ارزیابی تاثیر تغییرات اقلیمی بر وضعیت کمی آب‌های زیرزمینی آبخوان دهگلان با استفاده از مدل modflow

مقدمه و هدف: پایش و ارزیابی منابع آب از مهم‌ترین اقداماتی هستند که برای افزایش شناخت شرایط منابع آب کشور باید انجام شوند و نتایج این‎‌گونه بررسی‎ ها در برنامه‌ریزی و مدیریت صحیح منابع آب مورد استفاده قرار گیرند. کشور ایران به‎ دلیل کمبود ریزش‌های جوی و نامناسب بودن پراکنش زمانی و مکانی آن در زمره کشورهای دارای اقلیم خشک و نیمه‎ خشک جهان قرار دارد. تغییرات اقلیمی در چند دهه اخیر و اثرات این پدیده بر پارامترهای اقلیمی و الگوی پدیده‌های هیدرولوژیکی باعث تشدید بحران خشکی شده‎است. از طرف دیگر، رشد جمعیت، گسترش شهرنشینی و توسعه بخش‌های کشاورزی و صنعت باعث افزایش تقاضای آب شیرین شده‎است. به ‎دلیل تغییرات اقلیمی و افزایش نیاز به آب، بهره ‎برداری از آب‌های زیرزمینی، خصوصا در مناطق خشک، به ‎شدت رو به فزونی است و این امر، افت سطح ایستابی و کاهش ذخایر آب را به‎دنبال داشته است. به‎‎دلیل بیلان منفی آب زیرزمینی آبخوان دهگلان و جلوگیری از تشدید افت تراز سطح ایستابی، ممنوعیت توسعه بهره‌برداری از منابع آب‌های زیرزمینی دشت دهگلان از سال 1382 از طرف شرکت سهامی آب منطقه‌ای کردستان اعلام شده‎است. هدف از انجام این پژوهش، بررسی اثرات کمی تغییرات اقلیمی بر منابع آب‌های زیرزمینی آبخوان دهگلان به‎ عنوان بزرگترین آبخوان استان کردستان است. در این راستا، استفاده از مدل‌های مختلف اقلیمی که می‌توانند تغییرات اقلیمی را پیش‌بینی کنند، ادغام آن‌ها و در نهایت استفاده از خروجی این مدل‌ها در مدل‌های هیدرولوژیکی می‌توانند ابزاری مفید برای پیش‌بینی تغییرات هیدرولوژیکی در آینده باشند.مواد و روش‌ها: دشت دهگلان با مساحت 982/8 کیلومتر مربع، بین طول‌های جغرافیایی ’10 ˚47 تا ’45 ˚47 شرقی و عرض‌های جغرافیایی ’05 ˚35 تا ’35 ˚35 شمالی گسترده شده‎است. وسعت گسترش آبخوان دهگلان برابر با 779/8 کیلومتر مربع و مساحت حوزه آبخیز دشت تا خروجی ایستگاه هیدرومتری تلوار حسن‌خان برابر با 2491 کیلومتر مربع هستند. حداقل، حداکثر و متوسط ارتفاع از سطح دریا در آبخوان دهگلان به‎ ترتیب برابر با 1740، 2045 و 1854 متر است. کاربری‌های زراعت دیم، مرتع، زراعت آبی، مناطق مسکونی و سطوح آبی به‎ ترتیب 74/81، 14/14، 10/12، 0/76 و 0/17 درصد از سطح حوزه آبخیز مورد مطالعه را شامل می‌شوند. مقدار بارندگی سالانه در دشت دهگلان و ارتفاعات مشرف بر آن به‎‎ترتیب برابر با 319/32 و 363/15 میلی‌متر و میانگین سالانه دما  به ترتیب برابر با 9/93 و 9/12 درجه سانتی‌گراد هستند. بر اساس نتایج مطالعات ژئوفیزیک، لوگ چاه‌های اکتشافی و آزمایشات پمپاژ و با توجه به عدم تغییرات سطح ایستابی هنگام حفاری، مشخص شده‎است که آبخوان دهگلان از نوع آبخوان آزاد است. در این پژوهش، با به‎ کارگیری مدل ریزمقیاس‌نمایی sdsm و براساس سناریوهای گزارش پنجم ipcc، متغیرهای اقلیمی حداقل و حداکثر دما، بارش و رطوبت نسبی تحت سه سناریو rcp2.6، rcp4.5 و rcp8.5 در طول دوره آتی پیش‌بینی شدند. برای این‎ منظور، از داده‌های روزانه حداقل و حداکثر دما، بارش و رطوبت نسبی ثبت شده در ایستگاه سینوپتیک قروه به ‎عنوان ورودی به مدل sdsm استفاده شد. همچنین برای مدل‌سازی سه بعدی جریان آب زیرزمینی، از مدل modflow در رابط گرافیکی gms استفاده و سپس نوسانات ماهانه سطح ایستابی در آبخوان مورد مطالعه در طول دوره پیش‌بینی تحت سناریوهای اقلیمی با استفاده از مدل واسنجی شده modflow برآورد شدند. در این راستا، در مرحله اول، مدل مفهومی آبخوان دهگلان در نرم‌افزار gms تهیه شد. هدف از تهیه مدل مفهومی، ساده کردن شرایط واقعی منطقه مورد مطالعه و سازماندهی داده‌های صحرایی است به ‎گونه‌ای که با استفاده از آن، سیستم موردنظر راحت‌تر مورد تجزیه و تحلیل قرار گیرد. ساختار مدل مفهومی آبخوان دهگلان شامل شرایط مرزی، شبکه آبخوان، تعیین پارامترهای زمانی و مکانی مدل، مقادیر سطح ایستابی در چاه‌های مشاهداتی، توزیع اولیه ضرایب هیدرودینامیک آبخوان شامل قابلیت انتقال، هدایت هیدرولیکی و آبدهی ویژه و عوامل تغذیه‌کننده و تخلیه‌کننده آبخوان است. کلیه اطلاعات مورد نیاز جهت ساخت مدل مفهومی، ابتدا در محیط arcmap تهیه و سپس به ‎صورت بسته‌های مختلف به مدل modflow وارد شدند. سال‌های آبی 1388-1387 تا 1396-1395 و 1397-1396 تا 1406-1405 به‎ ترتیب برای مراحل شبیه‌سازی و پیش‌بینی در نظر گرفته شدند. ضرایب r2، ens، pbias و mae برای ارزیابی کارایی مدل‌ها استفاده شد. یافته‌ها: نتایج به ‎دست آمده از این پژوهش، دقت کافی مدل sdsm در شبیه‌سازی متغیرهای اقلیمی شامل دمای حداقل، دمای حداکثر، بارش و رطوبت نسبی و مدل modflow در شبیه‌سازی جریان آب زیرزمینی آبخوان دهگلان را تایید کردند. تطابق دمای حداقل و دمای حداکثر مشاهده شده با شبیه‌سازی شده بیشتر از متغیرهای اقلیمی بارش و رطوبت نسبی بود. در این پژوهش، بیشترین حساسیت مدل modflow نسبت به پارامتر هدایت هیدرولیکی و کمترین حساسیت آن نسبت به پارامتر آبدهی مخصوص بود. متوسط تغییرات سالانه تراز سطح ایستابی در دوره پیش‌بینی و تحت سناریوهای rcp2.6، rcp4.5 و rcp8.5 به ‎ترتیب برابر با 1/60-، 1/61- و 1/36- متر و متوسط تغییرات سالانه حجم مخزن آبخوان دهگلان به ‎ترتیب برابر با 23/69-، 23/85- و 20/21- میلیون مترمکعب محاسبه شدند. به‎ عبارت دیگر، آبخوان دهگلان در دوره پیش‌بینی، تحت همه سناریوهای اقلیمی بیلان منفی خواهد داشت و مقدار کاهش حجم مخزن تحت سناریو rcp8.5 در مقایسه با سناریوهای rcp2.6 و rcp4.5 کمتر خواهد بود.نتیجه‌گیری: نتایج بررسی مدل‌های اقلیمی و سناریوهای انتشار نشان از تغییرات اقلیمی و هیدرولوژیکی حوزه آبخیز رودخانه تلوار در دوره آتی دارند، به ‎طوری‎که دمای هوا افزایش و مقدار بارش کاهش می‌یابند. افزایش دما نامطلوب‌ترین اثر تغییر اقلیم را که افزایش خشکی در منطقه است به ‎همراه خواهد داشت. افزایش خشکی و به ‎دنبال آن افزایش تبخیر، هم از نظر کمی و هم از نظر کیفی بر منابع آب زیرزمینی تاثیر خواهد گذاشت. هیدروگراف آبخوان طی دوره 10 ساله پیش‌بینی نشان می‌دهد که مقدار افت سطح ایستابی تحت سناریوهای rcp2.6، rcp4.5 و rcp8.5، به‎ ترتیب به ‎میزان 0/248، 0/259 و 0/013 متر افزایش پیدا می‌کند. تحت سناریوهای انتشار در دوره آتی، نوسانات سطح ایستابی در طول سال (در طول دوره ‎های تنش خشک و تر) روند طبیعی خود را طی می‎کنند و بر اساس نوع تنش خشک یا تر تغییر محسوسی پیدا نخواهند کرد. 

assessment of climate change impact on groundwater quantitative status in the dehgolan aquifer using the modflow model

background: monitoring and evaluating water resources are crucial steps in increasing the knowledge of a country’s water resource conditions. the results of these investigations should inform water resource management. iran, with its arid and semi-arid climate, faces challenges due to low rainfall rates and uneven distribution. climate change has further complicated these issues, affecting meteorological variables and the hydrological cycle. factors such as population growth, urbanization, industrialization, and agricultural development have increased water demand. the increased use of groundwater in arid regions has led to a decrease in groundwater storage. to address the negative balance of dehgolan groundwater resources and prevent depletion, the regional water company of kurdistan announced the development of dehgolan groundwater resources in 2003. this research aims to investigate the quantitative effects of climate change on the dehgolan aquifer, the largest aquifer in kurdistan province. utilizing climate models to predict climate change and integrating them with hydrological models can help predict future hydrological changes.methods: the dehgolan plain, the largest plain in kurdistan province, covers an area of 982.8 km2. this plain is located between the longitudes 47˚10’ to 47˚45’ and the latitudes 35˚05’ to 35˚35’. the dehgolan aquifer and talvar catchment areas are 779.8 km2 and 2491 km2, respectively. the geophysical studies determined the dehgolan aquifer as an unconfined aquifer. the elevation in the dehgolan aquifer ranges from 1740 to 2045 m. various land uses cover the watershed, with dryland farming, range, irrigated agriculture, residential areas, and water bodies accounting for different percentages. climate data, including rainfall and temperature, were collected. the average annual rainfall in the dehgolan plain is 319.32 mm. the average annual temperature ranges between 9.39 and 9.12 ˚c, respectively. this study utilized the ipcc fifth assessment report to predict meteorological variables (minimum and maximum temperature, precipitation, and relative humidity) under different scenarios including rcp2.6, rcp4.5, and rcp8.5 using the sdsm model.the modflow model was employed for 3d groundwater flow modeling. the conceptual model of the dehgolan aquifer was developed in gms software, incorporating boundary conditions, aquifer network, and other parameters. monthly elevation of the water table was estimated under rcp2.6, rcp4.5, and rcp8.5 scenarios. simulation and prediction were conducted for specific periods. groundwater information from september 2008 to september 2017 was used for model calibration, and then groundwater was predicated for 10 hydrological years from september 2017 to september 2027. model efficiency was evaluated using various coefficients such as r2, ens, pbias, and mae.results: the sdsm and modflow models showed accuracy in simulating climate variables and groundwater flow. maximum similarity between simulated and observed data belonged to minimum and maximum temperatures. sensitivity analysis revealed hydraulic conductivity as the most sensitive parameter whereas the specific yield had the least effect on groundwater changes. results from the modflow model projected a negative balance in the dehgolan aquifer under different scenarios. under the rcp2.6, rcp4.5, and rcp8.5 scenarios, the average annual water table in the predicted period will be -1.60, -1.61, and -1.36 m, and the average annual groundwater storage will be -23.69, -23.85, and -20.21 mcm, respectively. the rcp2.6 and rcp4.5 scenarios indicated a more critical situation than rcp8.5.conclusion: climate models and rcp scenarios suggest changes in climatic conditions and hydrological processes in the talvar river basin. increased atmospheric temperatures and decreased precipitation will impact groundwater resources. the high atmospheric temperature will increase the rate of evaporation. high evaporation should have negative impacts on both quantitative and qualitative parameters of groundwater resources. the future may see fluctuations in groundwater levels following natural patterns.