بخشی از مقاله
*** اين فايل شامل تعدادي فرمول مي باشد و در سايت قابل نمايش نيست ***
توسعه و کاربرد مدل PMF56 - Hybrid برای تخمین تبخیر و تعرق مرجع در حوزه آبریز دریاچه ارومیه
چکیده
با وجود اهمیت مسئله خشک شدن دریاچه ارومیه، انجام تحقیقات علمی و مبتنی بر اصول آبخیزداری در رابطه با آن کمتر به چشم می خورد. تابش خورشیدی از پارامترهای کلیدی ورودی مدل های تخمین نرخ تبخیر و تعرق مرجع می باشد، در این تحقیق، پس از ارزیابی و انتخاب بهترین مدل تخمین تابش، متوسط ماهانه نرخ تبخیر و تعرق مرجع روزانه در ۷ ایستگاه هواشناسی واقع در حوزه آبریز دریاچه ارومیه در دوره آماری ۲۰۰۵–۱۹۸۶ برآورد شد. مدل هایی که برای برآورد تابش خورشیدی مورد ارزیابی قرار گرفتند شامل مدل فیزیکی هیبرید (Hybrid، مدل تجربی آنگسترم - پرسکات و مدل های اصلاح شده دانشیار و صباغ می باشند. برای ارزیابی مدل های تابش از معیارهای آماری خطا شامل RMSE ، MAE ME و MPE استفاده شد. مقدار آماره RMSE در مدل هیبرید برابر ۱۸ مگاژول بر متر مربع در روز و در مدل های آنگسترم - پرسکات، اصلاح شده دانشیار و صباغ به ترتیب برابر 2.9 و 2.3 و 2.9 مگاژول بر مترمربع در روز به دست آمد. نتایج نشان دهنده کارایی بالاتر مدل هیبرید نسبت به سه مدل دیگر در مقیاس ماهانه می باشد. در مرحله بعد، تأثیر انتخاب مدل تابش در برآورد نرخ تبخیر و تعرق مرجع توسط مدل استاندارد پنمن - مونتیث – فائو (PMF56) مورد ارزیابی قرار گرفت. مدل PMF56 با مدل هیبرید تلفیق شده و مدل جدیدی به نام PMF56 - Hybrid توسعه یافت. این مدل در تخمین نرخ تبخیر و تعرق مرجع ایستگاه های انتخابی از کارایی بالاتری برخوردار است. نتایج نشان داد که استفاده از مدلهای هیبرید و اصلاح شده دانشیار منجر به بهبود تخمین ETO شده و دارای خطای کمتری نسبت به دو مدل دیگر می باشند. مدل واسنجی شده آنگستروم - پرسکات، نرخ تبخیر و تعرق مرجع را ۱۹ درصد بیشتر برآورد می کند.
واژه های کلیدی: مدل هیبرید، PMF56 ، تابش، تبخیر و تعرق مرجع، دریاچه ارومیه
مقدمه
حدود ۷۰ درصد از متوسط بارندگی سالانه ایران در نتیجه تبخیر و تعرق از دسترس خارج می شود (3). تلفات منابع آب ناشی از فرآیند تبخیر و تعرق مخصوصا در اقلیم های خشک و نیمه خشک ایران می تواند آسیب های جبران ناپذیری بر اکوسیستم آنها وارد آورد و تهدیدی جدی برای منابع آب موجود باشد. در چنین شرایطی، مطالعه بیلان آبی حوزه های آبخیز و به عبارتی دیگر برآورد مؤلفه های ورودی و خروجی این سیستم های هیدرولوژیکی ضروری است. تبخیر و تعرق از مهم ترین پارامترهای خروجی در معادله بیلان آبی است. در مقیاس بزرگ، تخمین مقدار آبی که صرف تبخیر و تعرق می شود به سادگی امکان پذیر نیست و استفاده از لایسیمتر نیز برای آورد نقطه ای مقدار تبخیر و تعرق واقعی توصیه می شود. به همین دلیل تاکنون مدل های مختلفی به منظور تخمین تبخیر و تعرق توسعه یافته است که در بین آنها مدل پنمن- مونتیثفائو ۵۶ (PMF56) به عنوان مدل پرکاربرد و استاندارد توسط بسیاری از محققان مورد استفاده قرار می گیرد(۱۹ و ۲۰). تاکنون تحقیقات متعددی در خصوص مدلهای تخمین تابش خورشیدی و تبخیر و تعرق مرجع در ایران و خارج انجام شده است که در این جا به مهم ترین آنها اشاره می شود
سیفی و همکاران در سال ۱۳۸۹ (۵) تبخیر و تعرق مرجع را با استفاده از مدل های ترکیبی رگرسیونی چند گانه و تحلیل مؤلفه های اصلی برآورد کردند و اهمیت نسبی متغیرهای مؤثر بر تبخیر و تعرق مرجع را با استفاده از تحلیل عاملی در ایستگاه کرمان ارزیابی کردند. نتایج آنها نشان داد که شدت تابش، ساعات آفتابی، رطوبت نسبی و دما در تخمین تبخير تعرق مرجع از اهمیت بیشتری نسبت به سایر متغیرها برخوردار است. شیر محمدی علی اکبر خانی و همکاران در سال ۱۳۸۹ (۶) برای تخمین تبخیر و تعرق مرجع گیاه چمن از روش های پنمنمونتیث ASCE و پنمن - مونتیث فائو ۵۶ در شهرستان فریمان در استان خراسان رضوی استفاده کردند. نتایج آنها نشان داد که در طول روز تبخیر و تعرق ساعتی پنمن- مونتیث روش ASCE بیشتر از پنمن - مونتیث فائو ۵۶ است و در شب حالت عکس رخ می دهد. انصاری و مرادی در سال ۱۳۸۹ میزان تأثیر پارامتر تابش در نرخ تبخیر و تعرق مرجع را پس از بررسی مدل های مختلف، مدل برآورد تبخیر و تعرق مرجع تنها با استفاده از داده های تابش خورشیدی ارائه کردند.
در این بررسی از توانمندی های سیستم استنتاج فازی بهره گرفته شد و نتایج حاصل با مدل هایی از قبیل پنمن- مونتیث فائو ۵۹ و سیمیس- پنمن به عنوان مدل های مبنا مورد مقایسه قرار گرفت. نتایج آنها نشان داد که تابش خورشیدی مؤثر ترین پارامتر در تخمین تبخیر و تعرق مرجع است و مدل فازی تنها با یک ورودی، همبستگی بالایی با مدل های پنمن- مونتیث فائو داشته است(۱).طبری و همکاران (۲۰) در سال ۲۰۱۲ در استان همدان برای برآورد تبخیر از تشتک (Ep) با استفاده از مدل های مختلف شبکه عصبی مصنوعی (( Artificial Neural Network) ANN) انجام دادند، نتایج آن با مدل رگرسیونی غیر خطی چند( MNLR (Multiple None Llinear Regression)) junio مقایسه گردید. اقلیم منطقه مورد مطالعه نیمه خشک بوده و بارندگی آن ۳۳۲ میلی متر در سال می باشد. با استفاده از داده های هواشناسی، پنج مدل چند متغیره برای تخمین تبخیر و تعرق ارائه و درجه تأثیر هر یک از این متغیرها در مقدار E بررسی شد. داده های مورد استفاده در مدل های معرفی شده شامل دما، تابش خورشیدی، بارش، رطوبت نسبی و سرعت باد بوده است.
نتایج آنها نشان داد از بین پنج مدل مختلف شبکه عصبی مصنوعی مدل ANN با الگوریتم خطی Delta - Bar - Delta و تابع سیگموئید بهترین برآورد را از مقدار Ep دارد. همچنین طبری و همکاران (۲۰۱۲) امکان برآورد تبخیر تعرق مرجع را با مدل های (MLR ANFIS ، SVM ( Support Vector Machine و MNLR با استفاده از ۶ بردار ورودی در استان همدان مورد بررسی قرار دادند. آنها نتایج این مدلها را با مدل پنمن-مونتیث فائو ۵۶ ( به عنوان مدل استاندارد و مبنا) مقایسه کردند. علاوه بر مدل های مذکور، هشت مدل مبتنی بر تابش و چهار مدل مبتنی بر دما نیز ارزیابی و با مدل پنمن مونتث فائو ۵۶ مقایسه شد. معیارهای خطایی که برای مقایسه مدل ها استفاده شد شامل RMSE و MAE و ضریب همبستگی R می باشد. نتایج نشان داد SVM و ANFIS با ورودی های تابش خورشیدی، دمای میانگین، رطوبت نسبی و سرعت باد بهتر از مدل های رگرسیونی و مدلهای مبتنی بر داده های اقلیمی، تبخیر تعرق را برآورد می کند(۲۱).
سبزی پرور و همکاران در سال ۲۰۱۳ میزان تأثیر مدل آنگستروم - پرسکات را در برآورد نرخ تبخیر و تعرق در دو حالت مدل واسنجی شده و مدل پیش فرض (بدون واسنجی ضرایب a و b) مورد بررسی قرار دادند. آنها از مدل پنمنمونتیث فائو ۵۶ به عنوان روش مبنا یا استاندارد استفاده کردند. آنها پژوهش خود را در ۱۵ ایستگاه تابش سنجی کشور انجام دادند. نتایج نامبردگان نشان داد که واسنجی ضرایب مدل آنگسترم-پرسکات در اغلب ایستگاه ها می تواند تا حدود زیادی بر روی نتایج مدل پنمن- مونتیث فائو ۵۶ اثرگذار باشد. با این حال، واسنجی مدل در تعدادی از ایستگاه ها با تخمین بیشتر و در تعدادی نیز با تخمین کمتر تابش روزانه همراه بوده است (۱۹). لذا توسعه و ارزیابی سایر مدل های برآورد مقادیر تابش روزانه و ماهانه در شرایط مختلف اقلیمی ایران و تأثیر آن روی برآورد تبخیر و تعرق مرجع به عنوان یک ضرورت مطرح می باشد(۲ و ۸).
همان طور که ملاحظه می شود مدل پنمن- مونتیث فائو ۵۶ به عنوان یک روش استاندارد و مبنا برای برآورد نرخ تبخیر و تعرق مورد استفاده قرار گیرد. به عبارت دیگر به علت فقدان داده های لایسیمتری با داده های مشاهده ای تبخیر تعرق در بیشتر ایستگاه های ایران، مقادیر برآورد شده مدل پنمن- مونتیث فائو ۵۶ برای ارزیابی و اعتبارسنجی سایر مدل ها با روش های تخمین تبخیر و تعرق استفاده می شود. مبنای فیزیکی و سادگی مدل 56 PMF موجب شده است تا همچنان بعنوان یک روش استاندارد یا مرجع در ارزیابی و مقایسه بیشتر مدل ها مورد استفاده قرار گیرد ( ۱۹، ۲۰ و ۲۱).
تقریبا در تمامی تحقیقاتی که برای بررسی عوامل اصلی تبخیر و تعرق انجام شده است پارامتر تابش خورشیدی و دما از مهم ترین فاکتورهای ورودی در مدل های مورد استفاده می باشد. از آنجا که دمای هر منطقه نیز مستقیما متأثر از شدت تابش در آن منطقه است لذا برای برآورد نرخ تبخیر و تعرق مرجع لازم است مقدار دقیقی از پارامتر تابش موجود باشد. یکی از روش های اندازه گیری تابش خورشیدی استفاده از پیرانو متر می باشد که به علت فقدان امکانات، کاربرد آن در بسیاری از مناطق با محدودیت هایی روبرو است (۱۰). در سال های اخیر مدل های مختلفی برای برآورد مقدار تابش توسط افراد مختلف توسعه یافته و معرفی شده است.
یانگ و همکاران در سال ۲۰۰۱ (۲۳) مدلهای هیبرید و آنگسترم- پرسکات در ۱۴ ایستگاه در ژاپن مورد ارزیابی قرار داده و نتیجه گرفتند که مدل هیبرید کارایی بهتری نسبت به مدل واسنجی شده آنگسترم - پرسکات دارد. به علاوه، بانگ و توشیو در سال ۲۰۰۵ (۲۴) با مطالعه ای که در تعدادی از ایستگاههای آمریکا، ژاپن و عربستان انجام دادند، نتیجه گرفتند که مدل هیبرید قادر است تابش خورشیدی را در مقیاس های روزانه و ساعتی با دقت قابل ملاحظه ای نسبت به مدل های فائو، آنگسترم - پرسکات با ضرایب جهانی مقادیر پیش فرض) و آنگسترم-پرسکات با ضرایب منطقه ای (مقادير واسنجی شده) برآورد کند. آنها کارایی بالای مدل هیبرید را به در نظر گرفتن تأثیرات مختلف اتمسفر روی تابش ورودی به سطح زمین از جمله اثر جذب و پخش اتمسفر نسبت دادند. بنابر اظهارات یانگ و همکارانش (۲۳) در مدل هیبرید سعی شده است تا در عین حفظ سادگی مدل آنگسترم، فرآیندهای فیزیکی مؤثر بر تابش خورشیدی عبور یافته از اتمسفر در فرآیند تخمین تابش لحاظ شود. تانگ و همکاران در سال ۲۰۱۰ (۲۲) کنترل کیفیت داده های اندازه گیری شده تابش را در ۹۷ ایستگاه هواشناسی موجود در چین انجام دادند و مدل هیبرید را با استفاده از داده های کنترل شده تابش ارزیابی کردند. نتایج آنها نشان داد که مدل هیبرید قادر است میانگین ماهانه مقدار تابش روزانه را با دقت قابل قبولی برآورد کند.
عرفانیان و بابایی در سال ۱۳۹۰ (۷) مدل هیبرید را در ایستگاه تبریز مورد ارزیابی قرار داده و پس از واسنجی ضرایب مدل برای سال ۲۰۰۵، ضرایب به دست آمده را برای سالهای ۲۰۰۳ و ۲۰۰۶ اعتبارسنجی کردند. نتایج آنها نشان داد که مدل هیبرید قادر است تابش روزانه خورشیدی را با دقت بسیار خوبی در این ایستگاه برآورد کند. آنها در یک پژوهش دیگر (۱۳۹۲) سه مدل تخمین تابش هیبرید، اصلاح شده دانشیار و اصلاح شده صباغ را مورد ارزیابی و مقایسه قرار داده و نتیجه گرفتند که مدل هیبرید، تابش را با دقت بالاتری تخمین می زند (۹). لذا از نتایج آن در تهیه نقشه های فصلی تابش برای حوزه آبخیز دریاچه ارومیه استفاده کردند (۸). سبزی پرور و شتایی (۱۷) در سال ۲۰۰۷ مدل تجربی تخمین تابش را که در سال ۱۹۷۸ توسط دانشیار (۱۲) ارائه شده بود با چندین مدل دیگر مقایسه کرده و کارایی مدل دانشیار را در تخمین میزان تابش در شرایط اقلیمی نیمه خشک غربی و شرقی کشور مورد ارزیابی قرار دادند. آنها پس از ارائه ضرایب تصحیح، نتیجه گرفتند که مدل اصلاح شده دانشیار کارآیی بالاتری نسبت به مدل های صباغ، پالتریج، اصلاح شده صباغ و اصلاح شده پالتريج دارد. سبزی پرور (۱۶) همچنین با مطالعه ای که در سال ۲۰۰۷ در نواحی ساحلی شمالی و جنوبی کشور انجام داد مدل اصلاح شده دانشیار را به عنوان مناسب ترین مدل در برآورد تابش خورشیدی برای این مناطق پیشنهاد کرد. بکار گیری مدل های دانشیار، صباغ، پالتریج، اصلاح شده دانشیار، اصلاح شده صباغ و اصلاح شده پالتریج، توسط سبزی پرور در سال ۲۰۰۸ (۱۸) در بیابان های خشک مرکزی کشور، نشان داد که مدل اصلاح شده صباغ (۱۳) نتایج بهتری را در این شرایط اقلیمی ارائه می کند.
مرور بر منابع نشان می دهد که اغلب تحقیقات انجام شده در ایران بر اساس مدل های تجربی بوده و برای برآورد نرخ تبخیر و تعرق مرجع نیز در بیشتر موارد از مقادیر پیش فرض مدل آنگستروم - پرسکات در تخمین متوسط روزانه یا ماهانه مؤلفه تابش طول موج کوتاه (Rs) در مدل PMF56 استفاده شده است. لذا تحقیق حاضر با هدف ارزیابی مدل های مختلف تابش، انتخاب بهترین مدل در اینجا مدل هیبرید)، تلفيق مدل هیبرید با مدل PMF56 و توسعه مدل کاراتر برای تخمین نرخ تبخیر و تعرق مرجع به نام PMF 56 - Hybrid در ۷ ایستگاه هواشناسی واقع در حوزه آبریز دریاچه ارومیه (دوره آماری ۲۰۰۵–۱۹۸۶) انجام شده است. مواد و روش ها .. منطقه مورد مطالعه و داده ها حوزه آبریز دریاچه ارومیه با مساحتی بالغ بر ۵۱ هزار کیلومتر مربع، در شمال غربی کشور قرار گرفته است و از 44.22تا 47.89 درجه شرقی و 35.67 تا 38.47 درجه شمالی گسترش یافته است. براساس روش کوپن این منطقه دارای اقلیم استپی نیمه خشک است. مقدار بارندگی متوسط منطقه حدود ۳۵۰ میلیمتر در سال است. آمار و اطلاعات مورد نیاز این تحقیق برای دوره آماری ۱۹۸۶ تا ۲۰۰۵ از سایت سازمان هواشناسی کشور تهیه شده است. در بین ایستگاههای سینوپتیک واقع در حوزه دریاچه ارومیه تنها ۷ ایستگاه (جدول 1) شامل ارومیه، تکاب، مهاباد، تبریز، سراب، مراغه و سقز دارای آمار روزانه هواشناسی بیشتر از ۲۰ سال هستند و پارامتر تابش روزانه خورشیدی (R) فقط در ۲ ایستگاه ارومیه و تبریز اندازه گیری می شود
در اعتبارسنجی مدل های تخمین تبخیر و تعرق مرجع، به دلیل فقدان یا عدم وجود داده های روزانه و بلند مدت لایسیمتری در بیشتر ایستگاه های سینوپتیک (همدیدی) ایران، استفاده از مقادیر برآورد شده مدل PMF56 به عنوان مدل مبنا برای ارزیابی و اعتبارسنجی سایر مدل ها توصیه شده است [۱۹ و ۲۱]. در تحقیق حاضر ابتدا پس از مقایسه و ارزیابی ۴ مدل تخمین تابش شامل مدل فیریکی هیبرید، مدل های اصلاح شده دانشیار، اصلاح شده صباغ و مدل تجربی آنگسترم - پرسکات، مناسب ترین مدل تابش انتخاب شد. مقادیر بر آورد شده تابش توسط ۴ مدل مذکور با مقادیر مشاهده ای در ایستگاه ارومیه و تبریز (بعد از کنترل کیفیت داده ها و حذف داده های مشکوک) مقایسه شد. بدین منظور از معیارهای آماری خطا استفاده شد. پس از انتخاب بهترین مدل هیبرید) و تلفیق آن با مدل PMF56 در نهایت مدل جدید به نام -PMF56 Hybrid توسعه یافت و با استفاده از آن، مقادیر متوسط ماهانه تبخیر و تعرق مرجع روزانه در ۷ ایستگاه انتخابی واقع در حوزه آبریز دریاچه ارومیه برآورد شد.
۲. متدولوژی ۲. ۱. مدل پنمن - مونتیث فائو ۵۶ (PMF56) نرخ تبخیر و تعرق از یک سطح مرجع به صورت ETO نشان داده می شود. سطح مرجع یک سطح فرضی از گیاهان علفی با شرایط و خصوصیات خاص است. اغلب پارامترهای مؤثر بر نرخ تبخیر و تعرق مرجع همان پارامترهای اقلیمی هستند (۷). رابطه پنمن- مونتیث فائو ۵۶ به صورت زیر ارایه شده است
.ET تبخیر تعرق مرجع (به میلی متر در روز)، Rn تابش خالص ورودی (به مگاژول بر متر مربع در روز)، G شار گرمایی خاک به مگاژول بر متر مربع در روز)، T میانگین دمای هوا در ۲ متری سطح زمین به درجه سانتی گراد)، ۲ سرعت باد در ارتفاع ۲ متری سطح زمین (به متر بر ثانیه)، es فشار بخار اشباع به کیلو پاسكال)، ea فشار بخار واقعی به (کیلو پاسكال)، شیب منحنی فشار بخار (به کیلو پاسكال بر درجه سانتی گراد) و ثابت سایکومتریک (به کیلو پاسكال بر درجه سانتی گراد) می باشد [۱۰]. Rn با استفاده از رابطه ۲ به دست می آید
Rns تابش خالص جذب شده طول موج کوتاه Rn1 تابش خالص جذب شده طول موج بلند است. برای محاسبه , Rns از رابطه زیر استفاده می شود: [۳]
که آلبیدو یا ضریب انعکاس سطح بوده و برابر است با ۲۳/• فرض می شود. Rn1 نیز طبق رابطه زیر به دست می آید
در رابطه فوق T دمای هوا به کلوین، Tmax و Tna به ترتیب دمای حداقل و حداکثر می باشد. Rs مقدار مشاهدهای تابش است که معمولا در ایستگاههای محدودی اندازه گیری می شود. در این تحقیق، کارایی چهار مدل تخمین تابش Rs مورد ارزیابی قرار گرفت. جزئیات این مدل ها در بخش بعدی ارائه شده است[۲]
۲. ۲. مدل های تخمین تابش
۲. ۱ . ۲. مدل هیبرید
این مدل در سال ۲۰۰۱ توسط بانگ و همکاران به صورت رابطه ۵ ارائه شده است [۲۳]
به ترتیب برابر تابش مستقیم ( Effective beam radiation) و تابش پراکنده (Effective diffuse radiation) بر حسب ژول بر متر مربع و شاخص پوشش ابر وc b ، a و d ضرایب مدل هیبرید است [۷ و ۸]. در محاسبه از روابط ۶ و ۷ استفاده می شود:
