بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بهینه سازي مدل DRASTIC با استفاده از روش هاي آمار ناپارامتري
چکیده
بررسی آسیب پذیري آب زیرزمینی بعنوان وسیله و ابزاري موثر، براي تشخیص مناطق آسیب پذیر و انجام فعالیتهاي حفاظتی جهت حفظ کیفیت آب این مناطق می باشد. در میان روش هاي آسیب پذیري، روش DRASTIC بطور وسیعی براي ارزیابی آسیب پذیري در مقیاس ناحیه اي مورد استفاده قرار می گیرد. مشکل این روش، سلیقه اي و کارشناسی بودن رتبه بندي و وزن دهی پارامترهاي آن است. هدف این تحقیق استفاده از روش آمار ناپارامتري جهت بهینه سازي مدل DRASTIC و کاهش مشکلات وزن دهی و رتبه بندي ها و در مرحله بعد حذف و اضافه نمودن پارامترهاست. بدین منظور پس از جمع آوري پارامترهاي ورودي از منطقه مطالعاتی دزفول ، آسیب پذیري براساس مدل استاندارد DRASTIC تعیین گردید. رتبه بندي و اهمیت و وزن پارامترها با استفاده از آزمونهاي آمار ناپارامتري و با توجه به میزان غلظت نیترات مورد بازنگري قرار گرفت و معادله آسیب پذیري بهینه براي منطقه تعیین گردید. نتایج تحقیق نشان دهنده ارتباطنسبتاً زیاد آسیب پذیري بهینه شده با نیترات، نسبت به روش معمولی DRASTIC می باشد.
واژه هاي کلیدي: DRASTIC ، آسیب پذیري، آب زیرزمینی، آمارناپارامتري، دزفول
.1 مقدمه
آبهاى زیرزمینی به دلیل استعداد آلودگی کمتر و همچنین ظرفیت ذخیره زیاد نسبت به آبهاى سطحی بعنوان یک منبع مهم در منابع آب مورد توجه میباشند. وجود منابع مهم آلایندههاى انتشارى و نقطهاى ناشی از فعالیت-
هاى انسانی در سطح زمین و نفوذ این آلایندهها به آبخوان باعث کاهش کیفیت آب زیرزمینی میشود. به همین دلیل، جلوگیرى از آلودگی آبهاى زیرزمینی در مدیریت منابع آب زیرزمینی امري ضرورى میباشد. یکی از راههاي مناسب براي جلوگیري از آلودگیهاي آب زیرزمینی، تعیین میزان آسیبپذیري آبخوان و سوق دادن تلاشهاي مدیریتی به سمت این مناطق جهت حفظ کیفیت آب می باشد.[1]
آسیب پذیري آبخوان اغلب به عنوان یک ویژگی ذاتی از سیستم آب زیرزمینی تعریف می گردد که در یک ناحیه هم می تواند توسط انتقال عمودي آلودگی در ناحیه غیر اشباع و هم انتقال افقی در ناحیه اشباع بیان گردد.[2] پس می توان گفت که آسیب پذیري به خصوصیات آبخوان و تنش هاي وارده به سیستم بستگی دارد و مشخصه اي نسبی، بدون بعد و غیر قابل اندازه گیري است.
بررسی آسیب پذیري آب زیرزمینی نسبت به آلودگی در طی سالهاي گذشته موضوع بسیاري از تحقیقات بوده است و روش هاي مختلفی تا کنون جهت بررسی آن ابداع شده اند.[3] از جمله این روش ها،می توان به روش هاي آماري، فرآیند محور و شاخص اشاره کرد. روش هاي آماري شامل آمارهاي توصیفی ساده و تجزیه و تحلیل
رگرسیون چند متغیره است و اطلاعات و داده هاي بیشتر مانند منابع آلودگی و عوامل موثر بر حساسیت ذاتی،غالباً در بررسی هاي آماري دقیق تر مانند رگرسیون لجستیک که سعی دارد تا متغیرهاي توصیفی را مورد توجه قرار دهند انجام می شود.[4] هدف روش فرآیند محور، ارزیابی کمی آسیب پذیري است که در آن به مدل هاي انتقال و جریان در ناحیه اشباع و غیر اشباع توجه می شود و اثر ویژگی هاي فیزیکی و هیدرولیکی خاك، تغذیه و عمق نفوذ را در انتقال آلودگی ارزیابی می کند. این روش فرآیندهاي فیزیکی حرکت آب و مسیر مربوط به انتقال آلودگی را شبیه سازي کرده و توزیع مناطق حساس یا آسیب پذیر را مشخص می کند.
دسته سوم، روش شاخص است که جز ابتدایی ترین و ساده ترین روش ها می باشد در این روش هر عاملی که بطور بالقوه بر احتمال آلودگی تاثیر بگذارد در یک مقیاس طبقه بندي شده و همچنین براي پارامترها، ضرایب نسبی ارائه می شود. پراستفاده ترین و شناخته شده ترین روش شاخص، روش DRASTIC می باشد. این روش از هفت پارامتر زمین شناسی و هیدرولوژي جهت ارزیابی آسیب پذیري استفاده می کند. روش DRASTIC براي اولین بار توسط آژانس حفاظت محیط زیست آمریکا توسعه یافته و به دفعات در آمریکا، اروپا و سایر نقاط جهان مورد استفاده قرار گرفته است.[3]
در روش DRASTIC طبقه بندي و تعیین ضرایب پارامترها تا حدودي سلیقهاي و بر مبناي نظرات کارشناسی می باشد لذا نمیتواند به عنوان یک روش دقیق پیش بینی مورد استفاده قرار گیرد. براي بهبود و اصلاح مدل
DRASTIC پیشنهادات زیادي توسط محققین ارائه شده است.[5] اکثر این محققین کم کردن پارامترهاي موجود در مدل و یا اضافه نمودن پارامترهاي موثر دیگري نظیر کاربري اراضی را پیشنهاد نموده اند.[5] همچنین پیشنهاداتی در مورد ادغام این روش با مدل هاي دیگر آسیب پذیري ارائه شده است. روش استفاده شده در این تحقیق، اصلاح ضرایب و رتبه بندیهاي اولیه پارامترها با استفاده از ارتباط پارامترهاي مدل DRASTIC با وقوع آلودگی واقعی
(نیترات) با بکار بردن روش هاي آمار ناپارامتري می باشد.
.2 منطقه مورد مطالعه
محدوده مطالعاتی دزفول ـ اندیمشک با مساحتی حدود 1778 کیلومترمربع و مختصات جغرافیاییَ03 ْو32 َتا33 و
ْ32 عرض شمالی َ10 ْو48 تاَ37 ْو48 طول شرقی در شمالـشمالغرب استان خوزستان واقع شده و مهمترین شهرهاي آن دزفول، اندیمشک و شوش میباشد.
.3 بحث
روش DRASTIC .1,3
روش DRASTIC یک سیستم استاندارد براي ارزیابی پتانسیل آلودگی می باشد. این مدل در بسیاري از کشورهاي دنیا مورد استفاده قرار می گیرد زیرا اطلاعات ورودي مورد نیاز براي این مدل نسبت به روش هاي دیگر ارزیابی آسیب پذیري قابل دسترس تر می باشند.[5] مدل DRASTIC داراي هفت پارامتر می باشد و متناسب با این پارامترها، هفت لایه اطلاعاتی، ورودي هاي مدل را تشکیل می دهند. جدول (1) منابع اخذ ورودي هاي مدل در این تحقیق را نشان می دهد.
پارامترهاي مدل DRASTIC شامل: عمق آب زیرزمینی (D)، تغذیه آبخوان (R)، محیط آبخوان (A)، خاك (S)،
توپوگرافی (T)، منطقه غیر اشباع (I)، هدایت هیدرولیکی .(C) این پارامترها پس از تبدیل شدن از مقیاس فیزیکی به مقیاس نسبی به معادله خطی ساده اي انتقال می یابند.[3]
(1)
در این رابطه اندیسr ارزش کلاسه بندي شده هر پارامتر، w وزن هر یک از پارامترها و D, R, A, S, T , I, C
پارامترهاي مدل DRASTIC هستند. در این معادله هر پارامتر در یک ضریب اندازه گیري ضرب می شود. این
815
ضرایب بر مبناي نظرات کارشناسی تعیین می گردند و نشان دهنده تاثیر نسبی هر پارامتر در انتقال آلودگی می باشد.
جدول -1 داده هاي استفاده شده براي پارامترهاي مدل DRASTIC
ردیف نوع داده ها منابع اخذ داده فرمت مقیاس داده لایه خروجی
1 داده هاي سطح آب سازمان آب و برق خوزستان جدول - عمق آب زیرزمینی (D)
زیرزمینی
2
نقشه خاك شرکت بهره برداري شبکه دز نقشه 1:50000 نقشه خاك (S)
3 نقشه توپوگرافی سازمان نقشه برداري نقشه 1:25000 شیب (T)
4 لوگ چاهها پژوهشکده علوم پایه کاربردي جدول - محیط آبخوان (A)
جهاد دانشگاهی
5
لوگ چاهها " جدول - منطقه غیر اشباع (I)
6 هدایت هیدرولیکی " نقشه - هدایت هیدرولیکی (C)
7 تغییرات سطح آب سازمان آب و برق خوزستان جدول - تغذیه آبخوان (R)
همچنین کلاسه بندي و ارزش گذاري اولیه کلاسهاي مختلف مربوط به هر کدام از پارامترها بصورت 10 درجه اي و بر اساس روش استاندارد DRASTIC تعیین می شوند.[3]
نتیجه این مدل با تلفیق پارامترها، طبق رابطه (1)، یک لایه شبکه اي است که در آن پیکسلها داراي اعداد بزرگتر بیان کننده مناطقی هستند که آسیبپذیري ذاتی بیشتر و پیکسلهاي داراي ارزش عددي کمتر مناطقی را نشان میدهند که آسیبپذیري آنها ناچیز میباشد.
.2,3 روش اصلاح شده DRASTIC
با توجه به نکات اشاره شده در مورد روش DRASTIC معمولی، ایراد اصلی این روش را می توان در غیر ملموس بودن تعیین مقیاس درجه بندي و ضرایب اندازه گیري آن دانست. همچنین در مورد انتخاب پارامترهاي موثر در انتقال آلودگی نیز ابهاماتی در مدل مشاهده می گردد.
.1,2,3 بازنگري ضرایب و کم وزیاد کردن پارامترها
بازنگري وزن پارامترهاي مدل DRASTIC را می توان با بررسی ارتباط هر پارامتر با غلظت نیترات انجام داد. براي قضاوت دقیق و محاسبه کمی ارتباط بین پارامترهاي مدل و غلظت نیترات از محاسبه ضریب اسپیرمن استفاده گردید.
(2)
-n تعداد داده ها، غ اختلاف رتبه ها. براي هر پارامتر، در این مرحله با توجه به ضریب اسپیرمن محاسبه شده، فرض عدم وجود ارتباط ( در مقابل فرضیه جانشین ( در سطح اطمینان 0/05 آزمون
می گردد. بدلیل اینکه تعداد داده ها براي هر پارامتر بیش از 30 عدد می باشند ثابت شده است که تحت فرضیه صفر عدم همبستگی، میانگین برابر صفر و واریانس آن 1/n-1 می باشد بنابرین در این حالت مقدار بحرانی از
فرمول محاسبه گردید در این فرمول مقدار z از جدول استاندارد و با توجه به سطح اطمینان مورد نظر بدست آمد. در پایان براي تصمیم گیري در مورد نتایج از نکات زیر استفاده گردید.[6]
-1 چنانچه مقدار آماره نمونه مثبت بوده و از مقدار بحرانی مثبت بیشتر باشد خواهیم گفت همبستگی مثبت وجود دارد.
-2 اگر مقدار آماره نمونه منفی بوده و از مقدار بحرانی منفی کمتر باشد خواهیم گفت همبستگی منفی وجود دارد.
-3 اگر مقدار آماره نمونه بین مقادیر بحرانی مثبت و منفی قرار گیرد، فرض صفر مورد قبول شده و همبستگی وجود ندارد.
پس از این مرحله مقادیر ضرایب پارامترهایی که فرض صفر براي آنها رد شده است را به مقیاسی با حداکثر 5 تبدیل نموده و ضرایب جدید متناسب با آن محاسبه می گردند.[6] نتایج این محاسبات در جدول (2) آمده است.
جدول -2 مقادیر ضریب همبستگی پارامترهاي مدل DRASTIC
پارامترها ضریب مقدار بحرانی در سطح آزمون فرض وزن اولیه وزن اصلاح شده
اسپیرمن (rs) 0.05
عمق آب زیرزمینی -0.57 رد 5 بدلیل تاثیر معکوس حذف
هدایت هیدرولیکی 0.4 رد می گردد
3 3.8
توپوگرافی 0.1 قبول 1 -
تغذیه آبخوان 0.04 قبول 4 -
محیط خاك 0.12 قبول 2 -
کاربري اراضی 0.3 رد - 2.9
محیط آبخوان 0.34 رد 3 3.3
منطقه غیر اشباع 0.52 رد 5 5
پارامترهاي متناظر با فرض هاي مورد قبول مانند خاك((S، عمق آب((D و تغذیه((R با توجه به نتایج جدول فوق از مدل آسیب پذیري DRASTIC کنار گذاشته شده و بقیه پارامترها با ضرایب جدید در معادله (3) مورد استفاده قرار گرفت. نکته قابل توجه دیگر امکان اضافه کردن کاربري اراضی به مدل DRASTIC است. این عمل را می توان به حجم آلودگی اعمال شده در سطح زمین مرتبط کرد که تاثیر زیادي بر افزایش غلظت نیترات در آب زیرزمینی دارد. با ترکیب شدن این پارامتر با آسیب پذیري طبیعی بدلیل توجه به نوع و منشا آلودگی، آسیب پذیري ویژه محاسبه گردید. با اضافه نمودن پارامترهاي جدید (کاربري اراضی) به همراه وزنهاي اصلاح شده و حذف پارامترهاي کم اهمیت معادله آسیب پذیري ویژه بصورت معادله (3) تغییر می یابد.
(3)
.2,2,3 اصلاح درجه بندي پارامترها
تغیر در مقیاس درجه بندي را می توان با استفاده از مقدار غلظت نیترات در گروههاي طبقه بندي شده هر پارامتر انجام داد. براي این منظور در ابتدا بدلیل رتبه اي بودن ماهیت گروهها با استفاده از آزمون ناپارامتري مجموع-رتبه ویلکاکسن، معنی دار بودن تفاوت کلاس ها در پارامترهاي پیوسته نظیر عمق، تغذیه و هدایت هیدرولیکی بررسی گردید. براي اینکه بتوانیم از آزمون مجموع-رتبه استفاده کنیم باید دو نمونه مستقل داشته باشیم و فرضیه صفر می تواند یکسان نبودن توزیع ها باشد. شایان ذکر است که در بکار بردن این آزمون نیازي به نرمال بودن جامعه نیست.[6]
