Investigation of climate variability impacts on multilayer aquifers (Case study: Gorgan plain)

Document Type : Research Paper


1 PhD Candidate of Water Resources Engineering, University of Tehran, Karaj, Iran

2 Associate Professor, Department of Irrigation & Reclamation Engineering, University of Tehran, Karaj, Iran


In many arid and semi-arid regions, groundwater resources exploitation is inevitable to meet water demands. This paper aims to study the response of phreatic and confined aquifers in a multilayer groundwater system to climate variability. To achieve this aim, Gorgan plain multilayer aquifer has been investigated using different meteorological and hydrological drought indices (DI, PNI, SPI and GRI) and the correlation analysis method. 19 rain gauge stations, 19 observation wells and 19 piezometric wells data with the time period of 38, 38 and 14 years, respectively, has been used. The SPI showed better performance in monitoring of climate variability and detecting drought events, so it used to compare with GRI. Also, the results indicate difference between aquifers response to meteorological droughts. In this case, long-term 18-month and 48-month SPI indices are the most correlated parameters to the groundwater in both phreatic and confined aquifers and the effect of fluctuations in rainfall remained up to 15 months and 5 months in each zone, respectively. This reflects this fact that, if the principles of sustainable exploitation be followed, confined aquifer has a high reliability andonly when prolonged drought or wet condition occurs, it could be affected.


  1. ایمانیم. و طالبی اسفندارانی ع (1390) بررسی آثار خشکسالی بر تغییرات سطح سفرۀ آب زیرزمینی دشت بهاباد یزد با استفاده از شاخصهای SPI و GRI. مجموعه مقالات چهارمین کنفرانس مدیریت منابع آب ایران، دانشگاه صنعتی امیرکبیر تهران، ایران: 1-8.
  2. رضیئی ط.، شکوهی ع.، ثقفیان ب. و دانش‌کار پ (1382) پایش پدیدة خشکسالی در ایران مرکزی با استفاده از شاخص SPI. مجموعه مقالات سومین کنفرانس منطقه‌ای و اولین کنفرانس ملی تغییر اقلیم، دانشگاه اصفهان، ایران: 204-213.
  3. صیفم.، محمدزاده ح. و مساعدی ا (2012) ارزیابی تأثیر خشکسالی بر منابع آب زیرزمینی آبخوان دشت فسا با استفاده از شاخص‌های بارندگی معیار شده، منابع آب زیرزمینی و قابلیت هدایت الکتریکی معیارشده. مهندسی منابع آب. 5: 45-59.
  4. عیوضیم.، مساعدی ا. و مصباح س (1391) بررسی و تعیین مناسب‌ترین نمایۀ خشکسالی اقلیمی در سطح استان گلستان. مجموعه مقالات سومین همایش ملی مدیریت جامع منابع آب، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری: 1-7.
  5. محمدی قلعهنی م.، ابراهیمی ک. و عراقینژاد ش (1391) ارزیابی تأثیر عوامل اقلیمی بر افت منابع آب زیرزمینی (مطالعۀ موردی: آبخوان دشت ساوه. پژوهش‌های حفاظت آب و خاک. 19(4): 189-200.
  6. مصطفی‌زاده ر. و شیخ و (1390) ارزیابی تراکم شبکه بارا‌ن سنجی استان گلستان با استفاده از روش همبستگی مکانی. پژوهش‌های آبخیزداری. (93): 79-87.
  7. مقدسیم.، پایمزد ش. و مرید س (2010) پایش مکانی خشکسالی سالهای 1377-1378 تا 1379-1380 استان تهران با استفاده از شاخصهای DI، SPI، EDI و سیستم اطلاعات جغرافیایی. مدرس علوم انسانی برنامه‌ریزی و آمایش فضا. 9(1): 197-215.‌
  8. مقدم و.، جمانی ج.، جوانمرد س.، مهدیان ع. و خزانه‌داری ل (1380) پایش خشکسالی بر اساس نمایۀ SPI، دهک‌ها و نرمال در استان سیستان و بلوچستان. مجموعه مقالات اولین کنفرانس بررسی راهکارهای مقابله با بحران آب، دانشگاه زابل، ایران: 69-80.
  9. مهندسین مشاور کنکاش عمران (1388) گزارش بهنگام‌سازی تلفیق مطالعات منابع آب حوزۀ آبریز رودخانه‌های قره سو و گرگان. دفتر مطالعات پایۀ منابع آب: 10، 17، 29، 40 و 178.

10. Beran J (1994) Statistics for Long-Memory Processes. CRC Press: p. 53.

11. Brázdil R (1986(Variation of atmospheric precipitation in the C.S.S.R. with respect to precipitation changes in the European region. Universita J. E. Purkyně, Brno: p. 169.

12. Dickey D A and Fuller W A (1979) Distribution of the estimators for autoregressive time series witha unit root. Am Statis Assoc, 74: 423-431.

13. Gibbs W J and Maher J V (1967) Rainfall deciles as drought indicates. Bureau of Meteorology Bulletin, Melborne, 48: 34-41.

14. Guttman N B )1999) Accepting the Standardized Precipitation Index: a calculation algorithm. The American Water Resources Association. 35(2): 311-322.

  1. 15.  Hurst H E (1951) Long-term storage capacity of reservoirs. Transactions of the American Society of Civil Engineers 116: 770-808.

16. Husak G J, Michaelsen J and Funk C (2007) Use of the gamma distribution to represent monthly rainfall in Africa for drought monitoring applications. International Journal of Climatology. 27(7): 935-944.

17. Khan S, Gabriel H F and Rana T (2008) Standard precipitation index to track drought and assess impact of rainfall on watertables in irrigation areas. Irrigation and Drainage Systems. 22(2): 159-177.

18. Kugiumtzis D and Tsimpiris A (2010) Measures of analysis of time series (mats): A Matlab toolkit for computation of multiple measures on time series data bases. Statistical Software. 33: 1–30.

19. Lashnizand M (2004) Climatic drought zonation using statistical indexes in Lorestan province. Proceeding of the First International Conference of Opposition with Water Storage and Drought, Kerman:115-120.

20. Mann H B (1945) Nonparametric tests against trend. Econometrica. The Econometric Society. 245-259.

21. Massey Jr F J (1951) The Kolmogorov-Smirnov test for goodness of fit. The American statistical Association. 46(253): 68-78.

22. Mckee T B, Doesken N J and Kleist J (1993) The relationship of drought frequency and duration to time scales. 8th Conference on Applied Climatology. Pp. 179–184.

23. Mendicino G, Senatore A and Versace P (2008) A Groundwater Resource Index (GRI) for drought monitoring and forecasting in a Mediterranean climate. Hydrology. 357: 282-302.

24. Mishra A K and Singh V P (2010) A review of drought concepts. Hydrology. 391: 202–216.

25. Rahimi J, Ebrahimpour M and Khalili A (2013) Spatial changes of Extended De Martonne climatic zones affected by climate change in Iran. Theoretical and applied climatology. 112(3-4): 409-418.

26. Sadat Noori S M, Liaghat A M and Ebrahimi K (2011) Prediction of Crop Production Using Drought Indices at Different Time Scales and Climatic Factors to Manage Drought Risk. The American Water Resources Association (JAWRA). 48(1): 1–9.

27. Tsakiris G, Nalbantis I, Vangelis H, Verbeiren B, Huysmans M, Tychon, B and Batelaan O (2013) A system-based paradigm of drought analysis for operational management. Water resources management. 27(15): 5281-5297.

28. Wetherald R T and Manabe S (2002) Simulation of hydrologic changes associated with global warming. Geophysical Research. 107(D19): 4379.

29. Willeke K, Lin X J and Grinshpun S A (1998) Improved aerosol collection by combined impaction and centrifugal motion. Aerosol Science and Technology. 28(5): 439–456.