Impact of Future Climate Change on Rainfall-Runoff in the Chanthaburi River Basin

Abstract

This study aims to investigate and assess the potential impacts of global climate change on rainfall and runoff in the Chanthaburi River Basin under three future Shared Socioeconomic Pathways (SSPs): SSP2-4.5, SSP3-7.0, and SSP5-8.5. The Canadian Earth System Model version 5 (CanESM5) was used as the global climate model (GCM) for this analysis. The study comprised two main phases: (1) downscaling key climate variables—including precipitation, maximum and minimum temperature, evapotranspiration, relative humidity, wind speed, and solar radiation—and (2) simulating the hydrological processes in the Chanthaburi River Basin using the Soil and Water Assessment Tool (SWAT) to estimate future runoff.

The Statistical Downscaling Model (SDSM) was calibrated for the period 1979–2000 and validated for 2001–2014. The results showed satisfactory and reliable performance across all downscaled variables. The Root Mean Square Error (RMSE) for daily rainfall ranged between 12–25 mm, and the Mean Absolute Error (MAE) ranged from 5–11 mm. When comparing monthly averages between observed data and SDSM simulations, the coefficient of determination (R²) during calibration was between 0.98 and 0.99. For other climate variables, RMSE values ranged from 1.16 to 3.66, and MAE from 0.99 to 3.43. Monthly averages of all climate variables exhibited R² values of 0.99, indicating that the SDSM model was effective in downscaling GCM data to reflect local climate characteristics in the Chanthaburi River Basin.

Future climate projections under the three SSPs indicate increasing trends in both mean and maximum daily precipitation, which align with rising maximum temperatures. Relative humidity, wind speed, evapotranspiration, and solar radiation also show increasing trends, especially under the high-emission scenario SSP5-8.5. These results suggest a potential increase in extreme precipitation events or unprecedented heavy rainfall in the Chanthaburi River Basin.

The SWAT model was calibrated (1991–2005) and validated (2006–2020) at seven hydrological stations. Model performance was rated as good to very good, with calibration R² values ranging from 0.73 to 0.82, Nash-Sutcliffe Efficiency (NSE) values between 0.73 and 0.83, and MAE values from 1.36 to 18.32 m³/s. Validation yielded R² values between 0.76 and 0.84, NSE values from 0.73 to 0.83, and MAE values from 1.30 to 17.15 m³/s. These results confirm the SWAT model's high reliability in simulating watershed hydrology.

Future runoff projections were carried out under two scenarios to assess the influence of climate factors on runoff generation: (1) using only future rainfall inputs, and (2) incorporating all necessary climate variables. Scenario 2 resulted in approximately 20% higher runoff, indicating that other climate variables (temperature, humidity, wind speed, and solar radiation) significantly influence hydrological modeling through energy exchange processes. Therefore, Scenario 2 was selected for future runoff trend assessments.

Simulations revealed that future runoff under all SSPs will increase most significantly in the upper and middle reaches of the Chanthaburi River Basin, particularly in Khao Khitchakut District. At stations Z.53 and Z.13, future average runoff is projected to rise by 58.38% and 58.76%, respectively, especially under SSP5-8.5 during 2076–2100. Monthly analysis shows significant increases in runoff during the rainy season (May–October) compared to the dry season (November–April), with the most notable increases occurring in the late 21st century.

การศึกษานี้มีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาและประเมินแนวโน้มผลกระทบการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศโลกต่อปริมาณน้ำฝน-น้ำท่า ในลุ่มน้ำจันทบุรี ภายใต้ 3 ฉากทัศน์ ได้แก่ SSP2-4.5 SSP3-7.0 และ SSP5-8.5 โดยใช้ผลลัพธ์จากแบบจำลอง CAN ESM5 ประเทศแคนาดา ในการศึกษานี้มี 2 ขั้นตอนหลัก ขั้นตอนแรก คือการย่อส่วนตัวแปรสภาพอากาศที่สนใจ ประกอบด้วย ปริมาณน้ำฝน อุณหภูมิสูงสุด-ต่ำสุด การระเหย ความชื้นสัมพัทธ์ ความเร็วลม และรังสีดวงอาทิตย์ และขั้นตอนที่สอง คือการจำลองระบบอุทกวิทยาของลุ่มน้ำจันทบุรีด้วยแบบจำลอง SWAT เพื่อใช้ในการคำนวณหาปริมาณน้ำท่าที่จะเกิดขึ้น

การปรับเทียบแบบจำลอง SDSM ปี ค.ศ. 1979-2000 (พ.ศ. 2522–2543) และการตรวจพิสูจน์แบบจำลองปี ค.ศ. 2001-2014 (พ.ศ. 2544–2557) ให้ผลลัพธ์ที่น่าพึงพอใจและน่าเชื่อถือได้ในทุกตัวแปรที่ทำการย่อส่วน โดยค่ารากที่สองของความคลาดเคลื่อนเฉลี่ยกำลังสอง (RMSE) ของฝนรายวันมีค่าอยู่ระหว่าง 12 ถึง 25 มม. และค่าความคลาดเคลื่อนเฉลี่ยสัมบูรณ์ (MAE) มีค่าระหว่าง 5 – 11 มม. เมื่อนำฝนรายวันมาคำนวณหาค่าเฉลี่ยรายเดือนและนำมาเปรียบเทียบระหว่างค่าที่ได้จากแบบจำลอง SDSM กับค่าตรวจวัด พบว่าในช่วงปรับเทียบมีค่าสัมประสิทธิ์การตัดสินใจ (R²) ระหว่าง 0.98 ถึง 0.99 สำหรับตัวแปรสภาพอื่นๆ โดยรวมมีค่า RMSE อยู่ระหว่าง 1.16 – 3.66 และค่า MAE อยู่ระหว่าง 0.99 – 3.43 สำหรับทุกตัวแปร และเมื่อคำนวณหาค่าเฉลี่ยรายเดือน พบว่าค่าเฉลี่ยรายเดือนของตัวแปรสภาพอากาศทุกตัวแปรมีค่าเท่ากับ R² เท่ากับ 0.99 จึงสรุปได้ว่าแบบจำลอง SDSM สามารถใช้ในการย่อส่วนข้อมูลตัวแปรสภาพอากาศจากแบบจำลองภูมิอากาศโลก (GCM) ให้มีความสอดคล้องกับลักษณะเฉพาะของพื้นที่ลุ่มน้ำจันทบุรีได้ดี

ผลการประเมินข้อมูลสภาพอากาศในอนาคตของฉากทัศน์ต่างๆ (SSP2-4.5 SSP3-7.0 และ SSP5-8.5) พบว่าโดยรวมค่าปริมาณฝนรายวันเฉลี่ย (Mean) และปริมาณฝนรายวันสูงสุด (Max) มีค่าแนวโน้มเพิ่มขึ้น สอดคล้องกับอุณหภูมิสูงสุดที่เพิ่มขึ้นในทุกฉากทัศน์ รวมถึงค่าความชื้นสัมพัทธ์ ความเร็วลม การระเหย และปริมาณรังสีที่มีแนวโน้มเพิ่มขึ้นเป็นส่วนใหญ่ในทุกฉากทัศน์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในฉากทัศน์ SSP5-8.5 ซึ่งเป็นฉากทัศน์ที่มีการปล่อยก๊าซเรือนกระจกในระดับสูง ดังนั้นลุ่มน้ำจันทบุรีมีโอกาสเกิดฝนสุดขีดหรือเหตุการณ์ฝนตกหนักอย่างที่ไม่เคยเกิดมาก่อนในอดีตได้

การปรับเทียบปี ค.ศ. 1991-2005 (พ.ศ. 2534–2548) และตรวจพิสูจน์ปี ค.ศ. 2006-2020 (พ.ศ. 2549–2563) แบบจำลอง SWAT ในการศึกษานี้ทำการปรับเทียบที่สถานีตรวจวัดน้ำท่าจำนวน 7 ตำแหน่ง พบว่าให้ผลลัพธ์อยู่ในเกณฑ์ที่ดีถึงดีมากในการจำลองปริมาณน้ำท่า ผลการปรับเทียบของทั้ง 7 สถานี ให้ค่า R² ระหว่าง 0.73 – 0.82 ค่าสัมประสิทธิ์ Nash Sutcliffe Efficiency (NSE) ระหว่าง 0.73 – 0.83 และ MAE มีค่าอยู่ระหว่าง 1.36 – 18.32 ลบ.ม/วินาที ผลการตรวจพิสูจน์ให้ค่า R² ระหว่าง 0.76 – 0.84 ค่า NSE อยู่ระหว่าง 0.73 – 0.83 และ MAE มีค่าอยู่ระหว่าง 1.30 – 17.15 ลบ.ม/วินาที ซึ่งให้ผลดีกว่าหรือใกล้เคียงกับผลการปรับเทียบแบบจำลองจึงสามารถยืนยันได้ว่าแบบจำลอง SWAT สามารถจำลองระบบอุทกวิทยาลุ่มน้ำได้อยู่ในเกณฑ์ดีค่อนข้างสูง จากนั้นจึงทำการจำลองปริมาณน้ำท่าในอนาคต โดยในการศึกษานี้แบ่งการจำลองเป็น 2 กรณี เพื่อทดสอบอิทธิพลของปัจจัยสภาพภูมิอากาศต่อผลการเกิดน้ำท่าโดยใช้แบบจำลอง SWAT ได้แก่ กรณีที่ 1) นำเข้าเฉพาะข้อมูลฝนในอนาคต และกรณีที่ 2) นำเข้าข้อมูลฝนและตัวแปรสภาพอากาศทั้งหมดที่ต้องการจากแบบจำลอง SWAT ผลการทดสอบพบว่ากรณีที่ 2 เมื่อนำเข้าตัวแปรสภาพอากาศทุกตัวแปรที่จำเป็นจะให้ผลของปริมาณน้ำท่าสูงกว่ากรณีที่ 1) ประมาณ 20% อนุมานได้ว่าตัวแปรสภาพอากาศอื่นๆ (อุณหภูมิสูงสุด-ต่ำสุด ความชื้นสัมพัทธ์ ความเร็วลม และรังสีดวงอาทิตย์) มีผลต่อการจำลองระบบอุทวิทยาเนื่องจากมีผลต่อการแลกเปลี่ยนพลังงานในอากาศและบรรยากาศ การศึกษานี้จึงใช้ผลการจำลองในกรณีที่ 2) ในประเมินแนวโน้มการเปลี่ยนแปลงของปริมาณน้ำท่าในอนาคตของลุ่มน้ำจันทบุรี

ผลการจำลองปริมาณน้ำท่าในอนาคตภายใต้ฉากทัศน์ต่างๆ (SSP2-4.5 SSP3-7.0 และ SSP5-8.5) โดยภาพรวมพบว่าพื้นที่ที่มีปริมาณน้ำท่าเพิ่มขึ้นมากที่สุดเมื่อเปรียบเทียบกับข้อมูลตรวจวัดในอดีตปีฐาน ค.ศ. 1996-2020 (พ.ศ. 2539–2563) ได้แก่ บริเวณตอนบนและตอนกลางของลุ่มน้ำจันทบุรี โดยเฉพาะในพื้นที่อำเภอเขาคิชฌกูฏ ซึ่งผลการจำลองด้วยแบบจำลอง SWAT แสดงให้เห็นว่าสถานี Z.53 และ Z.13 มีค่าเฉลี่ยน้ำท่าเพิ่มขึ้นในอนาคตสูงถึงร้อยละ 58.38 และ 58.76 ตามลำดับ โดยเฉพาะภายใต้ฉากทัศน์ SSP5-8.5 ในช่วงปี ค.ศ. 2076-2100 (พ.ศ. 2619–2643) เมื่อทำการประเมินผลปริมาณน้ำท่ารายเดือนในอนาคตของแต่ละสถานี พบว่าแนวโน้มปริมาณน้ำท่าในฤดูฝน (พฤษภาคม–ตุลาคม) มีการเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญมากกว่าฤดูแล้ง (พฤศจิกายน–เมษายน) โดยเฉพาะในช่วงปลายศตวรรษที่ 21 (ค.ศ. 2076-2100)