بخشی از مقاله
خلاصه
آلودگی آبخوانها همواره یکی از مشکلات مطرح در مدیریت منابع آبهای زیرزمینی بوده است. یکی از عوامل آلودگی، نشت مواد نفتی مانند آلایندههای امتزاجناپذیر سبک از تاسیسات زیرزمینی و تانکهای مخزنی وابسته به پالایشگاههای نفتی و راه یافتن آنها به آبخوانها میباشد. شناسایی منشأ اینگونه آلایندهها از مسائل چالش برانگیز در راستای رفع آلودگی آبهای زیرزمینی است که با پیچیدگیهایی از جمله کمبود دادههای مشاهداتی، پراکندگی قابل توجه در نرخرهاسازی منابع آلاینده و عدم قطعیت در شرایط ابتدایی و مرزی مواجه میباشد. در این تحقیق، روشی بر پایهی شیوههای شبییهسازی-بهینهسازی ارائه شده است. این روش ازمدل شبیهساز انتقال و جریان در محیط چندفازیUTCHEM و مدل بهینهساز الگوریتم رقابت استعماری بر اساس الگوریتمهای فراکاوشی استفاده کرده است. این دو مدل توسط کد نویسی در محیط متلب به یکدیگر لینک شده اند. روند حل با کمینه کردن اختلاف بین درجه اشباع مشاهداتی از آلاینده و درجه اشباع تخمینزده شده توسط بهینهساز، سعی در تعیین مشخصات بهینه منابع آلاینده دارد. کارایی مدل نهایی با حل دو مثال فرضی ساده و پیچیده مورد بررسی قرار گرفت، نتایج حاکی از عملکرد مناسب و دقت مطلوب با توجه به نوع آلودگی در آبخوان را داشت. همچنین کاهش زمان حل و همگرایی بسیار سریع بهینهساز از نکات مثبت این شیوه بوده است.
واژه های کلیدی: آبهای زیرزمینی، آلاینده امتزاجناپذیر، شبیهسازی، بهینهسازی، الگوریتم رقابت استعماری
.1 مقدمه
تعیین منشأ آلودگی در آبهای زیرزمینی از مسائل مهم در دهههای اخیر میباشد. عدم آگاهی کافی از منشأ آلودگی، کاهش کارایی راهکارهای ارائه شده در زمینهی پاکسازی آبخوانها و یا افزایش هزینهی پاکسازی را به دنبال دارد. بدین منظور، تخمین مناسبی از مشخصات آلاینده از جمله تعداد منابع فعال، موقعیت منبع آلاینده و تاریخچهی رهاسازی آن، از اهمیت بالایی برخوردار است. با نمونه برداری از آلاینده در چاههای مشاهداتی، فرآیند تعیین منشأ آن به عنوان یک مسئله معکوس تعریف میشود. اینگونه مسائل به دلیل نایکتایی، ناپایداری و عدم وجود جواب، ناجور خوانده میشوند و معمولاً رسیدن به پاسخ مطلوب در آنها دشوار است .[1] روشهای بسیاری برای حل مسائل معکوس پیشنهاد شده است که میتوان آنها را به چهار دسته شیوههای بهینهسازی، حل تحلیل و درونیابی، حل مستقیم و شیوههای زمینشناسی-آماری تقسیم نمود. مقالات مانند مایکالایک و کیتانیدیس [2] - 2004 - ، آتمادجا و آگزوگلو [3] - 2001 - و سان و همکاران [4] - 2006 - مروری جامع بر مطالعات انجام شده با استفاده از این شیوهها داشتهاند.
مدل پیشنهادی ارائه شده، با استفاده از شیوههای بهینهسازی و لینک آن به مدل شبیهساز، سعی در تعیین منشأ آلودگی دارد. از پژوهشهایی که در این دسته از شیوههای حل مسائل معکوس قرار میگیرند، میتوان برنامهنویسی خطی به همراه ماتریس واکنش [5]، بهینهسازی غیرخطی با تکنیک جاسازیشده [6-7]، شیوهی شبکهی عصبی[8]، الگوریتم ژنتیک [9]، ، بهینه سازی کلاسیک [10] را نام برد. مقالاتی که به طور خاص به بررسی منشأ آلودگی امتزاجناپذیر پرداختند؛ معمولاً از حلهای تحلیلی و درونیابی بهره بردهاند؛ دریدی و همکاران - 2009 - از حل تحلیلی به همراه حل عددی برای اندازهگیری پروفیلهای غلظت آلودگی و همچنین از تست ردیاب شیمیایی برای ارزیابی روش، استفاده کردند .[11]
روش ارائه شده نسبت به شیوههایی که معادلات حاکم بر جریان و انتقال را بهصورت قیود در مدل بهینهساز جاسازی میکنند، دارای عملکرد بسیار سریعتر و دقیقتری است؛ زیرا قیود لازم با دقت بیشتری از طریق اتصال شبیهساز به بهینه-ساز، ارضاء میگردند. همچنین، بهینهساز معرفی شده قادر است به شبیهسازهای دیگر مانند PEST و Modflow-MT3DMS جهت شناسایی مشخصات آلاینده متصل گردد. مدل شبیهساز UTCHEM با توجه به مشخصات آلاینده که از نوع آلایندههای امتزاجناپذیر میباشد، قادر به شبیهسازی جریان چند فازی در آبخوان است. مدل بهینهساز الگوریتم رقابت استعماری از دستهی الگوریتمها بر پایهی جستجوی اکتشافی* است و مطابق با هدف مسئله بسط داده شده است.
.2 مواد و روشها
شیوهی شبیهسازی -بهینهسازی ارائه شده شامل دو بخش میباشد. در ابتدا، با انتخاب مشخصات معلوم منبع آلودگی به عنوان پاسخ کاندید و این مقادیر به صورت ورودی به مدل شبیهساز وارد میشود. سپس درجه اشباع آلاینده در آبخوان استخراج میگردد. مقادیر بهدست آمده به عنوان درجه اشباع مشاهداتی در گامهای زمانی مختلف در نظر گرفته میشود. سپس الگوریتم بهینهساز پاسخهای کاندید شده را بر اساس مشخصات نامعلوم منبع آلودگی تولید میکند . اختلاف بین درجات اشباع مشاهداتی و شبیهسازی شده برای محاسبه تابع هدفی که توسط بهینهساز تعریف شده، استفاده میشود. این روند تا زمانی که شرط همگرایی ارضاء شده و پاسخ بهینه به دست آید، ادامه مییابد. شکل - 1 - روند این شیوه را بهخوبی شرح میدهد.
شکل -1 دیاگرام مدل شبیهساز- بهینهساز
.3 مدل شبیهساز
در این پژوهش، مدل شبیهساز UTCHEM برای حل جریان و انتقال در محیط چند فازی استفاده شده است. این شبیهساز با استفاده از روش تفاضل محدود - فشار به صورت ضمنی و غلظتها به صورت صریح - معادلات را حل میکند. این مدل ابتدا توسط پوپ و نلسون - 1987 - برای شبیهسازی بازیابی مواد نفتی و فرآیندهای پلیمری توسعه داده شد. این مدل قابلیت شبیهسازی جریانهای دائمی و غیردائمی، انتقال جرم به صورت سه بعدی در ناحیه اشباع و غیر اشباع را دارا است. دو معادله بقای جرم و معادله فشار، بر اساس تعاریف حاکم بر جریان چند فازی به صورت ذیل تعریف میشوند :[12]
