بخشی از مقاله
خلاصه
بیلان آبی حوضههاي آبریز در زمره مهمترین ابزارهاي مدیریتی براي شناخت وضعیت موجود و ارائه راهکارهاي مدیریتی براي بهبود شرایط این 35 mm حوضهها میباشد. کمبود دادههاي اندازهگیري شده در بسیاري از حوضههاي آبریز، تهیه بیلان براي این حوضه ها را دشوار میسازد. در سالهاي اخیر تکنیک سنجش از دور به یکی از منابع مهم دادهاي تبدیل گردیده است که قابلیت اصلاح یا تکمیل دادههاي زمینی را دارد.
در مقاله حاضر از ترکیب دادههاي زمینی و سنجش از دور براي تهیه بیلان آب حوضه آبریز دریاچه ارومیه براي دوره پنج ساله 1385-90 استفاده گردیده است. نتایج این تحقیق نشان میدهد که بیلان حاصله با خطاي حدودا 2 درصد نسبت به بارش، داراي دقت مناسب بوده و همخوانی کافی میان داده هاي زمینی و سنجش از دور مورد استفاده وجود دارد. همچنین با استفاده از بیلان 5 ساله، برآوردي از حجم ذخایر اندازه گیري نشده حوضه - سازند سخت و رطوبت خاك غیراشباع - ارائه گردیده است.
1. مقدمه
استفاده از بیلان آب حوضههاي آبریز یا زیرحوضههاي آنها که بر مبناي قانون بقاي جرم آب در یک محدوده مشخص استوار است، از جمله پرکاربردترین روشها براي بررسی وضعیت منابع آبی در این حوضهها بوده است. در این روش با کنار هم قرار دادن مولفههاي مختلف ورود و خروج آب در حوضه آبریز و بالانس کردن مقادیر این مولفهها در یک دوره زمانی مشترك، سهم هریک از مولفهها در تغذیه یا تخلیه آب در حوضه آبریز مشخص میشود.
روش تهیه بیلان از لحاظ زمانی و مکانی داراي انعطاف فراوان بوده و از زیرحوضههاي کوچک تا حوضههاي آبریز بزرگ و بین المللی، و از دورههاي چند روزه تا سالانه و درازمدت را در بر میگیرد. همچنین با استفاده از این روش میتوان وضعیت منابع آب در یک محدوده مشخص را در زمانهاي گذشته و حال به دست آورده و تخمینهایی نیز براي وضعیت آینده آن محدوده براي سناریوهاي مختلف ارائه کرد.
بطور معمول مولفههاي متعددي براي ورود و خروج آب در محدوده یک حوضه آبریز موضوعیت دارند که دقت محاسبه یا برآورد آنها با یکدیگر داراي تفاوتهاي چشمگیر میباشد. به عنوان مثال در حالی که میزان رواناب سطحی خروجی از یک حوضه آبریز معمولا از طریق تعداد محدودي ایستگاههاي آبسنجی با دقت نسبتا بالا قابل محاسبه است، اندازه گیري برخی دیگر از مولفههاي بیلان نظیر تبخیر و تعرق واقعی و یا تغذیه از سطح که داراي ماهیت غیرمتمرکز و گسترده میباشند، معمولا بسیار دشوار و پرهزینه میباشد .[1]
براي رفع این نقیصه، در سالهاي اخیر با فراهم شدن دسترسی به دادههاي سنجش از دور که با هزینه اي نسبتا کم، امکان برآورد برخی از مولفههاي ورود و خروج آب به حوضه آبریز را فراهم میکند، محققان زیادي تلاش کردهاند تا از این دادههاي سنجش از دور براي تکمیل - و در مواردي تدقیق - دادههاي زمینی استفاده کنند. در این رویکرد، معمولا نخست مقادیر منتج از لایههاي سنجش از دور با دادههاي زمینی مقایسه شده و پس از مشخص شدن خطاي نسبی این دو نوع داده، تصمیم گرفته میشود که مستقیما از لایه سنجش از دور براي مطالعات منابع آب بهرهگیري گردد یا اینکه تنها از الگوي تغییرات زمانی و مکانی لایه سنجش از دور براي پوشش دادن به نقاطی که فاقد اندازه گیري زمینی هستند استفاده شود .[2]
حوضه آبریز دریاچه ارومیه یکی از حوضههایی است که به دلیل روند رو به رشد خشک شدن دریاچه و مشکلات ناشی از آن، در سالهاي اخیر در کانون توجه کارشناسان و محققان قرار گرفته است. این حوضه یکی از 6 حوضه آبریز درجه اول کشور است که بخشهایی از سه استان آذربایجان شرقی، آذربایجان غربی و کردستان را دربر میگیرد. موقعیت جغرافیایی این حوضه آبریز در بین طولهاي جغرافیایی 44 تا 48 درجه شرقی و عرضهاي جغرافیایی 36 تا 39 درجه شمالی قرار داشته و داراي مساحت تقریبی 52224 کیلومتر مربع است. از این مساحت، حدود 67 درصد مربوط به مناطق کوهستانی، حدود 27 درصد مربوط به دشتها و مابقی مربوط به مساحت دریاچه ارومیه است.
تعیین وضعیت منابع آب این حوضه در شرایط حاضر و آینده و سهم عوامل مختلف - خشکسالی، استفاده بیش از حد از منابع آبی حوضه و . . . - در بروز مشکل خشکسالی دریاچه، از جمله مسائلی است که اهمیت ارائه یک بیلان دقیق براي کل حوضه و ارتباط بین عوامل ورود و خروج آب در این حوضه را روز افزون ساخته است. با ملاحظه شکل 1 که نمودار هیپسومتري - توزیع مساحت حوضه آبریز بر حسب ارتفاع مطلق - را به همراه توزیع ارتفاعی ایستگاههاي باران سنجی موجود در حوضه آبریز نشان میدهد، میتوان دید که حدود 20 درصد از مساحت حوضه آبریز در بالاي تراز 2070 متر واقع شده است در حالیکه تعداد ایستگاههاي باران سنجی که ترازي بالاتر از 2070 دارند، تنها 6 عدد میباشد - یعنی کمتر از 5 درصد از کل تعداد ایستگاههاي باران سنجی موجود در حوضه آبریز -
با توجه به اینکه بارندگی معمولا با ارتفاع نسبت مستقیم دارد، از نکته فوق میتوان چنین نتیجه گیري کرد که 20 درصد بالایی حوضه آبریز - از لحاظ ارتفاع - که قاعدتا بیشترین مقدار بارندگی را دارد، فقط با تعداد کمی از ایستگاههاي باران سنجی پوشش داده شده است، یعنی اگر تنها با استفاده از درون یابی مقادیر ایستگاههاي باران سنجی در این حوضه آبریز اقدام به تهیه نقشه همبارش شود، احتمالا بخش قابل توجهی از بارندگی حوضه که در ترازهاي بالایی این حوضه اتفاق میافتد، در این نقشه هم بارش محاسبه نگردیده و خطاي بزرگی از این بابت ایجاد خواهد شد.
در مورد برآورد تبخیر و تعرق واقعی در حوضه آبریز دریاچه ارومیه، خطاي برآورد احتمالا از خطاي نقشه هم بارش نیز بیشتر است زیرا تعداد بسیار کمی ایستگاه اندازه گیري تبخیر و تعرق واقعی در این حوضه آبریز وجود داشته و مقادیر اندازه گیري شده توسط این ایستگاهها نیز کاملا ماهیت نقطهاي و محلی دارد و تهیه نقشه تبخیر و تعرق در سطح حوضه آبریز با استفاده از این ایستگاهها بسیار مشکل است. سایر روشهاي برآورد تبخیر و تعرق واقعی نیز معمولا داراي تقریبها و فرضیات خاص خود بوده و عملا تهیه نقشه تبخیر و تعرق واقعی با استفاده منحصر از دادههاي زمینی، داراي دقت کافی براي محاسبات بیلان نخواهد بود.
در تحقیق حاضر براي رفع نواقص مذکور در تهیه نقشههاي هم بارش و تبخیر و تعرق واقعی، از ترکیب دادههاي سنجش از دور با اندازه گیريهاي زمینی براي افزایش دقت این نقشهها استفاده و سپس از این نقشهها در تهیه بیلان آب این حوضه آبریز در 5 سال آبی متوالی از 1385 تا 1390 استفاده شده است. روند انجام این تحقیق به همراه دادههاي مورد استفاده و نتایج به دست آمده در ادامه ارائه میگردند.
2. مرور ادبیات
استفاده از دادههاي سنجش از دور در مطالعه منابع آب در حوضههاي آبریز در سالهاي اخیر رواج یافته است. Brunner و همکاران [2] از دادههاي ماهوارهاي Meteostat-5 با تفکیک مکانی 5 کیلومتر براي تعیین نقشه بارندگی براي دو ناحیه در بوتسوانا استفاده کردند. همچنین براي تعیین مقدار ET هر محدوده، میزان تشعشع خالص روزانه با استفاده از روش سنجش از دور محاسبه گردیده است.
در مدلی که براي سیستم آب زیرزمینی در سازندهاي سخت منطقه ساردون در اسپانیا ساخته شده است، Lubczynski و[3] Gurwin براي تعیین تبخیر و تعرق از سیستم آب زیرزمینی منطقه، از روش سنجش از دور استفاده کردهاند که این محاسبات، با استفاده از دادههاي Landsat 5 و با استفاده از الگوریتم SEBAL انجام گردیده است. همچنین Stisen و همکاران [4] با استفاده از دادههاي سنجش از دور، مدلی براي شبیهسازي سیستم آب زیرزمینی در حوضه آبریز رودخانه سنگال در غرب افریقا تهیه کردند. در این مدل که در محیط نرم افزار MIKE SHE تهیه گردیده است، براي تعیین تبخیر و تعرق پتانسیل و بارش در منطقه از دادههاي METEOSAT 7 و براي تعیین شاخص سطح برگ - LAI - از دادههاي ماهواره AVHRR استفاده گردیده است.
Milewsky و همکاران [5] با استفاده از دادههاي سنجش از دور، مدل بیلان آب سطحی براي دو ناحیه در کشور مصر - شبه جزیره سینا و صحراي شرقی - را تهیه کردهاند. دادههاي سنجش از دور مورد استفاده در این تحقیق عبارتند از دادههاي بارندگی ماهواره TRMM و دادههاي پوشش سطح زمین بر اساس دادههاي سنجنده . AVHRR تغییرات زمانی تغذیه از سطح در محدوده کرانه باختري رود اردن، توسط Khalaf و [6] Donoghue با استفاده از دادههاي مختلف سنجش از دور محاسبه گردیده است.
در این تحقیق، براي تعیین ET به روش SEBAL از دادههاي رفلکتنس و LST مربوط به سنجنده MODIS استفاده گردیده است. بارش در محدوده مطالعاتی از طریق دادههاي TRMM و میزان رواناب از طریق اندازهگیري زمینی تعیین گردیده و سپس به روش بیلان حجمی، میزان رواناب سطحی و ET بصورت ماهانه از میران بارش کسر گردیده است تا نقشه توزیع تغذیه از سطح آبخوان در ماههاي مختلف به دست آید. مقایسه نتایج به دست آمده از این تحقیق با نتایج مطالعات قبلی آب زیرزمینی در این ناحیه، دقت روش بکار رفته را تایید نموده است.
عمادزاده و همکاران [7] از تصاویر سنجنده AVHRR براي ارزیابی و مقایسه روند مصرف آب در زمینهاي دیم و آبی در زیرحوضه قره سو استفاده کردهاند. آب مصرفی گیاه - تبخیر و تعرق - از طریق الگوریتم بیلان انرژي مورد محاسبه قرار گرفته و میزان تولید محصول در منطقه نیز از تصاویر ماهوارهاي استخراج گریده است. با استفاده از این اطلاعات، میزان کارایی آب در اراضی دیم، آبی و کل حوضه تعیین گردیده است.
باقري هارونی [8] تلاش کرده است تا اجزاي بیلان آبی در حوضه آبریز دریاچه ارومیه را در دوره آماري 2002 تا 2008 با استفاده از ترکیب دادههاي زمینی و سنجش از دور مورد محاسبه قرار دهد. در این تحقیق، از دادههاي MODIS براي تخمین تبخیر و تعرق واقعی - با 5 روش مختلف - حوضه استفاده گردیده است و مقادیر محاسبه شده تبخیر و تعرق، با دادههاي یک لایسیمتر مورد ارزیابی قرار گرفت که مدل SEBAL به عنوان مدل برتر براي محاسبه تبخیر و تعرق واقعی شناخته شده است.
در ادامه با استفاده از دادههاي ایستگاههاي باران سنجی و آبسنجی در منطقه، میزان بارش و رواناب محدوده مورد محاسبه قرار گرفته و نهایتا از طریق معادله بیلان، تلاش شده است تا میزان برداشت خالص از منابع آب زیرزمینی در سطح حوضه محاسبه شود. در تحقیقی دیگر براي سنجش ذخیره آبی حوضه آبریز دریاچه ارومیه، Tourian و همکاران [9] با استفاده از دادههاي سنجندههاي ENVISAT و CryoSat-2 تغییرات تراز آب دریاچه ارومیه را در دوره زمانی 2002 تا 2014 مورد مطالعه قرار داده و به این نتیجه رسیدند که نرخ کاهش آب در دریاچه ارومیه در این دوره به طور متوسط برابر 34 سانتیمتر در سال - معادل 1030 میلیون متر مکعب در سال - بوده است. همچنین در این تحقیق با استفاده از دادههاي سنجنده GRACE، تغییرات ذخیره آب در کل حوضه مورد مطالعه قرار گرفته است.
3. روش انجام تحقیق
چنانکه اشاره شد، حوضه آبریز دریاچه ارومیه یک حوضه بسته بوده و ورودي آب به آن منحصر به بارش و خروجی آب از آن منحصر به تبخیر و تعرق است.
