Journal of Watershed Management Research

fa ارزیابی تغییرپذیری منابع آب سطحی و زیرزمینی به تغییرات اقلیمی؛ مطالعه موردی حوضه دامغان‎رود Assessing the Variability of Surface and Groundwater Resources in Response to Climate Change: A Case Study of the Damghanroud Watershed هيدرولوژی هيدرولوژی پژوهشي Research <div style="text-align: justify;">مقدمه: در دهه‌های اخیر، تغییر اقلیم به‌عنوان یکی از جدی‌ترین تهدیدات برای پایداری منابع آب شیرین در سطح جهان مطرح شده است. این چالش در مناطق نیمه‌خشک، جایی که رشد سریع جمعیت، توسعه اقتصادی و بهره‌برداری ناپایدار از منابع، تعادل بین عرضه و تقاضای آب را بیش‌ازپیش مختل کرده است، شدت بیشتری دارد. تغییرات در الگوهای بارش، افزایش دما و افزایش تبخیر و تعرق، تأثیرات قابل‌توجهی بر فرآیندهای هیدرولوژیکی، بویژه تغذیه آب زیرزمینی داشته ‌است. علاوه بر این، تغییرات کاربری زمین و شیوه‌های ضعیف مدیریت آب، این اثرات را تشدید کرده‌ است. مطالعات متعدد تأکید دارند که کاهش منابع آب در ایران ناشی از تغییرات اقلیمی و فشارهای انسانی است. در این راستا، استفاده از مدل‌های گردش عمومی (GCMs)تحت سناریوهای مختلف مسیرهای اجتماعی-اقتصادی مشترک (SSPs)، بویژه SSP3.7 وSSP8.5، پیش‌بینی دقیق‌تری از شرایط آینده منابع آب ارائه می‌دهد. این مطالعه تأثیرات بلندمدت تغییر اقلیم بر منابع آب‌زیرزمینی در حوضه آبریز دامغان‌رود با استفاده از پیش‌بینی‌های مدل‌های اقلیمی CMIP6 و مدل هیدرولوژیکی SWAT (ابزار ارزیابی خاک و آب) بررسی می‌کند. آزمون روند من-کندال و تخمین&lrm;گر شیب سن برای شناسایی روندها و اندازه‌گیری شدت آنها در سری‌های زمانی هیدرولوژیکی استفاده شد. همچنین، شاخص بارش استاندارد  شده (SPI)  و شاخص رواناب استاندارد شده (SRI) برای تحلیل خشکسالی‌های هواشناسی و هیدرولوژیکی در سناریوهای اقلیمی آینده به کار گرفته شدند. این پژوهش بینش‌های ارزشمندی در مورد تعاملات سالانه بین رواناب، خشکسالی و تغذیه آبخوان ارائه می‌دهد و به بهبود مدیریت منابع آب در محیط‌های نیمه‌خشک کمک می‌کند. مواد و روش‌ها: مدل SWAT در یک حوضه آبریز نیمه‌خشک در مرکز ایران برای ارزیابی تأثیرات آینده تغییر اقلیم بر رواناب سطحی و تغذیه آب زیرزمینی به کار گرفته شد. تنظیم مدل شامل آماده‌سازی داده‌های ورودی مکانی و اقلیمی مانند توپوگرافی، کاربری زمین، خصوصیات خاک و داده‌های روزانه هواشناسی بود. پس از آماده‌سازی داده‌ها، مدل کالیبره و اعتبارسنجی شد تا عملکرد شبیه‌سازی قابل‌اعتمادی را فراهم کند. پیش‌بینی‌های روزانه اقلیمی برای دوره 2030 تا 2060 از مدل‌های منتخب CMIP6 به دست آمد. برای بهبود دقت پیش‌بینی‌های اقلیمی، تکنیک‌های تصحیح سوگیری شامل روش نگاشت چنداکی برای تصحیح بارش و نرمال‌سازی برای داده‌های دما اعمال شد. تمام داده‌های ورودی درArcSWAT پردازش شدند و مدل برای شبیه‌سازی مقادیر رواناب ماهانه و تغذیه آب&lrm;زیرزمینی اجرا شد و سپس به مقیاس زمانی سالانه تجمیع شد. برای شناسایی روندها در سری‌های زمانی متغیرهای هیدرولوژیکی و هواشناسی، آزمون ناپارامتریک من-کندال برای ارزیابی اهمیت آماری روندها و تخمین‌گر شیب سن برای اندازه‌گیری شدت تغییرات استفاده شد. همچنین، دو شاخص خشکسالی – شاخص بارش استاندارد شده  (SPI) و شاخص رواناب استاندارد شده  (SRI)- برای تحلیل فراوانی، شدت و مدت‌زمان خشکسالی‌های هواشناسی و هیدرولوژیکی در شرایط اقلیمی آینده محاسبه شدند. تمام مدل‌سازی‌ها و تحلیل‌های مکانی در ArcGIS انجام شد، درحالی‌که تحلیل‌های آماری با استفاده از نرم‌افزارهای R و اکسل صورت گرفت. نتایج و بحث: نتایج شبیه‌سازی نشان‌دهنده&lrm;ی روند افزایشی قابل‌توجه در میانگین دمای سالانه تحت سناریوهای SSP3-7.0 و SSP5-8.5 بود. یافته&lrm;ها به‌ترتیب افزایش حدود 3/0 درجه سانتی‌گراد و 35/0 درجه سانتی‌گراد را نشان دادند که نشان‌دهنده اقلیمی گرم‌تر در آینده در حوضه است. در مقابل، بارش سالانه به‌طور قابل‌توجهی با کاهش حدود 35% تحت سناریوی SSP3-7.0 و 40% تحت سناریوی SSP5-8.5کاهش می&lrm;یابد .این کاهش قابل‌توجه در بارش احتمالاً به کاهش در دسترسی به آب‌های سطحی و زیرزمینی منجر خواهد شد. رواناب سطحی سالانه روندی کاهشی را با نرخ‌های 1/0- میلی‌متر در سال و 15/0- میلی‌متر در سال به‌ترتیب برای   SSP3-7.0 و SSP5-8.5 را نشان می‌دهد. تغذیه آب&lrm;زیرزمینی نیز مسیری کاهشی با میانگین کاهش 9/0 میلی‌متر در سال را نشان خواهد داد که نشان‌دهنده&lrm;ی کاهش نفوذ و کارایی تغذیه در شرایط گرم‌تر و خشک‌تر است. این یافته‌ها حساسیت فرآیندهای هیدرولوژیکی به تغییرات اقلیمی پیش‌بینی‌شده در محیط‌های نیمه‌خشک را نشان می‌دهد. تحلیل شاخص خشکسالی همچنین نشان‌دهنده افزایش قابل‌توجه در فراوانی خشکسالی‌های هواشناسی و هیدرولوژیکی در دوره 2030 تا 2060، بویژه بین سال‌های 2051 و 2056 است. اگرچه برخی سال‌ها ممکن است کاهش موقتی در شدت خشکسالی را نشان دهند، اما تعداد کلی رویدادهای خشکسالی به‌طور قابل‌توجهی افزایش خواهد یافت. این روند به افزایش خطر خشکسالی‌های چندساله اشاره دارد که فشار بیشتری بر منابع آب منطقه‌ای وارد می‌کند. تأثیرات ترکیبی کاهش بارش، افزایش دما، کاهش تغذیه آب&lrm;زیرزمینی و افزایش وقوع خشکسالی، آسیب‌پذیری حوضه دامغان‌رود به تغییر اقلیم آینده برجسته می‌کند. این نتایج با یافته‌های سایر مطالعات در مناطق خشک و نیمه‌خشک همخوانی دارد و بر نیاز فوری به استراتژی‌های مدیریت آب سازگار و برنامه‌ریزی یکپارچه برای کاهش خطرات اقلیمی بلندمدت تأکید دارد. نتیجه‌گیری: این مطالعه نشان می‌دهد که تغییرات اقلیمی آینده، تحت سناریوهای معتدل و شدید، تأثیرات منفی قابل‌توجهی بر منابع آب سطحی و زیرزمینی در مناطق نیمه‌خشک خواهد داشت. یافته‌ها نشان‌دهنده کاهش قابل‌توجه در بارش، رواناب و تغذیه آب زیرزمینی، همراه با افزایش دما و رویدادهای خشکسالی متوالی است. این تغییرات تعادل هیدرولوژیکی منطقه را به‌شدت مختل خواهد کرد و تأثیرات عمیقی بر کشاورزی، تأمین آب آشامیدنی و توسعه پایدار خواهد داشت. اگرچه روند کلی تغییر اقلیم به افزایش تنش اقلیمی اشاره دارد، اما تنوع در شدت خشکسالی در طول سال‌ها نشان می‌دهد که اقدامات سازگار باید پویا، منطقه‌محور و مبتنی بر پایش مداوم باشند. یکی از پیامدهای عملی کلیدی این مطالعه، نیاز به یکپارچه‌سازی سناریوهای تغییر اقلیم در سیاست‌های منابع آب منطقه‌ای، تقویت اقدامات تغذیه مصنوعی آب زیرزمینی و بازنگری در الگوهای آبیاری و مصرف آب است. علاوه بر این، عدم قطعیت در خروجی‌های مدل اقلیمی و ناهمگنی مکانی پاسخ‌های هیدرولوژیکی، چالش‌های کلیدی در تصمیم‌گیری هستند که نیازمند مطالعات عمیق‌تر است. به‌طور کلی، این پژوهش بر ضرورت اتخاذ استراتژی‌های مقاوم و سازگار با اقلیم برای مدیریت منابع آب، به‌ویژه در مناطق با تنش&lrm;های آبی تأکید دارد. این مطالعه گامی مهم در جهت توسعه سیاست‌های مبتنی بر علم برای حاکمیت پایدار آب در مواجهه با شرایط اقلیمی در حال تغییر ارائه می‌دهد و راهنمایی ارزشمندی برای تصمیم‌گیران و برنامه‌ریزان فراهم می‌کند.</div> <div> <div style="text-align: justify;"> </div> <hr align="left" size="1" width="33%" > <div style="text-align: justify;"><div id="ftn1"></div></div> </div> <div style="text-align: justify;">Introduction In recent decades, climate change has emerged as one of the most critical threats to the sustainability of freshwater resources worldwide. This challenge has been particularly severe in semi-arid regions, where rapid population growth, economic development, and unsustainable resource exploitation have further disrupted the balance between water supply and demand. Shifts in precipitation patterns, rising temperatures, and increased evapotranspiration have significantly impacted hydrological processes, especially groundwater recharge. Additionally, land use changes and poor water management practices have intensified these effects. Numerous studies emphasize that the decline in water resources in Iran results from both climatic variability and anthropogenic pressures. In this context, applying General Circulation Models (GCMs) under different Shared Socioeconomic Pathways (SSPs), particularly SSP3.7 and SSP8.5, offers a more accurate projection of future water resource conditions. This study assesses the long-term impacts of climate change on groundwater resources in the Damghanroud watershed using updated climate projections from CMIP6 models and the Soil and Water Assessment Tool (SWAT), a robust hydrological simulation model. The Mann–Kendall trend test and Sen’s slope estimator are used to detect trends and their magnitude in hydrological time series. Furthermore, the Standardized Precipitation Index (SPI) and the Standardized Runoff Index (SRI) analyze meteorological and hydrological droughts under future climate scenarios. This research provides valuable insights into the annual-scale interactions between runoff, drought, and aquifer recharge, supporting improved water resource management in semi-arid environments. Materials and Method: The SWAT (Soil and Water Assessment Tool) model was applied in a semi-arid watershed in central Iran to evaluate the future impacts of climate change on surface runoff and groundwater recharge. The model setup included the preparation of essential spatial and climatic input data, comprising topography, land use, soil properties, and daily meteorological records. After data preparation, the model was calibrated and validated to ensure reliable simulation performance. Future daily climate projections for the period 2030–2060 were obtained from selected CMIP6 models. To improve the accuracy of climate projections, bias correction techniques were applied, including the Quantile Mapping method to correct precipitation, and temperature data normalization. All input data were processed in the ArcSWAT interface, and the model was executed to simulate monthly values of runoff and groundwater recharge, which were then aggregated to annual time scales. To detect trends in the time series of hydrological and meteorological variables, the non-parametric Mann–Kendall test assessed the statistical significance of trends, while the Sen’s slope estimator measured the magnitude of changes. Additionally, two drought indices—Standardized Precipitation Index (SPI) and Standardized Runoff Index (SRI)—were calculated to analyze the frequency, intensity, and duration of meteorological and hydrological droughts under future climate conditions. All modeling and spatial analyses were conducted in ArcGIS, while statistical analyses were performed using R and Excel software. Results and Discussion: The simulation results indicate a noticeable upward trend in mean annual temperature under the SSP3-7.0 and SSP5-8.5 scenarios. The projected increases are approximately 0.3°C and 0.35°C, respectively, suggesting a warmer future climate in the study area. In contrast, annual precipitation is expected to decline significantly, with reductions of about 35% under SSP3-7.0 and 40% under SSP5-8.5. This substantial decrease in precipitation will likely lead to a marked reduction in surface and groundwater availability. Annual surface runoff exhibits a decreasing trend, with negative rates of 0.1 mm/year and 0.15 mm/year for SSP3-7.0 and SSP5-8.5, respectively. Groundwater recharge also follows a declining trajectory, with an average decrease of 0.9 mm/year, indicating reduced infiltration and recharge efficiency under warmer and drier conditions. These findings underscore the sensitivity of hydrological processes to projected climate changes in semi-arid environments. Drought index analysis further reveals a significant increase in the frequency of meteorological and hydrological droughts during the 2030–2060 period, particularly between 2051 and 2056. While some years may show a temporary reduction in drought intensity, the overall number of drought events is projected to rise notably. This trend points to a growing risk of multi-year droughts, exerting additional stress on regional water resources. The combined impacts of reduced precipitation, elevated temperatures, declining groundwater recharge, and increased drought occurrence highlight the vulnerability of the Damghanroud watershed to future climate change. These results align with findings from other studies in arid and semi-arid regions, emphasizing the urgent need for adaptive water management strategies and integrated planning to mitigate long-term climate risks. Conclusion: This study demonstrates that future climate changes, under moderate and severe scenarios, will have significant negative impacts on surface and groundwater resources in semi-arid regions. The findings indicate a considerable reduction in precipitation, runoff, and groundwater recharge, accompanied by increasing temperature and consecutive drought events. These changes will severely disrupt the hydrological balance of the region and have profound impacts on agriculture, potable water supply, and sustainable development. Although the overall trend of climate change points to increased climatic stress, the variability in drought intensity over the years suggests that adaptive measures must be dynamic, region-specific, and based on continuous monitoring. One key practical implication of this study is the need to integrate climate change scenarios into regional water resource policies, enhance artificial groundwater recharge measures, and reconsider irrigation and water consumption patterns. Furthermore, the uncertainty in climate model outputs and the spatial heterogeneity of hydrological responses are key challenges in decision-making that require further in-depth studies. Overall, this research emphasizes the necessity of adopting resilient and climate-adaptive strategies for water resource management, particularly in water-stressed regions. It provides a significant step toward developing science-based policies for sustainable water governance in the face of changing climatic conditions and offers valuable guidance for decision-makers and planners.  </div> تغییر اقلیم, مدل SWAT, تغذیه آب زیرزمینی, رواناب, شاخص خشکسالی, سناریوهای SSP Climate change, SWAT model, groundwater recharge, runoff, drought index, SSP scenarios 0 0 http://jwmr.sanru.ac.ir/browse.php?a_code=A-10-450-1&slc_lang=fa&sid=1 Mahin khsravi مهین خسروی ma.khosravi@semnan.ac.ir 100319475328460015634 100319475328460015634 No Semnan university دانشگاه سمنان Mohammadreza Yazdani محمد رضا یزدانی m_yazdani@semnan.ac.ir 100319475328460015635 100319475328460015635 Yes Semnan university دانشگاه سمنان aliasghar zolfaghari علی اصغر ذوالفقاری azolfaghari@semnan.ac.ir 100319475328460015636 100319475328460015636 No Semnan university دانشگاه سمنان