پایش تغییرات سطح آبزیرزمینی آبخوان‌ میانراهان با داده‌های ماهواره GRACE

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده

استادیارگروه مهندسی آب، پردیس کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه رازی، کرمانشاه، ایران

چکیده

تعیین تغییرات سطح آب‌زیرزمینی در کشور ایران که در نواحی خشک و نیمه خشک قرار دارد از اهمیت ویژه‌ایی برخوردار است. در این راستا استان کرمانشاه با داشتن ۹۵۰ هزار هکتار زمین کشاورزی و باغ یکی از قطب‌های کشاورزی کشور است و افت سطح آب در آبخوان‌های استان به خصوص در قسمت شرقی استان شدید‌تر است. در این پژوهش با بررسی سطح آب چاه‌های مشاهداتی آبخوان میانراهان در حوضه جامیشان و نیز پهنه‌بندی مکانی این تغییرات با استفاده از روش کریجینگ در نرم افزار Arc GIS وضع موجود منطقه بررسی شده‌‌است. در ادامه به منظور ارزیابی داده‌های ماهواره GRACE با مراکز پردازش JPL,GFS,CSR,CRI از کدنویسی در محیط محاسبات ابری گوگل ارث اینجین استفاده شده‌است. تغییرات ماهانه و سالانه آب معادل مایع (LWE) محاسبه‌گردید. مقایسه نتایج دادههای مراکز پردازش داده مختلف نشان می‌دهد مرکز پردازش داده JPL با ضریب 66/0 R= بیشترین همبستگی را با داده‌های مشاهداتی دارد. مقدار رطوبت خاک، آب معادل برف و پوشش گیاهی از مدلGLDAS استخراج شده و با کسر از مقدارTWS استخراج شده از ماهواره GRACE با مقادیر مشاهداتی مقایسه شده‌است که نشان می‌دهد روند کاهش سطح آب‌زیرزمینی با دادههای مرکز پردازش JPL معادل 26/2- سانتیمتر است. محاسبات در مقیاس یک درجه مربع انجام شده و واحدها به سانتیمتر بیان شده‌است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Monitoring groundwater level changes of Mianrahan aquifer with GRACE satellite data

نویسنده [English]

  • Maryam Hafezparast
Assistant Professor, Department of Water Engineering, Faculty of Agriculture and Natural Sciences, Razi University, Kermanshah, Iran
چکیده [English]

Determining groundwater changes in Iran, which is located in arid and semi-arid regions, is of particular importance. In this regard, Kermanshah province with 950,000 hectares of agricultural land and gardens is one of the agricultural hubs of the country and the water level in the aquifers of the province, especially in the eastern part of the province is more severe. In this study, by examining the water level of the observational wells of Mianrahan aquifer in Jamishan basin and spatial zoning of these changes using Kriging method in GIS software, the current situation of the region has been investigated. In order to evaluate GRACE satellite data with JPL, GFS, CSR, CRI data centers, coding in Google Earth Engine cloud computing environment has been used. Monthly and annual changes of liquid water equivalent (LWE) were calculated. Comparing the results of different data centers show that JPL data center with coefficient of R = 0.66 has the highest correlation with observational data. The amount of soil moisture, snow water equivalent and plant canopy water was extracted from the GLDAS model and subtracted from the amount of TWS extracted from the GRACE satellite and was compared with the observed values, which shows that the trend of decreasing groundwater level is equal to -2.26 cm. Calculations are made on the scale of one square degree and units are expressed in centimeters.

کلیدواژه‌ها [English]

  • GLDAS
  • Grace
  • Kriging spatial zoning
  • Liquid water equivalent
  • Mianrahan Aquifer
اشرف زاده افشار، ع جودکی، غ. و شریفی، م .1395. ارزیابی منابع آب های زیرزمینی ایران با استفاده از داده های ماهواره ثقل سنجیGRACE . مجله علوم و فنون نقشه برداری. دوره  4 (5): 84-73.
افتخاری، م.، مددی، ک. و اکبری، م. 1398 . پایش نوسان آبخوان دشت بیرجند با تصویرهای ماهواره ِیی گریس و تحلیلهای مکانی gis . مجله پژوهش‌های آبخیزداری. 4 (32) : 65-51.
انتظاری، س و رحیم زادگان، م. 1396 . بررسی تغییرات آب های زیرزمینی با استفاده از داده های ماهواره GRACE. چهارمین کنفرانس بین المللی فناوری های نوین در مهندسی عمران. معماری و شهرسازی. تهران.https://civilica.com/doc/703043
شمسایی، ا. 1381 . هیدرولیک آب در محیط متخلخل، جلد دوم: مهندسـی آبهـای زیرزمینـی. نـشر دانـشگاه صنعتی امیرکبیر.
طاهری تیزرو، ع.، پاکدل خسمخی، ح.، معروفی، ص. و وظیفه دوست، م. 1395. 'تلفیق مدل‌های HEC-HMS و GLDAS در تخمین رواناب مناطق فاقد آمار. پژوهش‌های حفاظت آب و خاک.   23(4) : 101-111.
فرج، ز.، کاویان، ع.و اشرف زاد، ا . 1396. ارزیابی داده‌های ماهواره GRACE در برآورد تغییرات سطح آب‌زیرزمینی در استان قزوین. اکوهیدرولوژی، 4(2) : 476-463.
فرجی، ز.، کاویانی، ع. و شکیبا، ع .1396 . 'ارزیابی داده‌های تبخیر–تعرق. بارش و دمای هوای حاصل از مدل سطح زمین (GLDAS)  با استفاده از داده‌های مشاهداتی در استان قزوین.  پژوهش‌های حفاظت آب و خاک. 24(3): 283-297.
نجفی بیامه، م.، کمالی، غ. و عبدالملکی، م .1389. رسم هیدروگراف واحد با روش زمین آماری کریجینگ و مقایسه آن باروش سنتی تیسن در دشت میانراهان. نخستین کنفرانس پژوهشهای کاربردی منابع آب ایران.کرمانشاه.
نبوی، س.، علیزاده، ا. و فرید حسینی، ع. 1399. ارزیابی منابع آب‌زیرزمینی با استفاده از داده‌های ثقل سنجی ماهواره‌ای GRACE (مطالعه موردی: خراسان رضوی). آبیاری و زهکشی ایران14(3): 866-855
نجفی، ز.، کرمی، غ. و کریمی، ح. 1399. تأثیر برداشت از منابع آب آبرفتی بر آبدهی چشمه‌های کارستی (مطالعه موردی: نواحی مرکزی استان کرمانشاه). علوم و مهندسی آبیاری.انتشار آنلاین 10.22055/JISE.2020.30451.1868
Alsdorf, D. E., Rodr_ıguez, E. and Lettenmaier, D. P.2007. Measuring surface water from space, Reviews of Geophysics.45. RG2002. doi: 10.1029/2006RG000197.
Arast, M., Ranjbar, A., Mousavi. S. H., Abdollahi ,Kh. and Honarbakhsh,A. 2020. Relationship between groundwater level variations using Grace Satellite data and rainfall. Proceedings of the Institution of Civil Engineers - Water Management. 173(4): 189-198
Banerjee, D. C. and Kumar, N .2018. Assessment of Surface Water Storage trends for increasing groundwater areas in India. Journal of Hydrology. 562:780-788. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2018.05.052
Bhanja, S.N. and Mukherjee, A. 2016. Validation of GRACE based groundwater storage anomaly using in-situ groundwater level measurements in India. Journal of Hydrology. 543: 729–738.
Castellazzi, P., Longuevergne, L., Martel, R., Rivera, A. and Chaussard, E .2018. Quantitative mapping of groundwater depletion at the water management scale using a combined GRACE/InSAR approach. Remote Sensing of Environment. 205:408-418, https://doi.org/10.1016/j.rse.2017.11.025
Chen, Y., Li, W. and Xu, C.2014. Desert riparian vegetation and groundwater in the lower reaches of the Tarim River basin. Environment Earth Science. 8:1–12. https://doi.org/10.1007/s12665-013-3002-y
Chinnasamy, P. and Sunde, MG.2015. Improving spatiotemporal groundwater estimates after natural
 
disasters using remotely sensed data—A case study of the Indian Ocean Tsunami. Earth Science Informatics. 9(1):101-111, https://doi.org/10.1007/s12145-015-238-y.
Feng, W. and Zhong, M. 2013. Evaluation of groundwater depletion in North China using the Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) data and ground-based measurements. Water Resources Research. 49: 110–2118.
Henry, C. M., Allen, D. M., and J. Huang .2011. Groundwater storage variability and annual recharge using well-hydrograph and GRACE satellite data, Hydrogeology Journal 19(4): 741–755.
Huang, J.L. and Pavlic, G. 2016. Mapping groundwater storage variations with GRACE: A case study in Alberta, Canada. Hydrogeology Journal. 24: 1663–1680.
Iqbal, N and Hossain, F. 2016. Satellite Gravimetric Estimation of Groundwater Storage Variations Over Indus Basin in Pakistan. IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing. 9(8): 3524–3534. Doi: 10.1109/JSTARS.2016.2574378
Khaki, M., Awange, J., Forootan, E., and Kuhn, M .2018. Understanding the association between climate variability and the Nile's water level fluctuations and water storage changes during 1992–2016. Science of the Total Environment. 645(15):1509-1521, https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.07.212
Leblanc, M. J., Tregoning, P., Ramillien, Tweed G., Tweed, S. O., and Fakes, A.2009. Basin-scale, integrated observations of the early 21st century multiyear drought in southeast Australia. Water Resources Research. 45. W04408. doi:10.1029/2008WR007333.
Liesch, T., and Ohmer, M. 2016. Comparison of GRACE data and groundwater levels for the assessment of groundwater depletion in Jordan. Hydrogeology Journal. 24: 1547–1563.
Miro, M.E. and Famiglietti, J.S. 2018. Downscaling GRACE Remote Sensing Datasets to High-Resolution Groundwater Storage Change Maps of California’s Central Valley. Remote Sensing.10. 143.
Moiwo, J.P. and Yang, Y.H. 2009. Comparison of GRACE with in situ hydrological measurement data shows storage depletion in Hai River basin, Northern China. Water SA. 35: 663–670.
Moghim, S. 2020. Assessment of Water Storage Changes Using GRACE and GLDAS. Water Resources Management 34: 685–697. https://doi.org/10.1007/s11269-019-02468-5
Nanteza, J., and Linage, C.R. 2016. Monitoring groundwater storage changes in complex basement aquifers: An evaluation of the GRACE satellites over East Africa. Water Resources Research. 52: 9542–9564.
Rodell, M., and Chen, J.L. 2007. Estimating groundwater storage changes in the Mississippi River basin (USA) using GRACE. Hydrogeology Journal. 15: 159–166.
Rodell, M. and Velicogna, I. 2009. Satellite-based estimates of groundwater depletion in India. Nature. 460: 999–1003.
Rodell, M., Velicogna, I. and Famiglietti, J. S. 2009. Satellite-based estimates of groundwater depletion in India. Nature. 460(7258): 999–1002.
Sahoo, S., Russo, T.A.and Elliott, J. 2017. Machine learning algorithms for modeling groundwater level changes in agricultural regions of the US. Water Resources Research. 53:3878–3895.
Scanlon, B. R., Longuevergne, L. and Long, D.2012a. Ground referencing GRACE satellite estimates of groundwater storage changes in the California Central Valley. USA. Water Resources Research. 48. W04520. Doi: 10.1029/2011WR011312.
Sun, Z., Zhu, X., Pan, Y., Zhang, J .and Liu, J .2018. Drought evaluation using the GRACE terrestrial water storage deficit over the Yangtze River Basin. China. Science of the Total Environment. 634(1):727-738. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.03.292
Swenson, S., Famiglietti, J., Basara, J. and Wahr, J.2008. Estimating profile soil moisture and groundwater variations using GRACE and Oklahoma Mesonet soil moisture data. Water Resources Research. 44. W01413. Doi: 10.1029/2007WR006057.
Syed, T. H., Famiglietti, J. S., Rodell, M., Chen, J. and Wilson, C. R.2008. Analysis of terrestrial water storage changes from GRACE and GLDAS. Water Resources Research, 44. W02433. Doi: 10.1029/2006WR005779.
Tregoning, P., McClusky, S., van Dijk, A., Crosbie, RS. and Peña-Arancibia, JL .2012. Assessment of GRACE Satellites for Groundwater Estimation in Australia, Waterlines report; National Water Commission: Canberra, Australia. 36(15): 82- 89, https://doi.org/10.1029/2009GL038718
Wang, X.W and Linage, C.L. 2011. Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) detection of water storage changes in the Three Gorges Reservoir of China and comparison with in situ measurements. Water Resources Research. 47: 1–13.
Xiang, L.W. and Wang, H.S. 2016. Groundwater storage changes in the Tibetan Plateau and adjacent areas revealed from GRACE satellite gravity data. Earth and Planetary Science Letters Journal. 449: 228–239.
 Xiao, R.Y.and He, X.F. 2015. Monitoring Groundwater Variations from Satellite Gravimetric and Hydrological Models: A Comparison with in-situ Measurements in the Mid-Atlantic Region of the United States. Remote Sens. 7: 686–703.
Yeh, P. J. F, Swenson, S. C., Famiglietti, J. S. and Rodell, M.2006. Remote sensing of groundwater storage changes in Illinois using the Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE). Water Resources Research. 42. W12203. Doi: 10.1029/2006WR005374.
Zhong, Y., Zhong, M., Feng, W., Zhang, Z. and Shen, Y. Wu. 2018. D. Groundwater Depletion in the West Liaohe River Basin, China and Its Implications Revealed by GRACE and In Situ Measurements. Remote Sens. 10. 493.
Zhou, J., Sun, H., Xu, J., Zhang, W.2016. Estimation of local water storage changes by space- and ground-based gravimetric. Journal of Applied Geophysics. 131:23-28, https://doi.org/10.1016/j.jappgeo.2016.05.007