بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
استفاده از مدل سبال کوهستاني در تخمين تبخير و تعرق واقعي حوزههاي آبخيز (مطالعه موردي: حوزه آبخيز تويسرکان، همدان)
چکيده
سابقه و هدف: کاهش منابع آب نه تنها بر بخش کشاورزي و منابع طبيعي تأثيرات منفي نهاده است بلکه اثرات اقتصادي و اجتماعي زيادي را در حوزههاي آبخيز ايجاد نموده است . در اين ميان مديريت مناسب منابع آب حوزههاي آبخيز امري حياتي و مهم ميباشد. از آنجاييکه مهم ترين و بيش ترين هدررفت آب در حوزههاي آبخيز تبخير و تعرق واقعي ميباشد بنابراين در پژوهش حاضر به بررسي تبخير و تعرق واقعي حوزه نيمه خشک تويسرکان پرداخته شده است .
مواد و روشها: به اين منظور از ٢٧ تصوير ماهوارهاي موديس و ٣ تصوير ماهوارهاي لندست و تکنيک سنجش از دور جهت برآورد تبخير و تعرق واقعي حوزه آبخيز تويسرکان استفاده شد. نتايج تبخير و تعرق واقعي ارائه شده توسط مدل سبال کوهستاني با نياز آبي ارائه شده توسط سند ملي آبياري مقايسه و ارزيابي گرديد. سپس نقشه هاي تهيه شده توسط تصاوير ماهوراهاي سنجنده موديس به کمک تصاوير لندست ريزمقياس نمايي شد.
يافته ها: نتايج اين پژوهش نشان داد که نسخه کوهستاني الگوريتم توزان انرژي سبال با دقت بسيار بالاتر و صحت بيش تري نسبت به نسخه سبال مناطق مسطح ميتواند تبخير و تعرق واقعي حوزههاي آبخيز را نشان دهد، همچنين در صورت در دسترس نبودن دادههاي لايسيمتري يا نمونه گيري هاي صحرايي مي توان از نياز آبي ارائه شده در سند ملي آبياري براي گياهان دشت هاي مختلف جهت ارزيابي نتايج الگوريتم سبال جهت تخمين تبخير و تعرق واقعي استفاده نمود. نتايج اين پژوهش نشان داد که تبخير و تعرق برآورد شده براي گياه گردو که گياه باغي غالب منطقه ٧٥٢ ميليمتر در سال برآرود شد، براي گياه جو که گياه زراعي غالب منطقه ميباشد ٤١٠ ميليمتر در سال برآورد شد در نهايت در اين پژوهش الگوريتم توزان انرژي سبال کوهستاني تبخير و تعرق واقعي حوزه آبخيز تويسرکان را با دقت ٨٢% برآورد نمود.
نتيجه گيري: نتايج اين پژوهش نشان داد که الگوريتم توزان انرژي سبال ميتواند کارايي مناسبي در تخمين تبخير و تعرق واقعي حوزههاي آبخيز به عنوان مهم ترين عامل هدررفت آب در حوزه داشته باشد بنابراين جهت مديريت منابع آب حوزههاي آبخيز و تخمين بيلان آبي حوزه استفاده از اين الگوريتم پيشنهاد ميشود.
واژههاي کليدي: تصاوير موديس ، ريزمقياس نمايي، سنجش از دور، حوزه آبخيز تويسرکان
مقدمه
پديده تبخير يک پديده منطقه اي است و نه نقطه اي و با توجه به تغييرات مکاني عوامل دخيل در تبخير اعم از سطح تبخيرکننده و عوامل محيطي مؤثر بر آن، در برآورد مقدار تبخير يا تبخير و تعرق بايستي اقدام به مدلسازي توزيعي آن در مکان نمود. اقليم يک ناحيه شامل اتمسفر، سطح زمين و پوشش آن، موجوديت توده آبهاي سطحي و مقادير انرژي خورشيدي دريافتي؛ داراي چنان پيچيدگي و پويايي است که درک کامل آن در گرو اين مدلهاي منطقه اي و بعضا مدلسازيهاي بسيار پيچيده ميباشد. از آنجا که در سطوح وسيع امکان تهيه اطلاعات مورد نياز مدلها از برداشت هاي زميني به سادگي ميسر نيست ، از فنون سنجش از دور در اين ارتباط بهرهگيري ميشود. يکي از اولين اقدامات گسترده در زمينه به کارگيري سنجش از دور در مباحث مربوط به علم هيدرولوژي، سلسله مطالعات چرخه آب و انرژي کره زمين ميباشد. از طرفي يکي از مهم ترين منابع هدررفت آب در حوزهها است و از مهم ترين اجزاي بيلان آب در حوزههاي آبخيز، تبخير و تعرق ميباشد.
بنابراين استفاده از الگوريتم توازن انرژي که ميتواند به صورت نقشه وضعيت تبخير و تعرق واقعي حوزه را نمايش دهد، يکي از راهکارهاي کاربردي به ويژه در برآورد بيلان آب حوزههاي آبخيز به حساب ميآيد.
در ارتباط با استفاده از الگوريتم توازن انرژي سبال در برآورد تبخير و تعرق واقعي در داخل و خارج کشور پژوهش هاي متنوعي انجام شده است که در ادامه به برخي از آنها اشاره ميشود. طي پژوهشي که رحيميان و پورمحمدي (٢٠١٢) انجام دادند به بررسي برآورد تبخير و تعرق واقعي گندم تحت تنش شوري پرداختند. در اين پژوهش از الگوريتم توازن انرژي براي زمين (سبال) جهت برآورد تبخير و تعرق واقعي استفاده گرديد. تبخير و تعرق واقعي به صورت روزانه و فصلي در سال زراعي ٨٦-٨٧ محاسبه گرديد.
ارزيابي نتايج از طريق فرمول عملکرد محصول نشان داد که الگوريتم سبال با دقت بالايي در برآورد تبخير و تعرق واقعي در شرايط تنش را دارا ميباشد (٩) در پژوهشي که بورچارد و همکاران (٢٠١٢) انجام دادند از الگوريتم توازن انرژي براي زمين (سبال) جهت برآورد تبخير و تعرق واقعي در حوزه آبخيزي در کنيا در آفريقا استفاده کردند. در اين پژوهش از باندهاي حرارتي ١٤ تصوير ماهوارهاي استر استفاده شد. نتايج نشان از تغييرات شديد تبخير و تعرق واقعي در سرتاسر حوزه داشت به طوريکه تبخير و تعرق در اين حوزه از ٤٥٠ ميليمتر در سال در شمال حوزه آبخيز تا ٢٠٠٠ ميليمتر در سال در آن ديده ميشد (٣). در پژوهشي که توسط دستوراني و همکاران (٢٠١٢) در ارتباط با برآورد تبخير و تعرق واقعي باغات پسته اردکان صورت گرفت از الگوريتم توازن انرژي براي زمين (سبال) استفاده شد. در اين پژوهش از ١٢ تصوير ماهوارهاي موديس در فصل رشد پسته از فرودين تا مهر ١٣٨٦ استفاده شد. نتايج اين پژوهش نشان داد که نياز آبي برآورد شده براي پشته با استفاده از الگوريتم سبال در قياس با نياز آبي پيشنهاد شده توسط منابع معتبر مثل فائو و نت وات نزديک ميباشد (٥). تانگ و همکاران (٢٠١٣) به بررسي تأثير مکاني پيکسل هاي سرد و گرم در الگوريتم سبال پرداختند.
در اين پژوهش از ٢٣ تصوير موديس از ژانويه ٢٠١٠ تا اکتبر ٢٠١١ استفاده شد. نتايج اين پژوهش نشان داد که زماني که پيسکل هاي سرد و گرم در طول زمان مورد بررسي بر روي تصاوير ثابت باشند بزرگ و کوچک بودن پيکسل ها بر روي شار گرمايي محسوس تأثير چنداني نخواهد داشت . در پژوهش که توسط ساري و همکاران (٢٠١٣) صورت گرفت به تعيين ميزان آب مصرفي گياه برنج در منطقه اي در جاوا پرداختند. در اين پژوهش از الگوريتم سبال براي تعيين تبخير و تعرق واقعي برنج استفاده شد اين پژوهش در سال خشک ٢٠٠٤ در طول فصل رشد انجام گرفت . نتايج نشان داد که ميانگين تبخير و تعرق واقعي برنج ٢٤٧ ميليمتر در طول فصل با انحراف معيار ٤٤.٧± ميباشد (١٣). در پژوهشي که توسط پورمحمدي و همکاران (٢٠١٠) و دستوراني و پورمحمدي (٢٠١٢) انجام شد به بررسي بيلان آبي حوزه آبخيز خشک و کوهستاني منشاد پرداختند.
جهت تعيين برآورد تبخير و تعرق واقعي حوزه از الگوريتم سبال و ١٥ تصوير ماهوارهاي موديس در طول سال آبي ١٣٨٧-١٣٨٦ استفاده نمودند نتايج پژوهش نشان از دقت ٨٥ درصدي الگوريتم توازن انرژي سبال جهت برآورد تبخير و تعرق واقعي حوزه آبخيز را نشان داد (٦). در پژوهشي که در ناحيه اي در کشور قزاقستان صورت گرفت ، کلوزوف و همکاران (٢٠٠٦) نشان داند که طول ابوخوف در به دست آوردن جز شار گرمايي محسوس در محاسبه تبخير و تعرق واقعي به روش الگوريتم سبال نقش اساسي و بنيادي دارد و با ارائه فرمولي از طول مانين ابوخوف بيان ميدارد که اين فرمول درتشکيل لوپ (فرآيند چرخه اي محاسبه شار گرمايي محسوس) ميتواند در پيدا کردن ساير مجهولات کمک کند. در اين پژوهش تبخير و تعرق گياه پنبه در يک دوره زماني کوتاه محصول دهي يعني ماههاي آگوست ، ژولاي و سپتامبر اندازهگيري شد (٧). در پژوهشي که در منطقه نيمه بياباني برزيل توسط تکسيرا و همکاران (٢٠٠٩) صورت گرفت تمامي پارامترهاي اندازهگيري شده مورد استفاده در الگوريتم سبال در ٤ منطقه و
٧ ايستگاه اقليمي شامل : آلبيدو سطحي، دماي سطحي، انعکاس اتمسفري و سطحي، شار گرمايي زمين ، زبري سطح ، تابش خالص ، گراديان دماي هوا، شار گرمايي محسوس و جزء تبخيري کاليبره شدند. سپس تبخير و تعرق روزانه براي زمين هاي کشاورزي مخلوط و اکوسيستم هاي طبيعي محاسبه گرديد. در اين پژوهش ضرايب در الگوريتم سبال با توجه به شرايط محلي توسعه داده شدند که اين عمل منجر به تعيين اثرات توسعه کشاورزي آبي بر روي بيلان آبي منطقه اي همچنين کارايي مصرف آب در بخش محصولات باغي آبي که بزرگترين مصرفکننده آب در منطقه نيمه خشک برزيل ميباشد به صورت کمي تعيين شد.
به اين منظور از ١٠ تصوير بين سالهاي ٢٠٠١ تا ٢٠٠٧ جهت تعيين تبخير و تعرق از گياه انگور، انبه و پوشش طبيعي استفاده شد (١٥). در مقاله اي که توسط باستين سن و همکاران (٢٠٠٥) ارائه شده است بيان ميدارد که سبال تاکنون در بيش تر از ٣٠ کشور به طور کاربردي استفاده شده است و طي ١٠ سال ٢٦ پژوهش در دست انجام بوده که ١٧ تاي آن به پايان رسيده است . وي در اين پژوهش به مطالعه الگوريتم سبال در دو مقياس مزرعه اي و حوزه پرداخته و نتايج اين پژوهش بيان ميدارد که به طور روزانه دقت اين روش که از مقايسه مقاير اندازهگيري شده و نتايج الگوريتم سبال حاصل شد، براي مزرعه ٨٥% و در پايه فصلي تا ٩٥% ميباشد و در مقياس حوزه دقت اين الگوريتم تا ٩٦% هم ميرسد. در اين پژوهش از الگوريتم سبال جهت برآورد تبخير و تعرق واقعي در دو شرايط خاک خشک و پوشش گياهي استفاده نموده است (٢). در پژوهشي ديگر که توسط والنتين و همکاران (٢٠٠٧) انجام شد از سنسورها و مدلهاي چندگانه جهت مطالعه بيلان آبي و بيلان انرژي بر روي گندم زمستانه در شمالشرق آلمان انجام دادند.
براي آناليز بيلان انرژي از نسبت بوون استفاده شد و رطوبت پروفيل خاک در اعماق مختلف اندازهگيري شد. در نهايت نتيجه گرفتند که ميزان تبخير وتعرق گندم زمستانه با رطوبت خاک همبستگي مناسبي ندارد (١٦). در پژوهشي که توسط روماس و همکاران (٢٠٠٨) در دره ابرو در اسپانيا صورت گرفت تبخير و تعرق واقعي محاسبه شده از مدل سبال در طي ٤ سال با تبخير و تعرق واقعي محاسبه شده توسط معادله پنمن مانتيث مقايسه شد. به اين منظوراز دو گياه مرجع چمن و ذرت استفاده شد و خطاي مربوط به مدل سبال در مورد ذرت يک ميليمتر در روز و براي گياه چمن ٠.٣ ميليمتر در روز بود (١٢). ژونگ پينگ و همکاران (٢٠١١) نيز با استفاده از تصاوير ماهوارهاي لندست و آلگوريتم سبال اقدام به تعيين تبخير و تعرق کاربريهاي مختلف اراضي نظير سطوح آبي و باتلاقي، اراضي کشاورزي، چمن زار، اراضي روستايي، شهري و اراضي باير در اطراف درياچه نانسي در چين نمودهاند (١٨). آنها نتايج اين روش را رضايت بخش اعلام کردهاند. به طور مشابه ، پژوهشي توسط يانگ و همکاران (٢٠١٢) در منطقه هتائو در شمال چين انجام شد و به کمک تصاوير ماهوارهاي موديس و آلگوريتم سبال، تبخير و تعرق کاربريهاي مختلف اراضي در يک بازه زماني ده ساله محاسبه گرديد. نتايج نشان داد که تبخير و تعرق واقعي مناطق با کاربري کشاورزي در طي ١٠ سال افزايش يافته است (١٧). کونگو و همکاران (٢٠١٢) نيز از ٢٨ تصوير ماهوارهاي موديس استفاده کردند و تبخير و تعرق کاربري هاي مختلف اراضي بالادست حوضه رودخانه توکلا در آفريقا را به کمک سبال محاسبه نمودند. آنها با کمک دستگاه سنتيلومتر نتايج کار خود را مثبت ارزيابي کردهاند (١٤). همچنين کارمالري و همکاران (٢٠١٢) در تعيين تبخير و تعرق غلات با کمک چهار تصوير ماهوارهاي موديس از ديگر نمونه هاي استفاده از سبال در نقاط مختلف دنيا است نتايج اين پژوهش نيز دقت بالاي الگوريتم سبال در برآرود تبخير و تعرق واقعي را نشان داد (٤). نکته قابل توجه آنکه با توجه به اين که حوزههاي آبخيز داراي بخش هاي کوهستاني ميباشند بنابراين استفاده از نسخه معمولي الگوريتم سبال که بيش تر براي اراضي زراعي مسطح و مزارع و باغات استفاده ميشود، نميتواند نتايج مناسبي جهت برآورد تبخير و تعرق واقعي حوزههاي آبخيز داشته باشد. بنابراين بايد از نسخه سبال کوهستاني جهت برآورد تبخير و تعرق واقعي در حوزههاي آبخيز استفاده شود. بنابراين هدف از پژوهش حاضر برآورد تبخير و تعرق واقعي حوزه آبخيز سرد و کوهستاني تويسرکان با استفاده از نسخه الگوريتم سبال کوهستاني ميباشد.
مواد و روشها
معرفي منطقه مطالعاتي: اين پژوهش در حوزه آبخيز تويسرکان در استان همدان در غرب کشور ايران انجام شده است . حوزه آبخيز تويسرکان به وسعت ٧٩١.٩٠ کيلومترمربع ميباشد، که ٢٠.٧ درصد از حوزه آبخيز را دشت تويسرکان با مساحت ١٦٤.٤٦ کيلومترمربع تشکيل ميدهد. اين حوزه آبخيز داراي کاربري اراضي متعدد ميباشد و بخش اصلي حوزه را مناطق کشاورزي آبي و ديم تشکيل ميدهد يعني ٢٤ درصد از حوزه آبخيز داراي اراضي ديم و آبي ميباشد. در شکل ١ شماي کلي حوزه آبخيز تويسرکان بر روي نقشه استان همدان نشان داده شده است .
در جدول ١ ويژگيهاي سطح زير کشت شهرستان تويسرکان شرح داده شده است . با توجه به جدول موجود، سطح راضي آيش اين شهرستان ١١٧٠٠ هکتار، سطح زير کشت محصولات سالانه و دائمي ٣٨٢٧٤١ هکتار و وسعت مراتع اين مناطق ٧٩٨١٤ هکتار ميباشد. از ميان محصولات متنوعي که در اين شهرستان کشت ميشود محصول زراعي جو با سطح زير کشت ١٧٥٥٨ هکتار گياه غالب زراعي و محصول باغي گردو با سطح زير کشت ٥٤٩٩ هکتار گياه غالب باغي در حوزه آبخيز تويسرکان ميباشد. از آنجايي که حوزه آبخيز تويسرکان جزئي از شهرستان تويسرکان به حساب ميآيد بنابراين از اطلاعات شهرستان براي حوزه آبخيز تويسرکان استفاده شد.
روش پژوهش : در اين پژوهش از سه نوع داده اوليه جهت انجام الگوريتم سبال استفاده شد که شامل : دادههاي اقليمي ايستگاه سينوپتيک تويسرکان، ٢٧ تصوير ماهوارهاي موديس و ٣ تصوير ماهوارهاي لندست و اطلاعات جانبي از ويژگيهاي گياهان کشت شده و کاربري اراضي و... استفاده شد. اين پژوهش مربوط به سال آبي ٨٨-١٣٨٧ و در حوزه سرد و کوهستاني تويسرکان همدان انجام شد. در اين پژوهش از نسخه کوهستاني الگوريتم سبال استفاده شد و با استفاده از نقشه کاربري اراضي، تبخير و تعرق واقعي براي هر کاربري ارائه شد. سپس با استفاده از تصاوير ماهوارهاي لندست در فصول مختلف سال به ريزمقياس نمايي تصاوير ماهوارهاي موديس پرداخته شد. در نهايت با استفاده از نياز آبي گياهان غالب در منطقه مطالعاتي (ارائه شده توسط سند ملي آبياري) به ارزيابي نتايج تبخير و تعرق واقعي حاصل الگوريتم سبال پرداخته شد. در شکل ١ نمايي از مراحل انجام پژوهش مشاهده ميشود.
جدول ٢ ويژگيهاي تصاوير استفاده شده در اين پژوهش را نشان ميدهد. همانطور که مشاهده ميشود، در اين پژوهش از ٢٧ تصوير ماهوارهاي موديس استفاده شده و سعي گرديده است که هر ١٠ روز يک تصوير ماهوارهاي براي تعيين تبخير و تعرق واقعي استفاده شود. بايد توجه شود که در اواخر پاييز، فصل زمستان و اوايل بهار به علت ابري بودن و برفي بودن منطقه تهيه تصوير با فواصل ١٠ روزه مقدور نبود. و از سه تصوير لندست شامل روزهاي ١٥٠، ٢١٤ و ٢٧٠ ژوليوسي استفاده شد (از تصوير ٢٨ تا ٣٠ موجود در جدول ٢).
معرفي الگوريتم سبال (نسخه کوهستاني): الگوريتم سبال تخمين صحيحي از تبخير و تعرق در اراضي کشاورزي نسبتا مسطح ارائه ميدهد. براي استفاده از اين الگوريتم در مناطق کوهستاني که داراي پستي و بلنديهاي زياد همراه با تنوع در شيب و جهت شيب ميباشد مدل سبال کوهستاني توسعه يافت . مدل سبال کوهستاني اصلاحاتي را بر اساس شيب ، جهت شيب و ارتفاع انجام داده است . در نيم کره شمالي تششع خورشيدي ٢٤ ساعته (روزانه ) به طور عمومي در شيب هاي جنوبي نسبت به شيب هاي شمالي بسيار بزرگتر ميباشد. چنانچه تصحيحاتي براي شيب ، جهت شيب و ارتفاع صورت نگيرد، مقادير تبخير و تعرق واقعي محاسبه شده در شيب هاي شمالي و مناطق مرتفع بسيار زيادتر خواهد بود چرا که سبال به طور ناصحيح دماي سطح را پيش بيني نموده و حتي به عنوان مناطق مرطوب شناسايي خواهد کرد. اين در حاليست که دماي سردتر (دماي کم تر) ثبت شده در
شيب هاي شمالي و مناطق مرتفع به دليل رطوبت اين مناطق نبوده بلکه به دليل افت دماي ناشي از افزايش ارتفاع و نرسيدن نورخورشيد به دليل جهت شيب اين مناطق بوده است . پيش بيني جريان هوا و سرعت باد در مناطق کوهستاني با مشکلاتي همراه است . دلايل اين امر به سقوط هواي سرد ناشي از عوامل فيزيکي جو، افزايش جريان هواي عبوري از بين کوهها به واسطه اثرات ونتوري و اثرات کشش هوا به واسطه توپوگرافي مواج ميباشد که همه اين عوامل منجر ميشوند تا پيش بيني سرعت باد بسيار مشکل و پيچيده شود. توضيحات زير به منظور انجام اصلاحاتي بر روي مدل سبال مسطح ارائه شده است که در مناطق کوهستاني قابل استفاده ميباشد (آلن و همکاران، ٢٠٠٢).
الف ) براي تهيه دادههاي ارتفاعي به مدل رقومي ارتفاعات (DEM) نياز است . واحد اين نقشه بر حسب متر و اندازه پيسکل آن معادل اندازه پيسکل دادههاي ماهوارهاي بايد باشد. در اين مرحله برشي از نقشه DEM که منطقه مطالعاتي را پوشش ميدهد تهيه خواهد شد.
ب) نقشه هاي شيب و جهت شيب : مدل کوهستاني سبال براي انجام محاسبات به اطلاعات شيب و جهت شيب نياز دارد. اين اطلاعات از طريق نقشه مدل رقومي ارتفاعات استخراج ميشود.
ج) محاسبه کوسينوس زاويه برخورد امواج خورشيد به زمين (کوسينوس تتا): زاويه برخورد تششعات خورشيد زاويه اي است که شعاع خورشيد با خط عمود بر سطح زمين ميسازد. در مدل مسطح سبال فرض بر اين است که سطح زمين کاملا افقي است و بنابراين محاسبه کوسينوس تتا بسيار ساده بوده و در سطح تمامي منطقه مطالعاتي ثابت ميباشد. اين در حالي است که در مدل کوهستاني سبال کوسينوس تتا براي هر پيکسل متفاوت بوده و وابسته به شيب و جهت شيب زمين در آن نقطه است . سبال رابطه ١ را براي محاسبه کوسينوس تتا استفاده مينمايد:
که در آن، دلتا (δ) ميزان انحراف زمين و بر حسب راديان بوده (در نيمکره شمالي و در تابستان عدد مثبتي است ). مقدار في (φ) عرض جغرافيايي هر پيکسل بر حسب راديان (در نيمکره شمالي مثبت است )، S شيب بر حسب راديان است که در حالت افقي
