بررسی اثر تغییرات اقلیمی و کاربری ارضی بر سیلاب در شمال ایران (حوضه مادرسو)

مقدمه

رخداد بحران های محیطی به ویژه هیدرولوژیکی آن از مهمترین شواهد شناخته شده و مورد بحث در خصوص مفاهیم تغییر اقلیم می باشد.اگر همانگونه که در مباحث مرتبط با گرمایش جهانی و تغییر اقلیم مطرح است دخالت انسان در محیط طبیعی به منظور بهره برداری خارج ار توان اکولوژی منجر به افزایش دوبرابری گازهای گلخانه­ای،تغییر شدید کاربری اراضی و تخریب جنگل ها ،افزایش جهانی دما ،افزایش خشکسالی ،سیلاب های بزرگ و. شدهاست(عساکره 1386: 125)، (فیضی، 1389)، (بازدار، 1389) (ClimateChange, 2007: 27 Report).ازجمله مواردی که این تغییرات در سطح آن‌ها بروز می‌نماید چرخه آب است که با توجه به پیچیده بودن کارکرد سیستمی چرخه آب پی بردن به رابطه­ی دگرگونی­های اقلیمی و سیکل هیدرولوژی کار آسانی نیست (ایکس یو^[1]،2004). این پیچیدگی‌ها به دلیل حاکمیت محرک و پاسخ بر مکانیسم نوسانات دما بر بیلان آب، تبخیر و تعرق و نوع بارش‌ها اشاره نمود (الیور^[2]، 2005: 169).

لسپیناس^[3]و همکاران او (2010)، روبرت کوتس (2010) و ایکس یو (2004) با کمک آزمون من-کندال ضمن تعیین روند تغییرات بارش سالانه، بارش‌های سنگین و دما در حوضه های آبی کشورهای فرانسه، آمریکا و چین تأثیر آن‌ها را  بر روی مقادیر دبی معین نموده‌اند. لی و همکاران (2009)، تازب و همکاران (2009) میدلکوپ و دیگران (2001) اوستین و همکاران (2009) با استفاده از مدل‌های ارائه شده (GCM)مورد تایید IPPC تغییرات بارش، دما، تبخیر و تعرق و دبی را برای قرن 21 طی دوره های 30 ساله در کشورهای تایوان، مصر، ژاپن و استرالیا بررسی نمودند که بیشتر آن‌ها افزایش دما، رخداد خشکسالی‌های شدید، رخداد بارش‌های سنگین، افزایش تبخیر و تعرق و سیلاب‌های بزرگ در این مناطق را تایید می‌نماید.میهل و همکاران(2013)به بررسی نقش تغییر کاربری اراضی از جنگل به کشاورزی در کشور ترکیه پرداختند و نتیجه گرفتند که بیلان آبی در بخش رواناب افزایش می یابد. در داخل کشور مدرسی و همکاران (1389) به کمک آزمون من –کندال مشخص کردند دما تابستان و بارش پاییزه در حوضه قره‌سو(گرگان رود)روند افزایشی دارند. منتظری و فهمی (1382) تأثیر نوسانات اقلیم بر منابع آب کشور در افق 2100 را بررسی نموده‌اند. بر این اساس دما بین 2 تا 6 درجه سانتی‌گراد و تبخیر بین 6 تا 12 درصد در اکثر حوضه­های رودخانه­ای در تمام سال افزایش نشان می‌دهد. کمال و مساح­بوانی (1389) تأثیر  نوسانات اقلیمی بر رواناب زیر حوضه قره­سو در بخش شمال غربی حوضه کرخه را با دخالت عدم قطعیت دو مدل هیدرولوژی SIMHYD و IHACRES ارزیابی نموده و نشان داده‌اند که دمای ماهانه بین 5/0 تا 2 درجه سانتی­گراد افزایش، بارش سالانه 10 تا 20 میلی متر کاهش، حجم رواناب در فصل پاییزه کاهش و در سایر فصول افزایش نشان می‌دهد.آذری و همکاران(1392)،بابائیان و همکاران(1392)،پورهاشم و همکاران(1392)و دوستی و همکاران (1392)با استفاده از مدل های ریز اقلیم نمایی داده های منطقه ای GCM ها به برآورد عناصر اقلیمی بارش و دما و رواناب پرداختند  و نتایج مطالعات حاکی از کاهش بارش و رواناب و افزایش سیلاب ها هستند.

 رخداد سیلاب با شدت بالا از جمله بحران های طبیعی سال‌های اخیر در بیشتر حوضه های آبی کشور می‌باشد که با خسارات تخریب شدید منابع طبیعی، مالی و جانی توأم هستند. تلاش های صورت گرفته در خصوص شناخت ساختار این سیلاب ها غالبا مبتنی بر افزایش رواناب هستند که دلایلی از جمله تغییر شدت بارش،تغییرات اقلیمی و کاربری ارضی را مطرح می نمایند.در این مطالعه تلاش می گردد تا رفتار سیلاب ها مبتنی بر دو فرضیه نقش تغییر اقلیم و تغییرات کاربری ارضی مورد بررسی قرار گیرند .

موقعیت محدوده مورد مطالعه:

 حوضه آب مادر سو با مساحت 4485 کیلومتر مربع از زیر حوضه های مهم و موثر در آب‌دهی سد گلستان بوده که در بخش شرقی دریای خزر واقع است شکل شماره (1). این حوضه آبی در سال‌های اخیر با سیلاب‌های ویرانگری روبرو بوده که سیلاب مرداد 1380 با 300 نفر کشته و دبی سیلابی 3017 متر مکعب، سیلاب‌های 1381 و 1384 از نمونه های با ویژگی‌های کاتاستروفی هستند. این سیلاب‌ها علاوه بر خسارات یاد شده منجر به تغییرات شدیدی در چشم انداز محیطی از جمله فرسایش شدید خاک، لغزش‌های توده ای و پوشش گیاهی گردیده است (حسین زاده، جهادی طرقی، 1385).

شکل 1. موقعیت حوضه آبی مادر سو و شبکه آبراهه حوضه آبی مادر سو مأخذ: شرکت آب منطقه­ای استان گلستان

مواد و روش

مواد

 با توجه به هدف مطالعه،شناخت ماهیت رخداد سیلاب‌های بزرگ حوضه مادر سو، پایگاه داده‌ها در برگیرنده متغیره های هواشناسی، آب سنجی (مجموع بارش، فراوانی تعداد روزهای بارشی، بارش­های 5 و 10 میلی متر و فراوانی تعداد آن‌ها، بارش حداکثر 24 ساعت، متوسط دما، حداقل و حداکثر دما، تبخیر و دبی) ثبت شده توسط شرکت آب منطقه ای استان گلستان، فراوانی لکه های خورشیدی موجود در سایت سازمان هواشناسی استرالیا با بازه های زمانی ماهانه، فصلی و سالانه و تصاویر ماهواره ای لندست در دو دوره زمانی 1987 و 2005 مربوط به ماه جولای استخراج شده از سایت ناسا هستند (جدول1)

جدول 1.مشخصاتکلیایستگاه­های موجود و بازه زمانی در حوضه مادر سو

مأخذ:شرکت آب منطقه ای استان گلستان

روش: روش تحقیق استفاده شده از نوع تحلیلی و اسنادی با استفاده از تکنیک‌های آشکار سازی روند داده‌ها ،ریزمقیاس گردانی داده های لکه های خورشیدی با مقادیر دما و بارش و طبقه بندی فازی و شبکه های عصبی جهت بررسی تغییرات پوشش سطح زمین می‌باشد.

آشکار سازی روند داده‌ها: آشکار سازی تغییر و نوسان در عناصر اقلیمی با استفاده از شیوه های مختلفی امکان پذیر است. روند یابی یکی از عام‌ترین این روش‌ها محسوب می‌شود. در واقع روند را حالتی کمابیش پایدار از افزایش، کاهش یا ثبات از عناصر اقلیمی که چگونگی آن‌ها در سیستم اقلیم وابسته به دوره آماری است می‌دانند (عساکره،29:1382). در این پژوهش با روش‌ آماری نا پارامتری( من –کندال) در سطح معنی داری 95% وجود روند(افزایشی و کاهشی) و عدم وجود روند در مورد هر عنصر اقلیمی و هر ایستگاه معین می‌گردد.

آزمون من-کندال: این آزمون ابتدا توسط من (1945) ارائه و سپس توسط کندال (1975) بسط و تعریف یافت. آماره این آزمون به شرح زیر است:

(1)

که: S مربوط به علامت­های تفاوت مقادیر با یکدیگر (رابطه 2 ) و Var(s)پراش S (رابطه 4) است:

     (2)

(3)    

که: n تعداد مشاهدات سری، Xj و Xk به ترتیب داده­های jام و kام سری (مرتب شده به ترتیب وقوع)، sgn( . ) تابع علامت (رابطه 3) وβعاملی مربوط به تصحیح پراش در صورتی که داده­های تکراری در اطلاعات وجود داشته باشد (رابطه 5) می‏باشد.

(4)   

در اینجا  و  مقادیر متوالی داده­ها هستند ،  طول سری داده­ها ،  دامنه­ی داده­ها با ارزش یکسان و ∑ مجموع داده­های بالادست. بزرگی روند طبق زیر محاسبه می­شود.

(5)  

هر کجا که  باشد. اگر مثبت بود حاکی از داشتن روند افزایشی و اگر منفی باشد نشان دهنده روند نزولی مقادیر می­باشد. اما چنانچهبزرگ‌تر از 96/1+ و یا کوچک‌تر از 96/1- باشد خواهیم گفت داده­ها دارای روند معناداری می­باشند (یکس یو، 2004).

ریز گردانی داده‌ها: جهت ریز گردانی داده‌ها از تکنیک آماری همبستگی استفاده شده است. به منظور محاسبه ضریب همبستگی بین پدیده‌ها از معادله پیر سون استفاده می‌گردد.

 (6).

در این رابطه : میزان همبستگی  ، و :مقدار داده .

تغییرات پوشش گیاهی منطقه:

در این تحقیق از روش نظارت شده جهت بررسی تغییرات کاربری ارضی حوضه استفاده گردیده است.این شناخت از ترکیبی از کار میدانی، تفسیر عکس­های هوایی، تجزیه و تحلیل نقشه­ها و تجربه شخصی قابل حصول است.

برای تهیه نقشه­های پوشش گیاهی حوضه آبی مادر سو از داده‌ها و تصاویر ماهواره (تصاویر چند زمانه سنجنده لندست 5) که مربوط به سال‌های 1987(1366) و 2005(1384) در جولای بهره گرفته شد سپس به کمک نرم افزارهای IDRISI، GISو GOOGLEARTH و روش‌ها LCM، FUZZYARTMAPنقشه های پوشش گیاهی و سایر کاربری‌ها تهیه گردیده است.

نتایج یافته­ها:

دما:

بررسی اسناد متعدد در خصوص آشکار سازی نوسان اقلیمی و گرمایش جهانی بیانگر جایگاه مهم روند دما در اثبات یا رد گرمایش جهانی می‌باشد. معنی داری و بی معنی بودن روند در سطوح اطمینان 95% یا 90% از نکات بنیادی در مبحث آشکار سازی نوسانات اقلیمی می‌باشد. در این تحقیق سطح 95% اطمینان آزمون من کندال جهت معنی داری روند دما انتخاب گردید. نتایج معنی داری آن در سطح اطمینان 95 درصد در جدول شماره 2 نشان داده شده است. طبق این جدول متوسط دمای ماهانه در ایستگاه قره بیل ماه های بهمن و اسفند دارای روند افزایش معنی دار و ماه های تیر و مرداد دارای روند کاهشی و معنی دار هستند. تحلیل فصلی معنی داری دما نیز گویای روند افزایشی دما در فصل زمستان و روند کاهشی دما فصل تابستان

جدول 2 معنی دار بودن روند تغییرات بارش در سطح 95% ایستگاه های حوضه مادر سو به تفکیک بازه های زمانی

است.بر اساس جدول شماره 2 مقادیر متوسط حداقل دما در بازه های ماهانه در فصول گرم سال روند کاهشی و متوسط دما در ماه های سرد سال روند افزایشی معنی دار در سطح 95% را نشان می‌دهند.

جدول 3. معنی دار بودن روند تغییرات بارش در سطح 95% ایستگاه های حوضه مادر سو به تفکیک بازه های زمانی

بارش:

به منظور آشکار سازی تغییرات بارش در سطح حوضه مشخصه های مجموع بارش سالانه، ماهانه، فصلی، فراوانی روزهای بارشی، روزهای با بارش بیش از 10 و 5 میلی متر، بارش حداکثر روزانه و نسبت بارش حداکثر روزانه به سالانه مورد آزمون قرار گرفته است. جدول شماره (3) متغیره های دارای روند معنی داری در سطح 95% را نشان می‌دهد. لازم به ذکر است که این جدول تنها مشخصه های بارشی واجد روند معنی داری ارائه گردید. طبق جدول ارائه شده گزینه های مجموع بارش ماهانه و فصلی در تابستان و پاییز و فراوانی روزهای توأم با بارش دارای روند مثبت معنی دار در سطح 95% می‌باشد. معنی داری این مشخصه‌ها به ویژه در بازه های فصلی تابستان و پاییز با روند کاهشی و معنی دار فراوانی روزهای بارشی 10 و 5 میلی متر هم راستا است. در واقع با افزایش فراوانی روزهای بارشی از شدت بارش‌ها کاسته شده و فقدان روند معنی دار بودن تغییرات در خصوص

بارش‌های حداکثر روزانه و نسبت آن‌ها با بارش سالیانه نیز تأیید کننده همین مطلب می‌باشد.

دبی: مقدار حداکثر دبی ایستگاه تنگراه در بازه های روزانه، ماهانه و سالانه به عنوان مهم‌ترین پارامتر هیدرولوژیک و برآیند نوسانات عناصر اقلیمی حوضه مورد آزمون روند قرار گرفت است. طبق نتایج حاصله از آزمون من-کندال مقادیر دبی حداکثر روزانه در ماه های مرداد و آبان، ماه‌های آبان (در مجموع فصل پاییز) و مرداد دارای روند افزایشی و فصل بهار روند کاهشی و معنی دار و مقادیر دبی حداکثر سالانه فاقد روند معنی دار مثبت می‌باشد (جدول 5 و 4).

جدول 4. مقدار Z دبی ماهانه و سالانه تنگراه

جدول 5. مقدارZ فصلی دبی تنگراه

لکه­های خورشیدی:

 لکه­های خورشیدی به عنوان یکی از عوامل بروز نوسانات اقلیمی مد نظر قرار گرفته‌اند. این لکه‌ها به دلیل فعالیت­های شدید مغناطیسی ناحیه‌ای بر روی سطح خورشید مانع انتقال گرما و کاهش درجه حرارت سطح خورشید می‌شوند(ویلیامز، 1985). بر این اساس وجود و رخداد لکه­های خورشیدی در دوران حضیض و اوج یکی از فاکتورهای مطرح در تبیین نوسانات اقلیمی می­باشد (ویرت، 2006). در این مطالعه جهت آشکار سازی ساختار نوسانات عناصر اقلیمی نقش لکه­های خورشیدی بر روی این عناصر به کمک روش ریز مقیاس گردانی (Downscaling)و تکنیک همبستگی در چرخه های شناخته شده 5/11 ساله­ مورد تحلیل قرار گرفتند (جدول  6).

جدول 6. نتایج ریز گردانی همبستگی لکه های خورشیدی و عناصر هیدرو اقلیمی حوضه مادر سو

طبق جدول (6)میزان همبستگی بین تعداد لکه­های خورشیدی و بارش و دبی سالانه حوضه مثبت و با دمای سالانه­ای حوضه معکوس می­باشد. به بیانی دیگر آنچه به کمک آزمون من کندال در مورد متغیرهای هیدرو اقلیمی حوضه نشان داده شد (جداول شماره 1 الی 5) ناشی از رفتار طبیعی حوضه و واکنش آن به نوسانات چرخه ای لکه های خورشیدی است. با مشخص شدن مکانیسم نوسانات عناصر اقلیمی هنوز پاسخ به یک سئوال اساسی در خصوص سیلاب‌های مرگبار حوضه باقی است و آن اینکه این سیلاب‌ها نتیجه عملکرد کدام بخش موثر در چرخه آبی حوضه است؟ به منظور پاسخ گویی به این سؤال نقش کاربری اراضی و پوشش سطح حوضه به عنوان عاملی موثر در ایجاد روان آب بررسی گردید.

کاربری اراضی حوضه:کاربری اراضی به ویژه پوشش گیاهی حوضه های آبی نقش مهمی در تولید رواناب دارند. به نحوی که هر نوع تغییر این پارامتر در کنترل و ایجاد سیلاب موثر هستند. با توجه به نتایج حاصله از مدل‌های ارائه شده در بالا، تغییرات پوشش گیاهی به عنوان یک شاخص موثر در­­ رخداد سیلاب‌های بزرگ حوضه که برخی از آن‌ها تا 500 برابر دبی متوسط روزانه (سیلاب سال 1381) است در دوره زمانی 1384-1366 بررسی شد. نقشه های مستخرج از تصاویر ماهواره (چند زمانه سنجنده لندست 5) (نقشه های شماره 2 و 3) نشان می‌دهد که از 4485 کیلومتر مربع مساحت حوضه در سال 1987، 1398 کیلومتر مربع کاربری جنگل و مراتع درجه 1، 3087 کیلومتر مربع سایر کاربری اراضی و در سال 2005، 811 کیلومترمربع به کاربری جنگل و مرتع درجه 1 و 3674 کیلومترمربع به سایر کاربری‌ها تعلق داشته است. بدین ترتیب طی یک دوره 18 ساله رقمی معادل 587 کیلومتر مربع از مساحت مناطق جنگلی با توان ایجاد رواناب بسیار کم به اراضی با توان ایجاد رواناب زیاد تغییر کاربری پیدا کرده است (نقشه شماره 4).

شکل 2. نقشه پوشش گیاهی حوضه مادر سو در سال 1366

شکل 3. نقشه پوشش گیاهی حوضه مادر سو در سال 1384

شکل 4. نقشه تغییر کاربری اراضی حوضه مادر سو طی سال‌های 1384- 1366