بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
برآورد میزان تبخیر و تعرق با استفاده ازتصاویر ماهوارهای لندست و مدل سبال
چکیده
برآورد تبخیر و تعرق واقعی برای مدیریت منابع آب مؤثر، ضروری است . این تحقیق در بخشی از حوزه آبخیز زنجانرود که غالب آن اراضی آبی و دیم تحت کشت گندم است صورت گرفت. در این پژوهش از مدل سبال ارائه شده توسط Bastiaanssen برای برآورد تبخیر و تعرق استفاده شد .در این تحقیق توزیع مکانی تبخیر و تعرق واقعی روزانه برای حوزه آبخیز زنجانرود با استفاه از تصاویر لندست 5 برآورد شد. تبخیر و تعرق روزانه بر مبنای سبال توسط مشاهدات تشتک ارزیابی شد .(RMSE=0/5) نتایج نشان داد که تبخیر و تعرق واقعی محاسبه شده توسط مدل سبال و تصاویر لندست 5 همبستگی خوبی با دادههای زمینی دارد.
کلمات کلیدی: تبخیر و تعرق، حوزه آبخیز زنجانرود، سبال، لندست
مقدمه
طبق تعریف، تبخیر و تعرق فرآیندی ترکیبی شامل تبخیر از سطح خاک و گیاه و تعرق توسط گیاه می باشد. 70 درصد بارانی که به سطح زمین می رسدمجدداً توسط فرآیند تبخیر و یا تعرق به جو باز می گردد .[6] در نواحی خشک ایران هر ساله بیش از 80 درصد از کل بارش از طریق تبخیر به اتمسفر بر میگردد .[1] تبخیر و تعرق یکی از مؤلفههای اصلی بیلان آبی هر منطقه و نیز یکی از عوامل کلیدی برای برنامهریزی صحیح و مناسب آبیاری برای بهبود راندمان آب مصرفی در اراضی فاریاب است. مطالعات بیلان آب هیدرولوژیک و مدیریت آب آبیاری نیاز به اطلاعات دقیقی از تبخیر تعرق تحت شرایط واقعی همچون نواحی غیر همگن و اکوسیستم های زراعی مختلف با الگوهای بارندگی نامنظم و پوشش های پراکنده دارد. بنابراین اطلاعات تبخیر و تعرق باید از جزئیات زمانی و مکانی کافی برخوردار باشد تا بتوان تحلیل های صحیحی در سطح مزرعه و یا حوزه آبخیز ارائه نمود دورکاوی ماهوارهای این قابلیت را دارد که علاوه بر تخمین مقدار تبخیر و تعرق، توزیع زمانی و مکانی آن را نیز ارائه نماید. این کارعمدتاً از طریق برآورد دمای سطحی، ضریب آلبیدو و شاخصهای گیاهی بهصورت سازگار با منطقه انجام میشود ؟تبخیر و تعرق واقعی در حقیقت همان نیاز آبی گیاه میباشد که میتوان آن را به کمک تصاویر ماهوارهای در گستره موج الکترومغناطیسی مرئی تا مادون قرمز حرارتی و با کاربرد بیلان انرژی سطحی محاسبه نمودمزیّت. محاسبه تبخیر و تعرق با استفاده از بیلان انرژی سطحی عدم نیاز به اندازه گیری اطلاعات پیچیده هیدرولوژیکی است.[4]
یکی از مطرحترین و پرکاربردترین روش های برآورد تبخیر تعرق مبتنی بر بیلان انرژی، روش توازن انرژی سطحی یا الگوریتم سبال 3 است .[3] سبال برای تخمین تبخیر و تعرق، محاسبه ضرایب گیاهی و برآورد عملکرد آبیاری گسترده حوزه تحت شرایط کشت و اقلیم مختلف در چندین کشور شامل اسپانیا، سریلانکا، چین، و ایلات متحده به کار رفته و نتایج رضایتبخشی برای آنها ارائه شده است [7] ، همچنین Trezza و Allen (2003) با استفاده از دادههای ماهواره لندست و الگوریتم توازن انرژی سطح (سبال) نیاز آبی گیاه را با دقت قابل قبولی برآورد نمودند. همچنین تحقیقات
در بخشهای کشاورزی ، منابع طبیعی و محیط زیست
انجام شده از دیگر پژوهشهای انجام شده در زمینه ارزیابی مدل سبال در برآورد تبخیر و تعرق روزانه میتوان به مطالعات Hong و همکاران (2009) اشاره نمود. آنها با تلفیق تصاویر لندست 7 و مدیس با الگوریتم سبال نشان دادند که تبخیر و تعرق روزانه حاصل از دادههای لندست دارای اطمینان بالاتری نسبت به نتایج حاصل از مدیس است که این بهدلیل تفاوت در دقت مکانی، هندسی و رادیومتریک این دو تصویر است.
2. مواد و روشها
.1,2 منطقه مورد مطالعه
منطقه مورد مطالعه بخشی از حوزه آبخیز سفید رود و زیر حوضه زنجانرود (دشت سهرین)، واقع شهر زنجان میباشد که در محدوده جغرافیایی 48 درجه و 13 دقیقه و 20 ثانیه تا 48 درجه و 26 دقیقه و 25 ثانیه طول شرقی و بین 36 درجه و 46 دقیقه و 30 ثانیه تا 36 درجه و 58 دقیقه و40 ثانیه عرض شمالی واقع گردیده است. وسعت این ناحیه 198/16 کیلومترمربع می باشد و شامل اراضی کشاورزی و مرتع است. موقعیت جغرافیایی زیر حوضه آبریز زنجان شکل (1) ارائه شده است.
2,2 داده های مورد استفاده
تصاویر ماهوار های مورد استفاده شامل تصاویر لندست (TM) 5 در تاریخهای 11 خرداد و 13 تیر 10:50)دقیقه صبح) از تارنمای مربوط (http://earthexplorer.usgs.gov) تهیه شد.
داده های زمینی مورد استفاده در الگوریتم سبال، از مجموعه دادههای ایستگاه هواشناسی ماه نشان نزدیکترین ایستگاه به منطقه و واقع در جنوب آن بود.
2,3 نرمافزارهای مورد استفاده
در انجام این پروژه از 2 نرم افزار ERDAS و ENVI استفاده شده است.
2,4 مواد و روشها
مبنای این روشها بر این اصل استوار است که تبخیر و تعرق فرآیندی ناشی از شکل انتقال متلاطم انرژی است. معادله کامل توازن انرژی مربوط به صورت رابطه (1) بیان میشود:
که در آن، Rn تـابش خـالص شـار گرمـای خـاک شـار گرمـای محسـوس (W/m2) و شـار گرمـای نهـان (W/m2) می باشند. شار گرمای نهان، میزان تلفات گرما از سطح به علت تبخیر- تعرق را نشان میدهد که برای هر پیکسل تصویر ماهوارهای قابل محاسبه اسـت. بـا محاسبه مقادیر Rn، G و H می توان مقدار ET را برآورد نمود. این معادله با استفاده از دمای سطحی، بازتابندگی سطحی و شاخص NDVI و روابـط درونی آنها شارهای سطحی را برای انواع پوششهای سطح زمین برآورد مینماید. الگوریتم محاسباتی سبال بههمراه اجزاء معادلـه تـوازن انـرژی در زیـر نمایش داده شده است.
(1 تابش خالص ( Rn)
شار تابش خالص در سطح زمین با استفاده از تمامی شارهای تابشی ورودی و خروجی از سطح به دست میآید. شکل زیر وضعیت بیلان شار تابش در سطوح پوشش گیاهی به صورت فرضی نمایش میدهد. میزان تابش خالص در سطح زمین و اجزای آن از رابطه (2) تعیین میگردد.
که در آن، آلبیدوی سطحی، تابش موج کوتاه ورودی (0/3 تا 3 میکرومتر) تابش موج بلند ورودی( 3 تا 100 میکرومتر) تابش موج بلند خروجی گسیلمندی سطحی عریض باند میباشد. بنابراین تابش خالص عبارت از اختلاف بین جریان تابش ورودی و خروجی بوده و معیاری از مقدار انرژی موجود در سطح زمین به شمار میرود.
2- آلبیدوی سطحی
آلبیدو به صورت نسبت تابش الکترومغناطیسی خورشیدی بازتابی از سطح خاک و گیاه بر تابش ورودی تعریف میشود. آلبیدو بسته به نوع گیاه فرق میکند و حتی برای یک گیاه نیز در طول فصل رشد تغییر میکند. آلبیدوی سطحی با تصحیح مقدار برای اثرات شفافیت جوی به صورت رابطه (3) محاسبه میشود.
که در آن آلبیدوی بالای جو، - آلبیدوی ناشی از رادیانس مسیر و شفافیت جوی میباشد. آلبیدوی بالای جو به صورت زیر محاسبه میشود:
(3 تابش ورودی موج کوتاه
تابش ورودی موج کوتاه، شار تابش خورشیدی مستقیم و پراکنده است که در حالت واقعی به زمین میرسد. با فرض شرایط آسمان صاف، میتوان آن را به صورت رابطه (4) برای زمان تصویر برداری محاسبه کرد :
که، Gsc ثابت خورشیدی (1367 W/m2)، cos زاویه ورودی خورشید، dr معکوس مربع فاصله نسبی زمین تا خورشید و sw شفافیت جوی میباشد.
(4 تابش موج بلند خروجی
تابش موج بلند خروجی با استفاده از رابطه استفان- بولتزمن محاسبه میشود.
که در آن، گسیلمندی سطحی عریض باند، ثابت استفان- بولتزمن (5.67 10-8 W/m2/K4) و Ts دمای سطحی (کلوین) است. مقادیر بسته به محل و زمان تصویر برداری از 200 تا 700 وات بر متر مربع متغیر است.
