بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
برآورد تبخير و تعرق واقعي با بکارگيري اطلاعات سنجش از دور سنجنده MODIS. مطالعه موردي : شبکه آبياري نکوآباد- حوضه نجف آباد
چکيده
برآورد تبخير و تعرق يکي از پارامترهاي مهم در توازن هيدرولوژيکي ،برنامه ريزي و مديريت منابع آب است . به همين دليل تخمين مقادير تبخير و تعرق در مقياس هاي زماني و مکاني ضروري مي باشد. گرچه محاسبه ي تبخير و تعرق در مقياس هاي کوچک صحرايي و با استفاده از لايسيمترها از دقت بالايي برخوردار است ، اما اين روش ها از لحاظ مکاني داراي محدوديت برآورد نقطه اي مي باشند به اين منظور استفاده از فن آوري سنجش از دور، با توجه به امکان برآورد مکاني اطلاعات مي تواند رويکرد مناسبي جهت پاسخ به اين محدوديت باشد. از مطرح ترين مدل هاي در اين زمينه ، مي توان به الگوريتم SEBAL اشاره کرد. هدف از اين مطالعه ، به دست آوردن تبخير و تعرق واقعي (ETa) با استفاده از الگوريتم SEBAL، در طي سال ٢٠٠٨ ميلادي در شبکه نکوآباد واقع در حوضه آبريز نجف آباد است . بدين منظور، سري زماني تصاوير سنجنده MODIS از ماهواره Terra تهيه و تبخير و تعرق واقعي منطقه به صورت روزانه در سال ٢٠٠٨ ميلادي برآورد گرديد. به منظور مقايسه عملکرد الگوريتم SEBAL، از مقادير تبخير حاصل از تشت تبخير مقايسه شد و به منظور تخمين ضريت تشتک نيز از روش اورنگ استفاده شد. ضريب تعيين بين اين دو سري اطلاعات ٧٦/٥٣ درصد مي باشد. روش SEBAL ميزان تبخير و تعرق واقعي را در منطقه مورد مطالعه ١١٤٣ ميلميتر برآورد کرده است .
کلمات کليدي : تبخير و تعرق واقعي ، سنجش از دور، SEBAL،MODIS
١- مقدمه
محدوديت منابع آب در دسترس از يک سو و مصرف حدود ٩٠% منابع آب موجود در بخش کشاورزي ، افزايش جمعيت و نياز آن ها به مواد غذايي از سوي ديگر، آب را به عنوان يک کالاي اقتصادي باارزش مطرح نموده است . به همين دليل مديريت بهينه مصرف آب در چند دهه گذشته موضوع بحث بسياري از محافل تخصصي گشته ، در همه اين محافل تاکيد بر اين نکته بوده که پايش و ارزيابي کليد موفقيت در اين امر مي باشد. بسياري از شبکه هاي آبياري و زهکشي ساخته شده بر اساس مديريت عرضه و تقاضا عمل کرده و معمولا بدون در نظر گرفتن ميزان آب مورد نياز واقعي ، آب را تحويل مي نمايند. روش هاي مستقيم در اندازه گيري تبخير و تعرق نيازمند هزينه و دقت بالايي مي باشد بدين منظور تخمين ميزان تبخير و تعرق بر مبناي روابط تجربي همواره مورد توجه بوده است . مبناي اکثر روش هاي ارائه شده ، بر پايه روابط بين پارامترهاي هواشناسي مي باشد که کمبود يا نقصان اين داده ها، استفاده از اين روش ها را عملا با محدوديت رو به رو مي کند. از طرفي اين اطلاعات ، نقطه اي و مربوط به ايستگاه هاي هواشناسي است و برآورد منطقه اي آن با استفاده از روش هاي آماري مشکل ديگري است که عدم قطعيت هاي خاص خود را دارد[١]. همچنين تبخير و تعرق کميتي متغير در مکان و زمان است . در بعد مکان به علت تغييرات وسيع مکاني ميزان بارندگي ، رفتار هيدرولوژيک خاک ، وجود انواع پوشش هاي گياهي و تراکم آن ها متغير است . بدين منظور استفاده از تکنيک سنجش از دور و تصاوير ماهواره اي ، مي تواند رويکرد مناسبي جهت پاسخ به اين محدوديت ها باشد.
الگوريتم توازن انرژي سطح (SEBAL١)، يکي از مهم ترين و پرکاربردترين روش هاي مبتني بر توازن شار انرژي براي برآورد تبخير و تعرق واقعي با استفاده از تصاوير ماهواره اي و حداقل داده هاي زميني مورد نياز مي باشد. از آنجا که تصاوير ماهواره اي تنها مي توانند اطلاعاتي در زمان گذر ماهواره ارائه دهند لذا SEBAL مي تواند مقدار شار تبخير و تعرق لحظه اي را در زمان تصوير برآورد نمايد. کارايي مدل SEBAL در تعيين تبخير و تعرق واقعي در نقاط مختلف دنيا از جمله هلند، مصر، اسپانيا، کنيا، آمريکا، فرانسه ، چين ، نيجريه ، ترکيه ، زلاندو، سريلانکا و مراکش به اثبات رسيده و نتايج آن از طريق ابزارها و تکنيک هاي تحقيقاتي و اندازه گيري دقيق از قبيل سنتيلومتر٢، لايسيمترهاي وزني و زهکش دار، نسبت بوون و همبستگي ادي بارها مورد ارزيابي و کنترل قرار گرفته است . اين ارزيابي ها خطاي روش مذکور را به طور متوسط ١٥ درصد و حداکثر تا ٣٠ درصد گزارش نموده اند[٢]. الگوريتم مذکور، توسط باستيانسن و همکاران (١٩٩٨توسعه و ارزيابي شده است که مي تواند تغييرات مکاني پارامترهاي مهم هواشناسي از جمله دما و تبخير و تعرق واقعي را تخمين بزند.. محققين طرح ، جهت ارزيابي الگوريتم ، داده هاي زميني سه ناحيه در اسپانيا، چين و نيجريه را استفاده نمودند. در اين ارزيابي ، ٨٥% موارد ميزان شار سطحي به دست آمده با داده هاي زميني در مقياس مزرعه اي تطابق خوبي داشتند.مطابق با تحقيق صورت گرفته ، ميزان تبخير و تعرق روزانه حاصل از SEBAL قابل استفاده در مقياس بزرگ است و هر چه مقياس بزرگ تر باشد صحت داده هاي به دست آمده بيشتر مي گردد زيرا هر چه مقدار پيکسل همگن زيادتر شود مقدار خطا کاهش پيدا مي کند[٣]و[٤] . باستيانسن و همکاران (٢٠٠٥)، در راستاي مديريت صحيح منابع آب ،عملکرد دقت و صحت الگوريتم SEBAL جهت برآورد مقادير زماني و مکاني تبخير و تعرق واقعي را مورد ارزيابي قرار دارند. در مطالعه موردي رودخانه ياکيما واشنگتن نشان مي دهد که به طور ميانگين در مقياس مزرعه اي صحت داده هاي SEBAL ٨٥ % در مقياس روزانه و در مقياس فصلي به ٩٥% و در مقياس مکاني يک حوضه آبخيز بزرگ به طور سالانه ٩٦% صحت داده قابل قبول مي باشد پس استفاده از الگوريتم SEBAL در مقياس وسيع زماني و مکاني در اين مطالعه توصيه شده است [٤].
موتيگا و همکاران (٢٠٠٩)، به منظور برآورد توزيع مکاني و زماني تبخير و تعرق و پارامترهاي چون آلبدو، دما و NDVI در حوضه ي شمالي Upper Ewaso Ng’iro واقع در کشور کنيا، از الگوريتم تعادل انرژي سطحي (SEBAL) و استفاده از تصاوير سنجنده ي MODIS بهره گرفتند. با مقايسه ي نتايج حاصل با نتايج به دست آمده از روش بيلان آبي در همين دوره ي زماني ، شاهد همبستگي حدود ٧٠% بين خروجي ها بودند[٥].
در کشور ايران نيز مطالعاتي چند در زمينه به کارگيري در تصوير ماهواره اي در برآورد تبخير و تعرق واقعي صورت گرفته است . هر چند پتانسيل ها و قابليت هاي زيادي در مورد کاربرد تکنيک هاي سنجش از دور در ابعاد مختلف تحقيقاتي و اجرايي منابع آب کشور وجود دارد، اما محدوديت ها و چالش هايي نظير عدم دسترسي به داده هاي زميني کافي و دقيق براي واسنجي مدل ها و نيز کمبود دانش تخصصي در زمينه روش هاي نوين سنجش از دور باعث شده تا مطالعات مربوط در کشور از تنوع و تعدد کافي برخوردار نباشند[٦]. باقري (١٣٩٠)، برآورد مؤلفه هاي مختلف بيلان آب شامل تغييرات حجم آبخوان ، تبخير از پيکره هاي آبي ، تبخير و تعرق واقعي و تغييرات رطوبت خاک با استفاده از فن آوري سنجش از دور را هدف تحقيق خود قرار داد. منطقه مطالعاتي حوضه آبريز درياچه اروميه در نظر گرفته شد. بدين منظور تصاوير ماهواره اي MODIS طي دوره آماري ٢٠٠٢ تا ٢٠٠٨ و همچنين آمار بارندگي ٧٤ ايستگاه باران سنجي و ١٥ ايستگاه هيدرومتري جمع آوري گرديد. همچنين براي برآورد تبخير و تعرق واقعي ، پنج روش شار انرژي شامل مدل هاي تک منبعي SEBAL و METRIC و مدل هاي دو منبعي TSEB و STSEB به همراه مدل ترکيبي SEBAL-TSEB، مدل سازي و با مقادير لايسيمتري واقع در يک مزرعه در حوضه مطالعاتي به صورت پايلوت مقايسه شد که در نهايت نتايج نشان دهنده ي برتري الگوريتم SEBAL با دقت ٨١ درصدي نسبت به ساير روش ها بود[١]. ثنايي نژاد و همکاران (١٣٩٠)، در تحقيق خود سعي کردند تا توزيع مکاني تبخير و تعرق واقعي روزانه را در زير حوضه آبريز مشهد با استفاده از تصاوير سنجنده MODIS در روزهاي ١٤ خرداد، ١٠ تير و ٤ مرداد سال ١٣٨٨ و به کارگيري الگوريتم توازن انرژي سطح خشکي (SEBAL) با احتساب اثرات توپوگرافي به دست آورند. نتايج اين تحقيق نشان داد که تصاوير سنجنده MODIS و الگوريم SEBAL قادر هستند مقدار تبخير و تعرق واقعي را در مقياس روزانه در زير حوضه آبريز مشهد به خوبي برآورد نمايند. بر اساس نتايج به دست آمده ، نواحي با پوشش گياهي متراکم و دماي پايين داراي مقادير بالاي تبخير و تعرق بوده و مناطق داراي دماي بالا و پوشش گياهي پراکنده و کم از مقدار تبخير و تعرق کمي برخوردار هستند[٧]. پورمحمدي و همکاران (١٣٩٠)، برآورد بيلان آبي در حوضه خشک و کوهستاني منشاد واقع در استان يزد در سال آبي ٨٦-٨٥ را هدف تحقيق خود قرار دادند. به منظور برآورد تبخير و تعرق در سطح حوضه منشاد که يکي از مهم ترين اجزاي بيلان آبي است ، از تصاوير ماهواره اي
MODIS و از روش الگوريتم SEBAL استفاده کردند و در نتيجه تبخير و تعرق واقعي حوضه نيز به صورت روزانه و پيکسل به پيکسل در سال آبي ٨٦-٨٥ برآورد شد. با برآورد اجزاي بيلان آبي (به استثناي تبخير و تعرق ) و قرار دادن آن ها در معادله ، ميزان تبخير و تعرق واقعي حوضه محاسبه شد و با مقدار برآورد شده با الگوريتم SEBAL مقايسه گرديد که نشانگر منطقي بودن نتايج الگوريتم SEBAL در برآورد مقدار تبخير و تعرق در حوضه مذکور بود[٨]. در تحقيق حاضر پارامتر تبخير و تعرق در شبکه ي آبي نکوآباد با استفاده از الگوريتم SEBAL محاسبه شد و به منظور ارزيابي آن نتايج با داده هاي تشت تبخير بر اساس روش اورنگ مقايسه استفاده شد.
٢- مواد و روش ها
٢-١- محدوده مورد مطالعه
از لحاظ تقسيم بندي انجام شده توسط مرکز مطالعات برنامه ريزي و اقتصاد کشاورزي واحد نجف آباد از لحاظ کميت منابع آب و کشاورزي به عنوان مهم ترين واحد زير حوضه مرغاب معرفي گرديده است . محدوده مطالعاتي نجف آباد در مدار جغرافيايي ˊ٥٧٥٠ تا ˊ٤٤٥١ طول شرقي وˊ٢٠٣٢ تا ˊ٤٩٣٢ عرض شمالي واقع گرديده است . شبکه انتقال آب نکوآباد با طول کانال اصلي ٩٥.٣ کيلومتر در فصول گرم و خشک آب را از سد انحرافي نکوآباد به منطقه نکوآباد انتقال مي دهد. به طور کلي شبکه ي آبياري نکوآباد پس از احداث باعث بهبود ٣٠٠٠٠ هکتار و توسعه ي ٣٥٠٠٠ هکتار سطح زير کشت اراضي شده است .
داده هاي زميني مورد استفاده در الگوريتم SEBAL، از مجموعه داده هاي ايستگاه هواشناسي سينوپتيک نجف آباد واقع در
ˊ٣٦٣٢ عرض شمالي و ˊ٢٣٥١ طول شرقي است . در اين تحقيق از تصاوير سنجنده MODIS مستقر بر روي ماهواره 2ترا١ شامل محصولات LevelB١ استفاده شد. هدف از سيستم نرم افزاري LevelB١ که توسط تيم MCST توسعه داده شده ، مهياکردن داده هاي MODIS واسنجي شده به منظور انجام کارهاي اجرايي در حوزه علوم زميني است [٩]. تصاوير با مشخصات ارائه شده در جدول ١ از سايت مربوط به محصولات MODIS تهيه گرديده است [١٠]. از ويژگي مهم در انتخاب اين تصاوير ابري نبودن آن ها مي باشد و انتخاب زمان تصاوير بايد به گونه اي باشدکه مجموعه ي سال آبي را پوشش دهد به همين جهت ١٥ تصوير از منطقه اي که ماهواره از ايران عبور کرد انتخاب گرديد. در جدول زير تصاوير روز جولايي ، تاريخ ميلادي و زمان گذر ماهواره هر تصوير قابل مشاهده است .
بخش عمده اي از عمليات کد نويسي مدل ، پياده سازي مدل ، اجرا، آناليز، مقايسه و برش تصوير و پردازش اطلاعات در نرم افزارهاي ٩.٣ ArcMap ، ٩.١ Erdas Imagine، ٤.٢ ENVI وExcel انجام شد.
٢-٢- الگوريتم SEBAL
در اين مقاله از الگوريتم توازن انرژي سطح (SEBAL) به منظور تخمين تبخير و تعرق واقعي استفاده شده است . مدل SEBAL، مقدار تبخير و تعرق واقعي را با استفاده از تصاوير ماهواره اي و حداقل داده هاي زميني مورد نياز و بر اساس معادله توازن انرژي محاسبه مي نمايد. در واقع در اين روش شار گرماي نهان که به مصرف تبخير و تعرق مي رسد، بادي هاي برنجي مقدار باقيمانده انرژي از معادله زير تعيين مي گردد:
در رابطه ي فوق ، ET تبخير و تعرق واقعي ،گرماي نهان تبخير، Rn تابش خالص خورشيد، H شار گرماي محسوس و G شار گرماي خاک است که تمام اجزاي معادله ي فوق بر حسب مي باشند.
٢-٢-١- تابش خالص خورشيد Rn
تابش خالص خورشيد بيان کننده ميزان انرژي تابشي واقعي موجود در سطح زمين است که بر اساس بقاي انرژي تعيين مي شود. بر اين اساس اختلاف بين ميزان شار ورودي و شار خروجي از سطح زمين ، بيان کننده تابش خالص است :
در رابطه ي فوق ،آلبيدوي سطحي ، تابش موج کوتاه (٠.٣ تا ٣ ميکرومتر) فرودي تابش موج بلند(٣ تا ١٠٠ ميکرومتري ) فرودي تابش موج بلند بازتابيده گسيلمندي سطحي پهن باند مي باشد.
٢-٢-٢- شار گرماي خاک (G)
شار گرماي خاک ميزان ذخيره گرماي داخل خاک و پوشش گياهي در اثر هدايت مولکولي مي باشد. در مدل SEBAL ابتدا نسبت براي نيمه روز با استفاده از رابطه ي تجربي زير که توسط باستيانسن توسعه يافت ، محاسبه مي شود.
که در آن Tsدماي سطحي آلبيدوي سطحي ، NDVI شاخص پوشش گياهي و Rn تابش خالص خورشيدي مي باشد.
٢-٢-٣- شار گرماي محسوس H
شار گرماي محسوس عبارت است از ميزان هدر رفت گرما به هوا به وسيله ي همرفت و هدايت مولکولي و بر اثر اختلاف دما مي باشد. محاسبات اين مرحله بر خلاف دو مرحله قبلي با محاسبات پيچيده تري همراه است . رابطه کلي براي محاسبه شار گرماي محسوس به صورت زير مي باشد:
که در آن چگالي هوا گرماي ويژه هوا اختلاف دماي بين دو ارتفاع مقاومت آئروديناميکي براي انتقال گرما (sm) مي باشد.
پس از آن که مقدار شار گرماي محسوس بر اساس شرايط جوي تصحيح گرديد، مقدار لحظه اي شار گرماي نهان تبخير مطابق با رابطه (١١) براي هر پيکسل محاسبه مي گردد و سپس با استفاده از رابطه ي زير مقدار لحظه اي تبخير و تعرق واقعي (ETinst) برآورد مي شود :
که در معادله فوق گرماي نهان تبخير (J/Kg) مي باشد.
٢-٢-٤- تبخير و تعرق سالانه
به منظور محاسبه تبخير و تعرق سالانه ، ابتدا ميزان تبخير و تعرق واقعي روزانه مدل هاي ماهواره اي از رابطه ي زير محاسبه مي شود :
که در آن تبخير و تعرق مرجع ٢٤ ساعته جزء تبخير و تعرق گياه مرجع و ET24 تبخير و تعرق روزانه (mmday) مي باشد.
به منظور تعميم نتايج حاصل از مدل SEBAL در هر يک از روزهاي داراي تصوير ET24 به بازه زماني تحت پوشش هر تصوير و سپس تعيين تبخير و تعرق واقعي تمامي روزهاي سال آبي از روابط زير استفاده شد:
