بخشی از مقاله
چکیده
تغییر اقلیم یکی از مهمترین چالش¬هایی است که بخش¬های مختلف زندگی انسان را در روی زمین تحت تاثیر قرار داده است. ارزیابی پدیده تغییر اقلیم و پیامدهای احتمالی آن بر فرآیندهای هیدرولوژی حوضه کمک فراوانی به چالش¬های مدیران و برنامه-ریزان منابع آب در دوره¬های آتی خواهد کرد. اثر تغییراقلیم بوسیله شبیه سازی فرآیندهای هیدرولوژیکی با مدل فیزیکی بارش رواناب مورد بررسی قرار می¬گیرد.
مدل¬های هیدرولوژی چارچوبی را برای بررسی رابطه مابین هواشناسی - climate - و منابع آب فراهم می¬کنند. هدف از این تحقیق بررسی تاثیر پدیده تغییر اقلیم بر رواناب خروجی حوضه شهرکرد در دوره -2065 2046 می¬باشد.
در این تحقیق از مدل توزیعی SWAT در ارزیابی اثر تغییراقلیم بر هیدرولوژی حوضه آبریز شهرکرد استفاده گردیده است. این مدل به تغییرات زمین، آب و هوا حساس می باشد . دراین راستا ابتدا مدل پیوسته توزیعی بارش- رواناب SWAT برای دوره پایه 2002 تا 2010 مورد واسنجی و اعتبارسنجی قرار گرفت. سپس جهت ارزیابی اثرات تغییر اقلیم و گرمایش جهانی بر هیدرولوژی حوضه در دوره 2046-2065 میلادی داده¬های مدل اقلیمی 4-AR3HadCM تحت سناریوی انتشار 2A از مجموع سناریوی SRES برای منطقه ریز مقیاس گردید.
در ادامه داده¬های اقلیمی ریزمقیاس شده به مدل SWAT معرفی گردیده و تغییرات رواناب در دوره آتی مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج سناریوی اقلیمی دما و بارش مدل 3HadCM و سری زمانی رواناب شبیه¬سازی شده توسط مدل بارش- رواناب، نشان می¬دهد متغیرهای اقلیمی و هیدرولوژی حوضه¬ی شهرکرد در دوره آتی تغییرات قابل توجهی خواهند داشت .
مقایسه¬ی پارامترهای اقلیمی مشاهداتی و شبیه سازی شده در دوره¬ی 2046-2065 نشان می دهد دمای منطقه در ماه¬های مختلف بین 1/1 تا 2/6 درجه سلسیوس نسبت به دوره پایه گرم تر می¬شود. بارش نیز بجز در ماه¬های کم بارش، تغییری بین % - 3 تا % 18 خواهد داشت. که می تواند بر مقدار کلی آب قابل دسترس، زمان پیک و وقایع حدی اثر گذار باشد شبیه سازی¬ها همچنین نشان از تغییر رواناب منطقه در این دوره بین 18 تا -30 درصد در ماه¬های مختلف ¬دارد.
مقدمه
گرم شدن زمین و تاثیر آن بر چرخه آب مسئله¬ای است که امروزه تمام دانشمندان علوم جوی بر روی آن اتفاق نظر دارند. هیئت بین دول تغییر اقلیم با قطعیت بالا - احتمال 99 درصد - گزارش کرده است که دمای سطح خشکی و آب در کره زمین از قرن 19 تاکنون به میزان 0/4 تا 0/78 درجه سانتیگراد افزایش داشته است. همچنین در مقیاس جهانی از سال 1990 تاکنون شاهد 10 سال گرم بوده¬ایم که ازسال 1860 تاکنون بی سابقه بوده است.
رشد صنایع وکارخانه¬ها از آغاز انقلاب صنعتی و به تبع آن افزایش مصرف سوخت¬های فسیلی از یک سو و تخریب جنگل¬ها و تغییر کاربری اراضی کشاورزی از سوی دیگر باعث افزایش گازهای گلخانه¬ای مخصوصا گاز 2co در چند دهه اخیر شده به گونه¬ای که غلظت این گاز از 280ppm در سال 1750 به 379ppm در سال 2005 افزایش یافته است. تحقیقات نشان می¬دهد که در صورت ادامه روند کنونی مصرف سوخت¬های فسیلی، غلظت این گاز تا قبل از پایان قرن 21 ام می¬تواند به بیش از 600ppm برسد. افزایش گازهای گلخانه¬ای تغییراتی را در اقلیم کره زمین به¬وجود آورده است که در نوشته¬های علمی به آن تغییر اقلیم گفته می شود
فرایند تغییر اقلیم به ویژه تغییرات دما و بارش مهمترین بحث مطرح در قلمرو علوم محیطی می باشد. این پدیده به دلیل ابعاد علمی و کاربردی - اثرات محیطی و اقتصادی اجتماعی - آن از اهمیت فزاینده ای برخوردار است، چرا که سیستم های انسانی وابسته به عناصر اقلیمی مانند کشاورزی، صنایع و امثال آن بر مبنای ثبات و پایداری اقلیم طراحی شده و می نمایند. تغییرات معنی دار دمای کره زمین یا گرمایش جهانی به عنوان مهمترین نمودهای تغییر اقلیم در قرن حاضر مورد توجه قرار گرفته است
داده¬های هواشناسی و نتایج مدل¬های شبیه سازی تغییرات اقلیمی نشان می¬دهد که متوسط دمای اتمسفر در حال افزایش است که خود سبب کاهش مقدار بارش تابستانه و افزایش احتمال و شدت وقوع خشکسالی و امواج حرارتی به خصوصدر نواحی خشک و نیمه خشک می¬گردد
از طرف دیگر با توجه به این که انتظار می رود پدیده تغییر اقلیم درقرن 21 ام ادامه یابد]4[ لذا پیدایش و تکامل پیوسته انتشار گازهای گلخانه¬ای این اثرات را تشدید خواهد کرد. از اینرو برسمیت شناختن مدیریت منابع آب نقش قاطعی در حمایت از اقتصاد منطقه خواهد داشت.
افزایش دمای سطح زمین و تغییرات در الگوهای بارندگی پدیدههای قالب در تغییر اقلیم میباشد که این دو تقریبا تمام بخش های دیگر چرخه آب را تحت تاثیر قرار می دهد. تمام مدلهای AOGCMs1 افزایش دما در سطح زمین و افزایش شدت بارش و مقدار آن بر اثر افزایش غلظت گازهای گلخانهای را در قرن حاضر پیشبینی میکنند
استیل دان و همکاران[4] تاثیر تغییر اقلیم را بر هیدرولوژی جریان رودخانه با استفاده از مدل گردش عمومی ECHAM5 و سناریوی انتشار A1B، مورد بررسی قرار دادند. در این تحقیق که برای نه حوضه واقع در کشور ایرلند صورت گرفت از مدل مفهومی بارش-رواناب HBV-Light برای بررسی میزان جریان رودخانه در دوره آتی 2010-2060 استفاده گردید. در ابتدا لازم بود تا دادههای بارش و دمای استخراج شده از مدل ECHAM5 با استفاده از روش ریزمقیاس نمائی مکانی تناسبی ریزمقیاس شده و به مدل بارشرواناب معرفی گردد. نتایج در مجموع نشان داد که بارش زمستانه و بارش تابستانه به ترتیب افزایش و کاهش دارد. همچنین میزان دبی رودخانه تحت تاثیر تغییر اقلیم تغییر خواهد نمود.
در تحقیقی که توسط مساح بوانی و مرید[7] انجام گردید، اثرات این پدیده بر جریان رودخانه زاینده رود اصفهان تحت داد ههای مدل گردش عمومی HadCM3 و دو سناریوی A2 و B2 در دو دوره 2010-2039 و 2070-2099 مورد بررسی قرار گرفت. تجزیه و تحلیل ها، نشان از کاهش بارندگی و افزایش دما تا سال 2100 به خصوص در نیمه دوم قرن دارد. شبیه سازی دبی ورودی به سد چادگان با استفاده از تکنیک شبکه عصبی افت جریان ورودی به سد را تا %5/8 نشان می دهد. مقایسه سناریوهای A2 و B2 نشان از وضعیت بحرانی تر سناریوی A2 در این حوضه دارد.
ذهبیون و همکاران[8] کاربرد مدل SWAT را در تخمین رواناب حوضه قره سو با استفاده از مدل اقلیمی HadCM3-AR4 و تحت سناریوی انتشار A2، برای دوره 2040-2069 مورد مطالعه قرار دادند. آنها گزارش کردند که دمای منطقه در ماههای مختلف بین 1 تا 4 درجه سلسیوس نسبت به دوره پایه گرم تر میشود. بارش نیز بجز در ماههای بدون بارش، تغییری بین %-30 تا %30 خواهد داشت . که می تواند بر مقدار کلی آب قابل دسترس، زمان پیک و وقایع حدی اثر گذار باشد شبیه سازیها همچنین نشان از تغییر رواناب منطقه در این دوره بین 90 تا 120 درصد در ماههای مختلف دارد.
آذری و همکاران[9] ارزیابی اثرات سناریوهای تغییر اقلیم B1 و A1F از خروجیهای سه مدل چرخش عمومی جو - CGCM1، SCIROو - HadCM3 حوضه گرگانرود را با استفاده از مدل SWATبرای دوره زمانی 2070-2099 بررسی کردند. پیش بینی شد که مقدار بارندگی سالانه حوضه به میزان 3/2 تا 6/7 درصد کاهش خواهد یافت . نتیجه تغییرات اقلیمی در بخش آب، کاهش مقدار رواناب سطحی به میزان 0/4 تا 7/7 درصد، کاهش آب خاک به میزان 5/2 تا 13 درصد، افزایش آبدهی حوضه به میزان 5/3 تا 10/2 درصد و افزایش تبخیر و تعرق بین 1/6-3/6 درصد خواهد بود.
در این تحقیق با استفاده از مدل SWAT، اثرات تغییر اقلیم سناریو A2 تحت مدل اقلیمی HadCM3 برای دوره زمانی 2046-2065 در حوضه دشت شهرکرد ارزیابی میگردد.
مواد و روشها منطقه مطالعاتی
منطقه مورد مطالعه در استان چهار محال و بختیاری و در محدوده شهرستان شهر کرد واقع شده است.. مختصات جغرافیایی محدوده از 38' ، 50o تا 10' ، 51o طول شرقی و 07' ، 32o تا 35' ،32o عرض شمالی می باشد - شکل. - 1 مساحت تقریبی دشت مورد مطالعه 1195 کیلومترمربع ، بلندترین نقطه آن 3328 متر از سطح دریا می باشد و همچنین ارتفاع متوسط بارندگی در این منطقه 427/6 میلیمتر در سال و دمای میانگین سالیانه آن 11/48 درجه سانتیگراد برآورد شده است . این منطقه از شمال و شرق به حوزه آبریز رودخانه زاینده رود، از غرب به حوزه آبریز رودخانه جونقان و از جنوب و جنوب شرقی به حوزه آبریز رودخانه کیار منتهی میگردد.
اطلاعات هواشناسی مورد نیاز مدل عبارت اند از بارش ، دمای حداقل و حداکثر روزانه - دوره 1995 تا - 2014 که به مدل معرفی شده است. داده های بارندگی و دمای روزانه از آمار ایستگاه سینوپتیک شهرکرد بدست آمده است. همچنین ایستگاه هیدرومتری خراجی واقع در خروجی حوضه آبخیز شهرکرد به عنوان ایستگاه مبنا برای مشاهده تغییرات رواناب حوضه انتخاب گردید.
شکل :1 موقعیت کشوری و استانی حوزه آبخیز شهرکرد
مدل اقلیمی و سناریوی انتشار در حال حاضر از روشهای مختلفی برای سناریوی اقلیمی در دوره های آتی استفاده میشود. این روشها عبارتند از: تولید سناریوهای مصنوعی2، استفاده از دادههای گذشته متغییر اقلیمی منطقه و استفاده از مدلهای سه بعدی جفت شده اقیانوس- اتمسفر گردش عمومی جو. - AOGCM - 3 در حال حاضر معتبرترین ابزار جهت تولید سناریوهای اقلیمی، مدل های سه بعدی جفت شده اقیانوس-اتمسفر گردش عمومی جو میباشد
اخیرا تحقیقاتی درباره اثرات تغییرات اقلیم بر رواناب سطحی بوسیله ترکیب نمودن خروجیهای مدلهای گردش عمومی و مدل-های هیدرولوژیکی انجام شده است11]و.[12 در این تحقیق برای شبیهسازی آینده - 2046-2065 - از خروجیهای مدل HadCM 3 زیر مجموعهای از چهارمین گزارش ارزیابی هیئت بین دول تغییر اقلیم از مرکز تحقیقات و پیشبینی اقلیم هادلی انگلستان4 ، تحت سناریوی انتشار A2 از مجموع سناریوهای SRES5 استفاده می-شود. در این سناریو از رشد زیاد جمعیت و وابستگی کمتر به پیشرفت سریع اقتصادی با دیدگاه منطقهای در جهت تعیین میزان گازهای گلخانهای استفاده شده است
ریز مقیاس نمایی تناسبی
یکی از محدودیتهای عمده در استفاده از خروجی مدلهای AOGCM بزرگ مقیاس بودن سلول محاسباتی6 آنها است. که به لحاظ مکانی و زمانی با دقت مورد نیاز مدلهای هیدرولوژیکی مطابقت ندارد. روشهای مختلفی جهت تولید سناریوهای اقلیمی منطقهای از سناریوهای اقلیمی مدل های AOGCM وجود دارد که به این روش ها ریزمقیاس نمائی گفته می شود.
مدل بارش رواناب SWAT
مدلهای زیادی برای ارزیابی هیدرولوژیکی حوضه وجود دارند که توسط مدیران منابع آب، تصمیم گیرندهها و محققین بکار میروند. این مدلها کمک بزرگی در تخمین و تعیین کیفیت تأثیر بر رواناب از یک برنامه توسعه خاص ایجاد میکنند. مدلهای پیوسته جریان میتوانند درک بهتری از پاسخ هیدرولوژیکی حوضه آبریز در اثر تغییرات اقلیم و تغییر پوشش گیاهی ناشی از آن ایجاد کنند .
مدل های حوضه آبی را میتوان براساس نحوه مواجهه با مولفههای مکانی مربوط به هیدرولوژی حوضه به دو دسته کلی تقسیم بندی نمود . مدلهای تودهای - - Lumped کل حوضه را بدون احتساب تغییرات مکانی در فرآیندها، ورودی، شرایط مرزی، یا ویژگیهای هیدرولوژیکی حوضه، به عنوان یک واحد یکپارچه در نظر میگیرند. در مقابل، مدلهای توزیعی با حل معادلات حاکم برای هر پیکسل در شبکه حوضه، تغییرات مکانی را نیز لحاظ میکنند
در این تحقیق برای ارزیابی بیلان آبی حوضه آبریز از مدلSWAT استفاده شده است. مدلSWAT یک مدل فیزیکی7 و توزیعی8 است که برای پیش بینی اثر تغییر کاربری9، تغییر اقلیم و مدیریت ها10 در حوضههای آبریز بزرگ و پیچیده توسعه داده شده است
این مدل یک مدل فیزیکی است و به جای آنکه از معادلات رگرسیونی جهت توصیف رابطه بین متغیرهای ورودی و خروجی استفاده نماید، اطلاعات ویژه ای راجع به هوا، خاک، توپوگرافی، پوشش گیاهی و پوشش اراضی در حوضه آبریز دریافت می کند. در این مدل زیرحوضهها به بخشهای پاسخ هیدرولوژیکی - HRUs - تقسیم میشوند که بخشهایی از زیرحوضهها با پوششها، مدیریت و خصوصیات خاک میباشد. SWAT از روش عدد منحنی اصلاح شده یا روش نفوذ جهت محاسبه حجم رواناب سطحی برای هر HRU استفاده میکند تقسیمات زیرحوضهها برای حوضه مورد مطالعه این تحقیق در شکل شماره 2 نشان داده شده است. برای هر HRU از رابطه شماره 1 محاسبات در مدل SWAT انجام می گیرد.
این مدل به علت پیچیدگی، توزیعی بودن و لحاظ کردن اکثر عوامل موثر در فرایند بارش -رواناب دارای پارامترهای متعددی است که تعدادی از مهمترین پارامترهای مورد نیاز برای مدلسازی عبارتند از:
-1 پارامترهای مهم در شبیهسازی فرایند ذوب برف
-2 پارامترهای مهم در مشخصات رودخانهها
-3 پارامترهای مؤثر در تعیین رواناب سطحی
-4 پارامترهای بکار رفته جهت تعریف و شناسایی وضعیت واحدهای هیدرولوژیکی
-5 پارامترهای مؤثر در شبیهسازی جریان آب زیرزمینی.
برای واسنجی مدل قسمتی از دادههای اقلیمی و آبی مشاهداتی مورد استفاده قرار میگیرد . به این ترتیب پس از ورود دادهها به مدل و شبیه سازی جریان رودخانه، اقدام به مقایسه با جریان مشاهداتی جریان رودخانه میگردد .در این مرحله مقادیر پارامترها، به روشی هدفمند، آنقدر تغییر داده میشود که جریان شبیه سازی شده تا حد مطلوب به جریان مشاهداتی نزدیک گردد. اجرای مدل هنگامی موفقیت آمیز تلقی میشود که مقدار تابع هدف به عنوان معیار اندازه گیری کارایی مدل، بهینه شود. پس از کالیبراسیون، اعتبار مدل با پارامترهای به دست آمده در مرحله کالیبراسیون، با استفاده از دادههای مشاهداتی که در قسمت کالیبراسیون مورد استفاده قرار نگرفته است، سنجیده میشود. در صورت شبیه سازی قابل قبول، مدل برای کاربرد آماده است
