بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
هیدرولوژي زیر سطحی، حلقه گم شده روش هاي تخمین تبخیر و تعرق بر مبناي سنجش از دور
چکیده
امروزه روش هایی برپایه سنجش از دور در برآورد تبخیر و تعرق واقعی در کنار مدل هاي فیزیکی و تجربی توسعه پیدا کرده است. حال آنکه در این روش ها، عدم در نظر گرفتن شار هاي رطوبتی در لایه هاي زیرسطحی می تواند موجب بیش یا کم برآورد گردد. هدف از این مطالعه، بررسی کمی و کیفی تاثیر هیدرولوژي زیر سطحی در برآورد تبخیر و تعرق واقعی می باشد. بدین منظور مدل هیدرولوژیکی SETS براي تخمین تبخیر و تعرق واقعی بر مبناي روابط فیزیکی و فیزیولوژیکی با الگوریتم ETLook که روشی جدید بر پایه سنجش از دور می باشد مورد مقایسه قرار گرفت. براي مقایسه بهتر، مدلی بینا بینی نیز تدوین و مورد ارزیابی قرار گرفت. در این پژوهش حوضه آبریز Indus واقع در پاکستان به منظور بررسی اهمیت استفاده از مدل هاي هیدرولوژیکی در تخمین تبخیر و تعرق واقعی مورد مطالعه قرار گرفت. نتایج نشان داد که هیدرولوژي زیر سطحی اهمیت زیادي در تخمین تبخیر و تعرق داشته و عدم در نظر گرفتن آن در روش هاي دیگر می تواند باعث بیش و یا کم برآورد نمودن تبخیر و تعرق واقعی شود.
-1 مقدمه
تخمین تبخیر و تعرق به عنوان یکی از مهمترین مولفه هاي چرخه هیدرولوژي، جهت گیري بسیاري از مطالعات را به خود اختصاص داده است. بدین منظور مدل ها و روابط متعددي ارائه شده است که عموما بر پایه معادلات فیزیکی، روابط تجربی و همچنین استفاده از تصاویر ماهواره اي و داده هاي سنجش از دور استوارند. در این میان روش هایی که بر پایه داده هاي سنجش از دور می باشند بسیار مورد توجه و استفاده قرار گرفته اند. چرا که در این روش ها با استفاده از داده هاي ماهوارهاي که پوشش جهانی دارند، مشکل مناطق فاقد ایستگاه نیز برطرف می شود. اما نکته اساسی در انتخاب روش مناسب، دقت محاسبه تبخیر و تعرق واقعی بر پایه اصول فیزیکی و با در نظر گرفتن عوامل موثر می باشد. یکی از مسائلی که معمولا در روش هاي بر پایه داده هاي سنجش از دور نادیده گرفته می شود، هیدرولوژي زیر سطحی می باشد. لذا روش هایی که بتواند مدل هاي هیدرولوژیکی و روش هاي سنجش از دور را تلفیق نماید، در بالا بردن دقت تخمین کمک بسیاري می نمایند.
از آنجائیکه تعرق یک بخش از فرآیند بیوفیزیکی بوده و اصولا مسیر این فرایند مجزا از مسیر تبخیر می باشد، بهتر است این شار بخار به صورت جداگانه از سایر فرآیند هاي تبخیر در نظر گرفته شود.[43] در این پژوهش به صورت خلاصه کلیه شارهاي بخار از جمله تبخیر از سطح خاك، تبخیر از آب و تبخیر از برگاب را تبخیر نامیدهشده است که شامل تعرق نمی شود. از طرفی فرایند هاي تبخیر و تعرق بر رطوبت موجود در خاك عمیق تاثیر می گذارند که باعث نوسانات سطح آب زیرزمینی و تاثیر گذاري بر صعود مویینگی از منطقه اشباع به لایه هاي بالاتر غیر اشباع (زمانی که سطح ایستابی بالا می باشد) می شود.[14] همچنین تبخیر، تعرق و شار عمودي رطوبت بین لایه هاي خاك متاثر از رطوبت خاك بوده و این شارها خود بر رطوبت خاك تاثیر می گذارند. بنابراین تخمین همزمان تمام مولفه ها در معادله توازن جرمی بسیار مهم می باشد.[22] در نظر گرفتن هر کدام از این عوامل به تنهایی، موجب بیش برآورد یا کم برآورد کردن سایر مولفه هاي می شود .[10]
روش هاي فیزیکی-تجربی متعددي براي تخمین تبخیر و تعرق بعنوان تابعی از رطوبت خاك و نوع پوشش سطح وجود دارد13]،29،31،40،26،25،4،.[34 در این روش ها از معادلات پنمن- مونتیث[35] یا پریستلی- تیلور[36] به همراه روش جارویس[21] براي محاسبه مقاومت کانوپی استفاده شده است. معمولا در اغلب این روش ها براي تخمین شار بخار به عنوان تابعی از پوشش سطح، شرایط اقلیمی و رطوبت خاك، مورد استفاده قرار گرفته است. تعداد کمی از این روش ها به صورت ضمنی شار عمودي رطوبت در خاك را در نظر گرفته اند 38]،37،47،4،.[26 در نظر گرفتن شار عمودي رطوبت بسیار حساس می باشد، چراکه شار بخار توسط فراهمی آب در خاك کنترل می شود که خود به شار رطوبت خاك بین لایه ها بستگی دارد.
تخمین تبخیر و تعرق اگر با در نظر گرفتن همزمان شار هاي رطوبت در خاك و بخار بین خاك و اتمسفر صورت پذیرد، بسیار دقیق تر خواهد بود.[10] تبخیر و تعرق تابعی از نیاز رطوبتی اتمسفر و میزان آب قابل دسترس در خاك می باشند. شار هاي عمودي رطوبت در بین لایه هاي خاك بر مقدار رطوبت در دسترس خاك تاثیر می گذارند که به طور غیر مستقیم بر تبخیر و تعرق اثر گذارند. بسیاري از مطالعات اخیر از داده هاي ماهواره اي رطوبت خاك براي تخمین تبخیر و تعرق استفاده کرده اند2]،30،27،.[9 این در حالی است که رطوبت خاك به صورت یک پارامتر ورودي براي تخمین تیخیر و تعرق مورد استفاده قرار گرفته است و خود متاثر از این فرایند ها نمی باشد.
سوال کلیدي که مطرح می شود این است که: "در نظر نگرفتن شار هاي رطوبتی در لایه هاي خاك و تغییرات همزمان رطوبت چگونه و به چه میزان بر تخمین تبخیر و تعرق تاثیر می گذارد؟" به عبارت دیگر هیدرولوژي زیر سطحی تا چه حد می تواند به بهبود تخمین تبخیر و تعرق واقعی کمک نماید؟ در این پژوهش سعی بر آن است تا ضمن تدوین یک مدل هیدرولوژیکی سطح زمین (LSM1) و تلفیق آن با روش هاي بر پایه سنجش از دور؛ نتایج حاصله از مدل با نتایج روش هاي سنجش از دور مقایسه گردد. لذا با تشریح مدل هیدرولوژیکی تخمین تبخیر و تعرق به اهمیت در نظر گرفتن هیدرولوژي خاك در تخمین فرآیند هاي تبخیري پرداخته شده است.
-2 مواد و روش ها
در این پژوهش سه روش مورد بررس قرار گرفت:
-1 اولین روش، الگوریتم [2] ETLook می باشد که شار هاي بخار آب را با استفاده از داده هاي رطوبت خاك [32] AMSR-E2 و اطلاعات پوشش سطح تخمین می زند . باستیانسن و همکاران (2013) روش تلفیقی را ارائه نمودند که با استفاده از داده هاي سنجش از دور و معادله پنمن میزان تبخیر از سطح خاك و تعرق کانوپی را به صورت جداگانه محاسبه می نماید. در الگوریتم ETLook، داده هاي رطوبت سطح خاك، شاخص سطح برگ، آلبیدو سطح، تابش خورشیدي، پوشش سطح زمین، خصوصیات فیزیکی خاك و داده هاي هواشناسی مانند دما، رطوبت و سرعت باد به عنوان ورودي مورد استفاده قرار می گیرد. شاخص سطح برگ براي تفکیک میزان تابش دریافت شده توسط کانوپی و سطح خاك مورد استفاده قرار می گیرد. براي هر شار بخار (تبخیر E و تعرق ( T یک مقاومت محاسبه می گردد.
-2 مدل هیدرولوژیکی 18] SETS،[1 که معادلات حاکم بر تبخیر و تعرق در آن همانند الگوریتم ETLook بوده، با این تفاوت که رطوبت خاك در لایه هاي مختلف از حل همزمان مولفه هاي ورودي و خروجی رطوبت در هر لایه محاسبه می گردد.
-3 مدل هیدرولوژیکی 18] SETS-AMS،[1 که تلفیقی از دو روش قبلی است. در این مدل رطوبت لایه سطحی همانند ETLook توسط داده هاي ماهواره اي AMSR-E کنترل می شود، ولی همچنان معادلات توازن جرم در لایه هاي مختلف خاك در نظر گرفته شده است. در جدول 1 خلاصه اي از این روش ها آمده است.
جدول -1 مقایسه سه روش استفاده شده براي برآورد تبخیر و تعرق [1]
-1-2 معادله توازن جرم در مدل SETS
مدل SETS مانند تمام مدل هاي سه بعدي سطح زمین (Land Surface Models) داراي شبکه اي در سطح زمین است. هر سلول از این شبکه داراي دو لایه براي سطح خاك می باشد. این دو لایه شامل یک لایه بسیار نازك در سطح خاك که تنها تبخیر از آن صورت می پذیرد. لایه دوم سطحی، منطقه ریشه می باشد که تعرق از این لایه صورت می گیرد. این دو لایه مشابه مدل [23] MOSAIC-LSM می باشد. تفاوت مدل SETS با MOSAIC-LSM در معادله توازن جرم در لایه سطحی می باشد. در MOSAIC-LSM تعرق از لایه سطحی نیز اتفاق می افتد که در SETS این مولفه بعلت نازك بودن لایه و عدم وجود ریشه در این منطقه وجود ندارد. بنابر این تبخیر و تعرق به صورت جداگانه در معادلات توازن جرم در دو لایه سطحی خاك موجود می باشند.
همچنین مدل SETS داراي یک لایه غیر اشباع براي خاك عمقی می باشد که بین منطقه ریشه و لایه اشباع (سطح ایستابی) قرار گرفته است. این لایه عمیق غیر اشباع در مدل ارائه شده توسط دالی و همکاران (2003) پیشنهاد شده است.[12] در نهایت لایه اشباع در زیر لایه غیر اشباع عمیق قرار گرفته است که سطح ایستابی را نشان می دهد.
معادلات توازن جرم در لایه هاي مختلف خاك به صورت زیر می باشند:
که در این روابط θ1(t) رطوبت خاك در لایه اول در زمان t ، θ2(t) رطوبت خاك در لایه دوم در زمان t ، θ3(t) رطوبت خاك در لایه سوم در زمان t ، E(t) تبخیر در زمان t ، T(t) تعرق در زمان t ، q1(t) شار عمودي رطوبت بین لایه اول و دوم خاك (ورودي به لایه مربوطه مثبت است) ، q2(t) شار عمودي رطوبت بین لایه دوم و سوم خاك (ورودي به لایه مربوطه مثبت است) ، q3(t) شار عمودي رطوبت بین لایه سوم و لایه اشباع خاك (ورودي به لایه مربوطه مثبت است) ، z1 ضخامت لایه اول خاك ، z2 ضخامت لایه دوم خاك ، z3 ضخامت لایه سوم خاك و I(t) نفوذ آب از سطح زمین به لایه اول می باشد.
در معادله توازن جرم، میزان نفوذ آب برابر با مینیمم مقادیر بارندگی به علاوه آبیاري و هدایت هیدرولیکی اشباع لایه سطحی خاك می باشد. اگر هدایت هیدرولیکی اشباع کمتر از شدت بارندگی به علاوه آبیاري باشد، تفاوت میزان بارندگی منهاي آبیاري ، مقدار رواناب را مشخص می سازد. رواناب از هر سلول با توجه به معادله مانینگ 28]،[17 بسته به بازه زمانی به بارندگی به علاوه آبیاري سلول پایین دست اضافه می شود. شکل 1 لایه هاي مختلف در مدل SETS و مولفه هاي مربوطه را نشان می دهد:
E (تبخیر)، )Tتعرق)، )Iنفوذ)،q1 (شار عمودي رطوبت بین لایه یک و دو)،q2 (شار عمودي رطوبت بین لایه دو و سه)،q3 (شار عمودي رطوبت بین لایه سه و لایه اشباع)،z1 (ضخامت لایه اول)،z2 (ضخامت منطقه ریشه)، )z3ضخامت لایه سوم)،dgw (عمق سطح ایستابی)
شار رطوبت در شرایط غیر اشباع بین لایه هاي خاك برطبق قانون دارسی [16] می باشد. براي محاسبه هدایت هیدرولیکی غیر اشباع رابطه ونگنوختن - معلم مورد استفاده قرار گرفته است .[44]
در مدل SETS هر سلول از بالا از طریق رواناب و از پایین (منطقه اشباع) از طریق جریان پایه آب ناشی از اختلاف تراز سطح ایستابی با سلول هاي مجاور در ارتباط می باشد. حل معادلات جریان در این سیستم بر اساس روش تفاضل محدود و از روش ارائه شده توسط فن و همکاران (2007) می باشد.[14]
-2-2 معادلات شار بخار
معادلات حاکم بر تبخیر و تعرق در مدل SETS همانند الگوریتم ETLook بر پایه معادله پنمن – مونتیث (پنمن، (1984 می باشد]35 , 2[
که در آن T: تعرق ، E : تبخیر ، S : شیب منحنی فشار بخار اشباع در دماي متوسط ، γ سایکرومتري ثابت : تابش خالص ورودي به کانوپی
تابش خالص دریافت شده در سطح خاك ، ρ : چگالی هوا ، c : ظرفیت ویژه حرارتی هوا
کمبود اشباع (mbar) ، مقاومت آئرودینامیکی : مقاومت کانوپی
مقاومت سطح خاك می باشد.
کمبود اشباع با استفاده از روابط پیشنهادي فائو 56 از روابط براي فشار بخار در دماي مختلف بدست می آید.
مقاومت آئرودینامیکی بر مبناي روش هاي براون و روزنبرگ (1973) و ورما و همکاران (1976) بدست می آید .[24]
مقاومت سطح خاك در برابر تبخیر از رابطه اي نمایی 5]،11،46،[13 به عنوان تابعی از رطوبت ویژه خاك به صورت ذیل محاسبه می گردد
که در آن c ثابت کالبیراسیون می باشد. مقدار c براي منطقه مورد مطالعه با استفاده از داده هاي مشاهده اي رطوبت سطح خاك کالیبره می شود .[7] مقاومت کانوپی با استفاده از روش جارویس [21] محاسبه می شود.
-3-2 معادله توازن جرم در لایه اول مدل SETS-AMS
مدل SETS از داده هاي کالیبره شده TRMM ( Tropical Rainfall Measuring Mission) براي معادله توازن جرم در لایه اول استفاده می نماید. همچنین ETLook مقدار تبخیر را از لایه اول با استفاده از داده هاي رطوبت خاك AMSR-E تخمین می زند. داده هاي TRMM و AMSR-E داده هاي اریب می باشند39]،.[8 بنابراین براي از بین بردن اثر اریبی داده ها براي مقایسه، مدل SETS-AMS تدوین گردید.
در مدل SETS-AMS رطوبت لایه سطحی خاك همواره از داده هاي AMSR-E بدست می آید. تفاوت رطوبت در هر بازه زمانی معادله توازن جرم را که داده هاي بارندگی TRMM در آن شرکت دارند، کنترل می کند. بقیه لایه هاي مدل همانند SETS می باشد. از این رو می توان این مدل را روشی بینابینی SETS و ETLook دانست.
در مدل SETS-AMS دو فرض وجود دارد. اول اینکه dθ1/dt (تغییرات رطوبت خاك در لایه اول نسبت به زمان) برابر با اختلاف رطوبت خاك AMSR-E در هر گام زمانی می باشد:
که Wt رطوبت خاك AMSR-E در زمان t و Wt+1 رطوبت خاك AMSR-E در زمان t+1 می باشند
بنابر این معادله توازن جرم در لایه اول به شکل زیر خواهد بود:
در نتیجه در هر زمان مقدار رطوبت سطحی خاك در مدل SETS-AMS برابر با روش ETLook می باشد. فرض دوم در مدل SETS-AMS این است که زمانی که مجموع مقادیر نیاز تبخیر و شار عمودي جریان از لایه اول به دوم بیشتر از اختلاف داده هاي رطوبت (مقدار رطوبت تغییر کرده در گام زمانی) باشد، مقدار تبخیر و شار عمودي رطوبت با توجه به سهم آنها در برداشت رطوبت طبق روابط زیرکاهش خواهد یافت : (10)
که در آن E نیاز تبخیري محاسبه شده بر اساس نیاز اتمسفر و رطوبت خاك (فرمول پنمن-مونتیث) می باشد. همچنین q مقدار شار عمودي پتانسیل (حداکثر) بین لایه اول و دوم می باشد که بر اساس رطوبت اولیه دو لایه محاسبه می گردد.
فرض دوم بر این نکته تاکید دارد که مقدار تبخیر واقعی همواره کوچکتر یا مساوي نیاز تبخیري اتمسفر می باشد. در واقع تنها شرایط اتمسفر و رطوبت خاك نیست که میزان تبخیر را تعیین می کند. بلکه شار عمودي رطوبت در معادله توازن می تواند محدود کننده رطوبت قابل تبخیر باشد.
-3 منطقه مورد مطالعه و داده هاي مورد استفاده
همان گونه که در ابتداي بخش اشاره شد، به علت وجود داده هاي تبخیر و تعرق محاسبه شده توسط روش ETLook ، مطالعه بر روي دقت مدل SETS در منطقه حوضه ایندوس شامل بخش هایی از پاکستان، هندوستان و افغانستان صورت گرفت. هر دو مدل SETS-AMS و SETS براي تخمین تبخیر و تعرق روزانه به طور جداگانه در حوضه آبریز ایندوس اجرا شدند. این حوضه با مساحت 1165500 کیلومتر مربع دوازدهیمن حوضه بزرگ آبریز دنیا می باشد. این حوضه آبریز داراي 27 کلاس پوشش زمین می باشدکه اختلاف بالاترین و پایین ترین تراز آن 8238 متر می باشد.[7] مقادیر روزانه تبخیر و تعرق روزانه در حوضه با تفکیک مکانی 1km در 1km براي سال 2007 توسط دو مدل SETS و SETS-AMS تخمین زده شد. این مقادیر با مقادیر 8 روزه بدست آمده از الگوریتم [2] ETLook مقایسه گردیدند. نقشه کاربري اراضی سال 2007 که توسط چیما و باستیانسن (2010) از سري زمانی NDVI ماهواره SPOT تهیه شده بود مورد استفاده قرار گرفت. داده هاي بارندگی با تفکیک مکانی 25 کیلومتر از داده هاي واسنجی شده [20] TRMM تهیه شد.[7] نقشه خصوصیات خاك FAO براي بدست آوردن پارامتر هاي معادله ونگنوختن- معلم مورد استفاده قرار گرفت .[15] سایر داده
