Thủy tiêu kế có dạng là một thùng hình trụ trịn có đường kính khoảng 30 cm và độ cao 25cm được đổ đầy đất như loại đất canh tác. Đáy thùng có chỗ để nước thốt ra nhằm đo lượng nước thấm sâụ Hầm chứa lượng nước thấm sâu có đường kính 30cm và chiều cao 42cm được bố trí ngay gần đó. Bên cạnh đó, thiết bị đo mưa bằng thùng đo mưa cũng được lắp đặt (Thiết bị đo mưa có thể chứa được 5,5 lít nước). Mặt trên của thùng, cây trồng được gieo cấy đều đặn giống như mơi trường bên ngồi (Hình 1.4).
Một cách tổng quát, bằng cách đo lượng mưa rơi trong khu vực (R), lượng tưới (I) và lượng thấm sâu xuống đất (P), lượng bốc thoát hơi (ET0) sẽ được xác định theo:
ET0 = R + I – P (1.1) Một số nơi, người ta dùng cân (đặt ở dưới thủy tiêu kế) để xác định sự thay
đổi lượng nước ở thủy tiêu kế để xác định lượng bốc thoát hơi nước (Lê Anh Tuấn, 2009).
Ưu nhược điểm của phương pháp:
+ Ưu điểm: Thiết bị đo cho độ chính xác xác định ET0 là tương đối khá cao, dễ sử dụng.
+ Nhược điểm: Bố trí các điểm đo phức tạp, kinh phí xây dựng và duy trì bảo quản thiết bị đo lớn.
Đo mưa (R) Bốc thoát hơi
(ET ) Tưới
(I)
Hầm đo thấm sâu DP
1.2.2. Các mơ hình sử dụng năng lượng bức xạ mặt trời (radiaton-based models)
Có nhiều mơ hình khác nhau được sử dụng để ước tính lượng bốc thốt hơi nước từ bề mặt lớp phủ. Trong đó, các mơ hình ước tính lượng bốc thốt hơi nước ET sử dụng năng lượng bức xạ mặt trời được các nhà khoa học đặc biệt quan tâm. Các mơ hình tiêu biểu sử dụng năng lượng bức xạ mặt trời để tính lượng bốc thốt hơi nước bề mặt như sau:
1.2.2.1. Mơ hình Makkink
Năm 1957 mơ hình Makkink đã được đề xuất và sử dụng rộng rãi cho đến ngày nay do đã giảm bớt một số các thông số đo ngoại nghiệp mà phương pháp FAO Penman đang sử dụng. Độ chính xác của mơ hình phụ thuộc vào hệ số tuyến tính u, v của phương trình, địi hỏi phải có kết quả kiểm chứng thực địạ Mơ hình Makkink đề xuất cơng thức tính tốn lượng bốc thốt hơi nước từ năng lượng bức xạ mặt trời như sau: 𝐸𝑇𝑎 = 𝑢 ∆ ∆ + 𝛾 𝑅𝑆 𝜆 + 𝑣 (1.2)
Trong đó: ETa- là lượng bốc thoát hơi nước thực tế từ bề mặt lớp phủ (mm/ngày); Rs - bức xạ mặt trời đi tới bề mặt đất (MJ/m2/ngày); Δ - Độ dốc đường cong áp suất hơi nước bão hịa của khơng khí (kPa/°C), γ - Hằng số Psychrometric (kPa/°C), λ - Giá trị nhiệt ẩn của q trình bốc thốt hơi nước (MJ/kg); u, v - hệ số tuyến tính của mơ hình Makkink.
Hệ số tuyến tính của mơ hình Makkink sử dụng trong việc tính lượng bốc thốt hơi nước từ bề mặt địa hình được xác định vào thời điểm đề xuất mơ hình (1957) có trị số là: u = 0,61 và v = 0,12. Tuy nhiên, hệ số tuyến tính u, v phụ thuộc vào điều kiện khí hậu và yếu tố địa hình của từng khu vực nghiên cứụ Theo nghiên cứu của Hasen xác định tại Hà Lan năm 1984, hệ số u, v có giá trị là u = 0,70 và v = 0. Kết quả nghiên cứu giữa Trường Đại học Uppsala (Thụy Điển) và Trường Đại học Louisiana (Mỹ) do Xue và Singh thực hiện khảo sát vào năm 1999, hệ số u = 0,77 và v = 0,22 (Makkink 1957)
Năm 1972, Priestley - Taylor đề xuất mơ hình tính lượng bốc thốt hơi nước từ năng lượng bức xạ mặt trời có dạng sau:
𝐸𝑇𝑎 = 𝑎 ∆
∆ − 𝛾 𝑅𝑛
𝜆 + 𝑏 (1.3)
Trong đó: ETa- là lượng bốc thoát hơi nước từ bề mặt lớp phủ (mm/ngày); Rn – Giá trị năng lượng bức xạ ròng mặt trời đi tới bề mặt đất (MJ/m2/ngày); Δ - Độ dốc đường cong áp suất hơi nước bão hòa của khơng khí (kPa/°C), γ - Hằng số Psychrometric (kPa/°C), λ - Giá trị nhiệt ẩn của q trình bốc thốt hơi nước (MJ/kg); a, b là hệ số tuyến tính của mơ hình Priestley – Taylor.
Hệ số tuyến tính a, b của mơ hình Priestley - Taylor (1972) sử dụng trong việc tính lượng bốc thốt hơi nước từ bề mặt lớp phủ có trị số là: a = 0,61 và b = 0,12; kiểm định tại Thụy Sĩ năm 1984, cho kết quả a = 0,90 và b = 0; kiểm định tại châu Á (Đài Loan), 2005, a = 1,00 và b = 0.
Mơ hình Priestley-Taylor là mơ hình tính lượng bốc thốt hơi nước được dùng khá phổ biến trên thế giớị Ưu điểm của mơ hình là cho độ chính xác tính tốn lượng bốc thốt hơi nước cao, yêu cầu số liệu đầu vào ít, dễ tính tốn. Độ chính xác tính lượng bốc thốt hơi nước phụ thuộc vào kết quả lựa chọn tham số a, b của mơ hình. Hệ số tuyến tính a, b phụ thuộc vào điều kiện địa hình, khí hậu của từng khu vực nghiên cứu cụ thể, cần có các nghiên cứu thực nghiệm để xác định (Priestley và Taylor 1972)
1.2.2.3. Mơ hình Irmak
Irmak đã sử dụng dữ liệu trong nhiều năm tại Mỹ để nghiên cứu thực nghiệm, năm 2003 đã đề xuất mơ hình tính lượng bốc thốt hơi nước có dạng như sau:
ETa = 0,289Rnd + 0,023T + 0,489 (1.4)
Trong đó ETa – Lượng bốc thốt hơi nước thực tế trung bình ngày (mm/ngày), Rnd - Giá trị năng lượng bức xạ rịng trung bình ngày (MJ/m2/ngày) T - Giá trị nhiệt độ trung bình ngày (0C)
Irmak là mơ hình đơn giản để tính lượng bốc thốt hơi nước thực tế trung bình ngàỵ Kết quả tính lượng bốc thốt hơi nước bề mặt lớp phủ theo mơ hình Irmak có
độ chính xác khá cao, sử dụng rất ít tham số đầu vào và thường được sử dụng trong thực tế (Irmak và cộng sự 2003)
1.2.2.4. Kết quả nghiên cứu tính lượng bốc thốt hơi nước từ một số mơ hình sử dụng năng lượng bức xạ mặt trời
Theo nghiên cứu của (Xu1 và Singh 2001) thực nghiệm sử dụng 4 mơ hình tính lượng bốc thốt hơi nước thực tế từ năng lượng mặt trời, so sánh với lượng bốc thoát hơi nước đo trực tiếp từ thiết bị đo là chậu Pan. Kết quả và sai số tính tốn được thể hiện ở bảng sau:
Bảng 1.1. Bảng thống kê sai số của một số mơ hình sử dụng bức xạ mặt trời tính tốn lượng bốc thốt hơi nươc ET0 so với thiết bị đo trực tiếp chậu Pan
Mùa Epan (mm) EHag (mm) Sai số ETa (%) EMak (mm) Sai số ETa (%) EPrt (mm) Sai số ETa (%) ETur (mm) Sai số ETa (%) Đông 1,04 0,53 -49,04 0,83 -20,19 0,93 -10,6 0,35 -66,34 Xuân 2,80 2,58 -7,85 2,93 4,64 2,77 -1,07 2,51 -10,35 Hè 4,37 4,43 1,37 4,51 3,20 4,60 5,26 4,42 1,14 Thu 1,71 1,39 -18,71 1,64 -4,09 1,60 -6,43 1,50 -12,28 Trung bình năm 2,48 2,23 -10,00 2,48 0,00 2,48 0,00 2,19 -11,69
Chú thích: Kí hiệu các phương pháp: Hag = Hargreaves, Mak = Makkink, Prt = Priestley -Taylor và Tur = Turn.
Qua kết quả nghiên cứu tác giả đã kết luận sử dụng các mô hình Makkink và Priestley - Taylor ước tính lượng bốc thốt hơi nước sử dụng năng lượng mặt trời cho kết quả với độ tin cậy cao nhất.
1.2.3. Các mơ hình kết hợp (combined models)
Các mơ hình tính tốn lượng bốc thốt hơi nước sử dụng phương pháp kết hợp dữ liệu được phát triển bởi công thức Penman (1948).
1.2.3.1. Mơ hình Penman
Năm 1948, Penman đã đề xuất mơ hình tính tốn lượng bốc hơi nước bằng phương pháp kết hợp giữa phương pháp cân bằng năng lượng bức xạ mặt trời và phương pháp chuyển đổi khối lượng có dạng như sau:
𝐸𝑇0 = ∆
∆ + 𝛾(𝑅𝑛− 𝐺) + 𝐾𝑤∆ + 𝛾𝛾 (𝑎𝑤 + 𝑏𝑤𝑢2)(𝑒𝑠− 𝑒𝑎) 𝜆
(1.5) Trong đó: ET0 - Lượng bốc thoát hơi nước (mm/ngày); λ - Giá trị nhiệt ẩn của q trình bốc thốt hơi nước (MJ/kg); Δ - Độ dốc đường cong áp suất hơi nước bão hịa của khơng khí (kPa/°C); γ - Hằng số Psychrometric (kPa/°C); G - Mật độ dòng nhiệt trong đất (MJ/ m2/ngày); Rn - Giá trị năng lượng bức xạ ròng (MJ/m2/ngày); u – Tốc độ gió ở độ cao 2m (m/s); 𝑒𝑠 - Áp suất hơi nước bão hòa ở nhiệt độ trên bề mặt nước (kPa); 𝑒𝑎 - Áp suất hơi nước bão hòa ở độ cao đo trên mặt nước (kPa); 𝑎𝑤, 𝑏𝑤- hàm số của gió; 𝐾𝑤- hằng số.
Ưu điểm của mơ hình là ước tính lượng bốc thốt hơi nước tham chiếu với độ chính xác caọ Tuy nhiên, mơ hình sử dụng nhiều tham số đầu vào, đòi hỏi nhiều số liệu về khí tượng, các tham số phải tính tốn qua nhiều bước trung gian, phức tạp (Penman 1948).
1.2.3.2. Mơ hình Penman-Monteith
Năm 1965, Monteith đã phát triển mơ hình của Penman 1948 thành mơ hình tính lượng bốc thốt hơi nước áp dụng cho các khu vực có diện tích lớn như sau:
𝜆𝐸𝑇0 = [∆(𝑅𝑛− 𝐺)] + [𝜌𝑎𝐶𝑝(𝑒𝑟𝑠− 𝑒𝑎) 𝑎 ] ∆ + 𝛾(1 +𝑟𝑟𝑠 𝑎) (1.6)
Trong đó: ET0 - Lượng bốc thốt hơi nước (mm/ngày); λ - Giá trị nhiệt ẩn của q trình bốc thốt hơi nước (MJ/kg); Δ - Độ dốc đường cong áp suất hơi nước bão hịa của khơng khí (kPa/°C); γ - Hằng số Psychrometric (kPa/°C); G - Mật độ dòng nhiệt trong đất (MJ/ m2/ngày); Rn - Giá trị năng lượng bức xạ ròng (MJ/m2/ngày); Cp - là nhiệt lượng riêng của khơng khí (MJ/kg/0C); ρa - là mật độ khơng khí trung bình ở áp suất khơng đổi (kg/m3); rs và ra - là sức cản bề mặt và khí động học (s/m); 𝑒𝑠 - Áp suất hơi nước bão hòa ở nhiệt độ trên bề mặt nước (kPa); 𝑒𝑎 - Áp suất hơi nước bão hòa ở độ cao đo trên mặt nước (kPa).
1.2.3.3. Mơ hình FAO 56 Penman – Monteith
Hầu hết các tài liệu nghiên cứu về hiện tượng bốc thoát hơi nước bề mặt lớp phủ đều tiếp cận tới mơ hình FAO 56 Penman – Monteith để tính lượng bốc thốt hơi
nước tham chiếu (ET0). Mơ hình FAO 56 Penman – Monteith nằm trong nhóm mơ hình kết hợp và là một trong những mơ hình chính xác nhất để xác định lượng bốc thoát hơi nước trong các thời gian khác nhaụ Mơ hình đã được Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp thế giới (FAO) đề xuất năm (1990), và cụ thể thành tiêu chuẩn áp dụng trên tồn thế giớị Phương trình FAO 56 Penman – Monteith dùng để xác định giá trị bốc thoát hơi nước tham chiếu, là một hàm số phụ thuộc nhiều dữ liệu thời tiết tại chỗ và xung quanh khu vực xem xét. Các thông số này được mô tả chi tiết trong tài liệu hướng dẫn tính tốn của FAO (Allen và cộng sự 1998).
Cơng thức tính lượng bốc thốt hơi tham chiếu ET0 theo FAO 56 Penman – Monteith như sau:
𝐸𝑇0 =0,48∆(𝑅𝑛 − 𝐺) + 𝛾 900 𝑇 + 273𝑢2(𝑒𝑠− 𝑒𝑎) ∆ + 𝛾(1 + 0,3𝑢2) (1.7) Trong đó:
ET0 - lượng bốc thoát hơi tham chiếu chung đối với cây trồng (mm/ngày); Rn -
Giá trị năng lượng bức xạ ròng trên bề mặt cây trồng (MJ/m2/ngày); G - Mật độ dòng nhiệt trong đất (MJ/m2/ngày); T - Nhiệt độ trung bình ngày tại vị trí 2m từ mặt đất (°C); u2 - Tốc độ gió tại chiều cao 2 m từ mặt đất (m/s); es - Áp suất hơi nước bão hòa
(kPa); ea - Áp suất hơi nước thực tế (kPa); Δ - Độ dốc đường cong áp suất hơi nước bão hịa của khơng khí (kPa/°C); γ - Hằng số Psychrometric (kPa/°C).
Các thông số trong cơng thức trên có thể tính từ số liệu do ngành khí tượng cung cấp kết hợp với công thức và bảng tra theo tài liệu của FAO, Granier (1985). Mơ hình FAO 56 Penman - Monteith cho kết tính tốn với độ chính xác rất cao nhưng khối lượng tính tốn lớn, phức tạp và phải có đủ tài liệu ban đầụ
1.3. Các mơ hình xác ước tính lượng bốc thốt hơi nước từ dữ liệu ảnh vệ tinh
Các mô hình ước tính lượng bốc thốt hơi nước ứng dụng dữ liệu ảnh vệ tinh hiện nay trên thế giới đang được nghiên cứu và phát triển theo 2 hướng chính:
1. Cân bằng năng lượng bề mặt đất EB (Energy Balance), đây là mơ hình sử dụng phản xạ, bức xạ bề mặt lớp phủ trên ảnh vệ tinh trong dải phổ nhìn thấy và cận hồng ngoại của phổ điện từ, nhiệt độ bề mặt từ kênh ảnh nhiệt hồng ngoạị
2. Phản xạ dựa trên hệ số cây trồng (Kc) và phương pháp xác định lượng bốc thốt hơi nước tham chiếu ET0, trong đó hệ số cây trồng Kc liên quan đến chỉ số thực vật bắt nguồn từ giá trị phản xạ tán lá.
Trong hai phương pháp này thì phương pháp tính tốn sử dụng mơ hình cân bằng năng lượng bề mặt được các nhà khoa học trên thế giới đặc biệt quan tâm và ứng dụng chủ yếu trong các nghiên cứụ Các ứng dụng dựa trên nguyên lý cân bằng năng lượng bề mặt gồm các mơ hình tiêu biểu như sau:
1.3.1. Mơ hình cân bằng năng lượng bề mặt đất SEBAL (Surface Energy Balance Algorithms for Land)
Nguyên lý của mơ hình SEBAL (Bastiaanssen và cộng sự 1998) là sử dụng phương trình cân bằng năng lượng bề mặt đất. Lượng bốc thoát hơi nước ET được tính tốn từ ảnh vệ tinh và dữ liệu khí tượng. Ảnh vệ tinh cung cấp thơng tin trong một khoảng thời gian tức thời, mơ hình SEBAL tính lượng bốc thốt hơi nước tức thời tại thời điểm chụp ảnh. Bốc thốt hơi nước ET được tính tốn cho từng điểm ảnh theo phương trình cân bằng năng lượng lượng bề mặt như sau:
𝜆𝐿𝐸 = 𝑅𝑛− 𝐺 − 𝐻 (1.8)
Trong đó: Rn - Giá trị năng lượng bức xạ ròng mặt trời (W/m2/giờ); 𝜆𝐿𝐸- Năng lượng dòng nhiệt ẩn (W/m2/giờ), dòng nhiệt gây ra hiện tượng bốc thoát hơi nước; G - Thông lượng nhiệt mà mặt đất hấp thụ (W/m2/giờ); H - Năng lượng nhiệt cảm ứng (W/m2/giờ).
(Nguồn: Allen và cộng sự 2002)