نگارش: مژگان یعقوبی استاد راهنما: دکتر علیرضا مساح بوانی

Transkript

1

2 پردیس ابوریحان گروه مهندسی آبیاری و زهکشی اثرات ارزیابی تغییراقلیم بر رواناب حوضههای نیمه خشک با استفاده از مدلHEC-HMS مطالعه موردی حوضه رودخانه اعظم هرات نگارش: استاد راهنما: دکتر علیرضا مساح بوانی پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد در رشته مهندسی منابع آب دی 2931 دو

3 چکیده تغییراقلیم ناشی از افزایش غلظت گازهای گلخانهای در دورههای آتی باعث تغییراتی در دما بارش و تابش خورشیدی می شود که تاثیراتی را بر سیستمهای مختلف از جمله منابع آب می گذارد. در ارزیابی اثرات تغییراقلیم بر منابع آب عدم قطعیتهای مختلفی بر نتایج نهایی تاثیر دارند. با درنظر نگرفتن هر کدام از آنها نتایج نهایی اطمینان الزم را نخواهد داشت. در این تحقیق تاثیر تغییراقلیم بر رواناب حوزه رودخانه اعظم هرات در دوره میالدی با لحاظ نمودن منابع عدم قطعیت مربوط به مدلهای هیدرولوژیکی بارش-رواناب سناریوهای اقلیمی مدلهای AOGCM و روشهای ریزگردانی مورد بررسی قرار گرفت. در این راستا از 22 مدل AOGCM و سه سناریوی اقلیمی A2 A1B و B1 سه مدل مفهومی بارش-رواناب HBV-Light IHACRES و HEC- HMS و دو مدل ریزگردانی آماری LARS-WG و SDSM استفاده گردید. ابتدا آنالیز حساسیت پارامترهای مدل های بارش- رواناب انجام شد و مدلها برای دوره پایه مورد واسنجی و صحت سنجی قرار گرفتند. سپس با ریزگردانی داده های اقلیمی 22 مدل AOGCM برای منطقه مورد مطالعه و معرفی هر یک از آنها به مدلهای بارش-رواناب محدود تغییرات رواناب منطقه در دوره تحت سه سناریوی A2 AB و B1 مشخص گردید. نتایج نشان داد دمای منطقه در دوره آتی افزایش 2 تا 2/2 درجه سانتیگرادی دارد و میزان بارش و توزیع زمانی آن تحت تاثیر تغییراقلیم به شدت دستخوش تغییر میشود طوریکه سبب افزایش بارشهای تابستانه و پاییزه و کاهش بارندگی در ماههای فصل بهار و زمستان می شود. این تغییرات سبب تغییراتی در میزان رواناب گردیده است. طبق هر سه سناریو و مدل هیدرولوژیکی رواناب در فصل زمستان افزایش و در فصل بهار کاهش می- یابد. عدم قطعیت مربوط به مدلهای هیدرولوژیکی در اکثر ماهها بسیار باالتر از مدلها و سناریوهای اقلیمی است. برای بررسی عدم قطعیت روشهای ریزگردانی مدلHadcm3-A2 با دو مدل LARS-WG و SDSM ریز شد و خروجی آن به مدلهای هیدرولوژیکی برای مشاهده رواناب دوره آتی معرفی شد. نتایج نشان داد برای متغیر بارش در ماه های می تا نوامبر میانگین دراز مدت حاصل از روش SDSM نسبت به LARS-WG برآورد بیشتری داشته است. نهایتا نتایج این تحقیق نشان داد که عدم قطعیت مربوط به مدلهای هیدرولوژیکی بسیار بیشتر از روشهای ریز نمایی و عدم قطعیت مدلهای AOGCM بزرگتر از سناریوهای اقلیمی است. کلمات کلیدی: تغییراقلیم- رواناب- مدلهای هیدرولوژیکی- LARS-WG - SDSM هفت

4 فهرست مطالب عنوان صفحه مقدمه... 2 ضرورت انجام تحقیق...1 اهداف تحقیق تعاریف و کلیات مقدمه مفهوم تغییر اقلیم سناریوهای اقلیمی و غیر اقلیمی در دورههای آ یت أ سناریوهای غیر اقلیمی سناریوهای اقلیمی شبیهسازیهای متغیرهای اقلیمی توسط مدلهای AOGCM در دورههای گذشته و آتی داده های قابل دسترس از مدل های...22 AOGCM ریز نمایی...22 اقلیم...21 تغییراقلیم تاثیرات احتمالی تغییر عدم قطعیت در مطالعات 1- پیشینه تحقیق مروری بر تحقیقات گذشته تاثیر تغییر اقلیم بر دما و بارندگی تاثیر تغییر اقلیم بر رواناب جمع بندی مواد و روش ها مقدمه مواد تحقیق و منطقه مورد مطالعه داده ه یا دما بارندگی و دما روش تحقیق... 94

5 عنوان تطویل داده ه یا ب صفحه روزانه دما سناریوهای اقلیمی ریز نمایی ریز ب( نمایی آماری لف( مدل 42...LARS-WG مدل SDSM مدل هیدرولوژی مدل HBV-Light مدل 43...HEC-HMS مدل بارش - رواناب 21...IHACRES الف( مدول غیر خطی کاهش...29 ب( مدول خطی هیدروگراف واحد انتخاب دوره مدلسازی معیارهای عملکرد عدم قطعیت در مدل ه یا بارش-رواناب جمع بندی بحث و نتیجه گیری مقدمه رواناب...61 HBV-Light HEC-HMS 1-4- شبیه سازی بارش آنالیز حساسیت مدلهای و IHACRES آنالیزحساسیت مدل 62...HBV-Light مدل HEC-HMS مدل IHACRES آنالیز حساسیت آنالیز حساسیت -4-4 ریزنمائی آماری دما و بارش در دورهه یا آ یت واسنجی و ارزیا یب مدل 79...LARS-WG ریز نمایی داده ها با استفاده از مدل SDSM

6 عنوان بررسی عدم قطعیته یا مختلف در مطالعات صفحه تغییراقلیم عدم قطعیت روشه یا ریز نمایی عدم قطعیت مدله یا هیدرولوژیکی مقایسه عدم قطعیت مدله یا اقلیمی و سناریوهای انتشار گازهای گلخانهای در دادهه یا دما و بارش منطقه حاصل از 22 مدل اقلیمی و 9 سناریو در دوره عدم قطعیت مدله یا سازی رواناب در دوره آ یت اقلیمی سناریوهای انتشار گازهای گلخانه ای و مدله یا هیدرولوژیکی در شبیه نتیجه گیری و پیشنهادها نتیجهگیری پیشنهادها ج

7 فهرست جدولها عنوان صفحه جدول مشخصات فیزیوگرافی منطقه مورد مطالعه...92 جدول نام و نوع و موقعیت جغرافیایی ایستگاههای مورد مطالعه در اطراف حوزه رودخانه اعظم هرات یزد جدول مشخصات مدل های گردش عمومی...42 جدول 4-9 -پارامترهای مورد استفاده مدل و محدوده آن ها طی واسنجی خودکار مدل با الگوریتم ژنتیک جدول 2-4- شاخصهای عملکرد مدل HEC-HMS در دوره واسنجی و صحت سنجی...69 جدول 1-2- مقادیر پارامترهای الگوریتم SMA در شبیه سازی رواناب...62 جدول شاخص های عملکرد مدل HBV-Light جدول شاخص های عملکرد مدل IHACRES در دوره واسنجی و صحت سنجی در دوره واسنجی و صحت سنجی...67 جدول نتایج آزمون کای اسکوئر برای توزیع احتماالتی داده های دمای ماکزیمم و مینیمم مشاهده ای و تولید شده توسط مدل LARS-WG جدول 6-4- متغیرهای غالب در مدل کردن دمای ماکزیمم منطقه در مدل...77 SDSM جدول 7-4- متغیرهای غالب در مدل کردن دمای مینیمم منطقه در مدل...73 SDSM جدول 2-4- متغیرهای غالب در مدل کردن بارش منطقه در مدلSDSM د

8 فهرست شکل ها عنوان شکل 2-2- نمایی کلی از نحوه عملکرد ریز نمائی( 2007 صفحه (Wilby et al, شکل 2-9- موقعیت حوزه رودخانه اعظم در استان یزد و کشور...13 شکل 1-9- نقشه پراکنش ایستگاهه یا مورد مطالعه حوزه رودخانه اعظم هرات- یزد شکل 9-9- میانگین دمای متوسط در حوضه...99 شکل 4-9- میانگین بارش ماهانه در حوضه شکل 2-9- میانگین ماهانه رواناب در شکل 6-9- فلوچارت مراحل انجام حوضه...94 کار...96 شکل 7-9- نمونه ای از فایل سناریوی تغییراقلیم مربوط به سناریوی A1B مدل شکل 2-9- ساختار مدل BCM [Seibert, 2000] HBV-Light شکل 3-9- سهم ذخیره ی رطوبت خاك از بارندگی و یا ذوب برف ]Seibert, 2000[ شکل کاهش پتانسیل تبخیر نسبت به ذخیر یه رطوبت خاك ] ]Seibert, شکل ساختار الگوریتم شکل چگونگی شبیهسازی بارش- رواناب هورمبرگر ه 22...[HEC, 2000] SMA مدل IHACRES همراه با مدولهای خطی و غیرخطی)جکمن و )2339 شکل هیدروگراف حاصل از بارندگی موثر واحد )جکمن و هورمبرگر 2339(...24 شکل 2-4- رواناب مشاهداتی و شبیهسازی شده توسط شکل 1-4- رواناب مشاهداتی و شبیهسازی شده توسط شکل 9-4- رواناب مشاهداتی و شبیهسازی شده توسط شکل 4-4- رواناب مشاهداتی و شبیهسازی شده توسط مدل HEC-HMS مدل HEC-HMS مدل HBV-light مدل HBV-light در دوره واسنجی...64 در دوره صحتسنجی...64 در دوره وا سنجی...66 در دوره صحتسنجی...66

9 عنوان صفحه شکل 2-4- رواناب مشاهداتی و شبیهسازی شده توسط شکل 6-4- رواناب مشاهداتی و شبیهسازی شده توسط شکل 7-4- آنالیز حساسیت پارامترهای مدل شکل 2-4 -آنالیز حساسیت پارامترهای شکل 3-4- آنالیز حساسیت پارامترهای مدل IHACRES مدل IHACRES HBV-Light با دو تابع در دوره وا سنجی...67 در دوره صحت سنجی هدفNash و RMSE مدل HEC-HMS مدل IHACRES شکل فایل خروجی حاصل از ارزیا یب مدل LARS-WG در شبیه سازی داده ه یا دوره مشاهداتی...74 شکل مقادیر مشاهداتی و مدلسازی شده توسط متغیرهای اقلیمی در منطقه برای دوره پایه شکل مقایسه میانگین درازمدت بین دادهه یا مشاهداتی دمای ماکزیمم و دوره واسنجی مدل 77..SDSM مدل SDSM شکل مقایسه میانگین درازمدت بین دادهه یا مشاهداتی دمای ماکزیمم و دوره ارزیا یب شکل نتایج ریز نمایی دمای ماکزیمم...72 شکل مقایسه میانگین بین دادهه یا مشاهداتی دمای مینیمم و دوره واسنجی مدل SDSM مدل 22...SDSM شکل مقایسه میانگین بین دادهه یا مشاهداتی دمای مینیمم و دوره ارزیا یب شکل نتایج ریز نمایی دمای مینیمم منطقه...22 شکل مقایسه میانگین دراز مدت ماهانه بارش دادهه یا مشاهداتی و دوره تنظیم مدل SDSM شکل مقایسه میانگین دراز مدت ماهانه بارش مشاهداتی در دوره ارزیا یب مدلSDSM شکل نتایج ریز نمایی بارش...29 شکل میانگین بارش ماهانه در دو دوره مشاهداتی و آتی شکل میانگین دمای متوسط ماهانه در دو دوره مشاهداتی و آتی...24 شکل اختالف متوسط بلندمدت ماهانه میانگین دما تحت دو روش ریز نمایی دوره آ یت با دوره مشاهداتی...22 و

10 عنوان شکل اختالف متوسط بلندمدت ماهانه بارش تحت دو روش ریز نمایی دوره آ یت صفحه با دوره مشاهداتی 26 ریز ریز ریز شکل مقایسه درصد تغییرات رواناب شبیه سازی شده توسط مدل HEC-HMS نمایی LARS-WG حاصل از خروجی مدلهای و 27...SDSM شکل مقایسه درصد تغییرات رواناب شبیه سازی شده توسط مدل HBV-light نمایی LARS-WG حاصل از خروجی مدله یا و 22...SDSM شکل مقایسه درصد تغییرات رواناب شبیه سازی شده توسط مدل IHACRES نمایی LARS-WG حاصل از خروجی مدله یا و 23...SDSM شکل تغییرات بلندمدت ماهانه دما در دوره نسبت به دوره پایه با 22 مدل GCM مدل LARS-WG )نمودارها از چپ مربوط به سناریوی A1B و B1 )A2 شکل تغییرات بلندمدت ماهانه بارش در دوره نسبت به دوره پایه با 22 حاصل از مدل GCM مدل LARS-WG )نمودارها از چپ مریوط به سناریوی A1B و B1 حاصل از )A2 شکل مقایسه درصد تغییرات میانگین بلندمدت رواناب شبیه سازی شده تحت خروجی سناریوی A1B مدل در AOGCM مدل LARS-WG توسط سه مدل بارش- رواناب ( هب ترتیب از چپ )IHACRES و Light شکل مقایسه درصد تغییرات میانگین بلندمدت رواناب شبیه سازی شده تحت خروجی سناریوی مدل A2 در AOGCM مدل LARS-WG توسط سه مدل بارش- رواناب ( هب ترتیب از چپ )IHACRES و Light شکل مقایسه درصد تغییرات میانگین بلندمدت رواناب شبیه سازی شده تحت خروجی سناریوی مدل B1 در AOGCM مدل LARS-WG توسط سه مدل بارش- رواناب ( هب ترتیب از چپ مدل HBV- HEC-HMS مدلHEC-HMS HBV- مدلHEC-HMS HBV- Light ز و )IHACRES 32...

11 مقدمه رشد صنایع و کارخانهها از آغاز انقالب صنعتی و به تبع آن افزایش مصرف سوختهای فسیلی از یک سو و تخریب جنگلها و تغییر کاربری اراضی کشاورزی از سوی دیگر باعث افزایش گازهای گلخانهای به خصوص گاز CO2 در چند دهه اخیر شده به گونهای که غلظت این گاز 122 در سال 2722 به ppm از ppm 932 در سال 1229 افزایش یافته است این افزایش غلظت گازهای گلخانهای در اتمسفر باعث ایجاد بحرانهای محیطی در بیشتر مناطق جهان می شود و تغییراتی را در اقلیم کره زمین به وجود آورده است که به آن تغییر 2 اقلیم گفته می شود. متوسط دمای جهان بعد از شروع قرن بیستم 2/6 درجه سانتیگراد افزایش یافته است که می تواند منجر به افزایش قابل مالحظه میزان تبخیر و تعرق و جابجایی بیشتر میزان بخار آب در اتمسفر شود. پیش بینی می شود که با تغییر آب و هوا سطح دریا تا سال 1222 بین 3 تا 22 سانتیمتر افزایش یابد و بهدنبال آن سیل ها و حوادث دیگری از قبیل تغییرات عمودی زون های آب و هوایی تخریب جنگل ها بیابان ها مراتع و سایر اکوسیستمهای مدیریت شده اتفاق می افتد که در نتیجه بسیاری از گونه های منحصر به فرد از بین می روند. بنابراین گرمایش جهانی زمین باعث تغییرات در چرخه جوی و فعالیت بیشتر چرخه هیدرولوژی میگردد. با تغییر در اقلیم کره زمین سیستمهای مختلف دیگری نظیر منابع آب کشاورزی محیط زیست بهداشت صنعت و غیره نیز میتواند از این تغییرات تأثیر پذیرد. از طرف دیگر گرمایش جهانی تأثیر بارزی بر چرخه هیدرولوژی و سیستمهای منابع آب دارد به گونه ای که میتواند بعنوان تهدیدی بزرگ بر سیستمهای منابع آب در سراسر جهان 1 قلمداد شود. این تهدیدات برای مناطق مختلف زمین متفاوت میباشد )پورکی 1222(. از طرف دیگر با توجه به اینکه انتظار میرود پدیده تغییر اقلیم در قرن 12 ام ادامه یابد لذا افزایش مداوم انتشار گازهای گلخانه- دان و )استیل کرد خواهد تشدید را ای این اثرات همکاران 1222 (. ایران دارای اقلیم خشک و نیمه خشک است بنابراین مدیریت صحیح منابع آب در جهت استفاده بهینه از ذخائر محدود آب کشور اهمیت ویژه دارد. دو پارامتر مهم در هیدرولوژی و منابع آب درجه حرارت و بارش هستند. با استفاده از درجه حرارت میتوان تبخیر و محاسبه را رواناب میزان مخزن حجم میتوان بارش از استفاده با و گیاهان از و تعرق سطحی آبهای از 1 Climate change 2 Purkey et,al 2

12 الگوی مصرف آب را تعیین کرد. با توجه به آنکه توزیع منابع آبی به تغییرات اقلیم بسیار حساس است گرمایش جهانی تاثیرات معنی داری بر چرخه هیدرولوژیکی دارد و همچنین حساسیت بیشتر تغییرات رواناب نسبت به تغییرات بارندگی تا به تبخیر و تعرق تغییرات رواناب در مناطق خشک و نیمه خشک را بیش از هر چیز به تغییر اقلیم حساس کرده است )کمال 2922 (. لذا در این تحقیق شاخص رواناب مورد بررسی قرار می گیرد. به دلیل 2322 بخشهای بر آن احتمالی اثرات و اقلیم تغییر موضوع اهمیت مختلف اجتماعی و اقتصادی درسال IPCC اقلیم تغییر الدول بین هیئت نام با موسسه ای توسط سازمان هواشناسی جهان (WMO) و برنامه محیط زیست سازمان ملل (UNEP) تاسیس شد. اهداف IPCC توسط سه گروه کاری در سه بخش اصلی زیر مشخص شده است:( 2007 WG, (IPCC :(WGI) شناخت مبانی علمی تغییر اقلیم برای درك این پدیده :(WGII) مطالعه ارزیابی اثرات زیست محیطی اقتصادی و اجتماعی تغییراقلیم :(WGIII) تعیین راه حلهایی جهت کاهش گازهای گلخانهای با توجه به اینکه 62 درصد از کشور را مناطق خشک و نیمه خشک تشکیل می دهد و بارش در این مناطق در زمان و مکان شدت و مدت بسیار متغیر بوده و به عنوان جز اساسی در چرخه هیدرولوژیکی که هرگونه تغییر در شدت مدت فرم و زمان آن می تواند سبب ایجاد خشکسالیها و سیالبها شده و به تبع آن حجم و مقدار رواناب تغییر می کند که پیامد این تغییرات در عرصه مدیریت منابع آب تغییر و تحوالت زیادی را به وجود خواهد آورد. ضرورت انجام تحقیق رود می انتظار و گذاشته جای رابه آثارخود جهان نقاط از در بسیاری تغییراقلیم اخیر دهههای در دردهه های و نبوده مستثنا بزرگ تغییرات ازاین نیز ایران شود. تشدید تغییرات این اثرات نیز آینده بسیاری در آن اثرات ازحوضههای ایستایی عدم به منجر گاهی اثرات این که است شده مشاهده کشور آبریز اطالعات هیدرولوژیکی شده است (زهرایی و همکاران 2932 (. با توجه به اینکه اثر فعالیتهای انسانی بر اقلیم عمومی در جهانی قابل قبول است اما تغییر پذیری اقلیمی و اثرات بالقوه آن بر مناطق خشک و نیمه 1

13 خشک به قدر کافی و دقیق بررسی نشده است. بخشهای بر آن اثرات بررسی و اقلیم تغییر مطالعات در مختلف عدم قطعیت های مختلفی بر نتایج نهائی تأثیر میگذارند. عدم قطعیتها در بررسی اثرات تغییر اقلیم پیش بینیهای اقلیمی به مربوط آب منابع بر رژیمهای و آبشناختی شده شبیهسازی است )پرادهوم و همکاران 1229 (. ازجمله قطعیتها عدم در مطالعات تغییراقلیم عدم قطعیت مربوط به روشهای ریز نمایی مدلهایAOGCM و مدلهای هیدرولوژی است )مینویل و همکاران 1222 (. بررسیها میدهد نشان قطعیت عدم که مدلهای شبیهسازی متغیرهای اقلیمی( AOGCM ) نسبت به سایر قطعیت عدم منابع ; 1222 مینویل 1222 ; نهائی نتایج بر را تأثیر بیشترین میگذارد )مساح بوانی 2922 ; پرادهوم و دیویس توییس و آلن 1223 (. از این رو در این تحقیق در نظر است عدم قطعیت مربوط به هر سه نوع منبع عدم قطعیت و عدم قطعیت سناریوهای اقلیمی بر رواناب حوضه در نظر گرفته شود. اهداف تحقیق با توجه به آنچه آمد این پژوهش در نظر دارد در یک چهارچوب علمی اهدافی را به شرح زیر دنبال کند: 2- ارائه روشی برای بررسی تأثیر تغییر اقلیم بر میانگین رواناب حوضه های نیمه خشک در دورههای آتی. بررسی رواناب حوضه تحت تأثیر عدم قطعیت مدلهای GCM روشهای ریز نمایی عدم -1 قطعیت سناریوهای اقلیمی A1B و A2 B1 همچنین این پژوهش به سواالت زیر پاسخ خواهد داد: و مدلهای هیدرولوژیکی. 2- تغییر اقلیم در آینده باعث افزایش پراکنش دادههای بارش و دما و در نتیجه تغییر در شرایط رواناب حوضه خواهد شد. در نظر نگرفتن عدم قطعیت روشهای ریز نمائی و مدلهای هیدرولوژیکی تأثیر زیادی بر -1 رواناب حوضه تحت تأثیر تغییر اقلیم خواهد داشت. 9

14 فص ل اول تعاریف و کلیات 4

15 1- تعاریف و کلیات 1-1 -مقدمه به منظور درك بهتر مطالب ارائه شده در پیشینه تحقیق و همچنین مباحث مطرح شده در این پایان- نامه الزم است شرح مختصری از مفاهیم اولیه تغییر اقلیم ارائه شود. لذا در این فصل به مرور مفاهیم تغییر اقلیم پرداخته شده است. بطور کلی مطالعات مربوط به تغییر اقلیم شامل مراحل مختلفی می باشد که به ترتیب عبارتند از مفاهیم تغییر اقلیم مدلسازی تغییر اقلیم در آینده اثرات تغییر اقلیم و سپس ارائه راه حل های سازگاری با این پدیده و یا کاهش تاثیر پدیده تغییر اقلیم. به ابتدا بنابراین توضیحات مربوط به مفاهیم اولیه تغییر اقلیم پرداخته می شود مفهوم تغییر اقلیم اقلیم کره زمین متشکل از چهار جزء شامل اتمسفر کریوسفر بیوسفر و هیدروسفر میباشد که در ادامه به شرح مختصری از آنها پرداخته میشود. - اتمسفر در برگیرنده هوای اطراف کره زمین میباشد که از گازهای مختلفی پر شده است. در میان اینگازها گازهای گلخانهای و در رأس آنها گاز CO 2 تأثیر عمدهای بر دمای اتمسفر دارد. بهگونهای که عبور نور خورشید با طول موج کوتاه از این گازها و رسیدن آنها به سطح زمین باعث گرم شدن سطح زمین و ساطع شدن امواج مادون قرمز که دارای طول موج بلند است میشود که به این گازها برخورد نموده و دوباره به سطح زمین منعکس میشود. این عمل باعث باال رفتن درجه حرارت اتمسفر خواهد شد. 2 - کریوسفر دربرگیرنده یخهای موجود در کره زمین میباشد که نقش مهمی را در پدیده آلبیدو یعنی انعکاس امواج رسیده به سطح زمین دارد. - بیوسفر که نقش مهمی را در میزان انرژی سیستم اقلیمی دارد بهعنوان یکی از منابع اصلی تولید و مصرف 1 Atmosphere 2 Cryosphere 3 Biosphere 4 Hydrosphere 5 Albedo 2