خشکسالی هیدرولوژیکی

خشکی یکی از پدیده های پیچیده ی طبیعی است که در نتیجه ی کمبود بارش حاصل می شود و از جمله پدیده های چالش زای آب و هوایی است که تأثیرات گسترده ای در جوامع بشری، محیط زیست و اقتصاد دنیا برجای گذاشته است. در طول سال های اخیر نمایه های متعددی برای شناسایی و پایش خشکی توسعه داده شده اند. هدف از این تحقیق ارزیابی وقایع خشکی در رودخانه ی اترک با استفاده از نمایه SWSI اصلاح شده است. همچنین یک مدل زنجیره ی مارکف مرتبه یک برای شبیه سازی شاخص مزبور بر پایه برآورد احتمال انتقال و توزیع فراوانی جریان رودخانه در ایستگاه های مربوطه به کار گرفته شد. نتایج به دست آمده حاکی از این مطلب بود که احتمال گذر از یک حالت معین به همان حالت محتمل تر از گذر به سایر شرایط (بین 60 تا 80 درصد) است و هر یک از ایستگاه ها مدت زیادی از طول سال را به احتمال زیاد در حالت تعادل قرار دارند. از طرفی علیرغم اینکه بعضی ایستگاه ها تداوم زیادی در شرایط خشک دارند ولی به همان نسبت مدت کوتاهی را نیز در شرایط خیلی تر می گذرانند که این امر اهمیت برنامه ریزی در بخش های بهره برداری را بیش از پیش آشکار می سازد.

خشکسالی یک رخداد طبیعی تکرارشونده و موقتی است و منجر به وارد آمدن خسارت های زیادی به زندگی انسان و اکوسیستم های طبیعی می شود. در این تحقیق، از شاخص بارش استاندارد شده (SPI) و شاخص خشکسالی جریانات رودخانه ای (SDI) جهت ارزیابی خشکسالی ها استفاده شده است. برای این منظور از آمار ماهانه 72 ایستگاه باران سنجی و 42 ایستگاه هیدرومتری در استان تهران استفاده شد و شاخص های خشکسالی SPI و SDI نیز در نرم افزار MATLAB محاسبه گردید. در مرحله بعد نقشه پهنه بندی مربوط به آنها نیز در دوره های مختلف با استفاده از نرم افزار ArcGIS تهیه شد و در نهایت ارتباط بین دو شاخص خشکسالی نیز از طریق ضریب همبستگی پیرسون بدست آمد. نتایج حاصل از این تحقیق نشان داد که بین خشکسالی هواشناسی و هیدرولوژیکی در منطقه مورد مطالعه، ارتباط معنی داری در سطح 99 درصد وجود دارد و روند خشکسالی تقریباً در مناطق مختلف استان با گذشت زمان افزایش یافته است، به طوری که روند تغییرات هر دو شاخص خشکسالی، از سمت شمال به جنوب دارای افزایش چشمگیری بوده است. بر اساس داده های بارش و دبی، وقوع خشکسالی هواشناسی به صورت کوتاه مدت یا با تأخیر یک ماهه بیش ترین تأثیر را در وقوع خشکسالی هیدرولوژیک دارد. همچنین بررسی نظم مکانی نیز نشان داد که، بیشترین همبستگی بین خشکسالی هواشناسی و هیدرولوژیکی در ایستگاه رودک وجود دارد که دلیل همبستگی بالای آن را می توان کوچک بودن حوضه بالا دست آن به موقعیت ایستگاه های باران سنجی و هیدرومتری آن مرتبط دانست.

در این پژوهش، دوره های متوالی خشکسالی هواشناسی و ژئوهیدرولوژیکی با استفاده از شاخص خشکسالی SPI و SWI در 6 بازه زمانی (6، 9، 12، 18، 24 و 48 ماهه) در دشت مرند واقع در استان آذربایجان شرقی، بررسی شد. برای این منظور، از داده های هواشناسی (متوسط بارش ماهانه) 7 ایستگاه باران سنجی در دوره آماری (91-1359) و داده های ماهانه سطح آب 23 چاه پیزومتری در دوره آماری (90-1380) استفاده شد. نقشه های مربوطه با استفاده از نرم افزار Arc Gis و با روش کریجینگ تهیه و ترسیم شدند که پهنه های درگیر خشکسالی در منطقه را نمایان ساخت. همچنین شدیدترین خشکسالی و فراوانی نسبی خشکسالی های هواشناسی و آب زیرزمینی در طول دوره آماری به دست آمد. نتایج بررسی مقادیر SPI نشان داد که خشکسالی هواشناسی از نظر مکانی دارای روند مشخصی نمی باشد در حالی که خشکسالی آب های زیرزمینی به طور تصادفی در منطقه رخ نداده و تمرکز آن در غرب آبخوان بیش از شرق آن بوده است. جهت بررسی اثرات خشکسالی بر افت سطح ایستابی، بهترین همبستگی بین آن ها، 720/0- با تأخیر زمانی 5 ماهه به دست آمد که در سطح 1 درصد معنی دار بوده و تأثیرپذیری منابع آب زیرزمینی را با یک تأخیر 5 ماهه نمایان می سازد. همچنین نتایج بررسی داده های ماهانه سطح آب دشت مرند در دوره آماری (90-1380) نشان داد که تراز آب زیرزمینی دشت دارای روند منفی بوده که با افت حدود 2 متر مواجه بوده است.

خشکسالی به عنوان یک پدیده طبیعی به ویژه در مناطقی با اقلیم خشک بارش مانند ایران از چالش های بسیار مهم در تامین آب می باشد. در این مقاله به کمک شاخص تامین آب های سطحی (SWSI) خشکسالی هیدرولوژیک حوضه بررسی گردیده است.جهت تحلیل خشکسالی هیدرولوژیی از داده های بارش،آب معادل برف،متوسط دما، دبی و حجم دخیره دریاچه سد زاینده رود در دوره زمانی 1388-1366 به صورت ماهانه و سالانه استفاده شده. متدولوژی مقاله مبتنی بر شاخص های خشکسالی SWSI ,SPI ,SDI, R ,R2 و تکنیک های زمین آمار،تحلیل روند و ضریب همبستگی می باشد.نتایج نشان می دهد که طبق شاخص SWSI درسال های 88-1366 ، 7 سال وضعیت خشکسالی (31 درصد)،10 سال در وضعیت نرمال (43 درصد) و 6 سال در وضعیت مرطوب (26 درصد) قرار دارند. همچنین سال 1378 با 55/2-SWSI= خشکترین و سال 1371 با 88/2 SWSI= مرطوبترین سال می باشد.علاوه برآن تحلیل مقایسه ای داده های بارش ، دبی،ذخیره حجم دریاچه،روند افزایشی دما و مقادیر آب معادل برف نشان می دهد که همپوشانی مناسبی بین متغیرهای مدلSWSI و خشکسالی های اقلیمیوجود دارد(r=0.78) در واقع طبق شاخص های استخراجی خشکسالی های اقلیمی نقش موثری در کاهش ضریب جریان حوضه ودبی پایه آن دارد. به عنوان نمونه کاهش بارش سالانه مهمترین ایستگاه حوضه (ایستگاه کوهرنگ) از متوسط 1420 میلیمتر سالانه به 750 میلی متردر سال 1387 و تداوم خشکسالی در 5 سال بعد ازآن (91-1387) باکاهش تجمعی بارش سالانه 2350 میلی متر منجر به افت33 درصدی دبی در ورودی سد(از 46 متر به 24 متر مکعب) گردیده است. آثار زیانبار این خشکسالی ها در اثر فاکتورهای مدیریتی و دخالت های انسانی به شکل فزاینده ای شدید شده که با توجه به غیر قابل پیش بینی بودن ولی تکرار پذیری آن به ویژه در چارچوب پدیده گرمایش جهانی در حوضه آبی زاینده رود پیشنهاد می شود در راهبردهای مدیریت منابع آب حوضه زاینده رود تجدید نظر جدی صورت گیرد و بجای انتخاب راهبردهای مبتنی بر فرافکنی و تامین آب به سمت راهبرد اصلاح الگوی مصرف رفت چراکه ادامه روند راهبرد تامین آب تنها مصرف بیشتر،ناپایداری شدیدتر اکوسیستم های انسانی و طبیعی موجود در حوضه را بدنبال خواهد داشت.

تعریف شاخص جامعی که تفسیر کامل تری از خشکسالی هواشناسی و هیدرولوژیکی داشته باشد ضروری است بر این اساس در پژوهش حاضر شاخص چند متغیره خشکسالی (MSDI) بر مبنای بارش و دبی تعریف شده است تا توانایی آن در تشخیص خشکسالی هواشناسی و هیدرولوژیکی سنجیده شود. برای این منظور دو شاخص SPI و SSI در دومنطقه گالیکش و ارازکوسه در استان گلستان که از آمار بارش و دبی بلند مدت 50 ساله برخوردار بودند در مقیاس فصلی محاسبه شدند شاخص MSDIبر اساس تعریف توزیع مشترک از متغیرهای دبی و بارش با استفاده از توابع مفصل نیز محاسبه شد. به منظور بررسی تطابق  این شاخص با SPI و SSI، میزان همبستگی و سپس، روند و جهش آنها با استفاده از آزمون های من-کندال و پتیت، بررسی شدند. نتایج نشان داد همبستگی کاملی بین شاخص SPI و SSI وجود ندارد و در فصل های مختلف و ایستگاه های مختلف میزان همبستگی متغیر است ولی شاخص تعریف شده MSDI از همبستگی بالایی با هر دو شاخص SSI و SPI برخوردار بود. و حتی در بدترین حالت که SPI و SSI هیچ همبستگی معنی داری نداشتند این شاخص در بدترین شرایط 62 درصد همبستگی را با  SPIدر گالیکش ایجاد کرد. نتایج روند و جهش از تطابق خوبی در دو ایستگاه برخوردار بودند. در ایستگاه ارازکوسه SPI فاقد روند، SSI فقط در بهار و MSDI در بهار و تابستان دارای روند می باشند. در ایستگاه گالیکشMSDI  در هیچ فصل، SPI در پاییز و SSI در بهار دارای روند می باشند. شاخص MSDI در مواردی که دو شاخص SPI و SSI شرایط خشکی یکسانی را نشان می دادند با آنها مطابقت داشت در غیر اینصورت در بیشتر موارد با شاخصی که شرایط خشک تری را داشت هماهنگ بود. در ضمن این شاخص تمایل زیادی به خشک تر نشان دادن فصل ها داشت بطوری که در برخی از موارد از دو شاخص دیگر شرایط خشک تری را نشان می داد. در نهایت می توان نتیجه گرفت شاخص MSDI می تواند شاخص مناسبی برای تحلیل همزمان خشکسالی هواشناسی و هیدرولوژیکی در نظر گرفته شود.

در سال های اخیر، خشک شدن دریاچه ارومیه مورد توجه محققین قرار گرفته است. این دریاچه از سال 1995 با حدود 8 متر کاهش سطح آب مواجه بوده است. خشکسالی ها به عنوان رویدادهای حدی مخرب، بر محیط طبیعی منطقه تأثیر می گذارند. شناسایی روند خشکسالی برای مدیریت و استفاده بهینه از منابع آب، ضروری است. ارزیابی روند توسط شاخص های خشکسالی، که شاخص استاندارد بارش (SPI) محبوب ترین آن است، راهی منطقی است، زیرا شاخص های خشکسالی با توجه به شدت، مدت و فراوانی، ناهنجاری های اقلیمی را اندازه گیری می کنند. در این مطالعه، روند خشکسالی هیدرولوژیک در حوضه آبریز دریاچه ارومیه با استفاده از سری های SPI 12 و 24 ماهه بررسی شد. سری SPI با استفاده از داده های بارش ماهانه 32 ساله (1986-2017) در 8 ایستگاه منتخب حوضه، تعیین شد. آشکارسازی روند با استفاده از تحلیل روند نوآورانه (ITA) و من-کندال صورت گرفت و برای شناسایی روندهای معنی دار، از آزمون های معنی داری در سطح 05/0 استفاده شد. نتایج آزمون های ITA و من- کندال نشان داد که مراغه، سهند، سقز، تکاب و مهاباد دارای روند کاهشی معنی دار در سری های 12 و 24 ماهه هستند. در ارومیه، تبریز و سراب، آزمون من-کندال روند معنی داری را نشان نداد؛ درحالی که ITA، روندهای کاهشی و افزایشی معنی داری نشان داد. بر اساس نتایج گرافیکی ITA، روند کاهشی در شرایط مرطوب و نرمال و روند افزایشی در شرایط خشکسالی، در اکثر ایستگاه های حوضه وجود دارد. همچنین نتیجه گرفته شد که ITA، ابزاری ارزشمند برای استنباط اطلاعات کیفی است. از نتایج این تحقیق می توان برای مدیریت منابع آب و درک ویژگی های تغییر اقلیم استفاده کرد.