پایش و تحلیل تاثیر متغیرهای جوی و فعالیت انسانی در تغییرات پهنه آبی سد کجکی با استفاده از شاخص‌های نوین ماهواره‌ای

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار، گروه مهندسی آب، مجتمع آموزش عالی میناب، دانشگاه هرمزگان، بندرعباس، ایران

2 استادیار، گروه کشاورزی، دانشگاه پیام نور، گروه منابع آب، موسسه بین المللی تالاب هامون، پژوهشکده زابل، ایران

چکیده

مقدمه: مناطق خشک و نیمه‌خشک تحت تأثیر تغییرات اقلیمی و فعالیت‌های انسانی قرار دارند که پایش دقیق و مستمر تغییرات سطح آب مخازن را به ضرورتی اجتناب‌ناپذیر تبدیل کرده است. مطالعه حاضر با هدف تفکیک کمّی و ارزیابی سهم نسبی عوامل اقلیمی و فعالیت‌های انسانی بر تغییرات سطح دریاچه سد کجکی در افغانستان و پیامدهای آن بر رودخانه هیرمند در جنوب ایران طی دهه اخیر (2023-2013) انجام شده است. سد کجکی در افغانستان، با ظرفیت ۴/۱ میلیارد مترمکعب، از اهمیت ویژه‌ای در تأمین نیازهای آبی و حفظ اکوسیستم حوزه هیرمند برخوردار است، اما به طور هم‌زمان تحت فشار دوگانه عوامل اقلیمی و عوامل انسانی قرار گرفته است.

روش کار: در این پژوهش، از داده‌های سنجنده‌های OLI/TIRS لندست-۸ (45 تصویر) و MSI سنتینل-۲ (62 تصویر) استفاده شد. هم‌زمان‌سازی تصاویر با استفاده از پنجره زمانی ±15 روزه و انتخاب تصاویر با پوشش ابر کمتر از 10 درصد انجام گردید. مراحل پیش‌پردازش، شامل تصحیح اتمسفری و حذف ابر، با به‌کارگیری الگوریتم‌های SREM و Sen2Cor انجام پذیرفت. یازده شاخص طیفی با استفاده از معادلات اختصاصی، با تمرکز بر پردازش ابری در پلتفرم گوگل ارث انجین (GEE) به‌منظور تحلیل دقیق محاسبه گردید. استخراج پهنه آبی با روش Otsu و درخت تصمیم (با ۳۰۰ نمونه آموزشی) صورت گرفت. ارزیابی با معیارهای RMSE, R², NS, MAE و اعتبارسنجی K-Fold انجام شد. داده‌های اقلیمی از ERA5 و برداشت میدانی از 50 نقطه کنترل زمینی شامل مرز آب-خشکی، نواحی کم‌عمق و عمیق آبی با استفاده از دستگاه GPS بادقت±3 متر جمع‌آوری شد. از تجزیه و تحلیل‌های سری زمانی برای ارزیابی روندهای بلندمدت در دینامیک سطح آب و تفکیک کمی تأثیرات عوامل اقلیمی (بارش، دما و تبخیر و تعرق واقعی) و فعالیت‌های انسانی (گسترش کشاورزی، ساخت سد جدید و بهره‌برداری از مخزن) بر تغییرات سطح آب استفاده شد.

نتایج و نتیجه گیری: نتایج شاخص‌های طیفی در پایش دینامیک پهنه آبی سد نشان داد شاخص S2WI بهترین دقت را با ضریب تعیین 96/0 و RMSE برابر 46/1 و NS برابر 96/0 در تشخیص سطح آب نشان داد. این شاخص توانایی بالایی در تفکیک آب از سایر پوشش‌های زمینی و کاهش خطاهای ناشی از پوشش گیاهی و خاک داشت. تحلیل عملکرد سنجنده‌های لندست و سنتینل-۲ نشان داد هر دو سنجنده توانایی مناسبی در پایش سطح آب نشان دادند ولی Sentinel-2 به دلیل دقت مکانی بالاتر و بازه زمانی گذر کوتاه‌تر، عملکرد بهتری به ویژه در تشخیص تغییرات کوتاه‌مدت ارائه کرد. مطالعات چندزمانه تطبیقی کارایی شاخص‌های طیفی ماهواره سنتینل-2 نشان داد شاخص‌هایی همچون S2WI و MNDWI امکان ردیابی دقیق تغییرات سطح آب را به خوبی فراهم می‌آورند. شاخص S2WI با کاهش نویز ناشی از پوشش گیاهی و سایر عوامل محیطی، مناسب‌ترین شاخص برای تحلیل دینامیک پهنه آبی شناخته شد. مساحت سطح آب مخزن از 48/32 به 18/22 کیلومترمربع رسیده که با نرخ سالانه 5/4 درصد کاهش یافته است.

تحلیل رگرسیونی چندمتغیره نشان داد که کاهش جریان و پهنه آبی سد کجکی ناشی از اثر هم‌زمان عوامل اقلیمی و انسانی است، به‌طوری‌که حدود 60٪ از این کاهش به عوامل اقلیمی شامل بارندگی سالانه با میانگین 8/196 میلی‌متر و ضریب تغییرات 42%= CV و نوسانات شدیدی و از نظر آماری غیرمعنادار (3/3+ میلی‌متر در سال)؛ میانگین دمای سطح زمین 63/22 درجه سانتی‌گراد را با نوسانات قابل توجه و روند کاهشی جزئی و تبخیر–تعرق واقعی با میانگین سالانه 1,432 میلی‌متر و همبستگی بالا با بارندگی (85/0r >) که بیانگر رژیم محدودکننده آبی منطقه است، نسبت داده می‌شود. سهم 40٪ فعالیت‌های انسانی شامل افزایش سطح زیر کشت، احداث سازه‌های کنترلی متعدد در بالادست و تغییر در رژیم بهره‌برداری است، که نشان می‌دهد کاهش جریان ورودی به مخزن سد را نمی‌توان صرفاً به تغییرات اقلیمی نسبت داد. این کاهش مداوم، پیامدهای شدید اقتصادی، زیست‌محیطی (نابودی تالاب هامون) و اجتماعی (مهاجرت) به دنبال داشته است.استفاده از داده‌های چندحسی ماهواره‌ای و پردازش ابری در محیط Google Earth Engine امکان پایش دقیق و تکرارپذیر این تغییرات را فراهم کرده و مبنایی کمی برای تفکیک نقش عوامل اقلیمی و انسانی در مدیریت بحران آب حوضه هیرمند ارائه می‌دهد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Monitoring and Analyzing the Impacts of Climatic Variables and Human Activities on Water Extent Changes of Kajaki Dam Reservoir Using Advanced Satellite Spectral Indices

نویسندگان [English]

  • Maryam Heydarzadeh 1
  • Hadi Siasar 2
1 Assistant professor, Department of Water Engineering, Faculty of Agriculture, Minab Higher Education Center, University of Hormozgan. Iran.
2 Assistant Professor of Agricultural, University of Payam Noor(PNU); Department of Water Resources, Hamon International Wetland Institute, Research Institute of Zabol, Iran.
چکیده [English]

Introduction: Arid and semi-arid regions are highly vulnerable to both climatic variability and human activities, making continuous and accurate monitoring of reservoir water levels an indispensable task. This study aimed to quantitatively separate and evaluate the relative contributions of climatic and anthropogenic factors to water-level changes at Kajaki Dam, Afghanistan, and to assess the downstream impacts on the Helmand River in southern Iran over the past decade (2013–2023). Kajaki Dam, with a storage capacity of 1.4 billion cubic meters, plays a crucial role in meeting water demands and sustaining the Helmand River ecosystem.

Methods: This research employed multi-sensor satellite imagery, including 45 Landsat-8 OLI/TIRS and 62 Sentinel-2 MSI images. Images were temporally synchronized within a ±15-day window, and only images with less than 10% cloud cover were selected. Preprocessing steps, including atmospheric correction and cloud removal, were performed using SREM and Sen2Cor algorithms. Eleven spectral indices were computed using customized equations and cloud-based processing on the Google Earth Engine (GEE) platform to enable high-precision analysis. Water extent was extracted using Otsu thresholding and decision tree classification with 300 training samples. Evaluation metrics included RMSE, R², Nash–Sutcliffe efficiency (NS), MAE, and K-Fold cross-validation. Climatic data were sourced from ERA5, and in situ measurements were collected at 50 ground control points, including water–land boundaries and shallow and deep water areas, using GPS with ±3 m accuracy. Time-series analyses were employed to assess long-term trends in water surface dynamics and to quantitatively separate the impacts of climatic factors (precipitation, temperature, and actual evapotranspiration) and human activities (agricultural expansion, new dam constructions, and reservoir operation) on water level changes.

Results an con colousion: Spectral index analysis revealed that the S2WI index provided the highest accuracy in monitoring water extent, with R² = 0.96, RMSE = 1.46 km², and NS = 0.96. This index effectively distinguished water from other land cover types while reducing errors caused by vegetation and soil. Comparative analysis of Landsat-8 and Sentinel-2 sensors indicated that both were capable of monitoring water surface changes; however, Sentinel-2 outperformed Landsat-8 due to its higher spatial resolution and shorter revisit interval, particularly for capturing short-term dynamics. Multi-temporal comparative studies confirmed that indices such as S2WI and MNDWI can accurately track changes in water extent. The water surface area of Kajaki Dam declined from 32.48 km² in 2014 to 22.18 km² in 2021, representing a 31.7% total reduction and an average annual decrease of approximately 4.5%.

Multivariate regression analysis indicated that the combined effects of climatic and anthropogenic factors drove reductions in water extent and inflow. Approximately 60% of the decrease was attributed to climatic variables, including an annual precipitation averaging 196.8 mm with high interannual variability (CV = 42%) and a statistically non-significant upward trend of 3.3 mm/year; mean land surface temperature of 22.63°C with notable fluctuations and a slight decreasing trend; and actual evapotranspiration averaging 1,432 mm/year, strongly correlated with precipitation (r > 0.85), indicating a water-limited regime. The remaining 40% was associated with human activities, including the expansion of irrigated agriculture, the construction of multiple upstream control structures, and alterations in reservoir operation, demonstrating that water inflow reductions cannot be attributed solely to climatic changes. This ongoing decline is causing severe economic, environmental (destruction of the Hamoun Wetland) and social (migration) impacts.

The integration of multi-sensor satellite data with cloud-based processing on GEE enabled precise, repeatable monitoring of water dynamics. It provided a quantitative framework for separating the contributions of climatic and anthropogenic drivers. These findings offer a robust basis for future water resource management in the Helmand River basin, supporting adaptive strategies to mitigate the impacts of both environmental variability and human interventions.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Google Earth Engine
  • S2WI index
  • Kajaki Dam
  • WI2 index
  • SREM algorithm
  • Sen2Cor algorithm