18

1-9-3- فرآیند تغذیه…………………………………………………………………………………….. 19

1-9-3-1- نفوذ…………………………………………………………………………………………… 19

1-9-3-2- سطح صفر جریان……………………………………………………………………………. 19

1-9-3-3- عمق ناحیه ریشه………………………………………………………………………….. 20

1-9-3-4- نفوذ خالص، زهکشی یا نفوذ عمقی……………………………………………………. 20

1-9-3-5- ناحیه غیر اشباع…………………………………………………………………………….. 20

1-9-4- عوامل موثر بر میزان تغذیه ……………………………………………………………………. 21

1-9-4-1- عوامل اقلیمی ……………………………………………………………………………….. 21

1-9-4-2 – زمین شناسی و خاک……………………………………………………………………… 22

1-9-4-3- توپو گرافی ……………………………………………………………………………………. 22

1-9-4-4- هیدرولوژی……………………………………………………………………………………. 22

1-9-4-5-پوشش گیاهیو کاربری اراضی……………………………………………………………. 23

1-9-5- روش­های تخمین میزان تغذیه ………………………………………………………………….. 24

1-9-5-1- مدل­های بیلان آب در ناحیه غیر اشباع……………………………………………………… 25

1-9-5-1- 1- مدل­های حل معادله بیلان در ناحیه ریشه………………………………………………. 25

1-9-5-1- 2- مدل­های حل معادله بیلان بر اساس معادله ریچارد…………………………………….. 26

1-9-5-2- مدل­های حوزه آبخیز…………………………………………………………………………… 27

1-9-5-3- مدل­های آبهای زیرزمینی……………………………………………………………………. 27

1-9-5-4- اندازه گیری مستقیم…………………………………………………………………………. 28

1-9-5-5- استفاده از ردیاب های شیمیایی………………………………………………………….. 28

1-9-5-6- استفاده از ردیاب گرمایی ………………………………………………………………….. 28

فصل دوم – سابقه تحقیق

2- سابقه تحقیق بطور مختصر…………………………………………………………………………. 30

2- 1- تحقیقات انجام شده در خصوص ریز مقیاس­نمایی مدل­های جهانی به منظور شبیه سازی متغیرهای اقلیمی در خارج از کشور…..30

2- 2- تحقیقات انجام شده در خصوص ریز مقیاس­نمایی مدل­های جهانی به منظور شبیه سازی متغیرهای اقلیمی در داخل کشور…..33

2-3- تحقیقات انجام شده در خصوص اثر سناریوهای تغییر اقلیم روی منابع آب خصوصا آب­های زیرزمینی در خارج از کشور……35

2-4- تحقیقات انجام شده در خصوص اثر سناریوهای تغییر اقلیم روی منابع آب خصوصا آب­های زیرزمینی در داخل کشور…..39

2-2- جمع بندی ……………………………………………………………………………………….. 40

فصل سوم – مواد و روشها

3-1- موقعیت جغرافیایی و سیاسی منطقه…………………………………………………………. 42

3-2- ویژگیهای طبیعی دشت کرمان………………………………………………………………….. 42

3-3- موقعیت آبخوان کرمان …………………………………………………………………………… 43

3-4- کاربری اراضی در آبخوان کرمان ………………………………………………………………… 44

3–5- بررسی متغیر­های اقلیمی دشت کرمان …………………………………………………….. 44

3-6- وضعِیت منابع آبِی محدوده مطالعاتِی………………………………………………………….. 47

3-2- روش تحقیق …………………………………………………………………………………… 47

3-2-1- داده مورد استفاده در این تحقیق ………………………………………………………… 47

3-2-1-1- داده­های هوا شناسی و هیدرولوژی ………………………………………………….. 47

3-2-1-2- داده های خاکشناسی ………………………………………………………………… 47

3-2-2- مدل­های مورد استفاده در این رساله…………………………………………………….. 48

3-2-2-1- مدل گردش عمومی جو – اقیانوس CGCM_{1………………………………………..}

3-2-2-2- مدل گردش عمومی جو – اقیانوس HadCM3………………………………………

3-2-2-3- مدل SDSM…………………………………………………………………………….

3-2-3- مدل HHELP……………………………………………………………………………..

3-2-3- انتخاب دوره پایه و دوره­های آتی……………………………………………………… 52

3-2-4- داده­های هواشناسی در دوره پایه (1990- 1961) ………………………………… 53

3-2-5- داده­های متغیرها پیش­بینی­کننده ( مدل­های جهانی و NCEP)……………………… 53

3- 2-6- ریزمقیاس­نمایی خروجی مدل­های جهانی با استفاده ازمدل ریزمقیاس­نمایی…… 54

3-2-7- ریز مقیاس­نمایی دما، بارش و تشعشعات خورشیدی ………………………….. 57

3-2-7-1- منوی تنظیمات………………………………………………………………………. 58

3-2-7-2-کنترل کیفیت داده­ها………………………………………………………………… 59

3-2-7-3- تبدیل داده ………………………………………………………………………….. 60

-2-3-7-4- انتخاب متغیرها…………………………………………………………………….. 60

3-2-7-5- مرحله­ی کالیبراسیون وارزیابی مدل……………………………………………… 61

3-2-8- بهینه سازی تعداد دفعات شبیه سازی ……………………………………………… 62

3-2-9- شبیه سازی- متغیرهای اقلیمی در دوره­های آینده……………………………….. 63

3-2-10- مقایسه گرافیکی داده ها……………………………………………………………. 63

3-2-11- آنالیز مقادیر حداکثر………………………………………………………………….. 63

3-2-11-1- توزیع تجربی……………………………………………………………………… 64

3-2-11-2- مقادیر حداکثر تعمیم یافته……………………………………………………. 64

3-2-11-3- توزیع گمبل……………………………………………………………………… 65

3-2-11-4- تابع نمایی توسعه یافته(Streched Exponential)………………………….. 66

3-2-12- بزرگ­مقیاس­نمایی………………………………………………………………….. 66

3-2-13- روش ارزیابی مدل……………………………………………………………….. 67

3-2-14- معیار ارزیابی روش …………………………………………………………… 67

3-2-15- معادلات کریجنگ و عکس فاصله ……………………………………………. 67

3-2-16- تخمِین مِیزان تغذِیه با استفاده از مدل HELP……………………………….

3-2-17- داده­های موردنیاز مدل HELP ………………………………………………..

3-2-18- بررسی پارامترهای نگهداشت رطوبت خاک در مدل HElP……………….

3-2-19- ضریب هدایت هیدرولیکی خاک غیراشباع ………………………………… 72

3-2-20- ضریب هیدرولیکی در منطقه دارای پوشش گیاهی………………………. 74

3-2-21- محاسبه ضریب تبخیر………………………………………………………… 74

33-2-22- ویژگی رطوبتی و هدایت هیدرولیکی برخی خاک­ها مورد استفاده در مدل HELP….

3-2-23- تعیین شاخص سطح برگ و حداکثر عمق تبخیروتعرق…………………… 75

3-2-24- نحوه اندازه گیری داده های خاک شناسی مورد نیاز مدل در این تحقیق…. 76

3-2-24-1- تعیین بافت خاک………………………………………………………….. 77

3-2-24-2- اندازه گیری رطوبت ظرفیت مزرعه و نقطه پژمردگی…………………… 80

3-2-24-3- اندازه گیری جرم مخصوص ظاهری……………………………………… 81

3-2-24-4- تخلخل خاک………………………………………………………………… 83

3-2-24-5- اندازه گیری ضریب نفوذ پذیری خاک(k)………………………………….. 83

3-2-25- حل معادلات در مدل HELP……………………………………………………

3-2-25-1- پیش­بینی یخزدگی خاک………………………………………………….. 87

3-2-25-2- ذوب و انباشت برف……………………………………………………… 88

3-2-25-3- گیرش گیاهی……………………………………………………………… 90

3-2-25-4- محاسبه تبخیروتعرق پتانسیل…………………………………………….. 91

3-2-25-5- تبخیر از سطح…………………………………………………………… 93

3-2-25-6- نفوذ ……………………………………………………………………….. 96

3-2-25-7- تبخیر از آب درون خاک……………………………………………………… 97

3-2-25-8- تعرق از طریق گیاه ………………………………………………………… 99

3-2-25-9- تبخیر و تعرق ………………………………………………………………… 99

3-2-25-10- رشد گیاه :…………………………………………………………………… 100

3-2-25-11- حرکت آب در لایه­های زیرین خاک ……………………………………….. 104

3-2-25-12- حرکت عمودی آب …………………………………………………………… 106

3-2-325-13- میزان زهکشی از لایه های خطی خاک( با نفوذ پذیری کم)……….. 108

3-2-25-14- جریانهای زیر سطحی ……………………………………………………….. 109

3-2-25-15- دلایل انتخاب مدلHELP دراین تحقیق……………………………………….. 109

فصل چهارم – نتایج

4-1- شبیه سازی متغیر­های اقلیمی……………………………………………………. 111

4-1-1- شاخص­های دمایی……………………………………………………………… 111

4-1-1-1- انتخاب متغیرهای مستقل جهت پیش­بینی شاخص­های دمایی…………… 111

4-1-1-2- کالیبره كردن مدل SDSM …………………………………………………….

4-1-1-3- بهینه سازی تعداد دفعات شبیه سازی……………………………………. 113

4-1-1-4- ارزیابی مدل برای شاخص های دمایی…………………………………….. 113

4-1-1-5- بررسی مقایر حدی شاخص های درجه حرات …………………………. 124

4-1-1-6- شبیه سازی شاخص های دمایی در دوره ارزیابی ……………………. 128

4-1-1-7- شبیه سازی شاخص­های دمایی در دوره پایه با استفاده از داده­های بازسازیشده…..129

4-1-1-8- شبیه سازی شاخص های دمایی در دورة پایة…………………………. 129

4-1-1-9- شبیه سازی شاخص های دمایی در دوره­های آتی ……………….. 135

4-1-1-10- انتخاب مناسب­ترین مدل و سناریو به منظور شبیه سازی درجه حرارت……139

4-1-2- شبیه سازی بارش …………………………………………………………. 141

4-1-2-1- انتخاب متغیر های پیش­بینی­کننده مناسب …………………………….. 143

4-1-2-2- کالیبره كردن مدل SDSM ……………………………………………….

4-1-2-3- بررسی معیار­های توانایی مدل در شبیه­سازی در دوره ارزیابی………… 147

4-1-2-3- 1- معیارهای گرافیکی……………………………………………………….. 147

4-1-2-3- 2- ویژگی­های آماری داده­ها دوره ارزیابی…………………………………. 148

4-1-2-4- شبیه سازی بارش در دوره پایه (1990-1961)……………………….. 150

4-1-2-5- شبیه سازی بارش در دوره های آتی ……………………………………. 151

4-1-2-6- انتخاب مدل و سناریو مناسب …………………………………………….. 153

4-1-3- شبیه سازی تشعشات خورشیدی ……………………………………. 153

4-1-3-1- انتخاب متغیرهای پیش­بینی کننده مناسب…………………………. 156

4-1-3-2- کالیبره كردن مدل SDSM ……………………………………………….

4-1-3-3- بررسی معیار­های ارزیابی مدل در دوره ارزیابی …………………….. 159

4-1-3-3- 1- معیارهای گرافیکی…………………………………………………… 159

4-1-3-3-2- ویژگی­های آماری دوره ارزیابی……………………………………….. 161

4-1-3-4- شبیه سازی تشعشات در دوره پایه و دوره­های آتی………………. 162

4-1-3-5- انتخاب سناریوی مناسب برای شبیه سازی تشعشات خورشیدی… 164

4-2 – بررسی ویژگی­های هیدرولوژیکی دشت و آبخوان کرمان ……………….. 166

4-2-1- بررسی روند تغییرات سطح آب زیرزمینی دشت کرمان …………….. 167

4-2-1-2- بررسی تغییرات مکانی عمق سطح ایستابی آبخوان کرمان………. 171

4-2-2 – بررسی وضعیت عمق سنگ بستر در دشت کرمان ………………….. 175

4-3- بررسی میزان تغذیه در دشت کرمان………………………………………. 177

4-3- 1- بررسی ویژگی­ پروفیل­ها و لایه­های خاک……………………………… 179

4-3-2- بررسی رابطه بین ضریب هیدرولیکی و بافت خاک …………………… 180

4-3-3- محاسبه میزان تغذیه در هریک از پروفیل­ها …………………………….. 180

4-3-4- بررسی میزان تغذیه تحت سناریوهای مختلف عمق تبخیر وتعرق و شاخص سطح برگ…..185

4-3-5- بررسی تغییرات مکانی تغذیه ………………………………………….. 188

4-3-6- محاسبه میانگین وزنی تغذیه ………………………………………….. 194

فصل پنجم – بحث، نتیجه گیری و پیشنهادات

5- بحث و نتیجه گیری………………………………………………………………. 199

5-1- ریزمقیاس­نمایی و شبیه سازی شاخص­های دمایی ………………………. 200

5-2- ریزمقیاس­نمایی و شبیه سازی بارش …………………………………… 202

5-3- ریزمقیاس­نمایی و شبیه سازی تشعشات خورشیدی……………………. 204

5-4- بررسی روند تغییرات سطح آب زیر زمینی …………………………………….. 204

5-5- بررسی میزان تغذیه در دشت کرمان در شرایط فعلی و آتی………………… 205

5-6- نتیخه گیری نهایی………………………………………………………………. 210

5-6- پیشنهادات ………………………………………………………………………. 210

فهرست منابع مورد استفاده …………………………………………………………. 212

چکیده:

در مناطق خشک و نیمه­خشک میزان زیادی از آب مورد نیاز بخش­های مختلف از طریق منابع آب زیرزمینی تامین می­شود. در چند دهه اخیر بهره­برداری بی­رویه باعث کاهش کمیت وکیفیت این منابع شده است. با گرم شدن تدریجی کره زمین و وقوع پدیده تغییر اقلیم بر شدت این معضل افزوده خواهدشد. بنا براین پیش­بینی اثر تغییر اقلیم بر میزان تغذیه آب­های زیرزمینی نقش بسیار مهمی درمدیریت این منابع در آینده خواهد داشت. در این تحقیق از دو مدل جهانی گردش عمومی جو، CGCM1 و HadCM3 تحت سناریوی A2 و B2 به منظور بررسی اثر تغییر اقلیم بر میزان تغذیه آب­های زیرزمینی آبخوان کرمان در دهه­های 2020، 2050 و2080 نسبت به دهه پایه 1970 استفاده شد. به منظور ریز مقیاس نمایی از مدل SDSM استفاده شد. نتایج حاصل از ریز مقیاس نمایی در دوره پایه نشان داد، داده­های حاصل از سناریوی A2 مطابقت بیشتری با داده­های مشاهده­ای دارند. تحت این سناریو در منطقه مورد مطالعه متوسط درجه حرارت سالانه در دهه­های آتی نسبت به دوره پایه به ترتیب 5/1، 8/2 و 5/4 درجه سانتی­گراد افزایش و بارش سالانه 1/8-، 1/15- و 18- درصد کاهش می­یابد. به منظور شبیه سازی میزان تغذیه در دوره پایه و دوره­های آتی از مدل HELP استفاده شد. همچنین جهت بررسی تغییرات مکانی تغذیه از سیستم اطلاعات جغرافیایی و روش زمین آماری کریجینگ بهره گرفته شد. نتایج حاصل از این تحقیق نشان داد، میزان تغذیه در دوره پایه و دهه­های آتی به ترتیب برابربا 86/1، 68/1، 58/1 و56/1 میلیمتر در سال است. درصد تغییرات تغذیه در دوره­های آتی مذکور نسبت به دوره پایه به ترتیب 6/9-، 1/15- و 6/15- درصد می­باشد. تغییرات مکانی تغذیه در آبخوان مذکور در دوره پایه و دوره­های آتی­ به­ترتیب از ( 12-0) و (5/8-0) میلیمتر در سال، معادل( 5/8 – 0) و (4/7-0) درصد کل بارش سالانه متغیراست. میزان تغذیه در این آبخوان از سمت جنوب و جنوب غربی به سمت شمال و شمال شرقی کاهش می­یابد.

فصل اول: کلیات

1-1- مقدمه

در چند دهه اخیر رشد جمعیت، افزایش فعالیت­های اقتصادی، توسعه صنایع و کارخانه­ها از یکطرف و تغییر کاربری اراضی خصوصا تخریب جنگل­ها و مراتع ازطرف دیگر باعث افزایش گازهای گلخانه­ای شده­است. افزایش گاز­های گلخانه­ای به دنبال خود تغییرات اقلیمی خصوصا گرم شدن کره زمین را درپی خواهدداشت (صمدی و همکاران، 2011). افزایش درجه حرارت ازسال1860 تاکنون حدود 6/0 درجه سانتی­گراد می­باشد و پیش­بینی می­شود در آستانه سال 2100 میلادی دمای کره زمین بین 2 تا 4 درجه سانتی­گراد نسبت به دوره 1850تا1950 افزایش یابد }هیئت بین دول تغییر اقلیم IPCC)[1]) ،2007}. یکی از مهمترین عواقب تغییر اقلیم اثراتی است که در اکوسیستم های طبیعی می­گذارد. این خود سبب تغییر در میزان تولید و خدمات این منابع و در نهایت منافع حاصل ازآنها می­گردد. از جمله می­توان به تغییر درکیفیت وکمیت منابع آب، وضعیت جنگل ها و مراتع، فضای سبز ،حیات وحش، آبزیان و… اشاره نمود (جانا و ماجومدِیر[2]، 2010) . یکی از نگرانی­های اصلی متخصصین شاخه های مختلف علوم، در خصوص تغییر اقلیم، اثراتی است که بر منابع آب دارد چرا که این ماده حیاتی در کلیه فعالیت های انسانی مورد نیاز است (فانگ[3] و همکاران، 2011 ). با توجه به اهمیت این پدیده در سطح جهان در سال 1988 هیئت بین دول تغییر اقلیم (IPCC) توسط سازمان هواشناسی جهان ([4]WMO ) و برنامه محیط زیست سازمان ملل ([5]UNEP) تاسیس شد. وظیفه این هیئت، شناخت تمام جنبه­های پدیده تغییر اقلیم در سطح جهان است ((IPCC.,2007. تاثیرات منفی این پدیده در آینده به سبب نگرش جوامع بر توسعه سریع صنعت، اقتصاد و همچنین توجه كمتر به محیط­زیست می­تواند با نرخ رشد بیشتری نسبت به گذشته افزایش یابد. مهمترین متغیرهای اقلیمی که بطور مستقیم تحت تاثیرتغییر اقلیم قرار می­گیرند، عبارتند از بارش، درجه حرارت و تشعشات خورشیدی (صمدی و همکاران، 1388). از آنجا که این متغیرها مهمترین ورودی­های اکوسیستم های طبیعی، خصوصا حوزه­های آبخیز می­باشند، هر نوع تغییری در این متغیرها می­تواند میزان عملکرد و ساختار اکوسیستم­ها طبیعی را تحت تاثیر قرار دهد. بدون شک میزان آب قابل دسترس در یک حوزه آبخیز از نظر اقتصادی، اجتماعی، زیست محیطی و… حساسترین و با اهمیت­ترین فاکتوری است که تحت تاثیر تغییر اقلیم قرار می­گیرد. بنابراین بررسی اثر تغییر اقلیم روی این ماده حیاتی از اهمیت ویژه ای برخوردار است. آب­های زیرزمینی یکی از عمده ترین منابع آب شیرین جهان هستند. این منابع بعد از یخچالها دومین منبع آب شیرین در جهان محسوب می­شوند. نیاز آبی حدود یک سوم جمعیت جهان وابسته به این منبع آبی است و بیش از ٧٠ درصد آن نیز به مصرف کشاورزی می رسد (هیلی[6]، 2010). در مناطق خشک و نیمه­خشک دسترسی به منابع آب عمدتا از طریق آب های زیر زمینی (در بعضی مناطق مانند جنوب شرق ایران بیش از 90 درصد آب مورد استفاده در بخش­های مختلف ازمنابع آب زیر زمینی تامین می شود) امکان پذیر است (شرکت سهامی آب منطقه­ای کرمان، 1390). اما استفاده بی رویه از مخازن آب زیرزمینی باعث شده است كه میزان تغذیه آبخوانها جوابگوی برداشت نباشد. امروزه افت شدید سطح آب­های زیرزمینی در اکثر نقاط جهان ، بویژه آفریقای شمالی، آسیای مرکزی و جنوبی ، خاور میانه ، شمال چین ، آمریکای شمالی و استرالیا و بطور محلی در دیگر مناطق جهان مشاهده می­گردد. کسری حجم مخزن آب زیرزمینی جهان سالانه بین ٧٥٠ تا ٨٠٠ میلیارد متر مکعب گزارش شده است (سبزواری، 1389). افت سطح آب های زیر زمینی در مناطق خشک و نیمه خشک کشورایران بسیارنگران کننده است. بطوری که در استان کرمان افت آب زیرزمینی بالغ بر یک متر در سال است. بعنوان مثال در دشت های رفسنجان، سیرجان ،کرمان وزرند، متوسط افت سالانه آبهای زیر زمینی بین8/0تا 5/1متر در سال می­باشد. افت آب های زیر زمینی علاوه بر کاهش منابع آبی عوارض متعددی از قبیل نشست زمین، خشک شدن باغات کشاورزی،کاهش کیفیت منابع آبی (شور شدن) مهاجرت روستائیان و…را در پی خواهد داشت (شرکت سهامی آب منطقه­ای استان کرمان، 1387). در منطقه رفسنجان و سیرجان به ازای هر 10 متر افت سطح آب زیرزمینی، سطح زمین بترتیب حدود 42 و27 سانتیمتر نشست می نماید (شرکت سهامی آب منطقه ای کرمان، 1381). بنا براین بررسی و پیش­بینی وضعیت مِیزان تغذِیه منابع آب زیر زمینی تحت تاثیر تغییر اقلیم با توجه به شکننده بودن این اکوسیستم ها از اهمیت دوچندانی برخوردار است. اهمیت این موضوع تا حدی است که سایت اخبار علمی روز در تاریخ 23 آوت 2007 اعلام کرد که “تغییر اقلیم به زیر زمین می رود”. در سال 2007 هیئت بین دول تغییر اقلیم عدم توجه اثر تغییر اقلیم روی منابع آب زیرزمینی را گزارش نمود، به همین دلیل در چند سال اخیر بررسی اثر تغییر اقلیم روی منابع آب زیرزمینی در دستور کار محققین در اقصی نقاط جهان قرار گرفته­است (کروسبی[7]و همکاران، 2013). در همین راستا هدف از این تحقیق بررسی روند تغییرات بارش، دما و تشعشات خورشیدی تحت تاثیر سناریوهای تغییر اقلیم و همچنین بررسی اثر تغییرات این متغیرها در میزان تغذیه آبهای زیر زمینی ( ناشی از بارش مستقیم) در دشت کرمان به عنوان نماینده مناطق خشک و نیمه خشک می­باشد. که نتایج آن می­تواند چراغ راهی برای کلیه برنامه ریزان و سیاست گذاران بخش آب ،کشاورزی و منابع طبیعی به منظور سازگاری و مقابله با پدیده تغییر اقلیم در آِینده باشد.

2-1- تغییر اقلیم

1-2-1- تعریف تغییر اقلیم

هر نوع تغییر دراز مدت در متغیرهای اتمسفری ناشی از هر گونه پدیده­ای طبیعی یا غیرطبیعی که بازه زمانی آن بین چندین دهه تا میلیون ها سال طول بکشد تغییر اقلیم می­نامند (جانا و ماجومدیر، 2010). در تعریفی دیگر افزایش گازهای گلخانه­­ای نظیر دی اکسید کربن، متان، اکسید ازت کلرو فلور، بخارآب،ناشی از فعالیت­های انسانی و در نتیجه گرم شدن کره زمین را به تغییر اقلیم تعبیر می نمایند (فانگ و همکاران، 2011؛ مساح­بوانی، 1385). آنچه که مهم است تغییر اقلیم را نباید با خشکسالی یا تغییر متغیرهای آب و هوایی در یک مدت زمان کوتاه اشتباه گرفت، آنچه که در تعریف تغییر اقلیم مهم است همان تغییر دراز مدت متغیر­های اقلیمی می­باشد. بعنوان مثال حداقل مدت زمان برای اینکه ببینیم تغییر اقلیم صورت گرفته است یا نه یک دوره 30ساله است (فانگ و همکاران، 2011).

2-2-1- عوامل موٌثر در تغییر اقلیم