بررسی تاثیر تغییرات اقلیمی بر تغییرات سطح دریاچه مهارلو با استفاده از پردازش تصاویر ماهواره ای

محورهای موضوعی : توسعه سیستم های مکانی

مسعود سمیعی ¹ , رضا قضاوی ² , مجتبی پاک پرور ³ , عباسعلی ولی ⁴

1 - دانشجوی دکتری آبخیزداری، دانشکده منابع طبیعی و علوم زمین، دانشگاه کاشان
2 - دانشیار دانشکده منابع طبیعی و علوم زمین، دانشگاه کاشان
3 - استادیار مرکز تحقیقات و آموزش کشاورزی و منابع طبیعی فارس
4 - استادیار دانشکده منابع طبیعی و علوم زمین، دانشگاه کاشان

تاریخ دریافت : 1395/08/20 تاریخ پذیرش : 1396/01/15 تاریخ انتشار : 1396/03/10

کلید واژه: سطح آب دریاچه, مناطق خشک و نیمه‌خشک, دریاچه مهارلو, متغیرهای اقلیمی, روش آستانه, شاخص اختلاف آب نرمال شده,

چکیده مقاله :

برای ارزیابی مدیریت منابع آب و تغییرات محیطی منطقه‌ای، پهنه‌بندی دقیق و بررسی دینامیک دریاچه‌ها امری حیاتی است. در این پژوهش، به منظور تهیه نقشه سطح دریاچه مهارلو واقع در حاشیه شهر شیراز و تعیین تغییرات آن در دوره‌های زمانی 18 ساله (1376-1394) از تصاویر ماهواره‌ای لندست در اواسط بهار استفاده شد. بدین منظور پس از انجام تصحیحات هندسی، رادیومتریک و جوی تصویرهای ماهواره‌ای، سطح آب دریاچه با استفاده از دو روش آستانه گذاری بر روی باند 5 و استفاده از شاخص آبی (NDWI) برای 18 سال بدست آمد. نتایج نشان داد که ضمن وجود نوعی نوسان در مقادیر مساحت دریاچه، در دراز مدت روند کلی کاهشی در مساحت دریاچه وجود دارد. با ارزیابی نتایج حاصله مشخص گردید که بیشترین تغییرات در خطوط ساحلی قسمت شرقی صورت گرفته است. نوسان‌های ﺳﻄﺢ آب ﺑﺎ ﺗﻐﻴﻴﺮات برخی از پارامترهای اﻗﻠﻴﻤـﻲ (تبخیر دی تا اردیبهشت ماه، بارش سالانه، متوسط درجه حرارت دی تا اردیبهشت ماه، متوسط درجه حرارت حداکثر دی تا اردیبهشت ماه) بررسی گردید. نتاﻳﺞ آزﻣﻮن ﺿﺮﻳﺐ ﻫﻤﺒﺴﺘﮕﻲ ﭘﻴﺮﺳﻮن در سطح آماری 05/0 و 01/0 درصد در ﻣﻮرد تبخیر ماه های دی تا اردیبهشت (44/0-) بارش سالانه (77/0)، درجه حرارت متوسط دی تا اردیبهشت (28/0-)، درجه حرارت حداکثر ماه های دی تا اردیبهشت (52/0-) است. روند افزایش و کاهش بارندگی با تغییرات سطح آب دریاچه همسان است. حداقل میزان بارش در سال‌های آبی 1387-1386 و 1388-1387 به ترتیب به میزان 147 و 192 میلی‌متر در سال بوده است که متعاقب با آن میزان سطح دریاچه در حداقل خود به ترتیب 14146 و 15095 هکتار در طی سال‌های مطالعه است. حداکثر میزان بارش در سال آبی 1384-1383 به میزان 745 میلی‌متر در سال بوده که متعاقب با آن میزان سطح دریاچه در حداکثر خود (25806 هکتار) در طی سال‌های مطالعه است. بارندگی 58 درصد تغییرپذیری در سطح دریاچه را تشریح می‌کند.

چکیده انگلیسی:

Study of the long term dynamic of the lake is crucial to evaluate regional water resources management and environmental changes. The main aim of this study was to evaluate and mapping the impact of climate change in the dynamic of the lake Maharlo located in the boundary of Shiraz city. Landsat satellite images during the past 18 years (1997-2016) in mid-spring were used to determine dynamic changes of the study lake (After geometric, radiometric and Atmospheric correction of satellite images, the annual lake level was extracted using a thresholding method on the band 5 and NDWI index. The results show that, a general reduction trend was observed in the lake area. Most of the changes were occurring in the eastern part. The correlation between water level changes of the lake with some of the climatic parameter changes (evaporation January to May, annual rainfall, average temperature January to May, the average maximum temperature January to May) was also investigated). According to Pearson correlation coefficient between the lake level and evaporation of the months of January to May, annual rainfall, the average temperature of January to May, maximum temperature of the months of January to May were -0.44, 0.77, -0.28, -0.52, respectively. A significant trend was observed between rainfall change (decrease and increase) and lake level. Minimum annual rainfalls were 147 and 192 mm in the years of 2007-2008 and 2008-2009, respectively, which minimum lake level was observed in the same years (14146 and 15095 hectares).  The maximum rainfall was occurred in 2004-2005 (745 mm) when the maximum water surface was measured in the lake (25806 ha). According to the results, 58% of the variability of the lake could relate to rainfall change.

منابع و مأخذ:

1. اصغری زمانی، ا.، 1392. ارزیابی تغییرات سطح دریاچه ارومیه به عنوان چالش عمیق زیست­محیطی فراروی منطقه شمال غرب ایران. فضای جغرافیایی، 13(41): 77-91.

2. هاشمی تنگستانی، م.، س. بیرانود و م. ح. طیبی. 1392. آشکارسازی تغییرات دریاچه بختگان فارس در بازه زمانی 1335 تا 1386. محیط­شناسی، 39(3): 189-199.

3. Ayenew T. 2002. Recent changes in the level of Lake Abiyata, central main Ethiopian Rift. Hydrological Sciences Journal, 47(3): 493-503.

4. Bai J, Chen X, Li J, Yang L, Fang H. 2011. Changes in the area of inland lakes in arid regions of central Asia during the past 30 years. Environmental Monitoring and Assessment, 178(1-4): 247-256.

5. Bausmith JM, Leinhardt G. 1998. Middle-school students' map construction: Understanding complex spatial displays. Journal of Geography, 97(3): 93-107.

6. Chen CH. 2003. Frontiers of remote sensing information processing. World scientific publishing Co. Singapore. 628 pp.

7. Desmet P, Govers G. 1996. A GIS procedure for automatically calculating the USLE LS factor on topographically complex landscape units. Journal of Soil and Water Conservation, 51(5): 427-433.

8. Du Z, Linghu B, Ling F, Li W, Tian W, Wang H, Gui Y, Sun B, Zhang X. 2012. Estimating surface water area changes using time-series Landsat data in the Qingjiang River Basin, China. Journal of Applied Remote Sensing, 6(1): 063609-063609.

9. Durduran SS. 2010. Coastline change assessment on water reservoirs located in the Konya Basin Area, Turkey, using multitemporal landsat imagery. Environmental Monitoring and Assessment, 164(1): 453-461.

10. Ebaid HM, Fawzy HED, El Shouny AF. 2015. Automatic Coastline Extraction Using Satellite Images. IOSR Journal of Mechanical and Civil Engineering, 12(4): 81-86.

11. Erener A, Yakar M. 2012. Monitoring Coastline Change Using Remote Sensing and GIS Technologies. Lecture Notes in Information Technology, 30: 310-314.

12. Frazier PS, Page KJ. 2000. Water body detection and delineation with Landsat TM data. Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, 66(12): 1461-1468.

13. Gebhardt AC, Naudts L, De Mol L, Klerkx J, Abdrakhmatov K, Sobel ER, De Batist M. 2017. High-amplitude lake-level changes in tectonically active Lake Issyk-Kul (Kyrgyzstan) revealed by high-resolution seismic reflection data. Climate of the Past, 13(1): 73-92.

14. Haghighi AT, Kløve B. 2015. A sensitivity analysis of lake water level response to changes in climate and river regimes. Limnologica-Ecology and Management of Inland Waters, 51: 118-130.

15. Haibo Y, Zongmin W, Hongling Z, Yu G. 2011. Water body extraction methods study based on RS and GIS. Procedia Environmental Sciences, 10: 2619-2624.

16. Hamed KH. 2008. Trend detection in hydrologic data: the Mann–Kendall trend test under the scaling hypothesis. Journal of Hydrology, 349(3): 350-363.

17. Hassanzadeh E, Zarghami M, Hassanzadeh Y. 2012. Determining the main factors in declining the Urmia Lake level by using system dynamics modeling. Water Resources Management,  26(1): 129-145.

18. Hossen H, Negm A. 2016. Performance of water bodies extraction techniques embedded in erdas: case study Manzala Lake, Northeast of Nile delta, EGYPT. Nineteenth International Water Technology Conference, IWTC19. Sharm ElSheikh, 21-23 April.

19. Hwang C, Cheng Y-S, Han J, Kao R, Huang C-Y, Wei S-H, Wang H. 2016. Multi-Decadal Monitoring of Lake Level Changes in the Qinghai-Tibet Plateau by the TOPEX/Poseidon-Family Altimeters: Climate Implication. Remote Sensing, 8(6): 1-21.

20. Jaiswal RK, Mukherjee S, Raju KD, Saxena R. 2002. Forest fire risk zone mapping from satellite imagery and GIS. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 4(1): 1-10.

21. Jawak SD, Kulkarni K, Luis AJ. 2015. A review on extraction of lakes from remotely sensed optical satellite data with a special focus on cryospheric lakes. Advances in Remote Sensing, 4(03): 196-213.

22. Kelley JG, Hobgood JS, Bedford KW, Schwab DJ. 1998. Generation of three-dimensional lake model forecasts for Lake Erie. Weather and Forecasting, 13(3): 659-687.

23. Kite G. 1981. Recent changes in level of Lake Victoria/Récents changements enregistrés dans le niveau du Lac Victoria. Hydrological Sciences Journal, 26(3): 233-243.

24. Lehner B, Döll P. 2004. Development and validation of a global database of lakes, reservoirs and wetlands. Journal of Hydrology, 296(1): 1-22.

25. Li X-Y, Xu H-Y, Sun Y-L, Zhang D-S, Yang Z-P. 2007. Lake-level change and water balance analysis at Lake Qinghai, west China during recent decades. Water Resources Management, 21(9): 1505-1516.

26. Lioubimtseva E, Henebry GM. 2009. Climate and environmental change in arid Central Asia: Impacts, vulnerability, and adaptations. Journal of Arid Environments, 73(11): 963-977.

27. López-Caloca A, Tapia-Silva F-O, Escalante-Ramírez B. 2008. Lake Chapala change detection using time series. In: SPIE Remote Sensing. International Society for Optics and Photonics, pp 710405-710405-710411.

28. Mason I, Guzkowska M, Rapley C, Street-Perrott F. 1994. The response of lake levels and areas to climatic change. Climatic Change, 27(2): 161-197

29. McFeeters SK. 1996. The use of the Normalized Difference Water Index (NDWI) in the delineation of open water features. International Journal of Remote Sensing, 17(7): 1425-1432.

30. Nath RK, Deb SK. 2010. Water-body area extraction from high resolution satellite images-an introduction, review, and comparison. International Journal of Image Processing (IJIP), 3(6): 353-372.

31. Ouma YO, Tateishi R. 2006. A water index for rapid mapping of shoreline changes of five East African Rift Valley lakes: an empirical analysis using Landsat TM and ETM⁺ data. International Journal of Remote Sensing, 27(15): 3153-3181.

32. Phillipps R, Holdaway S, Ramsay R, Emmitt J, Wendrich W, Linseele V. 2016. Lake level changes, lake edge basins and the paleoenvironment of the Fayum north shore, Egypt, during the early to mid-Holocene. Open Quaternary 2(2): 1-12.

33. Rokni K, Ahmad A, Selamat A, Hazini S. 2014. Water feature extraction and change detection using multitemporal Landsat imagery. Remote Sensing, 6(5): 4173-4189.

34. Saiko TA, Zonn IS. 2000. Irrigation expansion and dynamics of desertification in the Circum-Aral region of Central Asia. Applied Geography, 20(4): 349-367.

35. Sen PK. 1968. Estimates of the regression coefficient based on Kendall's tau. Journal of the American Statistical Association, 63(324): 1379-1389.

36. Sene K. 2000. Theoretical estimates for the influence of Lake Victoria on flows in the upper White Nile. Hydrological Sciences Journal, 45(1): 125-145.

37. Sesli FA, Karsli F, Colkesen I, Akyol N. 2009. Monitoring the changing position of coastlines using aerial and satellite image data: an example from the eastern coast of Trabzon, Turkey. Environmental Monitoring and Assessment, 153(1): 391-403.

38. Soja G, Züger J, Knoflacher M, Kinner P, Soja A-M. 2013. Climate impacts on water balance of a shallow steppe lake in Eastern Austria (Lake Neusiedl). Journal of Hydrology, 480: 115-124.

39. Sun F, Sun W, Chen J, Gong P. 2012. Comparison and improvement of methods for identifying waterbodies in remotely sensed imagery. International Journal of Remote Sensing, 33(21): 6854-6875.

40. Wang W, Van Gelder PH, Vrijling JK. 2005. Trend and stationary analysis for streamflow processes of rivers in Western Europe in the 20th Century. IWA International Conference on Water Economics, Statistics, and Finance. Rethymno, Greece, 8–10 July,.

41. Weifeng Z, Bingfang W. 2008. Assessment of soil erosion and sediment delivery ratio using remote sensing and GIS: a case study of upstream Chaobaihe River catchment, north China. International Journal of Sediment Research, 23(2): 167-173.

42. Yin X, Nicholson SE, Ba MB. 2000. On the diurnal cycle of cloudiness over Lake Victoria and its influence on evaporation from the lake. Hydrological Sciences Journal, 45(3): 407-424.

43. Zoljoodi M, Didevarasl A. 2014. Water-level fluctuations of Urmia Lake: relationship with the long-term changes of meteorological variables (solutions for water-crisis management in Urmia Lake Basin). Atmospheric and Climate Sciences, 4(3): 358-368.