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

بخشی از مقاله

*** اين فايل شامل تعدادي فرمول مي باشد و در سايت قابل نمايش نيست ***

ارزيابي و واسنجي مدل هاي تبخير و تعرق گياه مرجع باتوجه به اثر دوره محاسباتي براي اقليم نيمه خشک سرد
چکيده
به منظور تعيين مقدار آب آبياري در بخش تحقيقات کشاورزي ، لازم است مقدار نياز آبي گياه يا تبخير و تعرق گياه مرجع (ET٠) محاسبه شود و در اين رابطه معادلات زيادي براي برآورد آن ارائه شده است . از طرف ديگر، در بسياري از طرح هاي آبياري و زهکشي از ميانگين داده هاي هواشناسي ١٠ روزه و ماهيانه استفاده مي شود که اين امر بر ميزان دقت تبخير و تعرق محاسباتي در مقياس ١٠ روزه و ماهانه تأثير مي گذارد. در اين پژوهش ، اثر دوره هاي محاسباتي روزانه ، ١٠ روزه و ماهانه بر دقت برآورد تبخير و تعرق مرجع با استفاده از مدل هاي پنمن مانتيث فائو، تابش فائو، پنمن اصلاح شده ، هارگريوز، مک کينگ و پريستلي تيلور در شهرستان سنندج با اقليم سرد نيمه خشک مورد بررسي قرار گرفت . سپس با انتخاب مدل با دقت بالاتر، اقدام به واسنجي آن گرديد. براي ارزيابي دقت مدل هاي فوق ، از داده هاي لايسيمتري اندازه گيري شده در ايستگاه تحقيقاتي سنندج استفاده شد. نتايج حاصل از پژوهش حاضر نشان داد مدل پنمن اصلاح شده در تمامي دوره هاي محاسباتي ، مقدار تبخير و تعرق گياه مرجع را با دقت بالاتري پيش بيني مي کند و واسنجي اين معادله نيز تأثيري بر افزايش دقت آن نداشت . همچنين ، نتايج نشان داد که طول دوره محاسباتي ، تأثير معني داري بر دقت پيش بيني مدل هاي تبخير و تعرق ايجاد نمي کند.
کلمات کليدي : پنمن اصلاح شده ، تبخير و تعرق ، دوره محاسباتي ، واسنجي ، هارگريوز

مقدمه
تخمين دقيق مقدار تبخير و تعرق ، اولين و مهمترين قدم در طراحي ، مديريت و برنامه ريزي سيستم هاي آبياري و ساير سيستم هاي توزيع و کاربرد آب ، محاسبه تلفات تبخيري از سطح درياچه ها و ساير منابع آب هاي سطحي ، اجراي مدل هاي هيدرولوژيکي و آگروهيدرولوژيکي ، مطالعات بيلان آبي و زيست محيطي ، مديريت منابع آب و غيره مي باشد (١٢).
از سوي ديگر، واسنجي مدل هاي تبخير و تعرق مرجع امري ضروري و حياتي به شمار مي آيد، زيرا اکثر مدل هاي ارائه شده براي مناطق معتدل و مرطوب واسنجي و صحت سنجي شده اند (٩ و ١٧). روش هايي که براي برآورد تبخير و تعرق به کار گرفته مي شود به دو گروه اصلي روش هاي مستقيم و غيرمستقيم يا محاسباتي تقسيم بندي مي شوند (٣). در روش هاي مستقيم با محصور کردن محدوده توسعه ريشه گياه و کنترل فرآيندهايي که اندازه گيري آن ها ساده نمي باشد، مي توان اجزاي متفاوت رابطه آب و خاک را با دقت بيشتر اندازه گيري کرد (٩). ساده ترين وسيله براي تعيين تبخير و تعرق در مقياس کوچک لايسيمتر (Lysimeter) است .
لايسيمتر يک مخزن با ابعاد مشخص است که در داخل خاک تعبيه شده و مقادير آب ورودي و خروجي از آن اندازه گيري مي گردد (٣). در روشهاي غيرمستقيم يا محاسبه اي ، از عوامل مختلف اقليمي و گياهي مؤثر بر نياز آبي استفاده شده و به منظور تعيين و يا تخمين تبخير و تعرق گياه ، ابتدا مقدار تبخير و تعرق گياه مرجع محاسبه و سپس با تعيين ضريب گياهي در مراحل مختلف رشد، مقدار تبخير و تعرق گياه موردنظر محاسبه مي شود (٣، ٩ و ١٤). تبخير و تعرق يک سطح ، بدون کمبود آب و عدم وجود بيماري هاي گياهي ، تبخير تعرق گياه (سطح ) مرجع يا تبخير و تعرق مرجع (ET0) ناميده مي شود.
سطح مرجع عبارت است از گياه مرجع چمن فرضي با ارتفاع ١٠ تا ١٢ سانتي متر، مقاومت سطحي ٧٠ ثانيه بر متر که داراي ضريب بازتابش (آلبيدو) ٠.٢٣ است . در اين شرايط کمبود آب در خاک نيز نبايد وجود داشته باشد. براي گياه مرجع يونجه نيز تعريف مشابهي ذکر شده که در آن ارتفاع ٢٠ سانتي متر درنظر گرفته مي شود (٣، ٤، ٩ و ١٦). تبخير و تعرق گياه مرجع ، بازتاب تأثير شرايط اقليمي است . روش هاي متعددي براي تخمين ET0 پيشنهاد شد که هر يک کم و بيش داراي محدوديت هايي بوده و در شرايط خاص قابل توصيه اند.
کليه اين روش ها ترکيبي از مفاهيم نظري و نتايج تجربي هستند. روش پنمن - مانتيث فائو به عنوان يک روش مبنا توصيه شده است ، اما اين روش به پارامترهاي زيادي نياز دارد. باتوجه به اين که در بسياري از ايستگاه هاي هواشناسي همه پارامترهاي موردنياز اين روش ، اندازه گيري نمي شود، بايد به دنبال روش ساده تري بود که بتواند تبخير و تعرق مرجع را با دقتي بالا برآورد کند و به پارامترهاي ورودي کمتري نياز داشته باشد. تحقيقات زيادي در رابطه با واسنجي معادلات مختلف صورت گرفته که در بعضي از آنها نتايج به دست آمده با داده هاي لايسيمتري مقايسه شده است . در ساير موارد معادله پنمن - مانتيث توصيه شده به وسيله سازمان خواروبار جهاني ، به عنوان روش مبنا در تخمين تبخير و تعرق مرجع درنظر گرفته شده است (٨، ١١، ١٢، ١٥ و ١٦). در تحقيقي در منطقه کرمان ، روش هاي مختلف محاسبه تبخير و تعرق مورد ارزيابي قرار گرفت . نتايج اين تحقيق نشان داد که روشهاي بلاني کريدل (پروت )، ترنت وايت ، پنمن فائو و تابش با داده هاي لايسيمتري انطباق بيشتري دارند (٦). در پژوهشي مشابه در منطقه همدان نيز روش هاي مختلف محاسبه تبخير و تعرق مورد مقايسه و ارزيابي قرار گرفت و نتايج حاصل از مدل هاي مختلف تبخير و تعرق با داده هاي لايسيمتري مقايسه شد. نتايج اين تحقيق نشان داد که روش بلاني کريدل از دقت بالاتري برخوردار است (٢). در منطقه اراک نيز فرمول هاي تجربي محاسبه تبخير و تعرق بالقوه گياه مرجع چمن با نتايج حاصل از لايسيمتر مورد بررسي قرار گرفت و ارزيابي ها نشان داد که روش تشعشع بهترين روش محاسبه تبخير و تعرق در اين منطقه است (٧). در پژوهش ديگري ، معادله هارگريوز به منظور محاسبه تبخير و تعرق مرجع در مقياس روزانه مورد ارزيابي قرار گرفت . در اين تحقيق ، معادله هارگريوز با مبنا قرار دادن معادله پنمن - مانتيث واسنجي شد و نتايج نشان داد که فرآيند واسنجي اثر مطلوبي بر کارايي روش هارگريوز مي گذارد (١٣). در منطقه فارس معادله هارگريوز باتوجه به معادله پنمن - مانتيث مورد واسنجي قرار گرفت و ضرايب اصلاحي اين معادله براي اين منطقه محاسبه گرديد (١١). در تحقيقي در منطقه فارس تبخير و تعرق به دست آمده با روش قمرنيا و همکاران : ارزيابي و واسنجي مدل هاي تبخير و تعرق گياه مرجع باتوجه به اثر دوره محاسباتي براي اقليم نيمه خشک سرد ٢٧ بلاني - کريدل باتوجه به روش پنمن - مانتيث ، واسنجي شد و ضرايب معادله بلاني کريدل محاسبه گرديد (٨). در پژوهشي در شمال اسپانيا، معادلات مختلف تبخير و تعرق مرجع باتوجه به روش پنمن - مانتيث مورد واسنجي قرار گرفت . نتايج حاصل از پژوهش حاضر نشان داد که روش هارگريوز - ساماني با داشتن ٣٢.٢ درصد و روش مک کينک با داشتن ٧.٩ درصد بيش برآورد، به ترتيب ضعيف ترين و بهترين عملکرد را دارند (١٢). در تحقيقي در منطقه بالکان نيز معادلات تبخير و تعرق مرجع تحت شرايط آب و هوايي مرطوب مورد ارزيابي قرار گرفت و نسبت به روش پنمن - مانتيث واسنجي شد. نتايج حاصل نشان داد که روش تورک بهترين نتيجه را در اين منطقه به دست مي دهد (١٦). در پژوهشي مشابه در ايالت اونتاريو در کانادا، روش هاي مختلف را مورد بررسي قرار گرفت که نتايج حاصل از اين پژوهش نشان داد باتوجه به ميزان اطلاعات هواشناسي موجود، روش هاي پريستلي - تيلور و هارگريوز مي توانند جايگزين مناسبي براي روش پنمن - مانتيث باشند (١٥).
بررسي منابع و مقالات در دسترس نشان داد که تاکنون در زمينه بررسي اثر دوره محاسباتي بر دقت تخمين تبخير و تعرق مرجع هيچ گونه تحقيقي انجام نشده است . لذا، اهداف اين تحقيق عبارتند از: الف ) بررسي اثر دوره هاي محاسباتي روزانه ، ١٠ روزه و ماهانه بر دقت تخمين تبخير و تعرق مرجع ، ب) مقايسه روش هاي مختلف برآورد تبخير و تعرق مرجع با سنجش هاي لايسيمتري و تعيين بهترين معادله و ج) واسنجي بهترين معادله برآورد تبخير و تعرق مرجع براي اقليم هاي نيمه خشک سرد شهرستان سنندج با استفاده از داده هاي لايسيمتري .
مواد و روش ها
موقعيت منطقه مورد مطالعه
شهرستان سنندج يکي از شهرستان هاي استان کردستان ، از نظر جغرافيايي ، در طول جغرافيايي 47o شرقي و عرض جغرافيايي 35o و '١٥ شمالي و ارتفاع ١٥٠٠ متر از سطح دريا قرار دارد و جزء مناطق نسبتا سرد و نيمه خشک طبقه بندي مي شود. مساحت اراضي تحت کشت در اين شهرستان در حدود ٧٠ هزار هکتار است که از اين مقدار، ٤٩ هزار هکتار اراضي ديم ، ١٢ هزار هکتار آبي و نه هزار هکتار باغات را تشکيل مي دهند. در اين شهرستان ، محصولاتي نظير گندم ، جو، يونجه ، سبزي و صيفي کاري ، حبوبات و دانه هاي روغني به صورت ديم يا آبي کشت مي گردد. از آنجاکه برنامه ريزي آبياري بر مبناي مقدار تبخير و تعرق مرجع و رطوبت موجود در منطقه توسعه ريشه صورت مي گيرد، لذا برآورد دقيق مقدار تبخير و تعرق مرجع گامي اساسي در انجام برنامه ريزي بهينه آبياري در مزارع کشاورزي و باغات شهرستان سنندج مي باشد. شکل (١) موقعيت استان کردستان و شهرستان سنندج را نشان مي دهد. به منظور انجام محاسبات از داده هاي لايسيمتري اندازه گيري شده گياه مرجع چمن ، در ايستگاه تحقيقات کشاورزي شهرستان سنندج و آمار هواشناسي ايستگاه هواشناسي سينوپتيک سنندج در سال هاي ١٣٧٤ تا
١٣٧٦ بهره گرفته شد. سنجش هاي لايسيمتري در دو مقياس ١٠ روزه و ماهيانه صورت گرفته است . داده هاي هواشناسي مورد استفاده در اين تحقيق عبارتند از: دماي ماکزيمم (Tmax)، دماي مينيمم (Tmin)، رطوبت نسبي (RH)، سرعت باد (U)، ساعات آفتابي (n). به منظور محاسبه سرعت باد در ارتفاع دو متر سطح زمين از معادله (١) استفاده شده است (٩ و ١٠):

در اين رابطه ، U٢ ميانگين ٢٤ ساعته سرعت باد در ارتفاع دو متري (متر بر ثانيه ) و U١٠ ميانگين ٢٤ ساعته سرعت باد در ارتفاع ١٠ متري (متر بر ثانيه ) مي باشد.
ميزان تابش خورشيدي با استفاده از فرمول آنگستروم (معادله ٢) محاسبه شد (٩ و ١٠):

در اين رابطه ، Rs تابش خورشيدي رسيده به زمين حداکثر ساعات آفتابي ممکن (ساعت )، n
تعداد ساعات آفتابي واقعي (ساعت ) و Ra تابش هاي ماوراءزميني مي باشد.

معادلات تبخير و تعرق
پنمن در سال ١٣٤٨ رابطه تبخير و تعرق را به طور عمده براساس بيلان انرژي بنيان گذاشت و عوامل آئروديناميکي ، باد و رطوبت هوا را نيز در آن دخالت داد. روش پنمن يکي از کامل ترين روش هاي اندازه گيري تبخير و تعرق مرجع طي نيم قرن اخير به حساب مي آيد. در طي اين مدت ، فرمول پنمن به صورت گسترده مورد استفاده قرار گرفته و هم زمان با آن اساتيد فن در جهت تکامل آن کوشيده اند و اصلاحاتي را در آن انجام داده اند که از جمله روشي تحت عنوان فرمول پنمن اصلاح شده در نشريه فائو ٢٤ آمده است . اصلاحات پيشنهادي در روش فائو ٢٤، بيشتر مربوط به ضريب تعديل C، در رابطه با متوسط روزانه داده هاي اقليمي و يک ضريب اصلاحي در رابطه با سرعت باد روزانه است . فرمول پنمن اصلاح شده فائو ٢٤ به صورت معادله (٣) مي باشد

در اين رابطه ، ET0 تبخير و تعرق گياه مرجع (ميلي متر در روز)، W فاکتور وزني مربوط به تأثير تشعشع روي ET0 در درجه حرارت ها و ارتفاعات مختلف ، Rn تشعشع خالص خورشيدي معادل آب تبخيرپذير (ميلي متر در روز)، ضريب مربوط به سرعت باد، eS فشار بخار اشباع در دماي روزانه (ميلي بار) و ea فشار بخار واقعي بخار هوا در دماي روزانه (ميلي بار) مي باشد.
ضريب اصلاحي C به عواملي نظير سرعت باد در روز، نسبت سرعت باد در روز و شب ، رطوبت نسبي و تشعشع خورشيدي معادل آب تبخير پذير بستگي دارد (١).
روش هارگريوز فقط به داده هاي ماکزيمم و مينيمم دما احتياج دارد. اين روش را مي توان در دوره هاي ٢٤ ساعته ، هفتگي ، ١٠ روزه يا ماهيانه به کار برد. فرم کلي اين مدل به صورت معادله (٤) مي باشد (٩ و ١٣):

در اين رابطه ، ET0 تبخير و تعرق گياه مرجع (ميلي متر در روز) و Tmax و Tmin به ترتيب دماي ماکزيمم و مينيمم (درجه سانتي گراد) است . Ra نيز تابش هاي ماوراءزميني (ميلي متر در روز) است (٩ و ١٣).
روش تابش فائو نيز به صورت معادله (٥) بيان مي شود.
در اين رابطه ، C فاکتوري است که به رطوبت و سرعت باد بستگي دارد و W فاکتور وزني اثر درجه حرارت در ارتباط با قمرنيا و همکاران : ارزيابي و واسنجي مدل هاي تبخير و تعرق گياه مرجع باتوجه به اثر دوره محاسباتي براي اقليم نيمه خشک سرد ٢٩ ارتفاع است . Rs نيز تابش خورشيدي است

روش هاي مک کينک و پريستلي تيلور بر مبناي تابش و دما استوار مي باشند که به ترتيب در هلند و استراليا بسط داده شده اند. فرم کلي اين دو معادله به ترتيب به صورت معادله هاي (٦) و (٧) مي باشد (١٠):

در اين رابطه ها، G شار گرما به داخل خاک به ترتيب تابش خورشيدي و تشعشع و خالص خورشيدي ،ضريب ثابت رطوبتي و  شيب منحني فشار بخار است (١٠).
معادله پنمن - مانتيث براساس توازن انرژي روي يک سطح مرطوب پوشيده از گياه ارايه گرديده است . اين معادله به عنوان معتبرترين روش برآورد نياز آبي گياهان توسط کارشناسان فائو معرفي شده است . فرم کلي اين معادله به صورت معادله (٨) است (٤، ٩ و ١٠):

در اين رابطه ، ET0 تبخير و تعرق مرجع ،  شيب منحني فشار بخار تابش خالص (١- شار گرمايي خاک ضريب ثابت رطوبتي ميانگين دماي هوا (C°)،
U٢ ميانگين ٢٤ ساعته سرعت باد در ارتفاع دو متري (١-ms) و کمبود فشار بخار (kPa) مي باشد.
در اين تحقيق ، روش هاي پنمن - مانتيث فائو ٥٦، تابش فائو، پنمن اصلاح شده ، هارگريوز، مک کينک و پريستلي تيلور باتوجه به داده هاي لايسيمتري (لايسيمتر زهکش دار) در دوره هاي ١٠ روزه و ماهانه مورد مقايسه و بررسي قرار گرفت . در ابتدا با استفاده از داده هاي هواشناسي روزانه ميزان تبخير و تعرق مرجع در مقياس روزانه محاسبه و سپس با درنظر گرفتن مجموع آنها مقدار تبخير و تعرق مرجع در دوره هاي ١٠ روزه و ماهانه محاسبه گرديد. در ادامه ، به منظور محاسبه تبخير و تعرق ١٠ روزه از داده هاي هواشناسي روزانه به صورت ١٠ روزه ميانگين گيري و از روي داده اي هواشناسي مربوط به هر دهه ، ميزان تبخير و تعرق مرجع ١٠ روزه محاسبه گرديد. براي تبخير و تعرق ماهانه نيز به صورت مشابه عمل شد. در شکل (٢) روند انجام اين محاسبات نشان داده شده است .
در ادامه اين تحقيق ، روشي که مقدار تبخير و تعرق مرجع را با بالاترين دقت پيش بيني مي نمايد به عنوان روش مبنا در منطقه مورد مطالعه انتخاب و واسنجي گرديد. به منظور واسنجي روش مبنا، از داده هاي لايسيمتري اندازه گيري شده در سال هاي ١٣٧٤ و ١٣٧٥ و همچنين به منظور ارزيابي معادله واسنجي شده از داده هاي لايسيمتري سال ١٣٧٦ استفاده گرديد.
شاخص هاي آماري
در اين تحقيق ، براي مقايسه کمي نتايج حاصله از مدل هاي مختلف تبخير و تعرق ، از شاخص هاي آماري جذر ميانگين مربعات خطا (RMSE)، راندمان يا کارايي مدل (EF)، ميانگين درصد خطا (MAPE) و ضريب تعيين (R2) استفاده گرديد. بيان رياضي شاخص هاي آماري فوق الذکر به صورت معادله هاي (٩) تا (١٢) مي باشد (٥ و ١٦). مقدار RMSE نشان مي دهد که پيش بيني ها تا چه حد اندازه گيري ها را بيشتر يا کمتر تخمين زده اند. مقدار EF نيز مقادير پيش بيني شده را با مقادير ميانگين اندازه گيري شده مقايسه مي کند. مقادير مثبت اين شاخص نشان مي دهد که مقادير پيش بيني شده نسبت به ميانگين مشاهدات ، برتري دارد. اگر ميزان اين شاخص صفر باشد، نشان دهنده اين است که از مقادير ميانگين مشاهدات مي توان به جاي مقادير پيش بيني شده استفاده نمود و مقادير منفي نشان دهنده عدم کارايي مدل هاي مود استفاده در پيش بيني تبخير و تعرق مرجع است . R2 نشان دهنده بخشي از تغييرات کل مي باشد که به وسيله رابطه خطي بين دو متغير توجيه مي شود. در شرايطي که مقادير پيش بيني شده و اندازه گيري شده با هم برابر باشند (بهترين حالت )، مقدار اين شاخص ها به صورت : و خواهد بود (٥).


در اين رابطه ، به ترتيب مقدار پيش بيني و اندازه گيري شده پارامتر موردنظر و ميانگين پارامتر پيش بيني يا اندازه گيري شده و تعداد داده ها مي باشد.