علت کاهش آب های زیرزمینی در بسیاری از مناطق جهان به طور گسترده ای به آبیاری نسبت داده شده است. با این حال، مکانیسم های علمی رسمی، مبتنی بر داده ها، از الگوهای آب های زیرزمینی طولانی مدت ارزیابی نشده است. در اینجا، ما اولین تجزیه و تحلیل علت اساسی را برای شناسایی "علل" الگوهای آب های زیرزمینی با استفاده از مزرعه های تولید برنج لوئیزیانا، ایالات متحده، به عنوان نمونه انجام دادیم. تجزیه و تحلیل ها، روند کاهش سطح تا 6 متر در سطح آب زیرزمینی را طی 51 سال نشان داد. ما دریافتیم که هیچ یک از موارد، الگوهای آب زیرزمینی را برای همه موراد توجیه نمی کند. ارتباط علت و معلولی بین آب های زیرزمینی و منطقه برداشت شده، تعداد چاه های آبیاری، کل بارش های تابستان و خشکسالی مشاهده شده. ارتباطات دو جهته بین آب زیرزمینی و عملکرد برنج مشاهده شد، و نشانگر بازخورد بین هر دو سری زمان است. ارتباط علت و معلولی بین آبهای زیرزمینی و بسیاری از عوامل وجود دارد که در آن رابطه همبستگی معنی داری وجود داشته است، و نشان دهنده اهمیت استفاده از روابط مستحکم نسبت به همبستگی های توهم آور برای کشف علت است. این نتایج درک ما از پویایی آب زیرزمینی را پیش می برد و می تواند ارتباط کلیدی بین غذا و آب های زیرزمینی را نشان دهد.

مقدمه

مدل های هیدرولوژیکی و مشاهدات ماهواره ای، میزان سریع تخلیه آب های زیرزمینی از مقیاس های منطقه ای به جهانی را نشان داده اند. علاوه بر تهدید برای دسترسی به آب شیرین، کاهش آب زیرزمینی می تواند اثرات مضر برای تولید مواد غذایی و اکوسیستم ها و تنوع زیستی مرتبط با آن داشته باشد که برای بقا به آب های زیرزمینی تکیه می کنند. افزایش تنوع اقلیمی بین روش و افزایش تقاضای مواد غذایی به دلیل افزایش جمعیت انسانی احتمالاً استرس منابع آب زیرزمینی را شدت بخشیده است. مطالعات با استفاده از مدل های هیدرولوژیکی و زراعی، تولید مواد غذایی را به کاهش آبهای زیرزمینی از مقیاس های منطقه ای به جهانی مرتبط کرده اند. با توجه به ارتباط نزدیک بین آبهای زیرزمینی و امنیت غذایی، لازم است محققان عمده الگوهای آب زیرزمینی در مناطق کشاورزی برای تأمین نیازهای غذایی بدون نیاز به خطر انداختن منابع آب زیرزمینی محدود را درک کنند.

مطالعات متعددی مشاهدات بلند مدت (> 30 سال) سطح آبهای زیرزمینی را مورد تجزیه و تحلیل قرار داده اند، اما معدودی از این موارد در مناطق کشاورزی تأثیر گذار از پمپاژ متمرکز بوده اند. در بسیاری از این مطالعات، کاهش آبهای زیرزمینی با عوامل آب و هوایی مانند بارش، دما، خشکسالی و عوامل کشاورزی مانند پمپاژ ارتباط دارد. با این وجود، برای ایجاد روابط علت و معلولی نباید به این روابط مشتق از همبستگی به تنهایی اعتماد کرد. همبستگی وقتی در تعیین رابطه بین دو متغیر است، ذاتاً در تفکر ما جای می گیرد. اما، در یک سیستم پیچیده و غیرخطی محیطی، ارتباطات می تواند یک توهم باشد و ممکن است ماهیت واقعی روابط بین عوامل و الگوهای آب زیرزمینی را تشخیص ندهد. به عبارت دیگر، همبستگی نشان دهنده علیت نیست، و عدم وجود همبستگی لزوماً به معنای عدم وجود علیت نیست. نیاز به یک نکته اساسی برای پیشبرد دانش ما در مورد "علل" الگوهای آب های زیرزمینی در حالی که از روش های آماری داده محور مانند تجزیه و تحلیل علیت استفاده می شود، وجود دارد.

یکی از قویترین روش های موجود برای تشخیص پیوندهای علی بین سری دو زمانه، تحلیل علیت  است برای جزئیات بیشتر به بخش روشها مراجعه کنید. در ابتدا، تحلیل علیت در زمینه اقتصاد معرفی شد. با توجه به طبیعت قوی و انعطاف پذیری آن، در بسیاری از مطالعات نسبت دادن تغییر اقلیم مورد استفاده گسترده قرار گرفته است. علاوه بر آشکار کردن پیوندهای عِلی، تحلیل علیت می تواند برای تعیین جهت پیوندهای علی بین متغیرها مفید باشد. پس از چندین دهه تحقیق، اجرای تحلیل علت برای پیشبرد درک ما از روابط علت و معلولی از الگوهای آبهای زیرزمینی ناشناخته مانده است.

در این مطالعه، ما برای شناسایی علل الگوهای آبهای زیرزمینی در مقیاس های چند ده ساله، اولین تجزیه و تحلیل علیت داده-محور را انجام می دهیم. برای این مورد آزمایشی، ما تجزیه و تحلیل علیت را در ایالت لوئیزیانا، ایالات متحده، که در بعضی از مناطق به دلیل فعالیت های شدید کشاورزی تحت فشار شدید آب است، اجرا کردیم. ایالت لوئیزیانا همچنین به عنوان یک اتاق آزمایش ایده آل برای این تجزیه و تحلیل عمل می کند زیرا دارای ترکیبی غنی و منحصر به فرد از سری های زمانی آب و هوایی و کشاورزی است که در مقیاس های زمانی سالانه بیش از 51 سال ضبط شده است. هدف از این مطالعه شناسایی هرگونه ارتباط علّی بین الگوهای سطح آب زیرزمینی و متغیرهای آب و هوایی و کشاورزی از سال 1965 تا 2015 بود. این کار به عنوان نمونه در ایالت لوئیزیانا انجام شد، اما رویکرد پیشنهادی می تواند با سایر مناطق کشاورزی سازگار شود. جهان برای آشکار ساختن مکانیسم های علی که بر الگوهای آب زیرزمینی تأثیر می گذارد.

نتایج

تجزیه و تحلیل روند

سطح آبهای زیرزمینی در طی 51 سال گذشته از 1.5 تا 6 متر در محل های EV، SM و AC کاهش یافته است (P <0.05 ؛ جدول 1، شکل 1). چاه در EC (سفره آبی آبرفتی رودخانه می سی سی پی) کم عمق ترین در بین دیگ موارد بود و الگوهای زمانی بسیار متغیری را نشان داد که هیچ روند قابل توجهی در مدت زمان 51 سال نشان نداد. تمام چاه های باقیمانده (در سفره آبشار شیکوت) کاهش شدید سطح آب بعد از سال 1995 را نشان داد. عملکرد برنج با میزان متغیر افزایش، در کلیه مناطق کاهش معناداری نشان داد (P <0.05، جدول 1). مساحت برداشت در EC افزایش یافته است، در JD کاهش یافته است، و یا هیچ روندی در بخش های EV، AC و SM نشان نداده است. تعداد چاه های نصب شده برای آبیاری با گذشت زمان، روندهای صعودی را در کلیه سال ها نشان داد (P <0.05، جدول 1) و افزایش ناگهانی شمار چاه ها با ارزش های منفی شاخص شدت خشکسالی پالمر (PDSI) بویژه پس از 1995 مطابقت داشت. .2) در کل 51 سال برای یک ایستگاه آب و هوایی در قسمت جنوبی ایالت باران های تابستانی 157 میلی متر کاهش یافته است، و حداقل دمای هوا به طور قابل توجهی افزایش یافته است (جدول 1). هیچ روند یک طرفه قابل توجهی برای بقیه مجموعه داده ها برای هر مورد مشاهده نشد (P > 0.05).

جدول 1- مجموعه داده هایی که روند معناداری (P > 0.05) برای هر مورد نشان داد.

سری زمانی میانگین سطح آب زیرزمینی، عملکرد برنج و مساحت برداشت شده برای پنج محوطه: (EV (a,b), EC (c,d), SM (e,f), AC (g,h), JD (i,j لوئیزیانا. دایره های آبی باز نشان دهنده سطح آب زیرزمینی است، دایره های سبز باز نشان دهنده عملکرد برنج است و دایره های سیاه پر سطح منطقه برداشت برنج را نشان می دهد. مستطیل سایه دار مدت زمانی را نشان می دهد که اکثر چاه ها افت شدید سطح آب های زیرزمینی را نشان دادند. سطح آب از سطح زمین اندازه گیری می شود بنابراین تعداد چاه خشک شده بیشتر است.

مجموع بارندگی سالانه و تابستان و ناهنجاری های بارش سالانه برای یک ایستگاه آب و هوایی در قسمت جنوبی ایالت (الف)، شاخص شدت خشکسالی پالمر (PDSI) (ب)، و تعداد چاه های آبیاری نصب شده (ج) برای پنج بخش لوئیزیانا. منطقه سبز سایه دار دوره ای را با فراوانی زیاد خشکسالی بر اساس مقادیر منفی PDSI و ناهنجاری های سالانه بارش از سال 1995 نشان می دهد.

بررسی علیت

آزمون فیلیپس-پرورون نشان داد که بیشتر سریال های زمانی برای دوره مطالعه ثابت بوده اند (جدول S1). مجموع بارش های تابستانی، PDSI، سطح برداشت شده و تعداد چاه های آبیاری باعث پاسخ به آب های زیرزمینی شد (P <0.05، جدول 2). با این وجود، پیوندهای علّی در بین مجالس متفاوت بوده و هیچ علت مشترکی در کلیه مجالس مشاهده نشده است (جدول 2). علیت نسبتاً ضعیف بین عملکرد آب زیرزمینی و برنج و کل بارش سالانه مشاهده شد (≦ 0.11). علاوه بر این، دریافتیم که سطح آب های زیرزمینی همچنین می تواند باعث افزایش عملکرد برنج شود، و این نشانگر بازخورد بالقوه بین هر دو سری زمان است (جدول 2).

جدول 2- تجزیه و تحلیل علل برای فرضیه های آزمایش شده در مطالعه.

همبستگی ها

همبستگی Spearman-ρ بین آبهای زیرزمینی و بسیاری از عوامل آب و هوایی و کشاورزی برای کلیه موراد یافت شد (P <0.05 ؛ شکل 3). به عنوان مثال، عملکرد برنج و تعداد چاه های آبیاری برای اکثر موراد ارتباط معنی داری با سطح آب زیرزمینی نشان داد (P <0.05 ؛ شکل 3). حداقل دمای هوا نیز با سطح آب زیرزمینی برای چندین مورد ارتباط داشت (P <0.05 ؛ شکل 3). PDSI در بخش SM و مقدار بارش در بخش EC تنها متغیرهای اقلیمی بود که در آن روابط حاصل از همبستگی با پیوندهای علّی سازگار بودند. شکل 4 کلیه همبستگی ها و روابط ناشی از علت و معلولی را برای کلیه موارد ارائه می دهد.

همبستگی Spearman-ρ بین سطح آب های زیرزمینی و عوامل آب و هوایی و کشاورزی برای پنج بخش (EV ،EC ،SM ،AC ،JD) در طول 51 سال. رنگ سایه دار نشان دهنده همبستگی معنی دار (P < 0.05) است. شکاف های سفید نشان دهنده روابط غیر معنی دار (P > 0.05) است.

Abbreviations- Parishes: Evangeline (EV), East Carroll (EC), St Martin (SM), Acadia (AC), Jefferson Davis (JD); Annual Precipitation totals (AP), Summer Precipitation totals (SP), Minimum Temperature (Tmin), Maximum Temperature (Tmax), Palmer Drought Severity Index (PDSI), Growing Degree Days (GDD), Rice Yield (RY), Irrigation Wells (IW), Area Harvested (AH).

خلاصه روابط علّی و همبستگی حاصل از روابط بین آب های زیرزمینی و متغیرهای کشاورزی و آب و هوایی برای کلیه جاها محاسبه می شود: اوانجلین (ع) ، شرق کارول (ب) ، سنت مارتین (ج) ، آکادیا (د) و جفرسون دیویس (ه). روبان سبز بیانگر پیوند علّی بین سطح آب زیرزمینی و متغیرهای کشاورزی و اقلیمی است. روبان قرمز بیانگر پیوندهای علیت دو جهته بین سطح آب زیرزمینی و عملکرد برنج است. فلش سیاه نشان دهنده ارتباط بین سطح آب زیرزمینی و متغیرهای کشاورزی و آب و هوایی است. فقط چهار نمونه وجود دارد که در آن روابط علّی و همبستگی حاصل می شود. متغیرهایی که روابط علّی و همبستگی را در هر بخش نشان ندادند، در اینجا نشان داده نمی شوند.

Abbreviations- Groundwater Level (GW), Annual Precipitation totals (AP), Summer Precipitation totals (SP), Minimum Temperature (Tmin), Maximum Temperature (Tmax), Palmer Drought Severity Index (PDSI), Growing Degree Days (GDD), Rice Yield (RY), Irrigation Wells (IW), Area Harvested (AH).

بحث

چندین مطالعه بودجه ریزی و مدل سازی هیدرولوژیکی آب، به طور گسترده ای الگوهای آب زیرزمینی را به برداشت های آبیاری نسبت داده اند. برخی از این مطالعات مدل سازی اثر تولید محصولات زراعی را بر تقاضای آبیاری و متعاقباً ذخیره سازی آب های زیرزمینی شبیه سازی کرده اند. تجزیه و تحلیل علیت محور داده های ما طیف وسیعی از روابط علی دیگر را برجسته می کند که علاوه بر آبیاری می تواند به کاهش آب های زیرزمینی کمک کند. علاوه بر این، ما یک رابطه دو طرفه نسبتاً ضعیف بین سطح آب زیرزمینی و عملکرد برنج در طول دوره مطالعه پیدا کردیم.

ارتباط علّی بین سطح آبهای زیرزمینی و خشکسالی (یعنی PDSI) و تعداد چاه های آبیاری مشاهده شد. به عنوان مثال، ناهنجاری های PDSI و بارش نشان می دهد که ایالت لوئیزیانا پس از سال 1995 چندین خشکسالی را تجربه کرده است (شکل 2). برای جبران خشکسالی، کشاورزان به طور چشمگیری نصب چاه های آبیاری را افزایش دادند و بیشتر به منابع آب زیرزمینی متکی بودند (شکل 2). این به نوبه خود منجر به کاهش شدید سطح آب زیرزمینی شد اما تقریبا هیچ تاثیری بر عملکرد برنج نداشت (شکل 1).

از آنجا که در دسترس بودن آب نقش مهمی در تولید برنج دارد، به احتمال زیاد در دسترس بودن آبهای زیرزمینی باعث افزایش عملکرد برنج در طولانی مدت می شود (شکل 4). از طرف دیگر، تولید بالاتر برنج در گذشته می تواند کشاورزان را ترغیب کند تا آبهای زیرزمینی بیشتری را به خود اختصاص دهند و نشان می دهد که عملکرد برنج همچنین می تواند باعث تغییر سطح آب زیرزمینی شود، همانطور که در بخش EC مشهود است (شکل 4). این نتایج مطابق با یک مطالعه مدل سازی اخیر است که از تولید برنج به عنوان یکی از پیش بینی کننده ها برای شبیه سازی سطح آب زیرزمینی در هند استفاده می کند که یکی از کشورهای پیشرو در تولید برنج در جهان است. پیوندهای علیت دو جهته در کار ما بین آب زیرزمینی و عملکرد برنج ذکر شده نشان می دهد که هر دو سری زمان ممکن است در زمان تکامل یابند. با این وجود، برای آزمایش اینکه آیا این رابطه در مقیاس های بزرگتر مکانی و سایر مکان های مطالعه وجود دارد، کار دیگری لازم است. پس از آن، تجزیه و تحلیل همبستگی رابطه معنی داری بین آب زیرزمینی و عملکرد برنج برای چهار بخش با وجود روابط علّی در برخی موارد نشان داد. این نشان می دهد که چگونه روابط متقابل با روابط علت و معلولیت می تواند گمراه کننده باشد (شکل 4).

مناطقی که از برنج برداشت می شوند ارتباط برخی علت و معلولی با سطح آب زیرزمینی برای برخی از بخش ها مانند EC (شکل 4) نشان می دهد. مساحت برداشت شده برای سایر بخش ها بدون تغییر باقی مانده و یا حتی کاهش یافته است، اما سطح آب های زیرزمینی همچنان رو به کاهش است و این نشان می دهد که کاهش آب های زیرزمینی لزوما به مقادیر مناطق زراعی در این منطقه حساس نیست. این نتایج به تسلط خشکسالی ناشی از آب و هوا بر علل مرتبط با کشاورزی در تأثیرگذاری بر الگوهای آب زیرزمینی اشاره دارد. با این وجود، قابل ذکر است که افزایش در سطح زیرکشت می تواند منجر به تقاضای بیشتر برای آبیاری و در نتیجه کاهش آب های زیرزمینی شود. به طور کلی، این یافته ها نیاز به ارزیابی دقیق از اهمیت نسبی مکانیسم های علی که ممکن است الگوهای آب زیرزمینی را تحت تأثیر قرار دهد، تأکید می کند.

مطالعات با استفاده از مدل های هیدرولوژیکی، کاهش چشمگیر آب های زیرزمینی را به برداشت بیش از حد ناشی از آبیاری نسبت داده اند. کار ما نشان می دهد که نسبت دادن الگوهای کاهش آبهای زیرزمینی تنها به یک عامل کشاورزی فردی ممکن است نمونه ای بیش از اندازه از یک مشکل پیچیده باشد. اهمیت نسبی عوامل حتی ممکن است حتی در مقیاس های مکانی کوچک (به عنوان مثال، بخش ها) تغییر کند. ما همچنین تشخیص می دهیم که بسیاری از عوامل کشاورزی و اقتصادی و اقتصادی اضافی وجود دارند که ممکن است الگوهای آب زیرزمینی را تحت تأثیر قرار دهند که به دلیل عدم دسترسی به داده های طولانی مدت نمی توانند در اینجا تحلیل شوند.

مطالعات متعددی ارتباط معنی داری بین آب های زیرزمینی و میزان بارش و دما نشان داده اند. به طور کلی، ما انتظار داریم بین آب های زیرزمینی و بارش ارتباط برقرار شود، زیرا بیشتر بارش ها معمولاً منجر به تغذیه بیشتر آب های زیرزمینی می شوند. یافته های ما حاکی از پیوندهای علیت قوی بین آب های زیرزمینی و کل بارش سالانه است، به ویژه در مورد کل بارش سالانه تابستان (جدول 2). این رابطه علّی محکم را می توان به زمان بارش تابستان نسبت داد، که با فصل رشد برنج همپوشانی دارد و رطوبت اضافی مورد نیاز بسیار زیادی را برای برنج فراهم می کند. روند نزولی قابل توجه در بارش تابستان که برای بخش جنوبی منطقه مورد مطالعه ذکر شده است، می تواند استرس اضافی را بر روی آب های زیرزمینی قرار دهد (جدول 1). از طرف دیگر، افزایش دمای هوا می تواند منجر به تبخیر و تعرق بیشتر شود و در نتیجه باعث افت سطح آبهای زیرزمینی شود. یافته های ما حاکی از وجود همبستگی معنی داری بین آبهای زیرزمینی و دما (Tmin یا Tmax) برای اکثر بخش ها (شکل 3) است، اما هیچ ارتباطی علتی در هر بخش مشاهده نشده است (شکل 4). بیشتر این همبستگی های معنادار فقط به این دلیل یافت می شود که هم سطح آب زیرزمینی و هم درجه حرارت روند یک طرفه را با زمان نشان می دهند. این نتایج بیشتر نشان می دهد که همبستگی می تواند گمراه کننده باشد، زیرا آنها لزوماً دلایل علتی ندارند. به طور کلی، یافته های ما پیچیدگی عدم استفاده از دلایل الگوهای آب زیرزمینی را نشان می دهد که در آن عوامل آب و هوا و کشاورزی ممکن است به روش های مختلفی برای تأثیرگذاری بر الگوهای آب زیرزمینی در تعامل باشند.

ما تجزیه و تحلیل علل را انجام دادیم تا ارتباط علّی بین آبهای زیرزمینی و عوامل کشاورزی و آب و هوایی را آشکار کنیم. تجزیه و تحلیل علیت نشان داد که هیچ "علتی" را نمی توان برای الگوهای آب زیرزمینی نسبت داد و این باعث می شود حتی در بخش های مجاور متفاوت باشد. این نتایج اهمیت سایر عوامل آب و هوایی و کشاورزی را برای الگوهای آب زیرزمینی و پیچیدگی در شبیه سازی سطح آب زیرزمینی از طریق مدل های مبتنی بر فرآیند یا فیزیکی برجسته می کند. ما دریافتیم که خشکسالی تأثیر منفی بر عملکرد برنج در هیچ یک از موارد ندارد و کشاورزان با افزایش چشمگیر تعداد چاه های آبیاری به آبهای زیرزمینی اعتماد می کنند و در نتیجه باعث کاهش شدید آب زیرزمینی در برخی از بخش ها می شود. علاوه بر پمپاژ، سایر علل کشاورزی نظیر عملکرد برنج و برداشت سطح می تواند نقش مهمی در اثرگذاری بر سطح آبهای زیرزمینی منطقه داشته باشد. با این حال، برای برخی از بخش ها، سطح برداشت شده بدون تغییر و یا کاهش یافته باقی مانده است، اما آب های زیرزمینی با اشاره به تسلط اقلیم بر عوامل کشاورزی همچنان رو به کاهش است. تنها چهار مورد وجود داشته است که پیوندهای علی با روابط مشتق شده از همبستگی همپوشانی دارند، این نشان می دهد که ما باید ضمن استفاده از همبستگی ها، فقط احتیاط کنیم تا علل الگوهای آبهای زیرزمینی را تشخیص دهیم. تازگی این اثر در افشای بینش های عمیق در مورد علت کاهش آب زیرزمینی و پیشنهاد یک روش قوی برای درک ارتباطات نزدیک بین غذا و آب های زیرزمینی است. چنین پیشرفت هایی در درک ما در نهایت می تواند منجر به مدیریت بهتر آبهای زیرزمینی در ضمن برآورده شدن نیازهای جهانی غذا شود.

دانلود اصل مقاله

مدیر سایت: بهزاد سرهادی

شماره تلفن: 09190622992

شناسه تلگرام مدیر سایت: SubBasin@

نشانی ایمیل: behzadsarhadi@gmail.com

(سوالات تخصصی را در گروه تلگرام ارسال کنید)

_______________________________________________________

×

 براي پيوستن به بزرگترين گروه تلگرام علوم و مهندسي آب با امکان تبادل نظر بين اعضاء کليک کنيد

کتاب کاربرد مدل QUAL2KW

کتاب کاربرد GIS در منابع آب

کتاب محاسبه سيل طرح