A Study on the Impact of Climatic Factors on Groundwater Resources Using Spatio-Temporal Analysis of Statistical Time Series (Case Study: Mashhad Plain, Kasahfroud Basin)

جغرافیا و مخاطرات محیطی

Article 1, Volume 6, Issue 1 - Serial Number 21, January 2017, Pages 19-44   

Document Type: Research Article

DOI: 10.22067/geo.v6i3.60760

Authors

Samira Nourmohamadi^* ; Seyed Mohamad Tajbakhsh; Hadi Memarian

University of Birjand

Abstract

1. Introduction
Natural and anthropogenic factors in recent decades caused water crisis and the drop in groundwater levels in most regions of the country, including Khorasan Razavi province.The Standard Precipitation Index (SPI) has the ability to assess meteorological drought and its impact on groundwater drought can be evaluated through the appropriate indices, e.g. Groundwater Resource Index (GRI) and Piezometric State Index (PSI). Their capability has been proven in many studies around the world (Memarian, Balasundram, Talib, Sood, Abbaspour, 2012; Verdi Pourazad, Azarakhshi, Mosaedi, Farzadmehr, 2014; Rezvanian, Assadi, Goudarzei, 2013; Yasamani, Mohamadzadeh, Mosaedi, 2012; Imani, Talebi Esfandarani, 2011; Shakiba , Mirbagheri, Kheiri, 2010; Shahid &Hazarika, 2009, 1989-2006; Mendicino &Senatore, 2008; Khan ).The main objective of this study is to evaluate the effects of drought on the changes of groundwater resources by using statistical time series analysis of meteorological drought and groundwater drought indices, temporally and spatially.

2. Materials and Methods
In this study for evaluating the effects of meteorological drought on groundwater table, the indices SPI and PSI during a 30-year period (1984-2014) were calculated and analyzed using the Mann-Kendall time series analysis and Pettit test.IDW (Inverse Distance Weighted) interpolation approach and Hot Spot Analysis were employed in spatial analysis of groundwater drought and its relation to meteorological drought was evaluated through the Pierson’s correlation coefficient.

3. Results and Discussion
Interpolated maps of SPI index showed that during the period 1999-2000, 2000-2001, 2005-2006, 2007-2008, 2010-2011 and 2013-2014 watershed area mainlyisclassified into dry and very dry classes. However, the results of time series analysis of SPI in all stations except Androkh station in the period 1984-2014 shows that the gradual changes of SPI is not significant at the level of 0.05.As a result, it can be stated that the Chenaran-Mashhad watershed has not experienced a gradual change in rainfall and meteorological drought in most of stations in the last threedecades. The gradual changes of PSI time series at all observation wells were significant and decreasing except GhasemAbad, Kalat Nader, Meskaran, Noumhan and Hashem Abad observation wells.PSI index had a decreasing trend in all observation wells except in Television Boulevard.Abrupt changes of PSI in most of observation wells were significant and reducing. This time, mostlywas correspondedto the years 1997-1998 and 1998-1999.Zoning maps also show that the PSI index on the plain from 1984-1985 to 1999-2000 was situated in normal conditions, whereas from1999-2000 up to now was classified in dangerous situations and historical minimum categories. During the years 2011-2012, 2012-2013 and 2013-2014 historical minimum condition of PSI is clearly visible.Correlation analysis between the two indices SPI and PSI showed that in most cases and years there are poor relationships between groundwater drought and meteorological drought. By analyzing the moderate to high correlations between the SPI, and PSI indices, it can be established that in most cases the relationship is in the reverse form. According to the analysis of annual water flow records of the main recharging rivers, it can be revealed that the gradual change time series is not significant at the level of 0.05. Again, it confirms that there is no strong relationship between hydrological drought and groundwater drought in the study region.

4. Conclusion
The groundwater level of Mashhad plain from 1985 to 2014 has been experienced more than 25 meters of drop that mostly occurred between1999 to2003. During this period, the number of drilled wells is 1054. The measurement results of the groundwater level during ten years (1996-1997 to 2006-2007) show that the drop in groundwater levels of the Mashhad-Chenaran’s aquifer is in accordance with the exploitation magnitude by wells and aquifer recharge. In fact, uncontrolled exploitation of groundwater resources can be considered as a major factor of drop in groundwater level, which caused subsidence and leading salty water into fresh water in Mashhad plain.

Keywords

Aquifer level drop; Time series analysis; drought; Interpolation; SPI; PSI

References

ایمانی، مهناز؛ طالبی اسفندارانی، علی؛ 1390. بررسی آثار خشکسالی بر تغییرات سطح سفره آب زیرزمینی دشت بهاباد یزد با استفاده از شاخص‌های SPI و GRI. چهارمین کنفرانس مدیریت منابع آب ایران.

بهنیافر، ابولفضل؛ قنبرزاده، هادی؛ اشراقی، علی؛ 1389. بررسی عوامل مؤثر در فرونشست‌های دشت مشهد و پیامدهای ژئومورفیک آن. فصل نامه جفرفیا و برنامه‌ریزی شهری چشم انداز زاگرس. سال دوم. شماره 5. پاییز 1389.

ترشیزیان، حبیب اله؛ آقابیگی، محمد؛ برزکار، اسماعیل؛ 1386. امکان استفاده از قنوات مترو که جهت تغذیه مصنوعی آب‌های زیرزمینی در دشت مشهد.

جهانی، سمانه؛ دلبری، معصومه؛ 1388. ارزیابی و برآورد بیشترین بارش 24 ساعته در استان گلستان، همایش ملی مدیریت بحران آب. دانشگاه آزاد اسلامی واحد مرودشت، اسفندماه 1388.

حسنی‌پاک، علی اصغر؛ 1392. زمین آمار (ژئواستاتیستیک)، دانشگاه تهران.

دفتر مطالعات آب‌های زیرزمینی، (1388. گزارش پیشنهاد تمدید ممنوعیت دشت مشهد.

رضوانیان، سمیه؛ اسدی، تورج؛ گودرزی، حسام الدین؛ 1392. بررسی تأثیر خشکسالی بر منابع آب زیرزمینی دشت مشهد. سومین همایش ملی سلامت محیط زیست توسعه پایدار، دانشگاه آزاد اسلامی واحد بندرعباس.

ارع ابیانه، حمید؛ بیات ورشکی، مریم. و معروفی، صفر؛ 1391. بررسی نوسانات عمق آب زیرزمینی در دشت ملایر، نشریه دانش آب و خاک، 22 (2):173-190.

طائی سمیرمی، مجید؛ فاتحی‌مرج، احمد؛ میرنیا، سید خلاق؛ 1391. بررسی اثرات تغذیه مصنوعی بر توزیع زمانی و مکانی خشکسالی‌های هیدروژئولوژیک با استفاده از شاخص حالت پیزومتریک (مطالعه موردی: دشت گربایگان، استان فارس)"، مجله تحقیقات منابع آب ایران، سال هشتم، شماره 1، بهار و تابستان.

سبزی‌پرور، علی اکبر؛ کاظمی، آزاده؛ معروفی، صفر؛ غفوری، محمد؛ بذرافشان؛ 1389. ارزیابی تطبیقی هفت نمایه خشکسالی هواشناسی با استفاده از روش تحلیل خوشه‌ای، مجله علوم و تکنولوژی محیط‌زیست، دوره دوازدهم، شماره یک، بهار.

سلاجقه، علی؛ نجفی حاجی‌پور، منصور؛ و فتح آبادی، ابوالحسن؛ 1388. تحلیل خشکسالی با استفاده از شاخص SPI و زنجیره مارکوف مطالعه موردی: استان چهار محال و بختیاری، پنجمین همایش ملی علوم و مهندسی آبخیزداری ایران، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان.

سربازی، محبوبه؛ مهدوی، محمد؛ فیض نیا، سادات؛ و قزل سوفلو، عباسعلی؛ 1388. پهنه‌بندی کیفیت آب‌های زیرزمینی دشت مشهد، پایان نامه کارشناسی ارشد، پردیس کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه تهران.

سلیمانی، مهدی؛ قاسمیه، هدی؛ ساداتی نژاد، سیدجواد؛ میرزاوند، محمد؛ 1392. بررسی اثر خشکسالی هیدرولوژیک بر نوسانات آب زیرزمینی با استفاده از شاخص PSI، پنجمین کنفرانس مدیریت منابع آب ایران، دانشگاه شهید بهشتی - انجمن علوم و مهندسی منابع آب ایران.

شرکت سهامی آب منطقه‌ای خراسان رضوی؛ 1389. گزارش تعیین وضعیت آب زیرزمینی دشت مشهد.

شکیبا، علیرضا؛ میرباقری، بابک؛ خیری، افسانه؛ 1389. خشکسالی و تأثیر آن بر منابع آب زیرزمینی در شرق استان کرمانشاه با استفاده از شاخص SPI، جغرافیا، فصلنامه علمی – پژوهشی انجمن جغرافیای ایران، 8 (25)، 20.

کریمی، ولی‌الله؛ حبیب‌نژاد روشن، محمود؛ آبکار، علی جان؛ 1390. بررسی شاخص‌های خشکسالی هواشناسی در ایستگاه‌های سینوپتیک مازندران، فصلنامه علمی پژوهشی مهندسی آبیاری و آب، سال دومف شماره 5 پاییز

صفائی، حمید؛ اصغری، کیوان. و صفوی، حمیدرضا؛ 1392. مقایسۀ شاخص خشکسالی منابع آب زیرزمینی (GRI) با شاخص بارش استاندارد (SPI) مطالعه موردی: آبخوان کوهپایه- سگزی، هفتمین کمگره ملی مهندسی عمران، دانشکده مهندسی شهید نیکبخت، زاهدان 17 و 18 اردیبهشت ماه.

گرجستانی، کیان؛ اخترپور، علی؛ ابریشمی، سعید؛ 1394. مطالعه آزمایشگاهی و عددی تأثیر افزایش رطوبت ناشی از بالا آمدگی سطح آب زیرزمینی مشهد بر پایداری، یک گود پایدار سازی به روش Anchorage، پایان نامه کارشناسی ارشد، پردیس دانشگاهی، دانشگاه فردوسی مشهد.

لشگری‌پور، غلامرضا؛ سویزی، زینب؛ پیوندی، زکیه؛ 1384. افت سطح آب زیرزمینی و نشست زمین در دشت مشهد، مجموعه مقالات همایش انجمن زمین شناسی ایران، دانشگاه تربیت معلم تهران.

مقدم، علیرضا؛ قلعه‌بان‌تکمه‌داش، میلاد؛ اسماعیلی، کاظم؛ 1391. بررسی روند تغییرات زمانی و مکانی پارامترهای کیفی آب دشت مشهد با استفاده از سیستم اطلاعات جغرافیایی، مجله پژوهش‌های حفاظت آب و خاک، جلد بیستم، شماره سوم، 1392.

مساعدی، ابوالفضل؛ کوهستانی؛ نسیرین؛ 1389. تحلیل روند تغییرات دبی رودخانه‌های استان گلستان با استفاده از روش‌های پارامتری و ناپارامتری، چهارمین کنفرانس منطقه‌ای تغییر اقلیم.

نادریان‌فر، محمد؛ انصاری، حسین؛ ضیایی، علی‌قلی؛ داوری، کامران؛ 1390. بررسی روند تغییرات و نوسانات سطح آب زیرمینی در حوزه آبریز نیشابور تحت شرایط اقلیمی مختلف، سال اول، شماره 3، بهار 1390.

نورمحمدی، سمیرا؛ معماریان، هادی؛ 1394. بحران آب دشت مشهد، عوامل، پیامدها و راهکارها، اولین همایش ملی بحران آب و مدیریت آن در مناطق خشک ایران.

یاسمنی، سمانه؛ محمدزاده، حسین؛ مساعدی، ابوالفضل؛ 1391. بررسی اثر خشکسالی بر تغییرات سطح آب زیرزمینی دشت تربت جام- فریمان با بکارگیری شاخص‌های SPI و GRI.

وردی پورآزاد، آیلین؛ آذرخشی، مریم؛ مساعدی، ابولفضل؛ فرزادمهر، جلیل؛ 1393. " بررسی اثر خشکسالی هواشناسی بر تغییرات سطح آب زیرزمینی دشت مشهد با استفاده از شاخص‌های SPI و GRI. کنفرانس بین المللی توسعه پایدار، راه‌کارها و چالش‌ها، تبریز.

Adunola,O.A.,2014.Evaluation of urban residential thermal comfort in relation to indoorand outdoor air temperatures in Ibadan, Nigeria. Building and Environment75, 19-20

Aras,H.,Aras, N., 2004. Forecasting residential natural gas demand. Energy Sources26, 463-472

Bani-Domi, M., 2005. Trend analysis of temperatures and precipitation in Jordan. Social Sciences & Humanities17, 15-36.

Collins, D. A., Della-Marta, P. M., Plummer, N.,Trevin,B. C.,2000. Trends in annual frequencies of extreme temperature events in Australia. Australian Meteorological Magazine49,277-292

Gil, S.,Deferrari, J., 2004. Generalized model of predication of natural gas consumption. Journal of Energy Resources Technology126, 90-96

IPCC.,2001. Climate Change 2001.The Scientific Basis.Contribution of Working Group I to the third assessment reportof the Intergovernmental Panel on Climate Change.Cambridge University Press 83.

Kalkstein, L.S., Valimont,K.M., 1986. An evaluation of summer discomfort in the United States using a relative climatological index. Bulletin of the American Meteorological Society 7, 842-848

Martilli, A., 2014. An idealized study of city structure, urban climate, energy consumption, and air quality. Urban Climate2, 430-446

Sarak, H.,Satman, A.,2003. The method ofdegree-day for estimate the residential heating natural gas consumption in Turkey study. Energy25, 929-939

Perini,K., &Magliocco,A.,2014. Effects of vegetation, urban density, building height, and atmospheric conditions on local temperatures and thermal comfort. Urban Forestry & Urban Greening 3, 495-506

Takahashi,H., 1990. Migration of the cold air mass related to rain belt formation of the Chinese continent and atmospheric systems during the Baiu season (in Japanese). Geographical Review of Japan64, 10-24