بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
برآورد تبخیر و تعرق پتانسیل گیاه مرجع شهرستان اراك با استفاده از روش هاي فائو پنمن مانتیث و تورنت وایت
چکیده
تبخیر و تعرق یکی از عوامل مهم در کاهش توسعه کشاورزي و هدررفت آب در بخش آبیاري و مدیریت منابع آبی است. در این مطالعه از آمار سالهاي 1990 تا 2010 ایستگاه سینوپتیک شهرستان اراك و از پارامترهاي اقلیمی زیر جهت برآورد تبخیر و تعرق استفاده شده است که این عناصر شامل: متوسط دما، دماي کمینه، دماي بیشینه، رطوبت نسبی، سرعت باد در ارتفاع 2متري و ساعت آفتابی می باشد . در ادامه میزان تبخیر و تعرق پتانسیل (ETO) براساس دو روش، فائو پنمن مانتیث و تورنت وایت و با استفاده از روش تجربی و نرم افزار( (crop wat محاسبه و مورد مقایسه قرار گرفته است. نتایج بدست آمده بیانگر اینست که میزان تبخیر و تعرق ماهانه در ماه هاي گرم سال (اواخر اردیبهشت ماه تا اواخر شهریور ماه) افزایش یافته است، و میانگین میزان تبخیر و تعرق سالانه شهر اراك نیز 2. 89 میلیمتر در روز می باشد. اما هدف اصلی این پژوهش مقایسه دو روش پر کاربرد فائو پنمن مانتیث و تورنت وایت است که نتایج بررسی ها نشان می دهد، این دو روش در برآورد تبخیر و تعرق با هم اختلاف خیلی ناچیزي را دارند و بگارگیري هر دو روش براي تخمین تبخیر و تعرق در شهر اراك نسبت به سایر روش هاي تجربی و قدیمی پیشنهاد می گردد.
واژههاي کلیدي: فائو پنمن مانتیث، تبخیر و تعرق، اراك، تورنت وایت، منابع آبی
1 مقدمه
آب عامل حیات و نهاده اصلی کشاورزي است. با توجه به تغییرات آب و هوایی رخ داده که از آن به عنوان پدیده تغییر اقلیم یاد می شود و همچنین مباحث عنوان شده در طی سالیان اخیر در سطح جهانی و بطور ملموس تري در کشور ایران در خصوص کمبود منابع آبی، می توان به راحتی به این موضوع پی برد که باید در مصرف این ماده حیاتی بطور علمی و صحیح مدیریت همه جانبه ایی را در پیش گرفت. وقوع تغییرات آب و هوایی حتی به صورت جزئی بر تمام ارکان زندگی بشري و حیات طبیعی اثرات قابل توجهی خواهد گذاشت. برخورد علمی با این پدیده غالبا توسط محققان علوم زمین بویژه آب و هواشناسی، هواشناسی، هیدرولوژي، محیط زیست و کشاورزي انجام گرفته است.[1]
اما یکی از مؤلفه هاي اصلی بیلان آبی هر منطقه و همچنین یکی از عوامل کلیدي براي برنامه ریزي درست و مناسب آبیاري براي بهبود راندمان آب مصرفی در هر منطقه، تبخیر و تعرق می باشد. از طرف دیگر تبخیر و تعرق نقش قابل ملاحظه اي در اقلیم جهانی از طریق چرخه هیدرولوژي ایفا کرده و تخمین آن کاربردهاي مهمی در پیش بینی رواناب، پیش بینی عملکرد محصول و طراحی کاربري اراضی و طراحی کانالهاي آبیاري آب داشته و همچنین بر روي بلایاي طبیعی نظیر خشکسالی مؤثر است. ایران کشوري است که به لحاظ اقلیمی جزو کشورهاي خشک و نیمه خشک جهان محسوب شده، به طوري که متوسط بارندگی سالانه ي آن حدود یک سوم متوسط بارندگی خشکیها و کمتر از یک سوم متوسط بارندگی کره زمین است و از سوي دیگر میزان تبخیر آن حدود سه برابر تبخیر خشکیهاي زمین می باشد. در شهرستان اراك نیز که از این قاعده مستثنی نمی باشد، مانند اکثر نقاط کشور روند بارش ها رو به کاهش نهاده و از سوي دیگر خشکی و خشکسالی بر کل استان حاکم شده است. حال با توجه به این روندها و نوسانات ضرورت دارد که بخش تبخیر و تعرق که بیشتر در ارتباط با نیاز آبی گیاهان مطرح می شود و رابطه مستقیمی در مصرف و هدرفت آب دارد، بطور کامل مورد شناسایی و ارزیابی قرار گیرد. در کشور ما بخش کشاورزي حدود 94 درصد کل آب مصرفی را به خود اختصاص می دهد که بیشترین میزان تبخیر و تعرق در آن اتفاق می افتد. به طور متوسط 70 درصد بارانی که به سطح زمین می رسدمجدداً توسط فرایند تبخیر و تعرق به اتمسفر باز می گردد که این میزان در مناطق خشک که اکثر مناطق کشورمان را تشکیل می دهد به حدود 90 درصد میرسد. .[2]
در پژوهشی با استفاده از داده هاي لایسیمتر و داده هاي سازمان هواشناسی، روش هاي مختلف برآورد تبخیر و تعرق گیاهان مرجع چمن مورد واسنجی قرار گرفته که نتایج بدست آمده از این پژوهش نشان می دهد که روش هاي پنمن مانتیث، پنمن فائو اصلاح شده داراي بهترین برآورد و روش جنسن هیز داراي کمترین دقت می باشد .[3] اما تصاویر ماهواره ایی و علم سنجش از دور نیز در تخمین میزان تبخیر و تعرق می تواند بسیار موثر و راهگشا باشد، حیدرنژاد و همکاران با استفاده از تصاویر ماهواره ایی و داده هاي هواشناسی، تبخیر و تعرق یک دوره 21 ساله در منطقه یزد را محاسبه کرده اند که تبخیر و تعرق بدست آمده با مدل SBES با تبخیر و تعرق بدست آمده از روشهاي تجربی فائو پنمن مونتیت از لحاظ آماري ضریب همبستگی معنی داري داشته؛ اگرچه این ضریب در سطح بالاي همبستگی نبوده است .[4] اما اثر دوره هاي محاسباتی روزانه، ده روزه و ماهانه بر دقت برآورد تبخیر و تعرق با استفاده از مدل هاي پنمن مانتیث فائو، پنمن اصلاح شده، هارگریوز، مک کینگ و پریستلی تیلور در شهرستان سنندج با اقلیم سرد نیمه خشک مورد بررسی قرار گرفته و در ادامه با انتخاب مدل با دقت بالاتر، اقدام به واسنجی آن شده است. نتایج حاصل از این مطالعه نشان داده که مدل پنمن اصلاح شده در تمامی دوره هاي محاسباتی، مقدار تبخیر و تعرق گیاه مرجع را با دقت بالاتري پیش بینی می کند و واسنجی این معادله نیز تاثیري بر افزایش دقت آن نداشته و طول دوره محاسباتی نیز تاثیر معنی داري بر دقت پیش بینی مدل هاي تبخیر و تعرق ایجاد نمی کند .[5] شاید ارزیابی مدل cropwat به عنوان یکی از معتبرترین مدل هاي محاسبه تبخیر و تعرق به روش فائو پنمن مانتیث در مقایسه با داده هاي لایسیمتر نیز در نوع خود جالب باشد. ارزیابی ها و نتایج حاصله بیانگر اینست که مدل کراپ وات همبستگی بالایی با داده هاي لایسیمتر دارد. از طرفی پس از برآورد مقدار تبخیر و تعرق در این پژوهش اقدام به پهنه بندي فصلی استان یزد شده که این پهنه بندي در هر 4 فصل نشان داد که شهر یزد داراي بیشترین میزان تبخیر و تعرق در کل استان می باشد .[6] در پژوهش صورت گرفته توسط خسروانی و همکاران نیز اثرات تغییر اقلیم پیش بینی شده توسط مدل گردش عمومی جو در ارومیه بر روي آب محصول گندم با استفاده از مدل cropwat که بر پایه معادله پنمن مانیتث فائو می باشد، انجام شده است.[7]
مدل هاي مختلفی براي برآورد تبخیر و تعرق ارائه شده که تفاوت عمده آنها در تعداد پارامترهاي هواشناسی مورد نیاز می باشد. این مدل ها از معادله هاي ساده و تجربی مانند تورنت وایت و بلانی کریدل که تنها به پارامتر دماي هوا نیاز دارند تا معادله هاي پیچیده تر مانند پنمنمانتیث فائو (PMF56) که علاوه بر دماي هوا به تابش خورشیدي، سرعت باد رطوبت نسبی نیازمند می باشند، متغیر هستند. این معادلات براي استفاده در شرایط اقلیمی مختلف، نیاز به واسنجی و ارزیابی دارند که این امر از طریق تحلیل حساسیت این مدلها به پارامترهاي هواشناسی امکانپذیر است .[8] تاکنون مطالعات زیادي درباره تبخیر و تعرق و نحوه محاسبه و برآورد آن با روش هاي مختلف انجام شده است. ضمن مقایسه 20 روش براي محاسبه تبخیر و تعرق، از روش پنمن مانتیث به عنوان روش برتر نام برده و متوسط خطاي این روش را یک درصد اعلام نموده اند .[9] در تحقیقی که در جنوب ایتالیا بر روي حساسیت اجزاي مختلف معادله پنمن مانتیث بر روي گیاه مرجع چمن انجام شد، این نتیجه به دست آمد که براي گیاه مرجع چمن مقاومت آیرودینامیکی و پایداري پوشش نقش اساسی را در تبخیر و تعرق دارد و در گیاهان تحت تنش بلند قد فشار بخار آب و در کوتاه قدها مقاومت گیاهی داراي نقش اساسی است.[10] در تحقیقی در منطقه بالکان نیز معادلات تبخیر و تعرق مرجع تحت شرایط آب و هوایی مرطوب مورد ارزیابی قرار گرفت و نسبت به روش پنمن مانتیث واسنجی شد. نتایج نشان داد که روش تورك بهترین نتیجه را در این منطقه به دست می دهد .[11] در پژوهشی مشابه در ایالت اونتاریو در کانادا، روشهاي مختلف مورد بررسی قرار گرفت که نتایج حاصل از این پژوهش نشان داد باتوجه به میزان اطلاعات هواشناسی موجود، روشهاي پریستلی تیلور و هارگریوز می توانند جایگزین مناسبی براي روش پنمن مانتیث باشند .[12]
2 مواد و روشها
منطقه مورد مطالعه
شهر اراك به عنوان مرکز استان مرکزي و مرکز شهرستان اراك در مختصات جغرافیایی 49 درجه و 29 دقیقه طول جغرافیایی و 34 درجه و 42 دقیقه عرض جغرافیایی به صورت خطی در امتداد شرقی – غربی در فلات مرکزي ایران قرار گرفته است. به عبارت دقیق تر این شهر در محل تلاقی این رشته کوه با انتهاي جنوب شرقی فلات مرکزي ایران قرار گرفته است. شهر در کم ارتفاع ترین قسمت دشت اراك واقع است که ارتفاع متوسط آن 1718 متر از سطح دریاهاي آزاد می باشد. در حدود 75 درصد از مساحت استان مرکزي را مناطق کوهستانی و 25 درصد را دشتها و مناطق هموار به خود اختصاص دادهاند. اقلیم اراك خصوصیات اقلیمی فلات مرکزي ایران (زمستانهاي سرد و مرطوب و تابستانهاي گرم و خشک) را دارد. به عبارتی بر اساس طبقه بندي دومارتن نیمه خشک و بر اساس طبقه بندي آمبرژه خشک و سرد می باشد. اگرچه کوههاي اطراف اراك و تالاب میقان و دشت فراهان در آب و هواي این منطقه اثر فراوانی کرده و ویژگیهاي خاصی به آن بخشیده است ولی شهر اراك همچنان جزو 8 شهر آلوده کشور به شمار می رود .[13] در شکل شماره (1) موقعیت شهر اراك نسبت به استان مرکزي و کشور ایران آمده است.
2 روش پژوهش
در این مطالعه از آمار سالهاي 1990 تا 2010 ایستگاه سینوپتیک شهر اراك و از پارامترهاي زیر جهت برآورد تبخیر و تعرق استفاده شده است. داده هاي اقلیمی مورد استفاده در پژوهش شامل: متوسط دما، دماي کمینه، دماي بیشینه، رطوبت نسبی، سرعت باد در ارتفاع 2متري و ساعت آفتابی می باشد. در جدول شماره 1 مشخصات پارامترهاي اقلیمی مذکور آورده شده است. در این پژوهش میزان تبخیر و تعرق پتانسیل (ETO) براساس دو روش، فائو پنمن مانتیث و تورنت وایت و با استفاده از نرم افزار((crop wat محاسبه شده است که این نرم افزار مدلی جهت برآورد بیلان آب می باشد که امکان شبیه سازي تنش رطوبتی روي گیاه و محاسبه میزان کاهش محصول بر پایه روش هاي مدون برآورد تبخیر و تعرق و عکس العمل گیاه به تنش آبی را میسر می سازد.[14]
روشهاي محاسبه تبخیر و تعرق
روشهاي غیر مستقیم تعیین تبخیر و تعرق که به آنها روشهاي محاسباتی گفته می شود همگی بر اساس رابطه (1) استوارند.[15]
= ET تبخیر و تعرق گیاه مورد نظر
= ET تبخیر و تعرق پتانسیل (تبخیر و تعرق گیاه مرجع)
= KC ضریب گیاهی
در فرمول فوق ETO ممکن است تبخیر و تعرق پتانسیل و یا تبخیر و تعرق گیاه مرجع باشد. تبخیر و تعرق پتانسیل حداکثر مقدار آبی است که اگر بدون محدودیت وجود داشته باشد می تواند توسط سطوح خاك و گیاه از خاك خارج شود .[15] روشهاي که براي محاسبه ETO پیشنهاد شده است هر کدام از نظر داده هاي مورد لزوم نیازهاي متفاوتی دارند. برخی از روشها علاوه بر دما به آمار رطوبت نسبی و سرعت باد نیز نیاز دارند و براي برخی از روشها باید آمار تابش خورشید یا ساعات آفتابی روز هم وجود داشته باشد. بطور خلاصه تعدادي از روشها اساس فیزیکی دارند و تعدادي فقط از روي تجربه بدست آمده اند .این روشها را می توان به 4 گروه تقسیم بندي کرد که عبارتند از: روشهاي موسوم به آیرودینامیک، روشهاي موسوم به توازن انرژي، روشهاي که از ترکیب دو روش فوق حاصل شده و به نام روشهاي ترکیبی معروفند، و روش آخر نیز روشهاي تجربی می باشد. در این مطالعه از دو روش پر کاربرد و کارآمد فائو پنمن مانتیث و تورنت وایت استفاده شده است که در ادامه به تشریح آنها پرداخته می شود.
معادله فائو پنمن مانتیث
معادله پنمن فائو که توسط متخصصان سازمان فائو ارائه گردید هنوز هم بعنوان یکی از معادلات کاربردي در محاسبات تبخیر و تعرق گیاه مرجع مورد استفاده قرار می گیرد. ولی از آنجایی که در این معادله فرض شده است که تبخیر و تعرق فقط توسط عوامل آب و هوایی کنترل شده و نقش خود گیاه در آن در نظر گرفته نشده است لذا به تدریج اهمیت خود را از دست داده و معادلات دیگري جاي آن را گرفتند. از جمله این معادلات معادله فائو پنمن مانتیث است که در حال حاضر کاربرد بیشتري دارد..
روش فائو پنمن مانتیث بعنوان یکی از معتبرترین روشها براي تخمین ETO مورد استفاده متخصصان قرار دارد.معادله فائو پنمن مانتیث به صورت زیر است. [15 ]
که در آن :
= ET0 تبخیرتعرق گیاه مرجع mm/day، = Rn تابش خالص در سطح پوشش گیاهی MJm2d 1 ، =T متوسط دماي هوا در ارتفاع 2 متري از سطح زمین c، =U2 سرعت باد در ارتفاع 2 متري از سطح زمین ms1 ، =
کمبود فشار بخار در ارتفاع 2 متري شیب منحنی فشار بخار = ضریب رطوبتی
شار گرما به داخل خاک است . ارقام سرعت باد که در ارتفاع 10 متر بوده نیز با استفاده از رابطه3 به ارتفاع دو متر ي که مبناي عمل در این تحقیق بوده، ،تبدیل شدند.[16,17]
که در آن U سرعت باد در ارتفاع 2متري به متر بر ثانیه، U2 سرعت باد در هر ارتفاع مورد نظر به متر بر ثانیه و ZW ارتفاع باد سنج بر متر که در اینجا معادل با 10متر و برابر با ارتفاع دکل هاي بادسنج در ایستگاه هاي سینوپتیک می باشد.
معادله تورنت وایت
