نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

• محمدرضا شیخ ربیعی ¹
• حمید رضا پیروان ²
• پیمان دانشکار آراسته ³
• مهری اکبری ⁴
• بهارک معتمدوزیری ⁵

¹ دانش‌آموخته دکتری علوم ومهندسی آبخیزداری، گروه جنگل، مرتع و آبخیزداری، دانشکده منابع طبیعی و محیط زیست، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران

² دانشیار پژوهشکده حفاظت خاک و آبخیزداری، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، تهران، ایران

³ دانشیار گروه علوم و مهندسی آب، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه بین المللی امام خمینی، قزوین، ایران

⁴ دانشیار گروه اقلیم شناسی، دانشکده علوم جغرافیایی، دانشگاه خوارزمی، تهران، ایران

⁵ دانشیار گروه جنگل، مرتع و آبخیزداری، دانشکده منابع طبیعی و محیط زیست، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران

چکیده

مقدمه
تغییر اقلیم، یکی از مهمترین چالش‌‌هایی است که بر اکوسیستم‌‌های طبیعی و جنبه‌‌های مختلف زندگی انسان تأثیر دارد. تأثیرات گرمایش جهانی و به تبع آن اثرات تغییر اقلیم بر بخش هیدرولوژی و چرخه آب در طبیعت بسیار جدی است و شناخت این اثرات به‌صورت کمی، آمادگی بیشتری برای مقابله با تبعات آن ایجاد می‌‌کند. ارزیابی این تغییرات برای کاهش اثرات آنها بر حوضه و تدوین استراتژی مناسب برای به حداقل رساندن آثار سوء آنها ضروری است. این پژوهش با استفاده از مدل ترکیبی SDSM و SWAT به بررسی اثرات تغییر اقلیم بر میزان رواناب و رسوب حوزه آبخیز کرگانرود در استان گیلان می‌پردازد. ایستگاه آب‌سنجی (ماشین‌خانه) در داخل این حوضه قرار دارد و دارای سابقه طولانی آماری است. همچنین، در این حوضه کمترین میزان تغییرات کاربری اراضی صورت گرفته است که این امر می‌‌تواند نتایج آشکارسازی تغییرات اقلیم بر روی میزان رواناب و رسوب را بهتر نمایان سازد.
 
مواد و روش‌‌ها
به‌منظور بررسی پیامدهای تغییر اقلیم بر رواناب و رسوب با استفاده از مدل هیدرولوژیکی SWAT استفاده شد. مدل SWAT توسط الگوریتم SUFI-2 با بهبود نتایج شبیه‌سازی جریان دبی و رسوب حوضه، مورد واسنجی و اعتبارسنجی قرار گرفت. پس از اجرای مدل SWAT تعداد 109 واحد پاسخ هیدرولوژیک در پنج زیرحوضه استخراج شد. پس از 500 مرحله اجراء شبیه‌سازی درنهایت، 22 شاخص در تولید رواناب و شش پارامتر در تولید رسوب حوزه آبخیز کرگانرود به‌عنوان پارامترهای مؤثر شناخته شدند. سپس با توجه به مقادیر به‌دست‌آمده از معیارهای ارزیابی NS، R² و RMSE، مشخص شد که مدل اقلیمی CanESM5 از دقت و کارایی بهتری نسبت به مدل‌های اقلیمی MPI-ESM1.2-HR و NorESM2-MM برخوردار است. با معرفی سری زمانی میانگین بارش و دمای روزانه حاصل از خروجی مدل اقلیمی CanESM5 و با استفاده از مدل ریزمقیاس SDSM، رواناب و رسوب حوضه کرگانرود به‌صورت ماهانه در ایستگاه هیدرومتری ماشین‎خانه در دوره‌‌های 2050-2026، 2051-2075 و 2100-2076 برای دو سناریو SSP2-4.5 و SSP5-8.5 شبیه سازی شد.
 
نتایج و بحث
با توجه به مقادیر به‌دست‌آمده از معیارهای ارزیابی NS، R² و RMSE، مشخص شد که مدل اقلیمی CanESM5 از دقت و کارایی بهتری نسبت به مدل‌های اقلیمی MPI-ESM1.2-HR و NorESM2-MM برخوردار است. نتایج مدل CanESM5 حاکی از این است که بارندگی، دمای حداکثر و حداقل در تمامی دوره‌‌های آتی براساس SSP2-4.5 کاهش می‌‌یابد. همچنین، بررسی نتایج مدل CanESM5 در ارتباط با SSP5-8.5 نشان می‌‌دهد، بارندگی در تمامی دوره‌‌های آتی کاهش و دمای حداکثر در دوره 2075-2051 و 2100-2076 افزایش خواهد یافت. همچنین، نتایج حاصل از داده‌‌های اقلیمی در هر سه مدل اقلیمی و در هر دو سناریو SSP2-4.5 و SSP5-8.5 نشان داد که دروه 2100-2076 دوره خشک‌‌تر و گرمتری نسبت به دوره‌‌های دیگر خواهد بود. به‌منظور بررسی پیامدهای تغییر اقلیم بر رواناب و رسوب با استفاده از مدل هیدرولوژیکی SWAT و با معرفی سری زمانی میانگین بارش و دمای روزانه حاصل از خروجی مدل اقلیمی CanESM5 و با استفاده از مدل ریزمقیاس SDSM، رواناب و رسوب حوضه کرگانرود به‌صورت ماهانه در ایستگاه هیدرومتری ماشین‌خانه در دوره‌‌های 2050-2026، 2051-2075 و 2100-2076 برای دو سناریو SSP2-4.5 و SSP5-8.5. شبیه‌سازی شد. نتایج مدل SWAT نشان داد، تغییرات رواناب را برای سناریوهای SSP2-4.5 و SSP5-8.5 در تمامی دوره‌‌های آتی کاهشی و تغییرات رسوب افزایشی خواهد بود.
 
نتیجه‌‌گیری
با استفاده از نتایج داده‌‌های خروجی مدل اقلیمی CanESM5 مربوط به گزارش ششم و تحت سناریوهای SSP2-4.5 و SSP5-8.5 و با به‌کارگیری مدل SWAT، میزان رواناب و رسوب در سه بازه زمانی آینده نزدیک (2050-2026)، متوسط (2075-2051) و دور (2100-2076) انجام پذیرفت. مقدار رسوب در نقطه خروجی ایستگاه آب‌سنجی ماشین‌خانه روند افزایشی نشان داد. همچنین، نتایج نشان داد، دبی حدی جریان مشاهداتی با دبی حدی سناریوهای SSP2-4.5 و SSP5-8.5 در دوره‌‌های آتی تطابق نداشته ولی رسوب مشاهداتی با دوره‌‌های آتی تطبیق دارد. داده‌های سناریوی SSP2-4.5 نشان داد که دبی در تمامی دوره‌‌ها کاهش و رسوب در تمامی دوره‌‌های آتی افزایش می‌‌یابد. بیشترین تغییرات دبی مربوط به دوره آتی 2100-2076 و به میزان 56.7- درصد و کمترین میزان تغییرات دبی مربوط به دوره آتی 2050-2026 و به میزان 48.5- درصد است. بیشترین تغییرات رسوب مربوط به دوره آتی 2075-2051 و به میزان 54.3 درصد و کمترین میزان تغییرات رسوب مربوط به دوره آتی 2050-2026 و به میزان 5.12 درصد است. همچنین نتایج مدل SWAT براساس داده‌‌های سناریوی SSP5-8.5 نشان داد که دبی در تمامی دوره‌‌ها کاهش و رسوب در تمامی دوره‌‌های آتی افزایش می‌‌یابد. بیشترین تغییرات دبی مربوط به دوره آتی 2100-2076 و به میزان 56- درصد و کمترین میزان تغییرات دبی مربوط به دوره آتی 2050-2026 و به میزان 52.8- درصد است. بیشترین تغییرات رسوب مربوط به دوره آتی 2100-2076 و به میزان 113.27 درصد و کمترین میزان تغییرات رسوب مربوط به دوره آتی 2050-2026 و به میزان 29 درصد است. به‌نظر می‌‌رسد کاهش بارندگی در دوره‌‌های آتی باعث کاهش پوشش گیاهی شده و به‌‍خصوص در اواخر تابستان و اوایل پاییز و با ذوب برف‌‌های باقی مانده در ارتفاعات به‌دلیل افزایش دما، میزان رواناب تولید شده افزایش می‌‌یابد که این امر باعث افزایش رسوب تولید شده در حوضه خواهد شد.

کلیدواژه‌ها

• بارش
• حوزه آبخیز کرگانرود
• دما
• SDSM
• SWAT

عنوان مقاله [English]

Investigating the effects of climate change using the results of the sixth report of the inter-state delegation on the amount of runoff and sediment yield

نویسندگان [English]

• Mohammad Reza Sheykh Rabiee ¹
• Hamid Reza Peyrowan ²
• Peyman Daneshkar Arasteh ³
• Mehry Akbary ⁴
• Baharak Motamedvaziri ⁵

¹ Graduated PhD in Watershed Science and Engineering, Department of Forest, Range and Watershed Management, Faculty of Natural Resources and Environment, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran

² Associate Professor, Soil Conservation and Watershed Management Research Institute, Agricultural Research, Education and Extension Organization (AREEO), Tehran, Iran

³ Associate Professor, Water Science and Engineering Department, Faculty of Agriculture and Natural Resources, Imam Khomeini International University, Qazvin, Iran

⁴ Associate Professor, Department of Climatology, Faculty of Geographical Sciences, Kharazmi University, Tehran, Iran

⁵ Associate Professor, Department of Forest, Range and Watershed Management, Faculty of Natural Resources and Environment, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran

چکیده [English]

Introduction
Climate change is one of the most important challenges that affects natural ecosystems and different aspects of human life. The effects of global warming on the hydrology and water cycle in nature are very serious, and knowing these effects quantitatively creates more preparation to deal with its consequences. It is necessary to evaluate these changes in order to reduce their effects on the basin and formulate a suitable strategy to minimize their adverse effects. This study uses a combined model of SDSM and SWAT to investigate the effects of climate change on the amount of runoff and sediment in Karganrood watershed in Gilan province in Iran. The water measuring station (Mashin Khaneh) is located inside this basin and has a long statistical history. Also, the least amount of land use changes has taken place in this basin, which can better show the results of revealing climate changes on the amount of runoff and sediment.
 
materials and methods
In order to investigate the consequences of climate change on runoff and sediment, SWAT hydrological model was used. The SWAT model was calibrated and validated by the SUFI-2 algorithm by improving the simulation results of discharge flow and basin sediment. After the implementation of SWAT model, 109 hydrological response units (HRU) were extracted in five sub-basins. After 500 steps of simulation, finally 22 parameters in runoff production and 6 parameters in sediment production of Karganrood watershed were identified as effective parameters. Then, according to the values ​​obtained from NS, R² and RMSE evaluation criteria, it was found that CanESM5 climate model has better accuracy and efficiency than MPI-ESM1.2-HR and NorESM2-MM climate models. By introducing the time series of daily average precipitation and temperature resulting from the output of the CanESM5 climate model and using the SDSM downscaling model, the runoff and sedimentation of the Karganrood basin on a monthly basis at the Mashin Khaneh hydrometric station in the periods of 2026-2050, 2075-2051 and 2100- 2076 for two scenarios SSP2-4.5 and SSP5-8.5. Simulated.
 
Results and discussion
According to the values ​​obtained from NS, R² and RMSE evaluation criteria, it was found that CanESM5 climate model has better accuracy and efficiency than MPI-ESM1.2-HR and NorESM2-MM climate models. The results of the CanESM5 model indicate that precipitation, maximum and minimum temperature will decrease in all future periods based on SSP2-4.5. Also, the examination of CanESM5 model results in connection with SSP5-8.5 shows that precipitation will decrease in all future periods and the maximum temperature will increase in the period of 2051-2075 and 2076-2100. Also, the results of climate data in all three climate models and in both scenarios SSP2-4.5 and SSP5-8.5 showed that the period of 2076-2100 will be drier and warmer than other periods. In order to investigate the consequences of climate change on runoff and sediment using the SWAT hydrological model and by introducing the time series of average daily precipitation and temperature from the output of the CanESM5 climate model and using the SDSM downscaling model, the runoff and sediment of the Karganrood basin on a monthly basis at the station Car house hydrometry in the periods 2050-2026, 2051-2075 and 2076-2100 for two scenarios SSP2-4.5 and SSP5-8.5. Simulated. The results of the SWAT model showed that the runoff changes for the SSP2-4.5 and SSP5-8.5 scenarios will decrease and the sediment changes will increase in all future periods.
 
Conclusion
Using the output data of the CanESM5 climate model related to the sixth report and under the SSP2-4.5 and SSP5-8.5 scenarios and using the SWAT model, the amount of runoff and sediment in three time periods of the near future (2026-2050), medium (2051- 2075) and period (2076-2100) was carried out. The amount of sediment at the exit point of the Mashin Khaneh water measuring station showed an increasing trend. Also, the results showed that the observed stream flow limit does not match with the SSP2-4.5 and SSP5-8.5 scenarios in the future periods, but the observed sedimentation is compatible with the future periods. The data of the SSP2-4.5 scenario showed that discharge will decrease in all periods and sediment will increase in all future periods. The largest changes in discharge are related to the future period of 2076-2100 and amount to -56.7 percent, and the lowest number of changes in discharge are related to the future period of 2026-2050 and amount to -48.5 percent. The highest sediment changes are related to the future period of 2051-2075 and amount to 54.3% and the lowest amount of sediment changes are related to the future period of 2026-2050 and amount to 5.12%. Also, the results of the SWAT model based on the data of the SSP5-8.5 scenario showed that discharge will decrease in all periods and sediment will increase in all future periods. The largest changes in the flow rate are related to the future period of 2076-2100 and amount to -56% and the lowest number of changes in the flow rate are related to the future period of 2026-2050 and amount to -52.8%. The highest sediment changes are related to the future period of 2076-2100 and amount to 113.27% and the lowest amount of sediment changes are related to the future period of 2026-2050 and amount to 29%. It seems that the decrease in rainfall in the coming periods will cause a decrease in vegetation, especially in late summer and early autumn and with the melting of the remaining snow in the highlands due to the increase in temperature; The amount of produced runoff increases, which will increase the sediment produced in the basin.
 

کلیدواژه‌ها [English]

• Karganrood watershed
• Precipitation
• SDSM
• SWAT
• Temperature