طراحی شبکه پایش کیفی آب های زیرزمینی با استفاده از روش بهینه سازی الگوریتم ژنتیک

توزیع مکانی و دقت داده های کیفی در مدیریت منابع آب زیرزمینی ضروری است. معمولا این داده ها از چاه های پایش جمع آوری می شود که به صورت مکانی در حوضه آبریز یا آبخوان مورد مطالعه توزیع شده است. در طراحی شبکه پایش، حداقل تعداد چاه های پایش با توزیع مکانی بهینه و مناسب از نظر اقتصادی مورد نیاز است. بنابراین نحوه توزیع چاه ها و تعداد آن ها در طراحی شبکه پایش کیفی یکی از موارد مهم در بهینه سازی مسایل مربوط به آب زیرزمینی است. هدف از این مطالعه، یافتن شبکه پایش بهینه با حداقل تعداد چاه ها در آبخوان دشت گیلان است، به طوری که، توزیع مکانی مناسبی از نظر پارامترهای کیفیت آب زیرزمینی داشته باشد. با توجه به اینکه یکی از مهمترین معیارهای کیفیت آب زیرزمینی شوری است که با پارامترهایی مانند کل جامدات محلول (TDS)، یون کلر (Cl) و هدایت الکتریکی (EC) اندازه گیری می شود، در این مطالعه پارامتر EC به عنوان پارامتر کیفی در طراحی شبکه پایش انتخاب گردید.

برای جستجوی بهینه شبکه پایش کیفی از الگوریتم بهینه سازی ژنتیک (GA) استفاده شد. در این روش، یک شبکه ممکن از چاه های پایشی که در منطقه واقع شده است به عنوان یک کروموزوم در نظر گرفته می شود و هر چاه پایش، ژن های کروموزوم هستند که با ساختار دودویی (صفر و یک) کدگذاری می شوند. در صورتی که انتخاب شود یک و در غیر این صورت صفر خواهد بود. در این مطالعه همزمان دو تابع هدف متضاد حل می شود. هدف اول حداکثر کردن تطابق (برازش) بین توزیع های EC محاسبه شده در شبکه پایش موجود و شبکه جدید است. که این تطابق با استفاده از کارایی مدل نش ساتکلیف ارزیابی می شود. هدف دوم نیز با در نظر گرفتن محدودیت مربوط به هزینه، حداقل کردن تعداد چاه های پایش در شبکه جدید ایجاد شده می باشد. این دو هدف در یک تابع هدف تعریف می شود که در آن ترکیب های مختلفی از دو هدف با اعمال ضریب وزنی w مورد بررسی قرار می گیرد.

نتایج ارزیابی ها نشان داد که انتخاب جواب بهینه تا حد زیادی به تعیین ضریب وزنی w بستگی دارد. بنابراین باید مقدار w را با توجه به متعادل ترین جواب انتخاب شود. متعادل ترین جواب به این معناست که بین هزینه و پراکنش مکانی چاه ها در منطقه یک رابطه قابل قبولی برقرار باشد. در ادامه، برای انتخاب بهترین جواب بهتر است علاوه بر استفاده از ضریب کارایی نش ساتکلیف از شاخص های عملکرد دیگری مانند PBIAS، RMSE، ضریب رگرسیون و انحراف معیار نیز استفاده شود. به طور کلی، نتایج بدست آمده در این مطالعه با توجه به این شاخص ها قابل قبول بوده است. همچنین، بررسی توزیع مکانی و مقایسه میانگین مقادیر EC مشاهده شده در منطقه و EC محاسبه شده در شبکه بهینه با توجه به همه چاه های پایش انتخاب شده نشان می دهد که مقادیر بهینه شده بزرگتر از میانگین مقادیر مشاهده شده در منطقه است. بنابراین به وضوح نتیجه گیری می شود که شبکه بهینه شده داده های کیفی آب زیرزمینی مناطق آلوده تر را فراهم می کند.

نتایج نشان داد که کاربرد روش بهینه سازی به طور قابل ملاحظه ای تعداد چاه های پایش را با توجه به توزیع مکانی مقادیر EC کاهش می دهد. علاوه بر این، شبکه پایش طوری طراحی شد که تعداد نقاط نمونه برداری در مناطق با آلودگی کمتر، حذف شد و در مناطقی با آلودگی بیشتر، اضافه شد. در طراحی شبکه پایش کیفی آب زیرزمینی بهتر است به صورت دوره ای بهینه سازی انجام شود، زیرا انتظار می رود کارایی شبکه پایش با اضافه شدن چاه های جدید به شبکه تغییر کند. ارزیابی های پی در پی شبکه پایش به صورت هر چند سال یک بار، در تعیین ارزیابی درازمدت کیفیت آب زیرزمینی و عوامل موثر در آن کمک می کند که می تواند در برنامه ریزی و اعمال روش هایی برای بهبود کیفیت آب زیرزمینی موثر باشد.