بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بروزرساني مدل توزيعي رطوبت خاک پالمر با استفاده از داده هاي تبخير- تعرق پتانسيل حاصل از سنجنده ماديس
چکيده
رطوبت خاک يکي از مهم ترين پارامترهاي هيدرولوژيکي است که در پايش خشکسالي کشاورزي از اهميت خاصي برخوردار است . مدل پالمر يک مدل هيدرولوژيکي است که در عين سادگي کاربرد گسترده اي در برآورد انحراف رطوبت خاک و پايش خشکسالي دارد. اخيرا مدل توزيعي پالمر به منظور مطالعه خشکسالي در ايران توسط تعدادي از محققين داخل کشور با انجام اصلاحاتي بر مدل پالمر توسعه داده شده است . اما آنچه که کمتر مورد توجه قرارگرفته است اصلاح روش محاسبه تبخير-تعرق است که بدون شک تاثير زيادي بر مقدار رطوبت باقيمانده در خاک دارد. در اين تحقيق ، به منظور کاهش تأثير عدم قطعيت پارامترهاي ورودي مدل در سطح منطقه اي، نقشه هاي تبخير-تعرق پتانسيل با قدرت تفکيک مکاني ١ کيلومتر از تصاوير ماهواره اي سنجنده ماديس و با استفاده از الگوريتم آهاس استخراج شد و در نهايت در بروزرساني مدل پالمر مورد استفاده قرار گرفتند. با استفاده از مدل توزيعي پالمر، شبيه سازي رطوبت خاک با و بدون فرآيند بروزرساني در سال هاي ٨٠-١٣٧٩ و ٨٥-١٣٨٤ به عنوان سال هاي خشک و تر صورت پذيرفت . نتايج ، حاکي از آن بود که شبيه سازي همراه با بروزرساني مدل توزيعي پالمر مقدار ضريب تبيين را نسبت به شبيه سازي بدون بروزرساني افزايش ميدهد بطوريکه ضريب تبيين از ٠.٣٠٤ به ٠.٥٣٤٨ در ماه خرداد ارتقا يافت .
نتايج نشان ميدهد که ورود نقشه هاي تبخير-تعرق پتانسيل در دوره خشک بر افزايش دقت نتايج خروجي مدل تاثير مثبت داشته است در حاليکه در سال تر، نتايج بهبود چشمگيري نشان نميدهد. بالاترين مقدار ضريب تبيين و کمترين مقدار خطاي مطلق در دوره خشک در ماه خرداد و برابر با ٠.٥٣ و ٠.٠٥٩٥ مشاهده شد که نشان ميدهد بهترين زمان براي بروزرساني، استفاده از تصاوير شبيه سازي شده تبخير-تعرق پتانسيل در اين ماه ميباشد.
واژه هاي کليدي: الگوريتم آهاس ، تبخير- تعرق پتانسيل ، رطوبت خاک، ماديس .
مقدمه
رطوبت ، يکي از مهمترين پارامترهاي هيدرولوژيکي است که در مطالعات محيطي، سيل ، خشکسالي و مديريت آب کشاورزي از اهميت بالايي برخوردار است . به دليل ماهيت رطوبت خاک و تغييرات زماني و مکاني اين پارامتر تا کنون تلاش هاي زيادي در براورد دقيق اين پارامتر صورت پذيرفته که از روش هاي اندازه گيري ميداني تا استفاده از مدل هاي هيدرولوژيکي و اگرو هيدرولوژيکي و روش هاي مبتني بر فناوري سنجش از دور را شامل ميگردد (باي بوردي، ١٣٨٠؛ بداق جمالي و همکاران ، ١٣٧٧؛ ويگنرون و همکاران ، ١٩٩٨).
عليرغم اهميت غير قبل انکار رطوبت خاک در مطالعات محيطي، به دليل پر هزينه و وقت گير بودن اندازه گيريهاي ميداني، استفاده از اين روش ها در ايران تاکنون به طور گسترده در پايش رطوبت خاک مورد استفاده واقع نشده است . اما در عوض ، کاربرد مدل هاي شبيه سازي به دليل رفع موانع موجود در اندازه گيريهاي ميداني و امکان پيش بيني تغييرات زماني و مکاني رطوبت و همچنين تلفيق آن ها با داده هاي سنجش از دور رو به افزايش -است . امروزه استفاده از اطلاعات سيستم هاي سنجش از دور ماهواره اي نيز با توجه به ويژگيهاي منحصر بفرد آن از قبيل ديد وسيع و يکپارچه ، سرعت انتقال اطلاعات و امکان بکارگيري سخت افزارها و نرم - افزارهاي ويژه ، با استقبال زيادي روبرو شده است و به عنوان ابزاري مناسب در ارزيابي، نظارت ، کنترل و مديريت منابع آب و خاک، جنگل ها، مراتع ، کشاورزي و محيط زيست بکار گرفته شده و به مرور بر دامنه وسعت کاربري آن افزوده ميگردد (به نقل از نوروزياقدم و کرمي، ١٣٨٨).
مدل هيدرولوژيکي پالمر که يک مدل ساده بيلان آب است توسط پالمر در سال ١٩٦٥ ميلادي به منظور برآورد انحراف رطوبت خاک و پايش خشکسالي ارائه گرديد. به دليل سادگي ساختار مدل و تعداد اندک پارامترهاي ورودي که تنها شامل بارندگي، دما و ذخيره رطوبتي خاک ميباشد، اين مدل به تدريج بصورت گسترده اي در مطالعات خشکسالي مورد استفاده واقع شد. تاکنون تحقيقات متعددي با استفاده از اين مدل انجام شده و توانايي آن در شرايط مختلف مورد بررسي قرارگرفته است . کارل (١٩٨٦) به بررسي حساسيت مدل پالمر و واسنجي برخي ضرايب تجربي مورد استفاده در مدل پرداخت . وي اظهار داشت که مدل ، تغييرات رطوبت در کوتاه مدت را به خوبي شبيه سازي ميکند. کيورينگ و پاپاکرياکو (٢٠٠٣) مدل هاي خشکسالي کشاورزي را در کانادا ارزيابي کرده و نشان دادند که مدل پالمر بهترين عملکرد را در توليد داده هاي رطوبت خاک دارد. ميکا و همکاران (٢٠٠٥) به بررسي توانايي اين مدل در نمايش رطوبت خاک در يکي از کشورهاي اروپايي پرداختند و آن را در اين زمينه موفق يافتند. الي (١٩٨٤) محدوديت ها و فرضيات اين مدل را مورد بررسي و انتقاد قرارداد. جوانمرد و همکاران (١٣٨٠)، مدل پالمر را در استان خراسان براي يک دوره ٣٠ ساله محاسبه و نتايج آن را با داده هاي رطوبت خاک مقايسه کردند.
نتايج اين تحقيق نشان ميدهد، نمايه خشکسالي پالمر قادر- است با استفاده از پارامترهاي مختلفي مانند دما، بارندگي، تبخيرتعرق و رطوبت خاک شرايط خشکي منطقه را به درستي به تصوير بکشاند. امين و سلطاني (١٣٨٦) معادله هاي مرحله رده بندي مدل پالمر را تحليل نموده و تعميم دادند.
با وجود کاربرد گسترده مدل پالمر در پايش خشکسالي، مدل پالمر داراي محدوديت هايي به لحاظ فرضيات بکار رفته در مدل ميباشد که ميتوان به نقطه اي بودن محاسبات بيلان آب و فرض همگن بودن شرايط آب و هوايي در يک منطقه جغرافيايي وسيع اشاره نمود. همچنين روش بکار رفته در محاسبه تبخير-تعرق از دقت چندان بالايي در شرايط آب وهوايي خشک و نيمه خشک برخوردار نميباشد. به اين دليل تلاش هاي بسياري در چند سال اخير به منظور رفع اين محدوديت ها در کشور آغاز گرديد. فتاحي و همکاران (١٣٩٠) شاخص خشکسالي پالمر را براي شرايط اقليمي کشور اصلاح و توسعه دادند. کشاورز (١٣٩٠) با اصلاح مدل پالمر امکان استفاده از داده هاي شبکه اي بارش و دما را در مدل پالمر فراهم کرده و مدل توزيعي پالمر را بدين منظور توسعه داد. با تهيه مدل توزيعي، امکان توليد نقشه هاي رطوبت خاک با قدرت تفکيک مکاني ١ کيلومتر را براي استان اصفهان فراهم شد. عليرغم اصلاحاتي که تا کنون بر روي مدل صورت گرفته ، اصلاح روش محاسبه تبخير-تعرق پتانسيل کمتر مورد توجه قرارگرفته و نياز به تحقيقات بيشتر در اين خصوص احساس ميشود.
بنابراين در اين تحقيق به منظور اصلاح روش محاسبه تبخير-تعرق پتانسيل و کاهش عدم قطعيت در پارامترهاي ورودي، مدل توزيعي پالمر با استفاده از داده هاي تبخير- تعرق پتانسيل حاصل از تصاوير ماهواره اي با قدرت تفکيک مکاني ١ کيلومتر بروزرساني گرديد. بروزرساني اين مدل با استفاده از داده هاي ماهواره اي تبخير-تعرق براي دو دوره خشک (٨٠-١٣٧٩) و تر (٨٥-١٣٨٤) با گام هاي زماني هشت روزه در فاصله ماه هاي فروردين تا خرداد ماه هر سال ، مصادف با حداکثر تراکم پوشش گياهي کشت زمستانه انجام شد.
مواد و روش ها منطقه مورد مطالعه
منطقه مورد مطالعه اراضي تحت کشت استان اصفهان با مساحت حدود٣٤٠٨٥٠ هکتار بود. اين استان در مرکز کشور بين عرض جغرافيايي ٣٠ درجه و ٤٢ دقيقه تا ٣٤ درجه و ٣٠ دقيقه و طول جغرافيايي ٤٩ درجه و ٤٠ دقيقه تا ٥٥ درجه و ٣٠ دقيقه قرار دارد (شکل ١).
استخراج داده ها
به منظور محاسبه تبخير-تعرق ، تصاوير سنجنده ماديس ١ که درصد ابرناکي آن ها کمتر از ٥ درصد است ، از آرشيو EOS Data Gateway سفارش و دريافت گرديد. خصوصيات تصاوير ماهواره اي دريافتي در جدول ١ نشان داده شده است . لازم به ذکر است براي هر دوره زماني تعداد ٢٩ تصوير مرئي و ٢٩ تصوير حرارتي با گام هاي زماني ٨ روزه در طول دوره کشت و در مجموع ١١٦ تصوير مورد استفاده قرارگرفت . همچنين به منظور ارزيابي نقشه هاي تبخير-تعرق توليد شده ، داده هاي تبخير از تشت از ١١ ايستگاه هواشناسي استان اصفهان براي دوره مطالعاتي اخذگرديد.
مدل توزيعي رطوبت خاک پالمر
يکي از ايرادهاي مهم وارد بر مدل پالمر فرض همگن بودن شرايط آب و هوايي در يک منطقه جغرافيايي وسيع و نقطه - اي بودن محاسبه هاي انحراف رطوبت خاک ميباشد. تا قبل از تهيه مدل توزيعي پالمر (کشاورز، ١٣٩٠)، نتايج مدل پالمر، فقط در مناطق همگن که تغييرات دما، بارندگي و خصوصيات خاک کم است قابل کاربرد بود. با توسعه مدل توزيعي پالمر (کشاورز، ١٣٩٠) و شبکه اي کردن محاسبه ها، امکان برآورد تغييرات زماني و مکاني رطوبت خاک و همچنين نمايه خشکسالي پالمر بصورت شبکه اي و براي پيکسل هاي يک کيلومتر مربع فراهم گرديد. اما محدوديت جدي مدل پالمر روش محاسبه تبخير-تعرق پتانسيل ميباشد؛ محاسبات تبخير-تعرق پتانسيل در مدل پالمر و يا توزيعي پالمر بر اساس روش تورنت وايت و با استفاده از داده هاي دما صورت ميگيرد. که با توجه به کاربردي نبودن اين رابطه در اکثر شرايط آب و هوايي ايران و نياز به نقشه هاي دما که با استفاده از روش هاي درون يابي و يا نقشه رقومي ارتفاع توليد ميگردد، خطاي برآورد تبخير-تعرق پتانسيل و در نتيجه ميزان انحراف رطوبت خاک قابل توجه خواهد بود.
مدل پالمر، رطوبت خاک را با توجه به آب ورودي (بارندگي) و خروجي (تبخير-تعرق و رواناب ) و ظرفيت رطوبتي خاک (AWC٢) در راستاي عمودي خاک و بر اساس معادلات ١ تا ١٠ شبيه سازي ميکند. اين مدل يک مدل بيلان آب ساده بوده و تغييرات ذخيره رطوبتي را تنها در دو لايه تحليل مي - نمايد. لايه بالايي خاک که ظرفيت نگهداري آن يک اينچ در نظر گرفته ميشود، ميتواند تمامي رطوبت خود را از دست دهد. تنها زماني که لايه بالايي تمام رطوبت خود را از دست دهد لايه زيرين رطوبت را دريافت ميکند. در مدل توزيعي پالمر (کشاورز، ١٣٩٠) از نقشه AWC مستخرج از نقشه جامع بافت خاک که توسط موسسه خاک و آب به سفارش پژوهشکده هواشناسي (فتاحي و همکاران ، ١٣٩٠) و از ترکيب نقشه هاي "ارزيابي منابع و قابليت اراضي" با مقياس ١ به ٢٥٠٠٠٠ و داده هاي بافت خاک موجود با مقياس ١ به يک ميليون و تصاوير لندست براي ايران تهيه شده بود، استفاده گرديد.
همچنین این مدل در حال حاضر قادر به تفکیک نفوذ عمقی از رواناب ( خروجی مدل ) و نیز محاسبه و منظور نمودن تاثیر جریانات سطحی و زیر سطحی و بطور خلاصه بیلان بندی افقی خاک نمیباشد ( کشاورز 1390 )
که در آن : ′S، رطوبت ابتداي ماه iام است که برابر رطوبت انتهاي ماه 1-i است (1-Si).
که در آن : Ls، تلفات در لايه سطحي خاک؛ P بارندگي؛ PE تبخير- تعرق پتانسيل و ′Ss، رطوبت لايه سطحي در ابتداي ماه ميباشد. تمام پارامترهاي مذکور بر حسب اينچ محاسبه ميشوند.
که در آن : Lu، تلفات رطوبت در لايه زيرين خاک؛ AWC ظرفيت نگهداري آب در خاک و ′Su، ميزان رطوبت موجود در لايه زيرين خاک در ابتداي ماه است . تلفات در انتهاي ماه برابر تلفات لايه هاي سطحي و زيرين خاک است :
مقدار ذخيره آب در لايه هاي بالايي و زيرين خاک در صورتي که تلفاتي وجود نداشته باشد بصورت زير محاسبه ميشود:
که در آن ها: Rs، ذخيره در لايه بالايي و Ru، ذخيره در لايه زيرين برحسب اينچ ميباشد. مجموع اين مقادير مقدار ذخيره
آب در خاک را در انتهاي ماه مورد مطالعه مشخص ميکند:
بدين ترتيب رطوبت لايه سطحي و لايه زيرين در انتهاي ماه بر اساس مقدار رطوبت در ابتداي ماه ، تلفات و ذخيره آب تا انتهاي ماه قابل محاسبه است :
مقدار رطوبت خاک در انتهاي ماه برابر مجموع رطوبت باقي مانده در لايه هاي زيرين و سطحي است :
بروزرساني مدل توزيعي پالمر با استفاده از داده هاي تبخير-تعرق پتانسيل حاصل از تصاوير ماديس
در مدل توزيعي پالمر، محاسبات تبخير-تعرق با استفاده از روش تورنت وايت و بر اساس داده هاي دما و مدل رقومي ارتفاع صورت ميپذيرد. از آنجا که رابطۀ خطي يا نمايي دما و ارتفاع در مناطق تحت کشاورزي به دليل شرايط خاص اقليمي صادق نيست ، محاسبه اجزاي بيلان آب و رطوبت خاک در روش تورنت وايت با خطا همراه خواهد بود به منظور رفع اين مشکل ، مدل توزيعي پالمر با تبخير-تعرق محاسبه شده از تصاوير ماهواره اي بروزرساني گرديد. مزيت بروزرساني با اين روش اين است ، که نيازي به ورود مقادير آبياري نيست چراکه تاثير آبياري بطور مستقيم در تبخير-تعرق وارد ميگردد. شکل ٢ الگوريتم نحوه بروزرساني مدل توزيعي پالمر و داده هاي مورد نياز جهت استخراج رطوبت خاک را نمايش ميدهد. منظور از رطوبت خاک در اين مطالعه ، رطوبت خاک عمق توسعه ريشه بر حسب متر بر متر ميباشد.
به منظور بروزرساني مدل ، نقشه هاي تبخير-تعرق پتانسيل با استفاده از تشعشع خورشيدي طول موج کوتاه و مقدار آلبيدوي سطحي بر مبناي رابطه پريستلي- تيلور (پريستلي و تيلور، ١٩٧٢) در الگوريتم آهاس از تصاوير ماديس با قدرت تفکيک مکاني ١ کيلومتر و گام زماني هشت روزه در طول ماه هاي حداکثر شاخص سطح برگ (فروردين تا خرداد) براي استان اصفهان استخراج گرديد. نقشه آلبيدوي سطحي هم با استفاده از مقادير بازتابش در باندهاي ١ و ٢ از تصاوير ماديس با استفاده از روابط Split Window و همچنين مقدار ضريب عبور اتمسفر استخراج گرديد.
با توجه به اينکه تبخير-تعرق پتانسيل برآورد شده از تصاوير ماهواره اي قابل مقايسه با داده هاي تبخير از تشتک نميباشد، لذا نقشه هاي تبخير-تعرق پتانسيل ابتدا با تقسيم بر نقشه ضريب گياهي به تبخير-تعرق گياه مرجع تبديل شده و سپس با داده هاي تبخير از تشتک مقايسه گرديد. نقشه هاي ضرايب گياهي دوجزئي از تفکيک دو جزء ضريب تبخير از خاک و ضريب گياهي پايه و بر اساس مقدار حداقل و حداکثر شاخص اختلاف پوشش گياهي نرمال شده محاسبه شد (ارراکي و همکاران ، ٢٠١٠).
استخراج نقشه هاي رطوبت خاک از تصاوير سنجنده ماديس
نقشه هاي رطوبت حجمي خاک با استفاده از معادله ١١ از تصاوير حرارتي سنجنده ماديس با قدرت تفکيک مکاني ١ کيلومتر و گام زماني ٨ روزه استخراج گرديد و سپس با خروجي هاي مدل توزيعي پالمر در حال با و بدون بروزرساني مقايسه گرديد.
در اين رابطه درصد رطوبت حجمي خاک، A مقدار جزء تبخيري ١ و c١ و c٢ به ترتيب برابر ١.٢٨٣٦ و ٠.٤٢١٣ است .
با توجه به اينکه در اين رابطه کليه مقادير بجز مقدار جزء تبخيري مقاديري ثابت ميباشند، براي تهيه نقشه هاي رطوبت خاک لازم است نقشه هاي جزء تبخيري تهيه گردد.
گابريل و وردين (٢٠٠١، ٢٠٠٣) و گابريل و همکاران (٢٠٠٧) در مدل ساده بيلان انرژي سطحي اين مقدار را بر حسب داده هاي باندهاي حرارتي محاسبه نموده و مقدار آن را بصورت تخميني از دماي سطح زمين (LST) حاصل از پيکسل هاي "گرم " و "سرد" بدست آوردند. در اين تحقيق مقدار تنش آبي با استفاده از تصاوير حرارتي و بصورت تخميني از دماي سطح زمين در پيکسل هاي "گرم " و "سرد" با استفاده از معادله ١٢ محاسبه گرديد.
در اين معادله T مقدار دماي سطح زمين در هر پيکسل ؛ T ot و Tcold به ترتيب دماي سطح زمين در پيکسل هاي گرم و سرد در منطقه مورد مطالعه بر حسب کلوين ميباشد.
در واقع پيکسل سرد از مزارع با پوشش گياهي کامل و کاملا آبياري شده انتخاب ميشوند که در آن دماي سطحي و دماي هواي نزديک سطح برابر فرض ميشوند و پيکسل گرم هم از اراضي کشاورزي بدون پوشش و خشک انتخاب ميشود.
انتخاب اين دو پيکسل در تصاوير به مهارت و تمرين نياز دارد (به نقل از مباشري، ١٣٨٦).
