نشریه علمی پژوهشی مهندسی آبیاری و آب ایران

نشریه علمی پژوهشی مهندسی آبیاری و آب ایران

مقایسه‌ روش‌های برآورد تبخیر و تعرق مبتنی بر فناوری سنجش از دور و مدل SWAT (مطالعه موردی: حوضه آبریز آجی‌چای)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
فرشاد فتحیان 1
حجت احمدزاده 2
محمد حسین باقری هارونی 3
1 گروه علوم و مهندسی آب، دانشگاه ولی عصر(عج) رفسنجان، رفسنجان، ایران
2 گروه مهندسی آب، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران
3 گروه مهندسی و مدیریت منابع آب، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه اصفهان، اصفهان، ایران.
10.22125/iwe.2024.430461.1777
چکیده
تبخیر و تعرق از جمله مولفه‌های کلیدی در محاسبه بیلان آبی و تعیین میزان آب مصرفی کشاورزی به منظور برنامه‌ریزی و مدیریت منابع آب محسوب می‌شود. روش‌های متنوعی برای برآورد تبخیر و تعرق تا کنون ارائه شده‌اند که بسته به نوع الگوریتم و فناوری‌های حاکم بر آنها، فرآیند و ساختار محاسبه آنها متفاوت است. هدف از این پژوهش، مقایسه عملکرد مدل هیدرولوژیکی-گیاهی SWAT و محصولات جهانی WaPOR و MOD16 مبتنی بر فناوری سنجش از دور برای برآورد تبخیر و تعرق پتانسیل و واقعی است. از این‌رو، حوضه آبریز آجی‌چای (از جمله زیر حوضه‌های مهم دریاچه ارومیه) به عنوان منطقه مطالعاتی برای بررسی هدف پژوهش انتخاب شده است. از پلتفرم گوگل ارث انجین برای برآورد تبخیر و تعرق از طریق محصولات جهانی که بر اساس الگوریتم‌های مختلف توسعه داده شده‌اند، استفاده شده است. همچنین، مدل SWAT بر اساس داده‌های جریان رودخانه‌ها برای حوضه آبریز تنظیم، واسنجی و صحت‌سنجی شد و مقادیر تبخیر و تعرق پتانسیل و واقعی توسط مدل برای دوره 2019-2009 با R2= 0.95 و RMSE = 20 mm شبیه‌سازی شدند. نتایج ارزیابی مدل SWAT نشان داد که میانگین تبخیر و تعرق واقعی شبیه‌سازی شده بیشترین تطابق را با مقادیر متناظر محصولات عمده کشاورزی ارائه شده در سند ملی آب برای دشت‌های اصلی حوضه آبریز دارد. مقایسه بین عملکرد مدل هیدرولوژیکی-گیاهی با محصولات جهانی نشان داد که مقادیر برآورد شده تبخیر و تعرق پتانسیل و واقعی در مقیاس‌های سالانه و ماهانه برای محصول WaPOR نسبت به MOD16 بیشترین توافق و همخوانی را با مقادیر شبیه‌سازی شده مدل SWAT دارد.
کلیدواژه‌ها
تبخیر و تعرق
مدل هیدرولوژیکی-گیاهی
گوگل ارث انجین
WaPOR
MOD16
موضوعات

عنوان مقاله English

Comparison of evapotranspiration estimation methods based on remote sensing technique and SWAT model

نویسندگان English

Farshad Fathian 1
Hojat Ahmadzadeh 2
Mohammad Hossein Bagheri Harooni 3
1 Department of Water Science & Engineering, Vali-e-Asr University of Rafsanjan, Rafsanjan, Iran
2 Department of Water Engineering, University of Tabriz, Tabriz, Iran.
3 Department of Water Engineering and Management, Faculty of Civil Engineering, University of Isfahan, Isfahan, Iran
چکیده English

Evapotranspiration is one of the key components in calculating water balance and determining water consumption in agriculture for planning and management of water resources. Various methods have been proposed for estimating evapotranspiration so far, which depends on different algorithms and techniques governing them, their calculation process and structure are different. The purpose of this study is to compare the performance of the hydrological-vegetation SWAT model and global products of WaPOR and MOD16 based on remote sensing technique for estimating potential and actual evapotranspiration. Hence, Aji Chay watershed, including one of the important sub-basins of Lake Urmia, is selected as case study to investigate the purpose of this study. The Google Earth Engine platform is used to estimate evapotranspiration through global products, which have been developed based on different algorithms. Moreover, the SWAT model according to the streamflows data was set up, calibrated and validated for the watershed and the values of potential and actual evapotranspiration were simulated by the model for the period 2009-2019 with R2 = 0.95 and RMSE = 20 mm. The results of the SWAT model showed that the average simulated actual evapotranspiration has the highest agreement with the corresponding values of the main agricultural products presented in the national water document for the main plains of the watershed. Comparison between the models showed that the estimated values of potential and actual evapotranspiration both on an annual and monthly scales for the WaPOR have the highest agreement and consistency with the SWAT model compared to the MOD16.

کلیدواژه‌ها English

Evapotranspiration
Hydrological-Vegetation Model
Google Earth Engine
WaPOR
MOD16
احمدزاده ح.، ا. فاخری‌فرد، م. ع. قربانی و م. تجریشی. 1401. ارزیابی تأثیر توأم تغییر متغیرهای اقلیمی و کاربری اراضی بر روند تبخیر و تعرق واقعی با استفاده از مدل SWAT در حوضه آجی‌چای. نشریه علوم آب و خاک، (3)،26 ، 34-15.
باقری هارونی، ص. ارشد، ا. مجنونی و س. مرید. 1391. مقایسه مدل‌های تک منبعی و دو منبعی سنجش از دور مبتنی بر شار انرژی در برآورد تبخیر و تعرق واقعی در دشت تبریز. نشریه سنجش از دور و GIS ایران، سال چهارم، شماره 1، ص 96-81.
جوادیان، م.، ف. کردی و م. تجریشی. 1398. بررسی و مقایسه روش‌های برآورد تبخیر و تعرق واقعی در حوضه آبریز دریاچه ارومیه. اکوهیدرولوژی، (1)6،، ، 136-125.
باقری هارونی، م. ح. و ف. فتحیان. 1402. پایش مصرف آب کشاورزی در حوضه های آبریز مشترک با سنجش از دور در پلتفرم گوگل ارث انجین (مطالعه موردی : حوضه آبریز زاینده‌رود). شانزدهمین همایش ملی آبیاری و کاهش تبخیر،کرمان، https://civilica.com/doc/1804736
دهقانی سانیج، ح.، ا. اسعدی اسکویی و ا. تقی‌زاده قصاب. 1400. تحلیلی بر آب مصرفی بخش کشاورزی مبتنی بر تبخیر وتعرق واقعی. نشریه آبیاری و زهکشی ایران، شماره 6، جلد 15، ، 1262-1251.
رحیم‌پور، م.، ن. کریمی، ر. روزبهانی، م. افتخاری. 1397. اعتبارسنجی و تصحیح محصول تبخیر-تعرق واقعی برآورد شده از محصول WaPOR فائو در ایران با استفاده از داده‌های زمینی. تحقیقات منابع آب ایران(2)14، 263-254.
علیزاده، ا. و ق. کمالی. 1387. نیاز آبی گیاهان در ایران. ناشر: دانشگاه امام رضا، مشهد. چاپ دوم.
مربوطه، ب.، ا. اشرف زاده، م. وظیفه دوست و م. ر. خالدیان. 1397. مقایسة تبخیر-تعرق واقعی محصول MOD16 و شبیه‌سازی‌شده توسط مدل SWAP (مطالعة موردی: مزارع تحت کشت ذرت در استان قزوین). تحقیقات منابع آب ایران، (2)14، 93-81.
Abbasi, N., H. Nouri, K. Didan, A. Barreto-Muñoz, S. Chavoshi Borujeni, H. Salemi, C. Opp, S. Siebert and P. Nagler. 2021. Estimating actual evapotranspiration over croplands using vegetation index methods and dynamic harvested area. Remote Sensing, 13(24), 5167, 27p.
Abbasi, N., H. Nouri, K. Didan, A. Barreto-Muñoz, S. Chavoshi Borujeni, S., C. Opp, P. Nagler, P. S. Thenkabail, and S. Siebert. 2023. Mapping vegetation index-derived actual evapotranspiration across croplands using the Google Earth Engine platform. Remote Sensing, 15(4), 1017.
Adjei, F. O., E. Obuobie, K. A. Adjei and S. N. Odai. 2023. Evaluation of potential evapotranspiration assessment methods for hydrological modelling with SWAT in the Densu river basin in Ghana. International Journal of Environmental Science and Technology, 20(1), 921-930.
Arnold, J. G. and N. Fohrer. 2005. SWAT2000: Current capabilities and research opportunities in applied watershed modeling. Hydrological Processes, 19(3), 563‐572.
Bagheri, M.H., S. Morid and S. Arshad 2017. Application of remotely-sensed data to estimate a water budget for data-scarce endorheic basins: A case study of Lake Urmia basin, Iran. Journal of the Indian Society of Remote Sensing, 45: 101-112.
Barzkar, A., S. Shahabi, S. Niazmradi and M.R. Madadi. 2021. A comparative study of remote sensing and gene expression programming for estimation of evapotranspiration in four distinctive climates. Stochastic Environmental Research and Risk Assessment, 35, 1437–1452.
Bhattarai, N. and P. Wagle. 2021. Recent Advances in Remote Sensing of Evapotranspiration. Remote Sensing, 13(21), 4260.
Blatchford, M. L. C. M. Mannaerts, S. M. Njuki, H. Nouri, Y. Zeng, H. Pelgrum, S. Wonink and P. Karimi. 2020. Evaluation of WaPOR V2 evapotranspiration products across Africa. Hydrological Processes, 34(15), 3200–3221.
Chen, X., S. Yu, H. Zhang, F. Li, C. Liang and Z. Wang. 2023. Estimating the Actual Evapotranspiration Using Remote Sensing and SEBAL Model in an Arid Environment of Northwest China. Water, 15(8), 1555.
Ferreira, A. D. N., A. de Almeida, S. Koide, R. T. Minoti and M. B. B. D. Siqueira. 2021. Evaluation of evapotranspiration in Brazilian Cerrado Biome simulated with the SWAT model. Water, 13(15), 2037.
Javadian, M., A. Behrangi, M. Gholizadeh and M. Tajrishy. 2019. METRIC and WaPOR estimates of evapotranspiration over the Lake Urmia Basin: comparative analysis and composite assessment. Water, 11(8), 1647.
Mu, Q., M. Zhao and S. W. Running. 2011. Improvements to a MODIS global terrestrial evapotranspiration algorithm. Remote Sensing of Environment, 115(8), 1781-1800.
Mukpuou, S. M., A. Pandey and V. M. Chowdary. 2020. Reference Crop Evapotranspiration Estimation Using Remote Sensing Technique. In: Pandey A., Chowdary V.M., Mal BC. (eds) Water Management and Water Governance. Water Science and Technology Library, vol 96. Springer, Cham.
Neitsch, S. L., J. G. Arnold, J. R. Kiniry and J. R. Williams. 2011. Soil and water assessment tool theoretical document (version 2009). Texas Water Resource Institute Technical Report.
Olchev, A., A. Ibrom, J. Priess, S. Erasmi, C. Leemhuis, A. Twele, K. Radler, H. Kreilein, O. Panferov, and G. Gravenhorst. 2008. Effects of land-use changes on evapotranspiration of tropical rain forest margin area in Central Sulawesi (Indonesia): Modelling study with a regional SVAT model. Ecological Modelling, 212 (1-2), 131-137.
Rane, N.L. and G. K. Jayaraj. 2023. Enhancing SWAT model predictivity using multi-objective calibration: effects of integrating remotely sensed evapotranspiration and leaf area index. Int. J. Environ. Sci. Technol. 20, 6449–6468.
Running, S. W., Q. Mu, M. Zhao and A. Moreno. 2019. MODIS global terrestrial evapotranspiration (ET) product (MOD16A2/A3 and year-end gap-filled MOD16A2GF/A3GF) NASA Earth Observing System MODIS Land Algorithm (for collection 6). National Aeronautics and Space Administration, Washington, DC, USA [data set], https://doi. org/10.5067/MODIS/MOD16A2, 6.
Vörösmarty, C. J., P. Green, J. Salisbury and R. B. Lammers. 2000. Global water resources: vulnerability from climate change and population growth. Science, American Association for the Advancement of Science, 289(5477), 284–288.