بخشی از مقاله
چکیده
در بسیاری از مناطق جهان، علاوه بر مشکلات مربوط به کاهش کمیت آب به دلیل خشکسالی و همچنین عوامل انسانی، مشکل کاهش کیفیت منابع آب نیز وجود دارد. در ایران عمده برداشت های مصرفی، مربوط به بخش کشاورزی بوده و از دیدگاه این بخش شوری آب، یکی از پارامترهای مهم کیفیت آب تلقی میگردد. همچنین بر اثر کاهش جریان رودخانه به دلیل خشکسالی یا افزایش برداشت های بالادست، افزایش شوری رودخانه مشاهده می شود. از طرفی یکی از الزامات در مدیریت خشکسالی ارزیابی ریسک خشکسالی است چرا که خشکسالی یک پدیده غیرقطعی بوده و شامل اثرات زیان بار است.
اقدامات انسان در توسعه منابع آب می تواند سبب تغییر ریسک خشکسالی می گردد. با این توجه در این تحقیق یک چارچوب مدلسازی ارائه می گردد که بوسیله آن بتوان ریسک خشکسالی و شوری به طور توام مربوط به اقدامات توسعه منابع آب در بالادست رودخانه را تحلیل نمود. به این منظور، با استفاده از دادههای پانصد ساله مصنوعی تولید شده دبی ماهانه در سرشاخه های حوضه آبریز رودخانه حله واقع در جنوب غربی ایران و نرم افزار WEAP، سری درازمدت آبدهی و شوری آب رودخانه در نقاط مهم سیستم شبیه سازی گردید.
سپس سری زمانی شدت و تداوم خشکی با استفاده از روش سطح آستانه و همچنین میانگین شوری در طول دوره خشکی به عنوان مشخصه های اصلی خشکسالی محاسبه شده است. در نهایت ریسک توام خشکسالی هیدرولوژیکی و رخداد شوری بر اساس مفهوم دوره بازگشت ماندگاری و با به کارگیری کاپولا ماندگاری، با در نظر گرفتن میانگین شوری در دوره خشکسالی به عنوان مشخصه کیفیت در کنار شدت و تداوم خشکسالی به عنوان مشخصه های کمیت آب محاسبه شده است.
نتایج نشان دهنده افزایش ریسک خشکسالی و شوری در برخی نقاط و کاهش در برخی دیگر نقاط در شرایط توسعه نسبت به وضع موجود است. در این خصوص اثر توام عوامل متعددی مورد بحث قرار گرفته است.
مقدمه
عواملی از قبیل رشد جمعیت و افزایش برداشت های آب برای کاربری های مختلف، همچنین افزایش انتشار گازهای گلخانه ای و در نتیجه تغییر اقلیم، میتواند باعث تشدید خشکسالیها در گستره وسیعی از کره زمین گردد. خشکسالی یکی از بلاهایی است که تقریباً در تمامی رژیم های اقلیمی رخ میدهد. این پدیده علاوه بر مناطق با بارندگی کم، در مناطق با حجم بالای بارندگی نیز اتفاق میافتد
در بسیاری از مناطق جهان علاوه بر مشکلات مربوط به کاهش کمیت آب و خشکسالی، مشکل کاهش کیفیت منابع آب ناشی از آلودگی های صنعتی و شهری نیز وجود دارد. همچنین با وجود همبستگی آماری بین پارامترهای کمی و کیفی جریان رودخانه و آب زیرزمینی، کاهش کمیت آب بر اثرخشکسالی هیدرولوژیکی معمولاً سبب افزایش غلظت آلاینده ها از قبیل شوری میشود. همچنین از دیدگاه مصارف آب در بخش کشاورزی، با بیشترین سهم در بین کاربریهای مصرفی آب، شوری به عنوان یکی از مهمترین پارامترهای کیفیت آب در مدیریت کشاورزی و تولید محصول اثرگذار است. برای اندازهگیری شوری آب، شاخصهایی وجود دارد که یکی از معروف ترین آن ها غلظت کل جامدات محلول یا 1TDS است.
پیرو این موضوع، فاوست و اندرسون [2] اثرات خشکسالی بر روی کیفیت آب در پایین دست رودخانه پاساییک در نیوجرسی آمریکا بررسی کردند. سپس کاهش کیفیت آب را در شرایط خشکسالی با مقایسه کیفیت در شرایط عادی اعلام کردند. همچنین در اغلب رودخانهها در طول دوره خشکسالی، شوری جریان رودخانه نیز افزایش مییابد. برای این پدیده دلایل مختلفی از جمله غلظت تبخیر2، کاهش رقیق سازی جریان های ورودی آب زیرزمینی شور و در بعضی موارد وجود منابع نقطه ای بیان شده است
مست افزایش سولفات در دوره خشکسالی را در چندین نقطه کنترلی به دلیل اکسید شدن سولفید آهن گزارش کرد. اردینکا و همکاران اثرات خشکسالی و سیل را بر روی کیفیت آب در دو حوضه در چک اسلواکی بررسی کردند و افزایش دمای آب، کاهش اکسیژن محلول و همچنین افزایش حدود 16 درصد TDS را در زمان خشکسالی گزارش کرده اند.
به منظور مدیریت خشکسالی توجه به خصوصیات کیفی جریان در کنار خصوصیات کمی آن امری الزامی است. در مدل سازی های کیفی جریان رودخانه از داده های مشاهداتی برای بررسی ارتباط بین کمیت و کیفیت آب و تخمین آمارههای همبستگی، استفاده میشود.
از جهت شوری آب، همبستگی بین جریان و غلظت کل جامدات محلول در جریان های رودخانه ای، از مدت ها قبل به رسمیت شناخته شده است
در این پژوهش برای تولید TDS از مدل نیمه تجربی اکانر [7] مبتنی بر رگرسیون، بهره گرفته شده است.
در راستای تعیین خشکسالی هیدرولوژیکی، یوجویچ [8] با استفاده از تئوری دنباله ها1، روش حد آستانه را جهت استخراج مشخصات خشکسالی ارائه کرده است. همچنین جلدسن و همکاران [9] با استفاده از روش حد آستانه، خشکسالی هیدرولوژیکی را در ده رودخانه زیمباوه بررسی نمودند. ثقفیان و بایزیدی [10] ، به منظور تعیین خشکسالی هیدرولوژیکی در حوضههای کرخه، کارون و دز برای بررسی عوامل موثر بر خشکسالی و استخراج روابط منطقهای از روش حد آستانه استفاده کردهاند.
به دلیل اینکه خشکسالی یک پدیده پیچیده است نمیتوان آن را با یک متغیر به طور جامع ارزیابی کرد .[11] تحلیل جداگانه توزیع مشخصه های خشکسالی نمی تواند همبستگی قابل ملاحظه ای بین آن ها نشان دهد. بنابراین یک روش بهتر برای توصیف مشخصههای خشکسالی، استفاده از توزیع توام متغیرها است .[12] با این هدف برای استخراج تابع توزیع چند متغیره از مفهوم کاپولا2 بهره گرفته شده است. کاپولا برای اولین بار توسط شیا [11] در ارزیابی و توصیف خشکسالی مورد توجه قرار گرفت. سالوادوری و دی مایکل [13] برای تحلیل ریسک، دوره بازگشت ماندگاری3 را با استفاده از کاپولای ماندگاری ارائه کرده اند. همینطور آقا کوچک و همکاران [14]، با استفاده از این مفهوم ریسک رخداد خشکسالی و افزایش گرم بر لیترای زمین را به طور همزمان در کالیفرنیا محاسبه کردهاند.
در این پژوهش شوری به عنوان یکی از خصوصیات خشکسالی در نظر گرفته شده، که در حوضه مورد مطالعه با کاهش آب سطحی ناشی از خشکسالی هیدرولوژیکی و همینطور افزایش برداشت ها در بالادست، در پایین دست حوضه تشدید میگردد. بنابراین ریسک رخداد خشکسالی هیدرولوژیکی و شوری به طور همزمان حائز اهمیت است. به همین منظور در این پژوهش با استفاده از دوره بازگشت ماندگاری به محاسبه ریسک دو رخداد یاد شده به طور همزمان تحت تاثیر برداشتهای بالادست پرداخته شده است.
مواد و روشها
مدیریت حوضه آبریز رودخانه حله
حوضه رودخانه حله با مساحت 21274 کیلومتر مربع بخشی از حوضه آبریز خلیج فارس و دریای عمان را در برگرفته است. حوضه آبریز حله دارای اقلیم خشک است. مهم ترین عامل شوری آبهای سطحی این حوضه گنبدهای نمکی و رسوبات شور است .بالادست این حوضه در استان فارس و بخش عمده این حوضه در پایین دست و در استان بوشهر قرار دارد.
روند مکانی شوری آب رودخانه حله به نحوی است که افزایش شوری آب رودخانه به طور طبیعی با حرکت از بالادست به سمت پایین دست مشاهده میشود. این مسئله با توسعه روزافزون برداشتهای مصرفی آب - خصوصاً در اثر توسعه کشاورزی در منطقه - و وقوع خشکسالی ابعاد وسیع تری می یابد. و یکی از سوال هایی که همواره برای تصمیم گیران در این حوضه آبریز مطرح بوده آن است که طرحهای توسعه بالادست چه تاثیراتی بر کیفیت و کمیت آب در پاییندست خواهد داشت. همچنین در شرایط خشکسالی این تاثیرات به چه صورت تشدید خواهد شد. انگیزه اصلی پژوهش حاضر پاسخگویی به سوالاتی از این دست است.
تحلیل سری زمانی با استفاده از مشاهدات دبی و شوری جریان رودخانه در ایستگاههای
هیدرومتری واقع در حوضه آبریز رودخانه حله و همچنین با بکارگیری روش معادله همبستگی، سری زمانی آبدهی رودخانه در سرشاخه های سیستم حوضه آبریز رودخانه حله به پنجاه سال تطویل شد. سپس سری زمانی پانصد ساله ماهانه دبی در سرشاخهها توسط نرم افزار SAMS تولید شد. سرانجام سری پانصد ساله دبی ماهانه حاصل از نرم افزار WEAP در چهار نقطه کنترلی مشخص شده بر روی حوضه به صورت شماتیک در شکل 1 استفاده شده است. علت انتخاب این نقاط کنترلی مشهود بودن تغییرات شوری و خشکسالی در بالادست و پاییندست حوضه است.
حد آستانه در رخداد خشکسالی می توان از صدکی از منحنی تداوم جریان - - استفاده نمود. به همین منظور، در این پژوهش از ماهانه به عنوان حد آستانه برای استفاده شده است. شدت خشکسالی به فرم رابطه - 1 - قابل محاسبه است
شکل :1 پیکر بندی منابع و مصارف وضع موجود حوضه آبریز حله
مدل هیدرولوژیکی-اقتصادی حوضه آبریز رودخانه حله برای شبیهسازی سری زمانی آبدهی و شوری جریان رودخانه در نقاط مختلف سیستم حوضه آبریز رودخانه حله از مدل هیدرولوژیکی-اقتصادی توسعه داده شده توسط نوروزی [16] استفاده شده است. این مدل مبتنی بر بیلان جرم نمک بوده و برای تخصیص آب درون آن از نرم افزار WEAP استفاده شده است.
شبیه سازی جرم نمک و شوری جریان مبتنی بر نتایج بیلان کمی و در درون محیط نرم افزار MATLAB انجام می شود. در نهایت با استفاده از سری های زمانی مصنوعی تولید شده از آبدهی رودخانه در سرشاخهها و همچنین جریان های میان حوضه ای سیستم و در نظر گرفتن آن به عنوان ورودی مدل هیدرولوژیکی-اقتصادی مذکور و اجرای مدل، سری زمانی آبدهی و شوری جریان در تمامی نقاط سیستم رودخانه برای وضع موجود سیستم و همین طور تحت شرایط توسعه حوضه آبریز محاسبه گردید. احداث و بهره برداری همزمان از سدهای رییسعلی دلواری، دالکی و چروم و همینطور افزایش راندمان آبیاری تمامی شبکه های کشاورزی منطقه تا %85 به عنوان شرایط توسعه در نظر گرفته است.
تحلیل هیدرولوژیکی ریسک خشکسالی با استفاده از تابع کاپولا جهت استخراج سری های تداوم جزئی شدت و تداوم خشکسالی، روش حد آستانه به سری زمانی آبدهی اعمال می شود. در این روش با تعیین یک مقدار آستانه برای آبدهی رودخانه، میتوان سری زمانی خصوصیات خشکسالی را تعیین نمود بدین صورت که گام های زمانی ای که آبدهی کمتر از این حد آستانه باشد، معادل خشکسالی بوده و از این طریق می توان سری زمانی تداوم خشکسالی را محاسبه نمود.
همچنین شدت هر خشکسالی به صورت مجموع مقادیر آبدهی زیر حد آستانه در آن دوره تعریف و محاسبه میشود. برای انتخاب که در آن، دبی حد آستانه، دبی ماهانه، کمبود دبی ماهانه در ماه ام،و به ترتیب تداوم و شدت خشکسالی ام هستند. همچنین در این پژوهش میانگین TDS در دوره خشکسالی به عنوان مشخصهای از خشکسالی که مربوط به کیفیت آب میشود، مورد توجه قرار گرفته است.
پس از استخراج سری زمانی مشخصههای خشکسالی شامل تداوم، شدت و شوری برای مقدمه سازی تحلیل ریسک لازم است که توابع توزیع حاشیه ای مربوط به مشخصههای خشکسالی از طریق برازش بهترین تابع توزیع احتمال به سری های زمانی به دست آید. توابع نرمال، لوگ نرمال، نمایی، گاما، ویبل و مقدار حدی تعمیم یافته، توابع توزیع برازش داده شدهاند. همچنین گزینش بهترین تابع توزیع حاشیهای بر اساس معیارهای ریشه میانگین مجذور خطاها - RMSE - 1 و معیار نش-سوتکلیف - NSE - 2 انجام گرفته است. همینطور نکویی برازش این توابع نیز توسط معیار کریمر-ونمیزس - 3 - برای سطح اطمینان %95 ارزیابی شده است.
همچنین برای انتخاب و برازش بهترین کاپولا از معیارهای RMSE و NSE استفاده شده است. کاپولاهای ارزیابی شده عبارتاند از گاوسین و کاپولاهای خانواده ارشمیدسی - فرانک، کلایتون و گامبل - . برای استفاده از کاپولاهای خانواده ارشمیدسی، از روش کاپولاهای تودرتو4 خانواده ارشمیدسی استفاده شد .همچنین تخمین پارامترهای کاپولا توسط روش حداکثر درست نمایی انجام گرفت.
با توجه به اینکه خصوصیات خشکسالی و شوری از همبستگی کمی برخوردارند، نمی توان از ساختار همبستگی معمول کاپولا برای خصوصیات خشکسالی و شدت شوری استفاده کرد. بنابراین برای مدل کردن همبستگی بین این سه متغیر می توان از رابطه - 2 - استفاده کرد که در این رابطه s، d و c به ترتیب تابع توزیع تجمعی شدت خشکسالی، تداوم خشکسالی و شدت شوری است.
