بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسي روند تغييرات مکاني و زماني تبخير و تعرق به کمک سنجش از دور در مناطق نيمه خشک
چکيده
تخمين دقيق تبخير و تعرق نقش مهمي در بيلان آب در مقياس منطقه اي براي برنامه ريزي و مديريت بهتر منابع آب ايفا مي کند. تبخير وتعرق از طريق برآورد تبخيروتعرق پتانسيل در ايستگاههاي هواشناسي و يا مستقيما از اندازه گيري هاي مزرعه اي بدست مي آيد ولي تبخير و تعرق معمولابه تغييرات در زمان و مکان بارش، خصوصيات هيدروليکي خاک و نوع و تراکم پوشش گياهي واکنش سريع نشان مي دهد. بنابراين تقريبا تعيين و توزيع زماني ومکاني تبخير و تعرق در مناطق وسيع تنها با لايسيمتر و وسايل اندازه گيري دقيق ممکن نيست . به همين دليل محققان از دادهها و الگوريتمهاي مبتني بر سنجش از دور براي تعيين تبخير و تعرق واقعي استفاده مي کنند. در اين تحقيق روند تغييرات تبخير و تعرق واقعي دشت نيشابور با الگوريتم بيلان انرژي براي زمين در طي دوره ١٣٧٩تا١٣٩٢ به کمک تصاوير سنجنده موديس و داده هاي هواشناسي مورد بررسي قرار گرفت . همچنين تبخير و تعرق تعيين شده با مدل هاي پنمن مانتيث و هارگريوز ساماني مقايسه و ارزيابي شد.وجود ضرايب خطا پايين بين مدل پنمن مانتيث و سبال، دقت زياد الگوريتم سبال را در تخمين تبخير و تعرق و پارامترهاي آن نشان داد. نتايج حاصل از مقايسه تبخير وتعرق و شاخص پوشش گياهيNDVI نيز مشخص کرد پوشش گياهي و تبخير و تعرق با داشتن ضريب تببين (٠.٩٠٨ =R2) همبستگي خوبي با هم دارند. همچنين فرآيند تغييرات شاخص NDVI، دماي سطحي زمين و تبخير و تعرق در مزارع مورد تحقيق نشان داد که تبخير و تعرق با پايين رفتن دماي سطحي زمين و افزايش تراکم پوشش گياهي، زياد مي شود.
واژه هاي کليدي:الگوريتم سبال، تصاوير موديس ،دماي سطحي زمين ، شاخص NDVI، پنمن مانتيث ، هارگريوز-ساماني .
مقدمه
تبخيرو تعرق زمين هاي آبياري يک ابزار مفيد براي ارزيابي کفايت مقدار آب آبياري مورد استفاده مي - باشد. همچنين تبخير و تعرق واقعي يکي از اجزاي اصلاي بيلان هيدرولوژيکي است و تاثير آن بر روي مطالعات هيدرولوژي، کشاورزي، جنگلداري و محيط زيست واضح و روشن مي باشد. روش مرسوم محاسبه تبخير و تعرق براساس دادههاي هواشناسي است ولي اين طريق محاسبه بر اساس مشاهدات نقطه اي و دادههاي هواشناسي به دليل تغييرات زماني و مکاني آن مشکل مي - باشد. تخمين منطقي و بهتر تبخير و تعرق در مناطق بزرگ ميتواند به کمک تصاوير ماهوارهاي و سنجش از دور به - دست آيد. اين روش مي تواند ابزار مفيدي براي محاسبه تبخيرو تعرق واقعي از يک پيکسل منحصر به فرد تا کل تصوير فراهم نمايد.
در ساليان اخير، الگوريتم هاي سنجش از دور متعددي براي تعيين تبخير و تعرق گسترش يافته اند و نتايج قابل قبولي را ارائه نمودند. يکي از الگوريتم هاي سنجش از دوري مهم در محاسبه تبخير و تعرق واقعي، الگوريتم بيلان انرژي براي زمين است که ميتواند براي تخمين اجزا مختلف بيلان انرژي سطح زمين و همچنين تبخير و تعرق واقعي به کار برده شود(ساري و همکاران ،
٢٠١٣). الگوريتم سبال در اکثر نقاط دنيا با اقليم هاي مختلف ، به منظور برآورد تبخير و تعرق و ساير شارهاي گرمايي در سطح مورد استفاده قرارگرفته و نتايج نسبتا رضايتبخشي را ارائه کرده است .
استيل و همکاران (٢٠١٤) براي کم کردن اثرات سيل رودخانه دويس در شمال شرقي ايالت داکوتاي شرقي آمريکا از الگوريتم سنجش از دور سبال و دادههاي کابري اراضي و پيمايش زميني استفاده کردند. اختلاف ١٧ و ٤١ ميليمتر تبخير وتعرق محاسبه شده پنبه و گندم با سبال و دادههاي اندازه گيري شده در طول فصل کشت نشان ميدهد که ميتوان براي کاهش اثرات سيل و مديريت منابع آب نيز از الگوريتم سبال استفاده نمود.پاپاداويد و همکاران (٢٠١٣) الگوريتم CYSEBAL را براساس الگوريتم سبال، داده هاي هواشناسي و خاک محلي براي دهکده ماندريا از بخش پافوس قبرس محاسبه نمودند و اين الگوريتم را با الگوريتم سبال که براساس معادلات تجربي تعيين شده بود و همچنين روش پنمن مانتيث به عنوان مرجع مقايسه نمودند. آنها از تصاوير لندست ٥ TM ولندست ٧ +ETM براي مشخص کردن پارامترهاي مدل سبال استفاده نمودند.
نتايج آناليز t آنها نشان داد که تفاوت بين SEBAL و CYSEBAL معنيدار و تفاوت بين CYSEBAL و روش پنمن معنيدار نيست . همچنين کريمي و همکاران(١٣٩١) دقت تبخير وتعرق روزانه حاصل از الگوريتم سبال و تصاوير ماهواره TM LANDSAT٥ را در مقابل اندازه گيري هاي لايسيمتري در مزرعه ذرت واقع در دشت ماهيدشت - سنجاني استان کرمانشاه ارزيابي و تبخير وتعرق را در سطح دشت مورد مطالعه برآورد کردند.
حداکثر درصد خطا بين تبخير و تعرق محاسبه شده براي محصول ذرت با الگوريتم سبال و مقادير اندازه گيري شده در لايسيمتر کمتر از ١٠درصد تعيين گرديد. در تحقيقي ديگر در ايران، اکبري و همکاران(١٣٩٠) به کمک سنجش از دور، تبخير وتعرق پتانسيل و واقعي را در شرايط اقليمي مختلف برآورد کردند و نتيجه گرفتند که ميزان تبخير و تعرق در سال کم بارش به بيشترين ميزان رسيده است . با مقايسه نتايج تبخير و تعرق به دست آمده از روش سنجش از دور با دو روش برآورد تبخير- تعرق (هارگريوز و پنمن مانتيث ) در هر سال مشاهده شد که نتايج به دست آمده از روش سنجش از دور با ريشه ميانگين مربعات خطاها ٠.٦٧ و ميانگين خطاي مطلق ٠.٤، مطابقت خوبي با برآوردهاي حاصل از روشهاي محاسباتي دارد که نشان دهنده امکان استفاده از تکنيک سنجش از دور براي تخمين تبخير و تعرق مکاني در سطوح مختلف مزرعه و شبکه هاي آبياري مي باشد.
در اين مطالعه سعي شد به ارزيابي تغييرات مکاني و زماني تبخير و تعرق واقعي و نيازآبي گياهان بر اساس مدل سنجش از دور SEBAL در دشت نيشابور پرداخته شود. براي بازيابي و محاسبه پارامترهاي بيلان انرژي از تصاوير سنجنده موديس ماهواره ترا استفاده شد. همچنين دراين تحقيق ، رابطه تبخير وتعرق با شاخص پوشش گياهي NDVI و دماي سطحي زمين در موقعيت هاي مکاني و زماني مختلف دشت مشخص و با هم مقايسه گرديد.
اين حوضه از جهات شمال، جنوب، غرب و شرق بترتيب به ارتفاعات بينالود، تپه ماهورهاي نيزه بند، سياه کوه و کوه نمک (حوضه آبريز دشت رخ)، حوضه آبريز دشت سبزوار و بلنديهاي ليلا جوق و يال پلنگ محدود شده است . حداکثر و حداقل ارتفاع حوضه بترتيب با ٣٣٠٥ و١٠٦٥متر در قله بينالود و خروجي رودخانه کال شور از حوضه واقع شده است . آب و هواي منطقه نيمه خشک و خشک ، متوسط درجه حرارت آن ١٢درجه سانتيگراد و ميزان بارندگي آن بطور متوسط براي کل دشت ٢٩٢ ميلي متر گزارش شده است . ميزان تبخير بعلت بالابودن درجه حرارت هوا زياد بوده و متوسط آن براي کل حوضه ٢٣٣٥ ميليمتر در سال است (خاشعي سيوکي و شجاعي سيوکي، ١٣٩٠).
مواد و روشها
منطقه مورد مطالعه
منطقه مطالعاتي در اين تحقيق دشت نيشابور ميباشد، اين دشت با وسعت ٧٢٩٣ کيلومترمربع ، جزيي از حوضه آبريز کوير مرکزي بوده که ٤١٠٠ کيلومتر مربع آن را دشت (٥٦ درصد) و بقيه را ارتفاعات تشکيل ميدهد.از نظر موقعيت جغرافيايي حوضه مذکور در حدفاصل ١٣ ٥٨ تا ٣٠ ٥٩ طول شرقي و ٤٠ ٣٥ تا ٣٩ ٣٦ عرض شمالي قرار دارد شکل (١).
العه در سطح استان و کشور
روش تحقيق
در اين تحقيق از تصاوير سنجنده موديس ماهواره ترا براي سالهاي ١٣٧٩ تا ١٣٩٢ استفاده شده است . ١٤تصوير ماهوارهاي که مربوط به روز ژوليوسي ١٩٠(٩ژولاي ميلادي يا ١٨تير شمسي) ميباشد براي تعيين تبخير و تعرق واقعي با الگوريتم سبال در نظر گرفته شده است . اين تصاوير قدرت تفکيک يک کيلومتر دارند و بنابراين هرپيکسل از اين تصاوير مساحتي در حدود ١٠٠هکتار زمين را شامل ميشود. براي ارزيابي مدل سبال، تبخيروتعرق به کمک روش هاي پنمن مانتيث و هارگريوز ساماني و با درنظرگرفتن ضريب رشد گياهي محاسبه شده و با تبخيروتعرقي که از الگوريتم سبال بدست آمده، مورد مقايسه و بررسي قرار گرفتند. همچنين نرم افزارهاي ERDAS9.1، ٥ ENVI و ARC GIS10.2 براي پردازش تصاوير ماهواره اي و تهيه نقشه هاي خروجي بکار برده شده اند.
الگوريتم بيلان انرژي براي زمين (سبال)يکي از الگوريتم هاي سنجش از دور است که تبخير و تعرق گياه را براساس تعادل لحظه اي انرژي در سطح هر پيکسل از تصوير ماهوارهاي محاسبه مينمايد(باستيانسن و همکاران(١٩٩٨)، باستيانسن (٢٠٠٠) و باستيانسن و همکاران(٢٠٠٥)). بنابراين روشها و الگوريتم هايي مانند سبال نيازمند حل معادله بيلان انرژي هستند که در آن تبخير و تعرق واقعي(λET) بعنوان جزء باقيمانده اختلافات بين تشعشع خالص ورودي به سطح زمين ( Rn) و شار گرماي محسوس خارج شده از سطح (H) و نيز شار گرماي ورودي به زمين (G) قابل محاسبه مي باشد:
که در آن:
مقدار Rn تفاضل بين شارهاي تشعشعي ورودي(↓) و خروجي(↑) است که بصورت طول موجهاي بلند (L) و کوتاه(S) به محدوده مجاور سطح زمين وارد وخارج شده و تابعي از مقدار آلبيدوي سطحي(α) و ضريب گسيلندگي سطحي ( ) است و بر اساس معادله زير به دست ميآيد:
که در آن:
آلبيدوي سطحي، تابش موج کوتاه ورودي (٠.٣ تا ٣ ميکرومتر) بر حسب وات بر متر مربع ، تابش موج بلند ورودي (٣ تا ١٠٠ ميکرومتر) بر حسب وات بر متر مربع ، تابش موج بلند خروجي بر حسب وات بر متر مربع ، گسيلندگي سطحي عريض باند ميباشد.بنابراين تابش خالص عبارت از اختلاف بين جريان تابش ورودي و خروجي بوده و معياري از مقدار انرژي موجود در سطح زمين به شمار ميرود. مقدار G يا همان شار حرارتي خاک از رابطه تجربي باستيانسن بر اساس معادله زير به دست مي آيد:
که در آن:
TS: دماي سطحي بر حسب درجه سانتيگرادو α: آلبيدوي سطحي ميباشد.NDVI شاخصي است که به ميزان و وضعيت پوشش گياهي حساسيت دارد و اين شاخص نشانه توان و تراکم پوشش گياهي سطح مي باشد.کوچکي و بزرگي آن وابسته به فعاليت فتوسنتز در گياه مستقر بر سطح زمين است . به شکل کلي مقادير بزرگتر اين شاخص نشانه شادابي و تراکم بيشتر پوشش گياهي خواهد بود.
دامنه آن به شکل نرمال در محدوده ١- تا ١+ در نظر گرفته مي شود. شاخص مزبور از رابطه زير قابل بررسي و تخمين خواهد بود:
که در آن:
NIR: معرف باند فروسرخ نزديک و RED: باند قرمز ميباشد. در سبال بهتر است از بازتابندگي اين دو باند استفاده شود. تصاوير سنجنده موديس داراي ٣٦ باند مجزا از هم ميباشد که باند دو،طول موجي معادل فروسرخ نزديک (NIR) و باند يک طول موج باند قرمز(RED) را مشخص مي کند.
يکي ديگر از اجزاي معادله بيلان انرژي شارگرماي محسوس(H) است . روابط آيرو ديناميکي موجود بيانگر ارتباط شارگرماي محسوس (H) با اختلاف دماي بين سطح زمين و هواي مجاور چسبيده به سطح است که بصورت زير قابل تخمين است :
که در آن:
pair :چگالي هوا (کيلوگرم بر مترمکعب )، Cair:گرماي ويژه هوا (ژول بر کيلوگرم بر کلوين )، dT :اختلاف دماي بين دو ارتفاع z١ و z٢ (کلوين ) و rah: مقاومت آيروديناميکي براي انتقال گرما (ثانيه بر متر) ميباشد. شار گرماي محسوس(H) توسط يک سري روابط رفت و برگشتي و تا زمان ثابت شدن يک عامل به نام طول مونين -ابوخوف (L) تعيين مي گردد.
در روش سبال براي برآورد شار گرماي محسوس، ابتدا بايد دو پيکسل سرد و گرم که به پيکسل - هاي آستانه معروفند تعيين شود. يکي از اين پيکسل ها که پيکسل سرد است مربوط به منطقه اي ميشود که به طورکامل پوشيده از پوشش گياهي آبياري شده با دماي سطح زمين پايين باشد که اين پيکسل داراي تبخير و تعرق معادل تبخير و تعرق مرجع ميباشد. پيکسل دوم که پيکسل گرم ناميده ميشود نقطه مقابل پيکسل سرد مي - باشد و زمين هاي بدون پوشش گياهي با دماي سطح زمين زياد را شامل ميشود. در اين تحقيق براي تعيين پيکسل سرد از Ts و NDVI استفاده شده است به طريقي که در پيکسل سرد، NDVI حداکثر و Ts حداقل و در پيکسل گرم شاخص NDVI حداقل و Ts حداکثر مي باشد.
در سبال براي بدست آوردن اختلاف دماي هواي نزديک سطح (dT) در هر پيکسل ، ابتدا بايد اين پارامتر را براي پيکسل هاي سرد و گرم بدست آورده و با ايجاد رابطه خطي بين اين دو پيکسل مي توان مقدار dT را براي ساير پيکسل ها بدست آورد. پس از آن مقدار شار گرماي محسوس بر اساس شرايط جوي و فرآيند تکراري تصحيح ميگردد. مقدار لحظه اي تبخير و تعرق براي زمان گذر ماهواره به کمک شار گرماي محسوس، شار گرماي نهان، ميزان تلفات گرما از سطح به علت تبخير- تعرق براي هر پيکسل با توجه به رابطه زير قابل محاسبه ميباشد.
که در آن:
ETinst : تبخير- تعرق لحظه اي (mm.hr) و :گرماي نهان بخار آب مي باشد.
که در آن:
ETr-inst تبخير و تعرق مرجع در مقياس ساعتي، ٢٤-ETr تبخير و تعرق در مقياس روزانه ، EtrF نسبت تبخير و تعرق واقعي ساعتي به تبخير وتعرق مرجع ساعتي که محققان نشان دادند که EtrF شبيه به ضريب رشد گياهي (KC) بوده و مقدار آن در طول روز يا دوره زماني مورد نظرثابت مي باشد(آلن و همکاران، ٢٠٠٢). در اين تحقيق ، جهت برآورد تبخير- تعرق روزانه از تبخير- تعرق لحظه اي، از مفهوم تبخير- تعرق گياه مرجع استفاده شده است .
به اين منظور، تبخير- تعرق گياه مرجع در مقياس ساعتي در لحظه گذر ماهواره (ETr-inst) و همچنين ميزان آن در مقياس روزانه (٢٤-ETr) براي ايستگاه هواشناسي معرف منطقه محاسبه ميگردد. سپس نسبت تبخير-تعرق لحظه اي محاسبه شده از مدل سبال به تبخير- تعرق گياه مرجع در مقياس ساعتي در لحظه گذر ماهواره تعيين و حاصلضرب اين نسبت در تبخير- تعرق روزانه گياه مرجع ، ميزان تبخير- تعرق واقعي روزانه (٢٤-ETact) ميباشد. مقدار تبخير- تعرق گياه مرجع در مقياس ساعتي در لحظه گذر ماهواره (ETr-inst) و همچنين ميزان آن درمقياس روزانه (٢٤-ETr) به کمک دادههاي ايستگاه هواشناسي سينوپتيک نيشابور و نرم افزار Ref-ET بوسيله دو روش پنمن مانتيث و هارگريوز ساماني محاسبه شده است .
روش پنمن مانتيث به عنوان روش استاندارد براي محاسبه تبخير تعرق مرجع با استفاده از دادههاي هواشناسي بيان مي شود. همچنين روش پنمن مانتيث ، تنها روش برآورد است که براي اکثر کشورهاي با اقليم خشک و نيمه خشک از جمله ايران پيشنهاد شده است و معادله آن بصورت زير مي باشد(عليزاده، ١٣٨٥).
که در آن:
T : ميانگين دماي روزانه هوا برحسب درجه سانتيگراد، es: فشار بخار اشباع برحسب کيلوژول، ea: فشار بخار واقعي برحسب کيلوژول، es-ea: کمبود فشار بخار اشباع، Δ: شيب منحني فشار بخار برحسب کيلوپاسکال بر درجه سانتي گراد و γ: ضريب ثابت سايکرومتري برحسب کيلوپاسکال بر درجه سانتيگراد مي باشد.
روش هارگريوز ساماني نيز يکي ديگر از روش - هاي محاسبه تبخير و تعرق مرجع مي باشد که در سال ١٩٨٥ ميلادي توسط هارگريوز- ساماني ارائه شد(عليزاده، .(1385
که در آن:
ET0: تبخير و تعرق گياه مرجع بر حسب ميليمتر در Tmax،Tmin و Tmean : حداکثر، حداقل و ميانگين روز، دماي روزانه و Ra: حداکثر ممکن تابش خورشيد به سطح زمين با توجه به عرض جغرافيايي مي باشد.
به منظور ارزيابي مدل سبال در برآورد ميزان تبخير و تعرق از شاخص هاي آماري مجذور ميانگين خطا١، ميانگين خطاي مطلق ٢، تفاضل نسبي (RD) و قدرمطلق تقاضل مطلق (AD)استفاده شده است .
که در آن:
Xi و Xm مقادير بدست آمده از مدل سبال و روشهاي پنمن مانتيث و هارگريوز-ساماني و n تعداد کل دادهها است . هرچه مقادير شاخص هاي آماري به صفر نزديکتر باشند، به اين معناست که مقادير بدست آمده از سبال از ميزان خطاي کمتري برخوردارند.
نتايج
در اين تحقيق ، تبخير و تعرق واقعي به کمک مدل سبال براي يک دوره زماني بين سال هاي ١٣٧٩ تا ١٣٩٢ و روز ژوليوسي١٩٠(١٨تيرماه) براساس يک سري فرمولها و محاسبات تعيين شده است . با اين عمل علاوه بر مشخص شدن توزيع مکاني تبخير و تعرق در سالهاي مختلف ، از روند تغييرات تبخيروتعرق در طي يک سري سالهاي متوالي اطلاع حاصل شد. برخي از اطلاعات و اجزا مدل سبال براي تصاوير مورد نظر در جدول(١) نشان داده شده است . اين اعداد مربوط به پيکسل ايستگاه سينوپتيک نيشابور ميباشد که از نقشه توزيع مکاني مربوط به هر پارامتر استخراج شده است . با انتخاب ١٤ تصوير از ١٤ سال مختلف ميتوان از روند تغييرات تبخير و تعرق و پوشش گياهي در طي اين سالها نيز مطلع شد.همچنين در اين تحقيق ، رابطه بين تبخير و تعرق با پوشش گياهي و دما مورد بررسي قرار گرفت . پنمن مانتيث و هارگريوزساماني از جمله روشهاي محاسباتي هست
