بخشی از مقاله
خلاصه
یکی از اصلیترین اجزای بیلان آب یک حوضه آبریز مقدار بارندگی آن میباشد. این جز از معادله بیلان آب معمولا از طریق آمار ایستگاههای بارانسنجی محاسبه میشود، اما پراکندگی این ایستگاهها از یک طرف و تغییرات گسترده مکانی - زمانی بارش از طرف دیگر استفاده از این دادهها را با خطا همراه نموده است. لذا در چند دهه اخیر استفاده از روشهای مبتنی بر تصاویر ماهوارهای به عنوان جایگزینی مناسب در محاسبه مقدار بارش یک منطقه مطرح شده است. این روشها عمدتا از اطلاعات سطح و پروفیل ابر برای برآورد آب قابل بارش استفاده میکنند.
در این تحقیق بر مبنای رویکردی نوین و با استفاده از مدل SM2RAIN مقدار بارندگی منطقه شبستر با استفاده از تغییرات رطوبت خاک ماهوارهای محاسبه شده است. بدین منظورابتدا مدل در بازه 2007-2013 با استفاده از دادههای رطوبت خاک ماهواره AMSR2 و دادههای بارش ایستگاهی کالیبره و سپس در بازه 2014-2015 مقدار بارندگی بر اساس دادههای رطوبت خاک ماهوارهای - بهتنهایی - برآورد شدهاست. نهایتا نتایج بدست آمده با مقادیر بارش اندازه-گیری شده در ایستگاههای بارانسنجی منطقه مقایسه شده که طی آن مدل با ضریب همبستگی R=0/79 و خطای fRMSE=0/6 عملکرد قابل قبولی را از خود نشان دادهاست.
1. مقدمه
بارش مهمترین عاملی است که بطور مستقیم در چرخه هیدرولوژی دخالت دارد. برآورد مقدار بارش برای پیشگیری از بروز مخاطرات طبیعی از قبیل سیل و رانش زمین از اهمیت بالایی برخوردار است. همچنین جهت بررسی منابع آبی یک منطقه و بدست آوردن پارامترهای بیلان آب یک حوضه، محاسبه میزان دقیق بارش حائظ اهمیت میباشد. بارش در سطح کره زمین دارای تغییرات مکانی و زمانی است،
به همین دلیل هیچگاه نمیتوان ادعا کرد که اندازهگیری بارش در یک نقطه خاص از یک منطقه وسیع میتواند نماینده خوبی از آن منطقه باشد. جهت برآورد نقشه بارش بر اساس دادههای ایستگاههای بارانسنجی باید مقادیر ثبت شده در این ایستگاهها به کل ناحیه تعمیم داده شود، لذا باید در انتخاب محل، تعداد ایستگاهها، نحوه اندازهگیری، ثبت و تحلیل دادهها دقت کافی بهعمل آید، با این وجود برآوردهای بدست آمده با این روش با خطاهایی همراه میباشد روشهای رادار زمینی و استفاده از تصاویر ماهوارهای ازجمله روشهایی هستند که به عنوان جایگزین ایستگاههای بارانسنجی جهت رفع نواقص موجود در روشهای گذشته قابل استفاده میباشند.
روشهای ماهوارهای که بر مبنای خصوصیات فیزیکی مانند سطح و پروفیل ابر میتوانند زمان و مقدار بارش را با همپوشانی مکانی مناسب مشخص کنند مورد توجه محققان قرار گرفتهاند.[3] البته این نکته قابل تامل است که روشهای مبتنی بر دادههای ماهوارهای هرچند دارای پوشش مکانی مناسب میباشند، ولی در مقایسه با دادههای ایستگاهی دقت مناسبی ندارند و یکی از اصلیترین دلایل خطای موجود قدرت تفکیک مکانی پایین آنها است.
یکی از پارامترهایی که تاثیرپذیری بالایی در هنگام بارندگی دارد، تغییرات رطوبت خاک است که در زمان بارندگی به شدت افزایش یافته و پس از بارش به تدریج خاک رطوبت خود را از دست میدهد.[5] تغییرات و نوسانات رخ داده در رطوبت خاک میتواند به عنوان ابزاری جهت تخمین مقدار بارش یک منطقه مورد استفاده قرار گیرد. اخیرا طی مطالعات صورت گرفته از دادههای رطوبت خاک جهت اصلاح و برآورد مقدار بارش استفاده شده که اساس اصلاح و برآورد مقدار بارش مبتنی بر معادله بیلان آب در سطح خاک است
بر این اساس، این پژوهش قصد دارد الگوریتم مبتنی بر رویکرد اندازهگیری پایین به بالا، SM2RAIN را به عنوان روش جدید بررسی بارش باران از چشمانداز ماهواره بررسی نماید.
شبستر تقریبا در شمالشرقی دریاچه ارومیه و در عرض جغرافیایی 38 تا 38/25 و طول جغرافیایی 44/50 تا 45/75 واقع شده است. وسعت این منطقه به اندازه پیکسلهای تصاویر ماهوارهای انتخاب شده است - مربعی به ابعاد 25کیلومتر - . در این ناحیه یک ایستگاه بارانسنجی قرار دارد که با استفاده از آن میتوان صحت بارش شبیهسازی شده را بررسی نمود. ناحیه انتخابی ترکیبی از زمین بایر وکوهستانی و پوشش گیاهی و حتی شورهزار میباشد. هدف از انتخاب این ناحیه بررسی شورهزار بودن زمین منطقه بر خروجی شبیهسازی میباشد. حدود 30 درصد از اراضی این منطقه انتخابی شورهزار میباشد -
شکل -1 سلول شبستر و بررسی پوشش غالب منطقه
- ×سفید، آبی، صورتی، نیلی، زرد، سبز کم رنگ و سبز پررنگ به ترتیب نشاندهنده مناطق خارج از محدوده، دریاچه، شورهزار، تالاب، زمین بایر، پوشش گیاهی مزارع و باغ -
این ناحیه دارای پوشش گیاهی کمی بوده و اکثر مناطق آن را کوهستانها و زمینهای بایر و شورهزارها تشکیل دادهاند. این ناحیه مانند اکثر مناطق حوضه ارومیه در چند ماه نخست سال دارای پوشش برف در برخی نواحی بوده و پس از برف، یخبندان ادامه دارد. در کل میتوان گفت که این ناحیه نسبت به سایر مناطق حوضه ارومیه دارای مقدار کمتری پوشش برف و یخبندان است. با میانگینگیری از دادههای پنج سال اخیر، هفت روز دمای -13/6 در ماه نخست سال میلادی، سه روز دمای -11/2، در ماه دوم و 31 روز دمای -2/6، در ماه سوم و 24 روز دمای -3 درجه سانتیگراد در ماه آخر سال میلادی نشان میدهد که این ناحیه نیز مانند اکثر نواحی حوضه دریاچه ارومیه دارای زمستانی سرد، همراه با یخبندان میباشد.
مقدار بارش در منطقه شبستر در سالهای مختلف متفاوت بوده ولی به طور کلی با بررسی مقدار بارش در 10 سال اخیر میتوان گفت که بیشترین مقدار بارش در ماههای آبان و اواخر اسفند تا اوایل خرداد اتفاق میافتد. به عبارت دیگر فصل بهار بیشترین سهم را از مقدار کل بارش حاکم بر منطقه دارد. در این منطقه مانند اکثر مناطق حوضه دریاچه ارومیه بارش در زمستان بیشتر از نوع برف میباشد. در شکل 2 مقدار بارش ماهانه از سال 1386 تا 1395 نشان داده شدها ست.
شکل -2 میانگین ماهیانه بارش منطقه شبستر در بازه زمانی 1386-1395
3. مروری بر ادبیات
رطوبت خاک به شدت تحت تاثیر بارش باران بوده و مقدار آن پس از بارندگی به طور ناگهانی افزایش مییابد. بنابراین با داشتن دادههای رطوبت خاک میتوان به اطلاعات مفیدی درمورد بارش دست یافت.[5] همین امر سبب شده است تا توجه ویژهای به تغییرات رطوبت خاک به عنوان عاملی برای دستیابی به اطلاعات بارش یک منطقه شود. تا کنون روشهای متعددی توسعه داده شده که در آنها به روابط بین بارش و رطوبت خاک پرداخته شده است.
الگوریتم SM2RAIN با محوریت برآورد بارش با استفاده از تغییرات رطوبت خاک در چند سال اخیر مورد توجه قرار گرفته است4]،6و.[7آنچه که تا کنون به صورت معمول در مدلهای هیدرولوژیکی وجود داشته، پرداختن به بحث رطوبت خاک با قرار دادن بارش در معادله بیلان بوده است. در مطالعات اخیر این روند معکوس و سعی شده با قرار دادن مقدار رطوبت در معادله بیلان آب در سطح خاک مقدار بارش اصلاح و یا برآورد شود. دادههای رطوبت خاک در این روش از تصاویر ماهوارهای اخذ میشود.
بروکا1 و همکاران در سال 2013 با رویکرد تخمین بارش با استفاده از دادههای ماهوارهای رطوبت خاک مقدار بارش را در سه مکان مختلف برآورد و روش نوینی جهت تولید دادههای بارش با استفاده از دادههای رطوبت خاک پیشنهاد نمودند. اساس کار ایشان بر مبنای معادله بیلان آب در سطح زمین بوده که با فرضیات ساده کنندهای متغیرهای رواناب و تبخیروتعرق در حین بارندگی از آن حذف شده و متغیرهای دیگر به صورت روابط سادهای بر حسب رطوبت خاک جایگزین شدهاند.
وی نخست مدل SM2RAIN را در سه نقطه با اقلیمهای مختلف اجرا و نتایج آن را با دادههای میدانی مقایسه نمود. نتایج بدست آمده برای تخمین بارش در سه محدوده مطالعاتی نشان میدهد که ضریب همبستگی در هر سه مکان بین دادههای شبیهسازی شده و دادههای بارش واقعی نزدیک به 0/9 میباشد که نشاندهنده عملکرد مناسب مدل SM2RAIN است
ماساری و همکاران2 در سال 2014 مطالعهای را با هدف بررسی میزان پتانسیل بارش منطقه با توجه به میزان رطوبت خاک انجام دادند. ایشان با این فرض که افزایش دقت در برآورد بارش تاثیر بسزایی در برآورد مقدار سیل و تحلیل مدلهای بارش-رواناب دارد؛ لذا در این تحقیق وی از یک روش همگنسازی جهت ساختن شرایط اولیه مقدار بارش از رطوبت خاک بهره برده اند . ایشان با به کارگیری میزان رطوبت خاک و شرایط اولیه بدست آمده
æ با استفاده از یک مدل بارش رواناب دائمی به نام SCRRM مقدار هیدروگراف سیل را تخمین زدند. نتایج نشان داد که مدلهای به کار رفته جهت محاسبه بارش-رواناب اولیه و پیشبینی مقدار سیل مقادیر قابل قبولی را تخمین زده و پتانسیل بالایی برای توسعه مدلسازی سیل دارند.
بروکا و همکاران در سال 2014 مدل ارائه شده در سال 2013 برای تخمین بارش در سه مکان ایتالیا، اسپانیا و فرانسه را در مقیاس جهانی توسعه دادند.
