ارزیابی نوین خشکسالی هیدرولوژیکی در حوضه‌های آبریز فلات مرکزی ایران با استفاده از محصول جدید ذخیره آب زیرزمینی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه جغرافیا، دانشکده ادبیات و علوم انسانی، دانشگاه رازی، کرمانشاه، ایران

2 موسسه فناوری کارلسروهه (KIT)، کارلسروهه، آلمان

چکیده

چکیده

سابقه و هدف: خشکسالی آب زیرزمینی، به‌معنای تداوم کمبود در ذخیره آب زیرزمینی، یکی از زیرگروه‌های مهم خشکسالی هیدرولوژیکی است که بر آب شرب، آبیاری و صنعت اثر مستقیم دارد. فلات مرکزی ایران به‌دلیل تغییرپذیری اقلیم و افزایش تقاضا با تنش آبی مزمن مواجه است. در این پژوهش، وضعیت خشکسالی آب زیرزمینی و روند بلندمدت ناهنجاری‌های ذخیره آب زیرزمینی (GWSA)در حوضه‌های فلات مرکزی با بهره‌گیری از محصول ماهواره‌ای G3P، بر پایه داده‌های گرانشی GRACE/GRACE-FO با تفکیک مکانی 0.5 درجه و دوره ماهانه از آوریل ۲۰۰۲ تا سپتامبر ۲۰۲۳، ارزیابی می‌شود. استفاده از محصول ماهواره‌ای جدیدG3P می‌تواند هزینه‌های پایش میدانی را کاهش داده و به جای اتکا به داده‌های محدود مشاهداتی، تصویری جامع‌تر از وضعیت آب زیرزمینی نشان دهد. حوضه آبریز فلات مرکزی ایران به دلیل تغییرات اقلیمی و کاهش منابع آب قابل دسترس از یک سو و افزایش جمعیت و به تبع آن افزایش تقاضا از سوی دیگر با بحران شدید آب مواجه است. با توجه به آن‌که منابع آب زیرزمینی سهم عمده‌ای در تأمین آب شرب، کشاورزی و صنعت در این منطقه خشک و نیمه‌خشک دارد، بررسی دقیق تغییرات آن از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است.

مواد و روش‌ها: برای تحلیل تغییرات آب زیرزمینی از داده‌های ماهواره‌ای G3P استفاده شد. این داده‌ها از وب‌سایت G3P Data Portal برای دوره 16/4/2002 تا 16/9/2023 استخراج شدند. داده‌های G3P بر پایه مشاهدات جاذبه‌ای ماهواره‌های GRACE و GRACE-FO تهیه شده‌اند و به صورت ماهانه با رزولوشن مکانی 0.5 درجه(50 کیلومتر) منتشر می‌شوند. G3P با استفاده از داده‌های میدانی و بازتحلیل‌شده مانند GLDAS، مؤلفه‌های سطحی ذخیره آب شامل رطوبت خاک، آب سطحی، برف و یخ و پوشش گیاهی را برآورد کرده و سپس حجم آب زیرزمینی را با استفاده از معادله موازنه آب محاسبه می‌کند. با استفاده از برنامه پایتون و اکسل شاخص‌های GWSA و GDI پردازش شد. در این مطالعه: (۱) روند زمانی GWSA میانگین-حوضه‌ای (بر حسب میلی‌متر ارتفاع معادل آب) و (۲) شاخص خشکسالی آب زیرزمینی (GDI) بر پایه نرمال‌سازی ناهنجاری های ماهانه نسبت به اقلیم مرجع محاسبه شد تا آغاز، تداوم و شدت خشکسالی تعیین شود.

نتایج و بحث: حوضه‌های فلات مرکزی طی دوره ۲۰۰۲ - ۲۰۲۳ روند منفی و معنی‌دار GWSA و شاخص خشکسالی GDIرا نشان می‌دهند؛ شدت کاهش از حدود سال ۲۰۱۱ آغاز و پس از سال ۲۰۱۶ تشدید شده است. از نظر مکانی، بیشترین کاهش‌ها در زیربخش‌های جنوبی و مرکزی، برای نمونه: ابرقو–سیرجان، طشک–بختگان–مهارلو و ناحیه دره انجیر و همچینین استان‌های یزد، کرمان، اصفهان و شمال فارس، قابل توجه‌ است، در حالی‌که زیربخش‌های شمالی (سمنان، تهران و بخش‌هایی از خراسان) روندهای منفی ملایم‌تری دارند. از نظر فصلی، کمبودها در اواخر زمستان تا بهار برجسته‌تر است که با الگوی بارش و دوره‌های اوج برداشت سازگار است. شاخص GDI وقوع دوره‌های مکرر و طولانی خشکسالی آب زیرزمینی را در یک دهه اخیر تأیید می‌کند. براساس نتایج ماه‌های ژانویه، فوریه، مارس، آوریل، می، ژوئن و دسامبر دارای روند منفی هستند. ماه فوریه با منفی 66.81 میلی‌متر ، ماه مارس با منفی 65.78 میلی‌متر و ماه ژانویه با منفی 54.76 میلی‌متر به ترتیب دارای بیشترین روند منفی هستند. حوضه آبریز دریاچه نمک با میانگین منفی 2.21 میلی‌متر و حوضه آبریز ابرقو-سیرجان با منفی 22.21 میلی‌متر به ترتیب کمترین و بیشترین روند کاهشی را در طی دوره مورد مطالعه داشته‌اند.

نتیجه گیری: ذخیره آب زیرزمینی در سراسر فلات مرکزی ایران از 2002 تاکنون به‌طور پیوسته کاهش یافته و پس از 2016 به طور قابل توجهی تشدید شده است. عدم وجود هرگونه روند مثبت پایدار، نشان دهنده بحران طولانی مدت تخلیه آب‌های زیرزمینی، به ویژه در حوضه‌های جنوبی و مرکزی است. استفاده معمول از GWSA ماهواره‌ای، نظارت مقرون به صرفه و در مقیاس حوضه را برای پشتیبانی از هشدار زودهنگام خشکسالی و برنامه‌ریزی راهبردی منابع آب در محیط‌های با داده‌های محدود ارائه می‌دهد. داده‌ها نشان می‌دهند که تمامی مناطق این حوضه با کاهش مستمر سطح و ذخیره‌ی آب زیرزمینی مواجه شده‌اند. شدت این کاهش در بخش‌های جنوبی و مرکزی حوضه، شامل استان‌های یزد، کرمان، اصفهان و شمال فارس، قابل توجه‌ است. مناطق شمالی‌تر همچون سمنان، تهران و بخش‌هایی از خراسان نیز روند کاهشی داشته‌اند، هرچند شدت آن نسبت به بخش‌های مرکزی و جنوبی کمتر است. نتایج نشان می‌دهد که حوضه‌های ابرقو-سیرجان، طشک-بختگان-مهارلو و کویر دره انجیر با نزولی‌ترین وضعیت مواجه هستند.

واژه‌های کلیدی: ذخیره آب زیرزمینی، خشکسالی، حوضه‌آبریز، فلات مرکزی ایران، G3P

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

A Novel Assessment of Hydrological Drought in the Central Plateau Basins of Iran Using the New Groundwater Storage Product

نویسندگان [English]

  • Hamidreza sadeghi 1
  • amanollah fathnia 1
  • Ehsan Sharifi 2
1 Department of Geography, Faculty of Literature and Humanities, Razi University, Kermanshah, Iran
2 Karlsruhe Institute of Technology (KIT), Karlsruhe, Germany
چکیده [English]

Abstract

Background and Objective: Groundwater drought, defined as the persistent deficit in groundwater storage, is a major subcategory of hydrological drought that directly affects drinking water, irrigation, and industry. The Central Plateau of Iran faces chronic water stress due to climate variability and increasing demand. This study evaluates groundwater drought conditions and the long-term trend of groundwater storage anomalies (GWSA) across the Central Plateau basins using the G3P satellite product, based on GRACE/GRACE-FO gravity data with a spatial resolution of 0.5° and monthly coverage from April 2002 to September 2023. Employing the new G3P product can reduce field monitoring costs and, instead of relying on limited observational data, provide a more comprehensive picture of groundwater status. The Central Plateau is facing a severe water crisis due to both climate change and declining available water resources on one hand, and population growth with increasing demand on the other. Considering the key role of groundwater resources in supplying drinking water, agriculture, and industry in this arid and semi-arid region, precise assessment of their changes is of critical importance.

Materials and Methods: Groundwater variations were analyzed using G3P satellite data, retrieved from the G3P Data Portal for the period 16 April 2002 to 16 September 2023. G3P data are derived from GRACE and GRACE-FO satellite gravity observations and provided monthly with a spatial resolution of 0.5° (~50 km). By integrating field and reanalysis datasets such as GLDAS, G3P estimates surface water storage components—including soil moisture, surface water, snow and ice, and vegetation—then calculates groundwater volume using the water balance equation. Python and Excel were used to process GWSA and the Groundwater Drought Index (GDI). In this study: (1) basin-averaged GWSA time series (in millimeters of water equivalent) and (2) the GDI, based on normalization of monthly anomalies relative to the reference climatology, were calculated to determine the onset, duration, and severity of groundwater drought.

Results and Discussion: The Central Plateau basins of Iran exhibited a significant negative trend in both GWSA and GDI during 2002–2023. The decline intensified from around 2011 and worsened after 2016. Spatially, the most pronounced decreases occurred in southern and central sub-basins such as Abarkooh–Sirjan, Tashk–Bakhtegan–Maharloo, and the Darreh Anjir desert, as well as in the provinces of Yazd, Kerman, Isfahan, and northern Fars. In contrast, northern sub-basins (Semnan, Tehran, and parts of Khorasan) showed milder negative trends. Seasonally, deficits were most notable from late winter through spring, aligning with precipitation patterns and peak withdrawal periods. The GDI confirmed recurrent and prolonged groundwater drought episodes in the past decade. Months of January, February, March, April, May, June, and December exhibited negative trends, with February (–66.81 mm), March (–65.78 mm), and January (–54.76 mm) recording the steepest declines. Among the basins, the Salt Lake watershed showed the lowest decline (–2.21 mm), while Abarkooh–Sirjan experienced the steepest decrease (–22.21 mm) during the study period.

Conclusion: Groundwater storage across the Central Plateau of Iran has declined continuously since 2002 and has intensified markedly since 2016. The absence of any sustained positive trend highlights a prolonged crisis of groundwater depletion, particularly in the southern and central basins. Routine use of satellite-based GWSA offers cost-effective, basin-scale monitoring to support early drought warning and strategic water resource planning in data-scarce environments. The findings demonstrate that all regions of the Plateau are experiencing persistent groundwater decline, with the most severe reductions in Yazd, Kerman, Isfahan, and northern Fars, while northern regions such as Semnan, Tehran, and parts of Khorasan also show decreasing trends, albeit less severe. The Abarkooh–Sirjan, Tashk–Bakhtegan–Maharloo, and Darreh Anjir basins are facing the steepest declines.

Keywords: Groundwater storage, drought, watershed, Central Plateau of Iran, G3P

کلیدواژه‌ها [English]

  • Groundwater storage
  • drought
  • watershed
  • Central Plateau of Iran
  • G3P