بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله روش زمین آماری کریجینگ - Kriging - که امروزه یکی از روشهای علمی و کاربردی قوی در زمینه های مختلف منابع آب و هیدرولوﮊی محسوب میشود، در طراحی یک شبکه بهینه پایش کیفی رودخانه به کار گرفته میشود به طوری که با صرف کمترین هزینه تغییرات زمانی و مکانی آلایندهها در سیستم به طور مناسبی مشخص گردد. مدل تدوین شده برای طراحی شبکه پایش کیفی سیستم رودخانهای کارون در استان خوزستان مورد استفاده قرار گرفته است.
در طراحی سیستم پایش، ابتدا سری زمانی اطلاعات متغیرهای کیفی BOD,COD وTDS ایستگاههای نمونه برداری موجود بر روی رودخانه کارون بررسی و تحلیل طیفی شده است. سپس محاسبات کریجینگ با استفاده از نرم افزار زمین آماری Gslib انجام گرفته است و غلظت متغیرهای کیفی به همراه میزان خطای برآورد در نقاط فاقد اندازه گیری در طول مسیر رودخانه در منطقه مورد مطالعه تخمین زده شده است. از نتایج بدست آمده برای مکانیابی ایستگاههای اندازه گیری جدید استفاده شده است. نتایج نشان دهنده کاربرد مناسب و قابل قبول روش کریجینگ در زمینه طراحی شبکه پایش کیفی رودخانه ها می باشد.
۱- مقدمه
شناسایی دقیق اجزاﺀ سیستمهای منابع آب و مقایسه وضع موجود آنها با قوانین و مقررات "پایش1 نام دارد. به طور کلی پایش منابع آب به دو دسته پایش کمی و کیفی تقسیم بندی میشود. به طور خلاصه تلاش جهت تعیین مشخصات فیزیکی, شیمیایی و بیولوﮊیکی آب از طریق نمونه برداری و تحصیل داده های آماری مناسب، پایش کیفی منابع آب نامیده میشود.
هدف از پایش کیفی منابع آب به دست آوردن اطلاعات کمی از تغییرات زمانی و مکانی متغیرهای کیفی و خصوصیات فیزیکی، شیمیایی و بیولوﮊیکی منابع آب میباشد. با توجه به اهمیت کیفیت آبهای سطحی و زیرزمینی برای تأمین نیازها و هزینه های قابل توجه سیستم و نمونهبرداری و پایش، طراحی یک شبکه پایش بهینه و استخراج اطلاعات مناسب از داده های جمع آوری شده امری ضروری است - کارآموز، کراچیان. ١٣٨٢ - .
طراحی شبکه پایش بخشی از طراحی سیستم پایش بوده و عبارت است از تعیین مکان نقاط نمونه برداری, محاسبه فرکانس نمونه برداری و انتخاب متغیر های کیفی آب به منظور اندازه گیری های هیدرولوﮊیکی و آماری - . - Karamouz, Szidarovsky, Zahraie, 2003 Sanders و همکاران در سال ١٩٨٧ یک دستورالعمل کلی شامل ۵ مرحله اصلی به صورت زیر را برای طراحی سیستمهای پایش ارائه کردند:.
١. تعیین اهداف سیستم پایش و اطلاعات مورد نیاز
۲. انتخاب روشهای آماری مناسب
٣. طراحی شبکه پایش
٤. بسط سیاستهای پایش و راهکارهایی که عملکرد طرحهای پایش را مشخص می کند.
٥. انتخاب روشهای گزارش اطلاعات و نظارت و ارزشیابی سیستم پایش
زمین آمار - ﮊئواستاتیستیک - به عنوان شاخه ای از آمار کاربردی شامل مجموعه مطالعاتی است که به بررسی تغییرات یک پدیده در زمان و مکان می پردازد و قادر به مدل سازی آن پدیده به صورت قطعی یا غیرقطعی زمانی و مکانی می باشد. از جمله ویژگیهای این علم استفاده از متغیرهای منطقه ای اعم از تصادفی یا قطعی می باشد. متغیرهای منطقه ای متغیرهایی هستند که دارای پیوستگی مکانی بوده و نشان دهنده پدیده های دارای توزیع جغرافیایی می باشند.
لیکن امکان نمونه برداری از همه نقاط در محدوده مورد مطالعه وجود ندارد و مقادیر مجهول با استفاده از اطلاعات مربوط به مناطق مشخص و نمونه برداری شده تخمین زده می شود. از جمله معروفترین و کاربردیترین روشهای ﮊئواستاتیستیک روش کریجینگ می باشد که امروزه در زمینه های گسترده و گوناگونی از علوم نظیر معدن, زمین شناسی, نقشه برداری, محیط زیست, هیدرولوﮊی و منابع آب کاربرد دارد.
زمینه های کاربردی وسیع این روش در هیدرولوﮊی به علت توانایی آن در منطقه ای کردن پدیده های زمانی - مکانی است. این نوع مدلسازی برای مدلسازی توزیع های زمانی - مکانی حاصل از فرآیندهای دینامیکی معین در دو بعد زمان و مکان در زمینه های گوناگون علمی و مهندسی نظیر محیط زیست، پیش گویی اقلیمی و هواشناسی و هیدرولوﮊی دارای کاربرد وسیعی می باشد - ترابی، ۱۸۳۱ - .
در زمینه طراحی شبکه نمونه برداری برای مشاهده فرآیند های زمانی _ مکانی میتوان به ایستگاههای بارانسنجی با استفاده از روشهای زمینآماری، Hudak and Loiciga - 1993 - در زمینه طراحی شبکه بهینه آب زیرزمینی با استفاده از روشهای زمینآماری و نیز Woldt and Bogardi - 1992 - در زمینه طراحی شبکه پایش آب زیرزمینی با تلفیق روشهای زمین آماری و روشهای تصمیم گیری چند معیاره - MCDM - اشاره کرد.
به طور کلی روش های تئوری و عملی مختلفی برای طراحی شبکه وجود دارد که با وجود متفاوت بودن در فرضیات به کار گرفته شده، در تمام آنها نیاز به داشتن اطلاعات در مورد همبستگی مکانی فرآیند مورد مطالعه وجود دارد. از آنجایی که واریانس تخمین، یک فاکتور مهم در طراحی شبکه است، روش کریجینگ به علت محاسبه خطای تخمین، نسبت به سایر روشهای تحلیل اطلاعات برای طراحی شبکه مناسبتر به نظر میرسد - Karamouz, Torabi, Araghi-Nejad, 2003 - ، به همین دلیل در این تحقیق از این روش جهت مکانیابی بهینه ایستگاههای پایش استفاده میگردد.
۲- محاسبات کریجینگ
کریجینگ روش تخمین به کار گرفته شده در زمین آمار با استفاده از مقادیر معلوم برای تعیین مقادیر مجهول می باشد. این روش علاوه بر تخمین متغیرها، مقادیر خطا و عدم قطعیت در تخمین را نیز به دست میدهد. کریجینگ به عنوان مجموعه ای از روشهای رگرسیون خطی تعمیم داده شده در مقیاس بزرگ، روشی است برای بهینه سازی تخمین یک پارامتر دارای توزیع مکانی یا زمانی در نقطه ای دلخواه که مقادیر این پارامتر در نقاط دیگر اندازه گیری شده است. کریجینگ یک میانگین متحرک وزندار محسوب میشود و به صورت زیر تعریف میگردد - حسنی پاک،۷۷۳۱ - :
