بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
برآورد میزان تبخیر و تعرق پتانسیل درایستگاههاي استان اصفهان
چکیده
تبخیر از سطوح مرطوب خاك و گیاه که آن را تبخیر و تعرق مینامند، یکی از پیچیده تـرین فرآینـدها در چرخـه هیدرولوژي است کـه در محاسـبات هیـدرولوژي از دو جهـت حـائز اهمیـت اسـت. یکـی محاسـبه تلفـات آب در حوضههاي آبریز و دیگري برآورد نیاز آبی در طرحهایی که آب مهار شده در سازههاي هیـدرولیک مـورد اسـتفاده قرار خواهد گرفت. در این تحقیق از دادههاي هواشناسی ایستگاههاي مورد مطالعه (اصفهان، کاشان، شهرضا، خـور و بیابانک، گلپایگان و نائین) استفاده شده و سپس جهت تعیین مناسب تـرین روش تبخیـر وتعـرق پتانسـیل1 در سطح منطقه، اقدام به تحلیل نمودارهاي مقایسهاي بین روشهاي تورنث وایـت2، بلینـی کریـدل3 و معادلـه لاري جانسون4 که در این تحقیق مورد استفاده قرار گرفتهاند، گردیده است. نتـایج ایـن تحقیـق نشـان داد کـه از بـین روشهاي مذکور، روش بلینی کریدل نسبت به دیگر روشها، بسیار نزدیک به تشت تبخیر بوده بـه طـوري کـه در ماههاي مختلف سال همبستگی خوبی با تشت تبخیر را داشته است. همچنین نتایج حاصل از پهنه بنـدي میـزان تبخیر و تعرق در سطح استان اصفهان نشان داد که از غرب به شرق و از جنوب به شمال، بر میزان تبخیر و تعـرق افزوده میشود، به طوري که در نواحی شمال شرقی استان (ایستگاه خور و بیابانک)، این پدیده به دلایلی همچون نزدیکی به کویر، افزایش گرماي سطح زمین و کم شدن نزولات جوي، به اوج خود میرسد.
واژگان کلیدي: تبخیر و تعرق پتانسیل، تورنث وایت، بلینی کریدل، معادله لاري جانسون، اصفهان
.1مقدمه
محدودیت منابع آبی مناسب از عمده ترین تنگناها و مشکلات کشـاورزي در کشـور ایران میباشد (بارگاهی، موسوي، .(60 :1385 از طرف دیگر افزایش روز افزون جمعیـت نیاز به تولید مواد غذایی بیشتر را ایجاب میکند. بنابراین یافتن راه کارهایی براي غلبـه بر کمبود آب در این مناطق همواره از این جمعیت رو به تزایـد تولیـد نمـود (افیـونی و همکاران، .(295- 304 :1380 فرآیند تبدیل آب به بخار را تبخیر می گویند. ایـن عمـل همراه با انتقال انرژي است، به طوري که مولکولهاي آب با اخذ 600 کالري گرما، حالت فرار از سطح آب را پیدا کرده و در نتیجه در هوا منتشر می شوند. این فرآیند به عوامل و شرایط مختلفی از جمله تابش خورشید( از نظـر شـدت ومـدت) ، خشـکی هـوا، درجـه حرارت، سرعت باد، و میزان رطوبت مطلق بستگی دارد. از دیدگاه آبشناسـی تبخیـر بـه مجموعه پدیدههایی گفته میشود که آب را صرفاً از راه یـک فرآینـد فیزیکـی بـه بخـار تبدیل میکند(اشپیگل5، .(272 :1372 تبخیر و تعرق بالقوه عبارتست از تبخیرو تعـرق از یک سطح مزروعی نامحدود که ارتفاع گیاهان آن یکسان بـوده داراي رشـد و فعالیـت باشند. به علاوه این گیاهان با سایه خود تمامی سطح خاك را بپوشانند و آب موجود در خاك نیز براي استفاده در حد مطلوب باشد (رامشت، .(111- 112 :1384 برآورد تبخیر و تعرق در مواردي از قبیل برنامهریزي آبیاري، تعیین تبخیر مخازن آب، محاسبه بـیلان آب، تخمین رواناب و مطالعات اقلیم شناسی ضروري است (مباشري و همکاران، :1386 .(11 محاسبه تبخیر وتعرق بالقوه خیلی پیچیده است، تورنث وایـت بـراي ایـن منظـور جدولهاي پیچیده اي تنظیم کرده است (تورنث وایت و متر1، .(97-98 :1957 تبخیـر و تعرق واقعی در شرایط طبیعی منطقه انجام شده، و با افزایش مقدار آب بیشتر میشـود، هر چند که مقدار آن هرگز بیشتر از تبخیر و تعرق بالقوه نخواهد شد. در نواحی خشـک که آب کافی براي تبخیر وجود ندارد، همیشه مقدار تبخیر و تعرق واقعی کمتر از مقـدار تبخیر و تعرق بالقوه است. اختلاف بین تبخیر و تعرق بالقوه و تبخیر و تعرق واقعی، نیاز آب منطقه را نشان میدهد. در مناطق مرطوب که آب به حد کافی وجـود دارد، ایـن دو مقدار بـا هـم برابرنـد. نتیجـه فرآینـد تبخیـر و تعـرق رطوبـت جـو اسـت (علیجـانی و کاویانی،.(209- 210 :1384 نسبت تبخیر به تبخیر و تعرق گیاه در طول دوره رشد بین 23 درصد و 56 درصد گزارش شده است (سپاسـخواه، .(1380 بـیلان تبخیـر و تعـرق واقعی در خشکی همیشه مثبت است، یعنی از 100 واحد بارش دریافتی خشـکی فقـط 61 درصد آن تبخیر می شود (خوش اخلاق، .(1387 محاسبه تبخیـر و تعـرق واقعـی و پتانسیل یکی از موارد حساس در علم اقلیم شناسی است؛ در اهمیت این موضوع همین بس که حدود 75 درصد از کل بارندگی سالانه در سطح کرة زمین دوباره بصورت تبخیر و تعــرق بــه جــو برمــی گــردد (بــاي بــوردي، .(491 :1372 در بررســی بــیلان هیدروکلیماتولوژي هر ناحیه تبخیر و در اکثـر مـوارد محاسـبه تبخیـر و تعـرق اهمیـت زیادي را دارد. زیرا تبخیر و تعرق با جریان و نفـوذ آب در خـاك یکـی از تلفـات بـیلان هیدرولوژي است. رصدهاي مربوط به تبخیر از طریق تشتهـا فقـط در مـورد تبخیـر و تعرق به ما اطلاع میدهند در این صورت تعیین تبخیر فصلی ضروري میشـود. در ایـن مورد بعد از آزمایشهاي مختلف فرمـولهـاي گونـاگونی ماننـد فرمـول پـنمن3، پـنمن مونتیث4، تورنت وایت ارائه شده است. بعضی از این فرمول ها سـادهانـد و کـاربرد شـان آسان است و بعضی پیچیدهاند واحتیاج به محاسبات زیـادي دارنـد، ولـی نتـایج حاصـل رضایت بخش است (محمدي، .(29-30 :1385 در مورد تبخیر از سـطح آبهـا، درجـه حرارت، شدت باد و درجه نمناکی بزرگتـرین نقـش را بـازي مـیکننـد (پـنمن، :1956 .(115 آخرین مرحله گردش آب درون پوشش گیاهی را تعرق گویند. میـزان تعـرق بـر حسب شدت نور، درجه حرارت، سرعت باد و دورة گیاهی و بـالاخره بـر حسـب جـنس زمین و تراکم گیاهان تغییر میکند(جعفرپور، .(110- 112 :1380 ویژگیهـاي آب کـه تنها بر تبخیر اثر میگذارند شامل کیفیت، عمق و اندازة پهنه آب میباشند. (تامپسون5، .(88 :1382 در دماي زیر صفر درجه سلسـیوس تبخیـري صـورت نمـیگیـرد؛ زیـرا در دماهاي زیر صفر، مولکولهاي آب به جاي حرکـات نـامنظم سـیال وار، در حجـم ثابـت حرکت منظم پیدا میکنند. تشتکها ساده ترین وسـیله انـدازه گیـري تبخیـر و تعـرق میباشند. میزان تبخیر در تشتکهاي واقع در روي زمین، بـیش از تشـتکهـاي داخـل زمین میباشد چون که در آنها، اطراف و کف تشـتک بـا هـوا در تمـاس بـوده و انـرژي بیشتري نسبت به حالت تماس با خـاك دریافـت مـیکننـد( مهـدوي، .(91 :1384 از تحقیقات صورت گرفته در زمینه محاسبه تبخیر و تعرق، میتـوان بـه بـرآورد تبخیـر و تعرق پتانسیل از طریق رگرسـیون چنـد متغیـره توسـط نـوربخش (1376) در منطقـه کوهستانی زاگرس (ایستگاه دامنه)، اشاره کرد.همچنین، فرهودي و شمسی پور (1379) در مقالهاي تحت عنوان برآورد تبخیر و تعـرق پتانسـیل منطقـه بلوچسـتان جنـوبی بـه بررسی این امر پرداختهاند و نتیجه گرفتهانـد کـه منطقـه بلوچسـتان جنـوبی در تمـام ماههاي سال داراي تبخیر و تعرق پتانسیل بالاتر از بارش است. شاهکویی((1378 نیز به بررسی تبخیر و ارزیابی میزان آن در شرق دریاي خزر پرداخته است.
.2موقعیت جغرافیایی منطقه مورد مطالعه
استان اصفهان بین 30 درجه و 42 دقیقه تا 34 درجه و 20 دقیقه عرض شمالی و
49 درجه و 40 دقیقه تا 55 درجه30 دقیقه طول شرقی با وسـعت 107027 کیلـومتر مربع قرار دارد و 6/5 درصد مساحت کشور را در بر می گیرد. موقعیت ایستگاههاي مورد استفاده در شکل (1) آمده است.
.3مواد روشها
.1-3 مواد
با توجه به اینکه استان اصفهان به عنوان یکی از استانهاي پهنـاور، داراي منـاطق مستعد زیادي براي کشاورزي میباشد، لذا مطالعه تبخیر و تعرق و اثرات آن در برآورد نیاز آبی واقعی گیاه و توسعه اقتصادي منطقه از جنبه هاي مختلفی که به منابع آب وابسته انـد می تواند مفید و ضروري باشد. بدین ترتیب جهت مطالعه تبخیر و تعرق پتانسیل مسـتقیم در ایستگاههاي منتخب منطقه ( اصفهان، گلپایگان، کاشان، خور و بیابانک، نائین، شهرضا) مجموع ماههاي سال طی دوره آماري 1976-2005 به جهت اهمیت فصل رویـش و نیـاز آبی براي رشد و نمو محصولات زراعی و مرتعی درنظر گرفته شد. جـدول (1) مشخصـات ایستگاههاي مورد استفاده شده در این تحقیق را نشان میدهد.
در این مطالعه جهت تعیین شاخصهاي خشکی و تبخیـر و تعـرق ، از محاسـبات آماري استفاده شده است. داده هاي دما از ایستگاههاي سینوپتیک از سازمان هواشناسی اخذ گردید. ایستگاههاي منطقه از نظر آماري مورد بررسی قرار گرفـت و از بـین آنهـا 6 ایستگاه در محدوده استان اصفهان که پوشش کاملی را دارنـد، انتخـاب گردیـد. سـپس دادههاي آماري به لحاظ کمی وکیفی بوسیله آزمون رانتست1 مورد ارزیابی قرار گرفت و در ادامه با بهره گیري از نرم افزارهـاي SPSS و Excel بـه تجزیـه و تحلیـل دادههـا پرداخته شد. در پایان جهت تعیین فصول خشـک و نیمـه خشـک و فصـولی کـه بـراي رویـش و کشـت وکـار مناســب مـیباشـد، از شـاخصهــاي محاسـبه تبخیـر و تعــرق بلینیکریدل، تورنث وایت و معادله لاري جانسون استفاده گردید
.مدل هاي استفاده شده در تحقیق
.2-3 روشها
.1-2-3روش تورنث وایت
در روش تورنث وایت که میزان تبخیر- تعرق پتانسیل براساس دماي متوسط ماهانه است به صورت زیر محاسبه میشود (علیزاده، :(236 :1386 (
الف). ابتدا نمایه حرارتی im براي هر یک از ماههاي سال از معادله زیر بدست می آید:
در این معادله im نمایه حرارتی هر ماه و Tm متوسط دماي هر ماه بـر حسـب سـانتی گراد در ماه موردنظر اسـت ایـن کـار بـراي تمـام 12 مـاه سـال انجـام می گردد. در صورتی که متوسط دما در یک ماه صفر یا منفـی باشـد im بـراي آن مـاه صفر درنظر گرفته میشود.
ب). نمایه حرارتی سال (I) از جمع نمایه هاي حرارتی ماهانه بدست می آید:
پ). براي هر یک از ماههاي سال تبخیر- تعرق پتانسیل (PET) بر حسب میلی متـراز فرمول زیر محاسبه میشود:
ت). محاسبه PET با استفاده از معادله بالا براي هر یک از ماهها با این فرض بوده است که هر ماه 30 روز و هر روز 12 ساعت روشنایی داشته باشد، حال با توجه بـه ایـن کـه تعداد روزهاي هر ماه و تعداد ساعات روشنایی در ماههاي مختلف سـال متفـاوت اسـت.
بنابراین لازم است PET با اعمال ضریب nm اصلاح گردد. لذا PET برابر خواهـد بـود با:
.2-2-3روش بلینی - کریدل
یکی از قدیمی ترین روشهاي تخمین تبخیر- تعرق پتانسیل روش بلانی - کریـدل است که بعداَ فرمول پیشنهادي آنها توسط پروت1 از اساتید سابق دانشگاه کالیفرنیا مورد واسنجی قرار گرفت و براي تخمین تبخیر- تعرق گیاه مرجع چمن به صورت زیـر ارائـه شد (علیزاده، :(248 :1386
=ET0 تبخیـر و تعـرق گیـاه مرجـع (چمـن) بـر حسب میلیمتر در روز .(mm/d)
=P ضریب مربوط به طول روز یا درصد سالانه تابش آفتاب در مـاه کـه بصـورت روزانـه توصیف شده است (متوسط ساعات روشنایی هر روز در ماه مـورد نظـر تقسـیم بـر کـل ساعات روشنایی سال ضرب در .(100
=T متوسط ماهانه درجه حرارت، C0 a و = b ضرایب اقلیمی
ضرایب a و b بستگی به حداقل رطوبت نسبی هوا ، نسبت ساعات واقعی آفتاب (n) بـه حداکثر ممکن ساعات آفتابی (N) یعنی n/N و سرعت باد در روز (Uday) دارد.
مقادیر a و b را می توان از معادله هـاي زیـر به دست اورد
در این فورمول ها n تعداد ساعات واقعی آفتاب، N حداکثر ساعات ممکن تابش آفتـاب، RHmin حداقل رطوبت نسبی (درصد) و Uday سرعت باد در طول روز در ارتفـاع 2 متري از سطح زمین (متر بر ثانیه) است.
.3-2-3معادله لاري جانسون
لاري جانسون یک رابطه خطی را بین تبخیـر- تعـرق پتانسـیل (PET) و گرمـاي موثر به صورت زیـر پیشـنهاد نمـوده انـد: علیزاده، :(245 :1386 )
در ایــن معادلــه مقــدار درجــه روز تجمعی دماهاي ماکزیمم روزانه براي دوره مورد نظر می باشد. لازم به ذکر است Dm بـر حسب درجه فارنهایت محاسبه میشود. در این صورت PET برحسب سانتی متر بدست میآید.
.4یافتههاي تحقیق
.1-4تجزیه و تحلیل تبخیر ایستگاههاي استان اصفهان
در این تحقیق تبخیر و تعرق پتانسیل ماهانه و سالانه از طریق روشهاي برآورد تبخیر وتعرق تورنث وایت، بلینی کریدل، معادله لاري جانسون و روش اندازهگیري مستقیم (تشت) براي کلیه ایستگاههاي منتخب محاسبه گردیده است (جدول.(2 مطابق جدول، کمترین میزان تبخیر و تعرق بر اساس تشت تبخیر در سطح استان، مربوط به ماه ژانویه بوده در حالی که بیشترین آن در ماه ژوئیه رخ میدهد؛ به طوري که بیشینه تبخیر و تعرق در ایستگاه خور و بیابانک با مقدار 322 میلیمتر در ماه ژوئیه و کمینه آن با مقدار 15 میلیمتر در ماه ژانویه در ایستگاه اصفهان اتفاق میافتد. در روش معادله لاري جانسون تغییرات تبخیر و تعرق از مکانی به مکان دیگر و از فصولی به فصول دیگر بسیار کم است و تنها پارامتر موثر مقدار درجه روز میباشد و این تغییرات در سطح استان بین 299 تا 395 میلی متر در ماههاي مختلف میباشد. علت عمده کم بودن تغییرات در این معادله به علت وجود مقدار ثابت 244 میلی متر در معادله میباشد. در روش تورنث وایت پارامترهاي مؤثر، متوسط دماي سالانه و درجه روز میباشد و تغییرات تبخیر و تعرق نیز از مکانی به مکان دیگر و از فصولی به فصول دیگر زیاد است. این تغییرات در سطح استان بین 1 تا 222 میلی متر در ماههاي مختلف میباشد. کمترین میزان تبخیر و تعرق با روش تورنث وایت به میزان 1/1 میلی متر در ماه ژانویه ایستگاه گلپایگان رخ داده است در حالی که بیشترین آن به میزان 222/8 میلی متر در ماه جولاي ایستگاه خوربیابانک رخ میدهد. در روش بلانی کریدل نیز پارامترهاي مؤثر دماي متوسط ماهانه و درصد سالانه تابش آفتاب می باشد و تغییرات آن در سطح استان بین 10 تا 234 میلی متر در ماههاي مختلف میباشد به طوري که کمترین مقدار در ایستگاه گلپایگان 9/7 میلی متر در ماه ژانویه و بیشترین مقدار 234 میلی متر در ماه جولاي خوربیابانک اتفاق میافتد. مطابق شکل (2) کمینه میزان تبخیر و تعرق در منطقه مربوط به ایستگاه گلپایگان میباشد. در این ایستگاه به علت ارتفاع زیاد و دماهاي پایین و در نتیجه بالا بودن میزان رطوبت نسبی، میزان تبخیر و تعرق پایین میباشد. و همچنین بیشینه میزان تبخیر و تعرق سالانه به شمال شرق منطقه در ایستگاه خور و بیابانک مربوط میگردد که با توجه به نزدیکی به دشت کویر و دماهاي بالا نسبت به ایستگاههاي مجاور، میزان تبخیر و تعرق به ویژه در فصول بهار و تابستان به اوج خود میرسد.
شکل.2 نمودار مقایسه تبخیر و تعرق سالیانه در ایستگاههاي استان اصفهان
در ادامه براي بررسی بهتر تغییرات میزان تبخیر و تعرق در مـاههـاي گـرم و سـرد سال، ایستگاه اصفهان به عنوان نمونه مورد بررسی قرار کرفت. مطابق شکلهاي 3) و(4،
