تماس با ما
گروه تلگرام ما
هشدارهای ما
آمار و اطلاعات
پروژه
نقشه برداری با وضوح بالا از آبهای سطح جهانی و تغییرات طولانی مدت آن
موقعیت و ماندگاری آبهای سطحی (داخلی و ساحلی) هر دو تحت تأثیر آب و هوا و فعالیتهای انسانی قرار دارند و بر آب و هوا، تنوع بیولوژیکی و بهزیستی انسان تأثیر می گذارد. مجموعه داده های جهانی مستند از موقعیت و فصلی بودن آب های سطحی از موجودی ها و توصیفات ملی، برآورد آماری داده های منطقه ای و تصاویر ماهواره ای تهیه شده است، اما اندازه گیری تغییرات طولانی مدت با وضوح بالا همچنان یک چالش است. در اینجا، با استفاده از سه میلیون تصویر ماهواره ای لندست 13، تغییرات آبهای سطحی جهانی طی 32 سال گذشته را با وضوح 30 متر کمی می کنیم. ما ماه ها و سال هایی را که آب در آن وجود دارد، جایی که وقوع تغییر کرده و از نظر فصلی و ماندگاری چه شکلی ایجاد کرده است، ثبت می کنیم. بین سالهای 1984 و 2015 آبهای سطحی دائمی از مساحت تقریباً 90،000 کیلومتر مربع ناپدید شده اند، تقریباً معادل دریاچه Superior، هرچند که آبهای سطحی دائمی جدیدی که 184000 کیلومتر مربع را دربرمی گیرد، در جای دیگری تشکیل شده اند. همه مناطق قاره افزایش خالص آب دائمی را نشان می دهند، به جز اقیانوسیه که خالص خسارت جزئی (یک درصد) دارد. بیشتر این افزایش است از پر شدن مخزن، اگرچه تغییرات آب و هوایی نیز دخیل است. ضرر از لحاظ جغرافیایی بیشتر از سود است. بیش از 70 درصد از دست دادن خالص دائمی آب جهانی در خاورمیانه و آسیای میانه رخ داده است که به خشکسالی و اقدامات انسانی از جمله انحراف رودخانه یا ایجاد سد و برداشت بی رویه مرتبط است. خسارات در استرالیا و ایالات متحده آمریکا که به خشکسالی طولانی مدت مرتبط هستند نیز مشهود است. این مجموعه داده جهانی معتبر و معتبر جهانی نشان می دهد که تأثیرات تغییرات آب و هوایی و نوسانات آب و هوایی در وقوع آبهای سطحی قابل اندازه گیری است و می توان شواهد را جمع آوری کرد تا نشان دهد چگونه آبهای سطحی توسط فعالیتهای انسانی تغییر می کند. ما پیش بینی می کنیم که این داده های آزاد موجود، مدل سطحی را بهبود می بخشد، شواهدی از وضعیت و تغییر در اکوتون های تالاب (مناطق انتقال بین بیوم) را فراهم می کند و به تصمیم گیری در مدیریت را بهبود بخشد.
شکل 1 | وجوه مختلف پویایی آبهای سطحی. الف، نقشه ایالات متحده آمریکا موقعیت دره ساکرامنتو را نشان می دهد (میدان قرمز). ب، ظهور آبهای سطحی 1984-2015. پ، شدت تغییر ظهور آبهای سطحی 1984-2015. ت، گسترش آب سطحی 1984–2015. ث، آب های سطحی فصلی 2014-2015. ج، انتقال در کلاس آبهای سطحی 1984-2015. دره ساکرامنتو یکی از مناطق مهم پرورش برنج در ایالات متحده آمریکا است که از مجموعه داده های جهانی استخراج شده است. مناطق آبی فصلی در سمت چپ و پایین سمت راست هر صفحه مربوط به آبیاری سیلاب، به طور عمده شالیزارهای برنج است. ویژگی های آب دائمی تر (مرکز و سمت راست بالای هر صفحه) مخازن هستند. برای توضیح در مورد طبقات آب به اطلاعات تکمیلی مراجعه کنید.
شکل 2 | توزیع و تغییرات آبهای سطحی جهانی. نقشه های جهانی، با 1 درجه عرض جغرافیایی / طول جغرافیایی خلاصه های سطح آب سطحی در سمت راست و زیر نشان داده شده است. الف، حداکثر میزان آب، وقوع آبهای سطحی دائمی و فصلی از اکتبر 2014 تا اکتبر 2015. ب، افول و نزول در سطح آبهای سطحی دائمی و فصلی بین 1984 و 2015. تمام اندازه گیری های انجام شده از آبهای داخلی و ساحلی فقط توسط مرجع GADM تعریف می شوند لایه (روش ها را ببینید).
بین هر دو نقطه از زمان، بخشی از سطح زمین دائماً زیر آب است و بخشی دیگر هرگز زیر آب نیست، و قسمت باقیمانده بین این افراط در نوسان است. خطوط ساحلی و مرزهای دریاچه و رودخانه پیشروی کرده و عقب نشینی می کنند، رودخانه ها پیچ و خم می کنند، دریاچه های دائمی جدید تشکیل می شود و سایر دریاچه ها خالی می شوند، در حالی که طغیان های فصلی و چرخه های آبیاری سیلاب به طور دوره ای آب موقت ایجاد می کنند. چه زمان و کجا آب در سطح سیاره ظهور پیدا می کنید بسیار مهم است. وجود (یا عدم وجود) آب بر سیستم آب و هوا تأثیر می گذارد، همانطور که در مدل های گردش عمومی، و همچنین فرار CO2 و انتشار گازهای متان به حساب می آید. دسترسی به آب بر حرکت، دامنه مناسب و مهاجرت برای بسیاری از گونه ها تأثیر می گذارد. برای توسعه پایدار ضروری است و می تواند امنیت مردم، نهادها و اقتصاد را تهدید کند.
پویایی جهانی آب سطحی از مشاهدات ماهواره ای با وضوح بالایی ضبط شده است، نقشه های فصلی با وضوح بالاتر با استفاده از تصاویر ماهواره ای Landsat در بازه های زمانی 5 تا 10 ساله تولید شده اند، و تمام تصاویر Landsat در طول چندین دهه برای نقشه برداری از فصلی استفاده شده است و در مقیاس های قاره و زیر قاره تغییر می کند. مجموعه داده های ارائه شده در اینجا (که به صورت رایگان از در دسترس است) کار قبلی را با استفاده از کل آرشیو چند مرحله ای اصلاح شده Landsat نسخه 5، 7 و 8 در 32 سال گذشته برای نقشه برداری تنوع مکانی و زمانی آبهای سطحی جهانی و تغییرات طولانی مدت گسترش می دهد.
هر پیکسل در 1823 ترابایت داده Landsat (داده های گسترده شکل 1 - الف تا پ) با استفاده از یک سیستم خبره به عنوان آب باز طبقه بندی شد، به عنوان زمین یا به عنوان یک مشاهده غیر معتبر (به روش ها، داده های گسترده شکل 2 و 3 و جدول تکمیلی 2 مراجعه کنید) آب آزاد هر قسمت از آب بزرگتر از 30 متر در 30 متر که در فضای باز می شود، از جمله آب شیرین و شور است. عملکرد طبقه بندی که با استفاده از بیش از 40،000 نقطه مرجع اندازه گیری شده است (روش ها و داده های گسترده شکل 4 و 5) تأیید کرد که طبقه بندی کننده کمتر از 1٪ از تشخیص آب های کاذب را تولید می کند و کمتر از 5٪ آب را از دست می دهد (جدول داده های گسترده 1).
از تاریخچه طولانی مدت آب برای تولید محصولات موضوعی استفاده شده است که جنبه های مختلف پویایی آب های سطحی را ثبت می کند. شکل 1 عصاره های محصولات جهانی بخشی از دره ساکرامنتو ایالات متحده را نشان می دهد (شکل 1-الف را ببینید). شکل 1-ب وقوع (تغییرات ماندگاری و مکان) را بین مارس 1984 و اکتبر 2015 نشان می دهد. شدت افزایش یا کاهش وقوع در طی 32 سال افزایش، کاهش و ماندگاری اسناد (شکل 1-پ). فرکانسی که آب از سال به سال دیگر در طول سری زمانی ظاهر می شود، به عنوان گسترش ترسیم می شود (شکل 1-ت)، و سطح آب موجود در کل مشاهدات سال به طور جداگانه از فصلی ترسیم می شود (شکل 1-ث). انتقال بین طبقات آب دائمی، آب فصلی و زمین را می توان بین هر دو سال مشاهده تعیین کرد. انتقال بین سال اول و آخر مشاهده در شکل 1-ج نشان داده شده است. پروفایل های زمانی تاریخ آب را در هر پیکسل، ماه و سال ثبت می کنند و اندازه گیری تغییر در مقیاس جهانی، قاره و کشور با ترکیب این لایه های اطلاعاتی مکمل تولید می شود (جدول تکمیلی 1).
شکل 3 | روند سالانه سطح آب دائمی الف، فنلاند ب، نیو ساوت ولز، استرالیا. ج، ایالت های غربی ایالات متحده آمریکا (آریزونا، کالیفرنیا، آیداهو، نوادا، اورگان، یوتا). د، دریای آرال (قزاقستان، ازبکستان). ه، عراق، ایران و افغانستان. ج، فلات تبت. عدم قطعیت از مولفه مشاهده نشده حداکثر میزان آب دائمی تخمین زده می شود. مساحت واقعی سطح آب در این محدوده است. خطوط ترند از سالهایی ارائه می شوند که مولفه مشاهده نشده کمتر از 5٪ باشد.
سه درصد (4.46 میلیون کیلومتر مربع) از زمین در مدتی بین مارس 1984 و اکتبر 2015 زیر آب بوده است. شکل 2-الف نشان می دهد که بیش از نیمی از (52٪) این بالاتر از 44 درجه شمالی است، الگویی که مطابقت دارد با کار قبلی. در سال 2015 آبهای دائمی 2.78 میلیون کیلومتر مربع مساحت داشتند و 86 درصد این مقدار (2.4 میلیون کیلومتر مربع) از نظر جغرافیایی و زمانی ثابت نبوده و به طور مداوم در کل رکورد مشاهده وجود دارد. دریاچه های باستانی جهان مانند بایکال و تانگانیکا، دریاچه های بزرگ آمریکای شمالی و "سرزمین هزار دریاچه" منطقه شمال اروپا بخشی از این آبهای واقعاً دائمی هستند. اما شکل 2-ب همچنین الگوهای چشمگیر تغییر وقوع آبهای سطحی را نشان می دهد.
در طی سه دهه گذشته ثابت شده است که بیش از 162،000 کیلومتر مربع از مجموعه آب که قبلاً دائمی تصور می شد، نیست. تقریباً 90،000 کیلومتر مربع کاملاً ناپدید شده و بیش از 72،000 کیلومتر مربع از یک حالت دائمی به یک حالت فصلی منتقل شده اند. در همان دوره تقریباً 213000 کیلومتر مربع از آبهای دائمی جدید به وجود آمدند. 29000 کیلومترمربع از این مناطق فصلی زیر آب می رفت اما اکنون در تمام طول سال زیر آب است، در حالی که 184000 کیلومتر مربع آب دائمی در مناطقی تشکیل می شود که قبلا فاقد آبهای سطحی بودند. در بازه زمانی معاصر (اکتبر 2014 تا اکتبر 2015) آب فصلی 0.81 میلیون کیلومتر مربع را پوشش داد.
آبهای سطحی فقط بخشی از منابع آب است، اما در دسترس ترین نفوس برای انسانها است و خدمات اکوسیستم گسترده ای را ارائه می دهد. تقریباً 52٪ از آبهای سطحی واقعاً دائمی این سیاره در آمریکای شمالی اتفاق می افتد که کمتر از 5٪ از جمعیت در آن در سال 2015 زندگی می کنند، و همچنین این قاره 18٪ آب فصلی معاصر را در خود جای داده است. بین 1984 و 2015 مساحت آب دائمی آمریکای شمالی 17000 کیلومتر مربع افزایش یافته است. در مقابل، آسیا با 60٪ جمعیت انسانی تنها 9٪ از آبهای فصلی واقعاً دائمی و 35٪ از آبهای معاصر را تشکیل می دهد. آسیا 71000 کیلومتر مربع آب دائمی بدست آورده است که 23 درصد افزایش برای این قاره است. آفریقا و آمریکای لاتین تقریباً 9 درصد از آب دائمی جهان را در اختیار دارند، گرچه جمعیت آنها بسیار متفاوت است، آفریقا (16٪ از کل جمعیت) تقریباً دو برابر آمریکای لاتین (8.6٪) از مردم پشتیبانی می کند. اروپا از جمله روسیه با 10٪ جمعیت جهانی 22٪ آب دائمی و 18٪ آب فصلی معاصر دارد. اقیانوسیه تنها منطقه قاره ای است که با از دست دادن خالص آب دائمی، هر چند منطقه کوچکی در 229 کیلومتر مربع، از دست می رود.
خلاصه های قاره تنوع شدید منطقه ای را پنهان می کند. خشکسالی هزاره استرالیا (بین سالهای 2001 و 2009) تأثیر قابل توجهی در هیدرولوژی داشت و تأثیرات قابل اندازه گیری آن را می توان در روند سطح آبهای سطحی دائمی برای سالهای خشکسالی مشاهده کرد (شکل 3-ب). تنوع منطقه ای نیز در ایالات متحده آمریکا آشکار است. اگرچه از سال 1984 به طور کلی سطح آبهای دایمی کشور 0.5٪ افزایش یافته است، اما ترکیبی از خشکسالی و تقاضای مداوم برای آب شاهد از دست رفتن 33٪ بیش از 6000 کیلومتر مربع در 6 ایالت غربی بوده است (شکل 3-پ). این خسارات باعث تغییر رفتار اجتماعی، ایجاد تغییرات محلی در مدیریت آب و ایجاد تغییر در تولیدات کشاورزی می شود.
رفتار انسان ممکن است در پاسخ به توزیع آب در حال تغییر باشد، اما عملکرد انسان خود باعث تغییر الگوهای آب سطحی می شود. بیش از 70 درصد از دست دادن خالص دائمی آب جهانی در پنج کشور متمرکز شده است. ناهنجاری منفی مشخص در تغییر پوشش دائمی آب با مرکزیت 45 درجه شمالی، 60 درجه شرقی (شکل 2-ب) مربوط به این کانون تغییر است. قزاقستان و ازبکستان قسمت عمده ای از لوب شرقی دریای آرال جنوبی را از دست داده اند (شکل های 3 و 4). میزان ضرر بین سالهای 1994 و 2009 بیشترین بود، گرچه اخیراً این روند کند و حتی تا حدودی معکوس شده است (شکل 3). انحراف و خروج از رودخانه های آمو و سیر که زمانی دریاچه را تغذیه می کردند، علت اصلی از بین رفتن است، اما تغییرات در مدیریت آب امید به ثبات و احیای جزئی را فراهم می کند. ایران، افغانستان و عراق نیز متحمل خسارات عمده شده اند، به ترتیب 56٪، 54٪ و 34٪ آب دائمی کمتری در سال 2015 نسبت به سال اول مشاهده داشته اند (شکل 3-پ). این تلفات، که سوالاتی جدی در مورد امنیت آب و مدیریت آب فرامرزی ایجاد می کند، ناشی از عواملی از جمله برداشت بی رویه، سدهای تغییر دهنده میزان جریان و جهت رودخانه ها و خشکسالی است.
شکل 4 | تغییرات آب سطحی برای دریای آرال و فلات تبت. انتقال بین سال اول مشاهدات نماینده و آخرین سال مشاهده. الف، دریای آرال. ب، فلات تبت. زمینه منطقه ای برای هر مکان در مجموعه نشان داده شده است. روند 32 ساله در سطح آب برای این مناطق نقشه برداری شده در شکل 3 نشان داده شده است. کلید کلاسهای فصلی برای هر دو صفحه اعمال می شود.
24 کشور پراکنده در تمام قاره ها هرکدام حداقل 1000 کیلومتر مکعب آب دائمی جدید به دست آورده اند (جدول تکمیلی 1). بیشتر مربوط به ساخت مخزن است (داده های توسعه یافته شکل 6)، با اکثر کشورها به طور برجسته در کمیسیون بین المللی سدهای بزرگ ثبت نام سد سازان. ترکمنستان یک استثنا است. بیش از 90٪ سطح آب اضافی - 14411 کیلومتر مربع - ناشی از احیای تالاب Garabogazköl Aylagy متعاقب شکسته شدن سد بین تالاب و دریای خزر در سال 1992 است. آبهای سطحی دائمی نیز بدون ایجاد سد در فلات تبت بسیار افزایش یافته است (شکل 4). تقریباً تمام دریاچه های اندوره ایک منطقه در حال گسترش هستند و دریاچه های جدیدی در حال شکل گیری هستند که منجر به افزایش 20 درصدی، یعنی 8300 کیلومتر مربع اضافی می شود (شکل 3 f). انبساط دریاچه در فلات با افزایش رواناب ناشی از ذوب سریع برف و یخچال های طبیعی ناشی از درجه حرارت بالاتر و بارندگی سالانه مرتبط است چالش های سازگاری با تغییرات آب و هوایی شامل کاهش سطح مرتع ناشی از طغیان، تخریب مراتع مرتبط با شور شدن آب پس از گسترش آب های شور و تهدیدات زیرساخت های حمل و نقل است. دستاوردهای مربوط به آب و هوا در آبهای سطحی در این منطقه به طور قابل توجهی با خسارات مربوط به خشکسالی در استرالیا، ایالات غربی ایالات متحده آمریکا و آسیای میانه / خاورمیانه که در بالا توضیح داده شد، در تضاد است.
سطوح آب فصلی می تواند تنوع زیادی نشان دهد، در بین سالهای مرطوب و خشک حرکت کند، حتی از نظر جغرافیایی تغییر کند. گرفتن چنین تنوعی، به ویژه برای رویدادهای کوتاه مدت، چالش برانگیز است زیرا مشاهده ماهواره بدون ابر باید همزمان با وقوع آب باشد. دقت نقشه برداری آب فصلی به ترتیب کمتر است (جدول داده های گسترده 1). تغییر در مکان، مدت زمان و زمان بستگی به شرایط آب و هوایی غالب دارد (از جمله تغییراتی که توسط اغتشاشات عمده مانند نوسانات ال نینو-جنوب ایجاد می شود)، اگرچه فرسایش، حمل و نقل و رسوب رسوبات (به ویژه در حوالی سواحل و در امتداد مسیرهای رودخانه) و گزینه های استفاده از زمین نیز تأثیر می گذارد. تغییر در هر یک از این شرایط حتی می تواند باعث انتقال بین کلاسهای دائمی و فصلی شود (همانطور که در روش ها تعریف شده است). به عنوان مثال، بسیاری از مزارع شالیکاری فصلی در اطراف جنگل حرا Sundarbans در بنگلادش و هند به استخرهای ماهی برای همیشه پر از آب تبدیل شده اند (داده های گسترده شکل 7). این ممکن است از طریق انتخاب و نیروهای بازار باشد اما ممکن است از ضرورت نیز باشد، زیرا آب و خاکهای شالیزار با افزایش سطح دریا و فرو نشستن زمینهای دلتا به طور فزاینده ای شور می شوند. سرزمین های آب گرفتگی فصلی همچنین می توانند در پساب سدهای جدید غرق شوند، در حالی که سیستم های رودخانه پایین دست به طور فزاینده ای تکه تکه و خشک می شوند. غرق شدن، تکه تکه شدن و خشک شدن همگی برای بسیاری از رودخانه های سد شده مانند Paraná (داده های گسترده شکل 8)، رودخانه های کلرادو و مکونگ مشهود است. این فرایندها تأثیرات گسترده ای بر روی انسان و تنوع زیستی دارد، اگرچه نقشه برداری دقیق منجر به بهبود مدیریت منابع آب و درک عمیق تری از اتصال، ویژگی های زمانی و پیامدهای تصمیمات مربوط به مدیریت زمین خواهد شد.
یافته های گزارش شده در اینجا نیاز به استراتژی های مدیریت منابع آب را تقویت می کند، همانطور که قبلاً پیشنهاد شده است. این تجزیه و تحلیل یک الگوریتم سازگار را در تمام 32 سال مشاهدات Landsat برای تولید یک مجموعه داده معتبر اعمال می کند که پویایی جهانی آب های سطحی را با سطوح جدیدی از جزئیات و دقت مکانی مستند می کند. پیوند دادن این اطلاعات با مجموعه داده های مکمل، مانند اندازه گیری ارتفاع سنجی ماهواره ای، تخمین تازه ای از حجم آب سطحی، تخلیه رودخانه و حتی افزایش سطح دریا را تولید می کند. مدلهای گردش عمومی که در حال حاضر آبهای سطحی را به صورت ساده تصفیه می کنند، باید بلافاصله از موقعیت دقیق سطح آبهای دائمی بهره مند شوند. نقشه برداری از تغییرات طولانی مدت در وقوع آبهای سطحی جهانی، مستند سازی روند چند دهه ای و تعیین زمان (در یک ماه یا سال مشخص) از حوادث مانند گسترش دریاچه و عقب نشینی یا مهاجرت کانال رودخانه، بینش در مورد تأثیرات تغییرات آب و هوایی را فراهم می کند و نوسانات آب و هوا بر توزیع آب های سطحی، و به طور همزمان اثرات انسان بر توزیع منابع آب سطحی است.
نقشه برداری با وضوح بالا از آبهای سطح جهانی و تغییرات طولانی مدت آن
شناسه تلگرام مدیر سایت: SubBasin@
نشانی ایمیل: behzadsarhadi@gmail.com
(سوالات تخصصی را در گروه تلگرام ارسال کنید)
_______________________________________________________
در منابع آب
نظرات (۰)