بخشی از مقاله
چكيده
بهينه سازي شبكه پايش كيفي آب زيرزميني، از جمله تعيين موقعيت مكاني بهينه ايستگاه هاي پايش، از اهميت ويژه اي برخوردار است. دليل اصلي اهميت اين موضوع، كاهش هزينه هاي پايش با حداقل ميزان افزايش خطا در اطلاعات حاصل مي باشد. درتحقيق حاضر طراحي بهينه شبكه پايش كيفي آب زيرزميني به كمك مدلي بر پايه بهينه سازي در آبخوان دشت نيشابور انجام گرفته است.
بهينه سازي شبكه چاه ها توسط الگوريتم ازدحام ذرات ٢ - PSO - با هدف كمينه نمودن مقدار خطا - ريشه ميانگين مربعات خطا ٣ - - RMSE - اجرا شده است. در بخش شبيه سازي مسئله از درونيابي كريجينگ براي مقادير غلظت كلر آب زيرزميني محاسباتي استفاده شد و با مقادير مشاهداتي مقايسه شدند. در نتيجه اين تحقيق، مقدار٤ - Gbest بهترين ذره در جمعيت - كه همان مقدار خطاي غلظت كلر - RMSE - مي باشد، برابر ٨٨ /١٨ ميلي گرم بر ليتر بدست آمد و موقعيت بهينه چاه هاي نمونه برداري در مناطقي كه داراي بيشترين تغييرات غلظت كلر مي باشند، مشخص شد.
١. مقدمه
شرايط خاص اقليمي، به ويژه بارش كم و تبخير بالا از جمله عوامل محدود كننده در مناطق خشك و نيمه خشك، محسوب مي شود. استفاده بهينه از اندك منابع آبي موجود و حفظ اين منابع ارزشمند از اصول اوليه مديريت منابع طبيعي در اين مناطق به شمار مي رود. داشتن اطلاعات در رابطه با كيفيت و كميت آب زيرزميني به دليل رشد جمعيت جهان و وابستگي آن به اين منبع از اهميت بالايي برخوردار است.
وابستگي جمعيت به سيستم هاي آبي كه آب زيرزميني را براي ذخيره گاه هاي آب آشاميدني به كار مي برند در سال هاي ١٩٥٠ تا ٢٠٠٠ افزايش يافت و در اين دوره زماني تخليه چاه ها در حدود پنج برابر بيشتر شد و كيفيت و قابليت دسترسي آب زيرزميني به عنوان يك موضوع مهم زيست محيطي براي شهروندان دنيا مد نظر قرار گرفت. حفاظت طولاني مدت، توسعه محتاطانه و مديريت اين منابع طبيعي براي حفظ اين سرمايه گرانبهاي جهاني ضروري است]١.[
پايش، فرآيندي نظارتي با طرحي علمي و پويا بر مبناي مشاهده، اندازه گيري، نمونه برداري و ارزيابي نتايج و ثبت آن مي باشد. همچنين فرآيند بهينه سازي، فرآيند تصميم گيري براي داشتن بهترين تركيب در بين ايستگاه هاي موجود است. پايش بلند مدت بدون درنظرگرفتن بهينه سازي، سبب افزايش هزينه پايش مي گردد. از اين رو طراحي شبكه پايش كيفي منابع آب بايد براساس اهداف مشخص و از پيش تعيين شده باشد. از انواع شبكه هاي پايش در منابع آب مي توان به شبكه هاي باران سنجي، آب هاي زيرزميني و شبكه ايستگاه هاي نمونه برداري از رودخانه ها اشاره كرد. بهينه سازي انواع شبكه هاي پايش، از جمله پژوهش هايي است كه در سال هاي اخير مورد توجه پژوهشگران قرار گرفته است ]٢.[
شفيعي و همكاران ]٣[ شبكه ي بهينه را، شبكه اي معرفي كردند كه در آن پراكندگي ايستگاه ها به گونه اي باشد كه بتوان ايستگاه هاي فاقد داده هاي مشاهده شده را با دقت مناسب برآورد كرد. پايش كيفي آب هاي زيرزميني يك گام ضروري در تشريح سيستم آب هاي زيرزميني است و يك شبكه پايش مي تواند اطلاعات كمي و كيفي لازم براي انجام تحقيق درباره كيفيت و كميت محيطي فراهم آورد. يك سيستم صحيح طراحي شده، نماينده ايي از كيفيت ناحيه مورد پايش خواهد بود و انتخاب تعداد بهينه ناحيه پايش و توزيع مكاني بين آن ها يك نياز آب شناس مي باشد.
از يك طرف توزيع نامناسب محل هاي پايش يا تعداد ناكافي آن ديد مناسبي از كيفيت محيط را فراهم نخواهد كرد و از طرف ديگر چنانچه محل هاي نمونه برداري خيلي زياد باشند اطلاعات بدست آمده زائد بوده و شبكه پايش پر هزينه و ناكارا خواهد بود ]٤.[ نظر به اينكه اجراي برنامه هاي پايش منابع آب هزينه بر بوده و نياز به صرف وقت مي باشد، بررسي روشي براي بهينه سازي شبكه موجود ضروري بوده و در فرآيند بهينه سازي شبكه پايش كيفي منابع آب زيرزميني، شناسايي تعداد و موقعيت چاه ها در هنگام مواجه با حجم بالاي داده ها در گستره زماني مورد پژوهش حايز اهميت مي باشد.
يعني بايد بررسي شود، حداقل چه ميزان چاه در سطح منطقه مورد مطالعه لازم است تا بيشترين اطلاعات را در مورد نوسانات آلودگي در اختيار قرار دهد ]٥.[ از آنجا كه همهي چاه ها در يك زمان قابل اندازهگيري نيستند، مشكلات مديريتي ما را به سوي تعيين زير مجموعهاي از كل چاه هاي موجود سوق ميدهد كه بتوانيم آنها را به طور منظم و در يك زمان مورد بررسي قرار دهيم ]٦.[
مطالعه بر روي طراحي انواع شبكهايه پايش منابع آب اعم از كمّي و كيفي از گذشته تا به امروز مورد توجه بوده است. در پژوهشي توسط موقير و همكاران ]٧[ براي طراحي محل نمونه برداري شبكه پايش كيفي آب زيرزميني از تئوري آنتروپي - از روش هاي احتمالاتي مبنا - بهره گرفته شد. ايشان براي مجموعه اي از متغيرهاي كيفي آب زيرزمينيمدل، انتقال اطّلاعات و مدل همبستگي را تعريف و مشاهده كردند كه مدل انتقال اطّلاعات، موقعيت مكاني چاه ها را بهتر از مدل همبستگي تعيين مي كرد.
از طرفي آنها دريافتند كه پارامترهاي مربوط به مدل انتقال اطّلاعات كه وابستگي چاه ها نسبت به هم را نشان مي داد، براي برخي متغيرهاي كيفي مشابه به دست آمد. اين شباهت پارامترهاي متغيرهاي كيفي درصد وابستگي بين متغيرها را نشان داد و از اين حيث مي توان با عدم بررسي برخي از متغيرهاي كيفي حاضر در برنامه پايش، هزينه ها را كاهش داد. يك مدل طراحي شبكه پايش توسط هوداك و لوسيگا ]٨[ معرفي شد كه موقعيت چاه هاي نمونه برداري را تعيين مي كرد.
طراحي بر پايه تحت پوشش قرار دادن آبخوان از نظر خطرپذيري آلودگي تعريف شد. ايشان دو روش كمّي - آماري - و كيفي - هيدروژئولوژيكي - را براي راهكارهاي طراحي در آبخوان چند لايه اعمال نمودند. آزمودن اين روش روي يك مورد مطالعاتي نشان داد كه آرايش هاي شبكه پايش حاصل، دو مشخصه را ارائه مي دهند - ١ - : جمع شدن چاه ها در اطراف خروجي هاي آلودگي در مرزهاي منبع آلودگي و - ٢ - : پوشش مناطق خالي متعدد كه مستعد ابتلا به آلودگي بودند.
آسفا و همكاران ]٩[ روشي بر پايه ماشين بردار پشتيبان - ١ - SVM براي طراحي شبكه هاي پايش سطح آب زيرزميني ارائه دادند. آنها يك مدل بهينه سازي درجه دو محل پذير منحصر به فرد را به كار بستند تا نه تنها خطاي مربع متوسط اختلاف ها بين مقادير سطح آب زيرزميني محاسبه شده و پيش بيني شده، بلكه محدوده خطرپذيري نيز كمينه شود. مدل بهينه سازي، موقعيت هاي چاه ها را براساس اهميت آنها در تشريح سطح پتانسيل سنج تعيين مي كرد. از جمله نتايج ايشان در توصيف قابليت روش پيشنهادي شان مي توان به جايگذاري چاه هاي پايش در موقعيت هاي با بيشترين عدم قطعيت سطح آب زيرزميني اشاره نمود.
ماشين هاي بردار رابط ٢ - RVM - كه يك الگوريتم يادگيري آماري است، در تحقيق خادر و ام سي كي ]١٠[ براي طراحي شبكه پايش كيفي آب زيرزميني استفاده شد. روش پيشنهادي ايشان در آبخواني در فلسطين به كار گرفته شد. در اين پژوهش براي حذف عدم قطعيت ها در تخليه، هدايت هيدروليكي و فرآيندهاي واكنش نيترات در مدل سازي آب زيرزميني از روش شبيه سازي مونت كارلو ٣ - MC - بهره گرفته شد. تعداد چاه هاي پايش و موقعيت آنها بر اساس نتايج اجراهاي مدل RVM انتخاب شدند.
همچنين نتايج ١٠٠ اجراي مختلف، پايداري مدل در انتخاب تعداد و موقعيت هاي چاه ها را نشان داد. گنجي خرمدل و كيخايي ]١١[ منطقه اي از شمال ايران را انتخاب كردند تا توانايي الگوريتم ژنتيك ٤ - GA - تركيب شده با كريجينگ و الگوريتم اجزاي جمعي - PSO - را جهت بهينه سازي شبكه مقايسه و ارزيابي كنند، با اين شرط كه تعداد چاه هاي پايش طوري كاهش يابد كه تا حد امكان از دقت داده ها كاسته نشود.
نتايج بهينه سازي نشان داد كه در آبخوان آستانه-كوچصفهان تعداد چاه هاي مشاهده اي مي تواند به اندازه٢٦ درصد - ٥٧ به ٤٢ چاه - ، كاهش داده شود، بدون اينكه فقدان داده اي محسوسي ايجاد شود. ميرزائي ندوشن و همكاران ]١٢[ در تحقيقي طراحي بهينه بلند مدت شبكه پايش سطح آب زيرزميني آبخوان دشت اشتهارد را توسط نسخه دوم الگوريتم ژنتيك با مرتب سازي نامغلوب - NSGA-II - با اهداف كمينه نمودن مقدار ريشه مربعات ميانگين خطا - RMSE - و كمينه نمودن تعداد چاه ها اجرا نمودند.
پايگاه داده موردنياز، به كمك درونيابي كريجينگ تهيه شد و در بخش شبيه سازي مسئله از درونيابي وزندهي فاصله معكوس ٥ - IDW - براي مقادير سطح آب زيرزميني محاسباتي استفاده شد و با مقادير مشاهداتي تهيه شده در پايگاه داده مقايسه شدند. نتيجه اين تحقيق، ارائه يك جبهه پرتو با نمايش تعداد چاه در مقابل RMSE متناظر آن بود كه مي تواند دستورالعملي براي طراحي شبكه پايش كمّي آب زيرزميني باشد.
به اين صورت كه با تعيين دقت لازم در داده هاي حاصل از شبكه پايش مي توان تعداد چاه ها و موقعيت آنها را در منطقه مطالعاتي مشخص نمود. معصومي و همكاران ]١٣[ با استفاده از تئوري آنتروپي گسسته، كارايي سامانه پايش كيفي منابع آب زيرزميني دشت تهران را ارزيابي كردند و يك روش جديد براي بهنگام سازي موقعيت ايستگاه هاي پايش ارائه كردند. در روش پيشنهادي، يك منحني كه نشان دهنده شاخص انتقال اطلاعات بر حسب منحنيT-D براي تمامي ايستگاه ها است، براي هر متغير كيفي محاسبه و ترسيم شده است.
