بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
ارزیابی و واسنجی روشهاي مختلف برآورد تبخیر تعرق در سه نمونه اقلیمی ایران
چکیده
فرآیند تبخیر و تعرق یکی از اجزاي اصلی چرخهي هیدرولوژیکی است که تخمین دقیق آن در مطالعات بیلان آبی، طراحی سیستمهاي آبیاري و برنامهریزي و مدیریت منابع آب نقش بسزایی دارد. در این تحقیق با استفاده از آمار روزانه دادههاي هواشناسی 3 ایستگاه سینوپتیک تهران، گرگان و کرمانشاه با شرایط اقلیمی متفاوت (به ترتیب خشک، مدیترانهاي و نیمه خشک بر اساس روش دومارتن)، تبخیر و تعرق با 5 روش فائو پنمن-مانتیث (EPM56)، هارگریوز- سامانی (EHS)، تورك (ET)، پریستولی-تیلور (EPT) و مککینک (EMK) در دوره آماري 1992 الی 2007 محاسبه گردید. سپس با مرجع قرار دادن روش EPM56، معادلات فوق براي هر 3 ایستگاه در دوره 1992 الی 2002 واسنجی و با استفاده از معیارهاي آماري R2، RMSE و MBE معادلات تجربی مختلف مقایسه شد. پس از آن بهترین معادلهي واسنجی در دوره 2003 الی 2007 براي هر ایستگاه تعیین شد. نتایج نشانداد که در ایستگاههايتهران، گرگان و کرمانشاه به ترتیب معادلات واسنجی شدهي EHS، ET و EHS از دقت بالاتري در مقایسه با EPT و EMK برخوردار هستند. ضمن آنکه واسنجی معادلات تجربی سبب افزایش کارایی و کاهش خطا شده است.
واژگان کلیدي: تبخیر و تعرق پتانسیل، واسنجی معادلات تجربی، فائو پنمن مانتیث، ایران
مقدمه
فرآیند تبخیر و تعرق یکی از مولفههاي اصلی چرخهي هیدرولوژیکی است که تخمین دقیق آن در مطالعات بیلان هیدرولوژیکی آب، طراحی و مدیریت سیستمهاي آبیاري، شبیهسازي تولید گیاهی و برنامهریزي و مدیریت منابع آب براي دستیابی به توسعهي پایدار نقش بسزایی دارد (صیادي و همکاران، .(1388 با توجه به میزان اندك نزولات جوي و محدودیت منابع آب در ایران، مدیریت صحیح و ارتقاء بهرهوري مصرف در شبکههاي آبیاري و زهکشی از اهمیت زیادي برخوردار بوده و لازم است در مورد مسائلی که به نحوي با آن مرتبط میشود، به شرایط و ملزومات استفادهي بهینه توجه کافی شود. در این راستا تعییننسبتاً دقیق مقدار آبی که براي تبخیر و تعرق مصرف میشود، از عوامل اساسی در برنامهریزي براي رسیدن به محصول بیشتر و الگوي توسعهي پایدار است (محمدي و همکاران، .(1388
یکی از متداولترین روشهاي تخمین مقدار تبخیر و تعرق گیاه زراعی، محاسبه تبخیر و تعرق گیاه مرجع نظیر چمن یا یونجه از یک سطح استاندارد و سپس استفاده از ضرایب گیاهی براي محاسبه تبخیر و تعرق گیاه مورد نظر میباشد. بر اساس استاندارد فائو، تبخیر و تعرق گیاه مرجع عبارت است از میزان آبی که یک مزرعه پوشیده از گیاه مرجع (نظیر چمن) در یک دوره زمانی مشخص مصرف نماید به طوريکه گیاهان این مزرعه در طول دوره رشد با کمبود آب مواجه نشوند (آلن و همکاران، .(1998 اثر متقابل فاکتورهاي کلیماتولوژي از قبیل دما، رطوبت نسبی، سرعت باد، تشعشع، نوع و مرحله رشد گیاه و عوامل دیگر سبب شده است تا تبخیر و تعرق بهصورت پدیدهاي غیرخطی و پیچیده بیان شود (کومار و همکاران، .(2002
بخاطر دشواري و پیچیدگی فرآیند مذکور از سوي محققان معادلات تجربی مختلفی شامل پنمن ، تورنتوایت 1948 Thornth-Waite، بلانی کریدل Blaney-Criddle1950، مککینک Makkink 1957، تورك Turc 1961، هارگریوز-سامانیHargreavs-Samani 1985 ، پریستولی-تیلور 1963Priestley-Taylor، پنمن-مانتیث Penman-Monteith 1965 و فائو پنمن-مانتیثFAO 1998 ارائه شدهاست (علیزاده و کمالی، .(1386 برآورد تبخیر و تعرق گیاه مرجع به کمک هر یک از روشهاي ذکر شده با توجه به فرضیات و دادههاي مختلف هواشناسی مورد استفاده در آنها، اغلب نتایج متفاوتی به دست میدهند. اغلب این روشها تحت واسنجیهاي منطقهاي به دست آمدهاند و براي شرایط آب و هوایی خاصی از اعتبار جهانی محدود برخوردارند. جانسون و همکاران (1990) مقدار ETO را با استفاده از لایسیمتر در 11 نقطهي جهان با شرایط اقلیمی و آب و هوایی مختلف اندازهگیري نمودند و نتایج حاصل را با بیش از بیست روش مختلف تجربی محاسبهي ETO مقایسه و بیان داشتند که در تمامی ایستگاهها نتایج پنمن مانتیث از دقت بالاتري برخوردار است و بیان داشتند روش پنمن مانتیث میتواند به عنوان روش مرجع براي ارزیابی سایر روشها بکار رود. این روش نیازمند دادههاي تابش، دما، رطوبت و سرعت باد بوده و با درجه اعتماد بالایی در دامنه وسیعی از مناطق و اقلیمها برآورد صحیحی از تبخیر و تعرق گیاه مرجع را ارائه میکند. طبري (2009) با مرجع قراردادن روش فائوپنمن-مانتیث به ارزیابی چهار روش هارگریوز، تورك، پریستولی-تیلور و مککینک براي محاسبه تبخیر و تعرق ماهانه در 12 ایستگاه سینوپتیک با شرایط آب و هوایی مختلف در ایران پرداخت. نتایج وي نشان داد که روش تورك براي مناطق داراي اقلیم سرد-مرطوب و اقلیم خشک از نتایج خوبی نسبت به سایر روشها برخوردار است، ضمن آنکه مدل هارگریوز داراي دقت مناسب براي شرایط اقلیمی گرم-مرطوب و سرد-خشک میباشد. همچنین مدل مککینک در تمام شرایط آب و هوایی به جز سرد-مرطوب داراي ضعیفترین برآورد بود. در آب و هواي سرد-مرطوب مدل هارگریوز نیز نتایج ضعیفی به همراه داشت. دینپژوه و همکاران (1387) از روش هارگریوز براي تخمین مقدار متوسط تبخیر و تعرق در 80 ایستگاه هواشناسی در ایران و تحلیل الگوي تغییرات مکانی آن در ماههاي رشد فعال گیاه (آوریل- سپتامبر) استفاده نمودند. نتایج آنها نشان داد که سواحل غربی دریاي خزر کمترین و قسمتهاي مرکزي بلوچستان بیشترین مقدار ETO سالانه را داشتند و مقادیر ETO از آوریل تا جولاي افزایش و به تدریج از جولاي تا سپتامبر کاهش مییابد. ضمن آن که بیشترین مقدار ETO معادل با 273 میلیمتر در ماه جولاي به دزفول و کمترین آن به مقدار 71 میلیمتر در ماه آوریل متعلق به بندر انزلی بوده است. بیاتورکشی و همکاران (1387) با بررسی روشهاي مختلف برآورد تبخیر و تعرق در سه ایستگاه سینوپتیک همدان، کرج و گرگان، بهترین روش برآورد تبخیر و تعرق ماهانه در ایستگاههاي مذکور را به ترتیب هارگریوز-سامانی، تورك و پنمن-کیمبرلی تشخیص دادند. دین- پژوه (2006) با توجه به شاخص خشکی (نسبت باران بر (ETO روش EHS را براي مناطق غرب و شمال غرب کشور مناسب ارزیابی نمود.
با توجه به اینکه معادلات برآورد کنندهي تبخیر و تعرق پتانسیل در مناطق خاص و با شرایط آب و هوایی مربوط به آن محل استخراج شدهاند، لازم است که کارایی این معادلات جهت استفاده در مناطق دیگر ارزیابی شود. ضمن آنکه معادلات تجربی مختلف پارامترهاي اقلیمی یکسانی را به کار نمیگیرند و به دلیل ماهیت تجربی آنها براي تمام شرایط اقلیمی مناسب نیستندو لازم است که معادلهي مناسب براي هر منطقه مشخص شود. بنابراین هدف از انجام این تحقیق ارزیابی دقت معادلات تجربی کالیبره شده (هارگریوز-سامانی، پریستولی-تیلور، مککینک و تورك) جهت تخمین ETO و مقایسه با روش فائو پنمن- مانتیث به عنوان روش مرجع در ایستگاههاي سینوپتیک گرگان، تهران و کرمانشاه میباشد.
مواد و روشها
-1 مشخصات ایستگاههاي مورد مطالعه
دادههاي مورد استفاده در این تحقیق از 3 ایستگاه سینوپتیک گرگان، تهران و کرمانشاه به ترتیب با اقلیم- هاي مدیترانهاي، خشک، نیمهخشک در گسترهي ایران به صورت روزانه از ابتداي سال 1992 میلادي تا پایان سال 2007 شامل دماي حداکثر (Tmax)، دماي حداقل (Tmin)، رطوبت نسبی (RH)، ساعات آفتابی (n) و سرعت باد در ارتفاع دو متري (U2) میباشند که از سازمان هواشناسی کشور اخذ گردید. مشخصات برخی از خصوصیات جغرافیایی و اقلیمی ایستگاههاي سینوپتیک مورد بررسی در جدول 1 درج شده است.
-2 معادلات تجربی برآورد تبخیر و تعرق
الف) فائو پنمن-مانتیث (EPM56)
روش موسوم به EPM56 در سال 1990 ارائه و سپس توسط آلن و همکاران (1998) تصحیح و به عنوان روش مرجع براي محاسبهي ETO به صورت ماهانه، 10روزه، روزانه و حتی ساعتی از طرف سازمانهاي بینالمللی مختلف پذیرفته و تائید گردید (آلن و همکاران، .(1998
ب) هارگریوز-سامانی EHS
هارگریوز و سامانی در سال 1985 با فرض این که مهمترین پارامترهاي موثر بر ETO، دما و تابشبرونزمینی میباشند. براي محاسبهي تبخیر و تعرق پتانسیل (ETO) روش تجربی زیر را پیشنهاد دادند (لاندراس و همکاران، .(2008 (
ج) پریستولی-تیلور (EPT)
پریستولی و تیلور در سال 1972 معادلهي ساده شدهاي از روش ترکیبی را براي تعیین ETo به شکل زیر ارائه دادند. در این فرمول قسمت آئرودینامیکی معادله حذف و قسمت مربوط به انرژي در یک ضریب ثابت (1/26) α ضرب شده است. معادلهي فوق تکامل یافته معادله پنمن (1948) میباشد که داراي اساس فیزیکی است و به دادههاي دمایی و تابشخورشیدي براي محاسبهي ETO نیاز دارد (لاندراس و همکاران، .(2008
د) مککینک EMK
در سال 1957 مککینک معادلهي زیر را براي تخمین تبخیر و تعرق گیاه مرجع چمن پیشنهاد داد. این معادله براساس مقایسه بین دادههاي لایسیمتري و روش پنمن (1948) در هلند براي محاسبهي ETO بدست آمد و نیازمند دادههاي دمایی و تابشخورشیدي است (لاندراس و همکاران، .(2008
ه) تورك ET
تورك در سال 1961 براي محاسبهي ETO روزانه معادلهي زیر را پیشنهاد داد که نیازمند دادههاي دمایی، تابشخورشیدي و رطوبت نسبی است. وي همچنین عقیده دارد که هرچه درجه حرارت بیشتر شود، مقادیر بیشتري از انرژي خورشید صرف تبخیر و تعرق میشود (لاندراس و همکاران، .(2008
پارامترهاي بکار گرفته شده در معادلات فوق به شرح زیر میباشند:
Tmin حداقل دماي روزانه (◦c)، Tmax حداکثر دماي روزانه (◦c)، Tmean میانگین دماي روزانه (◦c)، λ گرماي نهانتبخیر (MJ Kg-1)، ∆ شیب منحنی فشار بخار اشباع (KPa C-1)، Rn تابش خالص در سطح پوشش گیاهی (MJ m-2 d-1)، G چگالی شار گرماي خاك (MJ m-2 d-1)، Rs تابشخورشیدي روزانه (MJ m-2 d-1)، Ra تابش برونزمینی (MJ m-2 d-1)، =α1/26، γ ضریب سایکرومتري رطوبتی (KPa C-1)، u2 سرعت باد در ارتفاع دو متري (m s-1)، es فشار بخار اشباع (KPa)، ea فشار بخار واقعی (KPa) و RH متوسط رطوبت نسبی روزانه (%). تمامی پارامترهاي اقلیمی که در این تحقیق براي محاسبه ETO به کار برده شد، با استفاده از معادلات ارائه شده در نشریهي شماره 56 فائو، بدست آمد.
-3 واسنجی معادلات ETO در دورهي آماري 1992 الی 2003
به منظور افزایش کارایی و بهبود عملکرد معادلات تبخیر و تعرق، میتوان با استفاده از روشهاي استاندارد مانند فائو پنمن-مانتیث و یا از روي دادههاي لایسیمتري معادلات تجربی را براي هر منطقه واسنجی نمود.
در بسیاري از ایستگاههاي هواشناسی امکان اندازهگیري همهي پارامترهاي مورد نیاز معادلهي EPM56 وجود ندارد و یا اینکه در آن ایستگاه یک دورهي کامل آماري براي محاسبهي ETo به این روش موجود نیست. در چنین مواردي استفاده از معادلات تجربی که نیاز به پارامترهاي هواشناسی کمتري دارند، ناگزیر بهنظر می- رسد. بنابراین در این شرایط میتوان با استفاده از آمار دورهاي که در آن پارامترهاي روش EPM56 اندازهگیري شدهاست، یا با استفاده از آمار ایستگاههایی که داراي شرایط مشابه با ایستگاه مورد مطالعه هستند، واسنجی مطابق با رابطهي پیشنهادي فائو در نشریه 56 انجام گیرد (لاندراس و همکاران، .(2008
در رابطه ETO 6 تبخیر و تعرق استاندارد است که از روش EPM56 محاسبه میشود، EModel تبخیر و تعرق محاسبه شده از فرمولهاي تجربی و a و b ضرایب رگرسیون خطی میباشند.
-4 تعیین میزان کارایی عمل واسنجی معادلات تجربی
بهمنظور سنجش اینکه عمل واسنجی معادلات تجربی تا چه میزان توانسته است سبب افزایش یا کاهش خطا شود، با محاسبهي مقادیر ریشه میانگین مربعات خطا براي معادلات تبخیر و تعرق با عمل واسنجی (RMSE (ETO Calibrated)) و بدون عمل واسنجی (RMSE (ETO not Calibrated)) در دوره آماري 2003 الی 2007 از رابطه 7 استفاده شدهاست (لاندراس و همکاران، .(2008
در رابطهي 7 مقادیر مثبت RaRMSE نشان دهندهي بهبود عملکرد و کاهش مقدار خطاي معادلات تبخیر و تعرق در اثر عمل واسنجی است و مقادیر منفی نشان دهندهي آن است که عمل واسنجی سبب افزایش مقدار خطا شده است.
-5 معیارهاي آماري سنجش مقدار خطا
در این تحقیق به منظور سنجش مقدار خطاي مدلهاي مختلف، مقادیر تبخیر و تعرق روزانه محاسبه شده از معادلات تجربی واسنجی شده (EModeli) با مقادیر محاسبه شده به روش فائو پنمن-مانتیث (EPM56) (به عنوان روش مرجع) از طریق معیارهاي آماري R2، RMSE و MBE مقایسه میگردند.
