بخشی از مقاله
خلاصه
رودخانهها مهمترین منابع تأمین آب آشامیدنی، کشاورزی و صنعت به شمار میروند. رودخانهها در مسیر خود از مناطق مختلفی عبور کرده و در بسترهای متعددی جریان پیدا میکنند، لذا نوسانات کیفی زیادی دارند. ازاینرو تخمین پارامترهای کیفیتی آب در طول رودخانه نقش کلیدی را ایفا میکند. غلظت اکسیژن محلول در آب یکی از پارامترهای کیفی آب میباشد. یکی از اصلیترین چالشها در مبحث کیفیت آب، تعیین و کنترل غلظت اکسیژن محلول در آب - DO - توسط فعالیتهای مختلف کنترل آلودگی میباشد.
در این پژوهش غلظت اکسیژن محلول در آب رودخانه Eymir در ترکیه با استفاده از روش الگوریتم بیان ژن تخمین زده شده است. میزان غلظت اکسیژن محلول در آب بر حسب پارامترهای میزان فسفر، نیترات، فسفات، نیتروژن محلول، قلیائیت آب، دمای آب، کلروفیل محلول، قابلیت هدایت الکتریکی، میزان بارش، باد و دمای هوای محیطی تخمین زده و میزان تأثیرگذاری پارامترهای مختلف مشخص شده است. با مشاهده توابع معیارهای ارزیابی مشاهده میشود که کارایی روش الگوریتم بیان ژن در تخمین اکسیژن محلول آب در حد قابل قبولی میباشد.
.1 مقدمه
آب به عنوان یک منبع طبیعی لازم برای ادامه حیات و از اصلی ترین و اساسی ترین نیازهای انسان و سایر موجودات است. در همه جوانب زندگی از جمله آشامیدن، بهداشت، کشاورزی، تولید انرژی و نگهداری محیط زیست آب نقش بسیار مهمی دارد. این استفاده بسیار گسترده از آب و ورود آلاینده ها به آب های سطحی و زیرزمینی، کیفیت آب را پایین آورده است. از این رو بررسی وضعیت کیفی آب از جمله موضوعات مهم است. همچنین پیش بینی وضعیت کیفیت آب و بررسی پارامترهای موثر در آن نیز اهمیت ویژه ای دارد چرا که در صورت دقت بالای پیشبینی میتواند به برنامهریزیهای لازم برای منطقه و کلیه امور حیاتی کمک شایانی کند.
عدم توجه به کیفیت آب و یا پیشبینی غیرصحیح پارامترهای آن میتواند سبب بروز مشکلات عمده در محیط زیست انسانها و موجودات منطقه شود. هدف از این پیش بینی تبدیل دادههای بسیار زیاد با طیف گسترده به فرمولها و اشکالی است که برای برنامهریزان و سیاست گذاران قابل فهم باشد. یک پارامتر بسیار مهم برای تعیین کیفیت آب میزان اکسیژن محلول در آب یا DO می باشد که اکسیژن در گوارا کردن آب و خوش طعم نمودن آن، کیفیت زندگی آبزیان و شکوفایی جلبکی تاثیر اهمیت زیادی دارد و زندگی حیوانات و گیاهان آبزی به حداقل غلظت اکسیژن محلول در آب بستگی دارد.
مقدار اکسیژن در صفر درجه و فشار متعارف حدود 14,6 میلی گرم در لیتر می باشد که این مقدار در 20 درجه سانتیگراد به 9.2 میلیگرم در لیتر می رسد. دو روش فیزیکی و شیمیایی برای اندازه گیری مقدار اکسیژن محلول در آب وجود دارد که روش فیزیکی استفاده از الکترود غشایی است که بر اساس سرعت نفوذ مولکولهای اکسیژن از یک غشا ساخته شده است.
روش شیمیایی وینکلر یا یدومتری است که دقیقترین و قابل اعتمادترین روش اندازه گیری اکسیژن محلول میباشد. این روش یک روش تیتراسیونی است که بر اساس خواص اکسیدکنندگی اکسیژن محلول انجام میگیرد. تاکنون مطالعاتی در زمینه کیفیت آب صورت گرفته است که به شرح زیر میباشد.
Ding و همکاران [1] در یک تحقیقی با ترکیب سیستم شبکه عصبی با الگوریتم ژنتیک به پیش بینی پارامترهای کیفی آب اقدام کرده اند که نتیجه این عمل دقیق ارزیابی شده است. Liu و همکاران[2] با بررسی ترکیبی ماشین بردار پشتیبان و الگوریتم ژنتیک پیش بینی کیفیت آب برای صنعت کشتاب را ارزیابی کرده اند اثبات کرده اند که رویکرد ترکیبی این دو روش موثر است .
Sadgir و [3] Alte برای پیش بینی کیفیت آب با استفاده از شبکه عصبی مصنوعی به بررسی پارامترهای کلسیم، منیزیم، هدایت الکتریکی، میزان قلیاییت و سدیم بهعنوان ورودی سیستم پیشبینی نسبت جذب سدیم پرداختند.
Prajithkumar و همکاران [4] شاخص کیفیت آب را با شبکه عصبی مصنوعی پیش بینی کردند و به این نتیجه رسیدند که روش RNN نتیجه بهتری را نسبت به RMNN دارا میباشد.
Sarkar و [5] Pandey با استفاده از شبکه عصبی مصنوعی به طراحی مدلی برای تخمین اکسیژن محلول در رودخانه پرداختند که نتیجه آن دقت بالای مدل با ضریب همبستگی 0,9 بین اعداد حاصل از آزمایش و پیشبینی نشان میدهد.
زارع ابیانه و همکاران [6] تخمین نیترات در آبهای زیرزمینی دشت همدان را با استفاده از سیستم شبکه عصبی مصنوعی با ورودی عمق چاه، دمای آب، موقعیت جغرافیایی، هدایت الکتریکی و میزان قلیاییتمورد مطالعه قرار دادند که نتیجه نسبتاً مطلوبی با اطمینان 80 ٪ از نتایج این مطالعه بود. [7] Singh در تحقیقی تحت عنوان کاربرد SVM در مدیریت کیفی آب به بررسی و پیش بینی BOD بهعنوان پارامتر گران قیمت و سخت برای اندازهگیری پرداخته و نتایج قابل قبولی را بهدست آورده است.
Masrur با استفاده از شبکه عصبی مصنوعی مقدار اکسیژن محلول با استفاده از داده های اکسیژن خواهی بیوشیمیایی و اکسیژن خواهی شیمیایی تخمین زده است که نتایج حاکی از دقت بالای این روش در تخمین میزان اکسیژن محلول میباشد.
.2 مواد و روشها
دریاچه مورد مطالعه - Eymir - در 20 کیلومتری جنوب آنکارا، پایتخت کشور ترکیه واقع شده است. این دریاچه از معدود دریاچههای طبیعی در این استان میباشد. دریاچه Eymir توسط یک کانال بتنی به دریاچه Mogan در جنوب غرب وصل میشود. این دریاچه در سال 1990 برای اولین بار تحت حمایت آژانس مراقبتهای زیست محیطی ترکیه درآمده است.
از مشکلات اصلی این دریاچه بروز یوتریفیکاسیون شدید در فصول گرم و کمبود اکسیژن محلول یا DO است. دریاچه Eymir با عمق متوسط 3 متر جزو دریاچههای کم-عمق دستهبندی میشود. در شکل زیر موقعیت جغرافیایی دریاچه نشان داده شده است. دادههای استفاده شده در این مطالعه از 4 نقطه در طول رودخانه Eymir در طول هفت ماه پیاپی برداشت شدهاند. در ادامه شکلهای 1 و 2 به ترتیب مربوط به موقعیت جغرافیایی این دریاچه در کشور ترکیه و شهر آنکارا و موقعیت 4 نقطه برداشت داده در طول رودخانه هستند.
شکل .1 موقعیت جفرافیایی دریاچه در کشور ترکیه و شهر آنکارا.
شکل .2 موقعیت چهار نقطه برداشت داده در طول رودخانه.
