مقاله ارزیابی و واسنجی مدل های تبخیر و تعرق گیاه مرجع باتوجه به اثر دوره محاسباتی برای اقلیم نیمه خشک سرد

word قابل ویرایش
19 صفحه
دسته : اطلاعیه ها
12700 تومان
127,000 ریال – خرید و دانلود

*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***

ارزیابی و واسنجی مدل های تبخیر و تعرق گیاه مرجع باتوجه به اثر دوره محاسباتی برای اقلیم نیمه خشک سرد
چکیده
به منظور تعیین مقدار آب آبیاری در بخش تحقیقات کشاورزی ، لازم است مقدار نیاز آبی گیاه یا تبخیر و تعرق گیاه مرجع (ET٠) محاسبه شود و در این رابطه معادلات زیادی برای برآورد آن ارائه شده است . از طرف دیگر، در بسیاری از طرح های آبیاری و زهکشی از میانگین داده های هواشناسی ١٠ روزه و ماهیانه استفاده می شود که این امر بر میزان دقت تبخیر و تعرق محاسباتی در مقیاس ١٠ روزه و ماهانه تأثیر می گذارد. در این پژوهش ، اثر دوره های محاسباتی روزانه ، ١٠ روزه و ماهانه بر دقت برآورد تبخیر و تعرق مرجع با استفاده از مدل های پنمن مانتیث فائو، تابش فائو، پنمن اصلاح شده ، هارگریوز، مک کینگ و پریستلی تیلور در شهرستان سنندج با اقلیم سرد نیمه خشک مورد بررسی قرار گرفت . سپس با انتخاب مدل با دقت بالاتر، اقدام به واسنجی آن گردید. برای ارزیابی دقت مدل های فوق ، از داده های لایسیمتری اندازه گیری شده در ایستگاه تحقیقاتی سنندج استفاده شد. نتایج حاصل از پژوهش حاضر نشان داد مدل پنمن اصلاح شده در تمامی دوره های محاسباتی ، مقدار تبخیر و تعرق گیاه مرجع را با دقت بالاتری پیش بینی می کند و واسنجی این معادله نیز تأثیری بر افزایش دقت آن نداشت . همچنین ، نتایج نشان داد که طول دوره محاسباتی ، تأثیر معنی داری بر دقت پیش بینی مدل های تبخیر و تعرق ایجاد نمی کند.
کلمات کلیدی : پنمن اصلاح شده ، تبخیر و تعرق ، دوره محاسباتی ، واسنجی ، هارگریوز

مقدمه
تخمین دقیق مقدار تبخیر و تعرق ، اولین و مهمترین قدم در طراحی ، مدیریت و برنامه ریزی سیستم های آبیاری و سایر سیستم های توزیع و کاربرد آب ، محاسبه تلفات تبخیری از سطح دریاچه ها و سایر منابع آب های سطحی ، اجرای مدل های هیدرولوژیکی و آگروهیدرولوژیکی ، مطالعات بیلان آبی و زیست محیطی ، مدیریت منابع آب و غیره می باشد (١٢).
از سوی دیگر، واسنجی مدل های تبخیر و تعرق مرجع امری ضروری و حیاتی به شمار می آید، زیرا اکثر مدل های ارائه شده برای مناطق معتدل و مرطوب واسنجی و صحت سنجی شده اند (٩ و ١٧). روش هایی که برای برآورد تبخیر و تعرق به کار گرفته می شود به دو گروه اصلی روش های مستقیم و غیرمستقیم یا محاسباتی تقسیم بندی می شوند (٣). در روش های مستقیم با محصور کردن محدوده توسعه ریشه گیاه و کنترل فرآیندهایی که اندازه گیری آن ها ساده نمی باشد، می توان اجزای متفاوت رابطه آب و خاک را با دقت بیشتر اندازه گیری کرد (٩). ساده ترین وسیله برای تعیین تبخیر و تعرق در مقیاس کوچک لایسیمتر (Lysimeter) است .
لایسیمتر یک مخزن با ابعاد مشخص است که در داخل خاک تعبیه شده و مقادیر آب ورودی و خروجی از آن اندازه گیری می گردد (٣). در روشهای غیرمستقیم یا محاسبه ای ، از عوامل مختلف اقلیمی و گیاهی مؤثر بر نیاز آبی استفاده شده و به منظور تعیین و یا تخمین تبخیر و تعرق گیاه ، ابتدا مقدار تبخیر و تعرق گیاه مرجع محاسبه و سپس با تعیین ضریب گیاهی در مراحل مختلف رشد، مقدار تبخیر و تعرق گیاه موردنظر محاسبه می شود (٣، ٩ و ١۴). تبخیر و تعرق یک سطح ، بدون کمبود آب و عدم وجود بیماری های گیاهی ، تبخیر تعرق گیاه (سطح ) مرجع یا تبخیر و تعرق مرجع (ET0) نامیده می شود.
سطح مرجع عبارت است از گیاه مرجع چمن فرضی با ارتفاع ١٠ تا ١٢ سانتی متر، مقاومت سطحی ٧٠ ثانیه بر متر که دارای ضریب بازتابش (آلبیدو) ٠.٢٣ است . در این شرایط کمبود آب در خاک نیز نباید وجود داشته باشد. برای گیاه مرجع یونجه نیز تعریف مشابهی ذکر شده که در آن ارتفاع ٢٠ سانتی متر درنظر گرفته می شود (٣، ۴، ٩ و ١۶). تبخیر و تعرق گیاه مرجع ، بازتاب تأثیر شرایط اقلیمی است . روش های متعددی برای تخمین ET0 پیشنهاد شد که هر یک کم و بیش دارای محدودیت هایی بوده و در شرایط خاص قابل توصیه اند.
کلیه این روش ها ترکیبی از مفاهیم نظری و نتایج تجربی هستند. روش پنمن – مانتیث فائو به عنوان یک روش مبنا توصیه شده است ، اما این روش به پارامترهای زیادی نیاز دارد. باتوجه به این که در بسیاری از ایستگاه های هواشناسی همه پارامترهای موردنیاز این روش ، اندازه گیری نمی شود، باید به دنبال روش ساده تری بود که بتواند تبخیر و تعرق مرجع را با دقتی بالا برآورد کند و به پارامترهای ورودی کمتری نیاز داشته باشد. تحقیقات زیادی در رابطه با واسنجی معادلات مختلف صورت گرفته که در بعضی از آنها نتایج به دست آمده با داده های لایسیمتری مقایسه شده است . در سایر موارد معادله پنمن – مانتیث توصیه شده به وسیله سازمان خواروبار جهانی ، به عنوان روش مبنا در تخمین تبخیر و تعرق مرجع درنظر گرفته شده است (٨، ١١، ١٢، ١۵ و ١۶). در تحقیقی در منطقه کرمان ، روش های مختلف محاسبه تبخیر و تعرق مورد ارزیابی قرار گرفت . نتایج این تحقیق نشان داد که روشهای بلانی کریدل (پروت )، ترنت وایت ، پنمن فائو و تابش با داده های لایسیمتری انطباق بیشتری دارند (۶). در پژوهشی مشابه در منطقه همدان نیز روش های مختلف محاسبه تبخیر و تعرق مورد مقایسه و ارزیابی قرار گرفت و نتایج حاصل از مدل های مختلف تبخیر و تعرق با داده های لایسیمتری مقایسه شد. نتایج این تحقیق نشان داد که روش بلانی کریدل از دقت بالاتری برخوردار است (٢). در منطقه اراک نیز فرمول های تجربی محاسبه تبخیر و تعرق بالقوه گیاه مرجع چمن با نتایج حاصل از لایسیمتر مورد بررسی قرار گرفت و ارزیابی ها نشان داد که روش تشعشع بهترین روش محاسبه تبخیر و تعرق در این منطقه است (٧). در پژوهش دیگری ، معادله هارگریوز به منظور محاسبه تبخیر و تعرق مرجع در مقیاس روزانه مورد ارزیابی قرار گرفت . در این تحقیق ، معادله هارگریوز با مبنا قرار دادن معادله پنمن – مانتیث واسنجی شد و نتایج نشان داد که فرآیند واسنجی اثر مطلوبی بر کارایی روش هارگریوز می گذارد (١٣). در منطقه فارس معادله هارگریوز باتوجه به معادله پنمن – مانتیث مورد واسنجی قرار گرفت و ضرایب اصلاحی این معادله برای این منطقه محاسبه گردید (١١). در تحقیقی در منطقه فارس تبخیر و تعرق به دست آمده با روش قمرنیا و همکاران : ارزیابی و واسنجی مدل های تبخیر و تعرق گیاه مرجع باتوجه به اثر دوره محاسباتی برای اقلیم نیمه خشک سرد ٢٧ بلانی – کریدل باتوجه به روش پنمن – مانتیث ، واسنجی شد و ضرایب معادله بلانی کریدل محاسبه گردید (٨). در پژوهشی در شمال اسپانیا، معادلات مختلف تبخیر و تعرق مرجع باتوجه به روش پنمن – مانتیث مورد واسنجی قرار گرفت . نتایج حاصل از پژوهش حاضر نشان داد که روش هارگریوز – سامانی با داشتن ٣٢.٢ درصد و روش مک کینک با داشتن ٧.٩ درصد بیش برآورد، به ترتیب ضعیف ترین و بهترین عملکرد را دارند (١٢). در تحقیقی در منطقه بالکان نیز معادلات تبخیر و تعرق مرجع تحت شرایط آب و هوایی مرطوب مورد ارزیابی قرار گرفت و نسبت به روش پنمن – مانتیث واسنجی شد. نتایج حاصل نشان داد که روش تورک بهترین نتیجه را در این منطقه به دست می دهد (١۶). در پژوهشی مشابه در ایالت اونتاریو در کانادا، روش های مختلف را مورد بررسی قرار گرفت که نتایج حاصل از این پژوهش نشان داد باتوجه به میزان اطلاعات هواشناسی موجود، روش های پریستلی – تیلور و هارگریوز می توانند جایگزین مناسبی برای روش پنمن – مانتیث باشند (١۵).
بررسی منابع و مقالات در دسترس نشان داد که تاکنون در زمینه بررسی اثر دوره محاسباتی بر دقت تخمین تبخیر و تعرق مرجع هیچ گونه تحقیقی انجام نشده است . لذا، اهداف این تحقیق عبارتند از: الف ) بررسی اثر دوره های محاسباتی روزانه ، ١٠ روزه و ماهانه بر دقت تخمین تبخیر و تعرق مرجع ، ب) مقایسه روش های مختلف برآورد تبخیر و تعرق مرجع با سنجش های لایسیمتری و تعیین بهترین معادله و ج) واسنجی بهترین معادله برآورد تبخیر و تعرق مرجع برای اقلیم های نیمه خشک سرد شهرستان سنندج با استفاده از داده های لایسیمتری .
مواد و روش ها
موقعیت منطقه مورد مطالعه
شهرستان سنندج یکی از شهرستان های استان کردستان ، از نظر جغرافیایی ، در طول جغرافیایی ۴۷o شرقی و عرض جغرافیایی ۳۵o و ‘١۵ شمالی و ارتفاع ١۵٠٠ متر از سطح دریا قرار دارد و جزء مناطق نسبتا سرد و نیمه خشک طبقه بندی می شود. مساحت اراضی تحت کشت در این شهرستان در حدود ٧٠ هزار هکتار است که از این مقدار، ۴٩ هزار هکتار اراضی دیم ، ١٢ هزار هکتار آبی و نه هزار هکتار باغات را تشکیل می دهند. در این شهرستان ، محصولاتی نظیر گندم ، جو، یونجه ، سبزی و صیفی کاری ، حبوبات و دانه های روغنی به صورت دیم یا آبی کشت می گردد. از آنجاکه برنامه ریزی آبیاری بر مبنای مقدار تبخیر و تعرق مرجع و رطوبت موجود در منطقه توسعه ریشه صورت می گیرد، لذا برآورد دقیق مقدار تبخیر و تعرق مرجع گامی اساسی در انجام برنامه ریزی بهینه آبیاری در مزارع کشاورزی و باغات شهرستان سنندج می باشد. شکل (١) موقعیت استان کردستان و شهرستان سنندج را نشان می دهد. به منظور انجام محاسبات از داده های لایسیمتری اندازه گیری شده گیاه مرجع چمن ، در ایستگاه تحقیقات کشاورزی شهرستان سنندج و آمار هواشناسی ایستگاه هواشناسی سینوپتیک سنندج در سال های ١٣٧۴ تا
١٣٧۶ بهره گرفته شد. سنجش های لایسیمتری در دو مقیاس ١٠ روزه و ماهیانه صورت گرفته است . داده های هواشناسی مورد استفاده در این تحقیق عبارتند از: دمای ماکزیمم (Tmax)، دمای مینیمم (Tmin)، رطوبت نسبی (RH)، سرعت باد (U)، ساعات آفتابی (n). به منظور محاسبه سرعت باد در ارتفاع دو متر سطح زمین از معادله (١) استفاده شده است (٩ و ١٠):

در این رابطه ، U٢ میانگین ٢۴ ساعته سرعت باد در ارتفاع دو متری (متر بر ثانیه ) و U١٠ میانگین ٢۴ ساعته سرعت باد در ارتفاع ١٠ متری (متر بر ثانیه ) می باشد.
میزان تابش خورشیدی با استفاده از فرمول آنگستروم (معادله ٢) محاسبه شد (٩ و ١٠):

در این رابطه ، Rs تابش خورشیدی رسیده به زمین حداکثر ساعات آفتابی ممکن (ساعت )، n
تعداد ساعات آفتابی واقعی (ساعت ) و Ra تابش های ماوراءزمینی می باشد.

معادلات تبخیر و تعرق
پنمن در سال ١٣۴٨ رابطه تبخیر و تعرق را به طور عمده براساس بیلان انرژی بنیان گذاشت و عوامل آئرودینامیکی ، باد و رطوبت هوا را نیز در آن دخالت داد. روش پنمن یکی از کامل ترین روش های اندازه گیری تبخیر و تعرق مرجع طی نیم قرن اخیر به حساب می آید. در طی این مدت ، فرمول پنمن به صورت گسترده مورد استفاده قرار گرفته و هم زمان با آن اساتید فن در جهت تکامل آن کوشیده اند و اصلاحاتی را در آن انجام داده اند که از جمله روشی تحت عنوان فرمول پنمن اصلاح شده در نشریه فائو ٢۴ آمده است . اصلاحات پیشنهادی در روش فائو ٢۴، بیشتر مربوط به ضریب تعدیل C، در رابطه با متوسط روزانه داده های اقلیمی و یک ضریب اصلاحی در رابطه با سرعت باد روزانه است . فرمول پنمن اصلاح شده فائو ٢۴ به صورت معادله (٣) می باشد

در این رابطه ، ET0 تبخیر و تعرق گیاه مرجع (میلی متر در روز)، W فاکتور وزنی مربوط به تأثیر تشعشع روی ET0 در درجه حرارت ها و ارتفاعات مختلف ، Rn تشعشع خالص خورشیدی معادل آب تبخیرپذیر (میلی متر در روز)، ضریب مربوط به سرعت باد، eS فشار بخار اشباع در دمای روزانه (میلی بار) و ea فشار بخار واقعی بخار هوا در دمای روزانه (میلی بار) می باشد.
ضریب اصلاحی C به عواملی نظیر سرعت باد در روز، نسبت سرعت باد در روز و شب ، رطوبت نسبی و تشعشع خورشیدی معادل آب تبخیر پذیر بستگی دارد (١).
روش هارگریوز فقط به داده های ماکزیمم و مینیمم دما احتیاج دارد. این روش را می توان در دوره های ٢۴ ساعته ، هفتگی ، ١٠ روزه یا ماهیانه به کار برد. فرم کلی این مدل به صورت معادله (۴) می باشد (٩ و ١٣):

در این رابطه ، ET0 تبخیر و تعرق گیاه مرجع (میلی متر در روز) و Tmax و Tmin به ترتیب دمای ماکزیمم و مینیمم (درجه سانتی گراد) است . Ra نیز تابش های ماوراءزمینی (میلی متر در روز) است (٩ و ١٣).
روش تابش فائو نیز به صورت معادله (۵) بیان می شود.
در این رابطه ، C فاکتوری است که به رطوبت و سرعت باد بستگی دارد و W فاکتور وزنی اثر درجه حرارت در ارتباط با قمرنیا و همکاران : ارزیابی و واسنجی مدل های تبخیر و تعرق گیاه مرجع باتوجه به اثر دوره محاسباتی برای اقلیم نیمه خشک سرد ٢٩ ارتفاع است . Rs نیز تابش خورشیدی است

روش های مک کینک و پریستلی تیلور بر مبنای تابش و دما استوار می باشند که به ترتیب در هلند و استرالیا بسط داده شده اند. فرم کلی این دو معادله به ترتیب به صورت معادله های (۶) و (٧) می باشد (١٠):

در این رابطه ها، G شار گرما به داخل خاک به ترتیب تابش خورشیدی و تشعشع و خالص خورشیدی ،ضریب ثابت رطوبتی و  شیب منحنی فشار بخار است (١٠).
معادله پنمن – مانتیث براساس توازن انرژی روی یک سطح مرطوب پوشیده از گیاه ارایه گردیده است . این معادله به عنوان معتبرترین روش برآورد نیاز آبی گیاهان توسط کارشناسان فائو معرفی شده است . فرم کلی این معادله به صورت معادله (٨) است (۴، ٩ و ١٠):

در این رابطه ، ET0 تبخیر و تعرق مرجع ،  شیب منحنی فشار بخار تابش خالص (١- شار گرمایی خاک ضریب ثابت رطوبتی میانگین دمای هوا (C°)،
U٢ میانگین ٢۴ ساعته سرعت باد در ارتفاع دو متری (١-ms) و کمبود فشار بخار (kPa) می باشد.
در این تحقیق ، روش های پنمن – مانتیث فائو ۵۶، تابش فائو، پنمن اصلاح شده ، هارگریوز، مک کینک و پریستلی تیلور باتوجه به داده های لایسیمتری (لایسیمتر زهکش دار) در دوره های ١٠ روزه و ماهانه مورد مقایسه و بررسی قرار گرفت . در ابتدا با استفاده از داده های هواشناسی روزانه میزان تبخیر و تعرق مرجع در مقیاس روزانه محاسبه و سپس با درنظر گرفتن مجموع آنها مقدار تبخیر و تعرق مرجع در دوره های ١٠ روزه و ماهانه محاسبه گردید. در ادامه ، به منظور محاسبه تبخیر و تعرق ١٠ روزه از داده های هواشناسی روزانه به صورت ١٠ روزه میانگین گیری و از روی داده ای هواشناسی مربوط به هر دهه ، میزان تبخیر و تعرق مرجع ١٠ روزه محاسبه گردید. برای تبخیر و تعرق ماهانه نیز به صورت مشابه عمل شد. در شکل (٢) روند انجام این محاسبات نشان داده شده است .
در ادامه این تحقیق ، روشی که مقدار تبخیر و تعرق مرجع را با بالاترین دقت پیش بینی می نماید به عنوان روش مبنا در منطقه مورد مطالعه انتخاب و واسنجی گردید. به منظور واسنجی روش مبنا، از داده های لایسیمتری اندازه گیری شده در سال های ١٣٧۴ و ١٣٧۵ و همچنین به منظور ارزیابی معادله واسنجی شده از داده های لایسیمتری سال ١٣٧۶ استفاده گردید.
شاخص های آماری
در این تحقیق ، برای مقایسه کمی نتایج حاصله از مدل های مختلف تبخیر و تعرق ، از شاخص های آماری جذر میانگین مربعات خطا (RMSE)، راندمان یا کارایی مدل (EF)، میانگین درصد خطا (MAPE) و ضریب تعیین (R2) استفاده گردید. بیان ریاضی شاخص های آماری فوق الذکر به صورت معادله های (٩) تا (١٢) می باشد (۵ و ١۶). مقدار RMSE نشان می دهد که پیش بینی ها تا چه حد اندازه گیری ها را بیشتر یا کمتر تخمین زده اند. مقدار EF نیز مقادیر پیش بینی شده را با مقادیر میانگین اندازه گیری شده مقایسه می کند. مقادیر مثبت این شاخص نشان می دهد که مقادیر پیش بینی شده نسبت به میانگین مشاهدات ، برتری دارد. اگر میزان این شاخص صفر باشد، نشان دهنده این است که از مقادیر میانگین مشاهدات می توان به جای مقادیر پیش بینی شده استفاده نمود و مقادیر منفی نشان دهنده عدم کارایی مدل های مود استفاده در پیش بینی تبخیر و تعرق مرجع است . R2 نشان دهنده بخشی از تغییرات کل می باشد که به وسیله رابطه خطی بین دو متغیر توجیه می شود. در شرایطی که مقادیر پیش بینی شده و اندازه گیری شده با هم برابر باشند (بهترین حالت )، مقدار این شاخص ها به صورت : و خواهد بود (۵).

در این رابطه ، به ترتیب مقدار پیش بینی و اندازه گیری شده پارامتر موردنظر و میانگین پارامتر پیش بینی یا اندازه گیری شده و تعداد داده ها می باشد.

این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
word قابل ویرایش - قیمت 12700 تومان در 19 صفحه
127,000 ریال – خرید و دانلود
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