Journal of Watershed Management Research

fa ارزیابی اثرات تغییر اقلیم و بهینه سازی الگوی کشت بر پایداری منابع آب دشت روانسر-سنجابی استان کرمانشاه Assessment of the Impact of Climate Change and Optimization of Cropping Patterns on the Sustainability of Water Resources in the Ravansar-Sanjabi Plain, Kermanshah Province مديريت حوزه های آبخيز مديريت حوزه های آبخيز پژوهشي Research چکیده مبسوط مقدمه و هدف: منابع آب زیرزمینی نقش عمده‌ای در توسعه کشاورزی، صنعتی و بهداشتی دارند. بهره‌برداری بیش از حد، به&lrm;دلیل سهولت دست‌یابی به این منابع، باعث پایین آمدن سطح ایستابی در سفره آب و نابودی ذخایر زیرزمینی می‌گردد. از طرفی، آب اثرات معنی‌داری بر روی ثبات کشاورزی و تولید دارد. اثرات تغییر اقلیم بر مدیریت بهینه منابع آب و خاک به &lrm;عنوان موضوعی چالش &lrm;برانگیز در بسیاری از مناطق خشک دنیا مطرح است. از این&lrm; رو، هدف از این پژوهش، ارزیابی اثرات تغییر اقلیم بر آبخوان دشت روانسر&lrm; سنجابی و تخصیص بهینه اراضی به محصولات موجود در الگوی کشت برای دست‌یابی به بیشترین سود در راستای مدیریت بهینه منابع آب و حفاظت از خاک است. مواد و روش&lrm;ها: محدوده مطالعاتی روانسر &lrm;سنجابی در غرب ایران یک آبخوان آزاد است که دارای ضخامت متوسط 70 متر و همچنین، تراز سطح آب زیرزمینی در محدوده‌ای بین ۱۳۱۷ تا ۱۳۵۲ متر از سطح آب‌های آزاد قرار دارد که این تغییرات به &lrm;ترتیب از نواحی جنوب‌غربی به سمت مناطق شرقی مشاهده می‌شوند. جریان سطحی اصلی این دشت رودخانه قره&lrm;سو است. مسئله بهینه‌سازی با استفاده از مدل برنامه‌ریزی خطی سیمپِلکس و به&lrm; کمک نرم &lrm;افزار Lingo (V.11)، برای سه سناریوی مدیریتی و سه سناریوی اقلیمی مدل&lrm;سازی، تحلیل و آنالیز گردید. به کمک نرم &lrm;افزار WEAP شبیه&lrm;سازی منابع و مصارف (شرب، کشاورزی و محیط&lrm; زیست) موجود در دوره آماری (2006-2019) مورد بررسی قرار گرفت. به جهت بررسی اثرات هیدرولوژیکی تغییراقلیم بر منابع آب سطحی، از مدل&lrm; بارش&lrm;رواناب IHACRES (V2.1) برای شبیه&lrm;سازی رواناب دوره آتی رودخانه قره&lrm;سو در محدوده روانسر &lrm;سنجابی استفاده شد. در ادامه، به‌منظور بررسی اثر تغییر اقلیم روی منابع آب زیرزمینی، خروجی&lrm;های مدل ریزمقیاس نمایی LARS-WG تحت سناریوهای RCP 2.6، RCP 4.5 و RCP 8.5 برای بازه&lrm; زمانی آتی 2040-2021 مورد استفاده قرار گرفتند. مدل LARS-WG با استفاده از آمار روزانه سال&lrm; های 1986-2005 ایستگاه موردنظر اجرا گردید. یافته&lrm;ها: نتایج بخش برنامه&lrm;ریزی خطی نشان دادند که در کلیه سناریوهای مدیریتی و اقلیمی، به جز محصولات پیاز، نخود دیم، باغ، سبزیجات و یونجه، بقیه محصولات از الگوی کشت منطقه حذف گردیدند. بیشترین تغییر مشاهده&lrm; شده در جایگزینی نخود&lrm; دیم به &lrm;جای گندم دیم و پیاز به &lrm;جای گندم آبی است. هم&lrm;چنین، تغییر الگوی کشت زراعی در دشت روانسر &lrm;سنجابی با رعایت کلیه محدودیت&lrm;های موجود در منطقه، در همه سناریوها، سبب افزایش سود تولید (3/54) نسبت به وضعیت موجود می&lrm;شود. طبق نتایج شبیه&lrm;سازی محدوده مورد مطالعه توسط نرم&lrm;افزار WEAP، در طول دوره آماری (2006-2019) نیاز شرب به &lrm;صورت کامل تأمین می&lrm;گردد و نیاز کشاورزی محدوده در اغلب سال&lrm;های دوره آماری با کمبود تأمین مواجه است که علت آن کاهش منابع آب سطحی رودخانه قره&lrm;سو است. نتایج اثر تغییر اقلیم بر تراز آب زیرزمینی نشان دادند که در تمام ماه‌ها حدود 20 الی 60 سانتی‌متر کاهش داشت. بررسی نتایج میانگین ماهانه دمای حداقل در دوره پایه (1986-2005) و دوره آتی (2021-2040) نشان داد که مقدار دمای حداقل در دوره آتی نسبت به دوره پایه در مدل&lrm;های پیش&lrm;بینی اقلیمی HadGEM2-ES، CanESM2 و CSIRO-MK3-6-0 تحت هر سه سناریو (RCP2.6، RCP4.5 و RCP8.5) انتشار افزایش داشته است و هم&lrm;چنین میانگین ماهانه دمای حداکثر در تمامی&lrm; ماه&lrm;ها روند افزایشی داشته است که انتظار می&lrm;رود دمای حداکثر افزایش بیشتری نسبت به دمای حداقل در دوره آتی (2021-2040) نسبت به دوره پایه داشته باشد. مطابق با نتایج ارزیابی بارش، در هر سه مدل اقلیمی منتخب، سناریو انتشار RCP8.5 بیشترین کاهش بارندگی و سناریو انتشار RCP2.6 کمترین کاهش بارندگی را دارند. نتیجه&lrm;گیری: با توجه به نتایج حاصل از سناریوهای اقلیمی تعریف‌ شده در این پژوهش، می‌توان نتیجه گرفت که سیاست‌گذاران و مدیران منابع می‌توانند از این تحقیق به‌عنوان منبعی ارزشمند برای توسعه، بهره‌برداری و مدیریت پایدار منابع آب و خاک در چارچوب مدیریت جامع حوضه آبخیز بهره‌برداری نمایند. در نهایت، به &lrm;منظور بهبود وضعیت آب زیرزمینی و افزایش حداکثری سود حاصل از کشاورزی، چندین سناریو با هدف کاهش برداشت از آبخوان و تثبیت منابع آب زیرزمینی تدوین شدند. نتایج شبیه &lrm;سازی آب زیرزمینی توسط مدل MODFLOW برای دو سال از آبان 89 تا آبان 91 نشان می &lrm;دهند که ادامه این روند موجب بحران&lrm; های جدی خواهد شد. نتایج مدل یکپارچه نیز نشان می &lrm;دهند که با ادامه وضع موجود 15 تا 25 درصد از نیازهای کشاورزی در ماه&lrm;های خرداد تا شهریور تامین نخواهند شد که در صورت لحاظ نمودن اثر تغییر اقلیم، این کمبود حدود 1 تا 3 درصد در طول بلند&lrm;مدت بیشتر خواهد شد. نتایج بخش مدل بهینه حاکی از آن بودند که در کلیه سناریوهای مدیریتی و اقلیمی، به جز محصولات پیاز، نخود دیم، باغ، سبزیجات و یونجه، بقیه محصولات از الگوی کشت منطقه حذف شوند. نتایج نشان می &lrm;دهند که تغییر الگوی کشت زراعی در دشت روانسر &lrm;سنجابی با رعایت کلیه محدودیت&lrm;های موجود در منطقه، در همه سناریوها، سبب افزایش سود تولید نسبت به وضعیت موجود می&lrm;شود. در صورت اجرای مدل بهینه &lrm;سازی و کاهش برداشت از آبخوان از 20 درصد تا 50 درصد، کشاورزان می &lrm;توانند به سود بیشتری نسبت به وضع موجود برسند. این نشان می&lrm;دهد که برای دستیابی به کشاورزی پایدار، الگوی کشت منطقه نیازمند تغییرات است.   Extended Abstract Background: Groundwater resources play an important role in the development of agriculture, industry, and health. Due to the easy access to these resources, overexploitation lowers the water table and depletes groundwater reserves. On the other hand, water has a significant impact on agricultural stability and production. The impact of climate change on the optimal management of water and soil resources is a challenging issue in many arid regions of the world. Therefore, this study aims to evaluate the effects of climate change on the Ravansar-Sanjabi Plain aquifer and to optimally allocate land to crops in the cropping pattern to achieve the highest profit in line with the optimal management of water resources and soil conservation. Method: The Ravansar-Sanjabi study area in western Iran is an open aquifer with a thickness of about 70 meters, and the water table varies between 1317 and 1352 m from the open water table from the southwestern to the eastern parts. The main surface flow of this plain is the Qarasu River. The optimization problem was modeled, analyzed, and solved using the simplex linear programming model and Lingo software (V.11) for three management scenarios and three climate scenarios. The WEAP software was used to simulate the resources and uses (drinking, agricultural, and environmental) in the statistical period 2006-2019. To study the hydrological effects of climate change on surface water resources, the IHACRES precipitation-runoff model (V2.1) was used to simulate the future runoff of the Qarasu River in the Ravansar-Sanjabi area. To study the effect of climate change on groundwater resources, the results of the LARS-WG exponential downscaling model were used under RCP 2.6, RCP 4.5, and RCP 8.5 scenarios for the future period of 2021-2040. The LARS-WG model was implemented using daily statistics from the years 1986-2005 of the station in question. Results: The results of the linear programming section showed that, except for onion, rainfed chickpea, orchard, vegetables, and alfalfa, the rest of the crops were removed from the cropping pattern of the region in all management and climate scenarios. The most observed change was the substitution of rainfed chickpea for rainfed wheat and onion for irrigated wheat. Moreover, changing the cropping pattern in the Ravansar-Sanjabi Plain, while observing all the constraints in the region, increases the production profit (x ̅=3.54) in all the scenarios compared to the current situation. The results of the simulation of the study area by WEAP software showed that the drinking water demand was fully met during the statistical period 2006-2019, and the agricultural demand of the area faced a shortage of supply in most of the statistical period years, which was due to a decrease in the surface water resources of the Qara Su River. The results of the effect of climate change on the groundwater level showed that it decreased by about 20 to 60 cm in all months. The results of the monthly average minimum temperature in the base period (1986-2005) and the future period (2021-2040) showed an increase in the minimum temperature in the future period compared to the base period in the HadGEM2-ES, CanESM2, and CSIRO-MK3-6-0 climate prediction models under all three emission scenarios. The monthly average maximum temperature in all months also showed an increasing trend, which is expected to have a greater increase than the minimum temperature in the future period (2021-2040) than in the base period. The results of the precipitation assessment showed that the RCP8.5 emission scenario had the highest precipitation reduction and the RCP2.6 emission scenario had the lowest precipitation reduction in all three selected climate models. Conclusion: According to the results obtained from the climate scenarios defined in the study, it can be concluded that policymakers and managers should use the present study as a reference for the development, exploitation, and optimal management of water and soil resources in line with comprehensive watershed management. Finally, to improve the groundwater situation and maximize agricultural profits, the results showed that several scenarios were developed to reduce and stabilize aquifer extraction. The results of the groundwater simulation show that if the trend continues, it will cause serious crises. The results of the integrated model also show that if the current situation continues, 15 to 25% of agricultural needs will not be met in some months, which, taking into account the effect of climate change, will increase this shortage by about 1 to 3% in the long term. The results of the optimization model section indicate that, except for onion, rainfed chickpea, garden, vegetables, and alfalfa, the rest of the crops should be removed from the cropping pattern of the region in all management and climate scenarios. However, if the optimization model is implemented and aquifer extraction is reduced from 20% to 50%, farmers can make more profit than in the current situation. Therefore, to maintain the status of groundwater resources and the environment of the region, and to pay attention to the farmers' profit, regional managers should always take serious measures to limit the use of groundwater resources and modify the cropping pattern and cropping area based on the results of this research. برنامه ‎ریزی خطی, بهینه‎ سازی, تغییر اقلیم, دشت روانسر‎ سنجابی, مدل WEAP Climate change, Linear programming, Optimization, Ravansar-Sanjabi plain, WEAP model 79 96 http://jwmr.sanru.ac.ir/browse.php?a_code=A-11-1303-2&slc_lang=fa&sid=1 Milad Soltani میلاد سلطانی m.soltani102@gmail.com 100319475328460015424 100319475328460015424 No Sari Agricultural Sciences and Natural Resources University, Sari, Iran دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران Karim Solaimani کریم سلیمانی Solaimani2001@yahoo.co.uk 100319475328460015423 100319475328460015423 Yes Department of Watershed Management, Sari Agricultural Sciences and Natural Resources University, Sari, Iran گروه علوم و مهندسی آبخیزداری، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران Khalil Jalili خلیل جلیلی khaliljalili@yahoo.com 100319475328460015425 100319475328460015425 No Department of Environmental Resources Management, ACECR, Kermanshah Province, Iran گروه مدیریت منابع محیطی پژوهشکده توسعه کالبدی، جهاد دانشگاهی کرمانشاه، کرمانشاه، ایران Seyyed Javad Sadatinejad سید جواد ساداتی نژاد Sadatinejad.j@yahoo.com 100319475328460015426 100319475328460015426 No Faculty of New Sciences and Technology, University of Tehran, Tehran, Iran گروه انرژی‌ های نو و تجدیدپذیر، دانشکده علوم و فنون نوین، دانشگاه تهران، تهران، ایران Fatemeh Shokrian فاطمه شکریان shokrian.f@gmail.com 100319475328460015427 100319475328460015427 No Department of Watershed Management, Sari Agricultural Sciences and Natural Resources University, Sari, Iran گروه علوم و مهندسی آبخیزداری، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران