بخشی از مقاله
تعيين دقت مدل SEBS در برآورد تبخير و تعرق واقعي در منطقه يزد
چکيده
با توجه به اين که بخش قابل توجهي از آب مصرفي به کشاورزي اختصاص دارد، محاسبه تبخير و تعرق مي تواند براي برنامه هايي نظير توسعه کشت ، وضع قوانين مصرف آب ، مطالعات هيدرولوژيکي و غيره کاربرد فراواني داشته باشد. هم چنين رونديابي تبخير و تعرق مي تواند در بررسي روند خشکسالي در منطقه مفيد واقع شود. در اين تحقيق با استفاده از تصاوير TM ٥ Landsat (٤١ تصوير)، داده هاي هواشناسي مربوط به ايستگاه سينوپتيک يزد و مدل SEBS، تبخير و تعرق مربوط به دوره زماني ٢٠١١- ١٩٩٠ منطقه مرکزي يزد محاسبه شد و نتايج حاصل با نتايج تشتک تبخير و معادله -FAO Penman Monteithمقايسه شد تا صحت اين مدل در منطقه خشک يزد برآورد گردد. فايل هاي تشعشع مورد نياز مدل SEBS با استفاده از نرم افزار GRASS در محيط اسکريپت لينوکس توليد شد. ساير داده هاي سنجش از دور مدل در محيط ILWIS و داده هاي هواشناسي آن با کمک اطلاعات هواشناسي ايستگاه يزد، محاسبه گرديد. نتايج نشان داد تبخير و تعرق به دست آمده با مدل SEBS، با تبخير و تعرق روش
FAO Penman-Monteith از لحاظ آماري ضريب همبستگي معني داري داشت اما از سطح بالاي همبستگي برخوردار نبود. اين امر ميتواند به دليل نبود يک پيکره ي آبي داراي پيوستگي زماني در محل تحقيق باشد تا امر مقايسه نتايج مدل با واقعيت را تسهيل ببخشد.
کلمات کليدي : TM ٥ Landsat،SEBS ، منطقه مرکزي يزد، تبخير و تعرق .
١-مقدمه
مجموع آبي که در مزرعه از طريق تبخير از سطح خاک و تعرق از گياه ، از دست مي رود تبخير و تعرق مي نامند. تبخير يک فرآيند وابسته به انرژي است که متضمن تغيير از حالت مايع به بخار است (ثنايي نژاد، ١٣٩٠: ٥٧-٥٤). تبخير و تعرق مجموع
ميزان آب اتلاف شده توسط گياهان (تعرق ) و ميزان آب تبخير شده از سطح خاک و بارندگي است . با توجه به ميانگين جهاني ، ٥٧ درصد بارندگي از طريق تبخير و تعرق به جو باز ميگردد و اين مقدار ممکن است در مناطق خشک و بياباني به ١٠٠-٩٠ درصد هم برسد. براي بيان مفهوم تبخير و تعرق به طور عموم، از سه اصطلاح استفاده ميشود:
ETo يا تبخير و تعرق مرجع : ميزان تبخير و تعرق از سطح مرجع را گويند. سطح مرجع ، سطحي است که گياه مرجع چمن با ويژگي هاي خاص روي آن کشت شده است (پترسون ١ و همکاران ، ١٩٩٥: ٦٨٧).
ETa2يا تبخير و تعرق واقعي : تمام آبي که تحت شرايط طبيعي ، نزديک يا روي سطح زمين به بخار آب در اتمسفر تبديل ميشود (مورتون ٣، ١٩٨٣: ١).
ETp4 يا تبخير و تعرق پتانسيل : زماني رخ ميدهد که آب به ميزان کافي در اختيار گياه باشد و گياه با حداکثر توان خود از آن استفاده کند (تورنتوايت ٥، ١٩٤٤: ٦٨٣).
تبخير و تعرق پتانسيل با روش هاي مستقيم و غير مستقيم قابل اندازه گيري است .
روش هاي مستقيم با استفاده از ايستگاه لايسيمتر و فراهم کردن بالاترين صحت ، به پلات هاي تجربي و کنترل رطوبت خاک و روند هواشناسي براي يافتن ورودي و خروجي آب در منطقه اي وسيع احتياج دارد (برناردو١٩٩٥،٦).
تبخير و تعرق پتانسيل (ETp) مهمترين عنصر هوا و اقليم بعد از دما و بارندگي است .
ETP نقش مهمي را در حرارت و تغييرات توده اي سيستم جهاني اتمسفر بازي مي کند و نقش کليدي را در برنامه هاي علمي بين المللي دارد (اهلرز١، ١٩٩٦). محاسبه تبخير و تعرق پتانسيل به طور مستقيم سخت است و در بسياري از موارد توسط داده هاي هواشناسي محاسبه ميشود. بيشترين روش مورد استفاده ، روش فائو پنمن - مانتيس 3 است که به داده هاي راديانس ، دما، رطوبت و بادناکي احتياج دارد (جنسون و همکاران ، ١٩٩٠).
استفاده از سنجش از دور به معناي امروزي از سال ١٩٧٢ ميلادي با پرتاب اولين ماهواره ي زميني يعني لندست آغاز گرديد. در ايران نيز از سال ١٣٥١ با ساخت اولين ايستگاه گيرنده داده هاي ماهواره اي در ماهدشت کرج ، کاربرد آن رايج شد (علوي پناه،
١٣٨٢). سري ماهواره هاي آمريکايي لندست از سال ١٩٧٢ ميلادي شروع به گرفتن تصوير از سطح زمين نموده است . اين تصاوير با کيفيت بالا و به صورت چند طيفي است . با توجه به چندين دهه تصويربرداري ، ميليون ها تصويربا پوشش جهاني در بايگاني داده ها موجود است . لندست ٧ که در ١٥ آوريل ١٩٩٩ با موفقيت پرتاب شد، حاوي مد پانکروماتيک با حد تشخيص ١٥ متر بوده و داراي سنجنده ٤+ETM اخذ ميگردد که براي بسياري از کاربردها مفيد ميباشد، است .
از ميان روش هاي برآورد تبخير و تعرق با استفاده از داده هاي سنجش از دور مي - توان به روش هاي اصلي SEBI٥ (مننتي و چودهوري ٦، ١٩٩٣)، S-SEBI٧ (روئريک و همکاران ، ٢٠٠٠)، SEBS١ (سو٢٠٠٢،٢)، METRIC٣ (الن ٤ و همکاران ، ٢٠٠٧)، SSEB٥ (سني ٦ و همکاران ، ٢٠٠٧)، Sim-ReSET٧ (سان ٨ و همکاران ، ٢٠٠٩) اشاره اشاره نمود.
در اين تحقيق با استفاده از داده هاي ماهواره ٥ Landsat، ميزان تبخير و تعرق در منطقه مرکزي يزد با بهره گيري از مدل SEBS برآورد مي گردد.
همان طور که در ادامه بيان خواهد شد در گذشته نيز افراد بسياري با استفاده از مدلهاي سنجش از دوري مختلف ، ميزان تبخير و تعرق را اندازه گيري کرده اند به طور مثال پاک پرور و همکاران (٢٠١١) با استفاده از روش SEBS و تصاوير ٥ Landsat TM تبخير و تعرق واقعي را در دشت گربايگان (استان فارس ) محاسبه کردند. تصاوير مربوط به سال هاي ٢٠٠٩ و ٢٠١٠ (٤٢ تصوير) بود. مدل r.sun در محيط نرم افزاري GRASS-GIS و مدل SEBS براي تخمين تشعشع خالص و تبخير و تعرق واقعي در مقياس منطقه اي با استفاده از داده هاي هواشناسي مورد ارزيابي قرار گرفتند. نتايج شامل نقشه هاي مکاني و اثرات زماني کاربري هاي مختلف زمين ، با مقادير تبخير و تعرق مرجع حاصل از ايستگاههاي هواشناسي مقايسه شد. در نهايت نتايج بدست آمده از r.sun براي تشعشع خالص در مقايسه با SEBS با داده هاي مشاهداتي هماهنگي بيشتري داشت . مدل SEBS در برآورد زماني و مکاني تبخير و تعرق نيز توانايي مطلوبي نشان داد.
نمونه ديگر کار هيل جورجيس ٩ (٢٠٠٦) ميباشد که تبخير و تعرق تابستانه را با استفاده از SEBS را در منطقه اي از هلند انجام داد. لايه هاي داده هاي مورد نياز از ماهواره لندست ، داده هاي هواشناسي و داده هاي آب هاي زميني فراهم گرديد. تبخير و تعرق واقعي محاسبه شده توسط SEBS، تغييرات زماني و مکاني تبخير و تعرق را براي کاربري هاي مختلف زمين نشان داد. مقايسه بين تبخير و تعرق مرجع و ضريب Kc در مدل SEBS قدرت اين مدل را در اين مطالعه نشان مي دهد.
هدف از اين تحقيق تعيين دقت مدل SEBS در برآورد تبخير و تعرق واقعي در منطقه يزد ميباشد.
مواد و روش ها
منطقه مورد مطالعه در اين تحقيق شامل محدوده شهرهاي يزد، اشکذر و مناطق اطراف آن ميباشد (شکل ١). مختصات جغرافيايي اين منطقه شامل طول شرقي ״ ٤٠ '٣٨ °٥٤ درجه ، تا״ ٥٠ '٥ °٥٤ و عرض شمالي ״٣٣ '٣ °٣٢ تا״١٦ '٤٤ °٣١ است . ارتفاع متوسط منطقه ١٢٣٠ متر بالاتر از سطح دريا است .
تصاوير مورد نياز جهت اين تحقيق ، تصاوير Landsat TM٥ مربوط به سال هاي ١٩٩٠ تا ٢٠١١ مربوط به رديف ٣٨ و معبر ١٦٢ مي باشد (٤١ تصوير) که از سايت GLOVIS١ مربوط به سازمان زمين شناسي آمريکا، دانلود شد. براي اجراي SEBS و همچنين مراحل قبل از آن نظير محاسبه تشعشع ٢، رطوبت مخصوص ٣ و... به يکسري داده هاي هواشناسي از قبيل دما، ساعت آفتابي، سرعت باد، ميدان و... نياز است .
تمام داده هاي مذکور براي تاريخ هاي خاص هر تصوير، يعني به صورت روزانه بوده و از اداره هواشناسي يزد تهيه شده است . قبل از اجراي SEBS برخي از داده هاي مورد نياز از قبيل آلبيدو، شاخص پوشش گياهي (NDVI) و تشعشع خالص (Rn) را ميتوان در محيط لينوکس و با استفاده از نرم افزار گراس محاسبه کرد. گراس يک نرم افزار رايگان است که به راحتي ميتوان بر روي محيط هاي مختلف مثل لينوکس و ويندوز قابل نصب کرد. لينوکس يک سيستم عامل است که بسياري از محاسبات گراس را مي - توان با دستور نويسي و با سرعت بالا در آن انجام داد.
نتايج
در مدل SEBS تبخير و تعرق واقعي محاسبه ميشود که خروجي آخرين نقشه مربوط به سال ٢٠١١ به عنوان نمونه در شکل زير آورده شده است . همان طور که در شکل مشخص شده ، مقادير تبخير و تعرق را سه ناحيه تصفيه خانه يزد (به عنوان منطقه آبي)، زمين کشاورزي و خاک لخت استخراج گرديده است . مقادير تبخير و تعرق براي تصفيه خانه يزد از سال ٢٠٠٠ تاکنون در دسترس بود، ولي قبل از اين تاريخ هنوز اين محل ساخته نشده است به همين خاطر مقادير تبخير و تعرق حداکثر را تا سال ٢٠٠٠ جايگزين تبخير و تعرق از سطح آب ميکنيم .
همان طور که پيش تر بيان شد مدل SEBS تبخير و تعرق واقعي را محاسبه مي کند در حالي که مدل FAO Penman- monteith تبخير و تعرق پتانسيل را به ما ميدهد.
ETa=ET0.Ka.Ks
که در آن:
Ka، ضريب گياهي ، Ks ضريب استرس است ؛ مقادير Ka و Ks در پهنه يک پيکر آبي برابر ١ در نظر گرفته شده و در نتيجه مقدار ETa با ET٠ برابر خواهد بود. در نتيجه براي مقايسه نتايج مدل با واقعيت بايستي منطقه اي را مثل استخرها و درياچه ها انتخاب کنيم که داراي پوشش آبي باشد. تصفيه خانه يزد از دو بخش استخرهاي فاضلاب و محل پخش فاضلاب تشکيل شده است . داده ها از محل پخش فاضلاب گرفته شده است که اين اراضي تحت کشت گياه ني هستند. در کل نمي توان اين منطقه را پوشش آبي مناسبي براي مقايسه با نتايج مدل SEBS در نظر گرفت ؛ ولي به دليل عدم حضور آب راکد در منطقه بهترين گزينه بود. مقادير تبخير و تعرق محاسبه شده با مدل SEBS براي سه کاربري پيش گفته در جدول ١ ارايه شده است .
