ارزیابی و واسنجی مدل بیلان انرژی سطحی سبس در تعیین تبخیر-تعرق دشت‌های متأثر از پخش سیلاب (قرهچریان- استان زنجان)

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار بخش تحقیقات حفاظت خاک و آبخیزداری، مرکز تحقیقات و آموزش کشاورزی و منابع طبیعی استان زنجان، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، زنجان، ایران

2 استادیار بخش تحقیقات حفاظت خاک و آبخیزداری، مرکز تحقیقات و آموزش کشاورزی و منابع طبیعی استان فارس، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، شیراز، ایران

10.22092/wmrj.2023.360611.1503

چکیده

مقدمه و هدف
تبخیر و تعرق، تعادل آب و انرژی خاک را که عمدتاً در مدل‌های گردش عمومی و مدل‌سازی آب و هوا استفاده می‌شود، هدایت می‌کند. در نتیجه، پیش‌بینی جریان آب رود، پیش‌بینی عملکرد محصول، سامانه‌های مدیریت آبیاری، کیفیت آب رود یا دریاچه همگی به سطوح تبخیر و تعرق بستگی دارند. به این دلیل، برآورد دقیق بیلان آب ضروری است. برآوردهای بهتر و دقیق تبخیر-تعرق امکان برنامه‌ریزی مؤثر آبیاری و استفاده بهینه از آب را برای سایر اهداف کشاورزی فراهم می­کند. هدف این پژوهش ارزیابی و واسنجی مدل بیلان انرژی سطحی سبس در تعیین تبخیر-تعرق در دشت‌ سهرین - قره­چریان در فاصله‌ی 30 کیلومتر و در شمال‌غرب شهر زنجان می­باشد.
مواد و روش­ ها
در این پژوهش به‌منظور تعیین تبخیر و تعرق واقعی با استفاده از مدل بیلان انرژی و سنجش‌ازدور سبس در دشت سهرن-قره­چریان، تعداد 17 تصویر لندست هشت، ‌همراه با داده‌های هواشناسی ایستگاه همدید فرودگاه زنجان بررسی شد. همچنین با کمک مدل سبس، تبخیر-تعرق مزرعه‌ی کشت گندم با مساحت پنج هکتار در دوره‌ی زمانی 1399/7/1 تا 1400/06/31 محاسبه و اعتبار‌سنجی شد. برای این منظور ورودی‌های مورد نیاز مدل سبس شامل آلبیدو، دمای سطح زمین، گسیلمندی، NDVI، شاخص پوشش ‌گیاهی، شاخص سطح برگ، بلندی پوشش‌گیاهی، تراکم تاج پوشش ‌گیاهی که در محیط نرم افزار ایلویس تهیه شد. داده ‎های بده و حجم آب مصرفی با استفاده از مدل بیلان آب خاک نیز تعیین شد.
نتایج وبحث
براساس نتایج این پژوهش تبخیر و تعرق به‌دست آمده از مدل بیلان آب خاک 24115 مترمکعب و تبخیر و تعرق به‌دست آمده از مدل سبس 28750 مترمکعب با خطای 16/12 % برآورد شد. همچنین نتایج به‌دست آمده از مدل سبس با تبخیر و تعرق مرجع با استفاده از چهار ﺷﺎﺧﺺ ضریب تبیین (R2)، رﯾﺸﻪ‌ی ﻣﯿﺎﻧﮕﯿﻦ ﻣﺮﺑﻌﺎت ﺧﻄﺎ (RMSE)، ﻣﯿﺎﻧﮕﯿﻦ ﻗﺪرﻣﻄﻠﻖ ﺧﻄﺎ (MAE) و ﻣﯿﺎﻧﮕﯿﻦ ارﯾﺒﯽ ﺧﻄﺎ (MBE) واسنجی شد که اندازه‌های این چهار شاخص به‌ترتیب 0/844، 1/06، 1/12 و 0/25 محاسبه شد، که این نتایج نشان دادند دستورالعمل سبس برای برآورد ETa در منطقه‌ی مطالعه‌شده دقت کافی داشت.
نتیجه ­گیری و پیشنهادها
بنابراین براساس نتایج این پژوهش می‌توان گفت که استفاده از تصویرهای ماهواره‌ای در برآورد تبخیر-تعرق واقعی، در مقایسه با روش برداشت میدانی قابل اتکا است و با توجه ‌به مشکلات روش‌های بیلان رطوبتی (مانند نقطه‌ای بودن، زمان‌بر بودن، هزینه زیاد، نیاز به ابزار دقیق و تقریباً نبود امکان استفاده از لایسیمتر) و مزایای استفاده از تصویرهای ماهواره (تحت پوشش دادن سطح گسترده‌ای از مزارع یا باغ‌ها، ارزان و سریع بودن) در برآورد تبخیر-تعرق می‌توان با پذیرفتن خطای کم نتایج قابل‌قبولی به‌دست آورد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Evaluation and Calibration of SEBS Surface Energy Balance Model in Determining Evapotranspiration of Plains Affected by Flood Spreading (Qaracherian-Zanjan Province)

نویسندگان [English]

  • Ghobad Rostamizad 1
  • Mojtaba Pakparvar 2
  • Parviz Abdinejhad 1
1 Assistant Professor of Soil Conservation and Watershed Management Department, Zanjan Agricultural and Natural Resources Research Center, AREEO, Zanjan, Iran
2 Assistant Professor of Soil Conservation and Watershed Management Department, Fars Agricultural and Natural Resources Research Center, AREEO, Shiraz, Iran
چکیده [English]

Introduction and Objective:
Evapotranspiration govern the water and energy balance of the soil, primarily used in general circulation models and hydrological modeling of weather conditions. Consequently, predicting river flow, forecasting crop performance, water management systems, and the quality of rivers or lakes all depend on evapotranspiration levels. Therefore, accurate estimation of water bilan is essential. Improved and precise estimations of evapotranspiration enable effective irrigation planning and optimal water usage for other agricultural purposes. The goal of this research is to evaluate and validate the surface energy balance model, SEBS, in determining evaporation-transpiration in the Sohrin-Qareh Chiran Plain, located 30 kilometers northwest of Zanjan city.
Materials and methods:
In this study, the actual evapotranspiration were determined using the SEBS energy balance model and Landsat imagery in the Sohrin-Qareh Chiran Plain. A total of 17 Landsat-8 images, along with weather data from the Zanjan airport station, were examined. Additionally, with the help of the SEBS model, the evapotranspiration of a five-hectare wheat field was calculated and validated for the time period from September 22, 2020, to September 22, 2021. The required inputs for the SEBS model, including albedo, land surface temperature, emissivity, NDVI, vegetation cover index, leaf area index, vegetation height, and canopy density, were prepared in the ENVI software environment. The data on precipitation and water consumption volume were also determined using the soil water balance model.
Results and discussion:
The study found that the evapotranspiration estimated by the soil water balance model was 24115 m3, while the evapotranspiration estimated by the SEBS model was 28750 m3, with a 16.12% error. Additionally, the SEBS model was calibrated using four indices - R2, RMSE, MAE, and MBE - with values of 0.844, 1.06, 1.12, and 0.25, respectively. These results indicate that the SEBS algorithm is accurate enough to estimate ETa in the study area.
Conclusion and Suggestions:
Therefore, based on the results of this research, it can be said that the use of satellite images in estimating actual evapotranspiration (ET) is reliable compared to field measurement methods. Considering the limitations of traditional moisture balance methods (such as being point-specific, time-consuming, costly, requiring precise instruments, and almost impractical with the use of lysimeters) and the advantages of utilizing satellite images (covering a wide area of farms or orchards, being cost-effective and fast), acceptable results can be achieved in estimating evapotranspiration while accepting a low margin of error.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Satellite images
  • Soharin plain
  • remote sensing
  • soil water balance model
Allen RG, Pereira LS, Howell TA, Jensen ME. 2011. Evapotranspiration information reporting: I. Factors governing measurement accuracy. Agricultural Water Management. 98 (6):899-920. https://doi.org/10.1016/j.agwat.2010.12.015.
Allen RG, Tasumi M, Trezza R. 2007. Satellite-based energy balance for mapping evapotranspiration with internalized calibration (METRIC)-model. ASCE Journal of Irrigation and Drainage Engineering. 133 (4):380-394.  https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9437(2007)133:4(380).
AllenR G, Burnett B, Kramber W, Huntington J, Kjaersgaard J. 2013. Automated calibration of the METRIC-Landsat evapotranspiration process. JAWRA Journal of the American Water Resources Association. 49 (3):563-576. https://doi.org/10.1111/jawr.12056.
Babajafari H, Paimozd S, Moghaddasi M. 2018. Estimation of actual evapotranspiration in the Urmia Lake Watershed using SEBS remote sensing algorithm and NOAA satellite images. Iranian Journal of Ecohydrology. 5(4):1285-1296. (In Persian). 10.22059/IJE.2018.258554.888.
Bolhasani K, Zarei H, Taghizadeh A. 2022. Estimation and calculation of actual evatranspiration using SEBS energy balance model and Landsat 8 Satellite imagery (Case study: Bakhtegan-Maharlo Basin). Irrigation and Water Engineering. 12(4): 292-309. (In Persian). 10.22125/IWE.2022.150748.
Enku T. 2009. Estimation of evapotranspiration from satellite remote sensing and meteorological data over the Fogera Floodplain– east of Lake Tana, in northwest Ethiopia. International Institute for Geo-information Science and Earth Observation (ITC), Enschede, The Netherlands, MSc. Thesis. 101 p. https://purl.utwente.nl/essays/93088
Fakhar MS, Kaviani A. 2022. Comparison and study of the role of PYSEBAL and SEBS algorithms in estimating actual evapotranspiration in Qazvin Plain. Water and Irrigation Management. 12(2):277-293. (In Persian). 10.22059/JWIM.2022.338119.961.
Hailegiorgis WS. 2006. Remote sensing analysis of summer time evapotranspiration using SEBS algorithm. International Institute for Geo-Information Science and Earth Observation (ITC), Enschede, The Netherlands, MSc thesis. 130 p.
Jia D, Kaishan S, Zongming W, Bai Z, Dianwei L. 2013. Evapotranspiration estimation based on MODIS products and surface energy balance algorithms for land (SEBAL) model in Sanjiang Plain, Northeast China. China Geographical Science. 23(1):73–91. https://link.springer.com/article/10.1007/s11769-013-0587-8.
Lin W, van de Velde R, Su Z. 2006. Satellite based regional scale evapotranspiration in the Hebei Plain, Northeastern China. Proceedings of Dragon. 1(1):2004-2007.
Lu J, Li ZL, Tang R, Tang BH, Wu H, Yang, F, Zhou G. 2013. Evaluating the SEBS‐estimated evaporative fraction from MODIS data for a complex underlying surface. Hydrological Processes. 27(22): 3139-3149.  https://doi.org/10.1002/hyp.9440
Mahour M, Stein A, Sharifi A,  Tolpekin V. 2015. Integrating super resolution mapping and SEBS modeling for evapotranspiration mapping at the field scale. Precision Agriculture. 16(5): 571-586. https://link.springer.com/article/10.1007/s11119-015-9395-8.
McCabe MF, Wood EF. 2006. Scale influences on the remote estimation of evapotranspiration using multiple satellite sensors. Remote Sensing of Environment. 105 (4): 271-285. https://doi.org/10.1016/j.rse.2006.07.006.
Mohamed A. 2010. Remote sensing based estimation of evaporation among different land cover types in the Mkindo Catchment. Upper Wami Basin-Tanzania. M.Sc. Thesis in IWRM . 65 p.
Nisa Z, Khan MS, Govind A, Marchetti M, Lasserre B, Magliulo E,  Manco A. 2021. Evaluation of SEBS, METRIC-EEFlux, and Qwater Model actual evapotranspiration for a mediterranean cropping system in southern Italy. Agronomy. 11(2): 345 p.  https://doi.org/10.3390/agronomy11020345.
Pakparvar M, Cornelis W, Pereira LS, Gabriels D, Hosseinimarandi H. 2014. Remote sensing estimation of actual evapotranspiration and crop coefficients for a multiple land use arid landscape of southern Iran with limited available data. Journal of Hydroinformatics. 16 (6):1441-1460. https://doi.org/10.2166/hydro.2014.140.
Pakparvar M. 2015 Evaluation of floodwater spreading for groundwater recharge in Gareh Bygone Plain, Southern Iran. In Soil Management Dept., Faculty of Bioscience Engineering. Ghent University, Ghent, Belgium. 252 p. http://hdl.handle.net/1854/LU-6997248.
Payandeh H. 2021. Master's thesis in remote sensing and geographic information system, Yazd University. 138 p. (In Persian).
Qahari Gh, Pakparvar M. 2021. Determining the water consumption of different types of vegetation with energy balance models and remote sensing in Dasht Garbaigan. Final Report of the Research Project. 92 p. (In Persian).
Rwasoka D, Gumindoga W,  Gwenzi J. 2011. Estimation of actual evapotranspiration using the surface energy balance system (SEBS) algorithm in the upper Manyame Catchment in Zimbabwe. Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C. 36(14-15):736-746 . https://doi.org/10.1016/j.pce.2011.07.035.
Singh RK, Senay GB. 2015. Comparison of four different energy balance models for estimating evapotranspiration in the Midwestern United States. Water. 8(1): 1-19. https://doi.org/10.3390/w8010009.
Su H, McCabe MF, Wood EF, Su Z, Prueger JH. 2005. Modeling evapotranspiration during SMACEX: Comparing two approaches for local-and regional-scale prediction. Journal of hydrometeorology. 6(6): 910-922. https://doi.org/10.1175/JHM466.1.
Su Z, Timmermans W, Gieske A, Jia L, Elbers JA. 2008. Quantification of land–atmosphere exchanges of water, energy and carbon dioxide in space and time over the heterogeneous Barrax Site. International Journal of Remote Sensing. 29 (17-18): 5215-5235. https://doi.org/10.1080/01431160802326099.
Su z. 2002. The surface energy balance system (SEBS) for estimation of turbulent heat fluxes. Hydrology and Earth System Sciences. 6 (1): 85-100.
Sun Z, Wei B, Su W, Shen W, Wang C, You D, Liu Z. 2011. Evapotranspiration estimation based on the SEBAL model in the Nansi LakeWetland of China. Mathematical and Computer Modelling. 54 (3-4):1086–1092. https://doi.org/10.1016/j.mcm.2010.11.039.
Van der Kwast J, Timmermans W, Gieske A, Su Z, Olioso A, Jia L,  De Jong S. (2009). Evaluation of the Surface Energy Balance System (SEBS) applied to ASTER imagery with flux-measurements at the SPARC 2004 site (Barrax, Spain). Hydrology and Earth System Sciences, 13(7): 1337-1347.‏ https://doi.org/10.5194/hess-13-1337-2009.