SUPERVISOR
Kayvan Asghari,Azadeh Ahmadi
کیوان اصغری (استاد راهنما) آزاده احمدی (استاد مشاور)
STUDENT
Shima Kamali
شیما کمالی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی عمران
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1395
TITLE
Groundwater Drought Analysis with combined Hydrological and Climatological Information using data-driven method
Groundwater as an important sources of water have been rapidly exploited in most parts of the world for domestic and agricultural consumptions, thus groundwater depletion in response to droughts has become increasingly important. Although groundwater is one of the most important water resources in most part of the world, it has not been considered in many drought studies, except the last decade. Iran is located in arid and semi-arid regions resulted in years with less than average rainfall. In last two decades, continuous droughts in Iran have increased the groundwater exploitation for various agricultural, urban and industrial uses. This has exacerbated the drought stress on groundwater resources in most parts of Iran and has caused groundwater level to drop significantly. Analysis and study of the effect of drought on groundwater, using drought indices, is one way of measuring the extend of consequences and building a tool for future prediction. The purpose of this study was to investigate the impact of different types of drought and climate change on the Najafabad aquifer located in Zayanderood basin using drought indices, directly. For this purpose, the data-driven support vector machine (SVM) was used to simulate the Najafabad aquifer. The best combination of model inputs was selected by gamma test from meteorological, hydrological and groundwater drought indices. The model output was selected either the groundwater level or the groundwater volume. Model input parameters were also optimized using particle swarm optimization (PSO). In order to check the generalization ability of the model and to select the appropriate input vector for time series, a five-folded cross validation method was employed. Finally, model’s performance was evaluated using the average percentage error (APE), coefficient of determination (R 2 ) and root mean square error (RMSE). Based on results, for both models the coefficient of determination between the simulation output and the observed values was more than 90% in training, validation and test steps, indicating reliable accuracy of the results. After selecting the best model (model with groundwater volume as the output), the effects of climate change on the Najafabad aquifer were investigated using five general circulation models (GCMs) under two RCP4.5 and RCP8.5 scenarios. For this purpose, GCMs were downscaled using SVM in which the groundwater volume was predicted from 2017 to 2050 using the selected simulation model. After calculating and comparing the precipitation, temperature and groundwater volume changes from 2017 to 2050, no significant trend was observed in precipitation data due to GCMs low accuracy in precipitation prediction. There was also no significant relation between precipitation and groundwater volume. Despite the significant relation between temperature and groundwater volume, the volume under two climatic scenarios did not change significantly compared to the observed period. Therefore, the groundwater volume under two scenarios RCP4.5 and RCP8.5 has changed + 0.49% and -2.09%, respectively, compared to the observed period. As a result, climate changes will not have a significant effect on the Najafabad aquifer in the future. It is suggested that human factors (including aquifer exploitation) need to be further studied and its effects on the groundwater resources should be investigated. Keywords : Groundwater Drought, Support Vector Machine, Climate Change, Najafabad Aquifer
در بیشتر مناطق دنیا، منابع آب زیرزمینی به عنوان یک منبع برای مصارف عمومی و همچنین فعالیتهای کشاورزی به سرعت مورد بهرهبرداری قرار گرفته است، این بدان معناست که واکنش آبهای زیرزمینی به خشکسالیها بیش از حد مهم شده است. اگرچه آبهای زیرزمینی یکی از منابع مهم آبی در دنیا محسوب میشود اما در بسیاری از بررسیهای مربوط به خشکسالی مورد توجه قرار نمیگیرد. کشور ایران در نواحی خشک و نیمهخشک قرار دارد و این موضوع سبب شده است که به طور طبیعی در آن، سالهای با مقدار بارندگی کمتر از میانگین به مراتب بیشتر از سالهای با مقدار بارندگی بیشتر از میانگین باشد. در چند دهه اخیر وقوع خشکسالیهای ممتد در کشور باعث افزایش بهرهبرداری از منابع آب زیرزمینی برای مصارف مختلف کشاورزی، شهری و صنعتی شده است. این مسئله تنش خشکی بر منابع آب زیرزمینی را در اکثر نقاط ایران تشدید کرده و افت سطح ایستابی سفرههای آب زیرزمینی را به همراه داشته است. یکی از راههای شناخت دقیقتر این منابع، بررسی و تحلیل رفتار این منابع آبی مهم نسبت به شاخصهای خشکسالی معرفی شده است. هدف از انجام این پژوهش، ابتدا تولید چند شاخص خشکسالی-از جمله آبزیرزمینی-و سپس بررسی تأثیر انواع خشکسالی و نیز تغییرات اقلیم بر وضعیت آبخوان نجفآباد واقع در حوضه زایندهرود با استفاده مستقیم از شاخصهای خشکسالی بوده است. بدین منظور از مدل داده-محور ماشین بردار پشتیبان (SVM) برای شبیهسازی آبخوان نجفآباد استفاده شد. بهترین ترکیب از ورودیهای مدل به کمک آزمون گاما از میان شاخصهای خشکسالی هواشناسی، هیدرولوژیکی و آب زیرزمینی انتخاب و خروجی مدل یکبار سطح ایستابی و بار دیگر حجم آبخوان در نظر گرفته شد. پارامترهای مدل نیز با استفاده از الگوریتم گروهی ذرات (PSO) بهینه شدند. همچنین به منظور غلبه بر مشکل بیشبرازش، بررسی توانایی تعمیم مدل و نیز انتخاب بهترین سری زمانی از دادههای ورودی، روش اعتبارسنجی متقابل با پنج زیرمجموعه (5-fold cross validation) مورد استفاده قرار گرفت. در نهایت به منظور بررسی عملکرد هر مدل از سه معیار میانگین درصد خطا (APE)، ضریب تعیین ( ) و جذر مربعات خطا (RMSE) استفاده و نتایج با یکدیگر مقایسه شد. ضریب تعیین بین خروجی مدل SVM و مقادیر مشاهدهای در هر سه دوره آموزش، اعتبارسنجی و آزمون و برای هر دو حالت بیش از 90 درصد بوده است که نشان دهنده دقت بالای هر دو مدل توسعه داده شده میباشد. پس از انتخاب بهترین مدل (مدل با خروجی حجم آبخوان)، به بررسی اثرات تغییر اقلیم بر وضعیت آب زیرزمینی آبخوان نجفآباد با استفاده از پنج مدل گردش عمومی و دو سناریو RCP4.5 و RCP8.5 پرداخته شد. بدین منظور مدلهای گردش عمومی به کمک مدل SVM ریز مقیاس شده و با استفاده از مدل شبیهساز انتخاب شده، حجم آبخوان از سال 2017 تا سال 2050 پیشبینی شد. پس از محاسبه و مقایسه تغییرات بارش، دما و حجم آبخوان در سالهای آتی، به دلیل خطای بالای مدلهای گردش عمومی در پیشبینی بارش، روند مشخصی در دادههای بارش مشاهده نشد. همچنین بین بارش و حجم آبخوان نیز رابطه معناداری وجود نداشت. با وجود رابطه معنادار بین دما و حجم آبخوان، حجم آبخوان تحت تأثیر دو سناریو اقلیمی در مقایسه با دوره مشاهداتی تغییر زیادی نداشته است. به طوری که تحت تأثیر دو سناریو RCP4.5 و RCP8.5 حجم آبخوان به ترتیب 49/0+ و 09/2- درصد نسبت به دوره مشاهداتی تغییر داشته است. در نتیجه در زیرحوضه نجفآباد، تغییرات اقلیم در سالهای آینده تأثیرات بهسزایی بر وضعیت آبخوان نخواهند داشت. در نتیجه لازم است در سالهای آینده عوامل انسانی (از جمله برداشت از آبخوان) بیشتر مورد مطالعه قرار گیرد و تأثیرات آن بر وضعیت منابع آب زیرزمینی بررسی شود. کلمات کلیدی: خشکسالی آب زیرزمینی، ماشین بردار پشتیبان، الگوریتم گروهی ذرات، تغییر اقلیم، آبخوان نجفآباد