سنجش از دور و الگوريتم سبال (مطالعه موردي: حوزه ا بخيز منشاد در استان يزد)

Transcript

1 مجله علمى- پژوهشى Iran-Watershed Management Science & Engineering Vol. 4, No. 13, Fall 2010 سال چهارم- شماره 13- زمستان 1389 تعيين و پهنه بندي تبخير و تعرق واقعي توسط تكنيك سنجش از دور و الگوريتم سبال (مطالعه موردي: حوزه ا بخيز منشاد در استان يزد) سمانه پورمحمدي 1 محمدتقي دستوراني 2 محمدحسين مختاري 3 محمدحسن رحيميان 4 تاريخ دريافت: 89/04/27 تاريخ پذيرش: 89/11/11 چكيده: تبخير و تعرق يكي از مهمترين راههاي مصرف يا هدر رفت ا ب در يك حوزه ا بخيز است كه پايش و بررسي تغييرات ا ن در دوره هاي زماني معين مى تواند ضمن نشان دادن ميزان ا ب مصرفي در هر كاربري اراضي در مديريت ا ب در مقياس حوزه و تعيين ميزان ا ب مورد نياز جهت تخصيص به هر كاربري اراضي مورد استفاده واقع شود. نظر به وسعت عرصه هاي منابع طبيعي و حوزه هاي ا بخيز و عدم امكان بررسي ايستگاهي تبخير و تعرق در يك حوزه سامانه سنجش از دور مي تواند در تعيين تبخير و تعرق واقعي صورت گرفته از كاربرى هاى مختلف يك حوزه ا بخيز فناورى مناسبي باشد. هدف از انجام پژوهش معرفي ا لگوريتم توازن انرژي سطحي زمين (سبال) و نحوه محاسبه تبخير و تعرق واقعي توسط ا ن در حوزه ا بخيز منشاد در استان يزد است كه به كمك يك سري زماني از تصاوير ماهواره اي موديس (15 تصوير) در سال ا بي صورت گرفته است. بر اين اساس نقشه تبخير و تعرق واقعي پوشش هاي مختلف سطح حوزه براي يك سال ا بي ترسيم و تجزيه تحليل شد. نتايج حاصل از اين پژوهش ضمن نشان دادن تغييرات مكاني تبخير و تعرق صورت گرفته از كاربرى هاى مختلف اراضي (بين 27 تا 1174 ميليمتر) 1- دانش ا موخته كارشناسي ارشد مديريت مناطق بياباني (گرايش ا ب) دانشگاه يزد 2- نويسنده مسي ول و دانشيار دانشكده منابع طبيعي دانشگاه يزد 3- كارشناس ارشد سنجش از دور پژوهشكده مناطق خشك و بياباني دانشگاه يزد 4 -كارشناس ا بياري و زهكشي مركز ملي پژوهش هاى شوري منعكس كننده تغييرات قابل توجه اين عامل در كاربرى هاى مختلف حوزه بود. لذا در مديريت منابع ا ب و تخصيص حجم مشخص از ا ب حوزه به هر كاربري مي تواند نقش قابل توجهي داشته باشد. كلمات كليدي: تبخير و تعرق واقعي پهنه بندي مديريت منابع ا ب سبال حوزه ا بخيز منشاد مقدمه فنون سنجش از دور اين امكان را مي دهند تا سطح وسيعي از منطقه مورد مطالعه را همزمان مورد پوشش قرار داده اقدام به رصد و مطالعه تبخير و تعرق نمود. به كمك اين فن توزيع مكاني عامل هاى مورد نياز مدل هاى تبخير و تعرق و تغييرات زماني ا نها بين دو تصويربرداري متوالي فراهم مى شود [4]. تبخير و تعرق يكي از مهمترين اجزاي بيلان ا بي در حوزه است. در مطالعات بيلان ا بي اين عامل عموما به دو شيوه مورد بررسي قرار مي گيرد. اول اينكه عامل تبخير و تعرق به عنوان جزء مجهول در معادله بيلان ا بي قلمداد شده و با محاسبه ساير اجزاء در نهايت از طريق جزء باقي مانده اقدام به تعيين ا ن مي نمايند. راه حل دوم اينكه به كمك يكي از روش هاي مستقيم يا غيرمستقيم (محاسباتي) اين جزء محاسبه شده و در معادله بيلان ا بي لحاظ مي گردد [3 ]. الگوريتم سبال يكي از مواردي است كه به كمك سنجش از دور ا مده تا بتوان ميزان تبخير و تعرق واقعي را محاسبه نمود. الگوريتم سبال تا كنون در بيشتر از 30 كشور به طور كاربردي استفاده شده است[ 13 ]. در ارتباط با استفاده از الگوريتم توازن انرژي در كشورمان نيز معدود مطالعاتي صورت پذيرفته است. به عنوان مثال در پژوهشي كه در حوزه ا بخيز تنگ كنشت كرمانشاه انجام گرفته است تبخير و تعرق واقعي گياه با استفاده از معادله توازن انرژي و به كارگيري تصاوير ماهواره اي لندست نقشه توپوگرافي حوزه و پوشش گياهي منطقه و همچنين داده هاي هواشناسي محاسبه شده است. اين پژوهش همچنين تبخير و تعرق گياه مرجع را با استفاده از فرمول هارگريوز محاسبه نموده است. سپس با تقسيم نمودن مقادير مربوط به ميزان تبخير و تعرق به دست ا مده از فرمول هارگريوز و معادله توازن انرژي ضريب گياهي K) c براي هر پيكسل محاسبه شده است. از ا ن جايي كه براي هر ) تيپ پوشش گياهي ضريب هاى گياهي نيز متفاوت مي باشد براي اصلاح ا ن به همپوشاني نقشه ضريب هاى گياهي و نقشه تيپ گياهي پرداخته شد. به اين صورت ضريب گياهي براي هر تيپ اصلاح سال چهارم- شماره 13- زمستان

2 گرديد. سپس تبخير و تعرق به دست ا مده براي گياه مرجع در ضريب گياهي هر تيپ ضرب شد تا نقشه تبخير و تعرق منطقه ترسيم شود. در نهايت مقدار تبخير و تعرق واقعي به دست ا مده با ميزان تبخير و تعرق واقعي كه توسط معادله توازن انرژي محاسبه شده بود مقايسه شد و خطاي ميانگين مربعات 1 ا ن به دست ا مد. نتايج اين پژوهش نشان داد كه بين دو روش معادله توازن انرژي (تصاوير ماهواره اي) و معادله هارگريوز (استفاده از ضريب هاى گياهي مناسب) در برا ورد تبخير و تعرق همبستگي بالايي (0/99= 2 R) وجود دارد[ 1 ]. در پژوهش ديگري ميزان تبخير و تعرق واقعي گياهان تحت تنش هاى محيطي در دشت ا زادگان واقع در استان خوزستان توسط الگوريتم سبال برا ورد شد. نتايج اين پژوهش براي هر يك از سايت هاى موجود در منطقه (گياه گندم گياهان مرتعي و نيزارها) تبخير و تعرق جداگانه اي را ارايه داد. در ضمن تبخير و تعرق به دست ا مده از الگوريتم سبال با تبخير و تعرق مرجع محاسبه شده از معادله پنمن-مانتيث همبستگي حدود %85 را نشان داد [3 ]. همچنين در پژوهشي ديگر كه در مزرعه نمونه ارتش واقع در استان گلستان انجام شده جهت برا ورد تبخير و تعرق روزانه در دو تاريخ 5 مي (15 ارديبهشت) و 7 ژوي ن (17 خرداد) 2003 از تصاوير موديس و الگوريتم سبال استفاده گرديده است[ 9 ]. در پژوهش ديگري كه در كاستاريكا بر روي تاثير تغييرات پوشش گياهي بر روي تبخير و تعرق انجام شده از تصاوير ماهواره اي استفاده گرديده است. در اين پژوهش رابطه بين تغييرات پوشش گياهي و تبخير و تعرق را در چند ماه خشك سال با استفاده از تصاوير ماهواره اي موديس و ا ستر 2 و از طريق مدل سبس 3 ارزيابي شد. سپس نتايج به دست ا مده از دو تصوير با هم مقايسه و نتيجه گيريى شد كه با استفاده از تصاوير ا ستر مي توان به خوبي تغييرات پوشش گياهي و تبخير و تعرق واقعي را ارزيابي كرد همچنين تصاوير موديس براي تعيين تبخير و تعرق به صورت دوره هاي مختلف زماني مناسب است[ 16 ]. در پژوهشي كه در منطقه اي به نام دره ا برو در اسپانيا صورت گرفت تبخير و تعرق واقعي محاسبه شده از مدل سبال در طي چهار سال براي گياه ذرت و گياه مرجع چمن با تبخير و تعرق واقعي اندازه گيري شده توسط معادله پنمن مانتيث مقايسه شد. نتايج اين پژوهش نشان داد كه خطاي مربوط به مدل سبال در مورد ذرت يك ميليمتر در روز و براي گياه چمن 0/3 ميليمتر در روز مى باشد[ 17 ]. ا نچه كه مسلم است كارا يي اين ا لگوريتم در مديريت بهينه منابع ا ب است. به طوري كه با داشتن مقدار تبخير و تعرق واقعي به صورت مكاني تصوير صحيحي از الگوي مصرف ا ب در هر منطقه (حتي در مقياس وسيع) به دست مي ا يد كه براساس ا ن مي توان اقدام به برنامه ريزي و تخصيص مقدار ا ب مورد نياز به هر منطقه نمود. هدف از پژوهش حاضر نيز تعيين ميزان تبخير وتعرق واقعي به كمك الگوريتم سبال براي هر يك از كاربرى هاى اراضي و پوشش هاي گياهي مختلف در حوزه ا بخيز منشاد در استان يزد جهت مديريت بهينه منابع ا ب در اين حوزه مى باشد. نتيجه اين پژوهش ضمن اينكه مي تواند كارا يي اين الگوريتم را در مديريت منابع ا ب در مقياس حوزه ا بخيز ا ن هم در شرايط اقليمي خشك و نيمه خشك ايران به نمايش بگذارد خواهد توانست به ترسيم نقشه نياز ا بي محصولات مختلف (تحت تنش هاي محيطي مختلف) نيز كمك شاياني نمايد. مواد و روش ها -منطقه مطالعاتي منطقه مطالعاتي در پژوهش حاضر حوزه منشاد مى باشد كه در طول جغرافيايي "54 و '9 و 56 تا "54 و '16 و 37 شرقي و عرض جغرافيايي "31 و '29 و 8 تا "31 و '36 و 24 ثانيه شمالي واقع شده است. اين حوزه از نظر تقسيمات استاني جزو استان يزد و از حوزه هاي ا بخيز ميانكوه در منطقه شيركوه مى باشد. مساحت اين حوزه 6137 هكتار مى باشد. حداقل ارتفاع حوزه منشاد 1788 و حداكثر ارتفاع ا ن 3518 مي باشد. دماي متوسط سالانه در حوزه منشاد 11 درجه سانتي گراد و بارش متوسط ا ن 368/35 ميليمتر در سال مى باشد. گرم ترين ماه سال در اين حوزه شهريور ماه با ميانگين دماي 24/5 درجه سانتى گراد و سردترين ا ن بهمن ماه با ميانگين دماي 0/5 درجه سانتى گراد تعيين شده است. از نظر تقسيم بندى اقليمي دو مارتن اصلاح شده جز مناطق سرد و نيمه خشك محسوب مى شود. در شكل 1 نماي كلي از حوزه منشاد به همراه موقعيت جغرافيايي ا ن در استان يزد مشاهده مى شود. روش پژوهش در شكل شماره 2 مراحل مختلف انجام اين پژوهش نشان داده شده است. تصاوير ماهواره اى مورد استفاده مربوط به سنجنده موديس 4 و نقشه هاى مورد استفاده شامل پوشش گياهي و كاربري اراضي هستند كه همگي رقومي شده اند. شكل 1 - موقعيت منطقه مطالعاتي به همراه نقشه تركيب رنگي ماهواره لندست 1 - MSE 2- ASTER 3- SEBS 24 سال چهارم- شماره 13- زمستان 1389

3 در پژوهش حاضر پس از تهيه اطلاعات روزانه از منطقه مطالعاتي اقدام به تعيين تبخير و تعرق مرجع در هر روز از سال ا بي شد. اين كار به كمك معادله فاي و پنمن مانتيث صورت پذيرفت[ 10 ]. سپس با استفاده از ضريب هاى پيشنهادي فاي و در هر ماه اصلاح گرديد تا به شرايط طبيعي و كشاورزي منطقه نزديكتر شود[ 6 ]. جهت تعيين تبخير و تعرق واقعي در حوزه منشاد نيز از سبال 1 يا ا لگوريتم توازن انرژي سطحي براي زمين استفاده شده است[ 13 ]. براي اجراي اين الگوريتم نياز به تلفيق تصاوير ماهواره اى مشاهدات صحرايي و داده هاي اقليمي مى باشد. بدين منظور يك سري زماني مشتمل بر 15 تصوير ماهواره اى موديس مربوط به سال ا بي حوزه منشاد تهيه گرديد و تبخير و تعرق واقعي روزانه با استفاده از الگوريتم سبال تنها در روزهايي كه تصاوير ا ن گرفته شده بود (15 روز از سال) به دست ا مد. جهت تعيين تبخير و تعرق واقعي ساير روزهاي سال ا بي از داده هاي تبخير و تعرق مرجع در روزهاي داراي تصوير استفاده شد و نقشه نسبت تبخير و تعرق واقعي (به دست ا مده از الگوريتم سبال) به تبخير و تعرق مرجع (فاي و پنمن مانتيث) در تمامي 15 روز سال به دست ا مد. سپس بازه زماني تحت پوشش هر يك از تصاوير تعيين و مقادير تبخير و تعرق مرجع مربوط به روزهاي هر بازه با يكديگر جمع شده و در نقشه نسبت به دست ا مده براي هر تصوير ضرب گرديد. بدين ترتيب نقشه تبخير و تعرق واقعي براي بازه هاي زماني مختلف به دست ا مد كه مجموع ا نها نيز معرف تبخير و تعرق واقعي در طول سال ا بي مي باشد. سپس ميزان نياز ا بي گياهان باغي زراعي و مرتعي حوزه منشاد به تفكيك در سال ا بي مشخص شد. تعيين تبخير و تعرق مرجع به طور كلي متغيرهايي كه بر روي پديده تبخير و تعرق تاثير گذارند شامل بارندگي سرعت باد تابش خورشيدي فشار سطحي زمين رطوبت تعداد ساعات ا فتابي ميزان ابرناكي جريان هاى همرفتي پوشش سطح زمين خصوصيات خاك گياه كيفيت ا ب در دسترس و غيره مي شوند [3 ]. در پژوهش حاضر پس از تهيه اين اطلاعات به صورت روزانه اقدام به تعيين تبخير و تعرق مرجع در هر روز از سال ا بي شد. اين كار به كمك معادله فاي و پنمن مانتيث صورت پذيرفت[ 10 ]. به دليل فقدان ا مار و اطلاعات كافي در حوزه مطالعاتي منشاد براي اين كار از ا مار ايستگاه سينوپتيك مهريز واقع در 25 كيلومتري منطقه مطالعاتي استفاده و با انجام تصحيحاتي بر روي ا نها براي منطقه مورد مطالعه نيز مورد استفاده واقع شد. نظر به در دسترس بودن عامل هاى دما و بارش براي حوزه منشاد رابطه همبستگى بين كليه عامل هاى ايستگاه مهريز (دما بارش رطوبت نسبي سرعت باد و ساعات ا فتابي) با اين دو عامل در همان ايستگاه و همچنين با داده هاي ايستگاه مستقر در حوزه منشاد بررسي و نسبت بين اين دو ايستگاه به عنوان ضريب اصلاحي جهت تبديل داده هاي ايستگاه مهريز به ايستگاه منشاد در نظر گرفته شدند. سپس به دليل ماهيت فرودگاهي داده هاي هواشناسي داده هاي مذكور به كمك ضريب هاى پيشنهادي فاي و در هر ماه اصلاح گرديدند تا به شرايط طبيعي و كشاورزي منطقه نزديكتر شوند[ 6 ]. اين ضريب هاى كه براي هر ايستگاه و در هر ماه از سال متفاوتند براي اصلاح داده هاي ثبت شده در ايستگاه هاي سينوپتيك كه معمولا در محيط هاي شهري با حواشي غير كشاورزي قرار دارند كاربرد داشته و اعداد ثبت شده را به شرايط طبيعي و مزرعه نزديك مي نمايند. در نهايت با استفاده از اين داده هاي اصلاحي تبخير و تعرق مرجع روزانه ايستگاه منشاد () - SEBAL شكل 2- نمودار مربوط به مراحل مختلف انجام پژوهش 1- Surface Energy Balance Algorithm for Land (SEBAL) 25 سال چهارم- شماره 13- زمستان 1389

4 به كمك رابطه فاي و پنمن مانتيث به دست ا مد. شكل كلي معادله پنمن-مانتيث به صورت زير است[ 10 ]. Δ( Rn G) + Cp ( ea ed ) (1 ETo = ra Δ + (1 + rc ra ) كه در ا ن : ETo شار گرماي نهان تبخير بر حسب كيلوژول بر مترمربع بر ثانيه ] -1 S [KJM -2 [KJM -2 S -1 ] شار تشعشع خالص در سطح است :R n [KJM -2 S -1 ] شارگرماي خاك است :G : وزن مخصوص اتمسفر بر حسب كيلوگرم بر مترمكعب است. : C گرماي ويژه مرطوب بر حسب كيلوژول بر كيلوگرم است. [ KJg -1o C -1 ] e): a كمبود فشار بخار ا ب بر حسب كيلو پاسكال است. -e d ) :rc مقاوت سايه انداز پوشش گياهي بر حسب ثانيه بر متر است. ra :مقاوت ا ي روديناميكي هوا بر حسب ثانيه بر متر است. -1 [ KPa 0 : Δ شيب منحني فشار بخار است.[ :گرماي نهان تبخير بر حسب مگاژول بر كيلوگرم است [MKKg -1 ] -1 [ KPa 0 : ثابت سايكرومتري است.[ تعيين تبخير و تعرق واقعي جهت تعيين تبخير و تعرق واقعي در حوزه منشاد از ا لگوريتم سبال استفاده شده است. براي اجراي اين الگوريتم به تلفيق تصاوير ماهواره اى مشاهدات صحرايي و داده هاي اقليمي نياز مي باشد. بدين منظور يك سري زماني مشتمل بر 15 تصوير ماهواره اى موديس مربوط به سال ا بي حوزه منشاد تهيه گرديد و توسط سبال استفاده شد. همانطوري كه قبلا نيز اشاره گرديد به علت فقدان ايستگاه سينوپتيك در حوزه منشاد داده هاي ايستگاه سينوپتيك مهريز اخذ و سپس با منطقه مطالعاتي تطبيق داده و در مراحل مختلف سبال استفاده گرديد. معرفي الگوريتم سبال- سبال (ا لگوريتم توازن انرژي سطحي براي زمين ( 1 مدلي مبتني بر پردازش تصوير بوده كه مشتمل بر بيست و پنج زير مدل جهت محاسبه تبخير و تعرق (ET) به عنوان باقيمانده بيلان انرژي سطحي زمين است. اين مدل توسط باستين سن در كشور هلند معرفي و همچنين براي منطقه كوهستاني ا يداهو 2 نيز با تكيه بر مقادير تبخير و تعرق اندازه گيري شده در سطح زمين توسعه يافته است. مدل سبال از اطلاعات تصاوير رقومي اخذ شده توسط ماهواره لندست يا ساير سنجنده هاي سنجش از دوري كه قادر به ثبت تشعشعات مادون قرمز حرارتي و همچنين تشعشعات مري ي 3 و نزديك مادون قرمز 4 مي باشند استفاده مي نمايد. مقدار ET در هر پيكسل (به عنوان مثال هر متر مربع تصوير لندست TM و + (ETM براي لحظه اي خاص كه همان زمان اخذ تصوير مي باشد محاسبه مي گردد. فرايند محاسبه براساس توازن كامل انرژي استوار است كه در ا ن مقدار ET از كسر نمودن مقدار انرژي باقيمانده از معادله كلاسيك بيلان انرژي به دست مي ا يد. لذا مقدار ET برابر با تشعشع خالص منهاي گرماي وارده به خاك منهاي گرماي وارده به هوا خواهد شد. جزي يات بيشتر اين مدل توسط باستيانسن و همكارانش [14] ارايه شده است اما معادله كلي مورد استفاده در سبال به صورت زير است: (2 LE=R n -H-G كه در اين فرمول LE شار گرماي نهان بر حسب ) 2- (Wm R n تابش خالص است كه به راحتي قابل تبديل به ET مي باشد خورشيدي است ) -2 (Wm H شار گرماي محسوس ) -2 (Wm و G شار گرماي زمين يا خاك ) 2- (Wm مى باشد. از اين فرمول اينچنين استنباط مي گردد كه تابشي كه از جو به سطح زمين مي رسد به سه قسمت مجزا مي شود. بخشي صرف گرم كردن زمين يا خاك شده بخش ديگري صرف گرم گردن هواي مجاور سطح زمين و بقيه مقدار انرژي باقيمانده منجر به تبخير و تعرق مي گردد. در واقع هدف سبال محاسبه شار گرماي نهان (LE) مي باشد كه همان ET واقعي محسوب مي گردد. لازم به ذكر است كه دقت واقعي نتايج حاصله براي LE (يا (ET متاثر از دقت باند با طول موج كوتاه و نيز باند ترمال ماهواره است. در معادله شماره 3 تشعشع خالص از معادله توازن انرژي سطحي زمين به صورت زير محاسبه مي شود: (3 Rn=(1- )Rs+(L in -L out ) كه در ا ن ا لبيدوي سطحي Rs تابش خورشيدي ) 2- (Wm e L ou تابش ورودي و خروجي t و L in بازتابش سطح زمين (انتشار) به زمين به صورت امواج با طول موج بلند مي باشد( 2-.(Wm مقدار با اختلاط بازتابش هاي طيفي حاصله از شش باند با طول موج L ou به t و L in كوتاه در ماهواره لندست به دست مي ا يد. همچنين عنوان تابعي از دماي سطحي در نظر گرفته مي شوند كه از تصوير ماهواره اى قابل استخراج است. مقدار e توسط شاخص هاي گياهي ايجاد شده از دو باند با طول موج كوتاه به دست مي ا يد. مقادير R s براي هر پيكسل داراي شيب مشخص با استفاده از پتانسيل منحني هاي تي وري ا سمان صاف قابل تعيين مي باشند[ 11 ]. شار گرمايي خاك يا (Wm 2- ) G نيز به صورت تجربي و با استفاده از معادله باستيانسن و همكاران [14] قابل برا ورد است كه اين معادله 3- Visible 4- Near Infra Red (NIR) 1- Surface Energy Balance Algorithm for Land 2- Idaho 26 سال چهارم- شماره 13- زمستان 1389

5 بر اساس ا لبيدو ) ) دماي سطحي زمين و يك شاخص گياهي با نام NDVI قابل محاسبه ميباشد: Ts G = ( )( NDVI ) R n (4 T s دماي سطحي زمين بر حسب كلوين ميباشد. كه در اين معادله شاخص NDVI 1 نيز به كمك باندهاي قرمز و مادون قرمز نزديك حاصل ميشود كه فرمول ا ن به صورت زير خواهد بود: NIR Re d (5 NDVI = NIR + Re d مقدار شار گرماي محسوس يا (Wm 2- ) H از سرعت باد و دماي سطحي زمين و با بكارگيري يك كاليبراسيون دروني منحصر به فرد متشكل از اختلاف دماي سطح زمين و دماي هواي مجاور (dt) حاصل ميشود. اين روش توسط فرمول باستيانسن و همكارانش قابل محاسبه است[ 14 ] : airc p( a + b. Ts ) (6 H = rah چگالي هوا ) 3 (kg/m است كه تابعي از كه در اين معادله air C p ظرفيت گرماي ويژه هوا (1004~ فشار اتمسفريك مىباشد. r ah مقاومت ا ي روديناميكي در مقابل انتقال گرماست (Jkg -1 K -1 T s نيز دماي سطحي زمين بر حسب كلوين است ) -1 m.(s مقدار و a و b ضريبهاى تجربي بوده كه براي هر تصوير قابل محاسبه a+bt s در معادله بيانگر اختلاف دماي سطح زمين است. جزء با هواي مجاور ا ن (dt) مىباشد كه با محاسبه درجه حرارت فاصله بين نزديك سطح زمين و ارتفاع حدود 2 متري از سطح زمين حاصل ميشود. استفاده از اختلاف دما (يا به عبارتي ديگر گراديان) مشكلاتي را كه بواسطه اختلاف عددي بين دماي سطحي ا ي روديناميك و راديومتريك به وجود ميا يد را برطرف مينمايد. تعريف ضريبهاى a و b نيازمند انتخاب دو پيكسل حد نهايي 2 در يك تصوير مىباشد كه به پيكسلهاي سرد و گرم معروفند مقادير dt با داشتن مقدار H در هر يك از اين دو پيكسل ميتوانند به صورت برگشتي 3 محاسبه شوند. در مدل متداول سبال مربوط به ا قاي T s را از يك منطقه با ا ب سطحي كه باستيانسن[ 13 ] اپراتور مقدار به عنوان پيكسل سرد مدل سبال شناخته مىشود انتخاب مينمايد. يك پيكسل گرم يا خشك نيز (كه معمولا سطح خاك لخت انتخاب ميشود) انتخاب ميگردد. مقدار گرماي محسوس پيكسل سرد صفر b و a فرض ميشود. ضريبهاى R n و پيكسل گرم برابر با G- موجود در معادله 6 براي هر تصوير و با استفاده از يك درونيابي T s در هر يك از خطي واسنجى ميشوند [15] كه براساس مقدار اين دو پيكسل سرد و گرم صورت ميگيرد. به منظور روشن شدن نحوه بكارگيري پيكسلهاي حد نهايي به ذكر يكي از موارد كاربردي ا لگوريتم سبال در منطقه ا يداهو ميپردازيم. در به كارگيري سبال در منطقه ا يداهو يك مزرعه با پوشش كامل كه به سطح مرجع گياه يونجه تشبيه شده بود به عنوان پيكسل سرد انتخاب گرديد و مقدار ET براي اين پيكسل همان مقدار ET گياه مرجع يونجه يا ET r به كمك دادههاي هواشناسي محلي به ET r فرض شد. مقدار دست ا مد. بنابراين گرماي محسوس پيكسل سرد در پروژه ا يداهو به R n محاسبه گرديد كه در ا ن LE براي هر پيكسل صورت -G-LE ET r ا ن پيكسل قرار داده شد. در پروژه ا يداهو مقدار H در برابر با پيكسل گرم براي هر مقدار از تبخيري كه بواسطه وقوع بارندگيهاي اخير باقي مانده تصحيح گرديد. اين مقدار توسط حل مدل بيلان روزانه ا ب لايه سطحي كه توسط گزارش فاي و [10] ارايه شده است قابل تعيين ميباشد. از ا نجايي كه شار گرماي نهان (LE) در زمان اخذ تصوير توسط معادله 1 قابل برا ورد است مقداري با عنوان جز تبخير (EF) نيز در مدل متداول سبال به صورت زير قابل محاسبه خواهد شد: LE (7 EF = R G n اما در مدل سبال پروژه ا يداهو به جاي مقدار EF جزي ي از تبخير ET كه بيانگر نسبت بين (ET r و تعرق گياه مرجع (يا به عبارتي F ET r كه توسط انجمن مهندسي عمران ا مريكا تعريف هر پيكسل به شده مورد محاسبه و به كارگيري قرار گرفته است. اين مقدار كه K c محسوب مي گردد به صورت زير خواهد همان ضريب گياهي يا ET F = K = r c ET ET r بود: (8 ET r همان تبخير و تعرق گياه مرجع يونجه است كه توسط ا مار كه هواشناسي و به روش پنمن-مونتيث استاندارد شده توسط ASCE به صورت ساعتي محاسبه شده است. با توجه به نتايج پژوهش انجام شده در منطقه ا يداهو مشخص گرديد كه رابطه بين مقادير روزانه و ساعتي جزء تبخيري گياه مرجع بسيار بالا بوده و مي توان به جاي مقادير ساعتي از مقادير روزانه اين ارقام نيز استفاده كرد. وجود اين مشابهت ها بين ET لحظه اي و 24 ساعته توسط افرادي چون شاتل ورث و همكاران[ 19 ] كراگو [16] مشاهده شده است. جهت تعيين ET r F ابتدا از درونيابي خطي ET و ET r مقادير ماهانه و فصلي F براي دوره هاي بين زمان دو تصوير استفاده و برا ورد صورت مي گيرد و سپس مقدار ماهانه يا فصلي ا نها محاسبه مي شود. لازم به ذكر است ET r و ET منطبق بر دقت كه دقت مكاني مقادير محاسبه شده F مكاني تصاوير ماهواره اى مورد استفاده در مدل مي باشد. در اين پژوهش از يك سري زماني تصاوير موديس استفاده گرديد كه مشتمل بر 15 تصوير مختلف است. سعي شده است كه تمامي اين تصاوير از روزهايي انتخاب گردند كه ابري و برف گير نبوده تا خللي در وضوح تصوير ا نها ايجاد نشود. اسامي روزهايي كه در اين 1- Normalized Difference Vegetation Index 2- extreme 3- backward 27 سال چهارم- شماره 13- زمستان 1389

6 پژوهش از تصاوير ماهواره اى استفاده شده است در جدول شماره 1 ا مده است. لازم به ذكر است كه پردازش تصاوير موديس و تمام كارهاي مربوط به ا ن در نرم افزار الويس انجام شده است. برا ورد تبخير و تعرق واقعي سالانه در حوزه منشاد تبخير و تعرق واقعي روزانه با استفاده از الگوريتم سبال تنها در روزهايي كه تصاوير ا ن گرفته شده بود به دست ا مد. (15 روز از سال). جهت تعيين تبخير و تعرق واقعي ساير روزهاي سال ا بي از داده هاي تبخير و تعرق مرجع در روزهاي داراي تصوير استفاده شد و نقشه نسبت تبخير و تعرق واقعي (به دست ا مده از الگوريتم سبال) به تبخير و تعرق مرجع (فاي و پنمن مانتيث) در تمامي 15 روز سال به دست ا مد. سپس بازه زماني تحت پوشش هر يك از تصاوير تعيين گرديد. طول بازه زماني هر تصوير وابسته به فاصله زماني سه تصوير متناوب از هم است به طوري كه هر چه تصاوير نزديكتر باشند طول بازه زماني كه هر تصوير پوشش خواهد داد نيز كوچكتر خواهد بود. به عنوان مثال چنانچه سه تصوير متناوب در تاريخ هاي 10 7 و 26 تيرماه موجود باشند تصوير مياني (يعني تصوير 10 تيرماه) بازه زماني 9 تا 18 تيرماه را پوشش خواهد داد. بديهي است كه روز 8 تيرماه و ماقبل به تصوير اول (يعني تصوير روز 8 تيرماه) نزديكتر بوده و لذا به بازه زماني ا ن تصوير تعلق خواهد داشت. همين طور روز 19 تيرماه و مابعد به تصوير سوم (يعني تصوير 26 تيرماه) نزديكتر بوده و متعلق به بازه زماني ا ن تصوير خواهد بود. با تعيين بازه هاي زماني هر تصوير مقادير تبخير و تعرق مرجع مربوط به روزهاي هر بازه با يكديگر جمع شده و در نقشه نسبت به دست ا مده براي هر تصوير ضرب گرديد. بدين ترتيب نقشه تبخير و تعرق واقعي براي بازه هاي زماني مختلف به دست ا مد كه مجموع ا نها نيز معرف تبخير و تعرق واقعي در طول سال ا بي مى باشد. روابط رياضي زير فرايند تعيين تبخير و تعرق واقعي در طول سال به كمك داده هاي تبخير و تعرق روزانه را نشان مي دهند. ETperiod i ETa = ETo i l i j= k ETo ETannual = ETperiod i j (3 (4 كه اجزاي اين روابط به صورت زير تعريف ميشوند: :ET ai تبخير و تعرق واقعي به دست ا مده از تصاوير در همان روز اخذ تصوير (روز i ام سال) بر حسب ميليمتر :ET oi تبخير و تعرق مرجع به دست ا مده از رابطه فاي و پنمن مانتيث در روز i ام سال بر حسب ميليمتر :ET oj تبخير و تعرق مرجع مربوط به روزهايي كه در بازه زماني تصوير i قرار ميگيرند و از روز k ام سال تا l ام سال تغيير مينمايند و تعداد ا نها j روز است. :ET annual تبخير و تعرق واقعي سالانه (بر حسب ميليمتر) كه از (ET periodi مجموع تبخير و تعرق واقعي بازههاي زماني هر تصوير ) به دست ميا يد. نتايج و بحث قبل از پرداختن به تبخير و تعرق واقعي حوزه به تبخير و تعرق مرجع در روزهاي مختلف سال ا بي اشاره مي شود. شكل شماره 3 تغييرات زماني تبخير و تعرق مرجع در حوزه منشاد را نشان مي دهد. همان طور كه مشاهده مي شود تبخير و تعرق پتانسيل روزانه در تابستان با 5/7 ميليمتر بالاترين و در زمستان با مقدار 0/8 ميليمتر پايين ترين مقادير اين نمودار مي باشند. با اجراي ا لگوريتم سبال تبخير و تعرق واقعي حوزه منشاد در 15 روز از سال كه داراي تصوير بود به دست ا مد. به عنوان نمونه نقشه روز هفتم تير ماه سال 1386 در شكل (4) ا مده است. جهت مقايسه اين نقشه با كاربرى هاى مختلف در حوزه نقشه تركيب رنگي حوزه جدول 1 -مشخصات تصاوير ماهواره اى استفاده شده در پژوهش رديف تاريخ نوع شماره باندهاي مورد استفاده رديف تاريخ نوع شماره باندهاي مورد استفاده موديس 13 ارديبهشت 1386 موديس مهر تير مهر تير ا بان تير ا ذر مرداد دي مرداد دي شهريور بهمن تير 1381 لندست 4 7 و اسفند سال چهارم- شماره 13- زمستان 1389

7 (mm) شكل 3 -تغييرات تبخير و تعرق مرجع روزانه حوزه منشاد در سال ا بي (DOY) مطالعاتي نيز در همين شكل ا ورده شده است. مقايسه دو نقشه (الف) و (ب) در روز هفتم تيرماه 1386 نشان مي دهد كه قسمت هاى پوشيده از گياهان طبيعي و مناطق كشاورزي حوزه (قسمت هاى مياني حوزه) تبخير و تعرق بيشتري نسبت به نقاط فاقد پوشش و صخره اي (قسمت هاى حاشيه اي حوزه) دارند كه امري طبيعي و قابل انتظار است. متوسط تبخير و تعرق كل حوزه در اين روز 3/9 ميليمتر مى باشد. يكي از نكات غير عادي در مورد تبخير و تعرق در برخي از روزهاي سال به مناطق سايه انداز حوزه (مناطق صخره اي واقع در حاشيه شرقي جنوبي و غربي حوزه) مربوط است. با توجه به اينكه در اين مناطق بدليل صخره اي بودن هيچ گونه پوشش گياهي نيز ديده نمي شود لذا انتظار مي رود كه تبخير و تعرق واقعي صورت گرفته از اين نواحي بسيار ناچيز باشد. اين در حالي است كه در برخي از اين صخره ها مقادير تبخير و تعرق بسيار زيادتري نسبت به ا نچه كه انتظار است به دست ا مده است. به عنوان مثال تبخير و تعرق واقعي در روز 13 ارديبهشت 1386 بين صفر تا 6/6 ميليمتر به دست ا مده است. كمترين اين ميزان به قسمت هاى صخره اي غرب و جنوب حوزه متعلق است كه بدون پوشش طبيعي نيز هستند كه امري طبيعي است. در بخش داراي پوشش گياهي و فعاليتهاي كشاورزي حوزه (نواحي مركزي) نيز تبخير و تعرق واقعي بين 3 تا 4 ميليمتر در اين روز مي باشد. اما در نهايت تعجب مشاهده مي شود كه بيشترين تبخير و تعرق در اين روز در قسمت ديواره هاي عمودي و صخره هاي واقع در شرق حوزه رخ داده است. اين مناطق (ب) (الف) شكل 4- (الف) نقشه تبخير و تعرق واقعي حوزه منشاد در روز هفتم تيرماه 1386 كه توسط ا لگوريتم سبال محاسبه شده است. متوسط تبخير و تعرق كل حوزه در اين روز 3/9 ميليمتر است. (ب) نقشه تركيب رنگي حوزه جهت مقايسه و تطابق با نقشه تبخير و تعرق 29 سال چهارم- شماره 13- زمستان 1389

8 عملا فاقد هر گونه پوشش گياهي هستند لذا اعداد به دست ا مده براي اين ناحيه نمي تواند واقعي باشد. در حقيقت اين مناطق باعث ايجاد خطا در برا ورد تبخير و تعرق كل حوزه نيز شده اند به طوري كه تبخيري حدود 6/6 ميليمتر در اين روز را به خود اختصاص داده و ميانگين تبخير و تعرق حوزه را به غلط بالا برده اند. البته اين وضعيت در روز 10 مهر 1386 نيز تكرار شده به طوري كه بيشترين تبخير و تعرق حوزه كه 5/3 ميليمتر در اين روز مى باشد به ديواره هاي عمودي در شرق حوزه اختصاص يافته است. در اين روز به غير از خطاي ذكر شده تبخير و تعرق در ساير نقاط حوزه منطقي به نظر مي رسد چرا كه در قسمت هاى پوشش دار تبخير و تعرق بين 2 تا 4 ميليمتر و در قسمت هاى صخره اي كمترين مقدار و نزديك به صفر مى باشد. انجام تصحيحات براي اين نوع خطا به نقشه نهايي تبخير و تعرق سالانه حوزه موكول گرديد. لذا پس از تهيه نقشه هاي مربوط به تبخير و تعرق روزانه (15 نقشه) نقشه هاي تجمعي تبخير و تعرق براي دوره هاي زماني مختلف ترسيم و با تجميع همه ا نها نقشه تبخير و تعرق سالانه حوزه در سال ا بي به دست ا مد. جهت تصحيح خطاي صخره هاي سايه انداز ابتدا اين مناطق از ساير نقاط حوزه تفكيك شدند. نظر به اينكه مناطق صخره اي ديگري نيز با خصوصيات كاملا مشابه از نظر وضعيت پوشش و تبخير و تعرق در حوزه وجود دارند كه سايه اندازي نمي كنند (مانند صخره هاي مناطق شرقي حوزه) لذا ميانگين تبخير و تعرق در ا نها تعيين و همين مقدار به عنوان تبخير و تعرق نواحي سايه انداز حوزه نيز منظور گرديد. شكل شماره 5 نقشه تبخير و تعرق سالانه حوزه منشاد در سال ا بي را نشان مي دهد. همان طور كه در نقشه تبخير و تعرق سالانه مشاهده مى شود تبخير و تعرق در قسمت هايي كه پوشش گياهي وجود دارد از قسمت هاي صخره اي بيشتر مى باشد. در قسمت خروجي حوزه نيز تقريبا بيشترين مقادير تبخير و تعرق مشاهده مى شود كه علت ا ن نه تنها دارا بودن پوشش گياهي در اين بخش ها است بلكه محل به هم پيوستن ا ب ساير بخش هاي حوزه در اين منطقه و قرارگيري شاخه اصلي رودخانه فصلي منشاد نيز هست. اين دو نكته باعث شده تا فراهمي ا ب در پايين دست بيشتر بوده و در نتيجه تبخير و تعرق بيشتري نسبت به ساير نقاط حوزه صورت پذيرد. با توجه به نقشه تبخير و تعرق واقعي سالانه منشاد (شكل شماره 5) حداكثر و حداقل تبخير و تعرق سالانه حوزه منشاد به ترتيب 1174 و 27 ميليمتر و ميانگين تبخير و تعرق حوزه مطالعاتي 540 ميليمتر در طول سال مذكور مى باشد. پس از تهيه نقشه تبخير و تعرق واقعي اقدام به تعيين متوسط تبخير و تعرق در هر يك از كاربرى هاى مختلف اراضي در حوزه منشاد گرديد. سه نوع عمده كاربري در منطقه عبارت اند از درختان و مزارع پوشش هاي مرتعي دامنه ها و محدوده صخره ها. در شكل (6) مقدار تبخير و تعرق متوسط سالانه هر يك از ا نها بر روي نمودار ا ورده شده است. با توجه به شكل (6) مشخص است كه تبخير و تعرق واقعي در بخش كشاورزي و باغات بيش از تبخير و تعرق در ساير بخش هاي حوزه است. تبخير و تعرق واقعي اين بخش 780 ميليمتر در سال ا بي مي باشد. سپس پوشش هاي دامنه اي شامل گياهان خودرو و مرتعي است كه 300 ميليمتر در سال تبخير و تعرق دارند و در نهايت بخش هاي كوهستاني و صخره اي با 190 ميليمتر تبخير و تعرق واقعي در سال كمترين ميزان تبخير و تعرق را در كاربري هاي عمده اراضي حوزه به خود اختصاص داده اند. به منظور بررسي صحت نتايج اين بخش به ا مار و ارقام ارايه شده مربوط به نياز ا بي گياهان باغي موجود در حوزه مراجعه شد. نظر به اينكه نياز ا بي سالانه درختاني نظير گردو بادام و زردا لو در منطقه مورد مطالعه بين 800 تا 1100 ميليمتر متغير است و همچنين پوشش هاي زراعي نظير گندم و جو بين 600 تا 700 ميليمتر در سال تبخير و تعرق خواهند داشت[ 5 ] لذا متوسط به دست ا مده براي تبخير و تعرق واقعي باغات و مزارع (mm) شكل 5 -نقشه تبخير و تعرق سالانه حوزه منشاد در سال ا بي شكل 6- متوسط تبخير و تعرق واقعي به دست ا مده براي هر كاربري اراضي در طول سال ا بي در حوزه منشاد 30 سال چهارم- شماره 13- زمستان 1389

9 منطقي به نظر مي رسد. بدليل اينكه تصوري از تبخير و تعرق واقعي گياهان مرتعي منطقه مطالعاتي و همچنين پوشش هاي صخره اي و توده سنگي وجود ندارد نمي توان در مورد صحت اعداد اظهار شده در اين نمودار نظر داد. ليكن با توجه به اثبات صحت تبخير و تعرق باغات و مزارع مي توان به اعداد مربوط به تبخير و تعرق پوشش هاي دامنه اي و نيز صخره ها نيز تا حدي اعتماد كرد. نتيجه گيري براساس نتايج پژوهش حاضر ميزان تبخير و تعرق واقعي براي كاربري هاي مختلف در حوزه منشاد به كمك الگوريتم سبال و تكنيك سنجش از دور بين 27 تا 1174 ميليمتر برا رود شد. همانطور كه قبلا نيز بيان شد بيشترين ميزان تبخير و تعرق مربوط به كاربرى باغات و مزراع بود. از نتايج اين پژوهش مي توان دريافت كه با استفاده از الگوريتم توازن انرژي(سبال) مي توان تبخير و تعرق واقعي و نتيجتا نياز ا بي گياهان باغي و زراعي و حتي مرتعي در شرايط مختلف (تحت تنش يا بدون تنش) را در سطوح وسيعي محاسبه نمود و نقشه تبخير و تعرق ا نها را ارايه داد. نتايج حاصل ضمن نشان دادن تغييرات مكاني تبخير و تعرق صورت گرفته از كاربرى هاى مختلف اراضي به نحوه مديريت منابع ا ب و تخصيص حجم مشخص از ا ب حوزه به هر كاربري اشاره مي نمايد كه مي تواند در مديريت بهينه منابع ا ب در حوزه مطالعاتي نقشي اساسي داشته باشد. اگرچه روشهاي متداول در محاسبه نقطه اي (ايستگاهي) تبخير و تعرق امكان محاسبه تبخير و تعرق هر كاربري را فراهم مي سازد ولي ا گاهي از پراكنش مكاني و پهنه بندي تبخير و تعرق در يك منطقه (به صورت نقشه) امكان مديريت مكاني ا ب را نيز فراهم مي ا ورد كه خود گامي در جهت صرفه جويي و تخصيص بهينه ا ب به هر منطقه از يك حوزه ا بخيز خواهد بود. منابع 1- اصغر زاده ح. و ثنايي نژاد ح برا ورد تبخير و تعرق گياهان با استفاده از داده هاي سنجش از دور و سامانه اطلاعات جغرافيايي در حوزه ا بخيز تنگ كنشت كرمانشاه همايش ملي مديريت شبكه هاي ا بياري و زهكشي 2- پورمحمدي س. دستوراني م.ت. چراغي س.ع.م. و مختاري م.ح ارزيابي و برا ورد اجزاء بيلان ا بي در حوزه هاي مناطق خشك با به كارگيري سنجش از دور و سامانه اطلاعات جغرافيايي (مطالعه موردي: حوزه ا بخيز منشاد يزد) پايانامه كارشناسي ارشد دانشگاه يزد 3- پورمحمدي س. و رحيميان م.ح تامين ا ب مورد نياز جهت حفظ تعادل اكوسامانه هاي طبيعي و كشاورزي با استفاده از الگوريتم سبال (مطالعه موردي دشت ا زادگان) مجموعه مقالات ششمين همايش مل ي علوم و مهندسي ا بخيزداري و چهارمين همايش مل ي فرسايش و رسوب گروه مهندسي ا بخيزداري دانشكده منابع طبيعي و علوم دريايي دانشگاه تربيت مدر س 4- دانش كارا راسته پ. ثقفيان ب. مهديان م.ح. پرهمت ج. و سررشته داري ا بررسي چگونگي استفاده از سنجش از دور براي برا ورد و توزيع مكاني تبخير تعرق به صورت منطقه اي (مطالعه موردي در دشت سيستان) گزارش نهايي طرح پژوهش هايى ص عليزاده ا نياز خالص ا بياري محصولات زراعي و باغي ايران (NETWAT) پروژه بهينه سازي الگوي مصرف ا ب كشاورزي ايران سازمان هواشناسي كشور و وزارت جهاد كشاورزي. 6- عليزاده ا. و كمالي غ.ع نياز ا بي گياهان در ايران دانشگاه امام رضا ص ملكي نژاد ح. و پورمحمدي س بررسي اهميت نسبي عوامل هواشناختي مو ثر بر فرا يند تبخير و تعيين مناطق همگن وابسته به ا ن در برخي از مناطق خشك و بياباني ايران كنفرانس منابع ا ب دانشگاه تبريز 8- كميته ملي ا بياري و زهكشي معرفي جهات نظري و كاربردي روش پنمن مانتيث گروه كار ا ب مورد نياز شماره 76/16 ص مباشري م.ر. خاوريان ح. ضياي يان پ. و كمالي غ.ع برا ورد تبخير و تعرق واقعي با استفاده از تصاويرMODIS و الگوريتم سبال همايش ملي ژي وماتيك 10- Allen R.B. Pereira L.S. Raes D. and Smith, M.S Crop evapotranspiration (guidelines for computing crop water requirements). FAO irrigation and drainage paper pp. 11- Allen, R. G. and Wright, J. L Translating wind measurements from weather stations to agricultural crops. J. Hydrologic Eng., 2(1). 12- Allen, R. G. Morse, A. and Tasumi M Application of SEBAL for western US rights regulation and planning. ICID workshop on remote sensing of ET for large regions. 13- Bastiaanssen, W.G SEBAl-based sensible and latent heat fluxes in the irrigated Gediz basin.turkey. J. Hydrology(229): Bastiaanssen, W.G. Menenti M. Feddes, R. and Holtslag. A A remote sensing surface energy balance algorithm for land (SEBAL): 1. formulation. J. Hydrology P Bastiaanssen, W.G.M., Ahmad M.D. and Chemin Y Satellite surveillance of 31 سال چهارم- شماره 13- زمستان 1389

10 available for the Flumen District into the Ebro Valley of N.E. Spain. Agricultural water management, AGWAT-2701; P Shuttleworth, W.J. Gurney, R.J. Hsu, A.Y. and Ormsby, J.P The variation in energy portioning at surface flux sites, remote sensing and large scale global processes. Proc., Red Book 186, International Association of Hydrological Sciences (IAHS), Delft, The Netherlands, Tasumi, M. Trezza, R. Allen, R.G. and Wright, J.L US validation tests on the SEBAL model for evapotranspiration via satellite, ICID workshop on remote sensing of ET for large regions. evaporative depletion across the Indus Basin. Water resources research, Vol. 38 No Crago, R. D Comparison of the evaporative fraction and the Priestley-Taylor for parameterizing daytime evaporation. Water Reso. Res., 32(5), Koloskov, G. Mukhamejanove, Kh. and Tanton, T.W Monin Obukhov Length as a Cornerstone of the SEBAL Calculations of Evapotranspiration. Journal of Hydlology 335, Ramosa, J.G. Cratchley, C.R. Kay, J.A. Casterad, M.A. MartınezCob, A. Domınguez, R Evaluation of satellite evapotranspiration estimates using ground-meteorological data 32 سال چهارم- شماره 13- زمستان 1389