دانشکده فنی و مهندسی

گروه آموزشی عمران

 

پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد در رشته عمران گرایش مهندسی آب و سازه های هیدرولیکی

 

عنوان:

 

تخمین میزان تبخیر در مخازن سدها با استفاده از داده­های ماهواره­ای (مطالعه موردی: سد اکباتان در همدان)

 

استاد راهنما:

دکتر یوسف رضایی

 

اساتید داور:

دکتر جلال صادقیان

دکتر حسین ترابزاده خراسانی

 

نگارش

فاطمه جمالی

 

تاربخ دفاع

7 بهمن 1397 ساغت 14

مکان :

سمینار 2 برق

 

 

Bu-Ali Sina University

 

Faculty of Engineering

Department of civil Engineering

 

 

Thesis submitted for Master of Science in Civil Engineering-Field Water and hydraulic structures

 

Title

 

Estimation of Evaporation from Dam Reservoirs Using Satellite Imagery (Case Study: Ekbatan Dam in Hamedan)

 

Supervisor:

Yousef Rezaei (Ph. D)

 

By:

Fatemeh Jamali

 

January, 27, 2019

 

 

 

چكيده:

             در مناطق نیمه‌خشک که میزان بارندگی‌های سالیانه کمتر از متوسط جهانی است، دریاچه‌ها و سدها تنها منابع تامین آب مصرف‌کنندگان در پایین‌دست می‌باشند. در زمان ساخت سازه سد، برآوردها و برنامه‌ریزی‌های لازم صورت می‌گیرد تا میزان ذخیره‌سازی سد و توجیه اقتصادی ساخت آن مشخص شود. در صورتی‌که بعد از گذشت چندین سال از احداث سد، به دلیل مشکلاتی از جمله رسوب در مخزن سد و یا تبخیر بیش از اندازه، سد دیگر کارایی خود را نخواهد داشت و به یک سازه با راندمان پایین و منبع اتلاف هزینه و آسیب‌رسان به محیط‌زیست تلقی می‌شود. این کاهش کارایی به‌ویژه در فصول گرم سال، مهندسان را بر آن داشته تا قبل از هر اقدامی به انجام مطالعات هیدرولوژیکی که مهم‌ترین آن، برآورد پارامترهای معادله بیلان آب است، بپردازند. تبخیر از اجزای مهم این معادله می‌باشد که برخلاف سایر اجزا، به‌طور مستقیم به دست نمی‌آید و همچنین مقدار آن به‌طور پیوسته وابسته به شرایط اقلیمی و آب و هوایی منطقه است. در میان روش‌های موجود، SEBAL از جمله روش های زمینی- ماهواره‌ای سودمند می‌باشد که با استفاده از تصاویر ماهواره‌ای و مدل‌های بیلان انرژی و داده‌های هواشناسی مانند دمای آب، دمای هوا و سرعت باد، میزان تبخیر از سطح دریاچه‌ها را تخمین می‌‌زند. این مدل در ابتدا جهت برآورد تبخیر و تعرق بر روی گیاه معرفی شده و همواره نتایج قابل قبولی را ارائه داده است. در این پژوهش نیز الگوریتم سبال مورد بررسی واقع شده و با ایجاد تغییراتی در این الگوریتم، آن را توسعه داده و مناسب جهت استفاده در محیط آبی گردیده است. جهت آماده‌سازی این الگوریتم برای محیط آبی، شار گرمای آب جایگزین شار گرمای خاک شده و همچنین از مقادیر گسیلمندی ویژه محیط آبی در محاسبات استفاده شده است. همچنین در روند محاسبه شار گرمای محسوس، فرضیاتی همچون برابر دانستن دمای سطح آب با دمای هوای نزدیک به سطح آب لحاظ شده است. منطقه مطالعاتی در این پژوهش، دریاچه سد اکباتان می‌باشد که با کمک تصاویر ماهواره‌ای لندست سری 5 و 8 و الگوریتم سبال توسعه یافته مورد بررسی واقع شده است. نتایج تبخیر واقعی روزانه و ساعتی و همچنین میزان دمای هوا در تاریخ‌های مشخص، با کمک تصاویر ماهواره‌ای موجود حاصل شده و با مقادیر حاصل از داده‌های شرکت آب منطقه‌ای استان همدان مقایسه شده است. خطای جذر میانگین مربعات (RMSE) برای تبخیر روزانه محاسبه شده به کمک سبال در مقایسه با مقادیر اندازه‌گیری شده در محل، معادل 0.697 (mm) و برای دمای هوا، معادل 2.648 (C°) حاصل شده است. همچنین میزان خطای نسبی حاصل شده برای تبخیر روزانه و دمای هوا به ترتیب معادل 8.097 و 9.92 درصد می‌باشد. در مجموع داده‌های شرکت آب منطقه‌ای استان همدان روند اندازه‌گیری الگوریتم سبال توسعه یافته را تایید کرده و به نظر می‌رسد که این الگوریتم به‌عنوان یک روش مناسب، می‌تواند میزان تبخیر و دمای هوا و سایر پارامتر‌های مربوطه را با یک تقریب قابل قبول ارائه دهد.

واژه‌های کلیدی: داده‌های ماهواره‌ای، تبخیر‌‌، سد، دریاچه، سبال

 

 

Abstract:

                 In semi-arid regions that annual rainfall is below the global average, lakes and dams are the only sources of water supply for consumers at downstream regions. When the dam structure is being constructed, required estimations and planning are done to evaluate the storage capacity of the dam reservoir and economic justification of its construction. After some years dam will lose its efficiency due to the problems like precipitation in dam reservoir or excessive evaporation and it will turn to be a structure with low efficiency and waste of money and also a source of harmful substance entrance to the environment. This efficiency reduction, especially in hot seasons of the year, has motivated engineers to conduct hydrological studies, more importantly estimation of the parameters in water-balance equation, before taking any other step. Among the available methods, SEBAL is one of the best ground-satellite methods that uses satellite images and energy-balance models along with the meteorology data like water temperature, air temperature and wind speed to estimate the rate of vaporization from lake surface. This method was first introduced for evaluation of evapotranspiration from plants and has always yielded acceptable results. In this research, SEBAL algorithm was investigated and developed, after some modifications, for application in aqueous environments. In order to prepare this algorithm for aqueous environments, soil heat flux was substituted with water heat flux and specific release from aqueous environment is used in calculations. Furthermore, there are some hypothesis in calculation process of sensible heat flux like equality of water surface temperature and temperature of the air adjacent to the water surface. The case study in this research is Ekbatan Dam which has been investigated by landsat satellite images series 5 and 8 and developed SEBAL algorithm. Data of real daily and hourly evaporation and air temperature in specified dates were obtained from satellite images and were compared with the data presented by regional water company of Hamedan province. Root mean square error (RMSE) of daily evaporation calculated by SEBAL compared to the locally measured values was 0.697 (mm) and for air temperature was 2.648 (°C). Relative error for daily evaporation and air temperature were 8.097% and 9.92%, respectively. Generally, data presented by regional water company of Hamedan have confirmed measurement process of SEBAL algorithm and it seems that this algorithm, as a suitable method, can provide evaporation, air temperature and other relevant parameters with an acceptable approximation.

Key Words: Satelite data, evaporation, dam, lake, SEBAL