تأثیر تغییر اقلیم بر منابع آب زیرزمینی حوضة آبخیز چم انجیر

مقدمه

افت کیفیت آب زیرزمینی در پایاب رودخانه‌ها و دشت‌های ساحلی به‌دلیل به هم خوردن تعادل تغذیه و برداشت ناشی از تغییر اقلیم (با کاهش بارندگی و افزایش خشکسالی، افزایش دما) و فعالیت‌های انسانی (تغییر کاربری اراضی، پیشروی آب شور کویر مجاور، برداشت بیش از حد از آب زیرزمینی) منجر به بحرانی‌شدن کیفیت، افت تراز آبخوان و شوری آن خواهد شد. دشت‌های داراب در استان فارس (اسدی زارچ و همکاران، 1399)، آبخوان ساحل بندر گز (انصاری فر و همکاران، 1398)، دشت بسطام-شاهرود (رحیمی و موسوی، 1392) و بخش جنوبی حوضۀ آبی کرخه (AshrafVaghefi et al., 2014) نمونه‌هایی از تأثیر تغییر اقلیم و آنتروپوسن بر کیفیت و حجم منابع آب زیرزمینی هستند؛ بنابراین برای پایداری منابع آب باید برنامۀ منسجم و پویا در بخش‌های مختلف مصرف آب مبتنی بر معیارها و ویژگی‌های منطقه‌ای و محلی داشت. باتوجه ‌به رخداد خشکسالی‌های متوالی و افزایش دما در‌حوزۀ کرخه و نیز بر‌اساس نقشی که منابع آب در تأمین امنیت غذایی و سلامت بشر دارد، محققان در پژوهش حاضر کوشیده‌اند تا اثر تغییر اقلیم را بر کیفیت و کمیت آب‌های زیرزمینی زیرحوضۀ چم انجیر بررسی کنند.

به‌طور کل به ‌تمامی تغییرات به‌وجود‌آمده در متغیرهای اقلیمی که ناشی از افزایش گازهای گلخانه‌ای باشد، تغییر اقلیم اطلاق می‌شود (Osvaldo, 2007). تغییر اقلیم منجر به تغییر آمار بلندمدت عناصر آب‌و‌هوایی (دما، فشار یا باد) طی چندین دهه یا بیشتر می‌شود (American Meteorological Society, 2024). ارتباط تنگاتنگی بین چرخۀ هیدرولوژی و سیستم اقلیمی وجود دارد. تغییر اقلیم می‌تواند تأثیرات شگرفی بر منابع آب و اکولوژی آب‌های شیرین داشته باشد و این خود مسئله‌ای است که بیشتر مناطق جهان را در آینده‌ای نه‌چندان دور وارد ابعاد تازه‌ای از چالش می‌کند. افزایش غلظت‌های گازهای گلخانه‌ای به‌ویژه دی‌اکسید کربن باعث تغییراتی در رژیم بارش و دمای هوا شده است که این خود اثر‌های زیانباری بر‌روی منابع آبی دارد (Osvaldo, 2007). تغییر اقلیم بر‌روی تقاضای آب (به‌خاطر افزایش دما) و عرضۀ آب (موازنه در افزایش CO2 تبخیر تعرق و ریزش) اثرگذار است. بر‌اساس گزارش ششمIPCC  (2022) در‌حال حاضر بحران آب و کمبود آن در نیمی از جهان ناشی از عوامل اقلیمی (دما، کاهش بارش، سیل، آتش‌سوزی، گردوغبار، آلودگی هوا) و عوامل غیر اقلیمی (رشد جمعیت، تغییر کاربری اراضی جنگل‌زدایی و از بین رفتن تنوع زیست‌محیطی) است که بر اکوسیستم، سلامت و زیرساخت‌ها اثر نامطلوب بر‌جا گذاشته است. در این گزارش تعداد افراد آسیب‌پذیر به نوسان‌های اقلیمی 3.3 تا 3.6 میلیارد نفر تخمین زده‌ شده است (Parmesan et al., 2022). زمانی که کیفیت آب برای استفاده در بخش‌های مختلف مصرف کاهش یابد و به‌دنبال آن سلامت و محیط زیست را تهدید کند، آن آب آلوده شناخته می‌شود (ولایتی، 1383، ص. 145). در بررسی کیفیت آب شوری (ECc)، اسیدیته (PH)، کلسیم (Ca)، منزیم (Mg)، سدیم (Na)، پتاسیم (K)، منگز (Mn)، بر (B)، سولفات (S0₄)، بی‌کربنات (HCO₃)، کربنات (CO₃)، کلر (Cl)، سولفید (S) بررسی می‌شود (علیزاده، 1387، ص. 812). طی سال‌های اخیر حوضۀ کرخه نیز تحت‌تأثیر این تغییرات بوده و خشکسالی‌های سال‌های اخیر باعث کاهش سطح آب‌های زیرزمینی و کاهش جریان رودخانه‌ها در حوضۀ کرخه شده است. باتوجه ‌به نیاز به منابع آب و عدم تطابق زمان بارندگی در زمان مصرف عواملی چون فشار بر منابع آب زیرزمینی، افزایش حفر چاه و آسیب‌های بهداشتی، محیطی و اجتماعی- اقتصادی افزایش پیدا می‌کند.

روش‌شناسی پژوهش

این پژوهش با روش تجربی انجام شده است. بدین صورت که پس از جمع‌آوری منابع نظری و تهیۀ پایگاه داده روند رخداد تغییر اقلیم آشکارسازی و سپس ارتباط عناصر اقلیمی با ضریب همبستگی پیرسون و نیز با شاخص‌های کیفیت و کمیت منابع آب ارزیابی و درنهایت، عناصر هیدرو اقلیم در آینده با کمک خروجی مولد ریزمقیاس LarsWG7 و رگرسیون چند‌متغیره پیش‌نگری شد. در این مطالعه برای آشکار‌سازی اثر‌های تغییر اقلیم بر کمیت و عناصر کیفیت منابع آب زیرزمینی زیرحوضۀ چم انجیر از داده‌های هیدرو اقلیمی دبی، سطح ایستابی، تخلیۀ چاه، بارش در ایستگاه هیدرومتر، چاه‌های مشاهداتی، ایستگاه هواشناسی و سالنامۀ آماری استان لرستان در دورۀ آماری 1951-2021 استفاده شد (جدول 1 و شکل 1). همچنین، در پژوهش حاضر برای آشکار‌سازی تغییر اقلیم و تحلیل اثر اقلیمی آینده بر منابع آب از گزارش ششم تغییر اقلیم و خروجی مولد ریزمقیاس LarsWG7 (با سناریوهای موجود در این مولد اقلیمی) (SSP1-2/6, SSP2-4/5, SSP5-8/5) استفاده شد. سال‌های 1991-2021 دورۀ مشاهداتی و دو دورۀ 2021-2040 و 2041-2060 دورۀ آتی هستند. در این مطالعه عناصر کیفیت آبTDS, TH, SAR, Anion  Kation, EC, % NA, PH, HCO3, باتوجه ‌به پارامترهای هیدرو اقلیمی دبی، سطح ایستابی، تخلیۀ چاه و بارش در دورۀ 1400-1381 بررسی شد.

جدول ۱: مختصات جغرافیایی ایستگاه‌های هواشناسی و هیدرومتری در‌حوضۀ آبخیز چم انجیر

Table 1: Location of weather and hydrometric stations of Cham-Anjir subbasin

منبع: سازمان هواشناسی کشور و شرکت سهامی آب منطقه‌ای استان لرستان، 1400

محدودۀ مطالعه‌شده

حوضۀ آبخیز خرم‌آباد از زیر‌حوضه‌های کرخه است (شکل ۱). در این مطالعه ایستگاه چم انجیر در پایاب حوضۀ خرم‌آباد برای تحلیل شرایط هیدرو اقلیمی بررسی شده است. زیر‌حوضۀ خرم‌آباد به‌دلیل تغییر اقلیم، تمرکز جمعیت و فعالیت‌های اقتصادی با بحران کاهش حجم و کیفیت منابع آب روبه‌روست. تراز سطح آبخوان چم انجیر در ماه خشک بین 92/1135 تا 23/1317 m و در ماه تر بین 11/1136 تا 17/1318 m تغییر می‌کند. سطح ایستابی در هر دو ماه خشک و تر در نواحی شمالی و شمال غربی آبخوان پایین می‌آید و سپس به سمت جنوب شرق افزایش می‌یابد که نشان‌دهندۀ جهت جریان زیرزمینی در راستای جنوب شرق به سمت شمال غرب است. ماه خشک در نواحی شرقی آبخوان m 14- و نواحی غربی m 2- افت سطح ایستابی داشته است. میزان نفوذ مستقیم از بارندگی بر سطح آبخوان خرم‌آباد معادل mcm 21/7 و میزان نفوذ از جریان‌های سطحی mcm 07/1 برآورد شده است. میزان نفوذ آب برگشتی از آبیاری و آب شرب - صنعت به‌ترتیب 93/3 و 96/3 mcm است. میزان آب تخلیه‌شده با منابع آب زیرزمینی mcm 24/22 در سال است. حجم آب تبخیر‌شده از آبخوان باتوجه ‌به عمق بیش از m 5 سطح آب زیرزمینی صفر است. به‌طور کلی، میزان تخلیه از منابع آب زیرزمینی در محدودۀ مطالعاتی حدود mcm 42/84 است که در حدود mcm 44/66 از منابع موجود در مخازن آبرفتی و mcm 98/17 آن از مخازن سازند سخت برداشت می‌شود. میزان مصرف از منابع آب زیرزمینی در حدود mcm 04/76 است که mcm 45/64 از چاه‌ها، mcm 16/0 از قنوات و mcm 43/8 از چشمه‌ها برداشت و در بخش‌های مختلف مصرف می‌شود. میزان برداشت در بخش کشاورزی معادل mcm 13/48، در بخش شرب برابر با mcm 17/22 و در بخش صنعت معادل mcm 74/5 است (شرکت مهندسین مشاور سنگاب زاگرس، 1391).

شکل ۱: موقعیت جغرافیایی حوضۀ آبخیز چم انجیر (منبع: نگارنده)

Fig 1: Geographical location of Cham Anjir watershed

برای آشکارسازی روند داده‌های اقلیمی و عناصر کیفیت آب، آنومالی داده‌ها از روش Z-score (رابطۀ 1) و برای و تعیین نقاط تغییر از آزمون همگن‌سازی (Pettitt’s-Test) استفاده شده است (رابطۀ 2).

در رابطۀ 1 x_i   مقدار سالانۀ متغیر مدنظر،  متوسط بلندمدت سالان متغیر مدنظر،  انحراف معیار است.

در رابطۀ 2  نقطۀ تغییر و  سطح معناداری است (صابری و همکاران، 1402).

متغیرهای دما (کمینه، بیشینه و متوسط)، بارش و ساعات آفتابی حوضۀ چم انجیر (ایستگاه همدید خرم‌آباد) با استفاده از خروجی گزارش ششم هیئت بین‌الدول تغییر اقلیم با مولد ریزمقیاس Lars-WG7 و خروجی مدل ACCESS-ESM1-5 پیش‌بینی شد. برای ارزیابی ارتباط‌سنجی بین متغیرها از همبستگی چندگانه و برای بررسی دقت مدل‌ها از رابطه‌های 3 و 4 و5 استفاده شده است.

در روابط 3، 4 و 5 Xi مقدار‌های مشاهداتی و Yi مقدار‌های برآورد‌شده است. بر‌اساس رابطۀ ۳ (رابطۀ ضریب همبستگی) هر‌چه عدد محاسبه‌شده نزدیک به یک باشد، نشان‌دهندة شبیه‌سازی بهتر مدل است. چنانچه مقدار‌ها در شاخص‌های راست‌آزمایی رابطۀ 4 کمتر از 10% باشد، برآورد مدل عالی، بین 10% تا 20% خوب، بین 20% تا 30% ضعیف و چنانچه بیش از 30 % باشد، داده‌های مدل نامطمئن است (حبیبی و کلاهی 1401؛ Hasheminasab et al., 2022).

برای ارزیابی تأثیر عناصر اقلیمی بر دبی رودخانه، چاه‌ها، سطح ایستابی و کیفیت آب از مدل رگرسیون چند‌متغیرۀ خطی استفاده و درنهایت، اثر تغییر اقلیم و تغییر کمیت آب بر کیفیت آب زیرزمینی در آینده با انتخاب دورۀ آماری مشترک بین داده‌های اقلیمی، دبی، ایستابی و کیفیت آب زیرزمینی و بر‌اساس مدل ساخته‌شده پیش‌بینی شد.

در رابطۀ 6  متغییر وابسته،  متغیر مستقل و  مقدار خطاست (دلاور، 1402، ص. 180).

آزمون Pettitt’s-Test

آزمون پتیت یک آزمون ناپارامتریک است که به هیچ فرضی دربارۀ توزیع داده‌ها نیاز ندارد. تست پتیت اقتباسی از تست من ویتنی مبتنی بر تانک است که امکان شناسایی زمانی را می‌دهد. Pettitte در مقالۀ خود در سال 1979 فرضیۀ صفر را اینگونه توصیف می‌کند که متغیرهای T از توزیع F یکسانی پیروی می‌کنند و فرضیۀ جایگزین این است که در زمان t تغییری در توزیع وجود دارد. با ‌وجود این تست، Pettitte تغییری را در توزیع در‌صورت عدم تغییر مکان تشخیص نمی‌دهد (Pettitt, 1979).

مدل LARS-WG

LARS-WG یکی از مشهورترین مدل‌های مولد داده‌های تصادفی وضع هوا و نیز یکی از مدل‌های گردش عمومی جوّ (GCM) است. این مدل کاربرد بسیاری در پیش‌آگاهی تغییرات اقلیمی آینده دارد و برای شبیه‌سازی متغیرهای هواشناسی توزیع‌های آماری پیچیده‌ای را به کار می‌برد. در‌حقیقت، ابزار واسطی است که برای حرکت از پیش‌بینی کننده‌های بزرگ‌مقیاس به پیش‌بینی‌شونده‌ها در مقیاس محلی به کار می‌رود. مبنای این مدل طول دورۀ خشک و تر، بارش روزانه و سری‌های تابش و توزیع نیمۀ تجربی است (Semenov, 2008). این مدل برای کاهش مقیاس داده‌های اقلیمی در مقیاس کلان (AOGCM, GCM) پیش‌بینی مناسبی از داده‌ها را در مقیاس منطقه‌ای ارائه می‌دهد (Semenov & Stratonovitch, 2015). مدل LARS-WG7 از 3 مدل GCM (ACCESS-ESM1-5, HadGEM3-GC31-LL, MRI-ESM2-0) و 3 سناریوی انتشار خوش‌بینانه (SSp1-2/6)، واقع‌بینانه (SSP2-4/5) و بدبینانه (SSP5-8/5) برای دوره‌های 2021 تا 2100 بهره می‌گیرد.

یافته‌های پژوهش و تجزیه‌وتحلیل

الف) روند تغییر کیفیت آب

در ارزیابی روند تغییر غلظت عناصر فیزیکی - شیمیایی آب در منطقه از پارامترهای کاتیون، آنیون، غلظت املاح محلول، سختی آب، نسبت جذب سدیم، درصد سدیم و هدایت الکتریکی و برای ارزیابی روند تغییرات از آزمون ناپارامتری Pettitt در‌سطح اطمینان 95% و آلفای 05/0 استفاده شده است (جدول2). نتایج نشان داد که 3 پارامتر غلظت سدیم، نسبت جذب سدیم و درجۀ سختی آب روند معنادار و نقاط تغییر را دارند. پارامترهای نسبت جذب سدیم (SAR) و درصد سدیم (% Na) روند افزایشی و معنادار را نشان می‌دهند (شکل2).

جدول 2: سطح معناداری آزمون P test کیفیت آب زیرزمینی در دورۀ 1400-1381

Table 2: Significance level of the P test of ground water quality in the period 2001-2020

منبع: یافته‌های پژوهش، 1403

شکل 2: روند پارامتر‌های کیفیت آب زیرزمینی حوضۀ آبخیز چم انجیر بر‌اساس آزمون Pettitt (منبع: یافته‌های پژوهش، 1403)

Fig 2: Trend of groundwater quality parameters of Cham Anjir basin based on Pettitt test

ب) روند داده‌های بارش

بارش سالانۀ حوضه mm 7/560 و ضریب تغییرپذیری آن 33% است. نتایج روندیابی تغییرات بارش در‌سطح اطمینان 95% در نقاط تغییر (Pettitt’s-test) نشان داد که بارش سالانه بدون روند است (P-value = 0/7). آنومالی بارش‌ها (1400-1381) نشان داد که احتمال رخداد خشکسالی 65 % است. این کاهش بارش‌ها تأثیر مستقیمی بر دبی رودخانه داشته است (R=0/81 , R2=0/65). مدل رگرسیون دبی و بارش در شکل 3 نمایش ‌داده ‌شده است؛ بنابراین می‌توان نتیجه گرفت که هر نوع تغییر در میزان بارش تأثیر مستقیمی بر میزان آبدهی حوضه داشته است؛ به‌طوری که میزان دبی در خشکسالی‌های بلندمدت کاهش ‌می‌یابد و منجر به کاهش کیفیت آب در حوضه می‌شود.

شکل 3 (a): آنومالی بارش سالانه (b) مدل رگرسیون دبی و بارش حوضۀ آبخیز چم انجیر 1400-1381 (منبع: یافته‌های پژوهش، 1403)

Fig 3 (a): Annual rainfall anomaly. (b): rainfall-discharge regression model of Cham Anjir Basin (2001-2020)

روند تغییرات دمای کمینه و بیشینه

نتایج آزمون نقاط تغییر (Pettitt’s=Test) در‌سطح خطای 05/0 نشان می‌دهد که دمای کمینه و بیشینۀ حوضه تغییرات معناداری دارد. همچنین، نتایج آزمون نشان می‌دهد که دمای کمینه حدود 4/1 درجه سلسیوس و دمای بیشینه 5/1 درجه سلسیوس افزایش یافته است (شکل4). بر‌اساس آزمون Pettitt’s تغییرات اقلیمی در‌حوضۀ چم انجیر رخ داده است.

شکل 4 (a): روند کمینۀ دما (b) روند بیشینۀ دما در آزمون پتیتت حوضۀ آبخیز چم انجیر (1991-2020) (منبع: یافته‌های پژوهش، 1403)

Fig 4 (a): Minimum temperature trend. (b): Maximum temperature trend in Pettitt's test of Cham Anjir sub-Basin (1991-2020

ت) روند تغییرات آب‌های سطحی

آبدهی سالانه در زیر‌حوضۀ چم انجیر 2/9 متر مکعب در ثانیه با ضریب تغییرپذیری 5/60 % گویای تغییرات شدید آب‌های سطحی رودخانه است. آنومالی دبی سالانه حوضۀ آبخیز چم انجیر طی دورۀ 1400-1381 در خشکسالی‌های هیدرولوژیک (SDI) نیز نشان داد که 70% خکسالی‌های اقلیمی همزمان با خشکسالی هیدرولوژی است (شکل 5- الف). بررسی روند داده‌ها نشان داد که دبی رودخانه روند معنادار کاهشی داشته است (شکل5- ب). نمودار هایتروگراف روزانۀ دبی و بارش حوضۀ چم انجیر در روزهای پربارش جریان بیشتر است و در روزهای کم‌بارش که زمان مصرف آب نیز زیاد است، دبی کاهش می‌یابد. به‌طور کلی، رژیم جریان آب‌های سطحی در‌ حوضۀ چم انجیر متناسب با روزهای بارش حوضه است (شکل6). باتوجه ‌به افزایش دما، کاهش بارش، رخداد خشکسالی‌های متوالی و کاهش دبی رودخانه در‌حوزۀ مطالعه‌شده تغییر اقلیم و گرمایش جهانی در حوضۀ چم انجیر اتفاق افتاده است.

شکل 5 (a): آنومالی دبی سالانۀ حوضۀ آبخیز چم انجیر (1400-1381). (b) روند دبی حوضۀ چم انجیر (1991-2020) (منبع: یافته‌های پژوهش، 1403)

Fig 5 (a): Annual discharge anomaly (2000-2020). (b): discharge trend of Cham Anjir basin during the period (2000-2020)

شکل 6 : هایتروگراف بلند‌مدت روزانۀ چم انجیر طی سال آبی 99-1370 (منبع: یافته‌های پژوهش، 1403)

Fig 6: Daily long-term hydrograph of Cham Anjir basin during 1991- 2021

پ) روند تخلیۀ چاه و سطح ایستابی

بیش از 52% منابع آب حوضه از آب‌های زیرزمینی تأمین می‌شود. برداشت از آب‌های زیر‌زمینی در این حوضه با 1430 حلقۀ چاه (692 چاه عمیق و 738 حلقه چاه نیمه‌عمیق)، 25 رشته قنات و 762 دهنه چشمه انجام می‌گیرد. یافته‌ها نشان داد که تعداد چاه‌ها در دورۀ آماری 1400-1370 از 599 (1991) به 1430 حلقه چاه در سال 1400 افزایش یافته است (شکل7- الف). بیشترین افزایش در دورۀ زمانی 1400-1390 بوده است که از 743 حلقه به 1430 افزایش یافته است. این دورۀ زمانی منطبق با خشکسالی بلندمدت (1394-1387) است. تراز آب 13 سال پایین‌تر از نرمال بوده است. حفر بیشتر چاه‌ها و فشار بیشتر بر آب‌های زیرزمینی منجر به کاهش سطح ایستابی شده است. نتایج آزمون نقاط تغییر نشان داد که روند تخلیه در حوضۀ چم انجیر افزایشی و معنادار است (P-valu= 0/01) (شکل 7- ب).

شکل 7 (a): بهره‌برداری از منابع آب زیرزمینی حوضۀ آبخیز چم انجیر در سال (1400). (b) روند تخلیۀ آب حوضۀ چم انجیر (1400-1381) بر‌اساس PETTITT test (منبع: یافته‌های پژوهش، 1403)

Fig 7 (a): Exploitation of underground water sources of Cham Anjir basin basin (2020). (b):  Water discharge process of the Cham Anjir (2000-2020) based on PETTITT test

ارزیابی و برآورد عناصر فیزیکی - شیمیایی آب زیر‌زمینی با عناصر هیدرو اقلیم

برای ارزیابی اثر عناصر هیدرو اقلیم بر کیفیت منابع آب زیرزمینی از آزمون همبستگی و رگرسیون پیرسون چندمتغیره استفاده شد (شکل 8). میزان همبستگی بین متغیرهای بارش، دبی، ایستابی با مجموع عناصر کاتیون به‌ترتیب 470/0-، 457/0- و 568/0- و با مجموع عناصر آنیون 466/0-، 458/0- و 569/0- است. همبستگی بین متغیرهای بارش، دبی، ایستابی با عنصر TH 466/0-، 620/0- و 663/0- نشان‌دهندۀ افزایش سختی آب با کاهش بارش، دبی و ایستابی است. با افزایش % Na میزان SAR افزایش می‌یابد. میزان همبستگی بین این عناصر 988/0 است. همچنین، با افزایش TDS و EC میزان SAR و % Na افزایش می‌یابد. همبستگی TDS با % NA و SAR به‌ترتیب 715/0 و 636/0 و همبستگی بین EC با SAR و% Na  به‌ترتیب 713/0 و 635/0 است.

شکل 8: ماتریس همبستگی عناصر کیفیت و کمیت آب زیرزمینی، باران و دبی روخانه در‌حوزۀ چم انجیر (منبع: یافته‌های پژوهش، 1403)

Fig 8: Correlation matrix of elements of quality and quantity of groundwater, rain and runoff in Cham Anjir basin

مدل برآورد کیفیت آب (رگرسیون چندمتغیره)

نتایج ماتریس همبستگی نشان می‌دهد که عوامل هیدرو اقلیمی مؤثر در تغییر کیفیت آب زیرزمینی حوضۀ چم انجیر وابسته به دبی رودخانه، بارش و سطح ایستابی است. عناصر آنیون، کاتیون، مواد جامد محلول (TDS)، هدایت الکتریکی (EC)، درصد سدیم (%Na)، نسبت جذب سدیم (SAR) و سختی کل (TH) از مهم‌ترین عناصر فیزیکی - شیمیایی منابع آب زیرزمینی بوده است که تغییرات هر‌یک از عوامل هیدرو اقلیم و شاخص‌های آب بر کیفیت آب تأثیر مستقیم دارد؛ بنابراین باتوجه ‌به میزان ضریب تعیین محاسباتی، مدل‌های مختلف برآورد‌شده و متغیرهای کیفیت آب برای انتخاب مدل بهینه مورد آزمون قرار گرفتند. نتایج آزمون همبستگی و ضریب تعیین متغیرها در جدول 3 ارائه شده و سپس متغیرهای کیفیت آب برای انتخاب مدل بهینه و بهترین برازش داده‌ها مورد آزمون قرار گرفته است[1] (جدول 3).

جدول ۳: مدل رگرسیون چند‌متغیرۀ برآورد کیفیت آب زیرزمینی در‌حوزۀ چم انجیر

Table 3: Regression model of discharge, water level and parameters of groundwater quality

منبع: یافته‌های پژوهش، 1403

پیش‌بینی بارش و دما

کاهش بارش، افزایش دما، تبخیر و تعرق باعث کاهش جریان سطحی رودخانه می‌شود. با این تغییرات تقاضای مصرف آب، فشار بر منابع آب زیرزمینی و برداشت از چاه از‌سوی بهره‌وران افزایش می‌یابد. اقتصادمحور بودن فعالیت‌های کشاورزی باعث شده است که ذی‌نفعان در‌حوزۀ چم انجیر با افت تراز و دبی رودخانه رو‌به‌رو شوند که این خود ا‌زطرفی، منجر به کاهش تولید کشاورزی، متضرر‌شدن اقتصاد، افزایش مواد فیزیکی - شیمیایی آب و از طرف دیگر، دسترسی به آب سالم دچار بحران می‌شود.

بارش ایستگاه خرم‌آباد در دورة مشاهداتی (1991-2020) mm 4/491 برآورد شده است. مجموع بارش بلندمدت سالانۀ ایستگاه خرم‌آباد در سناریو SSP1-2/6 در دورۀ 2021-2040 و 2041-2060 به‌ترتیب mm 1/478 و  mm1/484 به‌صورت روند کاهش بارش پیش‌بینی شده است. همچنین، این روند طبق سناریو SSP2-4/5 در دورۀ  2021-2040و 2041-2060 به‌ترتیب mm 03/522 و mm 7/588 به‌صورت روند کاهشی بوده است. در دورۀ 2041-2060نسبت به دورۀ2021-2040  روند افزایشی بارش پیش‌بینی ‌شده است. همچنین، این روند طبق سناریو SSP5-8/5 در دورۀ 2021-2040 و  2041-2060به‌ترتیب 9/506 و 6/574 و دورۀ 2041-2060 نسبت به دورۀ 2021-2040 به‌صورت افرایشی بوده است. میزان بارش در سناریو خوش‌بینانه نسبت به دورۀ پایه به‌صورت کاهشی و در سناریو‌های واقع‌بینانه و بدبینانه به‌صورت افزایشی پیش‌بینی ‌شده است (شکل 9- الف).

متوسط دما در دورة مشاهداتی (1991-2020) ایستگاه خرم‌آباد c ͦ 17 است. متوسط بلندمدت سالانۀ دما در دو دورۀ 2021-2040 و دوره  2040-2060به‌صورت روند افزایشی پیش‌بینی ‌شده است. طبق سناریو SSP1-2/6، SSP2-4/5 و SSP5- 8/5 در دورۀ 2021-2040 دما به‌ترتیب 4/18، 3/18 و 5/18 درجه سلسیوس و در دورۀ 2040-2060 به‌ترتیب 2/19، 2/19 و 6/19 درجه سلسیوس تخمین زده شده است (شکل9- ب).

شکل 9 (a): مجموع بلندمدت بارش سالانه (b) متوسط بلندمدت سالانۀ دما در‌حوزۀ چم انجیر در دورۀ پایه و دورۀ 2021-2040 و دورۀ 2041-2060 در سه سناریو SSP2/6, SSP4/5, SSP8/5 (منبع: یافته‌های پژوهش، 1403)

Fig 9 (a): Long-term total annual rainfall. (b) Long-term mean temperature of Cham-Anjir basin in 2030 horizon and 2050 horizon in three scenarios: SSP2.6, SSP4.5, SSP8.5

صحت‌سنجی داده‌های CMPI6 بر‌اساس خروجی مدل LARSWG7

میزان دقت مدل‌ها یکی از مهم‌ترین مراحل پیش‌بینی داده‌های تصادفی و عدم قطعیت مدل‌هاست. برای تعیین میزان عدم قطعیت و دقت (Accurancy) مدل‌ها از شاخص‌های R, RMSE, NRMSE در دورۀ مشاهداتی (1991-2021) استفاده شد. نتایج آزمون‌های دقت‌سنجی مدل‌ها در برآورد بارش نشان داد که مقدار‌های R=0/96 و R=0/95  بوده است و در هر دو دوره و برای سه سناریو همبستگی قوی بین مقدار‌های مشاهداتی و پیش‌بینی‌شده وجود دارد. مقدار‌های RMSE برای دورۀ اول در سنایوهای SSP1-2/5 عالی و صحت‌سنجی مدل نیز برای سناریوهای SSP2-4/6 و SSP5-8/5 خوب است. اعتبارسنجی مدل در دورۀ دوم در سناریو SSP1-2/5 عالی و در سنایوهای SSP2-4/6 وSSP5-8/5 خوب ارزیابی شده است (جدول 4). اعتبارسنجی مدل لارس برای داده‌های میانگین دمای خرم‌آباد با ضریب همبستگی 99/0 و RMSE زیر 10 % در هر دو دوره (2021-2040) و (2041-2060) و برای هر سه سناریو بیانگر همبستگی قوی و دقت بسیار عالی مدل در پیش‌بینی است (جدول 5). نتایج دقت‌سنجی تأییدی بر اعتماد به داده‌های برآوردی مدل بارش و دما برای آینده است.

جدول 4: صحت‌سنجی مدل GCM، متوسط بلندمدت ماهانۀ باران در خرم‌آباد در دورۀ مشاهداتی (1991-2021)، دورۀ2021-2040  و دورۀ 2041-2060 در سناریوهای SSP1, SSP2, SSP5

Table 4: Validation of GCM model, long-term average monthly rainfall in Khorramabad in observation period (1991-2021), 2021-2040 and 2041-2060 in SSP1, SSP2, SSP5 scenarios

منبع:یافته‌های پژوهش، 1403

جدول 5: صحت‌سنجی مدل GCM، متوسط بلندمدت ماهانۀ دما در خرم‌آباد در دورۀ مشاهداتی (1991-2021)، دورۀ 2021-2040  و دورۀ 2041-2060 در سناریوهای SSP1, SSP2, SSP5

Table 5: Validation of GCM model, long-term average monthly temperature in Khorramabad in observation period (1991-2021), 2021-2040 and 2041-2060 in SSP1, SSP2, SSP5 scenarios

منبع:یافته‌های پژوهش، 1403

پیش‌بینی منابع آب با تغییر اقلیم

در این بند متغیرهای دبی، سطح ایستابی و کیفیت آب حوضه با مدل‌های رگرسیون و بر‌پایۀ داده‌های پیش‌بینی‌شدۀ سناریوهای تغییر اقلیم برآورد شدند.

دبی: بر‌اساس آزمون P test دبی روند کاهشی دارد (شکل 5- ب). نتایج آزمون همبستگی بارش – دبی (شکل8) و تغییرات بارش در آینده (شکل9- الف) مناسب‌بودن برآورد دبی را بر‌پایۀ بارش سالانه تأیید کرد. بر‌اساس تغییرات بارش در گزارش ششم تغییر اقلیم دبی از سال 2021 تا 2060 روند کاهشی خواهد داشت. همچنین، بر‌اساس این گزارش تغییر اقلیم جریان رودخانۀ چم انجیر از سال 2021 تا 2060 در سناریوی SSP1-2/6 7/3 متر، در سناریو SSP2-4/5 2/1 متر و در سناریو SSP5-8/5 6 متر کاهش خواهد یافت (شکل10).

شکل 10: پیش‌بینی تغییرات دبی حوضۀ چم انجیر با استفاده از مدل رگرسیون خطی در سناریوهایSSP1-2/6, SSP2-4/5,  SSP5-8/5 (منبع: یافته‌های پژوهش، 1403)

Fig 10: prediction of discharge changes in Cham Anjir basin using linear regression model and based on precipitation scenarios; SSP1-2/6, SSP2-4/5, SSP5-8/5

ایستابی: پیش‌بینی‌ها نیز بر‌اساس دبی و بارش در دوره‌های 2021 تا 2060 کاهش سطح ایستابی را تخمین می‌زند. سطح ایستابی حوضه از سال‌های پایه (1995-2021) تا سال 2060 بر‌اساس سناریوی SSP1-2/6 به میزان 1/2 متر، در سناریوی SSP2-4/5 به میزان 7/1 متر و در سناریوی SSP5-8/5 به میزان 8/1 متر افت خواهد داشت. بر‌اساس سنایوهای SSP1-2/6،  SSP2-4/5و  SSP5-8/5 (به‌ترتیب در دورۀ 2021-2040) ایستابی در سال‌های 2027 و 2029 نهایت افت را خواهد داشت. در دورۀ دوم (2041-2060) در سال‌های 2048 تا 2051 کاهش سطح آب زیرزمینی بسیار زیاد خواهد بود (شکل11).

شکل 11: پیش‌بینی تغییرات ایستابی زیرحوضۀ چم انجیر با استفاده از مدل رگرسیون خطی در سناریوهای SSP1-2/6, SSP2-4/5, SSP5-8/5 (منبع: یافته‌های پژوهش، 1403)

Fig11: Forecasting the changes in the Cham Anjir subbasin using the linear regression model in the scenarios SSP1-2/6, SSP2-4/5, SSP5-8/5

شکل 12: پیش‌بینی کیفیت آب زیرزمینی زیرحوضۀ آبخیر چم انجیر (منبع: یافته‌های پژوهش)

Fig 12: Prediction of Ground water quality Cham Anjir subbasin

نتیجه‌گیری

تغییر اقلیم یک چالش جدّی برای منابع آب است. کمیت و کیفیت منابع آب زیرزمینی تحت‌تأثیر عوامل مختلف اقلیمی، انسانی و زمین‌شناسی در‌معرض خطر قرار گرفته است. سطح ایستابی در حوضه در اثر کاهش بارش (خشکسالی‌های متوالی)، افزایش دما، کاهش دبی رودخانه و اضافه برداشت از منابع آب زیرزمینی کاهش یافته است. آنومالی‌های ایستابی، بارش و دبی نیز بیانگر وقوع خشکسالی‌های اقلیمی و هیدرولوژیکی در‌حوزۀ چم انجیر هستند. یافته‌های ماتریس همبستگی نشان داد که همبستگی قوی بین بارش، دبی و ایستابی وجود دارد (r=0/91). نتایج نشان داد که میزان بارش در هر دو دوره (2021-2040) و (2041-2060) نسبت به دورۀ پایه (طبق گزارش ششم تغییر اقلیم) در سناریوی SSP1-2/6 کاهشی و در سناریوهای SSP2-4/5 و SSP5-8/5 افزایشی خواهد بود. میزان بارش در دورۀ 2021-2040 در سناریوهای مذکور به‌ترتیب 3/13-، 6/30 و 5/15 میلی‌متر و در دورۀ 2041-2060 به‌ترتیب 3/6-، 3/97 و 2/83 میلی‌متر خواهد بود؛ بنابراین میزان دما در ایستگاه خرم‌آباد در هر سه سناریو و در هر دو دوره افزایش خواهد یافت. نتایج مدل رگرسیون نشان داد که سطح ایستابی و دبی در هر سه سناریو و در دورۀ 2021-2060 نسبت به دورۀ مشاهداتی به‌صورت کاهشی پیش‌بینی‌شده داشته است؛ بنابراین افت در سناریوی خوش‌بینانه بیشتر است. یافته‌های پژوهش نشان داد که با کاهش بارش و دبی، افزایش تخلیه از آب زیرزمینی منجر به افت چشمگیر سطح ایستابی و کیفیت آن شده است. همچنین، به‌دلیل نبود تصفیه و رقیق‌شدن آلودگی‌های موجود در آب در این مواقع آبی که از منابع زیرزمینی استخراج می‌شود، آلوده است. درنهایت، این تغییرات منجر به افزایش غلظت کاتیون و آنیون، سختی آب، هدایت الکتریکی‌ و بحرانی‌شدن دسترسی به منابع آب می‌شود. یافته‌های پژوهش حاضر با یافته‌های پژوهش‌های مشابه مطابقت دارد. راهکارهای مدیریتی نظارت و کنترل برادشت آب زیر‌زمینی لازم است تا خسارت‌ها به منابع آب زیر‌زمینی کم شود؛ از‌جمله تصفیۀ فاضلاب شهری و روستایی برای جلوگیری از ورود آلاینده‌ها و پساب‌های شهری و کشاورزی و صنعتی به منابع آب، توسعۀ سیستم‌های جمع‌آوری آب باران برای تأمین آب لازم در بخش‌های مختلف مصرف منابع آب، اولویت‌بندی کشت گیاهان در مجاورت رواناب‌ها به‌جای استحصال آب زیرزمینی، نوین‌سازی سیستم‌های آبیاری در انتقال آب مزرعه باتوجه ‌به خشکسالی‌های متوالی در منطقه و کاهش تبخیر از این سیستم‌ها در محیط طبیعی، شناخت ظرفیت‌های منابع آب و تناسب‌سازی الگوی مصرف آب باتوجه ‌به این ظرفیت‌ها، بهبود الگوی مصرف آب در بخش‌های مختلف، افزایش آگاهی مردم نسبت به خطر تغییر اقلیم و بحران آب، افزایش مشارکت ذی‌نفعان برای تشویق آنها به حفظ منابع آب. این راهکارها در‌صورت حل اختلاف‌نظر بین ذی‌نفعان و نهادهای دولتی می‌تواند به کاهش تأثیرات منفی تغییرات اقلیمی بر این منابع کمک کند.

ارزیابی اثر‌های تغییر اقلیم بر منابع آب نشان می‌دهد که کاهش حجم و کیفیت منابع آب از چالش‌های اصلی سرزمین‌های با اقلیم خشک و نیمه‌خشک مانند ایران است. افزایش تاب‌آوری در‌برابر آسیب‌های اقلیم و اتخاذ راهبردهای سازگاری با آن می‌تواند اثر زیادی بر تعدیل اثر‌های تغییر اقلیم بر منابع آب داشته باشد. مدیریت برداشت منابع آب زیر‌زمینی، بهبود بهره‌وری منابع آب، تغذیۀ مصنوعی آبخوان‌ها و بازبینی راهبردهای توسعۀ اقتصادی و اجتماعی در منطقه می‌تواند راهکارهای مؤثر در این زمینه باشد. ازجمله راهبردهای پیشنهادی مدیریتی برای افزایش امنیت به شرح زیر است: بومی‌سازی بذر سازگار با شرایط آب‌وهوایی منطقه با بیشترین راندمان، تغییر الگوی کشت متناسب با فصل بارش و بهره‌مندی از آب باران برای آبیاری محصول، افزایش قیمت آب و نوسازی شیوه‌های کشاورزی، تشکیل مؤسسات مدیریت کشاورزی، نظارت جدّی بر مصرف آب، تغییر شیوۀ مدیریتی آب از حالت واکنشی به حالت مدیریت پیشگیرانه، به ‌حداقل ‌رساندن تعداد ذی‌نفعان، اجرای مقررات زیست‌محیطی با وزارت جهاد کشاورزی و وزارت نیرو، آگاه‌سازی مردم دربارۀ بحران آب با شبکه‌های اجتماعی، رسانه‌ها و سازمان‌های غیردولتی، مقابله و سازگاری با تغییر اقلیم، حل تعارض بین ذی‌نفعان و نهادهای دولتی برای به سرانجام رساندن طرح‌های اجرایی و توجه به معیشت کشاورزان.

[1] - سایر شاخص‌ها با عنوان آنیون و کاتیون ارزیابی شده است.