دانلود مقاله تبخیر – تعرق و نیاز آبیاری

word قابل ویرایش
43 صفحه
4700 تومان

تبخیر – تعرق و نیاز آبیاری

سیستم آب – خاک – گیاه – اتمسفر
رابطه بین آب و خاک و گیاه و اتمسفر را می‌توان به این صورت توصیف کرد که گیاه برای زنده ماندن نیاز به آب دارد و آب به صورت ذخیره در خاک موجود است. اتمسفر انرژی لازم برای گیاه را تأمین می‌کند تا بتواند آب مورد نیاز خود را از خاک دریافت کند. این فرایندهای به ظاهر ساده در یک سیستم بسیار پیچیده و مرتبط صورت می‌گیرد که به آن زنجیره آب – خاک – گیاه – اتمسفر گفته می‌شود. هر یک از عناصر این زنجیره متأثر از اجزاء دیگر بوده و بر سایر عناصر نیز اثر می‌گذارد. بطوری که هیچ فرایندی از آن را نمی توان به صورت ساده و مستقل در نظر گرفت و اگر عملا گاهی اوقات از فرایندهای جداگانه ای مانند تعرق، جذب، تبخیر و یا امثال آن بحث می‌شود فقط از نظر ساده کردن موضوع و تبیین آن می‌باشد.

گیاه در مناطق خشک و نیمه خشک که مسأله کمبود آب یکی از معضلات کشاورزی می‌باشد تعرق اساسی ترین فرایندی است که در زنجیره آب – خاک – گیاه – اتمسفر صورت می‌گیرد. حدود ۹۰درصد اجزاء فعال گیاه از آب تشکیل شده و بیش از ۹۹درصد مصرفی گیاه مصرف تعرق و تبخیر می‌شود. تعرق فرایندی است که طی آن آب از طریق روزنه های گیاه

تبدیل به بخار شده و از آن خارج می‌شود. تعرق زمانی انجام می‌شود که فشار بخار آب در داخل گیاه بیشتر از فشار بخار آب در هوای مجاور بوده و روزنه ها نیز باز باشند تا دی اکسیدکربن بتواند برای انجام فتوسنتز وارد گیاه شود. بنابراین هر زمان که روزنه ها باز باشند ولو این که در داخل خود برگ و یا در حد فاصل برگ و هوای مجاور مقاومت هایی صورت بگیرد، عمل تعرق انجام می‌پذیرد. مگر این که مقدار این مقاومت ها بسیار زیاد باشد.

اگر فشار بخار آب در داخل برگ را با علامت eleaf، فشار بخار آب در هوای مجاور برگ را با eair، مقاومت در برابر حرکت بخار آب در داخل روزنه ها را با rair نشان دهیم در این صورت سرعت یا میثزان تعرق (T) برابر خواهد بود با:

مقاومت هوا در برابر خروج بخار آب عمدتا بستگی به حرکت هوا در لایه مجاور برگ داشته و اگر هوای مجاور برگ ساکن باشد این مقاومت به دلیل اشباع شدن سریع از بخار آب زیاد شده و تعرق یکباره کاهش می‌یابد. به همین دلیل یکی از سازگاری های گیاه با کم آبی کرک دار شدن سطح برگهاست تا بدین وسیله هوا در بین کرکها محبوس و ساکن شود اما هنگامی که هوا به سادگی در حد فاصل برگ و هوا جریان داشته باشد تعرق نیز جریان پیدا می‌کند. اما مقاومت روزنه ها (rleaf) در برابر جریان بخار آب یک خصوصیت فیزیولوژیکی است که توسط خود گیاه کنترل می‌شود. مثلا برخی از گیاهان بر سلولهای روزنه کنترل داشته و در مواقع لزوم آن را باز و بسته می‌کنند.

همزمان با خروج آب از برگها، گیاه آب را از طریق ریشه ها جذب می‌کند تا آبی که در اثر تعرق از دست رفته است جبران شود. برای این منظور آب در داخل خاک به سمت ریشه ها حرکت نموده و پس از وارد شدن به داخل گیاه از طریق آوندها به برگها می‌رسد. حرکت آب از خاک به داخل ریشه و سپس از ریشه به برگ در اثر اختلاف پتانسیل بین خاک و برگ است. میزان جریان آب طی این فرایند عبارت است از:
که در آن

Q = سرعت جریان آب از خاک بطرف برگها
= پتانسیل کل آب در داخل برگ که مجموع پتانسیل آماس (فشاری) سلولهای برگ ( ) و پتانسیل اسمزی ( ) در برگ است.
= پتانسیل کل آب در خاک، شامل ماتریک و اسمزی
rplant = مقاومت در برابر جریان آب در داخل گیاه مشتمل بر مقاومت در داخل ریشه ها، مقاومت درداخل آوندها و مقاومت در برگها.
rsoil = مقاومت در برابر جریان آب در داخل خاک.

با خارج شدن آب از خاک، رطوبت کاهش یافته و پتانسیل کل آن ( ) کاهش پیدا می‌کند. در این وضعیت ضریب هدایت موئینگی خاک با درصد رطوبت رابطه مستقیم دارد کاهش یافته و در نتیجه مقاومت خاک (rsoil) افزایش پیدا می‌کند. کاهش و افزایش rsoil باعث می‌شود که آب کمتری داخل گیاه شده و با کم شدن آماس سلولها، پتانسیل آب برگ ( ) نیز کاهش یابد. با کم شدن سرانجام روزنه ها بسته شده و مقاومت در برابر خروج آب در برگ (rleaf) افزایش و نهایتا براساس معادله ۸-۱ سرعت تعرق کاهش پیدا می‌کند. چون گازکربنیک نیز از همان مسیر وارد گیاه می‌شود این عمل باعث کاهش ورود آن نیز شده و مقدار فتوسنتز که در.اقع کمیت و کیفیت محصول است تقلیل پیدا می‌کند.

خاک در زنجیره « آب – خاک – گیاه – اتمسفر » خاک را می‌توان مخزنی دانست که آب را موقتا در خود ذخیره کرده و سپس به تدریج در اختیار گیاه قرار می‌دهد. نیروهای موئینه ای و جاذبه خاک که به نام نیروهای ماتریک (matric) معروفند مقدار قابل توجهی آب را در داخل منافذ خاک نگهداری می‌کنند.نیروهای موئینه ای به دلیل چسبندگی ذرات خاک با آب و کشش سطحی مولکولهای آب بوجود می‌آید و نیروهای جاذبه ای به دلیل بار منفی سطح ذرات رس است که بخش مثبت مولکولهای قطبی آب را بخود می‌چسباند. برای این که آب بتواند در خاک جریان پیدا کند باید نیرویی که آب را به طرف ریشه می‌کشاند بر این نیروها غلبه نماید. حداقل نیروی لازم برای استخراج آب بستگی به رطوبت خاک و نوع خاک دارد. منحنی

مشخصه رطوبتی خاک که رابطه بین درصد رطوبت خاک و پتانسیل آب می‌باشد نشان دهنده آن است که با یک نیروی معین چه مقدار آب می‌توان از خاک استخراج کرد.

اتمسفر انرژی لازم برای گیاه به منظور تأمین آب مورد نیاز از خاک توسط اتمسفر تأمین می‌شود. چنانچه روزنه ها باز باشند و آب نیز محدود نباشد وضعیت اتمسفر عامل کنترل کننده سرعت تعرق است. مهمترین پارامتر در این مورد دما و رطوبت است. بالا بودن دما باعث افزایش تعرق و مرطوب بودن هوا موجب کاهش آن می‌شود. عامل مهم دیگر سرعت باد است که باعث می‌شود بخار آب تجمع یافته در سطح برگها از محیط خارج شده و اختلاف فشار بخار بین گیاه و هوا را تشدید نماید. البته باید توجه داشت که اتمسفر خود فاقد انرژی است و کلیه انرژی های آن توسط تابش خورشید تأمین می‌شود که از طریق اتمسفر برگیاه اعمال می‌گردد.

اگر یک دوره زمانی مشخص، مثلا یک شبانه روز، را در نظر بگیریم معادله بیلان انرژی خورشید در آن بصورت زیر خواهد بود.
Rn = (1-a)Rs + I1-I2
که در آن:
Rn = انرژی خالص وارد شده به سطح زمین
Rs = انرژی ورودی به سطح زمین بصورت طول موج کوتاه

I1 = انرژی ورودی به سطح زمین بصورت طول موج بلند
I2 = انرژی خارج شده از سطح زمین بصورت طول موج بلند
a = ضریب بازتاب تابش (albedo)

ضریب بازتاب تابش بستگی به خصوصیات فیزیکی سطح زمین و پوشش آن دارد. برای پوششهای گیاهی این مقدار معمولا ۲۵/ در نظر گرفته می‌شود.
با توجه به معادله فوق که در آن انرژی خالص خورشید توصیف گردید، مقدار تابش خالصی که به سطح زمین می‌رسد به سه قسمت اساسی تقسیم می‌شود. بخشی از این انرژی در صورت وجود آب و پوشش گیاهی صرف تبخیر (یا تبخیر – تعرق)، بخشی صرف گرم کردن هوا و بخش دیگر بمصرف گرم کردن زمین می‌رسد.

Rn = E + H + G
که در این معادله
Rs = تابش خالص خورشیدی
E = تبخیر یا تبخیر – تعرق
H = گرمای محسوس که صرف گرم کردن هوا می‌شود
G = مقدار انرژی که صرف گرم کردن زمین می‌شود

این که چه مقدار از انرژی خالص بمصرف هر کدام از اجزاء سه گانه فوق گردد بستگی به شرایط آب و هوایی و موجودیت آب در سطح زمین دارد. در شکل ۸-۱ بیلان اندازه گیری شده انرژی در سه وضعیت آب و هوایی در طی یک شبانه روز، از طلوع خورشید تا طلوع روز دیگر، نشان داده شده است. در این جا مشاهده می‌شود که به دلیل وجود رطوبت برای تبخیر – تعرق، توزیع انرژی بین E ، H و G بطور متعادل صورت می‌گیرد. مقدار بیشتری صرف تبخیر – تعرق، مقداری صرف گرم کردن هوا و بخش کمتری بمصرف گرم شدن زمین می‌شود. در یک سطح پوشیده از چمن در آب و هوای گرم و خشک آریزونا نه تنها تمام انرژی صرف تبخیر – تعرق می‌گردد بلکه به دلیل اثر واحه ای (oasis effect) که باعث انتقال گرما از اطراف نیز

می‌شود، انرژی صرف شده برای تبخیر حتی بیش از مقدار انرژی خالص خورشیدی در منطقه است. حال آنکه در یک منطقه بدون آب مانند سطح دریاچه خشک المیراژ در جنوب کالیفرنیا کل انرژی خورشید باعث گرم شدن هوا و سپس گرم کردن خاک می‌گردد. آنچه در ر.ابط آب و خاک و گیاه از نظر ما حائز اهمیت است مقدار انرژی است که فرایند تبخیر – تعرق را موجب می‌گردد.

شکل ۸-۱ تغییرات روزانه اجزاء بیلان انرژی در سه شرایط آب و هوایی مختلف
تبخیر – تعرق در پوشش های گیاهی

در زنجیره آب، خاک – گیاه – اتمسفر آب مستقیما از سطح خاک و یا توسط گیاه به داخل اتمسفر وارد می‌شود. انتقال آب از سطح خاک به هوا را تبخیر (evaporation) و خارج شدن آن از گیاه را تعرق (transpiration) گویند. این دو پدیده هر دو ماهیت تبخیری داشته و چون تفکیک آنها از یکدیگر امکان پذیر نمی باشد مجموعا به نام تبخیر – تعرق (evapo-transpiration) در نظر گرفته شده و با علامت ET نشان داده می‌شود. در کشاورزی آب مورد مصرف زراعت (CONSUMPTIVE Use ,CU) به مجموع مقدار تبخیر در سطح خاک و مقدار آبی گفته می‌شود که توسط ریشه های گیاه از خاک جذب می‌شود. بنابراین اختلاف ET و CU تنها در مقدار آبی است که صرف فتوسنتز و انتقال مواد در داخل گیاه می‌شود و یا در ساختمان اسکلت گیاه به کار رفته است. چون این مقدار در قیاس به تعرق بسیار ناچیز است، عملا تبخیر – تعرق با آب مورد مصرف در زراعت برابر در نظر گرفته می‌شود.

منظور از تعیین تبخیر – تعرق برآورد مقدار آبی است که باید به یک پوشش زراعی داده شود تا در طول دوره رویش صرف تبخیر و تعرق نموده و بدون آنکه با تنش آبی مواجه شود رشد خود را تکمیل نموده و حداکثر مقدار محصول را تولید کند. از جایی که عوامل بسیار زیادی در تبخیر – تعرق دخالت دارند برآورد تبخیر – تعرق اگر نتوان گفت که غیر ممکن است کاری است بسیار مشکل. روشهایی که برای تخمین تبخیر – تعرق بکار برده می‌شود در دو گروه اصلی قرار می‌گیرند که عبارتند از: روشهای مستقیم و روشهای محاسبه ای. در روشهای مستقیم

بخش کوچک و کنترل شده ای از مزرعه را مجزا کرده و مقدار تبخیر و تعرق در یک دوره زمانی مستقیما اندازه گیری می‌شود. حال آنکه در روشهای محاسبه ای که می‌توان آنها را به روشهای غیر مستقیم دانست از عوامل مختلف اقلیمی و گیاهی استفاده شده و از روی ارتباط آنها با تبخیر – تعرق و معادله هایی که قبلا با روشهای مستقیم واسنجی شده اند تبخیر – تعرق پوشش گیاهی مورد نظر تخمین زده می‌شود. همانطور که گفته شد هیچ کدام از این روش را نمی توانند تبخیر – تعرق را به طور دقیق برآورد نمایند ولی برخی از آنها در بعضی مناطق نتایجی را به دست می‌دهند که بیشتر با واقعیت مطابقت دارند. از نظر عملی روشی مطلوب است که والا آسان بوده و ثانیا نتایج حاصله از آن واقعی تر باشد.
روشهای مستقیم تعیین تبخیر – تعرق

معمول ترین روش مستقیم تعیین تبخیر – تعرق استفاده از اصل بیلان جرمی در یک حجم کنترل شده از خاک است. براساس این اصل:
= جریان خروجی – جریان ورودی = AS
که در آن جریان ورودی و خروجی به مقدار کل آبی گفته می‌شود که طی یک دوره زمانی مشخص مثل یک ساعت یا یک روز و یا یک ماه به حجم معینی از خاک وارد و یا از آن خارج می‌شود و معمولا بر حسب میلیمتر توصیف می‌شوند. سایر علائم معادله عبارتند از: AS = تغییر رطوبت در حجم کنترل شده خاک در طی دوره زمانی مشخص که بر حسب سانتیمتر یا میلیمتر توصیف می‌گردد.

Drz = عمق توسعه ریشه ها (سانتیمتر)
= رطوبت حجمی خاک در شروع دوره مورد نظر (اعشار)
= رطوبت حجمی خاک در انتهای دوره مورد نظر (اعشار)
در شکل ۸-۲ عواملی که ممکن است بر مقادیر جریان ورودی و خروجی موثر باشند نشان داده شده است. براساس این شکل می‌توان نوشت:
I + P + SFI + LI + GW = جریان ورودی
ET + RO + LO + L + DP = جریان خروجی
در این معادله ها:

I = آبیاری (سانتیمتر)
P = بارندگی (سانتیمتر)

SFI = جریان سطحی ورودی به صرف خاک (سانتیمتر)
LI = جریان زیر سطحی که وارد حجم خاک می‌شود (سانتیمتر)
GW = مقدار آبی که از زیر زمین ممکن است وارد حجم خاک شود (سانتیمتر)
ET = تبخیر – تعرق (سانتیمتر)

RO= روآناب سطحی که از زمین خارج می‌شود (سانتیمتر)
LO = جریان آب زیر سطحی که از زمین خارج می‌شود (سانتیمتر)
L = نیاز آبشوئی مقدار آبی که باید از زمین خارج شود تا شوری خاک از درصد مورد افزایش پیدا نکند (سانتیمتر)
DP = نفوذ عمقی (جریان خروجی آب از خاک که مازاد بر نیاز آبشوئی صورت می‌گیرد، (سانتیمتر)

همانطور که ملاحظه می‌شود در این معادله ها تمام عناصر دارای بعد طول بوده و از روی آنها می‌توان تبخیر – تعرق (ET) را بدست آورد.
ET = I + P + SFI + LI + GW – RO – LO – L – DP – D در معادله فوق الزاما نباید برای هرکدام از عناصر عدد مشخصی وجود داشته باشد و اگر برخی از پارامترها وجود نداشته باشد به جای آن صفر منظور می‌شود. معادله مذکور را می‌توان در مقیاس بزرگ و در سطح مزرعه بکار برد برای این منظور رطوبت خاک در ابتدا و انتهای دوره معینی اندازه گیری و مقادیر آب ورودی و خروجی از زمین نیز اندازه گیری و ازروی آنها با استفاده از معادله ۸-۸ تبخیر – تعرق تخمین زده می‌شود. در مقیاس کوچک ساده ترین وسیله لایسیمتر (lysimeter) است. لایسیمتر یک تانک با ابعاد مشخص است که در داخل خاک قرار گرفته و لذا امکان اعمال معادله ۸-۸ در آن وجود دارد. لایسیمتر از نظر هیدرولوژی بخش مجزا و کنترل شده ای از خاک است که پارامترهای SFI، LI و LO در آن حذف شده و GW، RO، L و DP یا قابل اندازه گیری بوده و یا حذف می‌شود.

بنابراین با اندازه گیری می‌توان ET را بدست آورد. تعیین AS در لایسی مترها متفاوت است. برخی لایسی مترها وزنی بوده و می‌توان AS را از روی وزن کردن تانک بدست آورد اما در لایسی مترهای غیر وزنی تعیین AS با اندازه گیری رطوبت انجام می‌شود شکل های ۸-۳ و ۸-۴ دو نوع لایسی متر وزنی و غیر وزنی را نشان می‌دهند. در لایسی مترهای وزنی علاوه بر تانک محتوی خاک و گیاه، تانک دومی نیز وجود دارد که آزادانه در داخل تانک اول حرکت می‌کند. تانک دوم روی ترازویی (loadcells) قرار گرفته و از روی افزایش یا کاهش وزن تانک می‌توان

تغییرات روطوبت و در نتیجه تغییرات ذخیره آب در تانک را بدست آورد. در این لایسی مترها تمهیدات لازم برای خارج ساختن و اندازه گیری DP و L نیز در نظر گرفته شده است اما لایسی مترهای غیر وزنی فاقد این امکانات می‌باشد. لاسی مترها گرچه وسایل دقیقی برای اندازه گیری تبخیر – تعرق می‌باشند اما مشکلات احداث و هزینه نسبتا زیاد لایسی مترها مانع از کاربرد عمومی آنها می‌شود و لذا از این وسایل بیشتر در کارهای تحقیقاتی و یا واسنجی دیگر روشهای تخمین ET استفاده می‌شود.
روشهای محاسباتی تعیین تبخیر – تعرق
روشهای غیر مستقیم تعیین تبخیر – تعرق که به /انها روشهای محاسباتی گفته می‌شود همگی براساس فرمول زیر استوارند:
ET = Kc ETo
که در آن:
ET = تبخیر – تعرق گیاه مورد نظر
ETo = تبخیر – تعرق پتانسیل (تبخیر – تعرق گیاه مرجع)
Kc = ضریب گیاهی

در فرمول فوق ETo ممکن است تبخیر – تعرق پتانسیل و یا تبخیر – تعرق گیاه مرجع باشد. تبخیر – تعرق پتانسیل (potential ET) حداکثر مقدار آبی است که اگر بدون محدودیت وجود داشته باشد می‌تواند توسط سطوح خاک و گیاه از خاک شود. تبخیر – تعرق پتانسیل بستگی به مقدار انرژی موجود برای عمل تبخیر – تعرق پتانسیل برای یک پوشش گیاهی بخصوص است که معمولا چمن یا یونجه انتخاب می‌شود. تعریفی که برای گیاه مرجع چمن شده است این است که ارتفاع این گیاه ۸ تا ۱۵ سانتی متر بوده، سطح وسیعی را در بر گرفته و بطور کامل و یکنواخت زمین را پوشش داده باشد، سبز و شاداب بوده و بدون محدودیت آب تبخیر – تعرق آن صورت گیرد. برای گیاه مرجع یونجه نیز تعریف مشابهی شده است. بدین معنی

که بطور یکنواخت مساحت وسیعی را در برگرفته بوته ها سبز و شاداب و قائم با ارتفاع ۲۰ سانتی متر باشند و بدون محدودیت آب تبخیر و تعرق نمایند. بنابراین تبخیر – تعرق گیاه مرجع معروف است. گرچه انتخاب یونجه از نظر مشابهت با گیاهان زراعی بیشتر مورد علاقه دانشمندان است اما در عمل هنوز هم چمن به عنوان گیاه مرجه کاربری بیشتری دارد. کاربری گیاه مرجه برای تعیین تبخیر – تعرق پتانسیل این است که تبخیر – تعرقپتانسیل به دلیل متفاوت بودن گیاهان مختلف از نظر زبری سطح پوشش و ضریب بازتاب انرژی و یا متغیر بودن مکانهای مختلف از نظر انرژی دریافتی از خورشید و گرمای نهان و محسوسی که از اطراف می‌رسد متفاوت است در صورتی که برای گیاه مرجع نوع چمن شرایط محیطی آن ثابت در نظر گرفته شده است.

روشهایی که برای محاسبه ETo پیشنهاد شده است هر کدام از نظر داده های مورد لزوم نیازهای متفاوتی دارند. در برخی از آنها لازم است آمار درجه حرارت روزانه وجود داشته باشند حال آنکه برای تعدادی از روشها داشتن آمار ماهانه هواشناسی کفایت می‌کند. برخی از روشها علاوه بر دما به آمار رطوبت نسبی و سرعت باد نیز نیاز دارند و برای برخی از روشها باید آمار تابش خورشید یا ساعات آفتابی روز هم وجود داشته باشد و بطور خلاصه تعدادی از روشها اساس فیزیکی دارند و تعدادی فقط از روی تجربه بدست آمده اند. این روشها را می‌توان کلا در ۴ گروه تقسیم کرد که عبارتند از:

(۱) – روشهای موسوم به آیرودینامیک
(۲) – روشهای موسوم به توازن انرژی
(۳) – روشهایی که از ترکیب دو روش فوق حاصل شده و به نام روشهای ترکیبی معروفند.
(۴) – روشهای تجربی

پس از آنکه ETo با یکی از روشهای فوق محاسبه شد لازم است برای هر دوره ای که ETo محاسبه شده است ضریب گیاهی Kc نیز محاسبه شده و با ضرب کردن آنها در یکدیگر ET برای گیاه مورد نظر محاسبه شود. در این جا ابتدا به شرح مختصر هر کدام از روشهای محاسبه ETo پرداخته و سپس طرز بدست آوردن ضریب گیاهی شرح داده می‌شود.
روشهای آیرودینامیک

می دانیم که آب از سطح مرطوب خاک و گیاه با عمل پخشیدگی مولکولی (Molecular diffusion) وارد لایه بسیار نازک هوایی می‌شود که چسبیده به این سطوح است. در خارج از این لایه عدم یکنواختی در آیرودینامیک سطوح و اختلاف گرما در نقاط مختلف باعث می‌شود که مولکولهای آب بجای پخشیدگب مولکولی به صورت پخشیدگی متلاطم (turbulent diffusivity) جابجا شوند. بعبارت دیگر مولکولهای آب ابتدا از روزنه ها با عمل پخشیدگی مولکولی وارد لایه نازک هوای مجاور سطح برگ شده و سپس با عمل پخشیدگی متلاطم وارد هوای بالاتر می‌گردد. در این صورت جریان بخار آب از برگ به هوا بستگی به سرعت باد و اختلاف فشار بخار بین لایه هوای چسبیده به برگ و هوای اطراف دارد که می‌توان رابطه بین آنها را بصورت زیر نوشت:

ETo = (es – e) f (u)
پارامترهای این معادله که به فرمول دالتون (Dalton) معروف است عبارتند از:
es = فشار بخار در لایه هوای چسبیده به برگ.
e = فشار بخار در هوای بالای برگها.

F(u) = عبارتی که در آن سرعت باد لحاظ شده باشد.
ساده ترین فرمول برای محاسبه ETo به روش آیرودینامیک بصورت زیر می‌باشد که در /ان سرعت باد و دانسیته بخار آب در دو ارتفاع مختلف در بالای سطح گیاه اندازه گیری می‌شود.
=ETo

K = ضریب فون کارمن (Von Karman)
= سرعت متوسط باد در ارتفاع های
= چگالی بخار آب در ارتفاع
C = ضریب اصلاحی
معادله ۸-۱۱ نیز همانند سایر معادله های آیرودینامیک فقط در شرایط تحقیقاتی قابل استفاده می‌باشد زیرا اولا اندازه های سرعت باد و دانسیته بخار آب باید با دقت صورت گیرد که کاری بسیار مشکل است ثانیا نیاز به دستگاههایی دارد که هزینه آنها زیاد است و ثالثا برای کابرد این دستگاهها نیاز به افراد ماهر و کارآزموده است.
روشهای توازن انرژی

در صورتی که از یک سطح مرطوب گیاه و خاک تا هوا شیب بخار اشباع وجود داشته و آب نیز برای تبخیر شدن وجود داشته باشد مقدار ETo در سطح مورد نظر توسط انرژی موجود کنترل می‌شود. انرژی موجود برای تبخیر از روی معادله زیر قابل محاسبه است:
= Rn + AD – S – A – C – P ETo
Rn = تابش خالص ورودی به سطح مورد نظر

AD = گرمایی که به صورت جابجایی از اطراف به سطح مورد نظر وارد می‌شود (advection)
S= مقدار گرمایی که از سطح مورد نظر وارد اعماق خاک می‌شود.
A= مقدار گرمایی که از سطح مورد نظر وارد هوا می‌شود

C= مقدار گرمایی که در گیاه ذخیره می‌شود و P= مقدار فتوسنتز
با توجه به این که جمع مقادیر c و p در طول دوره رویش گیاه از ۲درصد Rn تجاوز نمی کند می‌توان در معادله مذکور از آنها صرف نظر نمود همچنین s گرچه ممکن است مقدار آن تا ۱۵ درصد Rn برسد ولی اگر از آن صرف نظر شود از دقت عمل زیاد کاسته نمی شود. مقدار گرمای جابجایی (advection) بعضی مواقع و بخصوص در مناطق کویری ممکن است با مقدار انرژی ورودی برابری کند ولی به دلیل این که ارزیابی آن مشکل بوده و برای بدست آوردن آن روش ساده ای وجود ندارد و از آن نیز صرف نظر می‌شود. لذا معادله فوق بصورت زیر ساده می‌شود:

ETo = Rn – A
Rn = ETo + A
بنابراین مقدار انرژی که به یک سطح پوشیده از گیاه وارد می‌شود به دو قسمت تقسیم می‌شود بخشی صرف تبخیر – تعرق (ETo) شده و بخش دیگر صرف گرم کردن هوا A)) می‌شود. برای حل معادله دو مجهولی فوق یک معادله دیگر نیز لازم می‌باشد و آن نسبت است.این نسبت که به نام نسبت بوون(Bowen ratio) معروف است از روی فرمول زیر قابل محاسبه است.
y= ثابت سایکرومتری (رطوبت سنجی)
Kn = ضریب پخشیدگی تلاطمی گرما
Ts = دما در سطح مرطوب گیاه
es = فشار بخار در سطح مرطوب گیاه
Ta = دمای هوا
ea = فشار بخار در هوا

نسبت بوون (B) در مناطق مرطوب کم و بین ۰ تا ۱/ است حال آنکه در مناطق خشک مقدار آن تا ۱۰ نیز می‌رسد. در صورتی که گرما از هوا به سطح گیاهی وارد شود (مانند آنچه در مناطق واحه ای اتفاق می‌افتد) B منفی است و در صورتی که از سطح مرطوب گیاهی وارد هوا شود مقدار B مثبت خواهد بود. در مناطق واحه ای B تا ۳/ نیز می‌رسد. واحه (oasis) به یک سطح مرطوب و سبز در وسط یک منطقه خشک گفته می‌شود.
روش توازن انرژی نیز به دلیل این که نمی توان B را به دقت برآورد کرد همانند روشهای آیرودینامیک جنبه تحقیقاتی داشته و در عمل استفاده چندانی از آن نمی شود.
روشهای ترکیبی

در سال ۱۹۴۸ (penman) دانشمند انگلیسی از ترکیب روشهای آیرودینامیک و توازن انرژی روشی را برای محاسبه تبخیر – تعرق ارائه نمود که به روش ترکیبی یا معادله استفاده می‌شوند به شرح زیر است:
ETo = تبخیر – تعرق گیاه مرجع چمن (mm/day)
= شیب منحنی فشار بخار اشباع نسبت به دما در نقطه ای که دما برابر Ta باشد(mbar/c)
= دمای هوا که تبخیر – تعرق به ازای آن محاسبه می‌شود (۰C)

= تابش خالص
= ثابت سایکرومتری
= جزء آیرودینامیک که بستگی به فشار بخار اشباع وواقعی و سرعت باد دارد

= فشار بخار اشباع به ازای دمای
= فشار واقعی بخار آب در هوا
= فشار هوا
= ارتفاع محل از سطح دریا
پنمن برای Ea در فرمول بالا معادله زیر ارائه کر

د:
که در آن u سرعت باد بر حسب متر در ثانیه است. معادله ۸-۱۶ که در آن بجای Ea مقدار مربوطه از معادله ۸-۲۱ قرار داده شود به نام معادله پنمن معروف است. ولی افراد دیگری نیز برای Ea معادلات مشابهی را پیشنهاد کرده اند. مزیت روش پنمن در این است که معادله ارائه شده مبنای فیزیکی داشته و در آن اندازه گیری دما و فشار بخار آب در لایه هوای چسبیده به برگ حذف شده است. بطوری که مشاهده می‌شود در معادله پنمن نیاز به این است تابش خالص نیز محاسبه شود. برای محاسبه تابش خالص نیز معادله هایی توسط افراد مختلف ارائه شده است. این معادله ها چون همگی از فرمول پنمن مشتق شده اند همراه با نام پنمن نام این افراد نیز با آن ذکر می‌شود. مانند معادلات اصلاح شده پنمن – فائو پنمن – رایت ، پنمن – بوسینگر پنمن – کیمبرلی

پنمن مونتیت و غیره که در این جا از ذکر تمتامی آنها به دلیل اطاله کلام خودداری شده است.
معادله پنمن – فائو که توسط متخصصان سازمان فائو ارائه گردید هنوز هم بعنوان یکی از معادلات کاربردی در محاسبات تبخیر – تعرق گیاه مرجع مورد استفاده قرار می‌گیرد. ولی از جایی که در این معادله فرض شده است که تبخیر – تعرق فقط توسط عوامل آب و هوایی کنترل شده و نقش خود گیاه در آن در نظر گرفته نشده است لذا به تدریج اهمیت خود را از دست داده و معادلات دیگری جای آن را گرفته اند. از جمله این معادله ها می‌توان معادله فائو – پنمن – مونتیت را که در حال حاضر کاربرد بیشتری دارد ذکر کرد که ما نیز در این جا نظر به اهمیتی که دارد به شرح آن می‌پردازیم.

معادله فائو – پنمن – مونتیت روش فائو – پنمن – مونتیت بعنوان یکی از معتبرترین روشها برای تخمین ETo مورد استفاده متخصصان قرار دارد. در روش مذکور گیاه مرجع یک پوشش چمن فرضی است که ارتفاع آن ۱۲ سانتی متر و ضریب بازتاب تابش در آن ۲۳درصد (درگیاه چمن واقعی این مقدار ۲۵درصد می‌باشد.) در گیاه چمن فرضی مونتیت زبری سطح که بستگی به ارتفاع گیاه و سرعت باد دارد و لذا مقاومت آیرودینامیک در این مورد با آنچه در معادله پنمن می‌باشد متفاوت است. لذا تابع باد در معادله پنمن مونتیت نیز متفاوت می‌باشد. علاوه بر

مقاومت آیرودینامیک که مربوط به خارج شدن بخار آب از سطح پوشش گیاهی به هوای خارج می‌باشد، مقاومت دیگری نیز در نظر گرفته می‌شود و آن مقاومت روزنه های برگ در مقابل پخش بخار آب از آن به خارج می‌باشد. در واقع در معادله فائو – پنمن – مونتیت سطح پوشش گیاهی برخلاف روش پنمن یک سطح آب در نظر گرفته می‌شد یک سطح مرطوب است. بعبارت دیگر در روش پنمن – مونتیت فرض می‌شود که کل سطح پوشش گیاهی یک برگ بزرگ با روزنه های موجود در آن است. بهمین دلیل روش پنمن – مونتیت را روش برگ بزرگ (big leaf) هم می‌گویند. مقاومت روزنه ها در برابر خروج آب در روش فائو – پنمن – مونتیت از ۳۰ ثانیه بر متر برای گیاهان مناطق خشک تا ۱۵۰ ثانیه بر متر در پوشش های متغیر است که درگیاه فرضی مرجع برای آن ۷۰ ثانیه بر متر فرض شده است. با توجه به این فرضیات معادله پنمن – مونتیت بصورت زیر می‌باشد:

که در آن:
= تبخیر تعریق گیاه مرجع
= تابش خالص در سطح پوشش گیاهی
= متوسط دمای هوا در ارتفاع ۲متری از سطح زمین
= سرعت باد در ارتفاع ۲متری از سطح زیمن
= کمبود فشار بخار در ارتفاع ۲متری
= شیب منحنی فشار بخار
= ضریب رطوبتی
= شارگرما به داخل خاک
برای بدست آوردن اجزاء معادله پنمن – مونتیت به ترتیب زیر عمل می‌شود.
۱- تعیین گرمای نهان نبخیر
که در آن:
= گرمای نهان تبخیر = متوسط دمای هوا (۰C) می‌باشد.
مثلا مقدار آن برای متوسط دمای ۲۰درجه ۴۵/۲ می‌باشد.
۲- تعیین شیب منحنی فشار بخار
که = شیب منحنی فشار بخار = متوسط دمای هوا (۰C) می‌باشد.
بطور مثال چنانچه دمای هوا ۲۰ درجه سانتی گراد باشد مقدار برابر ۱۴۵/ بدست می‌آید.
۳- تعیین ضریب رطوبتی
= ضریب رطوبتی
= فشار هوا است که مقدار آن در صورتی که ارتفاع محل از سطح دریا مشخص باشد از معادله زیر بدست می‌آید.
که Z ارتفاع محل از سطح دریا (m) می‌باشد. بعنوان مثال برای هوای ۲۰ درجه در محلی که ارتفاع آن از سطح دریا ۹۸۰ متر می‌باشد مقدار y برابر ۰۶/ بدست می‌آید.
۴- تعیین فشار بخار اشباع (ea)
که در آن ea فشار بخار اشباع [E (T) ] از درجه حرارت نشان داده شده است. T دمای هوا (oC) است. مثلا اگر دمای هوا ۲۰ درجه سانتی گراد باشد ea برابر ۳۴/۲ بدست می‌آید. در یک دوره ۲۴ ساعته شبانه روز مقدار ea بصورت زیر محاسبه می‌شود:
که و به ترتیب فشار بخار اشباع به ازای دماهای حداکثر و حداقل می‌باشد.
۵- تعیین فشار واقعی بخار (ed)
فشار بخار اشباع در نقطه شبنم بعنوان فشار بخار واقعی یا فشار بخار روزانه تعریف شده و چنانچه دمای نقطه شبنم (Td) در اختیار باشد، رابطه زیر بهترین برآ.رد را خواهد داشت:

اما اگر تنها متوسط رطوبت نسبی (RH) در اختیار است می‌توان ed را از معادله زیر بدست آورد.
مثلا چنانچه متوسط دمای هوا ۰C 20 و رطوبت نسبی ۵۰ درصد باشد ed برابر ۱۷/۱ بدست می‌آید. در اینجا نیز جهت محاسبات در طول یک دوره ۲۴ ساعته شبانه روز، چنانچه داده های رطوبت نسبی ماکزیمم و رطوبت نسبی می‌نیمم در اختیار باشد، بایستی میانگین فشار بخار واقعی در دماهای و بعنوان مبنای محاسبه ed در نظر گرفته شود.

که و به ترتیب فشار بخار اشباع محاسبه شده به ازای و می‌باشد. مثلا در صورتی که حداکثر و حداقل دما به ترتیب ۲۱ و ۹ درجه سانتی گراد و رطوبت نسبی حداکثر و حداقل نیز به ترتیب ۸۰ و ۴۰ درصد باشد مقدار ea برابر ۹۷۵/ خواهد بود. اما اگر فقط متوسط رطوبت نسبی (RH) در اختیار است با فرض این که است ed از رابطه زیر محاسبه می‌شود:

که و به ترتیب فشار بخار اشباع محاسبه شده به ازاء و می‌باشد. مثلا در صورتی که حداکثر دما و حداقل آن به ترتیب ۳۰ و ۱۰ درجه سانتی گراد (۰C) و رطوبت نسبی ۵۰ درصد باشد مقدار ed برابر ۹۵/ خواهد بود. چنانچه داده های رطوبت موجود نبوده و یا از دقت کافی برخوردار نباشد، می‌توان در مناطق مرطوب با فرض این که می‌باشد فشار بخار واقعی را از رابطه زیر محاسبه کرد:

این فرمول در مناطق خشک دقت زیادی نداشته و لازم است در این نقاط رابطه دمای حداقل و دمای نقطه شبنم واسنجی و سپس مورد استفاده قرار گیرد.
۶- کمبود فشار بخار ed) – ea (
با محاسبه ea و ed که در قسمتهای بالا گفته شد مقدار کمبود فشار بخار بدست می‌آید.

۷- تعیین مقدار تابش برون زمینی (Ra)
برای محاسبه تابش خالص روی سطح گیاه ابتدا لازم است تابش برون زمینی که به ان تابش فرازمینی هم گفته می‌شود از معادلات زیر محاسبه شود.
که در آنها
= تابش برون زمینی
= فاصله نسبی زمین تا خورشید
= زاویه میل خورشید

= عرض جغرافیایی
= زاویه ساعتی غروب خورشید (رادیان)
= شماره ماه میلادی سال که تبخیر – تعرق، برای آن محاسبه می‌شود.
= شماره روز ژولیوسی از ابتدای سال مسیحی که برای محاسبات ماهانه از معادله فوق استفاده می‌شود. و اگر بخواهیم تبخیر – تعرق روزانه را حساب کنیم با داشتن شماره روز از ماه (D) بجای آن معادله زیر استفاده می‌شود.
۸- تعداد ساعات روشنایی روز (N)

که N حداکثر ساعات روشنایی در روز J از سال (ساعت) و Ws زاویه ساعتی خورشید (رادیان) است. در معادله های ۸-۳۵ و ۸-۳۶ علامت به معنی جزء صحیح معادله می‌باشد.
۹- تابش خالص (Rn)
در این معادله:
= تعداد ساعات واقعی آفتاب
= تابش برون زمینی محاسبه شده در قسمت ۵
= حداکثر دمای روزانه برحسب درجه کلوین
= حداقل دمای روزانه برحسب درجه کلوین

۱۰- شارگرما به داخل خاک
در محاسبات نیاز آبی به دلیل پوشش کامل گیاه مرجع شارگرما به داخل خهاک صفر فرض می‌شود.
۱۱- سرعت باد در ارتفاع ۲متری
در صورتی که سرعت باد در ارتفاع دیگری بغیر از ۲ متر اندازه گیری شده باشد برای استفاده در فرمول پنمن – مونتیت باید آن را به سرعت در ارتفاع ۲ متر تبدیل کرد که معادله کلی آن بصورت فرمول زیر می‌باشد.
که در آن:
= معادل سرعت باد در ارتفاع ۲متری
= سرعت باد در ارتفاع
= ارتفاعی که سرعت باد در آن اندازه گیری شده است.
برای آنکه به نحوه استفاده از فرمول های ارائه شده در روش پنمن – مونتیت آشنا شوید به ذکر یک مثال و نحوه انجام محاسبات می‌پردازیم. فرض کنید در شرایط زیر بخواهیم تبخیر – تعرق گیاه مرجع را برای یک روز که اطلاعات هواشناسی آن را داریم به روش پنمن – مونتیت محاسبه کنیم.
– ارتفاع از سطح دریا ۵۷۰متر
– عرض جغرافیایی ۴۵درجه شمالی
– تاریخ اول ماه مه
– دمای حداکثر ۲۱
– دمای حداقل
– رطوبت نسبی متوسط

– سرعت باد ۵/۳ متر در ثانیه در ارتفاع ۲ متری
– تعداد ساعات واقعی آفتابی ۱۰
حل
میانگین دما
۱- از معادله ۸-۲۳
۲- از معادله ۸-۲۴

۳- از معادله ۸-۲۶
۴- از معادله ۸-۲۵
۵- از معادله ۸-۲۷ ب
۶- از معادله ۸-۳۰ و با فرض مرطوب بودن اقلیم:
۷- کمبود فشار بخار
۸- از معادله ۸-۳۶ برای روز اول ماه مه مقدار J برابر است با جزء صحیح که از معادله زیر بدست می‌آید

این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
wordقابل ویرایش - قیمت 4700 تومان در 43 صفحه
سایر مقالات موجود در این موضوع
دیدگاه خود را مطرح فرمایید . وظیفه ماست که به سوالات شما پاسخ دهیم

پاسخ دیدگاه شما ایمیل خواهد شد