توصيفگر ها :
خشكسالي آب زيرزميني , ريزمقياس نمايي , يادگيري ماشين , شاخص GGDI , GRACE , canESM5 , XGBoost
چكيده فارسي :
منابع آب زيرزميني از بزرگترين ذخاير آب شيرين در جهان هستند كه نقش مهمي در حفظ اكوسيستمها و تضمين رفاه انسان ايفا ميكنند. هنگامي كه سيستمهاي آب زيرزميني تحتتأثير خشكسالي قرار ميگيرند، ابتدا تغذيه، سپس سطح آب زيرزميني و درنهايت امكان برداشت كاهش مييابد كه كليه مصرفكنندگان را تحت تأثير قرار داده و ميتواند منجر به آثار جبرانناپذيري چون كاهش كيفيت آب و نهايتاً فرونشست شود. تا پيش از اجراي پروژه بازيابي گرانش و آزمايش اقليمي (GRACE)، هيچ روشي براي پايش ذخيره آب زميني (TWSA) كه شامل آب سطحي و زيرسطحي زمين ميشود وجود نداشته است. از طرفي پايش آب زيرزميني و ذخيره آب زيرزميني (GWSA) با روشهاي معمول و چاههاي مشاهداتي بسيار زمانبر و پر هزينه بوده و قادر به پوشش كافي گسترههاي وسيع مكاني و زماني نبوده است. در اين مطالعه سعي شده است به كمك دادههاي اين پروژه و همچنين پروژه مكمل آن يعني سامانه جهاني تلفيق اطلاعات زميني (GLDAS) وضعيت آبهاي زيرزميني در 6 حوضه آبريز اصلي ايران طي دوره زماني 255ماهه از سال 2002 (1381) تا سال 2023 (1402) مورد ارزيابي قرار گيرد. اما دادههاي GRACE نيز بدون محدوديت نبوده و مقياس بزرگ 0/5 درجه آن، مطالعات در گستره آبخوانها و حوضهها را با چالش همراه كرده است در اين مطالعه جهت ريزمقياس نمايي از الگوريتم يادگيري ماشين XGBoost استفاده شده است كه سرعت و دقت بسيار مناسبي در مدلكردن دادههاي TWSA در مطالعات مشابه داشته است. دادههاي GWSA محاسبه شده جهت كنترل، با دادههاي مشاهداتي از چاههاي مشاهداتي كشور طي سالهاي 2003 تا 2016 مقايسه شده است كه براي كل ايران ضريب همبستگي برابر 0/92 و RMSE برابر mm 39 حاصل شده است. از ديگر محدوديتهاي استفاده از دادههاي GRACE عدم وجود دادههايي به مدت 15 ماه به علت توقف و شروع مجدد پروژه است كه در اين مطالعه جهت تكميل سري زماني GWSA، به علت وجود خاصيت دورهاي از مدل SARIMA استفاده شده كه با ضريب همبستگي 0/83 براي كل ايران سري زماني را بهخوبي مدل و تكميل نموده است. بر اساس اين سري ميتوان دريافت به طور ميانگين چاههاي موجود در آبخوانهاي كشور سالانه حدود cm 29 افت تراز دارند كه بيشترين نرخ كاهش مربوط به حوضه درياي خزر و كمترين آن مربوط به حوضه خليجفارس و درياي عمان و نيز حوضه قرهقوم ميباشد. همچنين در اين مطالعه سعي شده است با استفاده از تاريخچه دادهها و پيشبينيهاي سناريوي SSP2 مدل اقليمي canESM5 به مدلكردن GWSA و پيشبيني روند تغييرات آن تا سال 2030 به كمك روش يادگيري ماشين پرداخته شود كه مدل ايجاد شده در همه حوضهها و بهطوركلي براي كل ايران با ضريب همبستگي 0/79 عملكرد نسبتاً مناسبي از خود نشان داده است. در ادامه با استفاده از شاخص خشكسالي GGDI وضعيت خشكسالي آب زيرزميني طي سالهاي 2002 تا 2030 در حوضههاي ايران مورد بررسي قرار گرفته است و با مقايسه با شاخص SPI دوره انتشار از خشكسالي هواشناسي به خشكسالي آب زيرزميني بهطوركلي 8 ماه مشاهده شده است. همچنين مقايسه شاخص خشكسالي با فاكتورهاي پيوند از دور (TC) تأثير تغييرات اقليمي بر خشكسالي بهويژه در حوضههاي مجاور منابع آب سطحي گسترده را نشان ميدهند هر چند سهم تأثيرات انساني و مديريتي بسيار وسيعتر مشاهده شده است.
چكيده انگليسي :
Groundwater is one of the most important freshwater reservoirs in the world that plays an important role in conserving ecosystem and ensuring human well – being. When groundwater systems are affected by drought, first the richarge, then the groundwater level and finally the possibility of discharge decreases, which can affect agriculture and water resources and lead to irreversible effects such as subsidence. Until the implementation of the Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) project, there was no method for monitoring terrestrial water storage anomalies (TWSA), which includes both surface and subsurface water, and monitoring groundwater storage (GWSA) with traditional methods and piezometric wells was time-consuming, expensive, and unable to adequately cover large spatial and temporal ranges. In this study, the status of groundwater in 6 major river basins in Iran is evaluated using data from the GRACE project and its complementary project, the Global Land Data Assimilation System (GLDAS), during the period of 255 months from 2002 to 2023. However, GRACE data also has limitations, such as its large 0.5-degree scale that poses challenges for studies in extent of basins and auifers. In this study, the XGBoost machine learning algorithm is used for downscaling, which has shown excellent performance in modeling TWSA data. Calculated GWSA data is compared with observation data from the country's piezometric wells for the years 2003 to 2016, resulting in a correlation coefficient of 0.92 and an RMSE of 39 mm for the entire Iran. Another limitation of using GRACE data is the presence of data gaps for a period of 15 months due to the project's interruption and restart, which in this study, the SARIMA model is used to complete the GWSA time series, which has successfully modeled the time series and filled the existing gap with accurate predictions. From the completed time series, it can be found that on average, the wells in the country's aquifers have a level drop of about 29 cm per year and the highest rate of decrease is for to the Caspian Sea basin, and the lowest rate is related to the Persian Gulf basin and the Qaraqom basin. Furthermore, in this study, using the historical data and scenario projections of SSP2 of the canESM5 climate model, the GWSA is modeled and its changing trends are predicted until 2030 using machine learning methods. The created model has shown relatively good performance in all basins except for the eastern border basin and the Qaraqum basin. In addition, the status of groundwater drought is examined in the basins of Iran from 2002 to 2030 using the Groundwater Drought Severity Index (GGDI) and compared with the Standardized Precipitation Index (SPI). Overall, a correlation of 8 months is observed between meteorological drought and groundwater drought. Furthermore, the comparison of the GGDI with atmospheric-oceanic factors has shown that these factors have a significant impact on climate and drought variations in Iran, especially in basins adjacent to extensive surface water resources.