بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
برآوردتبخیروتعرقدرحوضة آبخیز طالقان با استفاده از تصاویرMODIS و مدل SEBAL
چکیده
استفاده نامطلوب و بی رویه از منابع آب و همچنین آلودگی منابع آب در اثر ورود آلاینده ها چالش های عمده ای را برای تأمین آب ایجاد کرده است. در این زمینه فرایند تبخیر و تعرق در برنامهریزی آبیاری، آبخیزداری، محاسبات بیلان آب، و تخمین میزان رواناب از اهمیت ویژه ای برخوردار است. با توجه به محدودیت ایستگاه هواشناسی و هزینه زیاد جمع آوری اطلاعات زمینی، کاربرد تصاویر سنجش از دور بر اساس الگوریتم های متعدد ابزاری مناسب برای تهیه نقشه مکانی و زمانی تبخیر و تعرق و، در نتیجه، مدیریت منابع آب در مقیاس حوضه آبخیز است. الگوریتم توازن انرژی سطحی برای زمین (SEBAL) روشی جدید است که از آن در برآورد تبخیر و تعرق با کاربردِ تصاویر ماهواره ای در برخی از مناطق مسطّح دنیا استفاده می شود. در این تحقیق، به منظور بررسی کارایی روش اصلاحشده سبال در محاسبه تبخیر و تعرق در مناطق کوهستانی، با استفاده از تصاویر ماهواره ای MODIS، تبخیر و تعرق در حوضه آبخیز طالقان طی 22 روز در سال 1385 بررسی شد. نتایج نشان داد مقادیر برآوردی و اندازه گیریشدهْ از همبستگی بالا (0/88) برخوردارند. بدین ترتیب، تصاویر سنجنده MODIS و مدل سبال قادرند تبخیر و تعرق واقعی روزانه را در حوضه آبخیز طالقان بهخوبی برآورد کنند. بنابراین، این مدل را می توان پس از اعتبارسنجی در مناطقی با اقلیم متفاوت برای تحقیقات بیلان آبی و اجرای طرح های آبیاری در مناطق مختلف با توپوگرافی متنوع پیشنهاد کرد.
واژگان کلیدی: الگوریتم توازن انرژی سطحی برای زمین (سبال)، تبخیر و تعرق، تصاویر سنجنده MODIS، سنجش از دور.
مقدمه
در سال های اخیر استفاده نامطلوب و بی رویه از منابع آب و همچنین آلودگی منابع آب در اثر ورود فاضلاب های صنعتی، بخش کشاورزی کشور را با چالش های عمده ای در جهت تأمین آب مورد نیاز مواجه ساخته است. از مجموع 165 میلیون هکتار اراضی کشور حدود 37 میلیون هکتار برای کشاورزی مناسب است، اما به دلیل محدودیت منابع آب حدود 7/8 میلیون هکتار از این اراضی به صورت فاریاب و 6/2 میلیون هکتار به صورت دیم زیر کشت محصولات زراعی قرار می گیرد و 4/5 میلیون هکتار دیگر به صورت آیش است .[1] ترکیب دو فرایند جداگانه تبخیر آب از سطح زمین و تعرق پوشش های گیاهی، تبخیر و تعرق را تشکیل میدهد. تواناییِ پیش بینی و برآورد تبخیر و تعرق می تواند برای مدیران منابع آبی کشور و توسعه برنامههای کشاورزی و وضع قوانین مصرف آب و مطالعات هیدرولوژیکی رودخانه ها مفید باشد.
اندازه گیری تبخیر و تعرق در یک نقطه با استفاده از روش هایی با دقت مناسب، مانند توزین، امکان پذیر است، اما این روش ها برای مناطق وسیع تر کاربردی نیست. این محدودیت باعث کاربردِ دادههای ماهواره ای برای تعیین تبخیر و تعرق در سطوح وسیع شده است .[10] یکی از الگوریتم هایی که به آن برای برآورد تبخیر و تعرق با استفاده از تصاویر ماهوارهای بسیار توجه شده است الگوریتم توازن انرژی سطحی برای زمینSEBAL 1 است 4]، 5، SEBAL .[6 از دمای سطحی، انعکاس سطحی، شاخص تفاضل نرمال شده گیاهی NDVI، و روابط درونی آن ها برای برآورد شارهای سطحی در انواع پوشش های سطحی زمین استفاده می کند. در تحقیقی با برآورد تبخیر و تعرق واقعی در منطقه مشهد با استفاده از تصاویر سنجنده MODIS اثبات شد که الگوریتم سبال قادر است مقدار تبخیر و تعرق واقعی را در مقیاس روزانه به خوبی برآورد کند .[20] با استفاده از الگوریتم سبال بر اساس تصاویر سنجنده MODIS مقدار تبخیر و تعرق در مقیاس یک مزرعه در استان گلستان برآورد شد. نتایج نشان داد برآورد مقادیر آلبیدوی سطحی با استفاده از روش نو دارای دقت بیشتری است .[15] با استفاده از تصاویر ماهواره ای NOAA و بر اساس روش سبال تبخیر و تعرق در اصفهان برآورد و از نتایج آن در پایش اجرای آبیاری استفاده شد و، در نهایت، نتایج در مقایسه با روش های سنتی معتبرتر معرفی شد .[1]
در تحقیقی با استفاده از تصاویر ماهواره ای و بر اساس روش سبال تبخیر و تعرق در فلات لسی چین برآورد شد و با مقایسه مقادیر اندازه گیری مستقیم نتایج قابل اعتماد معرفی شد .[11] در تحقیقی دیگر با استفاده از تصاویر ماهواره ای لندست و به کارگیری روش سبال، تبخیر و تعرق برآورد و نتایج آن در مدل مدیریت آب در اراضی کشاورزی استفاده شد .[11] با استفاده از تصاویر ماهواره ای NOAA و بر اساس روش سبال تبخیر و تعرق در ایالات متحده آمریکا ارزیابی و نتیجه گیری شد که از نتایج این تحقیق می توان در مدل های هیدرولوژیک و ارزیابی تغییر اقلیم استفاده کرد .[13] با استفاده از تصاویر ماهواره ای NOAA و بر اساس روش سبال تغییرات مکانی تبخیر و رطوبت ذخیره خاک در حوضه نیل
(SEBAL) برآورد و نتیجه گیری شد که مقادیر برآوردی در مدل سازی منطقه ای پارامترهای مدل های اقلیمی مفید است .[16] با استفاده از تصاویر ماهواره ای لندست و بر اساس روش سبال تبخیر و تعرق به صورت منطقهای در چین برآورد شد .[21] با استفاده از تصاویر ماهواره ای و بر اساس روش سبال تبخیر و تعرق در شمال چین در مقیاس حوضه آبخیز برآورد شد. نتایج اعتبارسنجی با استفاده از بیلان آبی نشان داد این روش دارای دقت زیادی است .[12]
بر اساس بررسی منابع، کشورهای مختلفی مانند چین، ترکیه، مصر، آمریکا، و ایران درباره روش سبال به تحقیق پرداختهاند و از نتایج خروجی آن در مدل های مختلف هیدرولوژیک و مدیریت منابع آب استفاده شده است. با وجود این، تحقیقات اندکی درباره بررسی کارایی آن در ایران، به ویژه در مناطق کوهستانی، با توپوگرافی شدید وجود دارد. بنابراین، هدف از این مطالعه بررسی میزان دقت روش سبال در برآورد تبخیر و تعرق با استفاده از تصاویر ماهوارهای در برآورد تبخیر و تعرق در مناطق کوهستانی است.
مواد و روشها ویژگیهای منطقه مطالعاتی
حوضه آبخیز طالقان، که یکی از زیرحوضههای حوضه آبخیز سفیدرود بهشمار می رود، در دامنه جنوبی رشتهکوههای البرز و در بخش شمال شرقی تهران واقع شده است و 90 کیلومتر با آن فاصله دارد. این حوضه از شمال به حوضه آبخیز الموت، از جنوب به زیاران و صمغآباد، از شرق به بخشی از حوضه آبخیز کرج، و از غرب به حوضه آبخیز شاهرود محدود می شود. وسعت منطقه مورد مطالعه 80428/82 هکتار و محیط آن 151/3 کیلومتر است که بین عرضهای شمالی 17/45، 5، 36° تا 45/93، 20، 36° و طولهای شرقی 33/39، 39، 50° تا 26/5، 11، 51° واقع شده است (شکل .(1
توزیع شیب حوضه بر اساس چهار کلاس با استفاده از سیستم اطلاعات جغرافیایی (GIS) تعیین شد که طبقه شیب >40% با مساحت 39706/7 هکتار یا 49/4 درصد بیشترین و طبقه شیب 0 10 درصد با مساحت 6284/5 هکتار یا 7/82 درصد کمترین پراکنش را در سطح حوضه دارند. شیب متوسط وزنی کل حوضه برابر با 41/76 درصد است.
توده های هوایی که منطقه طالقان را تحت تأثیر قرار میدهند در زمستانها مدیترانه ای از غرب، قطبی بری و بری شمال از قطاع شمالی، و قطبی دریایی از جهت شمال غربی است. در تابستانها توده هوای غالب جنب حاره ای است که همه ایران را تحت تأثیر خود قرار میدهد و منشأ آن کویر یا صحرای عربستان و حتی نوع تغییریافته اروپای مرکزی است. گاهی نیز غلبه توده هوای تروپیکال دریایی (گرم و مرطوب) از جهت های شمال غرب (نفوذ جریان خزری) یا از سمت جنوب شرق (ادامه جریان موسمی) نیز در تابستان گزارش شده است. از نظر منشأ بارندگی، در حوضه آبخیز طالقان دو منشأ متفاوت را می توان برای بارشها درنظر گرفت: یکی، آن عده از سیستم هایی که موجب ریزش های جوی می شوند و از بخش غربی به کشور وارد می شوند و موجب بارندگیهای فلات ایران می شوند و فعالیت آنها معمولاً در فاصله ماههای شهریور تا اواسط اردیبهشت محدود می شود؛ و دیگری، بخشی از بارندگیهای سواحل خزر و ارتفاعات دامنه های البرز که متأثر از توده های هوا بر بستر خزر و پدیدههای اوروگرافیک وابسته به آن است.
سنجنده MODIS
سنجنده MODIS از ماهواره TERRA دارای 36 باند 16) باند حرارتی و 20 باند انعکاسی) با محدوده طیفی باندها 0/4 تا 14/4 میکرومتر است. دقت آشکارسازهای حرارتی در حد 0/3 تا 0/5 کلوین و محدوده کاری آنها عمدتاً 268 درجه کلوین است. قدرت تفکیک مکانی باندهای 1 و 2، 250 متر، باندهای 3 تا 7، 500 متر، و سایر باندها 1000 متر است. در این مطالعه از 22 تصویر مربوط به 22 روز مختلف استفاده شد (جدول .(1
مدل SEBAL
در این تحقیق از چارچوب مدل الگوریتم توازن انرژی سطحی زمین (سبال) [5] در برآورد تبخیر و تعرق واقعی استفاده شد (شکل .(2
این مدل از سنجش از دور برای تعیین درجه حرارت سطحی به عنوان برآورد شارهای لحظه ای تابش خالص (Rn)، گرمای خاک (G)، گرمای نهان ( ET )، و گرمای محسوس (H) بر حسب (W/m2) استفاده می نماید. تبخیر و تعرق روزانه (ET24) بر حسب میلی متر بر روز از فرمول 1 محاسبه خواهد شد.
که A کسر تبخیر ( میلی متر بر روز ) ، گرمای نهان تبخیر (J/kg)، Rn24 متوسط شار تابش خالص 24 ساعته، و G24 شار گرمای خاک روزانه را نشان میدهد.
شار گرمای نهان ( ( ET میزان تلفات گرما از سطح به علت تبخیر و تعرق را نشان می دهد که برای هر پیکسل با توجه به رابطه 2 محاسبه میشود.
که ET مقدار لحظه ای شار گرمای نهان برای زمان گذر ماهواره بر حسب W/m2 است و Rn، G، و H به ترتیب شارهای لحظه ای تابش خالص، گرمای خاک، وگرمای محسوس بر حسب W/m2 است.
مقدار لحظه ای تبخیر و تعرق ETinst به صورت رابطه 3 محاسبه میشود .[18]
که ETinst تبخیر و تعرق لحظه ای گرمای نهان تبخیر یا میزان گرمای جذبشده موقعی که یک کیلوگرم آب بخار می شود (J/kg)، و عدد 3600 برای تبدیل زمان از ثانیه به ساعت است.
کسر برای نیمه روز با استفاده از معادله تجربی 4 محاسبه میشود .[3]
که Ts دمای سطحی (C)، آلبیدوی سطحی، و NDVI شاخص تفاضل نرمال شده گیاهی است. NDVI شاخصی است که به وضعیت و تراکم پوشش گیاهی حساسیت دارد و از رابطه 5 به دست میآید:
که R انعکاس در باند قرمز و R' انعکاس در باند مادون قرمز نزدیک است.
ارزیابی شار گرمای خاک مشکل است و باید در محاسبه آن دقت شود. مقادیر G به دست آمده باید با اندازه گیری های زمینی چک شوند. در سبال، نسبت برای آب صاف و عمیق و برف برابر 0/5 است.
در صورتی که نقشه کاربری در اختیار نباشد، میتوان با استفاده از NDVI و آلبیدوی سطحی به دست آمده و توسط فرمول اصلاح شده آلن [2] نیز به صورت رابطه 6 عمل کرد .[3]
که a و b ثابتهای همبستگی اند که از پلات بین ln(zom) و کسر NDVI/ برای دو پیکسل یا بیشتر، که معرف انواع پوشش گیاهی منطقه باشند، به دست میآید.
در سبال برای بهدستآوردن dT در هر پیکسل نخست باید این پارامتر را برای پیکسل های سرد و گرم بهدست آورد، سپس، با ایجاد رابطه خطی بین این دو پیسکل، مقدار dT را برای سایر پیکسلها بهدست آورد. با استفاده از روابط زیر روابط 7، 8، 9، 10، 11، و (12 میتوان dT و Tom پیکسل را بهدست آورد .[18]
که dT و Tair بهترتیب اختلاف دمای هوای نزدیک سطح و دمای هوا برای هر پیکسل است.
رابطه 10در زمانی که پیکسل گرم کاملاً خشک است صحیح است، اما در حالتی که قبل از زمان تصویر بارندگی داشته باشیم، در آن صورت پیکسل گرم بسته به میزان بارندگی دارای تبخیر خواهد بود؛ در این حالت رابطه 10 به صورت رابطه 13 تغییر مییابد :[18]
در حالت کلی، در صورتی که میزان بارندگی در طی 5 روز قبل از تصویر بیشتر از 15 میلی متر باشد، میزان ET از خاک بدون پوشش برابر 0/8 ETr، ETr 0/5، 0/3 ETr ، 0/2 ETr، و 0/1 ETr به ترتیب برای 1، 2، 3، 4، و 5 روز قبل از زمان تصویر است .[18]
برای پیکسل سرد مقدار تبخیر و تعرق برابر ETr 1/05 درنظر گرفته میشود. بر اساس تجارب بهدستآمده در ایالت آیداهو، مقدار ET در پیکسل سرد حدود 5 درصد بیشتر از ET گیاه مرجع (ETr) است که دلیلکاربردِ مقدار 1/05 در رابطه 9 بدین علت است.
مقدار تصحیحشده چگالی هوا air با استفاده از دمای هوای بهدست آمده برای هر پیکسل Tair بهدست می آید. بعد از بهدستآوردن مقدار اولیه شار گرمای محسوس برای هر پیکسل، شرط پایداری با محاسبه طول پایداری مانین- ابوخوف (L) را بررسی می کنیم و مقادیر تصحیحشده سرعت اصطکاک (u*) و مقاومت آئرودینامیکی (roh) را با استفاده از روابط 14 و15 بهدست میآوریم :[18]
که تصحیح پایداری برای انتقال تکانه در ارتفاع 200 متر و بهترتیب تصحیحات پایداری برای انتقال گرما در 2 متر و یک متر هستند. که در این مرحله اولین تکرار انجام شده است. با جایگزینی rah تصحیحشده در رابطههای 7 و 8 مقدار تصحیح شده dT به دست می آید و تکرار بعدی شروع میشود. این فرایندِ چرخه ای برای محاسبه H تا زمانی که مقدار dT ثابت شود ادامه مییابد.
همه مراحل در روابط 1 تا 15 با استفاده از فرایند مدلسازی برنامه ERDAS imagine در همه 22 تصویر از 22 روز در منطقه مطالعاتی انجام شد. جزئیات و الگوریتم های مدل ها در برخی مطالعات 17]، [18 ارائه شده است. در نهایت، نتایج حاصل از مدل SEBAL با مقادیر اندازه گیری شده با لایسیمتر ایستگاه آموزشی دانشکده منابع طبیعی دانشگاه تهران در حوضه طالقان مقایسه شد.
نتایج تصحیح شیب، جهت، و ارتفاع
با استفاده از مدل رقومی (به منظور کاربرد سبال در مناطق کوهستانی) نقشه شیب و جهت استخراج شد و نقشه های سینوس و کسینوس شیب و جهت تهیه شد و در نهایت با استفاده از این نقشه ها کسینوس زاویه تابش خورشید تهیه گردید. شکل 3 نقشه کسینوس زاویه تابش خورشید را در منطقه مطالعاتی نشان می دهد. از نقشه کسینوس زاویه تابش خورشید برای تهیه نقشه آلبیدوی سطحی استفاده شد.
شاخص تفاضل نرمالشده گیاهی (NDVI)
NDVI شاخصی است که به وضعیت و تراکم پوشش گیاهی حساسیت دارد. با استفاده از رابطه 5 نقشه NDVI تهیه شد (شکل .(4 از این نقشه به همراه نقشه آلبیدوی سطحی در تهیه نقشه درجه حرارت سطحی استفاده شد.
