نشریه آبیاری و زهکشی ایران

نشریه آبیاری و زهکشی ایران

بررسی تغییرات ذخیره و تغذیه آب زیرزمینی با استفاده از داده‌های ماهواره GRACE و GRACE-FO در آبخوان دشت بیرجند با استفاده از Google Earth Engine

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشیار گروه علوم و مهندسی اب، پردیس کشاورزی،دانشگاه بیرجند،بیرجند، ایران
2 دانشجو دکتری منابع آب، گروه علوم ومهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه بیرجند، ایران و بخش تحقیقات خاک و آب، مرکز تحقیقات و آموزش
3 کارشناس ارشد مهندسی منابع آب، شرکت آب منطقه ای خراسان جنوبی، شرکت مدیریت منابع آب، بیرجند،ایران
چکیده
بهره‌برداری بیش از حد از منابع آب زیرزمینی باعث کاهش سطح آب زیرزمینی در آبخوان دشت بیرجند شده است. در این مطالعه، تغییرات ذخیره آب با داده‌های ماهواره‌ای GRACE و GRACE-F0 و بارندگی سالانه کل با داده‌های CHIRPS در سیستم Google Earth Engine برای آبخوان بیرجند در بازه زمانی 2003 تا 2024 بررسی شد. تغذیه آب زیرزمینی از سری زمانی ذخیره آب زیرزمینی با استفاده از روش نوسانات سطح آب تخمین زده شد. بر اساس نتایج حاصل از داده‌های ماهواره‌ای GRACE-FO و GRACE در مورد نوسانات ذخیره آب بین سال‌های 2003 تا 2024، مشخص شد که بیشترین نرخ افزایش سطح آب زیرزمینی نسبت به میانگین بلند مدت حدود 7 سانتی‌متر در فوریه‌ 2005 رخ داده و بیشترین مقدار کاهش با حدود 25 سانتی‌متر در دسامبر 2023 اتفاق افتاده است. نرخ تغذیه خالص به‌دست‌آمده در این بازه 21 ساله بین 3 تا 12 سانتی‌متر در ماه متغیر بود و میانگین آن 6.4 سانتی‌متر در سال بود. این مطالعه نشان می‌دهد که تخمین تغییرات ذخیره آب زیرزمینی بر اساس داده‌های GRACE از دقت بالایی برخوردار است ومی‌تواند به مدیران منابع و محققان، اطلاعات ماهانه در مورد روند تغییرات ذخیره آب زیرزمینی درمناطق که کمبود داده‌های چاه‌های مشاهداتی مواجه هستند ارائه دهد.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Investigation of Groundwater Storage and Recharge Changes Using GRACE and GRACE-FO Satellite Data in the Birjand Aquifer with Google Earth Engine

نویسندگان English

mehdi dastourani 1
elham Ghouchanian 2
omid khorashadizadeh 3
Hossein Khozeymeh Nezhad 1
1 Associate Professor, Department of Water Science and Engineering, Faculty of Agriculture, University of Birjand, Birjand, Iran
2 Department of Water Science and Engineering, Faculty of Agriculture, University of Birjand, Birjand, Iran & Department of Soil and Water Research Department, South Khorasan Agriculture and Natural Resources Research and Education
3 MSc in Water Resources Engineering, South Khorasan Regional Water Company, Water Resources Management Company, Birjand, Iran
چکیده English

Abstract

Over exploitation of Ground Water (GW) has resulted in lowering of water table in the Birjand aquifer. In this study, changes in groundwater storage were analyzed using GRACE and GRACE-FO satellite data, and total annual precipitation with CHIRPS data in the Google Earth Engine system were investigated for the Birjand aquifer over the period from 2003 to 2024. Groundwater recharge was estimated from the groundwater storage time series using the water table fluctuation method. Based on the results from the GRACE-FO and GRACE satellite data regarding the fluctuations in groundwater storage from 2003 to 2024, the highest rate of groundwater level increase relative to the long-term average occurred in February 2005, with an increase of about 7 centimeters, while the greatest decline, approximately 25 centimeters, was recorded in December 2023. The estimated net recharge rate during this 21-year period ranged from 3 to 12 centimeters per month, with an average of 6.4 centimeters per year. This study demonstrates that estimating changes in groundwater storage based on GRACE data is highly accurate and can provide monthly information on trends in groundwater storage changes for areas with limited observational well data, offering valuable insights for resource managers and researchers.

کلیدواژه‌ها English

GRACE
groundwater storage
CHIRPS
Google Earth Engine
علایی بازکیایی، پ.، کامکار، ب.، امیری، ا.، کاظمی، ح. و رضایی، م. 1399. ارزیابی مدل ORYZA2000 در شبیه‌سازی عملکرد و بهره‌وری تولید برنج تحت مدیریت‌های زراعی. پژوهش‌های حفاظت آب و خاک (علوم کشاورزی و منابع طبیعی). 27 (1): 69-49.
امیری، ا.، رضایی، م. و بنایان اول، م. 1390. ارزیابی مدل رشد گیاهی برنج ORYZA2000 در شرایط محدودیت آبیاری و کود نیتروژن (واسنجی و اعتباریابی). آب و خاک (علوم و صنایع کشاورزی). 25 (4): 757-769.
امیری لاریجانی، ب.، طهماسبی سروستانی، ز. و نعمت‌زاده، ق. 1392. شبیه‌سازی شاخص سطح برگ, زیست‌توده و عملکرد دانه ارقام برنج در سنین مختلف گیاهچه‌ای با استفاده از مدل ORYZA2000. مجله به زراعی نهال و بذر (نهال و بذر). 29-2(3): 302-283.
تقی‌زاده، م.، اصفهانی، م.، دواتگر، ن. و مدنی، ح. 1387. تأثیر دور آبیاری و مقادیر مختلف نیتروژن بر عملکرد و اجزای عملکرد برنج رقم طارم هاشمی در رشت. یافته‌های نوین کشاورزی. 2(4): 364-353.
توکلی، ع. و موسوی، ف. 1385، اصول کاربردی کم‌آبیاری، انتشارات کمیته ملی آبیاری و زهکشی ایران، 294 صفحه.
سید جلیلی، س. 1400. بررسی تلفیق روش‌های آبیاری کرتی و قطره‌ای در دو سطح کود نیتروژن بر بهره‌وری آب، عملکرد و اجزای عملکرد برنج رقم هاشمی در منطقه رشت. پایان‌نامه کارشناسی ارشد، دانشکده علوم کشاورزی دانشگاه گیلان.
شبان، م.، هزارجریبی، ا.، اسدی، م.ا. و قربانی، خ. 1402. ارزیابی مدل‌های ORYZA2000 و VSM در شبیه‌سازی عملکرد برنج تحت مدیریت‌های آبیاری. پژوهش آب ایران. 17(1): 23-11.
شعاعی پرچین، ن.، بیگلوئی، م.، محسن‌آبادی، غ. و فرهنگی، م.ب. 1401. تأثیر تلفیق روش‌های آبیاری غرقابی و قطره‌ای در سطوح مختلف کود نیتروژن و تعداد نشا بر عملکرد و بهره‌وری آب برنج. مدیریت آب در کشاورزی. 9(1): 135-148.
مدیری، ا.، براری تاری، د.، امیری، ا.، نیک نژاد، ی. و فلاح آملی، ه. 1403. شبیه‌سازی سطح برگ، عملکرد و مقدار نیتروژن برنج در مدیریت مختلف مصرف نیتروژن با استفاده از مدل ORYZA2000، به‌زراعی کشاورزی. 26 (2): 252-235.
مؤمن‌زاده، س.ف، قلی‌پوری، ع.، آل‌ابراهیم، م. و امیری، ا. 1401. ارزیابی مدل ORYZA2000 برای پیش‌بینی تولید ارقام برنج تحت مدیریت آبیاری غرقاب و تنش خشکی. مجله آبیاری و زهکشی ایران. 16(1 ): 217-229.
Arora, V.K. 2006. Application of a rice growth and water balance model in an irrigated semi-arid subtropical environment, Agricultural Water Management. 83(1–2): 51-57.
Azarpour, E., Moraditochaee, M. and Bozorgi, H. R. 2014. Calibration and evaluation of the rice growth ORYZA 2000 model under nitrogen fertilizer Management in paddy fields of Iran. Bulletin of Environment, Pharmacology and Life Sciences. 3: 184-193.
Bouman, B.A.M. and Kropff, M.J. 2001 Tuong, T.P., Wopereis, M.C.S., ten Berge, H.F.M. and van Laar, H.H., 2001. ORYZA2000: Modeling Lowland Rice. Los Banos, Philippines.
Bouman, B.A.M. and Van Laar, H.H. 2006. Description and evaluation of the rice growth model ORYZA2000 under nitrogen-limited conditions. Agricultural Systems. 87(3): 249-273.
Cai, X. and Rosegrant, M.W., 2003. World water productivity: Current situation and future options. In Water Productivity in Agriculture: Limits and Opportunities for Improvement Kijne, J.W., Barker, R., Molden, D., (Eds.), CABI: Wallingford, UK; International Water Management Institute (IWMI): Colombo, Sri Lanka. 163–178.
Dai, J., Li, R., Li, C., Lu, Y. and Zou, C. 2021. Simulation of Effects of Different Water and Fertilizer Treatments on Maize Growth with AquaCrop in Hetao Irrigated Area. Journal of Soil and Water Conservation. 35(3): 312-319.
Dehghan Moroozeh, A., Bansouleh, B.F., Ghobadi, M. and Ahmadpour, A. 2023. Assessment of DSSAT and AquaCrop models to simulate soybean and maize yield under water stress conditions. Spanish Journal of Agricultural Research, 21(3): e1201.
Fatimah, K. 2018. Evaluation of Agricultural Subsidies and the Welfare of Farmers; Malaysia Agricultural Subsidies Report; IDEAS Policy Research Berhad: Kuala Lumpur, Malaysia. 1–64.
Feng, L., Bouman, B.A.M., Tuong, T.P., Cabangon, R. J., Li, Y., Lu, G. and Feng, Y. 2007. Exploring options to grow rice using less water in northern China using a modelling approach: I. Field experiments and model evaluation. Agricultural Water Management. 88(1-3): 1-13.
Hashemi, M., Zadeh, H. M., Arasteh, P. D. and Zarghami, M. 2019. Economic and environmental impacts of cropping pattern elements using systems dynamics. Civil Engineering Journal. 5(5): 1020-1032. doi:10.28991/CEJ-2019-03091308
Huai, H., Zhang, Q., Li, Z., Liang, L. and Tang, X., 2024.Analysis of Crop Irrigation Water Requirements and Water Scarcity Footprint in the Beijing–Tianjin–Hebei Region Based on the GeoSim–AquaCrop Model. Agronomy. 14(192): 1-12.
IRRI. 2008. Background Paper: The Rice Crisis: What Needs to Be Done? IRRI, Los Baños, Philippines, www.irri.org/12pp
Ishfaq, M., Farooq, M., Zulfiqar, U., Hussain, S., Akbar, N., Nawaz, A., and Anjum, S. A. 2020. Alternate wetting and drying: A water-saving and ecofriendly rice production system. Agricultural Water Management, 241: 106363.
Jin, L., Wei, D., and Yin, D. 2023. Research progress on greenhouse microclimate simulation and greenhouse crop growth modeling. J.Shanxi Agric. Univ. (Nat. Sci. Ed.). 43: 55–64.
Kawakita, S., Yamasaki, M., Teratani, R., Yabe, S., Kajiya-Kanegae, H., Yoshida, H., Fushimi, E. and Nakagawa, H. 2023. Dual ensemble approach to predict rice heading date by integrating multiple rice phenology models and machine learning-based genetic parameter regression models. Agricultural and Forest Meteorology. 334: 109821.
Li, T., Angeles, O., Marcaida III, M., Manalo, E., Manalili, M. P., Radanielson, A. and Mohanty, S. 2017. From ORYZA2000 to ORYZA (v3): An improved simulation model for rice in drought and nitrogen-deficient environments. Agricultural and forest meteorology. 237: 246-256.
Li, T., Humphreys, E., Gill, G. and Kukal, S. S. 2011. Evaluation and application of ORYZA2000 for irrigation scheduling of puddled transplanted rice in North West India. Field Crops Research. 122(2): 104-117.
Li, T., Raman, A.K., Marcaida III, M., Kumar, A., Angeles, O. and Radanielson, A. M. 2013. Simulation of genotype performances across a larger number of environments for rice breeding using ORYZA2000. Field Crops Research. 149: 312-321.
Mojid, M.A. and Mainuddin, M. 2021. Water-saving agricultural technologies: Regional hydrology outcomes and knowledge gaps in the eastern gangetic plains-a review. Water, 13(5): 636. 10.3390/w13050636
Nabipour, R., Yazdani, M.R., Mirzaei, F., Ebrahimian, H., and Mobaraki, F.A. 2024. Water productivity and yield characteristics of transplanted rice in puddled soil under drip tape irrigation. Agricultural Water Management. 295: 108753.
Najafi, S., Khaledian, M. and Rezaei, M. 2021. Evaluation of water productivity with three rice genotypes under different irrigation regimes and nitrogen fertilizer treatments in Rasht, northern Iran. Irrigation and Drainage. 70(4): 679-689.
Nisar, S. and Arora, V.K. 2018. Analyzing Dry-Seeded Rice Responses to Planting Time and Irrigation Regimes in a Subtropical Environment Using ORYZA2000 Model. Agricultural Research. 7(4): 424–431.
Pang, G. B., Li, Y., Xu, Z. H. and Gao, H. Z. 2014. Calibration and Evaluation of ORYZA2000 under Water and Nitrogen managements. Applied Mechanics and Materials. 641: 246-250.
Peng, J., Liu, T., Chen, J., Li, Z., Ling, Y., De Wulf, A. and De Maeyer, P. 2023. The conflicts of agricultural water supply and demand under climate change in a typical arid land watershed of Central Asia. Journal of Hydrology: Regional Studies. 47: 101384.
Piao, S., Ciais, P., Huang, Y., Shen, Z., Peng, S., Li, J. and Fang, J. 2010. The impacts of climate change on water resources and agriculture in China. Nature. 467(7311): 43-51.
Prathumchai, K., Nagai, M., Tripathi, N. K. and Sasaki, N. 2018. Forecasting transplanted rice yield at the farm scale using moderate-resolution satellite imagery and the AquaCrop model: a case study of a rice seed production community in Thailand. ISPRS International Journal of Geo-Information. 7(2): 73.
Rao, K. V. R., Gangwar, S., Keshri, R., Chourasia, L., Bajpai, A. and Soni, K. 2017. Effects of drip irrigation system for enhancing rice (Oryza sativa L.) yield under system of rice intensification management. Applied Ecology & Environmental Research. 15(4): 487-495.
Richards, M. and Sander, B. 2014. Alternate wetting and drying in irrigated rice. IRRI CCAFS and Info Notes. http://www.agritech.tnau.ac.in/agriculture/pdf/csa_pdf/Alternate_wetting_and_drying_in_irrigated_rice_InfoNote.pdf
Rinaldi, M., Losavio, N. and Flagella, Z. 2003. Evaluation and application of the OILCROP–SUN model for sunflower in southern Italy. Agricultural Systems. 78(1): 17-30.
Saadati, Z., Pirmoradian, N. and Rezaei, M. 2011. Calibration and validation of AquaCrop model in rice growth simulation under different irrigation managements. ICID 21st International Congress on Irrigation and Drainage, Tehran, Iran.
Sailaja, B., Voleti, S. R., Subrahmanyam, D., Nathawat, M. S. and Rao, N. H. 2013. Validation of Oryza2000 model under combined nitrogen and water limited situations. Indian Journal of Plant Physiology. 18: 31-40.
Sandhu, R. and Irmak, S. 2019. Performance of AquaCrop model in simulating maize growth, yield, and evapotranspiration under rainfed, limited and full irrigation. Agricultural Water Management. 223: 105687.
Shadpour-Rashti, M., Khaledian, M., Biglouei, M. and Rezaei, M. 2017. Using the PILOTE Model to Improve Water Productivity for Rice in Rasht, North of Iran. International Journal of Agricultural Management and Development (IJAMAD). 7(4): 477-487.
Soman, P., Singh, S., Bhardwaj, A. K., Pandiaraj, T. and Bhardwaj, R. K. 2018. On-farm drip irrigation in rice for higher productivity and profitability in Haryana, India. International Journal of Current Microbiology and Applied Sciences. 7(02): 506-512.
Soundharajan, B. and Sudheer, K. P. 2013. Sensitivity analysis and auto-calibration of ORYZA2000 using simulation-optimization framework. Paddy and Water Environment. 11: 59-71.
Xue, C., Yang, X., Bouman, B. A., Deng, W., Zhang, Q., Yan, W. and Wang, H. 2008. Optimizing yield, water requirements, and water productivity of aerobic rice for the North China Plain. Irrigation Science. 26: 459-474.
Yadav, S., Li, T., Humphreys, E., Li, T., Gill, G. and Kukal S.S. 2012. Evaluation of tradeoffs in land and water productivity of dry seeded rice as affected by irrigation schedule. Field Crops Research. 128: 180-190.
Yu, Q. and Cui, Y. 2022. Improvement and testing of ORYZA model water balance modules for alternate wetting and drying irrigation. Agricultural Water Management. 271: 107802
Yuana. S., Penga. S. and Lib. T. 2017. Evaluation and application of the ORYZA rice model under different crop managements with high-yielding rice cultivars in central China. Field Crops Research. 212(1): 115-125.
Zhou, D., Wang, H., Wang, X., Wang, F., Zhang, J. and Ma, D. 2024. Evaluation of AquaCrop’s ability to simulate water stress based on 2-year case study of maize crop. Agronomy. 14(2): 354.