بخشی از مقاله
مقدمه
از نظر مدیریتی مهم ترین انگیزه برای انجام مطالعات کیفیـت آب، نیازهـای کیفی آب و اثرات متقابل آن بر مصارف مختلف می باشـد (معروفـی و همکـاران، .(1388 رفتار سنجی و تصمیمگیری در مورد کیفیت آب بـر اسـاس اطلاعـات جمعآوری شده، یکی از مشکلات مهندسان محیط زیست و هیدرولوژیسـتهـا میباشد؛ چرا که در همه مراحل، از نمونهبرداری تا بررسی و تحلیـل نتـایج، بـا انواع عدم قطعیتها روبرو هستند (هاشمی و همکاران، .(1389
سازمانهایی نظیر سازمان بهداشت جهانی، وزارت نیرو و مؤسسه استاندارد و تحقیقات صنعتی ایران، اسـتانداردهایی بـرای امـلاح محلـول و آلاینـدههـای مختلف در آب شرب و کشاورزی ارائه کردهانـد (موسسـه اسـتاندارد و تحقیقـات صنعتی ایران، .(WHO, 1993 ;1376 اما این استانداردها بـه دلیـل عـواملی چون تغییرات و نوسانات بارش و مقدار برداشت در فصـول مختلـف سـال، دارای محدودیتهـایی هسـتند. از سـوی دیگـر، اسـتانداردهای تعیـین شـده توسـط سازمانهای مرتبط نیز از قطعیت لازم برخوردار نیستند.
انحلال کانی های سازنده ساختمان خاک که در مسیر حرکت آب زیرزمینی قرار دارند، باعث کاهش کیفیت آب خواهند شد. آبهایی که میزان کلرور آنها بیش از حد است، شور و آبهایی که مقدار سـولفات سـدیم و سـولفات منیـزیم آنها زیاد است، گس و تلخ مزهانـد (لالـهزاری و طباطبـائی، .(1389 همچنـین مقادیر بالای نیترات در آب زیرزمینی منجر بـه بـروز نارسـایی حـاد خـونی در کودکان و کاهش توانایی انتقال اکسیژن توسـط رگهـا مـیشـود ( Comply, .(1945
ترکیبــات انحــلال یافتــه در آب، بــر کیفیــت محصــولات کشــاورزی تــأثیر می گذارند. برای مثال، آبیاری زمین های کشاورزی با آبهـایی کـه دارای سـدیم زیاد هستند، معمولاً باعث بالا رفتن مقدار سدیم خاک خواهـد شـد. ایـن تغییـر ممکن است پس از کشاورزی های مکرر به وقـوع پیونـدد. هرگـاه میـزان تجمـع سدیم در برگ از حـد تحمـل گیـاه تجـاوز کنـد، سـمیت عـارض خواهـد شـد. سوختگی برگ و ایجاد بافت های مرده در حاشیه برگ از علائم بـارز سـمیت بـه شمار می رود (علیزاده، .(1364 بی کربنات نیز به عنوان یکی از پارامترهای مـوثر در ارزیابی کیفیت آب کشاورزی آورده شـده اسـت. بیشـتر گیاهـان درختـی در برابر غلظت های کم کلرور حساس بوده و در برابر غلظت هـای بـالای کلـرور نیـز صدمه می بینند. کلرور در اثر جذب سطحی وارد خاک نشده بلکه همـراه آب در میان خاک حرکت می کند (حاج رسولی هـا، .(1364 مقـادیر زیـاد سـدیم در آب
کشاورزی میتواند موجب بروز مشکلاتی در رابطه با نفوذ پذیری خاک شود. معمول ترین روش ارزیـابی پتانسـیل سـدیم در کـاهش نفوذپـذیری خـاک
محاسبه نسـبت جـذب سـدیم اسـت ( Gholami and Srikantaswamy, .(2009 سولفات نیز در آبهای زیرزمینی بـه صـورت محلولنـد؛ سـولفاتهـای سدیم، منیزیم و پتاسیم به آسانی در آب حل شدهاند؛ اما سولفات کلسیم یا گـچ قابلیت انحلال محدودتری دارند. درصد انحـلال سـدیم، نسـبت مقـدار سـدیم و پتاسیم آب زیرزمینی به کل کاتیون ها و بر حسـب درصـد اسـت. مقـدار سـدیم بالاتر از 60درصـد ممکـن اسـت بـر اثـر انباشـتگی سـدیم و احتمـالاً تخریـب سـاختمان خـاک، نفـوذ و هـوازدگی باشـد .(Hakim et al., 2009) غلظـت
44
مجله زمین شناسی کاربردی پیشرفته
سدیم در ارزیابی کیفی آب به لحاظ کشاورزی بسیار مهم است؛ چرا کـه مقـادیر بالای سدیم باعث کاهش تراوایی خاک میگردد .(Todd, 2005)
با توجه به اهمیت تأثیر املاح محلول در آب بر بدن انسان و عـدم قطعیـت همراه با انـدازهگیـری در مراحـل نمونـهبـرداری و آنـالیز نمونـههـا، اسـتفاده از روش های کلاسیک در ارزیابی کیفیت آب شـرب و کشـاورزی مناسـب بـه نظـر نمیرسند. ابهام و نبود قطعیت ذاتـی حـاکم بـر منـابع آب در ارزیـابی اهـداف، معیارها و واحدهای تصمیمگیری از یک سو و ناسازگاری و بیدقتی در نظرات و قضاوت افـراد تصـمیمگیرنـده از سـوی دیگـر، سـبب گـرایش بـه نظریـههـای مجموعههای فازی و به دنبال آن منطق فازی به عنوان ابزاری کارآمـد و مفیـد برای برنامهریزیها و تصمیمگیریها در منابع آب گردیـده اسـت ( Bardossy .(et al., 1995; Li et al., 2009 این روشهـا بـر اسـاس نظریـه مجموعـه فازی و با استفاده از مسائل واقعی محیطی بهکار میروند؛ تا از عدم قطعیـت در محیطهای نادقیق به عنوان ابزاری جهت تصمیمگیری استفاده کنند ( Chang .(et al., 2001; Mckone and Desphande, 2005 با طراحی یک مدل فازی خوب می توان عدم قطعیت همراه با مراحـل نمونـه بـرداری، انـدازه گیـری، تفسیر کیفیت آب را پوشاند .(Liou and Lo, 2004)
هاشمی و همکاران (1389)، سیستم استنتاج فازی را برای بررسی کیفیت شیمیایی آب شرب بکار بردند. آنها از 9 پارامتر اسیدیته، سـختی کـل، کلـرور، کلسیم، منیزیم، سولفات، نیتـرات، سـدیم و کـل امـلاح محلـول بـرای ارزیـابی کیفیت آب شرب 29 چاه تـأمین آب شـرب 9 شـهر مختلـف اسـتان اصـفهان استفاده کردند. در این تحقیق 9 پارامتر مهم آب زیرزمینی را به 3 گروه تقسـیم کردند و نتایج گروه اول و دوم را در گروه سوم جای دادند. در نهایت مدل فـازی کیفیت آب شرب را تهیه نموده و نتایج روش قطعی و فازی را مقایسـه نمودنـد. نتایج، برتری روش فازی را در ارزیابی کیفیت آب شرب در مرزهـای متغیرهـای زبــانی نشــان داد. داهییــا و همکــاران، (Dahiya et al., 2007)، از روش استنتاج فازی به منظور بررسی کیفیت آب زیرزمینی جهـت مصـارف شـرب 36 نمونه از 2 روستا در کشور هنـد، اسـتفاده کردنـد. در ایـن پـژوهش 10 پـارامتر تأثیرگذار بر کیفیت آب مورد ارزیابی فـازی قـرار گرفـت. بـا توجـه بـه ایـن کـه محاسبات فازی جهت ارزیابی کیفیت آب شرب برای 10 پـارامتر بسـیار مشـکل می باشد؛ پارامترهای ورودی به 3 گروه تقسیم شدند؛ که در گروه اول 4 پـارامتر اسیدیته، سولفات، کلرور و کل املاح محلول و در گـروه دوم 4 پـارامتر قلیاییـت کل، سختی کل، سدیم و میزیم به عنوان ورودی بـه مـدل وارد شـدند. خروجـی گروه اول و دوم همراه بـا پارامترهـای نیتـرات و فلورایـد اسـتفاده گردیدنـد؛ تـا کیفیت نهایی آب زیرزمینی مورد ارزیابی قـرار گیـرد. در ایـن پـژوهش سـطوح اطمینان مربوط به هریک از نمونه ها تعیین شد و بـه نتـایج قابـل قبـولی دسـت یافتند و برتری این روش نسبت به روشهای تعیین شاخص کیفـی آب WQI را نشان دادند. بـا توجـه بـه ایـن کـه بیشـترین مصـرف آب زیرزمینـی در بخـش کشاورزی است؛ کاربرد مدل استنتاج فازی جهت مصارف کشاورزی ضـروری بـه نظر می رسد. در این پژوهش به ارزیابی کیفیت آب قنات از هر دو جنبه شـرب و کشاورزی پرداخته شده است.
منطق فازیکه برای اولین بار در مقالهای به همین نام توسـط عسـگر زاده (Zadeh, 1965) ارائه گردید، بسـیاری از مفـاهیم، متغیرهـا و سیسـتمهـای نادقیق و مبهم را صورتبندی ریاضی بخشید و بـه ایـن شـکل زمینـه را بـرای استدلال، استنتاج، کنترل و تصمیمگیری در شرایط عدم اطمینـان فـراهم آورد (طاهری، .(1378 این قوانین ساده و آشکار برای توصـیف پاسـخدهـی مطلـوب سیستم، به جای فرمولهای ریاضی از متغیرهای زبانی استفاده میکنند. متغیر زبانی، متغیری است که مقادیرش کلمات یا جملات یک زبان طبیعی باشـد. بـه عنوان نمونه سن یک فرد را در نظر بگیریـد؛ اگـر مقـادیری را کـه سـن اختیـار
×زمستان 91، شماره 6
میکند با کلماتی مثل نونهال، نوجوان، جوان، مسن و پیـر نشـان دهـیم متغیـر سن یک متغیر زبانی خواهد بود (آذر، .(1386
برای یک مجموعه فازی، تابع عضویت به صورت زیر تعریف میگردد که در
فاصله بین صفر تا 1 است.
رابطه A: ; >0' 1@ (1)
اگر X را مجموعه ای از x ها در نظر بگیریم، آن گاه مجموعه فـازی A در X به صورت مجموعهای از زوجهای مرتب زیر تعریف میشود:
رابطه A= {(x, ʽA(x)) | x Ɛ X} (2)
که A(x) تحت عنوان تابع عضویت (MF) مجموعه فازی A شناخته مـی شـود. MF، هر عضو از x را به درجهای از عضویت (و یا مقدار عضویت) که یـک مقـدار بین 0 و 1 است، نگاشت میکند.
به طور مشخص، تعریـف یـک مجموعـه فـازی، بسـط سـاده ای از تعریـف مجموعـههـای کلاسـیک مـیباشـد، بـا ایـن خصوصـیت کـه تـابع مشخصـه در مجموعه های فازی، میتواند دارای هر مقداری بین 0 و 1 باشـد. در صـورتی کـه مقادیر تابع عضویت، فقط به دو مقـدار 0 و یـا 1 محـدود شـود، آن گـاه A یـک مجموعه کلاسیک و A(x) یک تابع مشخصه خواهد بود (راهبر، .(1387
در قوانین سیستمهای فازی، متخصص پیرامون قوانین طبقهبنـدی فـازی، نظرات خود را اعمال میکند. هر قانون شامل یـک سـری پیشـایند منطقـی از قبیل نام مشخصه (به عنوان مثال :اسیدیته، کل مواد جامد محلول، سختی،...) و مشخصه زبانی (مانند مطلوب، قابل قبول و غیر قابل قبول) میباشد.
ارزیابی فازی با استفاده از حدود تعیین شده توسط سـازمانهـای مـرتبط و نظر کارشناس خبره، سطح اطمینانی بـرای قابلیـت پـذیرش آب بـرای مصـارف شرب ارائه می دهد. رهنمودهای مختلفی برای ارزیابی کیفیت آب بـرای مصـرف شرب و کشاورزی وجود دارد؛ اما به دلیل گسـتردگی تغییـر پـذیری در شـرایط صحرایی، به طور کامل رضایت بخـش نمـی باشـند. از اسـتانداردهای تهیـه شـده توسـط سـازمان خـوار و بـار جهـانی (FAO, 1994)، وزارت نیـرو و سـازمان بهداشت جهانی برای مصارف کشاورزی و شرب و جهت تعیین مـرزهـای ورودی و مشخصه های زبانی استفاده شدند. توابع عضویت نیز بر اسـاس نظـر کارشـناس خبره برای پارامترهای آب شرب مورد استفاده به صورت مثلثی و ذوزنقه ای و بـا استفاده از حدود تعیین شده و اسـتاندارهای مـورد اسـتفاده (جـدول (1 تعیـین گردید.
جدول.1حدود تعیین شده پارامترهای ورودی ارزیابی شرب بر اساس استاندارد (WHO, 2006)
پارامتر مطلوب حداکثر قابل قبول
×اسیدیته 7-8/5 6/5-9/2
کل مواد جامد محلول 500 2000
سولفات 250 400
کلرور 200 600
منیزیم 50 150
سختی کل بر اساس 300 600
کربنات کلسیم
کلسیم 75 200
قلیاییت کل 200 600
نیترات 20 45
سدیم 75 200
( تمامی واحدها بر حسب میلیگرم بر لیتر میباشند به جز (pH
45
مجله زمین شناسی کاربردی پیشرفته
همچنین بر اساس نظر کارشناس خبره برای پارامترهای آب کشاورزی مورد استفاده به صورت مثلثی و ذوزنقهای از (جدول (2 جهت تعیین مقادیر توابع عضویت پارامترهای کشاورزی استفاده شد.
جدول .2 حدود تعیین شده پارامترهای ورودی ارزیابی کشاورزی بر اساس استاندارد
(FAO, 1994)
×پارامتر مطلوب حداکثر قابل قبول
سدیم 50 300
کلرور 100 300
بیکربنات 200 500
سولفات 200 500
کل مواد جامد محلول 500 2000
نسبت جذب سدیم 40 60
درصد سدیم انحلالی 30 60
( تمامی واحدها بر حسب میلیگرم بر لیتر میباشند به جز SSP و (SAR
روش مطالعه
منطقه مورد مطالعه شامل آبخوان های استان تهران از قبیل آبخوانهای تهران-کرج، ورامین، هومند-آبسرد، فیروزکوه و دماوند بود. بدین منظور دادههای نمونه برداری قناتهای استان تهران در سال آبی 1388-89 تهیه گردید. تعداد 23 نمونه قنات که بیانگر ویژگیهای آب زیرزمینی منطقه مورد مطالعه بودند، انتخاب شدند. در (جدول (3 تحلیل آماری قناتهای مورد مطالعه استان تهران سال آبی 1388-89 آورده شده است. ترتیب فراوانی کاتیونهای اصلی آب به صورت سدیم< کلسیم< منیزیم< پتاسیم و برای آنیونها به صورت بی کربنات< سولفات< کلرور< نیترات می باشد.( شکل .(1
پارامترهای pH، TH، TA، Cl-، Ca2+ ،Mg2+، SO42-، NO3-،
Na+ و TDS به عنوان مهمترین پارامترهای موثر بر کیفیت آب شرب، به عنوان ورودی مدل کیفی استفاده شدند . Garg et al., 1998 پارامترهای
کیفی SAR، SSP، Cl-، HCO3-، SO42-، Na+ و TDS نیز به عنوان مهمترین پارامترهای تأثیر گذار بر کیفیت آب جهت مصارف کشاورزی به سه مشخصه زبانی مطلوب، قابل قبول و غیر قابل قبول ترسیم شدند. تابع عضویت هر یک از پارامترهای ورودی، دارای معادله ای خاص در محدودههای مطلوب، قابل قبول و غیرقابل قبول است. برای مثال روابط 3، 4، 5، تابع عضویت پارامتر TDS میباشد.
×زمستان 91، شماره 6
مجموعه فازی، تابع عضویت هر یک از ورودیها را تعیین میکند. با مشخص کردن ورودیهای کلاسیک و اعداد قطعی در محدوده از قبل تعیین شده (تمام غلظتهای ممکن پارامتر کیفی آب) هر یک از مجموعههای فازی تابع عضویتی بین 0 و 1 میگیرند. تصمیم سازی سیستم استنتاج فازی، بر اساس قوانین اعمال شده توسط کارشناس خبره صورت میگیرد. قوانین از دو بخش "اگر - آنگاه" تشکیل شده اند. در بخش "اگر" ورودی مدل تعریف میشود. مدلهای کیفی در هردو بخش "اگر" و "آنگاه" دارای عدم قطعیت میباشند .(Fisher, 2003) در این تحقیق از مدل استنتاج فازی که در آن ورودی، نتایج و قوانین به صورت فازی تعریف شدهاند، استفاده شد. تمامی مراحل در نرم افزار MATLAB انجام شد. مدلهای استنتاج فازی بسیار زیادی وجود دارد. مشهورترین آنها در علوم مهندسی، مدل فازی ممدانی است. این مدل به سبب مقبولیت عام و سادگی کاربرد، به دیگر مدلهای موجود ترجیح داده میشود .(Gokceoglu, 2002; Sonmez et al., 2004)
46
مجله زمین شناسی کاربردی پیشرفته ×زمستان 91، شماره 6
جدول .3 پارامترهای آماری قناتهای مورد مطالعه استان تهران سال آبی 1388-89
نمونه قنات NO3 pH EC TDS Cl SO4 HCO3 K Na Mg Ca
کمترین 0 7 323 220 10 23 139 0/31 13/8 4/9 30/2
بیشترین 68/2 8/6 33140 1964 496 163 369/8 1/56 186 59/9 246
میانگین 13/7 7/7 667 425 53 80/8 222/8 0/71 68/4 14/7 50/1
انحراف معیار 15/4 0/3 258 171 35/4 47/7 63/9 0/38 54/3 6/9 15/9
(یونهای اصلی و TDS بر حسب میلیگرم بر لیتر، pH بدون واحد و EC بر حسب میکروموهس بر سانتیمتر میباشد)
شکل .1 توابع عضویت پارامترهای ورودی از نظر شرب
47
مجله زمین شناسی کاربردی پیشرفته
بحث
در این پژوهش از عملگر استلزام ممدانی جهت ارزیابی کیفیت آب زیرزمینی استان تهران از نظر کشاورزی و شرب استفاده شده است. جهت بررسی بهتر و مشخص شدن تأثیر هر یک از پارامترهای ورودی آب شرب، 10 پارامتر کیفی به سه گروه طبقهبندی شدند. در (شکل (1 توابع عضویت پارامترهای کیفی آب قناتهای استان تهران جهت ارزیابی کیفیت شرب آورده شده است. در گروه اول 4 پارامتر Ca2+،Mg2+، Na+، TH که به لحاظ تأثیر بر کیفیت آب همخوانی بهتری دارند، به صورت مدل درآمدند. در جدول زیر مقادیر فازی و مشخصههای زبانی استفاده شده در گروه اول آمده است. در گروه دوم 4 پارامتر TDS، Cl، TA، SO4 به صورت مدل درآمدند. در جدول 4 مقادیر فازی استفاده شده برای مشخصههای زبانی مطلوب، قابل قبول و غیرقابل قبول آمده است. جهت ارزیابی نهایی کیفی آب با استفاده از نتایج گروه اول و دوم و پارامترهای pH، NO3، استفاده شدند. (شکل (2 چگونگی ترکیب پارامترهای ورودی آب شرب را نشان داده شده است.
در انتها جهت ارزیابی نهایی کیفیت آب از نظر شرب، گروه سوم که شامل نتایج گروه اول، نتایج گروه دوم و پارامترهای pH و NO3 است، در مدل استنتاج فازی وارد گردید. تعداد قوانین مدلهای استنتاج فازی، به تعداد پارامترهای ورودی و متغیرهای زبانی مورد استفاده بستگی دارد. برای هر یک از گروههای اول، دوم و سوم تعداد 81 قانون بکار گرفته شد. به تعدادی از این قوانین در ادامه اشاره خواهیم کرد:
قانون اول: اگر کلسیم مطلوب، منیزیم قابل قبول، سدیم مطلوب و سختی کل قابل قبول باشد، آنگاه کیفیت آب به لحاظ شرب مطلوب است.
قانون دوم: اگر کلسیم غیر قابل قبول، منیزیم غیر قابل قبول، سدیم مطلوب و سختی کل قابل قبول باشد، آنگاه کیفیت آب به لحاظ شرب غیرقابل قبول است.
قانون سوم: اگر قلیاییت کل مطلوب، کل املاح محلول قابل قبول، کلرور غیرقابل قبول و سولفات قابل قبول باشد، آنگاه کیفیت آب به لحاظ شرب قابل قبول است.
قانون چهارم: اگر قلیاییت کل مطلوب، کل املاح محلول قابل قبول، کلرور قابل قبول و سولفات غیرقابل قبول باشد، آن گاه کیفیت آب به لحاظ شرب غیرقابل قبول است.
قانون پنجم: اگر نتایج گروه اول غیرقابل قبول، نتایج گروه دوم غیرقابل قبول، نیترات مطلوب و اسیدیته قابل قبول باشد، آنگاه کیفیت نهایی آب به لحاظ شرب غیرقابل قبول است.
قانون ششم: اگر نتایج گروه اول قابل قبول، نتایج گروه دوم قابل قبول، نیترات مطلوب و اسیدیته قابل قبول باشد، آن گاه کیفیت نهایی آب به لحاظ شرب مطلوب است.
در ادامه جهت ارزیابی کیفیت آب قناتهای استان تهران جهت مصارف کشاورزی از مهمترین پارامترهای موثر بر کیفیت آب، 7 پارامتر شامل، SAR، SSP، Cl-، HCO3-، SO42-، Na+ و TDS استفاده شدند. در (شکل (3 توابع عضویت پارامترهای کیفی آب قناتهای استان جهت ارزیابی کیفیت کشاورزی آورده شده است. در گروه اول 4 پارامتر Cl، HCO3-، SO42- و Na+ که به لحاظ تأثیر بر کیفیت آب کشاورزی همخوانی بهتری دارند، به صورت مدل درآمدند. سپس، جهت ارزیابی نهایی کیفیت آب، نتایج گروه اول، پارامترهای SAR، SSP، و TDS در مدل استنتاج فازی وارد گردید. قانون
×زمستان 91، شماره 6
برای ورودیهای نتایج گروه اول، پارامترهای SAR، SSP، و TDS اعمال شدند. در (شکل (4 چگونگی ترکیب پارامترهای ورودی نشان داده شده است. در هر یک از دو گروه تشکیل شده به منظور ارزیابی کیفی آب قناتهای استان تهران، تعداد 81 قانون به مدل وارد شد. برای هر یک از این دو گروه به صورت نمونه 2 نمونه از قوانین مورد استفاده، آورده شده است. قوانین مورد استفاده بدین صورت میباشند:
اگر سدیم مطلوب، کلرور قابل قبول، بیکربنات مطلوب و سولفات قابل قبول باشد، آنگاه کیفیت آب به لحاظ کشاورزی مطلوب است.
اگر سدیم غیر قابل قبول، کلرور غیر قابل قبول، بیکربنات مطلوب و سولفات قابل قبول باشد، آنگاه کیفیت آب به لحاظ کشاورزی غیر قابل قبول است.
