اثرات تغییر اقلیم بر شاخص های عملکرد مخازن آب در تامین آب کشاورزی

چکیده

این مقاله اثرات تغییر اقلیم را بر حجم جریان ورودی به مخزن و حجم مورد نیاز آب در پایین دست رودخانه ، با در نظر گرفتن سه سناریوی تغییر اقلیم، در بستر رودخانه ای در آذربایجان شرقی نمایش میدهد. مدل HadCM3 برای تخمین سناریوهای احتمالی دما و بارش در دوره 2039-2026 براساس یک سناریوی انتشار A2 بکار میرود. یک مدل هیدرولوژیکی (IHACRES) در ابتدا برای ناحیه مورد نظر کالیبره میشود و سپس یک سری زمانی ماهانه از دما و بارش آینده، برای محاسبه، بعنوان داده ورودی مدل IHACRES در نظر گرفته میشود. بعلاوه اینکه، سری زمانی 14 ساله ای از بارش ماهانه برای دوره 2039-2026 شبیه سازی میشود. نتایج مدلسازی نشان میدهند که میانگین بارش سالانه بلند مدت، نسبت به مقدار آن در دوره مبنا، در بازه زمانی 2000-1987 به مقدار 0.7% کاهش می یابد. به هرحال با ثابت درنظر گرفتن ناحیه زراعی ، بدون اینکه الگوی کشت در آن تغییر کند، میانگین حجم مورد نیاز آب سالانه برای زراعت، به 16% افزایش می یابد. هردو مدل شبیه سازی و مدل بهینه سازی، برای بهره برداری از مخازن آب استفاده میشوند. شبیه سازی از عملکرد و کارایی ذخایر آبی، در تغییر میزان نیاز آبی، بر طبق سیاست کاربردی استاندارد (SOP) و با استفاده از مدل ارزیابی و برنامه ریزی آب (WEAP) اجرا میشود. سپس سه سناریوی تغییر اقلیم ذکر شده در بالا برای مدل WEAP ایجاد میشوند و شاخصهای کارایی و عملکرد مخازن، شامل (قابلیت اتکاء، میزان آسیب پذیری و قابلیت بازگشت) محاسبه میگردند. نتایج نشان میدهند که شاخصها در آینده نسبت به دوره مبنا تغییر میکنند. سپس برای عملیات بهینه سازی مخازن از طریق تامین آب بخش کشاورزی و اهداف زیست محیطی، کمینه سازی نواقص توان دوم مربوط به این اهداف، در هرماه و برای هر سناریوی تغییر اقلیم با استفاده از الگوریتم نسخه نرم افزاری LINGO 11.0 {برنامه ریزی غیر خطی (NLP) } تعیین میشوند. نتایج نشان میدهند که این شاخصها قابلیت تغییر دارند. 

مقدمه

بدلیل فعالیتهای انسانی شدید، رشد جمعیت و انتشار گازهای گلخانه ای ، انتظار میرود که اغلب مناطق زمین، افزایش متوسط دمای سالانه ای بالاتر از 2 درجه سانتیگراد در پایان قرن حاضر، تجربه کنند (بر طبق گزارشی که از هیئت بین الدولی تغییر اقلیم IPCC سال 2007 بدست آمده) . روند افزایش دمای خطی 50 سال اخیر، (0.13 درجه سانتیگراد در هر دهه) دو برابر میزان آن در 100 سال گذشته بوده است. مطالعه دیگر پارامترهای اقلیمی مثل بارش، ابرآلودگی و تبخیر، بطور فزاینده ای درحال تغییر هستند که در هردو مقیاس جهانی و منطقه ای نشان داده شده اند (IPCC 2007 ) . بدون شک این پدیده که تغییر اقلیم نامیده میشود نه تنها تحت تاثیر متغیرهای اقلیمی قرار میگیرد، بلکه همچنین تحت تاثیر رویدادهای کرانه ای (مثل خشکسالی و سیلاب) قرار میگیرد، گرچه این رویدادها نیز بطور وسیعی معرفی و شناسایی نشده اند. چندین مطالعه دیگر نشان داده اند که وجود اختلالات کوچکی در نوسانات بارش و / یا کمیت بارش میتواند در اثرات ویژۀ متوسط بده سالانه جریان رودخانه ها اثرگذار باشد. علاوه براین Christensen و همکارانش در سال 2004 نشان میدهند که تغییر نسبتاً کم جریان ورودی طبیعی، تغییرات بزرگتری را در میزان ذخیره مخازن آب ایجاد میکنند. هر تغییری در چرخه هیدرولوژیکی منطقه، بر تولید انرژی و اندازه گیری و کنترل سیلاب اثر میگذارد تا اندازه ای که معیارهای انطباق مدیریت آب، بسیار شبیه معیارهای انطباق مدیریت آب سالهای پیشین، میگردد. تغییر اقلیمی که مربوط به مداخله انسان در طبیعت باشد، بر منابع آب و بخشهای مصرفی کشاورزی در کشورهای توسعه یافته و در حال توسعه اثر میگذارد . برای مثال در ایران بخش کشاورزی اولین و بزرگترین مصرف کننده منابع آبی میباشد و بنابراین مطالعه و ارزیابی اثرات تغییر اقلیم روی منابع آب کشاورزی اهمیت زیادی دارد. 

Abstract

This paper addresses the impact of climate change on the volume of inflow to a reservoir and the volume of downstream water demand by considering three climate change scenarios in an East Azerbaijan river basin. The HadCM3 model was used to estimate possible scenarios of temperature and rainfall for the period 2026–2039 under an emission scenario (A2). A hydrological model (IHACRES) was first calibrated for the basin; and then, a monthly time series of future temperatures and rainfall were entered into IHACRES. In addition, a 14-year time series of monthly runoff was simulated for 2026–2039. Modeling results indicated that the average long-term annual runoff volume decreased by 0.7% relative to the base period (1987–2000). However, by assuming a nonchanging cultivation area, the average long-term annual water demand volume for crops increased by 16%. Both simulation and optimization models of reservoir operation were used. The simulation of reservoir performance in the delivery of water demand was implemented according to the standard operating policy (SOP) and by using the water evaluation and planning (WEAP) model. The three aforementioned climate change scenarios were then introduced to the WEAP, and the reservoir performance indexes (reliability, vulnerability, and resiliency) were calculated. Results showed that indexes would change in the future relative to the base. Next, for the optimal operation of the reservoir with a water supply for agricultural and environmental purposes, the minimization of total squared deficiencies in the allocation to these purposes was determined for each month and climate change scenario by the using LINGO Version 11.0 software [nonlinear programming (NLP)] algorithm. Results showed that the indexes would change.

Introduction

Because of intensified human activity, growing population, and greenhouse gas emissions, most regions of the Earth are expected to experience significant increases in mean annual temperature (>2°C) by the end of the present century [Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) 2007]. The linear warming trend over the last 50 years (0.13°C per decade) is nearly twice that for the last 100 years. Studies of other climatological parameters, such as rainfall, cloudiness, and evaporation, have shown strongly varying trends on both global and regional scales (IPCC 2007). Without doubt, this phenomenon, called climate change, not only has been affecting climatic variables but also extreme events (e.g., droughts and floods), although it is not widely recognized (Robson 2002). Several studies (Muzik 2001; Boyer et al. 2010) have shown that small perturbations in rainfall frequency and/or quantity can result in significant impacts on the mean annual discharge of rivers. Moreover, Christensen et al. (2004) indicated that modest changes in natural inflows result in larger changes in reservoir storage. Any changes in the hydrologic cycle will affect energy production and flood control measures (Xu and Singh 2004) to such an extent that water management adaptation measures will very likely be brought in. Anthropogenic climate change will affect water resources and agricultural consumption sectors in developing and developed countries. For example, in Iran, the agricultural sector is the primary water consumer and, thus, the study and evaluation of climate change impact on agricultural water supply is essential.

چکیده

مقدمه

روشها

بازسازی سناریوهای آینده در دوره آینده

ارزیابی منابع آبی و مصارف آنها بر اساس تغییر اقلیم

شبیه سازی بارش-رواناب

تخمین حجم مورد نیاز آب در مخازن پایین دست

مدلهای بهره برداری مخزن

مدلهای شبیه سازی

مدلهای بهینه سازی

شاخصهای عملکرد مخزن

مطالعه موردی و تعریف سناریوها

مطالعات سناریوها

نتایج: بررسی عملکرد مدل اقلیمی دردوره مبنا

محاسبه سناریوی اقلیمی دوره مبنا

محاسبه سناریوهای اقلیمی دوره آینده

محاسبه حجم موردنیاز آب براساس تغییر اقلیم

شبیه سازی عملکرد مخازن آب براساس سناریوهای تغییر اقلیم بااستفاده از مدل WEAP 

بهینه سازی عملکرد مخزن تحت سناریوهای تغییر اقلیم با استفاده از مدل LINGO

نکته پایانی

Abstract

Introduction

Methodology

Construction of Climate Scenarios in Future Period

Estimate of Water Resources and Consumptions under Climate Change

Rainfall-Runoff Simulation

Estimate of Water Demand Volume in Reservoir Downstream

Reservoir Operation Models

Simulation Models

Optimization Models

Reservoir Performance Indexes

Case Study and Definition of Scenarios

Study Area

Study Scenarios

Results

Investigation of Climate Model Performance for Base Period

Calculation of Climate Scenario for Future Period

Investigation of Basin Runoff for Future Period

Calculation of Water Demand Volume under Climate Change

Simulation of Reservoir Performance under Climate Change Scenarios using WEAP

Optimization of Reservoir Performance under Climate Change Scenarios using LINGO

Concluding Remarks