مقاله تخمین تبخیر و تعرق واقعی بوسیله مدل اگرو هیدرولوژیکی و تکنیک سنجش از دور

بخشی از مقاله

*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***

تخمین تبخیر و تعرق واقعی بوسیله مدل اگرو هیدرولوژیکی و تکنیک سنجش از دور
چکیده
تخمین دقیق تبخیر و تعرق نقش مهمی در بیلان آب در سطح حوضه، دشت و در مقیاس منطقهاي براي بهبود و برنامهریزي مدیریت منابع آب وکشاورزي ایفا میکند. روش هاي مختلفی مانند نسبت باون و لایسیمتر براي اندازه گیري تبخیر و تعرق وجود دارند ولی استفاده از این روشها به دلیل اندازه گیري نقطهاي تبخیر و تعرق، در سطح یک منطقه وسیع، وقت و هزینه زیادي را بکار میگیرد . بدین منظور در این پژوهش براي تعیین تبخیر و تعرق واقعی از دو مدل اگروهیدرولوژیکی SWAP و مدل سنجش از دور SEBAL با کمک تصاویر مودیس و دادههاي مزارع فاروب و سلیمانی واقع در دشت نیشابور استفاده شده است. براي بدست آوردن پارامترهاي بیلان آب مورد نیاز مدل SWAP از شیوه مهندسی معکوس استفاده شده است. با وجود اینکه مدل SWAP مقدار آبیاري و تبخیر و تعرق را با تفکیک زمانی بالا تعیین کند، الگوریتم SEBAL می تواند تغییرات محصول مانند شاخص سطح برگ، شاخص NDVI و تبخیر و تعرق را با تفکیک مکانی بالا تخمین بزند. نتایج مدل SWAP با دادههاي اندازهگیري شده رطوبت خاك واسنجی و صحتسنجی شده است. مقادیر خطاي RMSE برابر 0/635 و 0/674 میلیمتر بر روز و خطاي MAE برابر 0/15 و 0/53 میلیمتر بر روز و ضریب تبیین 0/915 (R2) و 0/964 حاصل از مقایسه نتایج الگوریتم SEBAL و مدل SWAP براي دو مزرعه نشان میدهد دو مدل تفاوت معنیداري با هم ندارند.

واژههاي کلیدي: الگوریتم SEBAL، تبخیر و تعرق، تصاویر مودیس، مدل SWAP

مقدمه
تبخیر و تعرق از مهمترین پارامترهاي مورد نیاز در برآورد مدیریت آبیاري میباشد که اندازهگیري آن مشکل و تخمین مقدار آن داراي محدودیت است. پیشرفت روزافزون فناوري سنجش از دور امکان برآورد تبخیر و تعرق واقعی و توزیع زمانی و مکانی آن را در سطح وسیع فراهم نمود و سبب شد که استفاده از مدلها و فنآوريهاي ماهوارهاي جهت بررسی مدیریت آبیاري مورد توجه خاص قرار گیرد. از علل اصلی این توجه میتوان به دقت مکانی و زمانی قابل قبول در این روشها اشاره کرد. مطالعات زیادي جهت تعیین صحت و سقم نتایج حاصل از کاربرد مدلها و فناوريهاي ماهوارهاي در تعیین مدیریت آبیاري شبکههاي آبیاري انجام گردیده است و محققان به نتایج رضایت بخشی مبنی بر صحت تعیین مدیریت آبیاري دست یافتهاند .(1) از جمله تکنیکهاي موجود براي پردازش تصاویر ماهوارهاي، الگوریتم بیلان انرژي در سطح زمین است که یک مدل با پایه ترمودینامیک بوده و با کاربرد آن در مناطقی که با کمبود داده مواجه هستند میتوان تبخیر و تعرق (ET) که یکی از اجزاي مهم بیلان آب است را تخمین زد. محققان زیادي از تصاویر ماهوارهاي و الگوریتمهاي سنجش از دور مثل SEBAL و SEBS براي تخمین تبخیر و تعرق در مناطق با کمبود داده و مناطق بزرگ و کوهستانی استفاده کردند 5)، 10 و .(17 همچنین براي ارزیابی الگوریتم سبال، پژوهشگرانی مانند میناکاپیلی و همکاران (11) از الگوریتمهاي سنجش از دور SEBAL و TSEB براي تخمین تبخیر و تعرق واقعی استفاده نموده و براي ارزیابی آن از مدلSWAP صحتسنجی شده، استفاده نمودند. دروگرز و همکاران (6) نیز بهمنظور تعیین نیاز آبیاري، تبخیر و تعرق واقعی را با مدل SWAP و ابزار بهینهساز PEST محاسبه نمودند. آنها براي این منظور از شیوه مهندسی معکوس و شیوه رو به جلو - عقب مانده استفاده نمودند و صحت 90 درصد نیاز آبیاري را نتیجه گرفتند.
با وجود استفاده گسترده از الگوریتم سبال و مدل SWAP در تحقیقات جداگانه براي تعیین رطوبت خاك و تبخیر و تعرق، ولی از مطالعات داخل کشور در زمینه ارزیابی الگوریتم سبال و مدل SWAP با یکدیگر تنها میتوان به تحقیقات محمدي و همکاران (12) اشاره کرد. آنها میزان مطابقت وضعیت موجود برنامهریزي آبیاري با نیاز آبی گیاه را در منطقه کشت و صنعت نیشکر میرزا کوچک خان اهواز با استفاده از مدل شبیهسازي SWAP مورد ارزیابی قرار دادند. آنها به منظور واسنجی و صحتیابی مدل SWAP در شرایط محدودیت دسترسی به دادههاي اندازهگیري شده مزرعهاي از تصاویر ماهواره LANDSAT 7 ETM+ و الگوریتم SEBAL براي 12 تاریخ در طی فصل رشد نیشکر استفاده کردند. نتایج شبیهسازي اجزاي بیلان آب توسط مدل واسنجی شده SWAP نشان داد که مقدار آب مصرفی در منطقه بیش از نیاز آبی گیاه بوده و حجم زیادي از آن بصورت نفوذ عمقی از منطقه توسعه ریشه گیاه خارج میشود

در این تحقیق با یک نوآوري در تحقیقات داخل کشور سعی شده است کارایی استفاده از الگوریتم سبال با یک مدل اگرو هیدرولوژیکی به روش مهندسی معکوس مورد ارزیابی قرار گیرد. مدل اگرو هیدرولوژِیکی SWAP با دادههاي اندازهگیري شده رطوبت خاك، کالیبره و صحتسنجی شده است. بنابراین تبخیر و تعرق بدست آمده از مدل SWAP میتواند معیار خوبی براي سنجش نتایج حاصل از الگوریتم سنجش از دور سبال باشد تا بدینوسیله پهنهبندي مکانی تبخیر و تعرق حاصل از الگوریتم سبال صحتسنجی شود.

مواد و روشها
منطقه مورد مطالعه
منطقه مورد مطالعه در این تحقیق دشت نیشابور میباشد. این دشت با وسعت 7293 کیلومتر مربع جزیی از حوضه آبریز کویر مرکزي بوده که 4100 کیلومتر مربع آن را دشت 56) درصد) و بقیه را ارتفاعات تشکیل میدهد. از نظر موقعیت جغرافیایی، حوضه مذکور در حد فاصل 58 13 تا 59 30 طول شرقی و 35 40 تا 36 39 عرض شمالی قرار دارد. حداکثر و حداقل ارتفاع حوضه بترتیب با 3305 و 1065 متر در قله بینالود و خروجی رودخانه کال شور از حوضه واقع شده است. آب و هواي منطقه نیمه خشک و خشک، متوسط درجه حرارت آن 12 درجه سانتیگراد و میزان بارندگی آن بطور متوسط براي کل دشت 292 میلیمتر گزارش شده است (شکل
.(1

داده ها و نرمافزارهاي مورد استفاده
در این پژوهش از اطلاعات روزانه منطقه مطالعاتی شامل بارندگی، سرعت باد، تابش خورشیدي، رطوبت، تعداد ساعات آفتابی، میزان ابرناکی، پوشش سطح زمین، خصوصیات خاك، گیاه براي تعیین تبخیر و تعرق پتانسیل، الگوریتم سبال و مدل SWAP استفاده گردید. این تحقیق در دو مزرعه گندم روستاهاي فاروب و سلیمانی از دشت نیشابور انجام شده است. طول دوره رشد گندم در مزرعه فاروب و سلیمانی به ترتیب 273 و 269 روز میباشد. در مزرعه فاروب و سلیمانی، گندم به ترتیب در تاریخهاي 2008/10/1 (روز ژولیوسی (275 و 2008/10/15 (روز ژولیوسی (289 کاشته شده و در تاریخ 2009/6/30 (روز 181 ژولیوسی) و 192) 2009/7/10 ژولیوسی) برداشت میشود. شانزده روز ژولیوسی در طی دوره رشد گندم انتخاب شده است که داراي تصاویر ماهوارهاي با کمترین درجه ابرناکی و خطاهاي تصویر باشند (جدول .(1 علت در نظر گرفتن فصل زراعی 2008-2009، اندازهگیري میدانی و دقیق رطوبت خاك مورد نیاز مدل SWAP میباشد که دادههاي مدل با این دادههاي اندازهگیري شده در مزارع واسنجی و صحتسنجی شده است. دادههاي اندازهگیري رطوبت خاك از دو مزرعه فاروب و سلیمانی (با توزیع مناسب مزارع در سطح منطقه) قبل و بعد هر نوبت آبیاري در سه تکرار مختلف و از اعماق 10 تا 80 سانتیمتر گرفته شده استدر. هر مزرعه تقریباً از 20 تخمین تبخیر و تعرق واقعی بوسیله مدل اگرو هیدرولوژیکی و تکنیک سنجش از دور 999 داده رطوبت خاك براي واسنجی و 7 داده رطوبت خاك براي صحت سنجی استفاده شده است. در این مطالعه همچنین جهت انجام پردازشهاي تصویري و اجراي مدل سبال از نرمافزار هاي
ERDAS9.1 و ENVI 4.8، براي تهیه نقشههاي توزیع مکانی تبخیر و تعرق نرمافزار ARC GIS 10.2 و نرمافزار Ref-ET براي محاسبه تبخیر و تعرق ساعتی و روزانه مرجع بکار گرفته شده است.

الگوریتم سبال
الگوریتم سبال اولین بار توسط باستیانسن در سال 1989 براي برآورد تبخیر از سفرههاي کمعمق آب زیرزمینی استفاده شد. باستیانسن در سال 1998 این الگوریتم را توسعه داده و به منظور اعتبارسنجی آن از اندازهگیريهاي وسیع میدانی در کشورهاي چین، هند، اسپانیا و پاکستان استفاده نمودند 2)، 4، 7 و .(8 براي اجراي مدل سبال ابتدا نیاز به محاسبه شار تابش خالص میباشد. شار تابش در سطح زمین با استفاده از توازن سه شار تابشی شامل تابش طول موج کوتاه ورودي RS↓، تشعشعات طول موج بلند ورودي از اتمسفر Rl↓، تشعشعات طول موج بلند خروجی از سطح Rl↑ بدست میآید. میزان تابش خالص لحظهاي در واحد سطح زمین و اجزاي آن با استفاده از رابطه زیر محاسبه میگردد.

در این معادله، :α آلبیدوي سطحی، تابش موج کوتاه ورودي 0/3) تا 3 میکرومتر) بر حسب وات بر متر مربع و ε0 گسیلندگی سطحی عریض باند میباشد.
شار گرماي خاك پارامتر دومی میباشد که امکان اندازهگیري آن بطور مستقیم با باندهاي تصاویر ماهوارهاي وجود ندارد ولی مطالعات بسیاري نشان داد که بین پارامترهایی مثل NDVI، دماي سطح زمین (Ts) و آلبیدو با نسبت G/Rn رابطهاي وجود دارد. باستیانسن نسبت G/Rn را براي نیمه روز با استفاده از معادله تجربی زیر در سال 2000 ارائه کرد که در این تحقیق نیز بکار برده شد:

در این رابطه، NDVI شاخص پوشش گیاهی تفاضل نرمال شده، Ts دماي سطحی زمین بر حسب درجه سانتیگراد و α آلبیدوي سطحی می باشد. محاسبه شار گرماي محسوس به عنوان مشکلترین و مهم ترین پارامتر در تعیین تبخیر و تعرق شناخته میشود. این پارامتر براساس معادله زیر به دست میآید:

در این معادله ρair چگالی هوا (کیلوگرم بر متر مکعب)، Cair گرماي ویژه هوا (ژول بر کیلوگرم بر کلوین)، dT اختلاف دماي بین دو ارتفاع z1 و z2 (کلوین) و rah مقاومت آیرودینامیکی براي انتقال گرما (ثانیه بر متر) می باشد. براي برآورد شار گرماي محسوس ابتدا باید دو پیکسل آستانه انتخاب شود. پیکسل سرد که به یکی از این دو پیکسل گفته میشود منطقهاي با پوشش گیاهی خوب و آبیاري شده را شامل میشود که دماي سطح زمین در این پیکسل نزدیک به دماي هوا باشد. این پیکسل تبخیر و تعرقی معادل تبخیر و تعرق پتانسیل دارد. پیکسل دوم که پیکسل گرم نام دارد، منطقهاي را شامل میشود که زمین کشاورزي بدون پوشش گیاهی و خشک با دماي سطح زمین زیاد داشته باشد. در این تحقیق از شاخص NDVI و دماي سطحی زمین Ts و آلبیدو براي تعیین پیکسل سرد و گرم طبق نظر باستیانسن همکاران (3) و مورسه و همکاران (13) استفاده شد. پس از تعیین پیکسل سرد و گرم در سبال باید اختلاف دماي هواي نزدیک سطح (dT) در هر پیکسل محاسبه و با ایجاد رابطه خطی بین پیکسل سرد گرم میتوان مقدار dT را براي سایر پیکسلهاي موجود در منطقه بدست آورد و با یک فرآیند تکراري مقدار شار گرماي محسوس را براساس شرایط جوي تصحیح نمود.
مقدار لحظه اي تبخیر و تعرق براي زمان گذر ماهواره به کمک شار گرماي محسوس، شار گرماي نهان، میزان تلفات گرما از سطح به علت تبخیر و تعرق براي هر پیکسل با توجه به رابطه زیر محاسبه میشود.

که ET مقدار لحظه اي براي زمان گذر ماهواره میباشد (W/m2) و میزان لحظه اي ET به صورت عمق تبخیر به صورت زیر محاسبه میشود.

ETinst تبخیر و تعرق لحظه اي (mm/hr)، گرماي نهان بخار آب یا میزان گرماي جذب شده هنگامی که یک کیلوگرم آب بخار میشود (J/kg) و عدد 3600 براي تبدیل زمان ثانیه به ساعت میباشد. تبخیر و تعرق لحظهاي کاربرد کمی در معادلات و مدلهاي گیاهی دارد. بنابراین به ناچار باید این پارامتر از لحظهاي به روزانه تبدیل شود.
جهت برآورد تبخیر و تعرق روزانه از تبخیر و تعرق لحظهاي، می توان از مفهوم تبخیر و تعرق گیاه مرجع استفاده نمود. به این منظور تبخیر و تعرق گیاه مرجع در مقیاس ساعتی در لحظه گذر ماهواره (ETr-inst) و همچنین میزان آن در مقیاس روزانه (ETr-24 ) براي ایستگاه هواشناسی معرف منطقه محاسبه می گردد. سپس مطابق معادله (6) نسبت تبخیر و تعرق لحظهاي محاسبه شده از مدل سبال به تبخیر و تعرق گیاه مرجع در مقیاس ساعتی در لحظه گذر ماهواره تعیین و حاصلضرب این نسبت در تبخیر و تعرق روزانه گیاه مرجع، میزان تبخیر و تعرق واقعی روزانه (ETact-24) میباشد.

براي دوره هاي زمانی بزرگ تر مانند دورههاي ده روزه، یک ماهه و فصلی نیز با همین روش می توان تبخیر و تعرق واقعی را برآورد نمود. براي محاسبات تبخیر و تعرق گیاه مرجع در مقیاس زمانی ساعتی و روزانه از گزارش شماره 56 فائو استفاده شده است.

مدل SWAP
مدل SWAP یک عضو از خانواده مدلهایی است که توسط دانشگاههاي وگنینگن و آلترا توسعه یافته است. این مدل داراي اقتباس زیادي از از مدل هاي اگروهیدرولوژیکی خاك SWATRE )و (SWACROP، مدل انتقال شوري (SWASALT) و مدل انقباض و تورم خاك هاي رسی (FLOCR) است SWAP .(16) یک مدل اگرو هیدرولوژیکی بسیار جامع براي انتقال آب، گرما و املاح در محیط اشباع و غیراشباع است و شامل زیرمدلهاي فیزیکی براي شبیهسازي عملیات آبیاري و رشد گیاه و بیلان آبی میباشد. بررسی حرکت آب براساس معادله ریچادرز صورت میگیرد که از روش عددي تفاضل محدود و اعمال شرایط مرزي و استفاده از توابع هیدرولیکی خاك استفاده میگردد. توابع هیدرولیکی خاك به عنوان روابط بین هدایت هیدرولیکی K، رطوبت خاك و بار فشاري آب خاك تعریف میشوند. در این تحقیق مدل SWAP از مهندسی معکوس براي تعیین تبخیر و تعرق واقعی استفاده میکند. بدین طریق که ابتدا رطوبت خاك با مدل SWAP شبیهسازي و با دادههاي اندازهگیري، کالیبره و صحتسنجی شد. سپس از تبخیر و تعرق واقعی به عنوان یکی از خروجیهاي مدل SWAP براي ارزیابی الگوریتم سبال استفاده شد. معادله ریچاردز جریان یک بعدي را در محیط غیراشباع (در حالت کلی) بیان میکند.

در این معادله :θ رطوبت حجمی خاك (cm3/cm3)، : t زمان (hr)، : z افزایش عمق نسبت به سطح زمین (cm) ، :K(θ) هدایت هیدرولیکی (cm/h) و :h بار هیدرولیکی (cm ) میباشد. در SWAP توابع تحلیلی ارائه شده توسط ون- گنوختن و معلم براي تعریف توابع هیدرولیکی خاك با روابط زیر استفاده میشوند.

در این رابطه، =θsat رطوبت حجمی اشباع =θres .(cm3/cm3) رطوبت حجمی باقیمانده =α .(cm3/cm3) عکس مکش ورود هوا (1/cm) و m و = n فاکتورهاي تجربی میباشند. با داشتن مقدار رطوبت در هر مکش میتوان هدایت هیدرولیکی غیراشباع خاك را با استفاده از رابطه معلم بدست آورد.

در روابط بالا =Ksat هدایت هیدرولیکی اشباع خاك (cm/d)، =λ فاکتور وابسته تغیرات هدایت هیدرولیکی به تغییرات مکش و =Se نسبت اشباع میباشد.

نتایج و بحث
تبخیر و تعرق بر اساس یک فرآیند طولانی و پیچیده به کمک الگوریتم سبال و تصاویر سنجنده مودیس، براي شانزده روز داراي تصویر