بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
ارائه روشي جهت کاهش گامهاي محاسباتي مدل سبال (SEBAL) در تعيين تبخي- تعرق (مطالعه موردي دهستان ميامي مشهد)
چکيده
فرآيند تبخير تعرق (ET) از عمدهترين اجزاي چرخه ي هيدرولوژيکي است که تخمين درست آن در طراحي و مديريت سيستم هاي آبياري، مطالعات منابع آب و موارد مشابه ديگر از اهميت زيادي برخوردار است . با توجه به حضور انواع مختلف پوشش هاي گياهي و آن هم در سطوح وسيع ، محاسبه دقيق نياز آبي از طريق روشهاي متداول محاسبه تبخير تعرق امري دشوار و غيرممکن مينمايد. در همين راستا به روشهايي نياز است که قادر به محاسبه نياز آبي گياهان در مقياس وسيع بوده و همچنين از دقت کافي برخوردار باشند. از اين رو سنجش از دور با داشتن خصوصياتي نظير فراهم ساختن يک ديد وسيع و يکپارچه از يک منطقه ، قابليت تکرار پذيري، سهل الوصول بودن اطلاعات، دقت بالاي اطلاعات حاصله و صرفه جويي در زمان، فناوري بسيار مفيدي است . روش الگوريتم توازن انرژي سطحي براي زمين (سبال) روشي مبتني بر سنجش از دور بوده که با استفاده از تصاوير ماهوارهاي، تبخير تعرق روزانه و حتي ساعتي را محاسبه ميکند. تحقيق حاضر با انگيزهي يافتن روشي سريع همراه با دقتي قابل قبول براي تعيين تبخير تعرق واقعي در نواحي کشاورزي دهستان ميامي مشهد، روش سبال را مورد استفاده قرار داد. بدين منظور تصاوير ماهوارهاي لندست و اطلاعات هواشناسي براي ناحيه مورد مطالعه در روز ٢٩ آپريل ٢٠٠٢(٩ ارديبهشت ١٣٨١) تهيه شدند و محاسبات روش سبال به کمک نرمافزار ILWIS بر روي تصاوير اعمال گرديد. سپس رابطه ميان پارامترهاي سطحي (دما و پوشش گياهي) با مؤلفه هاي 2 انرژي بدست آمده از اين روش بررسي شد. نتايج اين پژوهش نشان داد که يک رابطه خطي با دقت بسيار زياد = R) (٠.٩٦ بين دماي سطحي و شار حرارتي نهان لحظه اي وجود دارد که با استفاده از اين رابطه ميتوان گامهاي محاسباتي مدل سبال را براي منطقه مورد مطالعه کاهش داده و سريع تر و سادهتر ميزان تبخير- تعرق را محاسبه نمود.
واژگان کليدي: تبخير تعرق، تصاوير ماهوارهاي، دماي سطحي، سبال، مؤلفه هاي انرژي.
١. مقدمه
يکي از ضرورتهاي هر حوزه آبخيز منابع آب آن حوزه است . در همين راستا تخصيص مقداري از آب استحصال شده در حوزه به نياز آبياري محصولات زراعي، باغي و نيز پوشش هاي گياهي طبيعي حوزه از مواردي است که علاوه بر حفظ پوشش هاي گياهي و نيز پايداري کشاورزي در منطقه ، به دوام خاک و جلوگيري از فرسايش نيز کمک زيادي ميکند. با توجه به حضور انواع مختلف پوشش هاي گياهي و آن هم در سطوح وسيع ، محاسبه دقيق نياز آبي از طريق روشهاي متداول محاسبه تبخير و تعرق (روشهاي مستقيم و محاسبه اي) امري دشوار و غيرممکن مينمايد. در همين راستا به روشهايي نياز است که قادر به محاسبه نياز آبي گياهان در مقياس وسيع بوده و همچنين از دقت کافي برخوردار باشند.
از ميان روشهاي اندازهگيري تبخير- تعرق روش سبال ١(الگوريتم توازن انرژي سطحي براي زمين ) روشي مناسب براي کارهاي وسيع بوده که با استفاده از تصاوير ماهوارهاي، تبخير تعرق روزانه و حتي ساعتي را محاسبه ميکند. روش سبال مدلي مبتني بر پردازش تصوير بوده که مشتمل بر بيست و پنج زيرمدل جهت محاسبه تبخير تعرق به عنوان باقيمانده بيلان انرژي سطحي زمين است (باستيانسن ٢ و همکاران، ١٩٩٨). اين مدل توسط باستيانسن در کشور هلند معرفي و مورد بسط و توسعه واقع شده است . سبال در بيشتر از ٣٠ کشور در سرتاسر جهان به کاربرده شده است و ٢٦ مطالعه پژوهشي که در طول ١٠ سال گذشته اجرا شدهاند حالا به تدريج با مطالعات اجرايي جايگزين ميشوند.
آلن ٣ و همکاران (٢٠٠٢) در آيداهوي آمريکا روش سبال را با نتايج عالي در مقايسه با اندازهگيريهاي لايسيمتري آب مصرفي محصول بطور فصلي و ماهانه مورد آزمايش و اعتبارسنجي قرار دادند. نتايج براي ET تجمعي از ١آپريل تا ٣٠ سپتامبر ١٩٨٩ براي مزارع چعندرقند فارياب نشان داد که حذف خطاها در هنگامي که شارهاي ET روزانه چغندرقند در طول زمان جمع ميشود، رخ ميدهد. لايسيمتر مقدار ET کل را برابر ٧٠٥ ميليمتر در فصل نشان ميداد که بسيار نزديک به مقدار ٧١٤ ميليمتر پيش بيني شده توسط سبال بود.
باستيانسن و همکاران (٢٠٠٥) در تحقيقي بر اساس بررسي دقت مدل سبال در برآورد ET تحت شرايط اقليمي مختلف در هر دو مقياس مزرعه اي و حوزهاي بيان داشتند که به طور ميانگين براي دامنه اي از رطوبت خاک و شرايط جامعه کشت ، دقت معمول در مقياس مزرعه ٨٥% براي يک روز بوده و تا ٩٥% در مبناي فصلي افزايش مييابد، دقت ET سالانه براي حوزههاي بزرگ نيز به طور متوسط ٩٦% تعيين شده است .
گيميج ٤ و همکاران (٢٠٠٩) از روش سبال در نواحي فارياب بزرگ پنجاب پاکستان به عنوان ابزاري براي برآورد تبخير- تعرق واقعي (ETa) يعني مصرف آب براي فصول کشت ٢٠٠٤ تا ٢٠٠٥ و ٢٠٠٦ تا ٢٠٠٧ استفاده کردند. نتايج نشان داد که در ناحيه برنج - گندم پنجاب، ميانگين ETa سالانه به ٩٧١ ميليمتر در ٢٠٠٦ تا ٢٠٠٧ در مقايسه با ٨٩٦ ميليمتر در ٢٠٠٤ تا ٢٠٠٥ افزايش يافته است . آناليز فصلي نشان داد که فصل تابستان ٢٠٠٧، ٩.١٢% و فصل بهار ٢٠٠٦ تا ٢٠٠٧، ١٠.٥٤% بيشتر از فصول متناظرشان در سال گذشته ، آب مصرف کردند.
سانتوس ٥ و همکاران (٢٠٠٩) طي تحقيقي در مزرعه پنبه اي در جنوب ايالت ́Ceara در برزيل ، مقادير تخميني ET روزانه توسط الگوريتم هاي سنجش از دور SEBAL و S-SEBI٦ و مقادير اندازهگيري شده در مزرعه توسط روش BREB٧ را مقايسه نمودند که اين مقايسه ها نشان داد که روشهاي سنجش از دور داراي دقت مطلوبي هستند. همچنين کارايي بهتر الگوريتم سبال با اختلافات کمتر از mm.day 0.5 و ميانگين اختلاف مطلق مشهود بود.
٢. مواد و روشها
منطقه مورد مطالعه
اين مطالعه براي تعيين تبخير تعرق روزانه از طريق سنجش از دور براي دهستان ميامي واقع در بخش رضويه شهرستان مشهد انجام شد. اين ناحيه با مساحت حدود ١٣٣٤١٨.٥ هکتار شامل مزارع مختلف بخصوص مزرعه نمونه آستان قدس رضوي ميباشد. اين منطقه در بين عرض جغرافيايي ٣٦ درجه و ٠٠ دقيقه و ٤١.١٣ ثانيه تا ٣٦ درجه و ٢٨ دقيقه و ١٧.٧٥ ثانيه شمالي و طول جغرافيايي ٥٩ درجه و ٣٩ دقيقه و ١٥.٤٨ ثانيه تا ٦٠ درجه و ١٨ دقيقه و ٥٨.٠٣ ثانيه شرقي قرار گرفته است (شکل ١).
شکل ١: نقشه محدوده ايران، شهرستان مشهد و دهستان ميامي از بالا به پايين
نرم افزارهاي استفاده شده
نرمافزار اصلي که براي گردآوري و تجزيه و تحليل دادهها بکار گرفته شد، ILWIS٩ است . ILWIS قابليت عمليات GIS و RS(سنجش از دور) بسيار خوبي دارد و به ويژه براي تجزيه و تحليل مسائل زمين آب ١٠ ايجاد شده است . با اضافه شدن مزيت امکان نوشتن راحت دستورالعمل ١١، ميتوان گفت که بهترين نرمافزار براي اين نوع از تجزيه و تحليل ها در اين گونه مطالعات ميباشد. همچنين براي تهيه نقشه منطقه مورد مطالعه و انتقال آن به محيط ILWIS از نرمافزار Arc View GIS استفاده شد.
پيش پردازش تصاوير
تصاوير لندست ٧+ETM به تاريخ ٢٩ آپريل ٢٠٠٢ به طور تمام نما از شرکت آب منطقه اي خراسان رضوي تهيه شد.
تصاوير خام بدست آمده بصورت فرمت فايل TIF بودند. پيش پردازشها از قبيل تصحيحات هندسي، راديومتريک و جوي که پيش نياز براي تحليل شارهاي انرژي و پارامترهاي پوشش زمين هستند قبلاً در ايستگاه دريافت تصاوير انجام شده بودند. کليه عمليات از وارد کردن اطلاعات (تصاوير) تا تحليل آنها در نرم افزار ILWIS(سيستم اطلاعات جامع زمين و آب١٢) انجام شد. شکل ٢ترکيب رنگي١٣ منطقه مورد مطالعه ايجاد شده با استفاده از ترکيب باندهاي ١، ٢و ٣(به ترتيب باندهاي آبي، سبز و قرمز) سنجده +ETM را نشان ميدهد.
شکل ٢: نقشه ترکيب رنگي منطقه مورد مطالعه
الگوريتم سبال
سبال يک مدل پردازش تصوير است که تبخير- تعرق و ديگر تبادلات انرژي را با استفاده از دادههاي رقومي تصاوير ماهوارهاي که تششعات مرئي، مادون قرمز نزديک و مادون قرمز حرارتي را اندازه ميگيرند، محاسبه ميکند. پايه اصلي براي مدل سبال، انرژي سطحي است ) 2005 )
روش بدست آوردن تبخير تعرق از طريق اين مدل با توجه به فلوچارت مدل (شکل ٣) در مطالب پيش رو مطرح ميشود.
شکل ٣: فلوچارت مدل سبال
شار تبخير تعرق واقعي لحظه اي (شار گرماي نهان تبخير) براي هر پيکسل از تصوير سنجش از دور به صورت "باقيمانده ١٤" معادله بيلان انرژي سطحي محاسبه ميشود:
که LE شار گرماي نهان تبخير، Rn تششع خالص در سطح ، Gشار گرماي خاک و Hشار گرماي محسوس هوا است و واحد شارها بر حسب ميباشد.
Rn انرژي تابشي واقعي موجود در سطح را بيان ميکند که از کم کردن کليه شارهاي تابشي خروجي از کليه شارهاي تابشي ورودي در معادله بيلان تششع سطحي تعيين ميشود. رابطه نهايي Rn توسط معادله زير ارائه ميشود:
که در آن آلبدوي سطحي، توان تششعي ظاهري جو، توان تششعي سطحي، δثابت استفان بولتزمن ١٥ معادل ، Ta دماي هوا و To دماي سطحي برحسب کلوين است .
براي محاسبه دماي سطحي (To) از رابطه زير استفاده ميشود:
که K1 و K2 ثابت هاي واسنجي از قبل تعيين شدهاند (براي لندست
و L6 تابندگي باند ٦است .
براي برآورد Gاز معادله تجربي ارائه شده توسط باستيانسن و ربلينگ (١٩٩٣) شار حرارتي خاک استفاده شد ( الن و همکاران 2002 )
که ra، آلبدوي متوسط است ، در هنگامي که شار حرارتي خاک مستقيماً رو به پايين است . To دماي سطحي
برحسب کلوين است وNDVI شاخص گياهي تفاضل بهنجار ميباشد که از معادله زير بدست ميآيد:
که ρ3 و ρ4 به ترتيب قابليت بازتاب باندهاي ٣و ٤ميباشند.
مشکل ترين گام محاسباتي در سبال روش محاسبه شار حرارتي محسوسه (H) است . شار حرارتي محسوسه (H) جريان انرژي از طريق هوا در اثر گراديان دما است . تقريباً انتقال حرارت محسوسه سطحي اکثرًا با فرآيندهاي دفيوژني رخ ميدهد، در حاليکه در فاصله کمي دور از سطح ، انتقال تلاطمي غالب ميشود. فرمول رياضي شار حرارتي محسوسه مبتني بر تئوري انتقال تودهاي گرما و اندازه حرکت بين سطح و محيط نزديک سطح است (معادله ٧). محاسبات شار حرارتي محسوسه با استفاده از تصحيح ثبات اتمسفري مونين ابوخوف اصلاح ميشود.
که در آن ρa چگالي هوا بر حسب (که تابعي از فشار اتمسفر است )، Cp ظرفيت گرمايي هوا به ميزان ١٠٠٤.١٦ Jkg ١-K١- و rah مقاومت آيروديناميک در مقابل انتقال گرما است .
براي محاسبه dT از پيکسل سرد يا مرطوب ١٦(سطح کشت فارياب با پوشش کامل ) و پيکسل گرم يا خشک ١٧(زمين باير و
بدون کشت ) به عنوان پيکسل هاي مرجع تصوير ماهوارهاي استفاده ميشود ( سانتوس و همکاران 2009 )
در اکثر منابع بعد از تصحيح اتمسفري H، ابتدا جزء تبخيري لحظه اي از رابطه زير محاسبه مي شود:
جزء تبخيري لحظه اي، نسبت نياز واقعي به نياز تبخيري محصول را در شرايط تعادل رطوبت جوي و رطوبت خاک بيان ميکند. براي دورههاي زماني يک روزه، Gنسبتا کوچک و قابل صرفنظر کردن ميباشد و انرژي خالص موجود (Rn-G) به تششع خالص (Rn) مختصر ميشود. لذا تبخير و تعرق واقعي روزانه ، ميتواند بصورت زير محاسبه شود:
که برابر و ρw برابر ١٠٠٠ ٣-kgm است . تششع خالص روزانه برحسب است . شکل نهايي معادله تبخير- تعرق روزانه بصورت زير ميباشد:
٣. نتياج
تبخي- تعرق
بعد از ايجاد نقشه جزء تبخيري و نقشه تششع خالص روزانه ، نقشه تبخير- تعرق روزانه محاسبه گرديد. تبخير تعرق براي ناحيه مورد مطالعه از ٠تا ٣٣٧(mm.day) تغيير ميکند که در شکل ٤ارائه شده است . نقشه تبخير- تعرق روزانه مربوط به نواحي کشاورزي دهستان ميامي به منظور تحليل بهتر نتايج از نقشه کلي جدا شده و در شکل ٥ارائه شده است .
