بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
استفاده از سنجش از دور و مدل SSEB جهت برآورد تبخیرو تعرق مزرعه نیشکر امیرکبیر
چکیده
ارزیابی دقیق میزان تقاضا و آب در دسترس جهت بهبود مدیریت منابع آب، نقشی اساسی در مصرف بهینه آب در بخش کشاورزی ایفا میکند. با توجه به اینکه آگاهی از میزان تبخیر و تعرق در قوانین مصرف آب ضروری میباشد، تعیین دقیق این پارامتر یک اقدام اساسی در بخش مدیریت منابع آب به شمار میآید. الگوریتمهای مختلفی برای تعیین توزیع مکانی تبخیر تعرق (ET) با استفاده از دادههای سنجش از دور توسعه یافتهاند. اساس این الگوریتمها برآورد مؤلفه شارگرمای نهان تبخیر از روی باقیمانده انرژی خالص رسیده به زمین و شارهای گرمای محسوس و خاک هستند. فرضیات بکار رفته در مدل SSEB برای تعیین تبخیر و تعرق مزرعه نیشکر امیرکبیر مورد بررسی قرار گرفت. برای این منظور 238 تصویر روز ماهواره نوا طی سالهای 2004 تا 2009 جمعآوری، و با استفاده از مدل فوق، تبخیر و تعرق مزرعه نیشکر خوزستان برآورد شد. به علت عدم دسترس بودن دادههای لایسیمتری مقادیر حاصل از تشتک تبخیر که در ایستگاه هواشناسی به ثبت رسیده است، با تبخیر و تعرق برآورد شده از مدل SSEB مقایسه گردید. نتایج نشان دهنده ضریب تبیین 0/86 در مقایسه دو روش SSEB و تشتک تبخیر است.
واژههای کلیدی: تبخیر و تعرق، تشتک تبخیر، ماهواره نوا، مدل SSEB، مدیریت منابع آب
مقدمه
تبخیر و تعرق فرآیندی است که، موجب برگشت آب از سطح زمین به اتمسفر میشود (فیشر و همکاران، (2005،و به طور کلی معرف مصرف آب توسط پوشش گیاهی است. ارزیابی دقیق تبخیر و تعرق جهت بهبود مدیریت صحیح اراضی کشاورزی و جلوگیری از مصرف بیرویه نقشی اساسی در مصرف بهینه آب در بخش کشاورزی ایفا میکند. بیشتر مدلهای محاسبه تبخیر و تعرق نیازمند دادههای زیاد ورودی ازجمله حداقل و حداکثر درجه حرارت هوا، رطوبت نسبی، ساعات آفتابی، سرعت باد، تابش خورشیدی میباشند. دادههای مورد نیاز این مدلها اکثراً موجود نیستند و در صورت وجود ممکن است از دقت مناسبی برخوردار نباشند. به علت تغییرات زمانی و مکانی تبخیر و تعرق که ناشی از پارامترهای جوی مؤثر در این فرآیند میباشد، استفاده از دادههای هواشناسی مورد نیاز مدلهای تجربی باعث میشود، نتایج حاصله از مدلها فقط برای سطوح محدود نزدیک ایستگاه هواشناسی کاربرد داشته باشد. برای تعیین تبخیر و تعرق مناطق با پوشش گسترده و وسیع، باید تراکم ایستگاههای هواشناسی در حد استاندارد باشد. با توجه به عدم کفایت ایستگاهها و ناهمگنی مناطق، تأسیس ایستگاههای هواشناسی که دارای پوششی متراکم، و قادر به اندازهگیری این دادهها باشند بسیار پرهزینه میباشد. از طرفی این ایستگاهها در محدوده کشاورزی واقع نیستند لذا تبخیر و تعرق را بیشتر از شرایط واقعی برآورد میکنند و معرف شدت تبخیر و تعرق از مزارع کشاورزی نمیباشند. از این رو در سطح یک منطقه با پوشش وسیع باید از روش دیگری برای جمعآوری این دادهها استفاده نمود.
دادههای سنجش از دور1 به دلیل داشتن ویژگی چند زمانه بودن و به علت داشتن دید وسیع در تفکیک مکانی اطلاعات، برای بررسی تغییرات تبخیر و تعرق بسیار مناسب میباشند. لذا تکنیک سنجش از دور و استفاده از تصاویر
ماهوارهای روشی کارآمد برای تخمین تبخیر و تعرق و دسترسی به اطلاعات از یک سطح وسیع است. مدلهای بیلان انرژی سطحی زمین(EB) 1 با استفاده از دادههای زمینی و دادههای سنجش از دور ماهوارهای برای تعیین ET در مقیاس منطقهای توسعه یافتهاند (گودا و همکاران، .(2009 بیشتر این مدلها پیچیده بوده و نیاز به واسنجی محلی دارند. کایت و دروگرز (2000) گزارش کردند که مقادیر تبخیر و تعرق محاسبه شده از روش SEBAL (مدل بیلان انرژی) کمتر از مقدار تبخیر و تعرق پتانسیل بوده است.
مدل SSEB که توسط سنای و همکاران (2007) ارائه شده به نسبت ساده بوده و نیازی به واسنجی ندارد. از این رو هدف اصلی از این تحقیق بررسی تغییرات زمانی تبخیر و تعرق در مزرعه نیشکر امیرکبیر با استفاده از سری زمانی دادههای تصاویر ماهواره نوا و به کارگیری روش SSEB جهت برآورد تبخیر و تعرق بین سالهای 1382 تا 1387 است. هدف دیگر این تحیقیق مقایسه مقادیر حاصل از، تشت تبخیر که در ایستگاه هواشناسی به ثبت رسیده است، با مقادیر تبخیر و تعرق برآورد شده از مدل SSEB میباشد.
مواد و روشها
منطقه مورد مطالعه
با توجه به اینکه تبخیر و تعرق گیاه مرجع، معرف شدت تبخیر از سطح وسیع پوشیده از چمن است، برای تعیین آن با استفاده از معادله پنمن مانتیث باید اطلاعات هواشناسی از مناطق کشاورزی با کشت وسیع جمعآوری شود. لذا منطقه مورد مطالعه این تحقیق مزرعه طرح توسعه نیشکر و صنایع جانبی امیرکبیر واقع در استان خوزستان میباشد. این واحد غالب اراضی نیشکر که در جنوب استان خوزستان واقع شدهاند، را پوشش میدهد. مساحت ناخالص اراضی این کشت و صنعت 15000 هکتار و مساحت خالص آن 12000 هکتار است. منطقه مورد مطالعه در عرض جغرافیایی 31 درجه و 6 دقیقه و طول جغرافیایی 48 درجه و 18 دقیقه و ارتفاع 7 متر از سطح دریا واقع شده است. موقعیت کلی منطقه مورد مطالعه در شکل (1) نشان داده شده است.
شکل - 1 موقعیت کلی منطقه مورد مطالعه
دادههای هواشناسی مورد نیاز برای محاسبه تبخیر و تعرق پنمن مانتیث از ایستگاه هواشناسی واقع در محدوده شبکه آبیاری طرح توسعه نیشکر امیرکبیر به مدت 6 سال (طی سالهای 1382 تا (1387 شامل میانگین روزانه حداقل و حداکثردرجه حرات هوا، رطوبت نسبی هوا، ساعات آفتابی و سرعت باد، جمعآورری شدند. بجز پارامتر سرعت باد سایر پارامترها (رطوبت نسبی ودمای هوا ) در ارتفاع 2 متری بالای سطح زمین ثبت شدهاند. برای تبدیل سرعت باد به ارتفاع 2 متری از معادله لگاریتمی نیمرخ سرعت باد استفاده شده است. متوسط درجه حرارت حداکثر در کشت و صنعت منطقه مورد مطالعه در طول سال از 31 تا 33 درجه سانتیگراد میباشد. متوسط سالیانه رطوبت نسبی از حداقل 20 تا حداکثر 70 درصد متغیر است. متوسط سالانه ساعات آفتابی 8/5 ساعت، متوسط سالانه سرعت باد 3/3 متر بر ثانیه و متوسط سالانه بارندگی 166 میلیمتر میباشد.
تصاویر ماهوارهای : ماهوارههای نوا بصورت روزانه از سطح زمین تصویربرداری مینمایند. این ماهوارهها در مداری خورشید آهنگ با ارتفاع متوسط 833 کیلومتر از سطح زمین قرار گرفتهاند. زاویه دید لحظهای تصاویر سنجنده فوق 55/4 درجه و عرض جاروب 2800 کیلومتر میباشد. در این تحقیق برای تعیین تبخیر و تعرق از 238 تصویر بدون ابر ماهواره نوا در زمان گذر بین ساعات 9 تا 12:30 به وقت گرینویچ استفاده شد. این تصاویر از سنجنده AVHRR ماهوارههای نوا 16 و 18 با رزولوشن 1 کیلومتر به صورت روزانه از سال 2004 تا (1387-1382) 2009 تهیه شده است.
مدلSSEB جهت برآورد تبخیر وتعرق با استفاده از تصاویر ماهوارهای
منطق حاکم بر الگوریتمهای بیلان انرژی سطح بر این اصل که تبخیر و تعرق تابع موجودیت آب مورد نیاز برای تبخیر میباشد، استوار است (سیو ،.(2002 آن مقدار انرژی که طی فرآیند تبخیر و تعرق در پوششهای گیاهی تبادل میشود، با صرف نظر کردن از مقدار جزئی انرژی که صرف فتوسنتز و ذخیره گرما در گیاه میشود را، میتوان به شکل ریاضی رابطه زیر بیان کرد.
(1) LE=Rn-G-H
که Rn تابش خالص خورشید،LE شار گرمای نهان از تبخیر و تعرق به اتمسفر،G شار گرمای وارده به خاک،H شار گرمای قابل رویت در اتمسفر میباشد ( همه پارامترها بر حسب وات بر متر مربع). LE با تقسیم بر گرمای نهان تبخیر (برابر با 2/45 مگاژول بر کیلوگرم)، چگالی آب (یک کیلوگرم بر مترمکعب) و زمان ثابت 3600 ) ثانیه در ساعت برای ET ساعتی و 86400 ثانیه درساعت برای ET روزانه) به ET تبدیل میشود. گرچه محاسبه ET از طریق دیدگاه بیلان انرژی سطح، نتایج مطلوب و قابل اعتمادی را ارائه میدهد، اما برآورد پارامترهایی نظیر G و H دشوار میباشد. از این رو استفاده از شیوههای ساده برای محاسبه تبخیر و تعرق توصیه میشود. مدل SSEB یکی از این روشها میباشد. فرضیه حاکم بر مدل SSEB، رابطه خطی تغییرات تبخیر و تعرق بین پیکسل سرد و گرم میباشد. سیلار و همکاران (1997) دمای رادیومتریک پیکسلها را متأثر از شاخص گیاهی نرمال شده (NDVI) که ناشی از تفاضل بین طیف الکترومغناطیس در ناحیه قرمز (Red) و مادون قرمز نزدیک (NIR) میباشد، دانستند.
(2) B1 وB2 بازتاب باندهای 1و2 سنجنده AVHRR میباشند.
سردترین پیکسل درتصاویر پیکسلی است که بخوبی آب دریافت کرده است و دارای بزرگترین مقدار NDVI ، کمترین مقدار دمای سطحی و بیشترین مقدار تبخیر و تعرق در منطقه در حال مطالعه میباشد و به طور مشابه گرم-ترین پیکسل، دارای مقدار خیلی کم NDVI، بیشترین مقدار دمای سطحی میباشد و کمترین مقدار تبخیر و تعرق در آن اتفاق میافتد. این اتفاق وقتی به وقوع میپیوندد که آب در ناحیه ریشه در دسترس نباشد (کیو و همکاران، .(1999 در این تحقیق پس از تعیین مقدار NDVI در هر پیکسل از مزارع نیشکر محدوده مورد مطالعه فرض شده است که تبخیر و تعرق گیاه در پیکسلی که بیشترین مقدار NDVI را دارد، در حد تبخیر و تعرق پتانسیل است. از اطلاعات پیکسل با NDVI بیشینه که نمایانگر تبخیر و تعرق پتانسیل میباشد، برای تعیین پیکسلهای گرم و سرد استفاده شد. دمای پیکسلهای سرد و گرم که از اطلاعات باند 4 تصویر برداشت شدهاند، برای محاسبه تبخیر و تعرق جزئی (ETf) مورد استفاده قرار گرفت. ETf برای هر پیکسل در تصویر با استفاده از رابطه زیر محاسبه میشود.
(3)
که TH و TC به ترتیب، متوسط دمای رادیومتریک در پیکسلهای گرم و سرد میباشد و TX دمای سطحی برای هر پیکسل در هر تصویر میباشد.تبخیر و تعرق روزانه (ETa) برای هر پیکسل در تصویر بوسیله رابطه زیر محاسبه می-شود.
(4) ETa= ETf 1.1 ETO
که در آن ETO، تبخیر و تعرق روزانه (میلیمتر بر روز) میباشد و با استفاده از معادله پنمنمانتیث محاسبه شده است.
