دوره‌های مرطوب و خشک. پژوهش آب ایران، 15(2 (38 پیاپی))، 85-95.
3- بندری خلف آبادی، وحیده، شکیبا، علیرضا و عظیمی، فریده. (1392): پیش‌یابی رژیم بارش و دمای خوزستان با مدل‌های گردش عمومی جو. جغرافیای طبیعی، 6(19)، 59-70.
4- رحیمی، داریوش و زارعی، فرحناز. (1398): اثرات تغییر اقلیم بر حجم منابع آب و انتقال آب بین حوضه‌ای. علوم مهندسی و آبیاری (مجله علمی کشاورزی)، 42(3)، 61-74.
5- رحیمی، داریوش و محمدی، زهرا. (1396): بررسی خشک‌سالی هیدرولوژیکی حوضه آبخیز سد زاینده‌رود. آمایش جغرافیایی فضا، 7(25)، 221-233.
6- زارعیان، محمدجواد، دهبان، حسین و گوهری، سید علیرضا. (1401): ارزیابی دقت مدل‌های CMIP6 در برآورد دما و بارش ایران بر اساس تحلیل شبکه‌ای. مدیریت آب و آبیاری، 12(4), 783-797.
7- سازمان نقشه‌برداری کشور، (1400): اطلس آب، تهران.
8- سلاجقه، علی، رفیعی ساردویی، الهام، مقدم نیا، علیرضا، ملکیان، آرش، عراقی نژاد، شهاب، خلیقی سیگارودی، شهرام و صالح پورجم، امین. (1396): بررسی کارایی مدل‌های ریزمقیاس نمایی آماری LARS-WG و SDSM در شبیه‌سازی دما و بارش. تحقیقات آب و خاک ایران (علوم کشاورزی ایران)، 48(2)، 253-262.
9- صابری، بیژن، رحیمی، داریوش و خوشحال دستجردی، جواد. (2023): آسیب‌پذیری اقلیمی و راهبردهای پایداری منابع آب در حوضه کارون شمالی. جغرافیا و توسعه ناحیه‌ای, 21(2), 229-255.
10- صالح، ایرج، صالح نیا، نرگس، (1401): بررسی نقش تنوع معیشتی در تاب‌آوری و سطح رفاه جامعه روستایی در مواجهه با تغییر اقلیم، مجله آب و توسعه پایدار، سال نهم، شماره 1، صص.84-75.
11- غیاث‌آبادی فراهانی، فاطمه، خوش‌اخلاق، فرامرز، شمسی‌پور، علی‌اکبر، عزیزی، قاسم و فتاحی، ابراهیم. (1397): بررسی و تحلیل تغییرات درون دهه‌ای روند و الگوی فضایی بارش‌های سالانه و فصلی (مطالعه موردی: نیمه غربی ایران). تحقیقات کاربردی علوم جغرافیایی (علوم جغرافیایی)، 18(48)، 59-78.
12- فرمان‌بر، زهرا، دلاور، مجید، (1396): بررسی اثرات تغییر اقلیم بر سیستم‌های منابع آب و کشاورزی در چارچوب ارزیابی منطقه‌ای، تحقیقات منابع آب ایران، سال سیزدهم، شماره 4، صص 88-75.
13- Bijl, D.L. Et Al. (2018): A Global Analysis Of Future Water Deficit Based On Different Allocation Mechanisms. Water Resour. Res. 54(8), 5803–5824, Doi:10.1029/2017wr021688.
14- Burke, E.J. Y. Zhang And G. Krinner, 2020: Evaluating Permafrost Physics In The Coupled Model Intercomparison Project 6 (CMIP6) Models And Their Sensitivity To Climate Change. Cryosphere, 14(9), 3155–3174.
15- Douville, H. Raghavan, K. Renwick, J. Allan, R. P. Arias, P. A. Barlow, M. Zolina, O. (2021): Water Cycle Changes. In: Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution Of Working Group I To The Sixth Assessment Report Of The Intergovernmental Panel On Climate Change.
16- Ellison, D. Morris, C. E. Locatelli, B. Sheil, D. Cohen, J. Murdiyarso, D. ... & Sullivan, C. A. (2017): Trees, Forests And Water: Cool Insights For A Hot World. Global Environmental Change, 43, 51-61.
17- Flörke, M. C. Schneider And R.I. Mcdonald, (2018): Water Competition Between Cities And Agriculture Driven By Climate Change And Urban Growth. Nat. Sustain. 1(1), 51–58, Doi:10.1038/S41893-017-0006-8
18- Hanasaki, N. Yoshikawa, S. Pokhrel, Y. & Kanae, S. (2018): A Quantitative Investigation Of The Thresholds For Two Conventional Water Scarcity Indicators Using A State‐Of‐The‐Art Global Hydrological Model With Human Activities. Water Resources Research, 54(10), 8279-8294.
19- IPCC, (2018): SPECIAL REPORT Global Warming Of 1.5°C. October 2018.
20- IPCC, (2021): Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution Of Working Group I To The Sixth Assessment Report Of The Intergovernmental Panel On Climate Change. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom And New York, NY, USA, In Press, Doi:10.1017/9781009157896.
21- Müller Schmied. H. Pokhrel, Y. Felfelani, F. Satoh, Y. Boulange, J. Burek, P. Gädeke, A. ... & Wada, Y. (2021): Global Terrestrial Water Storage And Drought Severity Under Climate Change. Nature Climate Change, 11(3), 226-233.
22- Seneviratne, S.I. X. Zhang, M. Adnan, W. Badi, C. Dereczynski, A. Di Luca, S. Ghosh, I. Iskandar, J. Kossin, S. Lewis, F. Otto, I. Pinto, M. Satoh, S.M. Vicenteserrano, M. Wehner, And B. Zhou, (2021): Weather And Climate Extreme Events In A Changing Climate. In: Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution Of Working Group I To The Sixth Assessment Report Of The Intergovernmental Panel On Climate Change.
23- Swain, D. L. Singh, D. Touma, D. & Diffenbaugh, N. S. (2020): Attributing Extreme Events To Climate Change: A New Frontier In A Warming World. One Earth, 2(6), 522-527.
فصلنامه جغرافیای طبیعی، سال هفدهم، شماره 64، تابستان 1403 63
ارزیابی اثرات تغییر اقلیم بر منابع آب (زیر حوضه لنجانات)
داریوش رحیمی1
استاد هیدرو اقلیم، گروه جغرافیای طبیعی، دانشکده علوم جغرافیایی و برنامه‌ریزی، دانشگاه اصفهان، اصفهان، ایران
فاطمه بشیریان
پژوهشگر پسا دکتری آب و هواشناسی، گروه جغرافیای طبیعی، دانشکده علوم جغرافیایی و برنامه‌ریزی، دانشگاه اصفهان، اصفهان، ایران
احمد نوربخش
کارشناس ارشد آب وهواشناسی، گروه جغرافیای طبیعی، دانشکده علوم جغرافیایی و برنامه‌ریزی، دانشگاه اصفهان، اصفهان، ایران
نصرت فرهادی
دکتری آب و هواشناسی، پردیس حضرت فاطمه زهرا دانشگاه فرهنگیان، اهواز، ایران
تاریخ دریافت:30/11/1402 تاریخ پذیرش:17/6/1403
چکیده
تغییر اقلیم و گرمایش جهانی چالش جدی بر منابع آب ایران است. منابع آب حوضه زاینده‌رود در دو دهه اخیر تحت تأثیر تغییر اقلیم کاهش یافته است. برای ارزیابی اثر تغییر اقلیم بر منابع آب، روند یابی، آشکار سازی نقاط چرخش، پیش‌نگری و آنالیز دقت مدل‌ها برای داده‌های دمای حداقل و حداکثر، بارش و دبی در طول دوره آماری 1401-1345 انجام گرفت. در این فرایند از روش‌های آنومالی، آزمون نا پارامتری من-کندال و پیتتیتت، مبدل لارس (گزارش ششم) و ضریب همبستگی، ضریب تعیین، آرام اس ای استفاده شد. نتایج واکاوی روند نشان دهنده کاهش معنادار میانگین دمای سالانه در دوره (1401-1345) در حدود ۱.۴ درجه سلسیوس و کاهش معنادار بارش فصل زمستان با شیب ۱.۲۸- است. یافته‌ها نشان داد روند افزایش دما در دوره ۲۰۴۰-۲۰۲۱ ادامه خواهد داشت. در سناریوهای گوناگون دمای کمینه بین ۰.۴ تا ۰.۷، دمای بیشینه ۰.۶-۰.۸ درجه سلسیوس، بارش سالنه نیز حدود ۱۱% کاهش می‌یابد. همچنین براساس رابطه دما-بارش میزان تبخیر به ازای هر ۰.۱ درجه سلسیوس افزایش دما ۳% افزایش می‌یابد. در نتیجه این میانگین دبی 5/1 تا 9/1 درصد در دوره زمانی (2040-2021) است؛ بنابراین چنانچه در زمینه مدیریت منابع آب بازنگری صورت نگیرد چالش دسترسی به منابع آب در آینده جدی‌تر خواهد شد. در این زمینه راهبردهای سازگاری با تغییر اقلیم و افزایش تاب‌آوری پیشنهاد می‌شود.
واژگان کلیدی: تغییر اقلیم، روند، منابع آب، LARS-WG، زیر حوضه لنجانات.
مقدمه
افزایش روز افزون انتشار گازهای گلخانه‌ای ناشی از فعالیت‌های انسانی از حدود سال 1850 به بعد تأثیرات زیادی بر سامانه آب و هوایی داشته است. بر اساس گزارش هیئت بین الدول تغییر اقلیم، در دهه 2015-2006، میانگین دمای سطح زمین حدود 87/0 درجه سلسیوس (12/0±) نسبت به دوره پایه 1900-1850 افزایش یافته است. با توجه به اینکه دمای کره زمین در حال حاضر افزایش 2/0 درجه سلسیوس (1/0 ±) در هر دهه را نشان می‌دهد؛ در سال 2017 گرمایش ناشی از فعالیت‌های انسان به یک درجه سلسیوس بالاتر از سطح قبل از صنعتی شدن رسید. اگر این سرعت گرمایش ادامه یابد، در حدود سال 2040 گرمایش جهانی به 5/1 درجه سلسیوس خواهد رسید (IPCC, 2021).
به دلیل افزایش میانگین دما در سراسر جهان، الگوهای گردش هوا، میزان رطوبت جو و توزیع بارندگی تغییر کرده است (Swain et al. 2020 Ellison et al .2017;)؛ بنابراین تغییر آب و هوای جهان اثرات قابل توجهی بر رژیم هیدرولوژیکی محلی و منطقه‌ای دارد (رحیمی و زارعی، 1398). تغییر اقلیم منجر به رخداد بیشتر بارش‌های سنگین (Senevirantne et al, 2021)، ذوب سریع یخچال‌ها (Douville et al, 2021) و کاهش کیفیت آب در بیشتر مناطق جهان گردیده است. تنش آبی، خشکیدگی تالاب‌ها و دریاچه‌ها، کاهش آبدهی رودخانه‌ها، افت سطح ایستابی آبخوان‌ها، فرونشست دشت‌ها از دیگر شاخص‌های آسیب‌پذیری اقلیمی منابع آب هستند (IPCC,2022; Rahimi,2021). این رخدادها محدودیت دسترسی به منابع آب شیرین و تأمین آب در بخش‌های شرب، کشاورزی و صنعت را تشدید کرده است Bijl et al. 2018) Hanasaki et al.2018; Burk et al.2020; Müller Schmied et al.2021). پیش‌بینی شرایط منابع آب تا سال 2050 نشان می‌دهد که 440 میلیون نفر از جمعیت شهری کشورهای توسعه یافته و به مقدار بسیار بیشتری در کشورهای در حال توسعه با چالش در تأمین منابع آب مواجه خواهند شد (Flörke et al. 2018). از آنجایی که تغییر آب و هوا به‌طور یکسان در سراسر جهان رخ نمی‌دهد، انتظار می‌رود بر هر منطقه تأثیر متفاوتی بگذارد. میزان آسیب‌پذیری منابع آب ناشی از تغییر اقلیم در عرض‌های میانی و مناطق خشک و نیمه‌خشک نسبت به عرض‌های بالایی و مناطق مرطوب کره زمین بیشتر است (IPCC 2018). خشک‌سالی‌های متوالی و افزایش دما همراه با برداشت بیش از ظرفیت تجدید شوندگی منابع آب در ایران موجب افزایش شاخص آسیب‌پذیری اقلیمی منابع آب در بیشتر حوضه‌های آبریز کشور شده است. بهره‌برداری از منابع آب زیرزمینی، انتقال آب بین حوضه‌ای، توسعه ناپایدار اقتصادی و اجتماعی، احداث پروژه‌های آب بر در مناطق کم بارش و توزیع نامناسب جمعیت این آسیب‌پذیری را از سال 2008 تاکنون افزایش داده و تاب‌آوری حوضه‌های آبی بشدت کاهش یافته است (صابری و همکاران، 1402؛ انصاری مهابادی و همکاران 1401؛ صالح و صالح نیا 1401؛ فرمان‌بر و دلاور 1396)
تغییر اقلیم از طریق تغییر در دما و بارش بر چرخه هیدرولوژیک، منابع آب در دسترس و تقاضای آب تأثیر می‌گذارد. لذا بررسی و پیش‌بینی تغییرات دما و بارش می‌تواند مؤثر واقع گردد. مدل‌های گردش عمومی جو ابزارهای پیشرفته‌ای برای ارزیابی اثرات و مطالعات تغییر آب و هوا هستند. این مدل‌ها به دلیل بزرگ‌مقیاس بودن شبکه‌های محاسباتی آن‌ها قادر به پیش‌بینی پارامترهای آب و هواشناسی در مقیاس نقطه‌ای نیستند. لذا دانشمندان ابزار واسطی به نام مدل Weather Generator را ابداع کردند که می‌توان بر اساس آن و با استفاده از خروجی مدل‌های عددی، تغییر اقلیم را در مقیاس ایستگاهی مورد مطالعه و ارزیابی قرار داد (بندری خلف آبادی و همکاران، 1392). در این مطالعه جهت ریزمقیاس نمایی خروجی مدل‌های سیستم زمین از نرم‌افزار LARS-WG که بر اساس مدل‌های ریزمقیاس نمایی آماری است؛ بهره گرفته شده است. بر اساس مطالعات پیشین، از جمله مطالعه سلاجقه و همکاران (1396) مبدل گر LARS-WG برای شبیه‌سازی رفتار متغیر بارش، در مقایسه با سایر الگوهای مشابه عملکرد بهتری دارد. همچنین به‌منظور پیش‌نگری بارش و دما، از مدل HADGEM3-GCM31-LL که از مدل‌های سامانه زمین (ESM) فاز ششم پروژه مقایسه‌ای مدل جفت شده (CMIP6) می‌باشد؛ استفاده شده است. بر اساس برخی مطالعات گذشته از جمله زارعیان و همکاران (1401)، مدل HadGEM3-GC31-LL عملکرد قابل قبولی در برآورد بارش سالانه ایران دارد. در سال‌های اخیر به دلیل تغییر اقلیم و فعالیت‌های انسانی، منابع آب زیر حوضه لنجانات با چالش روبرو شده است. لذا بررسی اثرات تغییر اقلیم بر منابع آب در بازه‌های زمانی گذشته و آینده می‌تواند در برنامه‌ریزی منطقه مؤثر واقع شود.
موقعیت جغرافیایی منطقه مورد مطالعه
موقعیت جغرافیایی زیر حوضه لنجانات، حدفاصل 94/50 تا 80/51 درجه طول شرقی و 75/31 تا 67/32 درجه عرض شمالی است. مساحت این زیر حوضه 3381 کیلومتر مربع است. به لحاظ تقسیمات کشوری در جنوب غربی استان اصفهان واقع شده و شامل 14 شهر و 11 دهستان می‌باشد. این حوضه در محدوده شهرستان‌های لنجان، مبارکه، سمیرم سفلی و بخشی از شهرستان تیران و کرون قرار دارد (شکل 1). محدوده مطالعاتی زیر حوضه لنجانات (زاینده‌رود میانی دو) از سد نکو آباد تا ورودی به دشت لنجانات (چم کهریز) با کد مطالعاتی 4216، یکی از 21 محدوده مطالعاتی حوضه آبریز گاوخونی بوده و هشت درصد از کل مساحت حوضه آبریز گاوخونی را شامل می‌شود. پایین دست آن محدوده مطالعاتی زاینده‌رود میانی یک (نجف‌آباد) از محل پل مارنان اصفهان تا محل سد نکو آباد و بالادست آن محدوده مطالعاتی زاینده‌رود میانی سه (بن-سامان) از چم کهریز تا سد زاینده‌رود می‌باشد. لازم به ذکر است حوضه آبریز گاوخونی به مساحت 42550 کیلومتر مربع، خود از زیر حوضه‌های حوضه آبریز فلات مرکزی ایران می‌باشد. حوضه آبریز فلات مرکزی ایران نیز یکی از شش حوضه آبریز اصلی ایران زمین می‌باشد (سازمان نقشه‌برداری کشور، 1400) که در شکل (1) با کد چهار مشخص شده است.
شکل 1: موقعیت جغرافیایی و تقسیمات کشوری منطقه
داده‌ها
در این پژوهش از پایگاه داده سازمان هواشناسی و وزارت نیرو استفاده شده است (شکل 2). دوره زمانی مورد بررسی 1345-1402 است. لازم به ذکر است برای واکاویی دبی از ایستگاه پل کله در دوره 1398-1328 استفاده شده که از نظر دوره آماری به دو دوره قبل از احداث سد زاینده‌رود (1350) و بعد از احداث سد تقسیم می‌شود. با توجه به اینکه بعد از احداث سد (1398-1350) جریان پایه رودخانه تنظیم شده است؛ در این پژوهش از دوره 1350-1328 که جریان طبیعی رودخانه بوده استفاده می‌شود.
شکل 2: موقعیت ایستگاه‌های هواشناسی و آب‌سنجی
روش پژوهش
برای ارزیابی اثرات تغییر اقلیم بر منابع آب منطقه مورد مطالعه، فرآیند آشکارسازی تغییر عناصر اقلیمی (دما و بارش)، روند یابی و تعیین نقاط چرخش به ترتیب با استفاده از روش‌های آماری آنومالی (رابطه 1)، آزمون نا پارامتری من کندال (رابطه 2) و پتیت (رابطه 3) انجام می‌شود. در ادامه با بهره‌گیری از خروجی‌های گزارش ششم IPCC و مبدل گر LARS-WG6، عناصر اقلیمی در دوره زمانی (2040-2021) پیش‌نگری می‌شوند. اعتبار سنجی نتایج توسط r,R2,MSE,RMSE (روابط 4، 5، 6) سنجیده می‌شود.
رابطه (1) Z=
رابطه (2) 
رابطه (3)
رابطه (4) 
رابطه (5) 
MSE=
رابطه (6) 
جهت برآورد میزان تبخیر و تعرق در دوره آینده (2040-2021) از روش هارگریوز- سامانی2، استفاده می‌شود. در این مدل میزان تبخیر و تعرق از رابطه (7) به دست می‌آید:
(رابطه 7) 𝐸𝑇𝑂,=0.0023× 𝑅𝑎 ×(𝑇𝑚𝑒𝑎𝑛+17.8). (𝑇𝑚𝑎𝑥−𝑇𝑚𝑖𝑛)^0.5
که در آن 𝑇𝑚𝑒𝑎𝑛 میانگین دما، 𝑇𝑚𝑎𝑥 و 𝑇𝑚𝑖𝑛 به ترتیب دمای بیشینه و دمای کمینه برحسب درجه سلسیوس و 𝑅𝑎 تابش خورشیدی است.
بحث و نتایج
حوضه آبی زاینده‌رود به دلیل نقش مهمی که در تأمین آب فلات مرکزی ایران دارد؛ دارای اهمیت ویژه‌ای است. خشک‌سالی‌های متوالی، افزایش دما هوا و مدیریت منابع آب در سطح این حوضه منجر به بروز مشکلات عدیدهٔ در آن شده است. منابع آبی حوضه زاینده‌رود در دو دهه گذشته (2020-2000) شرایط حادی از نظر هیدرولوژیکی داشته است. به دلیل خشک‌سالی‌های بلندمدت (2017-2007) و روند افزایشی مصرف آب بیش از ظرفیت هیدرولوژیکی آن موجب شده است که مطالعه این حوضه در کانون توجه پژوهشگران قرار گیرد. در این مقاله تأثیر تغییر اقلیم بر منابع آب نیز زیر حوضه لنجانات بررسی می‌شود. رژیم هیدرولوژیکی زیر حوضه لنجانات به دلیل قرار گرفتن در پایین دست سد زاینده‌رود از سال 1350 فاقد جریان طبیعی بوده و جریان سطحی رودخانه به‌صورت کنترل شده جریان می‌یابد. در این حوضه ایستگاه هیدرومتری پل کله از سال 1328 دارای آماری اندازه‌گیری دبی است. تحلیل دبی رودخانه زاینده‌رود در محل ایستگاه هیدرومتری پل کله ایستگاه هیدرومتری پل کله یکی از ایستگاه‌های مهم موجود در طول مسیر رودخانه زاینده‌رود است. بر اساس نتایج آزمون من-کندال در سطح اطمینان 95 درصد روند تغییرات دبی پل کله معنادار نیست (P-Value = 0.89). لذا فرض صفر مبنی بر عدم وجود روند و تصادفی بودن سری زمانی دبی پل کله تأیید می‌شود؛ اما نتایج آزمون پتیت نشان می‌دهد که یک نقطه چرخش معنادار در مقادیر دبی این ایستگاه وجود دارد (P-Value=0.01). نقطه عطف این روند مربوط به سال 1385 است. بطوری که میانگین دبی سالانه از 89/37 به 43/20 مترمکعب بر ثانیه کاهش یافته است (شکل 3). مقایسه دو دوره نشان می‌دهد دبی رودخانه زاینده‌رود از سال 1387، 45 درصد کاهش داشته است.
شکل 3: نمودار همگنی متوسط دبی سالانه ایستگاه پل کله (آزمون Pettitt Test)
رابطه بین بارش و دبی
جهت بررسی اثر تغییر اقلیم بر دبی رودخانه زاینده‌رود، چگونگی ارتباط متغیر بارندگی و دبی زاینده‌رود در محل زیر حوضه مورد نیاز است. داده‌های مورد استفاده مربوط به قبل از اعمال تغییرات مدیریتی (احداث سد) است (1350-1328). نتایج نشان می‌دهد که همبستگی بالایی بین این دو متغیر وجود دارد. (r = 0.97) مطابق با نتایج مدل رگرسیون خطی قبل از کنترل دبی زاینده‌رود توسط احداث سد و ایجاد تغییرات در منابع و مصارف آب، 93 درصد تغییرات دبی زاینده‌رود در محل زیر حوضه، توسط متغیر بارش قابل تبیین بوده است (رابطه 8).
D = 0.25 * P – 5.96 رابطه (8)
D= متوسط سالانه دبی در محل ایستگاه هیدرومتری پل کله (برحسب مترمکعب بر ثانیه)
P= میانگین سالانه بارندگی (برحسب میلی‌متر)
آنومالی بارش
آنومالی بارش حوضه با استفاده از شاخص SPI در شکل (4) نشان داده شده است. نتایج نشان می‌دهد در طول دوره مورد مطالعه 30 سال خشک‌سالی و 26 سال ترسالی اتفاق افتاده است.
شکل 4: آنومالی بارش زیر حوضه لنجانات (1401-1345)
واکاوی روند دما
سری زمانی میانگین دمای سالانه تمامی ایستگاه‌های مورد مطالعه، در سطح معنی‌داری 95% دارای روند افزایشی است (جدول 1). نتایج آزمون پتیت نشان می‌دهد نقطه چرخش روند دما سالانه کل حوضه مربوط به سال 1374 است. پس از سال مذکور، میانگین دما 34/1 درجه سلسیوس نسبت به دوره قبل (1373-1345) افزایش‌یافته است (شکل 5).
جدول 1: نتایج آزمون آماری من-کندال بر روی سری زمانی میانگین سالانه دمای ایستگاه‌های مورد مطالعه
نام ایستگاه | زرین‌شهر | اصفهان | زفره | سامان | نجف‌آباد | مبارکه |
Z-Value | 2.38 | 6.98 | 5.71 | 3.13 | 2.82 | 1.97 |
شکل 5: نمودار همگنی میانگین دما سالانه زیر حوضه لنجانات (آزمون Pettitt Test)
واکاوی روند بارندگی
ارزیابی رفتار بلندمدت متوسط بارندگی سالانه ایستگاه‌های مورد مطالعه نشان داد که هیچ‌کدام روند معناداری ندارند. همچنین بارندگی کل حوضه در مقیاس سالانه، ماهانه و فصلی بررسی شد. نتایج نشان داد فقط بارندگی اردیبهشت ماه در سطح معنی‌داری 95%، معنی‌دار بوده و دارای روند افزایشی است. لیکن در سایر ماه‌ها روند معنی‌داری دیده نمی‌شود. در مقیاس فصلی نیز بارش فصل زمستان دارای روند کاهشی معنی‌دار می‌باشد. میزان شیب برآوردی بارش زمستان برابر با 28/1- می‌باشد.
پیش‌نگری عناصر اقلیمی بارش و دما
دوره زمانی 2040-2021 برای پیش‌نگری عناصر بارش، دمای کمینه و بیشینه ماهانه و فصلی انتخاب شده است. برای پیش‌نگری متغیرهای اقلیمی از مدل HADGEM3-GCM31-LL تحت سناریوهای SSP1-2.6 (خوش‌بینانه)، سناریو SSP2-4.5 (واقع‌نگر) SSP 5-8.5 (بدبینانه) استفاده شده است.
پیش نمایی بارندگی ماهانه
پیش نمایی میانگین بارش ماهیانه در دوره 2040-2021 برای هر سه سناریو SSP1-2.6، SSP 2-4.5 و SSP 5-8.5 حاکی از کاهش بارندگی نسبت به دوره پایه، در ماه‌های ژانویه، فوریه، ژوئن، جولای و نوامبر و افزایش بارندگی در ماه‌های مارس، آوریل، می، آگوست، سپتامبر، اکتبر و دسامبر می‌باشد (شکل 6).
شکل 6: تغییرات بارش ماهانه پیش نمایی شده در مقایسه با دوره پایه
پیش نمایی بارندگی فصلی
پیش نمایی بارش فصلی برای هر سه سناریو SSP1-2.6، SSP 2-4.5 و SSP 5-8.5 حاکی از افزایش بارندگی نسبت به دوره پایه، در فصل‌های بهار و تابستان و کاهش بارندگی در فصل‌های پاییز و زمستان است (شکل 7).
بر اساس سناریو خوش‌بینانه SSP1-2.6 میزان افزایش بارندگی نسبت به دوره پایه، در فصل‌های بهار و تابستان به ترتیب 9 و 38 درصد بوده و کاهش بارندگی در فصل‌های پاییز و زمستان به ترتیب 12 و 19 درصد است. کاهش بارش سالانه 6 درصد برآورد می‌شود. نتایج سناریو حد واسط SSP2-4.5 حاکی از افزایش بارندگی در فصل‌های بهار و تابستان به ترتیب 7 و 33 درصد و کاهش بارندگی در فصل‌های پاییز و زمستان به ترتیب 12 و 19 درصد است. بر اساس همین سناریو کاهش بارش سالانه 7 درصد می‌باشد. سناریو بدبینانه SSP5-8.5 نیز میزان افزایش بارندگی در فصل‌های بهار و تابستان را به ترتیب 8 و 33 درصد و کاهش بارندگی در فصل‌های پاییز و زمستان را یک و 22 درصد برآورد می‌کند. بارش سالانه نیز 6 درصد کاهش می‌یابد.
شکل 7: تغییرات بارندگی فصلی پیش نمایی شده در مقایسه با دوره پایه
رژیم بارش منطقه (2020-1966) با 6/46% زمستانه است. سهم بارش فصل پاییز نیز 5/33% است. در مجموع فصل سرد سال 78% بارش سالانه را دریافت می‌نماید. فصل بهار با 8/18% در رده سوم و فصل تابستان 12/1% بارش، کمترین سهم را دارد. در اثر تغییر اقلیم نسبت بارش‌های فصلی (2040-2021) در فصل زمستان 5/42%، فصل پاییز 33%، فصل بهار 4/23% و تابستان 21/1% خواهد بود. بدین ترتیب بارش‌های فصل سرد سال کاهش و فصل گرم افزایش خواهد یافت (شکل 8). هرچند افزایش بارش در فصول بهار و تابستان جزئی خواهد بود؛ با توجه به وضعیت نامناسب دسترسی به منابع آب در حال حاضر، همین مقدار تغییر در وزن بارش‌های فصل سرد سال در آینده نیز می‌تواند موجب اختلالات جدی در نظام هیدرولوژیکی حوضه شود.
شکل 8: تغییرات سهم بارندگی فصلی در دو دوره گذشته و آینده
پیش نمایی میانگین ماهانه دمای کمینه
شکل 9: تغییرات میانگین ماهانه دما کمینه پیش نمایی شده در مقایسه با دوره پایه
پیش نمایی میانگین فصلی دمای کمینه
پیش نمایی میانگین فصلی کمینه دما در دوره 2040-2021 نشان می‌دهد؛ دمای فصل زمستان تحت سناریو SSP1-2.6 به میزان 2/0 درجه سلسیوس کاهش یافته است. در سایر سناریوها دما نسبت به دوره پایه، افزایش یافته است (شکل 10). در این دوره بر اساس سناریو خوش‌بینانه SSP1-2.6، میزان افزایش دما نسبت به دوره پایه، در فصل‌های بهار، تابستان و پاییز به ترتیب 7/0، 4/0 و 5/0 درجه سلسیوس بوده است. بر اساس همین سناریو افزایش دمای سالانه نیز 4/0 درجه سلسیوس است. سناریو SSP2-4.5 میزان افزایش دما را نسبت به دوره پایه، در فصل‌های بهار، تابستان، پاییز و زمستان به ترتیب 9/0، 2/0، 3/0 و 4/0 درجه سلسیوس نشان می‌دهد. میزان افزایش دمای سالانه نیز 4/0 درجه سلسیوس است. نتایج سناریو بدبینانه SSP5-8.5 حاکی از افزایش دما به میزان 1/0، 4/0، 6/0 و 6/0 درجه سلسیوس در فصل‌های بهار، تابستان، پاییز و زمستان بوده است. دمای سالانه نیز 7/0 درجه سانتی‌گراد افزایش می‌یابد.
شکل 10: تغییرات میانگین فصلی دما کمینه پیش نمایی شده در مقایسه با دوره پایه
پیش نمایی میانگین ماهانه دمای بیشینه
پیش نمایی میانگین بیشینه دمای ماهانه نشان می‌دهد روند دما نسبت به دوره پایه افزایشی خواهد بود. فقط در ماه‌های ژانویه و دسامبر مربوط به سناریو SSP1-2.6 روند دما کاهشی است. متوسط سالانه نیز در سناریوهای SSP1-2.6، SSP2-4.5 و SSP5-8.5 به ترتیب به میزان 6/0، 7/0 و 8/0 درجه سلسیوس نسبت به دوره پایه افزایش می‌یابد (شکل 11).
شکل 11: تغییرات میانگین ماهانه دما بیشینه پیش نمایی شده در مقایسه با دوره پایه
پیش نمایی میانگین فصلی دمای بیشینه
بررسی‌ها نشان می‌دهد روند میانگین فصلی بیشینه دما در دوره 2040-2021 در تمامی سناریوها نسبت به دوره پایه افزایش خواهد یافت. فقط دمای فصل زمستان تحت سناریو SSP1-2.6 به میزان 1/0 درجه سانتی‌گراد کاهش می‌یابد (شکل 12). در این دوره بر اساس سناریو خوش‌بینانه SSP1-2.6 میزان افزایش دمای بیشینه نسبت به دوره پایه، در فصل‌های بهار، تابستان و پاییز به ترتیب 7/0، 1 و 8/0 درجه سلسیوس است. بر اساس همین سناریو افزایش دمای سالانه نیز 6/0 درجه سلسیوس خواهد بود.
مطابق با نتایج سناریو SSP2-4.5 میزان افزایش دمای بیشینه نسبت به دوره پایه، در فصل‌های بهار، تابستان، پاییز و زمستان به ترتیب 9/0، 8/0، 6/0 و 5/0 درجه سلسیوس بوده و افزایش بیشینه دمای سالانه نیز 7/0 درجه سلسیوس است. بر اساس سناریو بدبینانه SSP5-8.5 میزان افزایش دمای بیشینه نسبت به دوره پایه، در فصل‌های بهار، تابستان، پاییز و زمستان به ترتیب 1/1، 1/0، 8/0 و 5/0 درجه سلسیوس بوده و افزایش دمای سالانه نیز 8/0 درجه سلسیوس می‌باشد.
شکل 12: تغییرات میانگین فصلی دما بیشینه پیش نمایی شده در مقایسه با دوره پایه
با استفاده از شاخص‌های ضریب همبستگی، ریشه میانگین مربعات خطا (RMSE) و ریشه میانگین مربعات خطای نرمال (NRMSE) و داده‌های مشاهداتی حوضه مطالعاتی (2022-2008)، خروجی‌های منتج از مدل LARSWG اعتبارسنجی شدند. نتایج کارایی قابل قبول مدل در ایجاد داده‌های ریزمقیاس نمایی شده بارش و دما را تأیید می‌کند (جدول 2).
جدول 2: اعتبار سنجی داده‌های برآوردی مدل LARS WG
| R | R2 (%) | RMSE (%) | NRMSE (%) |
بارش | 95/0 | 90 | 1/10 | 9 |
دمای کمینه | 99/0 | 2/98 | 1/13 | 2 |
دمای بیشینه | 99/0 | 6/98 | 5/11 | 5 |
برآورد اثرات تغییر دمای پیش نمایی شده بر تبخیر و تعرق
از آنجا که میزان تبخیر و تعرق مستقیماً با متغیر دمای هوا در ارتباط است؛ انتظار می‌رود در زیر حوضه لنجانات نیز با افزایش دما، میزان تبخیر و تعرق افزایش یابد. در ادامه میزان تبخیر و تعرق این منطقه در مقیاس زمانی فصلی برای دوره آینده (2040-2021) برآورد می‌شود.
نتایج نشان می‌دهد میزان تبخیر و تعرق جز در فصل زمستان تحت سناریو SSP1-2.6، در سایر سناریوها افزایش خواهد یافت. همچنین تبخیر و تعرق سالانه در سناریوهای SSP1-2.6، SSP2-4.5 و SSP5-8.5 به ترتیب به میزان 8/2، 9/2 و 3/3 درصد نسبت به دوره پایه افزایش می‌یابد (شکل 13)
شکل 13: تغییرات میزان تبخیر و تعرق پیش نمایی شده نسبت به دوره پایه
تأثیر تغییرات بارندگی سالانه بر دبی زاینده‌رود در محل زیر حوضه لنجانات (2040-2021)
نتیجه‌گیری
افزایش دما و تغییر توزیع زمانی بارش‌ها از پیامدهای تغییر اقلیم هستند. افزایش دما که منجر به تغییر الگوی بارش برف به باران می‌شود در مناطق کوهستانی اثر شدیدی بر حجم و پایداری منابع آب دارد. افزایش دما منجر به کاهش سهم بارش برف، ماندگاری آن و کاهش مساحت روزهای برف پوشان می‌شود. پیش‌نگری‌های انجام شده نیز حاکی از کاهش بارش و ادامه روند افزایشی دما با شدت بیشتر است. دما در خوش‌بینانه‌ترین سناریو بین 4/0 تا 6/0 درجه سلسیوس افزایش خواهد یافت. با کاهش بارندگی سالانه پیش نمایی شده میزان دبی زاینده‌رود در محل زیر حوضه (بدون لحاظ تغییرات ناشی از تصمیمات مدیریتی)، بین 5/1 تا 9/1 درصد، برحسب سناریوهای مختلف تغییر اقلیم کاهش خواهد یافت.
همچنین با ادامه روند افزایش دما، تبخیر و تعرق سالانه در سناریوهای مختلف بین 8/2 تا 3/3 درصد نسبت به دوره پایه افزایش خواهد یافت. علاوه بر آن کاهش برف منجر به ناپایداری جریان‌های رودخانه می‌شود. در فصل خشک (از اواخر اردیبهشت تا اوایل آبان ماه) که منطقه بارشی را دریافت نمی‌کند؛ پایداری منابع آب بستگی به میزان توده‌های برفی ارتفاعات دارد. کاهش تغذیه برف منجر به کاهش دبی رودخانه شده است. روند افزایشی دما در منطقه نشان می‌دهد که تغییر الگوی بارش برف به باران در آینده با شدت بیشتری رخ خواهد داد؛ بنابراین تنش‌های آبی در منطقه مورد مطالعه شدت خواهد گرفت. این یافته با نتایج مطالعات غیاث‌آبادی و همکاران (1397)، رحیمی و داناپور (1390)، رحیمی و محمدی (1396) و بشیریان و همکاران (1399) مطابقت دارد. نتایج روند یابی و عملکرد مبدل گر LARS-WG نیز نشان می‌دهد وجود روند افزایشی دما، کاهش بارش و دبی و میزان دقت مبدل گر مذکور با یافته‌های رحیمی و زارعی (1398)، صابری و همکاران (1402)، انصاری مهابادی و همکاران (1402)، صالح و صالح نیا (1401)، سلاجقه و همکاران (1396) و زارعیان و همکاران (1401) مطابقت دارد.
جمع‌بندی نتایج مطالعات نشان می‌دهد روند افزایشی دما، کاهش بارندگی و افزایش تبخیر منجر به کاهش حجم جریان و پایداری منابع آب سطحی خواهد شد. تداوم این روند، تنش‌های آبی منطقه و محدودیت در میزان دسترسی به آب را افزایش می‌دهد. سازگاری با تغییر اقلیم و افزایش تاب‌آوری در مواجه با آثار آن از جمله سیاست‌های پیشنهادی برای تعدیل تنش‌های آبی در منطقه است.
منابع
1- انصاری مهابادی، ثمین، دهبان، حسین، زارعیان، محمدجواد و فرخ نیا، اشکان. (1401): بررسی روند تغییرات دما و بارش حوضه‌های آبریز ایران در افق 20 سال آینده بر اساس برونداد مدل‌های CMIP6، پژوهش آب ایران، جلد 16، شماره 1.
2- بشیریان، فاطمه، رحیمی، داریوش، موحدی، سعید و ذاکری نژاد، رضا. (1399): شبیه‌سازی رواناب، تبخیر، برگاب و تغذیه آب زیرزمینی دریاچه ارومیه در دوره‌های مرطوب و خشک. پژوهش آب ایران، 15(2 (38 پیاپی))، 85-95.
3- بندری خلف آبادی، وحیده، شکیبا، علیرضا و عظیمی، فریده. (1392): پیش‌یابی رژیم بارش و دمای خوزستان با مدل‌های گردش عمومی جو. جغرافیای طبیعی، 6(19)، 59-70.
4- رحیمی، داریوش و زارعی، فرحناز. (1398): اثرات تغییر اقلیم بر حجم منابع آب و انتقال آب بین حوضه‌ای. علوم مهندسی و آبیاری (مجله علمی کشاورزی)، 42(3)، 61-74.
5- رحیمی، داریوش و محمدی، زهرا. (1396): بررسی خشک‌سالی هیدرولوژیکی حوضه آبخیز سد زاینده‌رود. آمایش جغرافیایی فضا، 7(25)، 221-233.
6- زارعیان، محمدجواد، دهبان، حسین و گوهری، سید علیرضا. (1401): ارزیابی دقت مدل‌های CMIP6 در برآورد دما و بارش ایران بر اساس تحلیل شبکه‌ای. مدیریت آب و آبیاری، 12(4), 783-797.
7- سازمان نقشه‌برداری کشور، (1400): اطلس آب، تهران.
8- سلاجقه، علی، رفیعی ساردویی، الهام، مقدم نیا، علیرضا، ملکیان، آرش، عراقی نژاد، شهاب، خلیقی سیگارودی، شهرام و صالح پورجم، امین. (1396): بررسی کارایی مدل‌های ریزمقیاس نمایی آماری LARS-WG و SDSM در شبیه‌سازی دما و بارش. تحقیقات آب و خاک ایران (علوم کشاورزی ایران)، 48(2)، 253-262.
9- صابری، بیژن، رحیمی، داریوش و خوشحال دستجردی، جواد. (2023): آسیب‌پذیری اقلیمی و راهبردهای پایداری منابع آب در حوضه کارون شمالی. جغرافیا و توسعه ناحیه‌ای, 21(2), 229-255.
10- صالح، ایرج، صالح نیا، نرگس، (1401): بررسی نقش تنوع معیشتی در تاب‌آوری و سطح رفاه جامعه روستایی در مواجهه با تغییر اقلیم، مجله آب و توسعه پایدار، سال نهم، شماره 1، صص.84-75.
11- غیاث‌آبادی فراهانی، فاطمه، خوش‌اخلاق، فرامرز، شمسی‌پور، علی‌اکبر، عزیزی، قاسم و فتاحی، ابراهیم. (1397): بررسی و تحلیل تغییرات درون دهه‌ای روند و الگوی فضایی بارش‌های سالانه و فصلی (مطالعه موردی: نیمه غربی ایران). تحقیقات کاربردی علوم جغرافیایی (علوم جغرافیایی)، 18(48)، 59-78.
12- فرمان‌بر، زهرا، دلاور، مجید، (1396): بررسی اثرات تغییر اقلیم بر سیستم‌های منابع آب و کشاورزی در چارچوب ارزیابی منطقه‌ای، تحقیقات منابع آب ایران، سال سیزدهم، شماره 4، صص 88-75.
13- Bijl, D.L. Et Al. (2018): A Global Analysis Of Future Water Deficit Based On Different Allocation Mechanisms. Water Resour. Res. 54(8), 5803–5824, Doi:10.1029/2017wr021688.
14- Burke, E.J. Y. Zhang And G. Krinner, 2020: Evaluating Permafrost Physics In The Coupled Model Intercomparison Project 6 (CMIP6) Models And Their Sensitivity To Climate Change. Cryosphere, 14(9), 3155–3174.
15- Douville, H. Raghavan, K. Renwick, J. Allan, R. P. Arias, P. A. Barlow, M. Zolina, O. (2021): Water Cycle Changes. In: Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution Of Working Group I To The Sixth Assessment Report Of The Intergovernmental Panel On Climate Change.
16- Ellison, D. Morris, C. E. Locatelli, B. Sheil, D. Cohen, J. Murdiyarso, D. ... & Sullivan, C. A. (2017): Trees, Forests And Water: Cool Insights For A Hot World. Global Environmental Change, 43, 51-61.
17- Flörke, M. C. Schneider And R.I. Mcdonald, (2018): Water Competition Between Cities And Agriculture Driven By Climate Change And Urban Growth. Nat. Sustain. 1(1), 51–58, Doi:10.1038/S41893-017-0006-8
18- Hanasaki, N. Yoshikawa, S. Pokhrel, Y. & Kanae, S. (2018): A Quantitative Investigation Of The Thresholds For Two Conventional Water Scarcity Indicators Using A State‐Of‐The‐Art Global Hydrological Model With Human Activities. Water Resources Research, 54(10), 8279-8294.
19- IPCC, (2018): SPECIAL REPORT Global Warming Of 1.5°C. October 2018.
20- IPCC, (2021): Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution Of Working Group I To The Sixth Assessment Report Of The Intergovernmental Panel On Climate Change. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom And New York, NY, USA, In Press, Doi:10.1017/9781009157896.
21- Müller Schmied. H. Pokhrel, Y. Felfelani, F. Satoh, Y. Boulange, J. Burek, P. Gädeke, A. ... & Wada, Y. (2021): Global Terrestrial Water Storage And Drought Severity Under Climate Change. Nature Climate Change, 11(3), 226-233.
22- Seneviratne, S.I. X. Zhang, M. Adnan, W. Badi, C. Dereczynski, A. Di Luca, S. Ghosh, I. Iskandar, J. Kossin, S. Lewis, F. Otto, I. Pinto, M. Satoh, S.M. Vicenteserrano, M. Wehner, And B. Zhou, (2021): Weather And Climate Extreme Events In A Changing Climate. In: Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution Of Working Group I To The Sixth Assessment Report Of The Intergovernmental Panel On Climate Change.
23- Swain, D. L. Singh, D. Touma, D. & Diffenbaugh, N. S. (2020): Attributing Extreme Events To Climate Change: A New Frontier In A Warming World. One Earth, 2(6), 522-527.
[1] * نویسنده مسئول: 09133823059 Email: d.rahimi@geo.ui.ac.ir
[2] - Hargreaves - Samani
