University of Oulu

The role of agriculture expansion in water resources depletion in central Iran

Saved in:
Author: Abou Zaki, Nizar1,2
Organizations: 1University of Oulu Graduate School
2University of Oulu, Faculty of Technology, Environmental Engineering
Format: ebook
Version: published version
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526227214
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2020
Publish Date: 2020-10-05
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Training Committee of Technology and Natural Sciences of the University of Oulu for public defence in the OP auditorium (L10), Linnanmaa, on 15 October 2020, at 1 p.m.
Tutor: Professor Bjørn Kløve
Doctor Ali Torabi Haghighi
Doctor Pekka Rossi
Reviewer: Doctor Saeed Golian
Doctor Pennan Chinnasamy
Opponent: Doctor Hamed Ketabchi
Description:

Abstract

In arid and semi-arid regions, water is considered as the main resource for agriculture and therefore for the mainstay of rural societies. In this study, agricultural water usage sustainability in Fars Province, Zayanderud and Bakhtegan Basins, in central Iran was evaluated. The study areas have witnessed a depletion in main river flows and groundwater levels, directly affecting the water security and the well-being on the local inhabitants. Available and developed drought indicators such as: Standardized Precipitation Index (SPI), Stream Drought Index (SDI), Overall Agricultural Drought Index (OADI) and Agricultural Drought Index (ADI) were used. This indicators in addition to remote sensed and in-situ data were used to monitor the water depletion in these areas. Results indicated that both Fars and Zayanderud went through three sustainability water usage stages during a period of 40 year: 1) a sustainable phase, where the water usage matched the water renewability capacity; 2) a transition phase, where water usage occasionally exceeds the water renewability capacity; 3) an unsustainable phase, where there is a lack and depletion in water resources for agriculture and domestic usage. Climatically there was no significant distribution of meteorological drought, and no negative trends in the annual precipitation, in Fars and Zayanderud. A hyper-arid climate prevailed for an average of 32 percent of the Fars province spatio-temporal coverage during the study period. The area increased significantly from 30.6 percent in the first decade, 1977 till 1986 to 44.4 percent in the last decade, 2007–2016. In Zayanderud the hyper-arid cold climate was dominant in the study period, with an average 57.5 percent frequency of occurrence. Most of the years, 86 percent of the period from 1977 till 2016, are considered to be wet and normal years meteorologically, and the climatic diversity remained constant with no significant negative trend in Fars. In contrary, the hydrological drought occurrence increased significantly from 30 to 73 percent of the years, especially after the 1980s when the irrigation expanded and 60 percent of the rainfed areas were converted to irrigated areas. This exerted a substantial pressure on surface and groundwater resources for irrigation purposes, led to groundwater depletion in major aquifers in Fars and Zayanderud, reaching 50 meters in some aquifers, and zero flow in the downstream of main rivers. This decrease in the downstream flow of the Zayanderud and Kor Rivers led to the decrease in the surface volume of Gavkhuni Wetland and Bakhtegan Lake. The wetland and the lake reached to complete dryness in several occasion, exerting pressure on the environment and surrounding ecology. The increase in water pressure and the depletion of its resources led to the decrease in the irrigated areas to half, after the farms doubled the irrigated areas in the 1990s. The remote sensed data confirmed this results were the Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) and the Global Land Data Assimilation System (GLDAS) derived data showed the total water mass depletion in the Zayanderud and Bakhtegan Basins, and the groundwater levels depletion in Bakhtegan. GRACE data showed an average water mass monthly depletion of 32 millimeters (mm) in Zayanderud and 17.5 mm in Bakhtegan. The Normalized Water Difference Index (NDWI), confirmed the surface area depletion in the Gavkhuni Wetland reaching total dryness in the year 2009 onwards. As a main conclusion, the increase in the hydrological and agricultural droughts occurrence in Fars and Zayanderud seem to be directly related to human farming activities, even with the occurrence of meteorological droughts.

see all

Tiivistelmä

Kuivilla seuduilla vesi on maanviljelyn tärkein resurssi ja siten myös maalaisyhteisöjen tukipilari. Tässä tutkimuksessa arvioitiin Iranin keski- ja eteläosissa sijaitsevien Farsin provinssin sekä Zayanderudin ja Bakhteganin valuma-alueiden maatalouden veden käytön kestävyyttä. Tutkimusalueiden suurimpien jokien virtaamat ja pohjaveden tasot ovat ehtyneet, mikä vaikuttaa suoraan vedensaantiin ja paikallisten asukkaiden hyvinvointiin. Näillä alueilla veden ehtymistä seurattiin olemassa olevilla ja kehitetyillä kuivuusindekseillä keräämällä dataa sekä kaukokartoituksella että paikan päällä. Tuloksi havaittiin, että tutkimusalueilla ollaan käyty läpi kolme veden kulutuksen vaihetta neljänkymmenen vuoden aikana: 1) Kulutusta kestävä vaihe, jolloin veden käyttö oli suhteessa veden uusiutumiskapasiteettiin; 2) Siirtymävaihe, jolloin veden käyttö toisinaan ylittää veden uusiutumiskapasiteettiin; 3) Kestämätön vaihe, jolloin on vesivaroissa on puutetta ja maatalouden ja kotitalouksien käyttöön varojen ehtyessä. Ilmastollisesti tutkimusalueilla ei ollut merkittäviä säännöllisiä kuivuuskausia, eikä negatiivisia trendejä vuosittaisessa sademäärissä. Suurin osa tarkastelluista vuosista 1977–2016 oli joko kosteita tai normaaleita ilmastotieteellisessä mielessä. Ilmaston monimuotoisuus pysyi Farsissa tutkimusaikana muuttumattomana, eikä siinä havaittu merkittäviä negatiivisia trendejä. Hydrologinen kuivuus kuitenkin lisääntyi merkittävästi eritoten 1980-luvun jälkeen, kun keinokastelu lisääntyi ja 60 prosenttia sadekastelun varassa olleista alueista muunnettiin keinokastelluiksi. Tämä aiheutti merkittävää painetta pinta- ja pohjavesivaroihin, mikä johti pohjavesien ehtymiseen suurissa pohjavesivarannoissa Farsissa ja Zayanderudissa, sekä suurimpien jokien alavirtojen tyrehtymiseen. Tutkimusalueen Zayanderud- ja Kor-jokien alavirtojen valunnan väheneminen johti Gavkhunin suon ja Bakhtegan-järven pinta-alojen pienenemiseen. Suo ja järvi kuivuivat useaan otteeseen kokonaan, tuottaen suurta painetta ympäristölle ja ympäröivälle ekologialle. Veden käyttöpaineen kohoaminen ja alueen resurssien ehtyminen johtivat kasteltujen alueiden vähenemiseen maatilojen lisättyä kasteltuja alueita 1990-luvulla. Kaukokartoituksella kerätty data vahvistaa nämä löydöt. Painovoimaan perustuvalla GRACE-satelliitilla kerätty data osoitti Zayanderudin ja Bakhteganin valuma-alueiden kokonaisvesimassan ehtymisen ja pohjaveden ehtymisen Bakhteganissa. Vesi-indeksitarkastelu (NDWI) vahvisti sekä Gavkhunin suon, että Bakhtegan-järven pinta-alojen pienenemisen. Johtopäätelmänä tutkimuksesta oli, että vaikka alueella on ajoittaisia kuivuuskausia, hydrologisen ja maataloudellisen kuivuuden esiintymisen lisääntyminen Farsissa ja Zayanderudisda näyttää olevan suorassa yhteydessä ihmisten maanviljelytoimintaan.

see all

Osajulkaisut / Original papers

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon / Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

  1. Abou Zaki, N., Torabi Haghighi, A., M. Rossi, P., J. Tourian, M., & Kløve, B. (2019). Monitoring Groundwater Storage Depletion Using Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) Data in Bakhtegan Catchment, Iran. Water, 11(7), 1456. https://doi.org/10.3390/w11071456

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

  2. Abou Zaki, N., Torabi Haghighi, A., Rossi, P. M., Tourian, M. J., Bakhshaee, A., & Kløve, B. (2020). Evaluating Impacts of Irrigation and Drought on River, Groundwater and a Terminal Wetland in the Zayanderud Basin, Iran. Water, 12(5), 1302. https://doi.org/10.3390/w12051302

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

  3. Torabi Haghighi, A., Abou Zaki, N., Rossi, P. M., Noori, R., Hekmatzadeh, A. A., Saremi, H., & Kløve, B. (2020). Unsustainability Syndrome—From Meteorological to Agricultural Drought in Arid and Semi-Arid Regions. Water, 12(3), 838. https://doi.org/10.3390/w12030838

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

see all

Series: Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica
ISSN: 0355-3213
ISSN-E: 1796-2226
ISSN-L: 0355-3213
ISBN: 978-952-62-2721-4
ISBN Print: 978-952-62-2720-7
Issue: 761
Type of Publication: G5 Doctoral dissertation (articles)
Field of Science: 218 Environmental engineering
Subjects: