ارزیابی تأثیرپذیری رژیم آبدهی چشمه‌های کارستی از رخداد خشکسالی مطالعۀ موردی‌: چشمه‌های کارستی حوضۀ رودخانۀ الوند

نگهبان, سعید; باقری سیدشکری, سجاد; پاینده, زینب; نادری, سیروس; شیراوند, پیمان

doi:10.22108/gep.2017.97941

ارزیابی تأثیرپذیری رژیم آبدهی چشمه‌های کارستی از رخداد خشکسالی مطالعۀ موردی‌: چشمه‌های کارستی حوضۀ رودخانۀ الوند

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

¹ استادیار ژئومورفولوژی بخش جغرافیا، دانشگاه شیراز، شیراز، ایران

² دانش‌آموختۀ دکتری ژئومورفولوژی، دانشکدۀ جغرافیا، دانشگاه تهران، تهران، ایران

³ کارشناس ارشد ژئومورفولوژی، دانشگاه طبرستان، چالوس، چالوس، ایران

⁴ کارشناس ارشد اقلیم‌شناسی، دانشگاه آزاد علوم تحقیقات تهران، تهران، ایران

⁵ کارشناس ارشد اقلیم‌شناسی، دانشکدۀ جغرافیا، دانشگاه تهران، تهران، ایران

10.22108/gep.2017.97941

چکیده

آبخوانهای کارستی از مهم‌ترین منابع تأمین آب مورد نیاز برای شرب و کشاورزی در استان کرمانشاه است. وقوع خشکسالیهای دو دهۀ گذشته، سبب کاهش شدید میزان آبدهی این آبخوانها شده است و این امر تأثیر زیادی بر جوامع انسانی منطقه داشته است. هدف از این پژوهش ارزیابی تأثیر‌پذیری رژیم آبدهی و همچنین شناخت روند رژیم آبدهی چشمههای کارستی حوضۀ رودخانۀ الوند از رخداد خشکسالی در طول چندین دهۀ گذشته است. آمار ماهانۀ بارش و دبی ایستگاههای باران‌سنجی و هیدرومتری، دادههای اصلی پژوهش هستند و بر اساس مشابه‌بودن شرایط اقلیمی، ویژگیهای زمینشناسی و ژئومورفولوژی کارست سه چشمۀ سرابگرم، ماراب و وردهناو به‌عنوان چشمههای شاخص انتخاب شدند. از شاخص SPI برای تحلیل خشکسالیها و از روشهای آماری استانداردسازی دبی و بارش، RAPS، محاسبۀ شاخص و تعیین خشکسالی هیدرولوژیکی و ارتباط آن با خشکسالی هواشناسی برای ارزیابی و برآورد تأثیرپذیری رژیم آبدهی چشمه‌ها از رخداد خشکسالی ‌استفاده شد‌. نتایج پژوهش نشان داد، هر سه چشمه به کاهش بارش حساس است؛ اما زمان واکنش به کاهش بارش در سه چشمه یکسان نیست؛ همچنین تأخیر زمانی بین رخداد خشکسالی هواشناسی با کاهش آبدهی چشمهها وجود دارد و از 1377 تا 1389 روند نزولی در رژیم آبدهی چشمهها مشاهده میشود. تأثیرپذیری آبدهی چشمهها از خشکسالی به توسعهیافتگی سیستمهای کارستی، حجم ذخیرۀ دینامیکی (اثر حافظه) آبخوان، مدت و شدت خشکسالی بستگی دارد و رخداد دو دورۀ خشک شدید، اثر حافظه آبخوانها را تعدیل کرده و باعث شده است که از سال 1378 تا 1389 خشکسالی هیدرولوژیکی ملایمی در رژیم آبدهی چشمهها غلبه داشته باشد.

کلیدواژه‌ها

20.1001.1.20085362.1395.27.3.10.0

عنوان مقاله [English]

The Evaluation of Discharge Regime Impressibility of Karstic Springs from Drought Occurrence (Case Study: Karstic Springs of Alvand River Basin)

نویسندگان [English]

saeed negahban ¹
sajjad bagheri ²
zeynab payandeh ³
sirus naderi ⁴
peyman shiravand ⁵

¹ Assistant Professor of Geomorphology, Department of Geography, Shiraz University, Shiraz, Iran

² Ph.D. student of geomorphology, Faculty of Geography, University of Tehran, Tehran, Iran

³ Master of Geomorphology, Tabarestan University, Chalous, Chalus, Iran

⁴ Master of Science in Climatology, Azad University of Science Researches, Tehran, Iran

⁵ Master of Science in Climatology, Faculty of Geography, University of Tehran, Tehran, Iran

چکیده [English]

EXTENDED ABSTRACT
Introduction
Drought occurrence as an anomaly of the atmosphere rooted in change of climate lead to the imbalance between supply and demand for water, as well as social, economic and environmental consequences (Zhang et al, 2012: 482). The lack of rainfall in one area for a long period of time is known as meteorological drought and this lack of water in the hydrological cycle causes different types of drought (Fiorillo and Guadagno, 2010: 1868). Karstic systems respond to drought is controlled by the rate of the development of karstic systems. Sarabgarm, Vardanaw and Marab springs with a total discharge of more than 80 million liters of cubic meters supply water needed for drinking and agriculture for the societies around them and have a fundamental role in sustaining the human life in the area. Thus, understanding the influence of drought on these springs is essential for the management of karstic water resources in the region. The purpose of this study is to evaluate the impressibility of discharge regime of karstic springs of Sarabgarm, Marab, and Vardanaw from drought occurrence.

Methodology
According to the purpose of the study, the three springs of Sarabgarm, Vardanaw and Marab having the same climatic conditions were selected. To identify the drought occurrence in the area SPI index was used. To assess the influence of the springsâ Discharge of fluctuations in rainfall and drought occurrence, comparing of standard annual precipitation and annual standard Discharge was used. Analysis of springsâ Discharge and the precipitation were done by the statistical method, RAPS. Also to evaluate the impact of rainfall on the discharge regime of springs the standardized average annual precipitation rate was calculated first, and then using equation (6) the impressibility of the discharge regime of springs was clarified by drought occurrence. By comparing the rate of annual average standard SPI index at different time scales of 12, 24 and 48 months, the impact of meteorological drought on hydrological drought occurrence in the springs was evaluated.

Discussion
Comparing the annual rainfall and the standard rate shows that discharge of three springs is sensitive to reduced rainfall, but time reaction to rainfall fluctuations in all three springs are not the same.
Evaluation of time series of RAPS, Piran rain gauge station and springs under investigation indicates a generally increasing trend from 1983 to 1997 and a decreasing trend from 1998 to 2010. This trend is a result of occurrence of long-term periods of decreasing rainfall in the region.
In the short-term fluctuations in rainfall, impressibility of discharge of Marab and Vardanaw is more than Sarabgarm, and in the long-term precipitation fluctuations, due to the influence of aquifer aquifer memory, Sarabgarm reacts to the occurrence of precipitation fluctuations in the previous years with much delay, while the other two springs have less time delays.
The reflect of meteorological drought on hydrological drought in karstic systems of Alvand River basin is mostly a gentle and long-term drought and gentle and the reaction of Marab and Vardanaw is different from the reaction of Sarabgarm. The differences in response to meteorological drought depend on the effect of the memory of karstic aquifers.

Conclusion
Drought occurrence as an anomaly of the atmosphere rooted in change of climate lead to the imbalance between supply and demand for water, as well as social, economic and environmental consequences (Zhang et al, 2012: 482). The lack of rainfall in one area for a long period of time is known as meteorological drought and this lack of water in the hydrological cycle causes different types of drought (Fiorillo and Guadagno, 2010: 1868). Karstic systems respond to drought is controlled by the rate of the development of karstic systems. Sarabgarm, Vardanaw and Marab springs with a total discharge of more than 80 million liters of cubic meters supply water needed for drinking and agriculture for the societies around them and have a fundamental role in sustaining the human life in the area. Thus, understanding the influence of drought on these springs is essential for the management of karstic water resources in the region. The purpose of this study is to evaluate the impressibility of discharge regime of karstic springs of Sarabgarm, Marab, and Vardanaw from drought occurrence. According to the purpose of the study, the three springs of Sarabgarm, Vardanaw and Marab having the same climatic conditions were selected. To identify the drought occurrence in the area SPI index was used. The results of the study showed that Karstic springs under the study were influenced by fluctuations in rainfall and from 1998 they are in a downward discharge trend. Due to memory effect of aquifer, meteorological drought occurrence and its impact on hydrological drought in the springs are not equal and impressibility of Sarabgarm has been less than the two other springs. Impressibility of these springs from fluctuations in rainfall depends on development of Karstic systems, memory effect of aquifer and the duration of precipitation fluctuations and severity of the occurrence. The occurrence of severe dry periods (1997-1998 to 2000-2001 and 2005-2006 to 2009-2010) largely modifies the memory effect of aquifer and cause the predominance of mild hydrological drought in the period of 1999 to 2010.

کلیدواژه‌ها [English]

Drought
Karstic springs
Discharge regime
RAPS
Alvand River Basin

اصل مقاله

مقدمه

خشکسالی از اصلیترین و قدیمیترین بلایاهای طبیعی است که انسان از دیرباز با آن آشنا بوده است (فرج‌زاده؛1384،5) و از مهمترین بلایای‌ طبیعی است که با وقوع آرام و تدریجیاش، بر هر اقلیمی‌ تأثیر می‌گذارد و بر ابعاد مختلف زندگی بشر نیز تأثیرگذار است (حسنزاده و همکاران؛2،1391). خشکسالی‌ فاجعه‌ای زیست‌محیطی شناخته شده است (میشرا و سینگ[1]؛210،203) و به یک دورۀ زمانی تسلط آب و هوای خشک غیرعادی گفته می‌شود که باعث عدم تعادل بین عرضه و تقاضای‌ آب شده است و تأثیرات اجتماعی، اقتصادی و زیست‌محیطی را به‌دنبال دارد (زانگ و همکاران[2] ؛2012،482).

کمبود بارش در یک منطقه برای دورههای زمانی طولانی‌مدت به‌عنوان خشکسالی هواشناسی شناخته میشود.‌ این کمبود آب در چرخۀ هیدرولوژیکی منتشر می‌شود‌ و انواع مختلف خشکسالی را ایجاد میکند (فیوریلو وگادانگو[3]؛،2010؛1868). بروز خشکسالی و کاهش بارش بر منابع آب و کشاورزی در هر منطقه تأثیرگذار است (خوش‌اخلاق و همکاران،‌20:1389). تغییرپذیری منابع آب زیرزمینی از تغییرات اقلیمی ناشی از فرایندهای هیدرولوژیکی مانند بارش، تبخیر و تعرق و تعامل با آب سطحی انجام میگیرد (چن و همکاران[4]؛2004،45). تالاکسن و وان‌لانین[5] (2004) معتقدند، اگر تغذیۀ آبهای زیرزمینی و جریانهای سطحی با تأثیر از خشکسالی کاهش یابند، خشکسالی هیدرولوژیکی رخ میدهد.

مهم‌ترین کار در زمینۀ ایجاد یا توسعۀ شاخص برای تعریف خشکسالی هیدرولوژیکی، ایجاد آستانههایی از متغیرهای هیدرولوژیکی برای بارش، دبی رودخانه، دبی چشمه، سطح آب زیرزمینی و سطح دریاچه است که پس از تعریف این آستانه میتوان آغاز، شدت، مدت و پایان خشکسالی هیدرولوژیکی را تعریف کرد (فیوریلو وگادانگو،2012؛2274).

آبخوانهای کارستی مثل مخازن بزرگ طبیعی بارندگی عمل می‌کنند و دبی چشمههای کارستی منعکس‌کنندۀ دورههای خشک، تر و تغییرات درازمدت بارشی هستند (اسمیت و هنت[6]؛ 2010،613). دبی آبخوانهای کارستی از اقلیم، ویژگیهای زمینشناسی و ژئومورفولوژی کارست تأثیر میپذیرد (فیوریلو[7] ؛290،2009) و واکنش سیستمهای کارستی به نوسانات بارش با میزان توسعهیافتگی سیستم کارستی کنترل می‌شود و بر این اساس‌ سیستمهای کارستی‌ در دو دستۀ سیستمهای مجرایی و افشان طبقهبندی می‌شوند. در سیستمهای با سامانه مجرایی، واکنش به بارش در زمان کوتاه رخ می‌دهد، اما در سیستمهای افشان، زمان واکنش به نوسانات بارش طولانیتر است.

امروزه نیاز به تأمین آب، برای رفع نیاز جوامع انسانی و زیست‌بوم‌‌‌های طبیعی به‌طور فزایندهای در سطح جهان اهمیت یافته است (گوند و همکاران[8]؛2011،24). آبخوانهای کارستی در مناطق نیمه‌خشک در برابر تغییرات اقلیمی بسیار آسیبپذیر هستند، بنابراین ارزیابی کمّی و کیفی منابع آب کارست و حفاظت از آنها در طی دو دهۀ گذشته در فهرست اولویتهای اصلی بسیاری از جوامع قرار گرفته است (پاول و همکاران[9]؛479،2007).

در منطقۀ نیمه‌خشک غرب ایران، چشمههای کارستی، منبع تأمین آب جوامع انسانی هستند و در طول دو دهۀ گذشته این آبخوانها،‌ از افزایش دوره‌های خشکسالی و همچنین آلودگیهای ناشی از فعالیتهای انسانی تأثیر گرفتهاند. چشمههای منتخب سرابگرم، ماراب و وردهناو با مجموع آبدهی بیش از 80 میلیون مترمکعب تأمین‌کنندۀ آب شرب و کشاورزی جوامع انسانی اطراف خود هستند و نقش اساسی در تداوم حیات انسانی را در منطقه دا‌رند؛ بنابراین شناخت تأثیرپذیری این چشمهها از رخداد خشکسالیها برای مدیریت منابع آب کارست در منطقه امری لازم و ضروری است. هدف از این پژوهش ارزیابی تأثیر‌پذیری رژیم آبدهی چشمههای کارستی سرابگرم، ماراب و ورده‌ناو از رخداد خشکسالی است. در زمینۀ بررسی تأثیر خشکسالی‌ها بر منابع آب کارست، پژوهش‌های متعددی در سطح جهان و تا حدودی ایران انجام شده است که در این زمینه میتوان به موارد زیر اشاره کرد‌:

اورهوا[10] (2004) با بررسی خشکسالی بلندمدت طی دورۀ‌ آماری 1982-1994 در بلغارستان مشخص کرد، آبدهی چشمه‌های کارستی در آبخوان‌های کارستی انتخابی کاهش قابل توجهی داشته است و این منابع در مقابل خشکسالی‌ها آسیب‌پذیر هستند. ما و همکاران[11] (2004) در پژوهشی به ارزیابی واکنش چشمه کارستی شنتو[12] در شمال چین پرداختند و با استفاده از روش تجزیۀ فصلی در بازۀ زمانی 1958 تا 1998 نشان دادند‌ کاهش شدید دبی در چندین دهۀ گذشته به علت کاهش بارش در منطقه بوده است.

فیوریلو و همکاران (2007) به تجزیه و تحلیل آبدهی چشمههای کارستی در منطقۀ ناپل ایتالیا با استفاده از روشهای آماری و سری زمانی پرداختند. آنها بیان کردند ‌کاهش تغذیه به‌علت کاهش بارش سبب کاهش دبی شده است. فیوریلو (2009) به بررسی هیدروگراف چشمه‌ها به‌عنوان یک شاخص خشکسالی در مناطق کارستی جنوب ایتالیا پرداخت. نتایج نشان داد رخداد خشکسالی هواشناسی منجر به خشکسالی هیدرولوژیکی در یک سال بعد میشود.

فیوریلو و همکاران (2010) در بررسی ارتباط بین دبی چشمههای کارستی و بارش با استفاده از روش ارتباط متقابل نشان دادند ارتباط قوی بین کاهش بارش و کاهش دبی وجود دارد.‌ فیوریلو و همکاران (2010) در ارزیابی ارتباط دورههای خشک با دبی چشمهها با استفاده از شاخص SPI در جنوب ایتالیا اظهار داشتند هنگامی که میزان SPI12‌ماهه 1- باشد، کاهش دبی رخ می‌دهد و هنگامی که این میزان به 5/1- برسد، هیدروگراف بدون نقطۀ اوج مشخص است.‌

فیوریلو و همکاران (2012) سری زمانی طولانی‌مدت دبی چشمه را در ارتباط با خشکسالی در چشمههای کارستی جنوب ایتالیا مطالعه کردند. آنها با استفاده از شاخص SPIو شاخص‌های آماری نشان دادند‌ به‌علت وجود حافظه آبخوان، خشکسالی هیدرولوژیکی با تأخیر زمانی نسبت به خشکسالی هواشناسی رخ میدهد.

عابدینی (1389) به بررسی ارتباط خشکسالی و منابع آب کارستی در حوضۀ مهارلوپرداخت. نتایج وی نشان داد نوسانات سطح ایستایی و آبدهی چشمه در آبخوان‌های کارستی مورد مطالعه، مستقل از خشکسالی‌های کوتاه‌مدت‌ و رفتار این آبخوان‌ها بیشتر متأثر از رخداد خشکسالی‌های بلندمدت‌ است.

موقعیت منطقۀ مورد مطالعه

حوضۀ کارستی رودخانه الوند در زون زاگرس چین‌خورده در غرب استان کرمانشاه واقع شده است (شکل1) و از نظر تقسیمات سیاسی بخشهایی از شهرستانهای گیلانغرب، سرپلذهاب، دالاهو و قصرشیرین را در بر می‌گیرد. رخنمون سازندهای کربناته آسماری، آسماری- شهبازان و ایلام و فراهم‌بودن سایر شرایط مؤثر در فرایند کارستزایی، باعث شکلگیری ژئومورفولوژی کارست توسعهیافته در ارتفاعات منطقه و درنتیجه سبب شکلگیری آبخوانهای کارستی و سرابهای متعدد در این حوضه شده است.

بر اساس آمار 45 سال ایستگاه پیران، ماههای بهمن و اسفند با 95 و 92 میلیمتر بارش مرطوب‌ترین و ماه‌های تیر و مرداد بدون‌ بارش هستند. به‌علت زمستانه‌بودن بارش منطقه، درصد قابل توجهی از بارش در ارتفاعات بالای 1500 متری به‌صورت برف نازل می‌شود که این امر تأثیر قابل توجهی بر سیکل هیدرولوژیکی چشمهها دارد. جدول (1) ویژگیهای بارش 45‌ساله ایستگاه پیران و جدول (2) ویژگیهای هیدرولوژیکی چشمههای مورد بررسی را در دورۀ آماری مورد مطالعه نشان میدهند. حداکثر و حداقل دبی چشمههای سراب گرم و ورده‌ناو در ماههای اسفند و مهر و در چشمه ماراب، در فروردین و مهر رخ میدهد.

شکل 1- موقعیت منطقۀ مورد مطالعه

جدول‌ 1- ویژگیهای بارش ایستگاه پیران

چشمه	دبی میانگین	دبی حداکثر	دبی حداقل	ضریب تغییرات
سرابگرم	1827	2805	616	19/1
ورده‌ناو	132	276	58	65/1
ماراب	690	2678	247	52/3

جدول 2- ویژگیهای هیدرولوژیکی چشمه‌های مورد مطالعه

ایستگاه	بارش میانگین	بارش حداکثر	بارش حداقل	میانگین دما
پیران	519	857	195	8/19

مواد و روشها

با توجه به هدف پژوهش، ابتدا سه چشمۀ سرابگرم، وردهناو و ماراب که از نظر اقلیمی‌ شرایط مشابهی دارند و در یک منطقه واقع شدهاند، به‌عنوان چشمه‌های شاخص انتخاب شدند. به‌منظور پایش خشکسالیهای رخ‌داده در ایستگاه بارانسنجی پیران در بازۀ زمانی 45‌ساله، از شاخص SPI استفاده شد. برای ارزیابی تأثیرپذیری دبی چشمهها از نوسانات بارشی و رخداد خشکسالیها از مقایسۀ بارش سالانۀ استاندارد‌شده (معادلۀ 1) و دبی سالانه استاندارد‌شده (معادلۀ 2) استفاده شد. تحلیل روند دبی چشمه‌ها و بارش منطقه با استفاده از روش آماری RAPS[13] یا مجموع جزئی تعدیل‌یافته (معادلۀ 3) انجام شد. برای ارزیابی تأثیر بارش بر رژیم آبدهی چشمهها نیز ابتدا میانگین استاندارد‌شدۀ متوسط سالانۀ دبی و بارش (معادلۀ 4 و 5) محاسبه و سپس با استفاده از معادلۀ (6‌) تأثیرپذیری رژیم آبدهی چشمه‌ها از رخداد خشکسالی مشخص شد. با مقایسۀ دبی میانگین سالانۀ استاندارد‌شده با شاخص (SPI) در مقیاسهای زمانی مختلف 12، 24 و 48‌ماهه، تأثیر خشکسالیهای هواشناسی بر رخداد خشکسالی هیدرولوژیکی در چشمهها‌ ارزیابی شد. از دادههای بارش ماهانۀ ایستگاه بارانسنجی پیران در بازه زمانی 1390-1345 و دبی ماهانۀ ایستگاه‌های هیدرومتری چشمه سرابگرم در بازه زمانی (1390-1362) و چشمههای ماراب و وردهناو در دوره زمانی (1390-1373) به‌عنوان داده‌های اصلی پژوهش بهره گرفته شد. محاسبات آماری و ترسیم نمودارهای مربوطه در محیط نرم‌افرازهای Minitab و Excel انجام شد.

یافته‌های پژوهش

شاخص SPI

مکی و همکاران[14](1993) برای ارزیابی خشکسالی، شاخصSPI[15]را ارائه دادند. این شاخص به‌علت سادگی، استفاده از داده‌های قابل دسترس و قابلیت محاسبه برای مقیاس زمانی دلخواه، مناسبترین نمایه برای تحلیل خشکسالی و تحلیل مکانی آن است (هیس و همکاران[16]؛430،1999) و امکان مطالعۀ وضعیت منابع آب در دوره‌های کوتاه‌مدت و بلندمدت را که در کشاورزی، مطالعات جریان‌های سطحی و آبخوان‌های زیرزمینی دارای اهمیت است، فراهم می‌کند (وو و همکاران[17]؛747،2001). SPIاز اختلاف بارش و میانگین بارش نسبت به انحراف معیار بارش به‌دست می‌آید. این روش از طریق برازش توزیع احتمال مناسب بر سری مجموع بارش‌های ماهانه در بازۀ زمانی معین حاصل‌ و با تبدیل احتمالات تجمعی توزیع گاما به توزیع نرمال استاندارد محاسبه می‌شود که خشکسالی به‌عنوان SPI

جدول 3 - طبقات خشکسالی بر مبنای شاخص SPI (مککی و همکاران 1993)

SPIمقدار	طبقات خشکسالی
0 تا 99/0-	خشکسالی ملایم
-1 تا 49/1-	خشکسالی متوسط
5/1- تا 99/1-	خشکسالی شدید
کمتر از 2-	خشکسالی خیلی شدید

بررسی نمودار شاخص SPI سالانه (شکل2)‌ نشان میدهد‌، دو دوره خشکسالی چهار‌ساله از سال آبی 77-1376 تا80-1379 و یک دورۀ پنج‌ساله از سال آبی 85-1384 تا 89-1388 در منطقۀ مورد مطالعه رخ داده است. دو دورۀ خشک مذکور از نظر تداوم و شدت در دورۀ آماری 45‌ساله بیسابقه هستند. در فاصله‌ زمانی این دو دوره خشک (81-1380 تا 84-1383) بارش نرمال‌ بوده و ترسالی رخ نداده است.

شکل 2- نمودار SPI سالانۀ ایستگاه بارانسنجی پیران

ارزیابی اثر اقلیم بر دبی چشمه‌ها

هیدروگراف چشمههای کارستی، منعکس‌کنندۀ میزان بارش تجمعی در طول یک سال آبی است (فیوریلیو؛2009) که در سال خشک، با تأثیر کاهش بارش، دبی نیز کاهش مییابد. برای استانداردسازی مقادیر بارش سالانه P_i و دبی میانگین سالانه Q_i از معادله‌های (1) و (2) استفاده شد:

معادلۀ (1) Ps =(P_i-µ)/σ

معادلۀ (2) Qs =(Qi-µ)/σ

در این معادلات P_sبارش استاندارد‌شده،Q_s دبی استاندارد‌شده، µ میانگین و σ انحراف معیار سری زمانی بارش و دبی در دوره زمانی مورد نظر هستند. مقایسۀ بارش و دبی استاندارد‌شده سالانه (شکل3) نشان میدهد، دبی هر سه چشمه به کاهش بارش حساس است، اما زمان واکنش به نوسانات بارشی در هر سه چشمه یکسان نیست. در چشمه سرابگرم کاهش بارش و رخداد خشکسالی در طی دوره زمانی 1367 تا 1371 منجر به کاهش دبی شده است، اما بر اثر رخداد خشکسالی سال‌های 1373 تا 1375 دبی استاندارد‌شده به زیر مقدار متوسط (‌صفر) نزول می‌کند. با وقوع ترسالی 76-1375 دبی افزایش یافته‌ و دوباره با رخداد دورۀ خشک اول، دبی استاندارد‌شده در سال 1379 به زیر مقدار متوسط رفته و کمترین مقدار آن نیز در سال 1388 رخ داده است. به‌‌علت کم‌شدن حجم ذخیرۀ دینامیکی (‌کاهش اثر حافظۀ آبخوان) میانگین دبی استاندارد‌شدۀ سالانۀ چشمه سرابگرم از سال 1380 تا 1389 به زیر میانگین افت می‌کند و به این دلیل این چشمه بیشترین تأثیرپذیری را از وقوع خشکسالیها داشته است. واکنش دبی به نوسانات بارش در چشمه سرابگرم همزمان نیست و دارای تأخیر زمانی قابل توجه (حدود‌ 24 ماه) نسبت به نوسانات بارش است. بر اثر رخداد ترسالی 76-1375 و افزایش بارش استاندارد، دبی استاندارد چشمههای ماراب و وردهناو افزایش یافته است. با رخداد دو دورۀ خشک و کاهش بارش، دبی چشمهها کاهش می‌یابد و در سال 1378 پس از رخداد خشکسالی بسیار شدید، میزان دبی استاندارد چشمه‌های ماراب و وردهناو نیز به زیر مقدار متوسط کاهش نزول می‌کند. با نرمال‌شدن بارشها در سال‌های 1380 تا 1385 میزان دبی استاندارد‌شده چشمه‌های ماراب و وردهناو به بیشتر از میزان متوسط برمی‌گردد و دوباره بعد از رخداد خشکسالی خیلی شدید 87-1386، میزان دبی استاندارد به زیر مقدار متوسط نزول می‌کند و به کمترین میزان خود در طول دورۀ آماری می‌رسد. به‌علت کم‌بودن اثر حافظه آبخوان در این آبخوانها، واکنش دبی‌ تأخیر زمانی در حدود 12 ماه دارد و تأثیرات بلندمدت رخداد نوسانات بارشی در این چشمه‌ها کمتر از چشمه سرابگرام است.

شکل (3)- نمودار میانگین استاندارد‌شدۀ سالانۀ دبی و بارش

روندیابی بارش و دبی

روش RAPS یا مجموع جزئی تعدیل‌یافته، برای نمایان‌سازی روند و نوسانات آن در برابر زمان در سریهای زمانی را‌ گربریچت و فرناندز (1994) ابداع کردند و‌ فیوریلو وگادانگو (2010 و 2012) در چشمه‌های کارستی جنوب ایتالیا به‌کار گرفتند. روش RAPS برای هر سری زمانی به شرح زیر تعریف می‌شود:

(معادلۀ 3)‌:

در این معادله میانگین نمونهها،انحراف معیار،تعداد مقادیر سریزمانی ومقدار نهایی شمارنده جمع است. کاهش ارزش مجموع جزئی تعدیل‌یافته()نشان‌دهندۀ روند نزولی و افزایش آن نشان‌دهندۀ روند افزایشی است (فیوریلو و گادانگو؛2278،2012). ارزیابی سری زمانی RAPSدر ایستگاه بارانسنجی پیران و چشمههای مورد مطالعه نشان‌دهندۀ (شکل4) وجود‌ روند افزایشی کلی از سال 1362 تا 1376 و‌ روند کاهشی از سال 1378 تا 1389 است. این روند در نتیجۀ رخداد دورههای طولانی‌مدت کاهش بارش در منطقه است. در مقیاس زمانی چند‌ساله (شکل4)، چندین روند افزایشی و کاهشی در هر یک از چشمهها قابل مشاهده است که بیشتر تحت تأثیر ویژگیهای آبخوان و اثر حافظۀ آن است (جدول4). در ایستگاه باران‌سنجی پیران و چشمه سرابگرم، روندهای افزایشی 1 و کاهشی 1 همزمانی کامل دارد، اما در سایر روندها این همزمانی یکسان نیست. روندهای افزایشی و کاهشی در چشمههای ماراب و ورده‌ناو از نظر زمانی همزمان است، اما با ایستگاه پیران ‌ همزمانی کامل ندارند.

بررسی کلی نمودار RAPS نشان‌دهندۀ‌ روند افزایشی در دوره زمانی1377-1362 و ‌روند کاهشی در سالهای 1389-1378 است. همزمانی این دو دوره در هر سه چشمه و ایستگاه باران‌سنجی یکسان نیست که این امر مربوط به اثر حافظه آبخوانها و همچنین یکسان‌نبودن طول دورۀ آماری است. ‌به‌طورکلی، روند کاهشی کلی رخ‌داده در چشمهها و ایستگاه باران‌سنجی، کاملاً با دو دورۀ خشک (77-1376 تا80-1379) و (85-1384 تا 89-1388) ارتباط دارد و در واقع رخداد این دو دورۀ خشک، باعث ایجاد روند کاهشی در چشمهها شده است (شکل4).

شکل 4- نمودار روند‌یابی بارش و دبی چشمه‌ها در منطقۀ مورد مطالع

جدول 4- نوع روند و زمان رخداد آن در دبی چشمهها و بارش در منطقۀ مورد مطالعه

ایستگاه-چشمه	روند افزایشی 1	روند افزایشی 2	روند کاهشی 1	روند کاهشی 2	روند کاهشی 3	بدونِ روند
پیران	1362-1373	1375- 1377	1374-1376	1377-1381	1385-1389	1381-1385
سرابگرم	1362- 1373	1375- 1380	1374-1376	1380-1389	-	-
ماراب	1373- 1378	1383-1386	1378-1383	1389-1386	-	-
ورده ناو	1373- 1378	1383-1386	1378-1383	1389-1386	-	-

ارزیابی تأثیر بارش بر رژیم آبدهی چشمه‌ها

برای مقایسۀ بارش و رژیم آبدهی چشمهها، متوسط میانگین استاندارد‌شده دبی سالانۀ چشمه و میانگین استاندارد‌شده بارش سالانه، برای هر سال با استفاده از معادلات (4 و 5) محاسبه شد:

معادلۀ 4 : ،

معادلۀ 5 : ،

در این معادلات و به‌ترتیب دبی و بارش استاندارد‌شده و مقادیر در دسترس دبی و بارش برای هر سال است. به‌صورت یک فرض، اگر ارتباط کامل بین بارش سالانه و متوسط دبی سالانۀ چشمه وجود داشته باشد، اختلاف بین () باید صفر باشد (فیوریلو وگادانگو؛2278،2012) که در عمل به‌علت ذخیره‌سازی بارش در آبخوان کارستی و تأثیرپذیری دبی از بارشهای قدیمیتر این اتفاق رخ نمیدهد. برای ارزیابی میزان تأثیرپذیری دبی سالانه از بارش سالانه از معادلۀ 6 استفاده شده است:

معادلۀ 6 :

در چشمه سرابگرم، حداکثر ارزش () که نشان‌دهندۀ تأثیرپذیری دبی از بارش سالانه است، در سال 1362 و حداقل آن در سال 1389 رخ داده است. از سال 1362 تا 1377 ‌روندی نزولی در آبدهی چشمه مشاهده شده است، سپس، از سال 1377 تا 1380روند افزایشی‌ و از سال 1381 تا 1389 نیز روند کاهشی حاکم است. بررسی شکل (5) نشان میدهد،‌ اثر حافظه آبخوان کارستی در تأثیر‌پذیری دبی از بارش نقش اساسی دارد و بعد از رخداد خشکسالی یا ترسالی اثر آن بر دبی دارای تأخیر زمانی است و در دورۀ خشک (1378 تا 1381) به علت حافظه آبخوان و تأثیر ترسالی 1377 میزان () افزایش یافته است. در دورۀ خشک (1385تا 1389)، به علت کم‌شدن تأثیر حافظه آبخوان، میزان () کاهش یافته است و در سال 1389 منفی می‌شود؛ بنابراین تأثیرپذیری دبی از بارش () در طی دو دورۀ خشک به‌علت کاهش تغذیه آبخوان کمتر شده است.

شکل 5- نمودار مقادیر () در چشمه سرابگرم

در چشمههای ماراب و وردهناو حداکثر و حداقل ارزش () به‌ترتیب در سالهای 1377 و 1389رخ داده است (شکل6). حداکثر ارزش () چشمهها منطبق بر ترسالی 1377‌ و نشان‌دهندۀ تأثیر افزایش بارش در میزان تغذیه آبخوان‌هاست. در چشمه ماراب، از سال 1373 تا 1377 ‌روند افزایشی رخ داده‌ است و همزمان با وقوع دورۀ خشک اول، میزان () کاهش یافته است. در دورۀ دوم خشک، مقدار ()کاهش شدید یافته‌ و در سال‌های 1388 و 1389 نیز مقادیر آن منفی شده است که‌ نشان‌دهندۀ تأثیر کاهش بارش بر تغذیۀ آبخوانها و در نتیجه کاهش دبی است. تشریح به‌کار رفته با کمی اختلاف برای چشمه ورده‌ناو قابل تعمیم است. در واقع تأثیرپذیری دبی از بارش در چشمههای ماراب و وردهناو در نوسانات بارشی کوتاه‌مدت بیشتر از سرابگرم است. در نوسانات بارشی درازمدت، به‌علت تأثیرگذاری حافظه آبخوان، چشمه سرابگرم با تأخیر زمانی زیادی به رخداد نوسانات بارشی در سالهای قبل واکنش نشان داده است، در‌حالی‌که دو چشمۀ دیگر‌ تأخیر زمانی کمتری دارند.

شکل 6- نمودار مقادیر () در چشمههای ماراب و وردهناو

ارزیابی ارتباط خشکسالی هواشناسی و خشکسالی هیدرولوژیکی چشمهها

فیوریلو وگادانگو (2012) معتقدند‌ دلیل اصلی خشکسالی هیدرولوژیکی در آبهای زیرزمینی، کاهش بارندگی تجمعی در طی یک دورۀ زمانی بلندمدت است. در سیستمهای کارستی، به‌علت حافظه آبخوان، کمبود بارش در مقیاس ماهانه نمود بارزی در آبدهی آبخوانهای کارستی ندارد. طبق پژوهش‌های پیترز و همکاران[18] (2003)، هیسدال و همکاران[19](2004)، نالبانتیس و تساکریس[20](2009) و فیوریلو وگادانگو (2010)، خشکسالی هواشناسی طولانی‌مدت باعث کاهش سطح پیزومتری و در نهایت کاهش دبی چشمهها‌ و منجر به رخداد خشکسالی هیدرولوژیکی میشود. در این پژوهش برای بررسی ارتباط بین خشکسالی هواشناسی و هیدرولوژیکی از مقایسۀ نمایه SPI‌های 12، 24 و 48‌ماهه و سری زمانی دبی میانگین استاندارد‌شده ماهانه استفاده شده است. در واقع تغییرات مشابه در دبی میانگین استاندارد‌شده ماهانه و نمایه SPIماهانه، امکان مقایسه مستقیم بین بارش و دبی ماهانه را امکان‌پذیر می‌سازد (فیوریلو و گادانگو، 2012: 2280). برای تعیین شدت خشکسالیها از تقسیمبندی مککی و همکاران (2003) استفاده شده است (جدول3). بررسی شکل (7) نشان می‌دهد‌ اختلاف زمانی بین رخداد خشکسالی هواشناسی با خشکسالی هیدرولوژیکی وجود دارد و همچنین شدت خشکسالی هواشناسی با خشکسالی هیدرولوژیکی یکسان نیست. بازتاب خشکسالیهای هواشناسی در خشکسالیهای هیدرولوژیکی در سیستمهای کارستی حوضه رودخانه الوند، عمدتاً به‌صورت خشکسالی‌های ملایم طولانی‌مدت است و در این میان واکنش چشمههای ماراب و وردهناو با واکنش چشمه سرابگرم تفاوت دارد. در چشمههای ماراب و وردهناو، بعد از خشکسالیهای شدید و خیلی شدید 1378،1379 و خشکسالیهای متوسط 1380 و 1381 یک خشکسالی هیدرولوژیکی متوسط در سال1381رخ داده است، در حالی‌که بازتاب این خشکسالیها در چشمه سرابگرم به‌صورت خشکسالی هیدرولوژیکی ملایم است. طی رخداد خشکسالیهای متوسط، خیلی شدید، شدید و متوسط 1385 تا 1389، چشمههای ماراب و ورده‌ناو دو خشکسالی خیلی شدید و شدید و دو خشکسالی متوسط را تجربه کردهاند در حالی که در چشمه سرابگرم یک خشکسالی شدید و یک خشکسالی متوسط هیدرولوژیکی رخ داده است. در این دورۀ خشک، خشکسالی متوسط هیدرولوژیکی در هر سه چشمه غلبه دارد و در بازه زمانی 1377 تا 1389 به‌علت رخداد خشکسالیهای متعدد هواشناسی، خشکسالی‌های هیدرولوژیکی با شدت ملایم در چشمههای کارستی غلبه داشتهاند. ‌اختلاف در واکنش به خشکسالی هواشناسی در چشمهها، به اثر حافظه آبخوان کارستی بستگی دارد.

شکل 7- نمودار مقایسۀ دبی استاندارد‌شده چشمه‌ها و شاخص SPI

بحث و نتیجه‌گیری

تأثیرپذیری رژیم آبدهی چشمههای کارستی از نوسانات بارشی، تحت تأثیر عوامل مختلفی همچون ویژگیهای آبخوان و میزان حافظۀ آن، ویژگیهای ژئومورفولوژی کارست حوضۀ تغذیهکنندۀ آبخوان، ویژگیهای اقلیمی همچون میزان نوسان بارش، زمان کاهش بارش در سال آبی، نوع بارش، میزان تبخیر و دما و ویژگیهای محیطی همچون پوشش گیاهی و خاک بستگی دارد. نوسان شدید در میزان بارش همچون رخداد خشکسالی و ترسالیهای شدید‌ و وقوع دورههای خشک و تر طولانی‌مدت، تأثیر زیادی بر دبی آبخوانهای کارستی دارد و تأثیرات دیگر عوامل مؤثر را کاهش میدهند. مقایسۀ دبی و بارش میانگین استاندارد‌شدۀ سالانه نشان میدهد‌ هر سه چشمه به کاهش بارش حساس بوده است، اما زمان واکنش به کاهش بارش در سه چشمه یکسان نیست. چشمه سرابگرم به‌علت حجم ذخیرۀ دینامیکی بالا و اثر حافظه زیاد آبخوان در مقابل نوسانات یک سال بارش پایدار است. روندیابی بارش و دبی ایستگاه بارانسنجی پیران و چشمههای مورد مطالعه با استفاده از روش RAPS نشان دهندۀ وجود ‌روند افزایشی کلی از سال 1362 تا 1376 و ‌روند کاهشی از سال 1377 تا 1389، در نتیجه رخداد دورههای طولانی‌مدت کاهش بارش در منطقه است. وجود روندهای مختلف در مقیاس زمانی کوتاه‌مدت در چشمهها تحت تأثیر ویژگیهای آبخوان و اثر حافظۀ آن از رخداد نوسانات بارشی کوتاه‌مدت هستند. به این دلیل، بین رخداد روندها در بارش و دبی چشمهها اختلاف زمانی وجود دارد و ‌از سال 1377 به بعد چشمهها دارای روند کاهشی هستند. ارزیابی ارزش () در چشمههای مورد مطالعه نشان‌دهندۀ روند کاهشی است که این امر به معنی کاهش تغذیۀ آبخوانها بر اثر رخداد خشکسالی است و در نتیجه دبی بر اثر رخداد خشکسالی کاهش مییابد. چشمه سرابگرم به‌علت حجم ذخیرۀ دینامیکی بالا و در نتیجه اثر حافظه قوی در مقابل نوسانات بارشی کوتاه‌مدت پایدارتر و دارای زمان تأخیر طولانی نسبت به نوسان بارش است. در چشمههای مورد مطالعه، اختلاف زمانی بین رخداد خشکسالی هواشناسی با خشکسالی هیدرولوژیکی وجود دارد و همچنین شدت آنها یکسان نبوده است و بازتاب خشکسالیهای هواشناسی در خشکسالیهای هیدرولوژیکی عمدتاً به‌صورت خشکسالیهای ملایم طولانی‌مدت است. به‌علت حجم ذخیرۀ دینامیکی (اثر حافظه آبخوان)، رخداد خشکسالی هواشناسی و تأثیر آن در وقوع خشکسالی هیدرولوژیکی در چشمههای مورد مطالعه یکسان نیست و تأثیرپذیری چشمه سرابگرم کمتر از دو چشمۀ دیگر است؛ زیرا حجم ذخیرۀ دینامیکی چشمه سرابگرم بیشتر از دو چشمۀ دیگر است. در نهایت اینکه، چشمههای کارستی مورد مطالعه‌، از‌ نوسانات بارشی تأثیر می‌پذیرد و از 1377 به بعد‌ روند آبدهی نزولی است. تأثیرپذیری این چشمهها از نوسانات بارشی به توسعه‌یافتگی سیستم‌های کارستی، اثر حافظه آبخوان و مدت و شدت رخداد نوسانات بارشی بستگی دارد. رخداد دو دورۀ خشک شدید (77-1376 تا 80-1379 و 85-1384 تا 89-1388) تا حد زیادی اثر حافظه آبخوان را تعدیل می‌کند و باعث غلبۀ خشکسالی هیدرولوژیکی ملایم در چشمهها در بازۀ زمانی 1378 تا 1389 شده است.

[1] - Mishra and Singh ,2010

[2] - Zang et al,2011

[3] - Fiorillo, Guadagno, 2010

[4] - Chen et al, 2004

[5] - Tallaksen and Van Lanen 2004

[6] - Smith and Hunt, 2010

[7] - Fiorillo, 2009

[8] - Gondwe et al (2011)

[9] - Paul et al, 2007

[10] - Orehova

[11] -Ma et al

[12] - Shentou

[13]- Rescaledadjusted partial sums

[14] - Mckee et al,1993

[15] - Standardized Precipitation Index

[16] - Hayes et al., 1999

[17] - Wu et al, 2001

[18] - Peters et al. 2003

[19] - Hisdal et al. 2004

[20] - Nalbantis and Tsakiris, 2009

مراجع

فرج‌زاده، منوچهر، (1384). خشکسالی از مفهوم تا راهکار. انتشارات سازمان جغرافیایی نیروهای مسلح، تهران.

حسن‌زاده، ی.، لطف‌الهی یقین، م. ع.، شاهوردی، س.، فرزین، س.، فرزین، ن، (1391). نویززدایی و پیش‌بینی سری زمانی بر پایه الگوریتم موجک و نظریه آشوب (مطالعۀ موردی: شاخص پایش خشکسالی SPI شهر تبریز)، تحقیقات منابع آب ایران، شمارۀ 3، صص 13-1.

خوش‌اخلاق، فرامرز.، رنجبر، فیروز.، طولابی، سوسن.، مقبل، معصومه.، معصومپور سماکوش، جعفر، (1389). بررسی خشکسالی در سال آبی 1386-87 و اثرات آن بر منابع آب کشاورزی (نمونۀ موردی: شهرستان مرودشت)، مجلۀ جغرافیا، شمارۀ 24، صص 136-119.

عابدینی، م. ح، (1389). ارتباط خشکسالیو منابع آب کارستی (‌مطالعۀ موردی‌: حوضۀ کارستی مهارلو)، پایان‌نامۀ کارشناسی ارشد دانشکدۀ جغرافیا، به‌راهنمایی دکتر قاسم عزیزی، دانشگاه تهران.

Chen, Z., Grasby, S.E., Osadetz, K.G., 2004, Relation between climate variability and groundwater levels in the upper carbonate aquifer, southern Manitoba, Canada, Journal of Hydrology, No. 290, 43–62.

1) Fiorillo, F., 2009, Spring Hydrographs as Indicators of Droughts in a Karst Environment, Journal of Hydrology, Vol. 373, No. 3-4, pp. 290-301

Fiorillo, F., 2009, Spring hydrographs as indicators of droughts in a karst environment, Journal of Hydrology, Vol. 373, No. 3, pp. 290-301.

Fiorillo, F., Guadagno, F. M., 2010, Karst spring discharges analysis in relation to drought periods, using the SPI, Water Resources Management, Vol. 24, No. 9, pp. 1867-1884.

Fiorillo, F., Guadagno, F. M., 2012, Long karst spring discharge time series and droughts occurrence in Southern Italy, Environmental Earth Sciences, Vol. 65, No. 8, pp.2273-2283.

Fiorillo, F., Esposito, L., Guadagno, F. M., 2007, Analyses and forecast of water resources in an ultra-centenarian spring discharge series from Serino (southern Italy), Journal of Hydrology, Vol. 336, No. 1, pp. 125-138.

Garbrecht, J., Fernandez, G. P., 1994, Visualization of Trends And Fluctuations In Climatic Records1, JAWRA Journal of The American Water Resources Association, Vol. 30, No. 2, pp. 297-306.

Gondwe, B., Alonso, G., Gottwein,G., 2011, The influence of conceptual model uncertainty on management decisions for a groundwater-dependent ecosystem in karst, Journal of Hydrology, Vol. 400, pp. 24–40.

Hayes, M. J., Svoboda, M. D., Wilhite, D. A., Vanyarkho, O. V., 1999, Monitoring the 1996 drought using the standardized precipitation index, Bulletin of the American Meteorological Society, Vol. 80, No. 3, pp. 429-438.

Hisdal, H., Tallaksen, L.M., Clausen, B., Peters, E., Gustard, A., 2004, Hydrological drougth characteristics, In: Tallaksen LM and Van

Tallaksen, L,M., Van Lanen, H, A (eds) Hydrological drought: processes and estimation methods for stream flow and groundwater, Elsevier, pp. 139–198.

Ma, T., Wang, Y., Guo, Q., 2004, Response of carbonate aquifer to climate change in northern China: a case study at the Shentou karst springs, Journal of hydrology, Vol. 297, No. 1, pp. 274-284.

McKee, T. B., Doesken, N. J., Kleist, J., 1993, The relationship of drought frequency and duration to time scales, In Proceedings of the 8th Conference on Applied Climatology (Vol. 17, No. 22, pp. 179-183). Boston, MA: American Meteorological Society.

Mishra, A. K., Singh, V. P., 2010, A review of drought concepts, Journal of Hydrology, Vol. 391, No. 1, pp. 202-216.

Nalbantis, I., Tsakiris, G., 2009, Assessment of hydrological drought revisited, Water resources management, Vol. 23, No. 5, pp. 881-897.

Paul Novel, J., Dimadi, A., Zervopoulou, A., Bakalowicz, M., 2007, The Aggitis karst system, Eastern Macedonia,Greece: Hydrologic functioning and development of the karst structure, Journal of Hydrology, Vol. 334, pp. 477– 492.

Peters, E., Torfs, P. J. J. F., Van Lanen, H. A. J., Bier, G., 2003, Propagation of drought through groundwater—a new approach using linear reservoir theory, Hydrological processes, Vol. 17, No. 15, pp. 3023-3040.

Smith, B.A, Hunt, B.B., 2010, A comparison of the 1950s drought of record and the 2009 drought, Barton Springs segment of the Edwards Aquifer, Central Texas, Gulf Coast Assoc Geol Soc Trans, VOL. 60: pp. 611–622

Tallaksen, L.M., Van Lanen, H.L.J., 2004, Drought as a natural hazard. In: (eds) Hydrological drought: processes and estimation methods for stream flow and groundwater, Elsevier, , 579 pp.

Wu, H., Hayes, M. J., Weiss, A., Hu, Q., 2001. An evaluation of the Standardized Precipitation Index, the China‐Z Index and the statistical Z‐Score, International journal of climatology, Vol. 21, No. 6, pp. 745-758.

Zhang, Q., Li, J., Singh, V. P., Bai, Y., 2012, SPI-based evaluation of drought events in Xinjiang, China, Natural hazards, Vol. 64, No. 1, pp. 481-492.

Orehova, T., 2004, Comparative Estimate of Resistance to Drought for Selected Karstic Aquifers in Bulgaria, International Journal of Speleology, Vol. 33, No. 1-4, pp.73-79.