بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
ارزیابی اثرات تغییر اقلیم بر هیدروگراف سیلاب در دورههاي آتی مطالعه موردي: حوضه آبریز بختیاري
چکیده
در این تحقیق به بررسی اثر تغییرات اقلیم بر سیلاب با استفاده از مدل گردش عمومی جو (AOGCM) در حوضه بختیاري پرداخته شد. براي این کار از شبیهسازي دما و بارش دوره آتی (2011-2030) با استفاده از مدل CGCM3 براساس سناریوي انتشار A2 از مجموعه مدلهاي AOGCM –A R4 به روش ریزمقیاسنمایی آماري (مدل لارس) و روش تناسبی (بارش) و تفاضل (حداقل و حداکثر دما) استفاده شد. براي شبیهسازي سیلاب حوضه نیز از مدل بارش ـ رواناب HEC-HMS استفاده شد. براساس نتایج شبیهسازي در ایستگاه تله زنگ حوضه بختیاري بهازاي سیل فروردین 69، دبی شبیهسازي شده بهمیزان 357.7 مترمکعب نسبت به دبی مشاهدهاي کاهش نشان داد که معادل %6.1 داراي خطا است. نتیجه شبیه سازي متغیرهاي اقلیمی درحوضه منتخب در دوره آتی، کاهش بارش و افزایش حداقل و حداکثر دما در دوره آتی است. در مجموع درحوضه بهطور میانگین تا 20 درصد کاهش بارش مشاهده شد و دماي حداکثر و حداقل بهترتیب با 1.5 و 1 درجه افزایش پیشبینی شدند. نتایج حاصل از استخراج بارشهاي حدي دوره آتی (2011- 2030) نشان داد با وجود کاهش بارشها درسالهاي آینده، بارشهاي حدي درحوضه با شدت بیشتري نسبت به دوره پایه رخ خواهند داد که این امر نشاندهنده افزایش وقوع سیلابها در دوره آتی خواهد بود.
کلیدواژگان: تغییر اقلیم، مدلسازي اقلیمی، مدل بارش ـ رواناب، سیلاب، حوضه بختیاري.
مقدمه
پدیده تغییر اقلیم که ناشی از افزایش غلظت گازهاي گلخانهاي به ویژه گازدي اکسید کربن در جو میباشد، باعث تغییراتی در رژیم بارش، میزان رواناب، سرعت باد، تابش خورشیدي رسیده به سطح زمین و دماي هوا می شود. توجه به تغییرات اقلیمی در سالهاي اخیر به علت پیامدهاي اقتصادي، اجتماعی و خسارتهاي مالی مربوط به رویدادهاي جوي اهمیت زیادي پیدا کرده است (محمدي و تقوي، .(1384 تغییر طبیعی آب و هوا اغلب به تشدید حوادث آب و هوایی میانجامد. وقایع حداکثر آب و هوایی نتیجه انحراف شدید از وضعیت متعادل سیستم آب و هوایی بدون در نظرگرفتن تأثیر واقعی آن بر شرایط اکولوژي کره زمین و سایر موجودات است که در تمام دنیا این حوادث شدید پیوسته در حال افزایشاند. طبق گزارشهاي IPCC1 تغییر اقلیم باعث تغییرات هیدرولوژي در چند دهه اخیر در سطح جهان شده به گونهاي که احتمال مواجهه با رخدادهاي حداکثر اقلیمی مانند سیلاب افزایش یافته است .(IPCC, 2007)
پدیده تغییر اقلیم میتواند بر سیستمهاي مختلفی تأثیر بگذارد که سیستم منابع آب از اصلی ترین آنها است. بنابراین پدیده تغییر اقلیم می تواند به عنوان عمده ترین چالش بشر در دورههاي آتی قلمداد گردد. از آنجا که افزایش این احتمال براي دورههاي آتی می تواند آثار زیانباري براي جوامع بشري داشته باشد، لذا در سالهاي اخیر تحقیقاتی در این مورد صورت گرفته است. در حال حاضر اغلب تحقیقات انجام گرفته در زمینه تأثیر تغییراقلیم بر وقایع متوسط مانند رواناب هستند (Leander et al., 2006) که در بررسی آنها از خروجی مدلهاي گردش عمومی اقیانوس- اتمسفر (AOGCM2) استفاده شده است. در مقایسه با مطالعات در زمینه خاك، آب و هوا و کاربري اراضی که نیازمند اطلاعات ورودي زیادي براي مدلهاي هواشناسی، هیدرولوژي و مدیریت آب میباشند، تحقیقات وقایع حدي با دادههاي ورودي اندکی قابل انجام میباشند .(Fowler and Kilsby, 2007) با این وجود برخلاف تحقیقات بیشماري که بر رواناب صورت گرفته است، تحقیقات اندکی در زمینه وقایع حدي به خصوص خشکسالی در سطح دنیا انجام گرفته است (Zalud et al., 2005)، .(Loukas et al., 2004) دلیل این امر عدم اعتبار خروجی مدلهاي گردش عمومی جو در مقیاس روزانه، و از طرف دیگر دشواري ریز مقیاس سازي خروجی این مدلها براي مطالعات وقایع حدي می باشد. باید توجه داشت که در صورت استفاده از روش مناسب و معتبر در ریزمقیاس سازي خروجی مدلهاي گردش عمومی جو، این مدلها ابزار مناسبی براي پیشبینی وقایع حدي هستند، از سوي دیگر این مدلها قادر به تولید سريهاي زمانی طولانی مدت هستند که میتوان به کمک آنها به آنالیز تغییرات احتمالی وقایع حدي در دورههاي آینده نیز پرداخت .(Loukas et al., 2008) درسال هاي اخیر تحقیق در مورد این موضوعات در سطح کره زمین مد نظر قرار گرفته است.
در تحقیقی اثرات تغییرات اقلیم را بر حوضه آبریز رودخانه کلرادو در سه دوره 30 ساله از سال 2010 تا 2100 تخمین زده شد. در این تحقیق از دادههاي خروجی مدلVIC1 و ریزمقیاس نمائی داده به عنوان ورودي مدلVIC، رواناب حاصل در این سه دوره شبیه سازي شده که به ترتیب کاهش 14، 18 و 17 درصد در سه دوره مشخص شده است ( Christensen .(et al., 2005 در مطالعه اي با استفاده از مدل گردش عمومی ECHAM52 و سناریوي انتشار A1B تأثیر تغییر اقلیم را بر رواناب مورد بررسی قرار گرفت. در این تحقیق که براي 9 حوضه در کشور ایرلند صورت گرفت از مدل مفهومی بارش ـ رواناب HBV-Light3 براي بررسی وضعیت جریان رودخانه در دوره آتی 2010- 2060 استفاده شد. نتایج در مجموع نشان دهنده افزایش بارش زمستانه و کاهش بارش تابستانه است. همچنین میزان دبی رودخانه تحتتأثیر تغییر اقلیم تغییر خواهد نمود .(Steele et al., 2008) عدم قطعیت تأثیر تغییراقلیم بر رواناب حوضه کانادا مورد بررسی قرار گرفت. در این بررسی از پنج مدل GCM4 و دو سناریوي انتشار استفاده شد. نتایج نشان از افزایش یک تا 14 درجهاي دما و تغییر -9 تا 55 درصدي بارش فصلی داشت. همچنین میزان رواناب حوضه تحت تأثیر تغییر اقلیم، تغییر خواهد نمود .(Minville et al., 2008) تأثیر عدم قطعیت 7 مدل AOGCM بر تقاضا و بهره وري آب کشاورزي در دورههاي 2010- 2039 و 2070- 2099 براي چهار محصول عمده در شبکه آبیاري زاینده رود شامل گندم، جو، چغندرقند و سیب زمینی بررسی شد. نتایج حاکی از آن بود، که با نزدیک شدن به پایان قرن احتمالاً میزان نیاز آبی محصولات منطقه افزایش خواهد یافت، این افزایش در دوره 2069- 2040 بیشتر است (Elmahdi et al., 2009) تجزیه و تحلیل تحقیقی تحت عنوان اثرات پدیده تغییر اقلیم بر جریان رودخانه زایندهرود اصفهان تحت مدل HADCM31 و سناریوهاي انتشار A2 و B2 نشان از کاهش بارندگی و افزایش دما تا سال 2100 به خصوص در نیمه دوم قرن دارد. در این ارتباط شبیه سازي دبی ورودي به سد چادگان با استفاده از تکنیک شبکه عصبی، افت جریان ورودي به سد را تا 5.8 درصد نشان میدهد (مساح بوانی و همکاران، .(1384 مطالعهاي جهت مدلسازي اقلیم ایران در دوره آتی، با استفاده از از دادههاي سناریوA1 تحت مدل ECHO-G2 و روش ریزمقیاس نمایی آماري لارس3، تغییرات اقلیمی43 ایستگاه سینوپتیک کشور ارزیابی شد. بررسیها حاکی از افزایش
میانگین سالانه دما در حدود 0.5 درجه سانتیگراد و کاهش 9 درصدي بارش در کشور براي دوره آتی است (باباییان و همکاران، .(1386 اثرات تغییر اقلیم بر شرایط آب و هوایی و منابع آبهاي سطحی ایران بررسی شد. با استفاده از 696 تصویر همزمان دما و بارش ماهانه بررسی تغییرات زمانی و مکانی این عوامل اقلیمی به عنوان مهمترین و تأثیرپذیرترین عوامل اقلیمی از تغییرات جهانی آب و هوا اقدام شد. نتایج نشان داد که در تمامی کشور روند صعودي دماي میانگین ماهانه مشاهده میشود که حاکی از گرم شدن تدریجی هوا است. تغییرات بارش نیز در سطح کشور در سطوح مختلف معنیدار بود. در نواحی شمال- شمال غرب و جنوب-جنوب شرق روند نزولی بارش ماهانه مشاهده شد (دانش کارآراسته و شکوهی، .(1387 نتایج مطالعه تأثیر عدم قطعیت تغییر اقلیم بر دبی پیک حوضه آیدوغموش در یک دوره سی ساله 2040- 2069 و فقط براي سناریوي A2 و با استفاده از هفت مدل AOGCM نشان داد که دماي حوضه در دوره 2050 بین حدود 1 تا 6 درجه سانتیگراد نسبت به دوره پایه افزایش مییابد. همچنین محدوده تغییرات بارش از -80 تا 100 درصد خواهد بود. مقایسه شدت سیلاب نمونهها در دوره بازگشتهاي مختلف در دوره آتی با وضعیت کنونی آن، نشان داد که دبی پیک حوضه تحتتأثیر تغییر اقلیم خواهد بود (آشفته و همکاران، .(1387 نتایج بررسی اثر تغییر اقلیم بر روي روند مقادیر حدي جریان (جریان حداقل و سیل) در حوضه آبخیز سد سفیدرود نشان داد که روند مجموع بارش سالانه و بارش حداکثر24 ساعته در تعداد کمی از ایستگاهها معنیدار است، در حالیکه در مورد جریانهاي حداقل و سیل این نسبت بالاتر است. بنابراین میتوان گفت روند کاهشی جریان به احتمال زیاد متأثر از تغییر کاربري اراضی و احداث سازههاي آبی در بالادست بوده است (دودانگه و همکاران، .(1389
تحقیقات بالا نشان میدهد که تغییرات اقلیمی و اثرات آن بر مخاطرات محیطی در همه جاي دنیا از اهمیت بالایی برخوردار است و موارد متعددي انجام شده است. بدین جهت این تحقیق نیز سعی دارد اثرات تغییر اقلیم بر سیلاب حوضه بختیاري را با استفاده از مدل اقلیمی
AOGCM و مدل بارش-رواناب HEC-HMS مورد بررسی قرار دهد.
موقعیت جغرافیایی منطقه
حوضه آبریز رودخانه بختیاري در جنوب غربی کشور از ارتفاعات زاگرس میانی سرچشمه میگیرد. این حوضه محدود به مختصات جغرافیاییَ45ْ،48 تاَ20،ْ50 طول شرقی وَ 35ْ،32 تا َ20،ْ33 عرض شمالی است. همچنین ساخت سد بختیاري به فاصله مستقیم حدود 50 کیلومتري بالادست سد دز و پنج کیلومتر بالادست تقاطع رودخانههاي سزار- بختیاري قرار گرفته است.
رودخانه بختیاري یکی از دو سرشاخه اصلی رودخانه دز است که از ارتفاعات جنوبی اشترانکوه سرچشمه میگیرد و در نزدیکی ایستگاه تنگ پنج به رودخانه سزار میپیوندد و رود دز را تشکیل میدهد. مساحت حوضه آبریز در محل سد در حدود 6388 کیلومترمربع و میانگین ارتفاع حوضه از سطح دریا 2212 متر است. دبی متوسط سالانه رودخانه بختیاري در محل سد (بر اساس یک دوره آماري 60 ساله) معادل 144.6 مترمکعب بر ثانیه و متوسط بارش سالانه در حدود 1117 میلیمتر است. شیب متوسط رودخانه بختیاري طی مسیر حدود 35 درجه است (شکل .(1
در این تحقیق دادههاي مشاهداتی دماي حداقل و حداکثر و بارش روزانه 8 ایستگاه هواشناسی حوضه بختیاري طی دوره آماري 1989-2008 از سازمان هواشناسی دریافت شد.
که جدول شمارة 1 مشخصات ایستگاهها و شکل شمارة 1 موقعیت ایستگاهها را در روي نقشه نشان میدهد. همچنین دادههاي دماي حداقل و حداکثر و بارش روزانه منطقه از مدل
CGCM3 در دورة 2011-2030 تحت سناریوي انتشار A2 از مرکز مدلسازي و تجزیه و تحلیل اقلیم کانادا1 استخراج گردید.
انتخاب توفانهاي شدید و فراگیر منطقه در دورة پایه
انتخاب توفانهاي شدید و فراگیر بر اساس نتایج بررسی هاي قبلی و همچنین دادههاي ثبتشده دبیهاي حداکثر لحظه اي و روزانه و دادههاي حداکثر بارشهاي روزانه با تداومهاي 24 ساعت طی دورة آماري بلندمدت (1960-2007) براي حوضه بختیاري انجام گرفت. انتخاب اولیه بر پایه میانگین حسابی بارش در کلیه ایستگاههاي موجود در منطقه صورت گرفت. بارشهاي مختلف که مربوط به تاریخهاي متفاوت هستند بهترتیب نزولی مرتب شد و در نهایت با تطابق رویدادهاي سیل تعداد 14 توفان انتخاب گردید (جدول .(2 همانگونه که ملاحظه می شود توفان آذر 1364 از نظر بزرگی مقدار بارش براي کل تداوم زمانی بارش در مرتبه نخست قرار دارد. توفانهاي اردیبهشت 1365 و ديماه 1371نیز بهترتیب در مرتبه دوم سوم قرار دارند. ترتیب بزرگی سایر توفانها بر پایه میانگین بارش در حوضه تقریباً مشابه هم است. با توجه به تداوم توفان و نزدیک بودن ایستگاه هیدرومتري تلهزنگ به سد بختیاري قرار گرفتن در حوضه انتهایی سیل، این ایستگاه ملاك ادامه کار قرار گرفت و براي کالیبره کردن مدل بارش ـ رواناب مورداستفاده قرار گرفت.
تولید سناریوي تغییر اقلیم
بهمنظور حذف اغتشاش در شبیهسازي نوسانات اقلیمی ناشی از بزرگ بودن سلولهاي محاسباتی مدلهاي AOGCM، معمولاً بهجاي استفاده مستقیم از دادههاي مدل در محاسبات تغییر اقلیم، از میانگین دورهاي درازمدت این دادهها استفاده میشود (روابط (1) و (Jones and Hulme, 1996(2)
در روابط فوق بهترتیب بیانگر سناریوي تغییر اقلیم مربوط به دما و بارندگی براي متوسط دراز مدت براي هر ماه، متوسط درازمدت دماي شبیه سازي شده توسط AOGCM در دوره آتی براي هر ماه (2011 - 2030)، متوسط درازمدت دماي شبیه سازي شده توسط AOGCM در دوره مشابه با دوره مشاهده اي (1989 - 2008) براي هر ماه میباشد. براي بارندگی نیز موارد ذکر شده برقرار میباشد.
خلاصهاي از فرآیند مدل لارس
در این مدل فرایند تولید دادههاي مصنوعی آبوهوایی در سه بخش انجام میگیرد:
1. کالیبره کردن مدل:1 در این بخش دادههاي آبوهوایی دیدهبانی شده جهت تعیین خصوصیات آماريشان تحلیل میشوند. این اطلاعات در دو فایل مجزا ذخیره میشوند.
2. صحت سنجی مدل:2 در این قسمت خصوصیات آماري دادههاي دیدهبانی و مصنوعی تولید شده توسط مدل جهت تعیین اینکه آیا تفاوتهاي آماري قابلتوجهی بین این دو گروه از دادهها وجود دارد یا نه، مورد تجزیه و تحلیل قرار میگیرند.
3. تولید داده:3 در اینجا دادههاي آبوهوایی مصنوعی با استفاده از دادههاي آبوهوایی دوره
دیدهبانی شده تولید می شوند، که داراي خصوصیات آماري مشابه با دوره دیدبانی هستند. مدل لارس با استفاده از دادههاي دیدهبانی شده براي ایستگاه مورد نظر کالیبره میشود و توانمندي مدل توسط Q- test صحت سنجی می شود، دادههاي مصنوعی قادرند با استفاده از گزینه Generator نیز شبیه سازي و ارزیابی شوند. این گزینه میتواند دادههاي مصنوعی را با همان خصوصیات آماري دادههاي دیدهبانی بهکار ببرد یا دادههاي مصنوعیرا مطابق با سناریويهاي تغییر اقلیم تولید کند.
شبیه سازي سیلاب حوضه
بهمنظور شبیهسازي سیلاب حوضه بختیاري، در این تحقیق از مدل HEC-HMS استفاده شد.
ابتدا شماتیک توپولوژي زیرحوضهها و شبکه آبراههها، براي هر حوضه طراحی شد(شکل .(2 همچنین عوامل شبیهسازي حوضهها، زیرحوضهها و رودخانه ها که شامل مساحت، مؤلفه هاي نفوذ، نوع تابع تبدیل بارش به رواناب و دبی پایه رودخانه و روش روندیابی است در این بخش تعریف شدند.
مدل HEC-HMS دراین تحقیق بر اساس روش SCS براي محاسبه نفوذ، روش هیدروگراف
واحد کلارك در تبدیل بارش به رواناب و روش ماسکینگام براي روندیابی در رودخانه مورد واسنجی و ارزیابی قرار گرفت. جریان پایه هم در اجراي مدل در نظر گرفته نشد و سیلابهاي مورد نظر بدون جریان پایه شبیه سازي شدهاند.
