بخشی از مقاله
*** اين فايل شامل تعدادي فرمول مي باشد و در سايت قابل نمايش نيست ***
برآورد تبخیر و تعرق مرجع روزانه با استفاده از فقط داده های دمای هوا - مطالعه موردی استان خوزستان
چکیده
تعیین دقیق مقدار تبخیر و تعرق یکی از مهمترین عوامل مدیریت آب در مزرعه و رسیدن بـه عملکـرد بهینـه اسـت. طـی سالهای گذشته، مدل ترکیبی پنمن- مونتیث (PM) به عنوان روشی دقیـق در بـرآورد تبخیـر و تعـرق گیـاه مرجـع((ETo شناخته شده است. اما برای استفاده از این معادله ایستگاههای هواشناسی باید مجهز بـه وسـایل انـدازهگیـری دمـای هـوا، سرعت باد، رطوبت نسبی و تابش سنج یا آفتابنگار باشد. تجهیز چنین ایستگاههایی برای مزارع کشاورزی گران تمـام مـی-شود. در این مطالعه مدل PM به شکل سادهتری تبدیل شد تا بتواند مقادیر ETo را برای استان خوزستان فقـط بـا انـدازه- گیری پارامتر دمای هوا در منطقه، برآورد کند. سپس نتایج بدست آمده از این مدل بـا مـدل هـارگریوز – سـامانی مـورد مقایسه قرار گرفت. مبنای این مقایسه نیز نتایج بدست آمده از مدل اصلی پنمن- مونتیث بود. در این مطالعه مشخص شـد که مدل بنیان شده ETo را با دقت بالاتری نسبت به روش هارگریوز برآورد میکند. به طوری که ریشه متوسط مجذور خطا برای روش بنیان شده 0/91 میلیمتر در روز و برای روش هارگریوز 1/13 میلیمتر در روز بدسـت آمـد. همچنـین متوسـط خطای نسبی برای روش بنیان شده 16 درصد و در روش هارگریوز 21 درصد بدست آمد. هچنین نتایج نشان دادند کـه در منطقه مورد مطالعه، مدل بنیان شده به مراتب کمتر از مدل هارگریوز تحت تاثیر وزش باد قرار میگیرد .
واژگان کلیدی: استان خوزستان، تبخیر و تعرق گیاه مرجع، دمای هوا، معادله پنمن- مونتیث، معادله هارگریوز- سامانی
.1 مقدمه
طی سالیان گذشته مطالعات زیادی در زمینه عملکرد معادلات مختلف برآورد تبخیر و تعرق گیاه مرجع (ETo) ، تحت شرایط آب و هوایی متفاوت انجام شده است. نتایج این تحقیقات ، معادله پنمن- مونتیث )(PM)آلن و همکاران ، (1998
را به دلیل ماهیت فیزیکی و ترکیبی که دارد به عنوان یک معادله استاندارد در شرایط اقلیمی مختلف معرفی کرده است(
جنسن و همکاران، .(1990 از آنجاییکه در خیلی از ایستگاههای هواشناسی دنیا تمام پارامترهای مورد نیاز این معادله اندازهگیری نمیشود، لذا امکان استفاده از این مدل در همه نقاط دنیا وجود ندارد.
برای برآورد ETo به روش PM دادههای تابش خورشید، سرعت باد، دمای هوا و رطوبت نسبی هوا مورد نیاز است. تجهیز ایستگاههای هواشناسی برای تعیین این دادهها به خصوص برای کشورهای در حال توسعه بسیار هزینهبر میباشد. از این رو به منظور توسعه ایستگاههای هواشناسی با هزینه کم، استفاده از روشهای ساده که به دادههای کمتری نیاز داشته باشند مورد توجه است. مهمترین و در دسترسترین پارامتر هواشناسی در برآورد تبخیر و تعرق، دمای هوا میباشد. لذا یک راه حل میتواند استفاده از روشهای تخمین تجربی ETo براساس دادههای دمای هوا باشد(رحیمی خوب، .(2010
آلن و همکاران (1998) برای تعیین ETo در مناطقی که دادههای هواشناسی در محدودیت باشد، روش هارگریوز (HS)
(هارگریوز و سامانی، (1985 را توصیه نمودند. معادله هارگریوز فقط به بیشترین و کمترین دمای هوا و تابش برون زمینی نیاز دارد. از آنجایی که تابش برون زمینی با استفاده از فرمول مشخصی به راحتی محاسبه میشود، پس تنها پارامتر مورد نیاز بیشترین و کمترین دمای هوا میباشد(دروگرز و آلن ، . (2002 اما نکته مهم در رابطه با معادله هارگریوز اینست که این فرمول، ETo را در مقیاس زمانی روزانه با دقت کمتری نسبت به دوره زمانی هفتگی و ماهانه برآورد میکند(جنسن و همکاران 1990 ، دروگرز و آلن 2002، هارگریوز و آلن . (2003 همچنین این روش ETo را در مناطق گرم وخشک کمتر از مقدار واقعی و در مناطق مرطوب، بیشتر از ETo واقعی برآورد میکند (دروگرز و آلن 2002، واندرلیندن و همکاران .(2004 اما معادله PM نسبت به معادله های تجربی این برتری را دارد که در آن هر دو مکانیسم انرژی و آئرودینامیک در پدیده تبخیر و تعرق، در نظر گرفته شده است. برتری دیگر معادله PM نسبت به HS، دقت بالای برآورد تبخیر و تعرق در مقیاس زمانی روزانه و شرایط مختلف آب و هوایی مرطوب تا خشک است (آلن و همکاران، .(1998 از این رو تدوین یک روش که تبخیر و تعرق گیاه مرجع روزانه را با حداقل دادههای هواشناسی و دقت مناسب تعیین کند برای مناطق گرم و خشک ضروری است .
ریواس و کاسلس (2004) معادله پنمن- مونتیث را برای حوضه رودخانه ازول((Azul در آرژانتین به صورت یک معادله خطی ساده کردند و ETo ماهانه در مقیاس منطقهای را فقط با استفاده از دادههای دمای سطح (Ts) بدست آمده از تصاویر ماهوارهای تخمینزدند. نکته مهم اینجاست که این تصاویر حتما باید متعلق به روزهای بدون ابر باشد تا کارایی لازم را داشته باشند. از طرفی برای تخمین دمای سطح از این تصاویر معمولا مقداری خطای استاندارد وجود دارد(کول و کاسلس ،.(1997 اما دمای هوا در ایستگاه های هواشناسی بدون نیاز به امکانات پیچیده، براحتی و با دقت بالا بدست می آید.
هدف اصلی مطالعه حاضر این است که معادله PM به شکل ساده تری تبدیل شود که بتواند ETo روزانه را برای منطقه گرم خشک جنوب غربی ایران، با استفاده از فقط دمای هوا برآورد کند. معادله بنیان شده در این مطالعه با SPM معرفی شده است. برای ارزیابی دقت معادله SPM ، نتایج آن با معادله هارگریوز- سامانی((1985 در منطقه مورد مطالعه مقایسه شد. بدلیل فقدان داده های لایسیمتری به عنوان مبنای مقایسه، از نتایج بدست آمده توسط معادله اصلیPM استفاده شد.
.2 مواد و روش ها
منطقه مورد مطالعه و منابع داده ها:
منطقه مورد مطالعه در این تحقیق استان خوزستان با وسعتی معادل 63633/6 کیلومترمربع میباشد. این منطقه اقلیمی گرم و خشک دارد. به طوری که دمای هوا در تابستان به بیش از 50 درجه سانتیگراد میرسد و متوسط بارندگی سالیانه در منطقه حدود 266 میلیمتر میباشد. این استان از مناطق مهم کشاورزی در ایران است و شبکههای مدرن آبیاری متعددی
در آنجا اجرا شده و در دست بهرهبرداری است. دادههای مورد نیاز در این تحقیق از 13 ایستگاه هواشناسی واقع در استان خوزستان که در طی سالهای 1994 تا 2003 اندازهگیری شده بود جمعآوری شد. در شکل((1 موقعیت مکانی ایستگاه ها در سطح منطقه نشان داده شده است. در جدول((1 نیز فهرست نام ایستگاهها و متوسط پارامترهای هواشناسی مشاهده شده در دوره 10 ساله ارائه شده است .
با توجه به هدفی که در این تحقیق دنبال میشود، دادهها به دوگروه تقسیم شدند. گروه اول که تحت عنوان گروه " الف"
نامگذاری شدند شامل کل دادههای 7 ایستگاه صفی آباد، امیدیه، دزفول، ایذه، آغاجری، رامهرمز و ماهشهر بودند که از آنها جهت کالیبراسیون معادله هارگریوز و بدست آوردن ضرایب معادله ساده شده این مطالعه (SPM) استفاده شد. گروه دوم یا گروه "ب" نیز شامل دادههای 6 ایستگاه بهبهان، مسجد سلیمان، اهواز، آبادان، شوشتر و بستان بود که برای ارزیابی دقت مدلSPM مورد استفاده قرار گرفت. همچنین برای صحت سنجی دادههای اندازهگیری شده از روش پیشنهادی آلن (1996) استفاده شد. روزهایی که دادههای ناقص داشتند از تجزیه و تحلیل حذف شدند .
ساده سازی اجزاءمعادله مونتیث پنمن :
شکل اصلی معادله PM به این صورت میباشد:
: ETo تبخیر و تعرق گیاه مرجع (میلیمتر در روز) ،: Rn تابش خالص رسیده به سطح پوشش گیاهی (مگاژول بر متر مربع در روز)،: T متوسط دمای هوا در ارتفاع 2 متری (درجه سانتیگراد)، :U2 سرعت باد در ارتفاع 2 متری (متر بر ثانیه)، :es - ea کمبود فشار بخار در ارتفاع 2 متری (کیلو پاسکال)، : ∆ شیب منحنی فشار بخار (کیلو پاسکال بر درجه سانتیگراد) ، : γ ضریب رطوبتی (کیلو پاسکال بر درجه سانتیگراد)میباشد و : G شار گرمای ورودی به داخل خاک است (مگاژول بر متر مربع در روز) که برای محاسبه نیاز آبی روزانه صفر در نظر گرفته میشود (آلن و همکاران ،.(1998
برای اینکه عملکرد اجزاء معادله به طور جداگانه تجزیه و تحلیل شود باید از هم تفکیک شوند. معادله (1) را طبق نظر اسمیت و همکاران (1992) میتواند به دو قسمت تقسیم شود: جزء تابش((ETrad و جزء آئرودینامیکی(.(ETaero
بنابراین هر یک از اجزاء میتوانند به این صورت نمایش داده شوند:
در این معادلات، : Rns تابش خالص رسیده به زمین با طول موج کوتاه (مگاژول بر مترمربع در روز) ، :Rnl تابش خالص بلند زمینی (مگاژول بر مترمربع در روز) میباشند. واضح است که برای حل اجزای معادله و برآورد مقادیر روزانه ETo به حداقل آمار روزانه چهار پارامتر دمای هوا، رطوبت نسبی، سرعت باد و تابش خالص نیاز است. لذا هدف اصلی اینست که هر یک از این اجزا به شکل ساده تری تبدیل شوند تا تنها پارامتر مورد نیاز برای حل معادله PM دمای هوا باشد.
جزء تابش :(ETrad)
اصلی ترین پارامتری که در جزء تابش استفاده شده است تابش خالص((Net radiation میباشد که با Rn نـشان داده میشود. این پارامتر از اختلاف مقدار تابش خالص رسیده به زمین با طول موج کوتاه (Rns) و تـابش خـالص بلنـد زمینـی (Rnl) بدست میآید. در خیلی از کشور ها همانند ایران به دلیل هزینه های بالا، امکان اندازهگیری هر یک از این پارامتر ها در اکثر ایستگاهها وجود ندارد. فقط در تعدادی از ایستگاههای هواشناسی Rs به طور مستقیم انـدازه گیـری مـیشـود. بـه همین دلیل آلن و همکاران (1998) روابطی را برای محاسبه Rn به عنوان اولین گام در حل معادله PM پیشنهاد دادند. اما در این روابط علاوه بر دما به پارامترهای ساعت آفتابی((n و رطوبت نسبی (RH) نیاز است. برای اینکه رابطهای ایجـاد کـرد که توسط آن بتوان Rn را بطور مستقیم، به کمک دمای هوا و با دقت بالا تخمین زد از فرضیات هارگریوز و سامانی((1982 در برآورد Rs استفاده شد. طبق این فرضیات اختلاف بین حداکثر و حداقل دمای روزانه (Tmax - Tmin) با رطوبت نسبی رابطه دارد (هارگریوز و سامانی، . (1982 از طرف دیگر، درجه ابرناکی اتمسفر در طول روز نیز، روی اختلاف دمای حـداکثر و حداقل محیط اطراف تاثیرگذار است. به طوری که می توان گفت افزایش ابرها در اتمسفر مانند پوششی در اطراف زمـین، از ورود Rns و خروج Rnl در سطح زمین جلوگیری کرده، در نتیجه نوسانات دما در شبانهروز کاهش مـییابـد و بـالعکس. بدین ترتیب Tmax - Tmin میتواند شاخصی از درصد تابش برون زمینی که به سطح میرسد (Rs)، باشد (آلن و همکاران .(1998 هارگریوز و سامانی از این فرضیات استفاده کردند و توانستند با استفاده از اختلاف دمای روزانه، تـابش رسـیده بـه سطح زمین را با دقت خوبی تخمین بزنند. مهمترین فرضیه ما در این بخش اینـست کـه بـا اسـتفاده از پـارامتر Tmin نیز میتوان به جای برآورد Rs ، مستقیما Rn را بادقت مناسبی در منطقه مورد مطالعه تخمین زد. برای بررسی ایـن فرض از رابطه غیرخطی زیر استفاده شد:
در این رابطه، :Ra تابش برون زمینی بر حسب مگاژول بر متر مربع در روز است. ضریب c و توان d ثابت میباشند. برای بدست آوردن c وd از دادههای اندازهگیری شده مربوط به 14500 روز در هفت ایستگاه "الف" استفاده شد. بـا اسـتفاده از آنالیز رگرسیون غیرخطی Tmax – Tmin در مقابل Rn /Ra ، ضرایب c و d به دست آمدند. مقادیری که در این آنالیز برای Rn در نظر گرفته شد از روش پیشنهادی آلن و همکاران (1998) بدست آمد. . به این ترتیب معادله نهـایی بـه شـکل زیـر ایجاد شد:
ضریب تعیین بدست آمده از این رگرسیون در حدود 0/4 برآورد شد که این یعنی 40 درصد مقادیر Rn /Ra با استفاده از اختلاف دمای حداکثر و حداقل دمای هوا قابل برآورد است. در بخش بعد دقت این معادله ارزیابی شده است.
جایگذاری رابطه دمایی بدست آمده برای تابش خالص در معادله : PM
با توجه به رابطه (6) و قرار دادن آن در معادله پنمن- مونتیث میتوان بخش تابش را به صورت زیر نمایش داد:
بنابراین با استفاده از دو معادله (4) و (7) میتوان معادله PM را به این شکل نشان داد:
در این معادله A وB عبارتند از:
واضح است که پارامتر B همان جزء آئرودینامیک معادله اصلی PM میباشد و ضریب A نیز از معادلـه 7 بدسـت آمـده است. با توجه به هدف اصلی مطالعه حاضر در این قسمت لازم است روابطی ایجاد شوند تا با استفاده از آنها بتوان مقادیر A و B را با پارامترهایی که همیشه و براحتی در دسترس هستند تخمین زد.
برآورد مقادیر A و B با استفاده از روابط ساده شده:
ضریب A و B برای 14500 داده اندازهگیری شده در 7 ایستگاه "الف" محاسبه شد . نکته قابل ملاحظه در این تحلیل این بود که در طول روزهای دوره 10 ساله ، در هر 7 ایستگاه، بر خلاف پارامتر B ، تغییرات قابل ملاحظهای برای ضریب A مشاهده نشد. بیشترین مقدار A در این بررسی برابرA) 0/037791 ضریب است و بدون واحد است) و کمترین مقدار آن نیز برابر0/014672 بدست آمد. با توجه به روابط (9) و (10) برای محاسبه ضریب A، پارامتر های سرعت باد و دمای متوسط هوا و برای محاسبه مقادیر B ، پارامترهای سرعت باد، دمای متوسط هوا و رطوبت نسبی نیاز است. لذا باید روابط سادهای برای تعییین A و B ایجاد شود. به همین منظور از روش رگرسیون چند متغیره خطی توسط نرم افزار SAS 9.0 که یک نرم افزار قدرتمند برای انجام تجزیههای آماری است استفاده شد تا رابطهای ساده تر برای تخمین A و B ایجاد گردد.
کالیبراسیون مدل هارگریوز و سامانی(:(HS
برای این منظور از رگرسیون خطی ETo –PM = m . ETo-HS + n و داده های 7 ایستگاه "الف" اسـتفاده شـد ( ET o-HS، تبخیر و تعرق بدست آمده از روش هارگریوز و ET o-PM ، تبخیر و تعرق بدست آمده از روش پنمن- مونتیث) . پارامترهـای m وn اعداد ثابتی هستند که از نتیجه رگرسیون بدست میآیند . در نهایت معادله زیر بدست آمد:
در رابطه بالا ، : ETo-HSC تبخیر و تعرق مرجع بدست آمده از رابطه کالیبره شده هارگریوز میباشد که در این مطالعه مورد استفاده قرار گرفت. ارزیابی دقت ETo تخمینی از دو روش هارگریوز و مدل بنیان شده نسبت به ETo بدست آمده از رابطه مبنای PM، با استفاده از پارامتر های ضریب تعیین((R2، ریشه متوسط مجذور خطا (RMSE)، خطای نسبی(که با RE نشان داده میشود و نسبت RMSE به متوسطETo های مبنا است) و پارامتر r که نسبت مقادیر تبخیر و تعرق تخمینی به تبخیر و تعرق مبنا است( r >1 بیش برآوردی وr <1 کم برآوردی)، انجام شد.
