تخمين حجم تبخير و تعرق پتانسيل در استان چهار محال و بختياري بر اساس سال هاي ترسالي و خشکسالي

Estimated of Potential Evapotranspiration Volume Base on Wet and Dry Years in Chahrmahal-va-Bakhtiyari Province

چکيده

به منظور تعيين حداکثر و حداقل حجم تبخير و تعرق پتانسيل (ET0) در استان چهارمحال و بختياري بر اساس دوره هاي ترسالي و خشکسالي اين تحقيق صورت پذيرفته است. در اين تحقيق از آمار 4 ايستگاه سينوپتيک و 4 ايستگاه کليماتولوژي واقع در استان چهار محال و بختياري در يک دوره 12 ساله (2000-1988) استفاده گرديد. بر اساس تحليل آمار بارش ساليانه، سال 1993 به عنوان سال تر و سال 2000 به عنوان سال خشک بدست آمد. سپس در هر دو سال تر و خشک و بر مبناي داده هاي مورد نياز، مقدار ET0 با استفاده از نرم افزار REF-ET بر اساس سه روش متداول (بلاني- کريدل- فائو، پنمن- مانتيث- فائو و هارگريوز- ساماني) تعيين گرديد. همچنين روش استاندارد شده ASCE به عنوان يک روش جديد نيز بررسي شد. مقادير ET0 بدست آمده از اين چهار روش بر اساس نمايه هاي آماري مورد مقايسه قرار گرفت. نتايج نشان داد که ميزان حجم تبخير و تعرق محاسبه شده از طريق روش بلاني - کريدل - فائو در سال هاي تر تا 42 درصد کمتر از سال هاي خشک در ايستگاه هاي مختلف برآورد شده است. همچنين روش بلاني - کريدل - فائو در سال هاي خشک در ايستگاه هاي مختلف مقدار آب مصرفي را در حدود 9 درصد بيشتر از مقدار بدست آمده از روش هارگريوز- ساماني که اعتبار آن بر اساس داده هاي لايسيمتري در استان تائيد شده، تعيين مي کند. همچنين مقادير حجم آب بدست آمده از طريق ساير روش ها و مقايسه آن با روش هارگريوز- ساماني نشان داد که روش بلاني - کريدل - فائو بيشترين حجم آب مصرفي و روش ASCE کمترين حجم آب مصرفي را در منطقه برآورد مي کند. اين امر نشان مي دهد که با توجه به گسترش روش ASCE به عنوان يک روش جهاني، اين روش در استان چهار محال و بختياري نياز به کاليبراسيون دارد.

مقدمه

ايران سرزميني است خشک با نزولات جوي بسيار کم، به طوري که بارندگي در ايران کمتر از يک سوم متوسط بارندگي در سطح دنيا است. علاوه بر اين زمان ريزش نزولات جوي و محل ريزش آنها نيز با نياز بخش کشاورزي، که مصرف کننده اصلي آب در کشور است مطابقت ندارد. بنابراين بايد پذيرفت که خشکي در ايران يک واقعيت اقليمي است و اين ما هستيم که بايد خود را با آن سازگاري دهيم (عليزاده، 1381). يکي از راه هاي سازگاري با کم آبي استفاده بهينه از منابع آب و افزايش بهره وري آب است.
خشکسالي از ويژگي هاي طبيعي هر اقليمي است و مي تواند در هر نوع آب و هوائي اتفاق بيفتد. بر خلاف خشکي که از ويژگي هاي دائمي اقلمي يک منطقه است، خشکسالي مي تواند در دوره هاي زماني مختلف تکرار شود. تکرار بيش از حد خشکسالي در يک منطقه مي تواند فاجعه آميز باشد. پايش و پيش بيني خشکسالي به کمک شاخص هاي مناسب مي تواند از ايجاد اين خسارت ها جلوگيري کند. خشکسالي را مي توان معلول يک دوره شرايط خشک غير عادي دانست که به اندازه کافي دوام داشته باشد تا عدم تعادل در وضعيت هيدرولوژي يک ناحيه ايجاد شود (Hayes, 2005). خشکسالي يکي از پديده هائي است که تخمين دقيق نياز آبي براي گياهان يک حوضه يا استان و برنامه ريزي آن باعث مي شود که دوره هاي خشکسالي را که با حداقل تامين نياز آبي مواجه است، با بحران کمتري طي شود. با توجه به اينکه اولين قدم در برنامه ريزي منابع آب در هر استان داشتن اطلاعات کافي از ميزان حداقل و حداکثر مصرف مي باشد و با توجه به اينکه به طور منطقي حداکثر مصرف آب کشاورزي در دوره خشک و حداقل مصرف در دوره تر اتفاق مي افتد، لذا تعيين اين دو حد، قدم اوليه در هر برنامه ريزي منابع آب هر استان مي باشد.
شاخص هاي مختلفي براي خشکسالي طي چهل سال اخير ارائه شده است. برخي از اين شاخص ها عبارتند از شاخص درصدي از نرمال (Percent of Normal)، شاخص شدت خشکسالي پالمر (Palmer Drought Severity Index) ، شاخص رطوبت محصول (Crop Moisture Index)، شاخص ذخيره آب سطحي (Surface Water Supply Index) . شاخص خکسالي احيايي (Reclamation Drought Index) ، شاخص دهک ها (Deciles) و شاخص بارش (Standardized Precipitation Index; SPI ) . در ميان اين روش ها روش SPI به واسطه تعداد داده ورودي کمتر، امکان گسترش آن به همه دامنه هاي زماني و ارائه عددي مختص براي خشکسالي از مزيت بالاتري برخوردار است (Yazdanpanah et al., 2005) .
براي تعيين ميزان تبخير و تعرق پتانسيل روش هاي متعددي در شرايط آب و هوايي متفاوت توسعه داده شده است. با انتخاب روش مناسب براي منطقه مي توان ميزان آب مورد نياز براي کشاورزي را تخمين زد. برخي از اين روش ها مانند بليني - کريدل و پنمن همواره در حال تکامل و توسعه بوده اند و شناخت درست نسخه خاصي از اين معادله که مورد استفاده قرار گرفته و بررسي دقيق هر گونه فرضيات مورد نياز، حايز اهميت است. روش جنسن - هيز کمي پس از ارائه آن اصلاح شد و تا کنون بدون تغيير باقي مانده است. روش هارگريوز - ساماني از جمله روش هايي است که به دو پارامتر درجه حرارت و تشعشع وابسته است و با توجه به اينکه تعيين ساير پارامترهاي اقليمي مشکل مي باشد استفاده از اين روش مناسب تر است و درصد خطاي کمتري را دارد (هاشمي نيا، 1378).
هارگريوز و ساماني (Hargreaves and Samani., 1982) و ساماني و پسارکلي (Samani and Pessarakli., 1986) در تحقيقاتي جداگانه براي منطقه آريزونا نتيجه گرفته اند که روش هارگريوز -ساماني نسبت به روش پنمن، جنسن- هيز اصلاح شده و بلاني- کريدل - فائو نتايج بهتري را عايد مي سازد و با توجه به اينکه احتمال خطا در آن کمتر است لذا استفاده از آن براي مناطق آريزونا توصيه شده است. آماتيا و همکاران (Amatya et al., 1995) روش هارگريوز- ساماني را با مرجع قرار دادن روش پنمن - مانتيث اصلاح کرده اند. ساماني (Samani, 2000) پس از يک سري بررسي در نقاط مختلف بيان مي کند که با توجه به آنکه دسترسي به اطلاعات دقيق هواشناسي حاصل از ايستگاه هاي سينوپتيک در بسياري از نقاط جهان دشوار است و رابطه پنمن - مانتيث به اطلاعات گوناگون هواشناسي متکي است بر اين اساس مطالعه بيشتر بر روي روش هارگريوز- ساماني در نقاط مختلف انجام شده است. آلن و همکاران (Allen et al., 2001) با توجه به متعدد بودن مدلهاي تخمين تبخير و تعرق و براي جلوگيري از پراکندگي کار، روش پنمن - مانتيث - فائو را اصلاح نموده و با عنوان روش استاندارد شده ASCE آن را توسعه دادند و اين مدل را براي 80 ايستگاه در اقليم هاي مختلف ايالات متحده امريکا تائيد نمودند.
نجفي (1383) با داده هاي هواشناسي براي 5 استان کشور ميزان تبخير و تعرق پتانسيل را براي روش هاي مختلف تخمين تبخير و تعرق محاسبه نموده و سپس آنها را با داده هاي لايسيمتري موجود در آن استان مقايسه کرد. نتايج وي نشان داده که در شهرستان شهرکرد روش هارگريوز- ساماني با کمتر از 7 درصد خطا به عنوان مناسبترين روش براي تخمين تبخير و تعرق مي باشد.
استفاده بهينه از منابع آب مستلزم داشتن اطلاعات کافي در مورد حجم کل آب مصرفي مي باشد و با برآورد دقيق اين مقدار، بهره وري از منابع آب را گسترش داد. برآورد حجم آب مورد نياز در يک استان، مستلزم داشتن اطلاعات وضعيت کشت ومقدار تبخير و تعرق واقعي (ETc) است که بدست آوردن ETc خود مستلزم بدست آوردن تبخير و تعرق پتانسيل (ET0) مي باشد. بنابراين اولين مرحله تخمين حجم آب مصرفي در يک استان تخمين تبخير و تعرق پتانسيل مي باشد.
هدف از اين تحقيق تعيين حداکثر و حداقل حجم تبخير و تعرق پتانسيل (ET0) در استان چهارمحال و بختياري بر اساس دوره هاي ترسالي و خشکسالي مي باشد.

مواد و روش ها

استان چهار محال و بختياري با يک درصد مساحت ايران (16532 کيلومتر مربع) بين 31 درجه و 9 دقيقه تا 32 درجه و 48 دقيقه عرض شمالي و نيز 49 درجه و 28 دقيقه تا 51 درجه و 25 دقيقه طول شرقي قرار دارد و با وجود مساحت کم، در حدود 10 درصد منابع آب کشور را در اختيار دارد. به علت کوهستاني و مرتفع بودن و قرار گرفتن در مسير بادهاي مرطوب مديترانه اي و به تبع آن تخليه بار اين سامانه ها، اين استان داراي بارش نسبتا مناسب مي باشد. وجود ارتفاعات پوشيده از برف از ويژگيهاي اين استان است. شکل 1 موقعيت منطقه مورد مطالعه در کشور ايران را نشان مي دهد .

در استان چهارمحال و بختياري، پنج ايستگاه سينوپتيک، شش ايستگاه کليماتولوژي، 43 ايستگاه باران سنجي و برف سنجي و يک ايستگاه هواشناسي کشاورزي فعال مي باشد. با توجه به وضعيت و کيفيت آمار موجود در استان، چهار ايستگاه سينوپتيک و چهار ايستگاه کليماتولوژي با دوره آماري 12 ساله (1988-2000 ) انتخاب گرديده و ميزان بارش سالانه مورد بررسي قرار گرفت. جدول 1 مشخصات ايستگاه هاي مورد استفاده و شکل 2 موقعيت و پراکندگي آنها در سطح استان را نشان مي دهد. بر اساس آناليز بارندگي با شاخص بارش استاندارد در 8 ايستگاه مذکور، سال 2000 به عنوان سال خشک و سال 1993 به عنوان سال تر انتخاب گرديد.

لازم به ذکر است که آمار مربوط به سال 1993 در ايستگاه لردگان در دسترس نبود و آناليز داده ها در اين ايستگاه فقط براي سال خشک (2000) انجام گرفته است.
داده هاي مختلف هواشناسي براي سالهاي 1993 و 2000 از طريق سايت سازمان هواشناسي کشور جمع آوري گرديد. اين اطلاعات عبارتند از : دماي حداقل، دماي حداکثر، دماي نقطه شبنم، رطوبت نسبي، سرعت باد، ساعت آفتابي. با استفاده از نرم افزار REF-ET ميزان تبخير و تعرق پتانسيل با چهار روش مختلف تخمين تبخير و تعرق محاسبه گرديد. اين چهار روش عبارتند از : بلاني - کريدل - فائو (BCF)، پنمن- مانتيث- فائو، هارگريوز- ساماني (Hs) و روش استاندارد شده (PMF-ASCE)ASCE .
از آنجائيکه داده هاي لايسيمتري براي سال هاي مورد نظر (1993 و 2000) وجود ندارد لذا با استناد به تحقيق نجفي (1383)، روش هارگريوز- ساماني به عنوان مرجع براي تخمين تبخير و تعرق پتانسيل پذيرفته شد و نتايج بدست آمده از سه روش بلاني - کريدل - فائو ، پنمن - مانتيث- فائو و روش استاندارد شده ASCE با روش هارگريوز- ساماني مقايسه شدند.
براي محاسبه مساحت تحت پوشش هر ايستگاه، موقعيت ايستگاه ها بر حسب طول جغرافيائي و عرض جغرافيائي در نرم افزار MAPINFO وارد شد ( شکل 2). با استفاده از نرم افزار Autocad منحني تيسن و مساحت تحت پوشش هر ايستگاه تعيين گرديد. شکل 2 منحني تيسن بدست آمده را نشان مي دهد. مساحت تحت پوشش هر ايستگاه نيز در جدول 2 ارائه شده است. با استفاده از مساحت تحت پوشش هر ايستگاه و با ضرب کردن در ارتفاع تبخير و تعرق پتانسيل ساليانه، حجم تبخير و تعرق پتانسيل سالانه با چهار روش و در دو سال تر و خشک بدست آمد. نهايتا اختلاف بين حجم آب بدست آمده در سال هاي تر سالي و خشک سالي در کل استان در هر روش با مقدار مرجع مقايسه گرديد. بديهي است مقدار بدست آمده تخمين کلي از مقادير حجم تبخير و تعرق پتانسيل مي باشد و بدست آوردن دقيق تر اين حجم مستلزم بدست آوردن رابطه بين تبخير و تعرق با ارتفاع و تفکيک مساحت تحت پوشش هر ايستگاه به مساحت هاي جزئي با استفاده از GIS است که در مراحل بعدي تحقيق مد نظر خواهد بود.

نتايج و بحث

تبخير و تعرق پتانسيل

شکل 3 ميزان تبخير و تعرق پتانسيل روزانه در ايستگاه شهرکرد با چهار روش مورد نظر را در سال هاي 1993 (تر سالي) و 2000 (خشکسالي) نشان مي دهد. روند تغييرات در ساير ايستگاه ها نيز مشابه بوده و لذا به منظور جلوگيري از طولاني شدن مطلب، شکلهاي ديگر ارائه شده است. نتايج نشان داد که مقدار تبخير و تعرق پتانسيل تخمين زده شده توسط روش استاندارد شده ASCE در ماه هاي گرم سال (ارديبهشت تا مهر ) در دوره هاي خشک حدود 13/5 و در دوره تر در حدود 19/4 درصد کمتر از مقدار مرجع مي باشد که اين اختلاف در ماه هاي گرم سال بيشتر از ماه هاي سرد و در سال هاي تر بيشتر از سال هاي خشک بدست آمده است.
مقادير تخمين زده شده توسط روش بليني - کريدل - فائو نسبت به روش مرجع در ماههاي گرم سال (ارديبهشت تا مهر) در دوره خشک حداکثر 2/3 درصد تخير و تعرق پتانسيل را بيشتر تخمين زده است که در دوره تر اين ميزان 6/4 درصد کمتر تخمين زده شده است. به عبارت ديگر به داده هاي مرجع بسيار نزديک تر از دو روش ديگر مي باشد. علت اين مسئله را مي توان در عامل درجه حرارت در مدل بلاني - کريدل - فائو جستجو کرد. در اين مدل نيز مشابه مدل هارگريوز- ساماني، عامل درجه حرارت به عنوان عامل اصلي تعيين کننده تبخير مي باشد و در سال هاي خشک اين عامل به شدت ظاهر مي گردد.

در ساير ايستگاه ها وضعيت به شکل مختلفي بوده است. جداول 2 و 3 نتايج کل ارتفاع تبخير و تعرق پتانسيل را به چهار روش مورد بررسي نشان مي دهد.

با توجه به مساحت تحت پوشش هر ايستگاه (جدول 1) و کل ارتفاع تبخير ساليانه هر ايستگاه (جداول 2 و 3) مقادير تبخير و تعرق پتانسيل براي روش مرجع (هارگريوز- ساماني) براي سال 1993 و سال 2000 محاسبه گرديد ( شکل 4). بيشترين ميزان حجم تبخير و تعرق پتانسيل در شهرستان هاي لردگان و کوهرنگ مي باشد. همان طور که از جداول 2 و 3 مشاهده مي شود ارتفاع تبخير ساليانه در اين دو ايستگاه، نسبت به ساير ايستگاه ها کمتر مي باشد ليکن به علت بالاتر بودن مساحت تحت پوشش اين دو ايستگاه (جدول 1)، کل حجم محاسبه شده بيشتر است.
در شکل 4 مقادير بارندگي سالانه نيز ارائه شده است. نتايج نشان مي دهد که در سال 2000 (سال خشک) نسبت تبخير سالانه در استان به بارندگي 1/44 محاسبه شده است.

همچنين کل حجم تبخير و تعرق پتانسيل ساليانه استان با چهار روش محاسبه گرديد که در جدول 4 آمده است.

بر اساس نتايج فوق حداقل حجم تبخير و تعرق پتانسيل استان در سال تر در حدود 15/6 و در سال خشک حداکثر 20 ميليارد متر مکعب بدست آمده است. جدول 4 نشان مي دهد که ساير روش ها مقادير متفاوتي را ارائه نموده اند، ولي آنچه مسلم است اختلاف در مقادير حجم در روش ها بسيار قابل توجه بوده و لذا اهميت انتخاب روش مورد استفاده جهت تخمين تبخير و تعرق را نشان مي دهد. بديهي است که انتخاب روش مناسب مستلزم نصب لايسيمتر و آمار برداري از آنها براي يک دوره طولاني است.
انجام محاسبات بالا و تخمين نياز آبي منطقه با روش هاي فوق الذکر و مقايسه نتايج حاصله نشان مي دهد که با توجه به اقليم منطقه لازم است روش مناسب جهت تخمين نياز آبي و تعيين کل حجم آب مصرفي در استان به کار برده شود و با توجه به جهاني بودن روش هايي از قبيل ASCE و استفاده رو به گسترش از اين روش، لازم است تا ضرايب اين روش جهت استفاده در مناطق متفاوت از جمله استان چهار محال و بختياري کاليبره شود تا نتايج قابل قبولي از آن استخراج گردد.

سپاسگزاري

نويسندگان مقاله از همکاري و راهنمائي دکتر نبي ا... يارعلي در زمينه GIS کمال تقدير و تشکر را مي نمايند.

منابع

عليزاده، ا. 1381. اصول هيدرولوژي کاربردي، انتشارات دانشگاه فردوسي مشهد، چاپ چهاردهم.
هاشمي نيا، م. 1378. تبخير، تبخير- تعرق و داده هاي اقليمي. نشر آموزش کشاورزي کرج.
نجفي، پ. 1383. مدل کامپيوتري تبخير و تعرق گياه مرجع با استفاده از روش اصلاح شده هارگريوز- ساماني در نقاط مختلف ايران. طرح پژوهشي دانشگاه آزاد اسلامي واحد خوراسگان .

پي نوشت :

*استاديار گروه مهندسي آب، دانشکده کشاورزي، دانشگاه شهرکرد،
پست الکترونيک: Stabaei@hot mail.com
**دانشجوي کارشناسي ارشد رشته آبياري و زهکشي، دانشکده کشاورزي، دانشگاه شهرکرد
***استاديار گروه خاکشناسي، دانشکده کشاورزي، دانشگاه آزاد اسلامي واحد خوراسگان

منبع:نشريه پژوهش در علوم کشاورزي جلد 2 شماره2
/س