بهینه‌سازی مکانیابی ایستگاههای پایش کیفی منابع آب زیرزمینی با استفاده از تئوری آنتروپی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانش‌آموخته کارشناسی ارشد مهندسی آب، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه تهران

2 استادیار و عضو قطب علمی مهندسی و مدیریت زیر ساخت‌ها، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه تهران

چکیده

ارزیابی کارآیی سامانه‌های پایش کیفی منابع آب و بهبود مؤلفه‌های مختلف این سامانه‌ها مانند مکانیابی بهینه ایستگاههای پایش از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. دلیل اصلی اهمیت این موضوع، هزینه‌های قابل توجه این سامانه‌ها می‌باشد. به طوری که کاهش اطلاعات مازاد می‌تواند در کاهش هزینه‌های سامانه، بدون کاهش میزان و دقت اطلاعات حاصل، تأثیر قابل توجهی داشته باشد. همچنین پیشنهاد تأسیس ایستگاههای جدید می‌تواند کمبودهای اطلاعاتی را پوشش دهد. سامانه‌های منابع آب و محیط زیست معمولاً سامانه‌هایی پیچیده و غیرخطی می‌باشند و تقریباً در هیچ یک از این سامانه‌ها، اطلاعات کافی برای توصیف رفتارهای احتمالی وجود ندارد. تئوری آنتروپی، یکی از روشهای موجود برای ارزیابی عدم قطعیت موجود در سامانه‌های منابع آب با استفاده از اطلاعات محدود موجود می‌باشد. در این مقاله سعی شده است با استفاده از تئوری آنتروپی گسسته، کارآیی سامانه پایش کیفی منابع آب زیرزمینی دشت تهران ارزیابی شود و یک روش جدید برای بهنگام‌سازی موقعیت ایستگاههای پایش ارائه گردد. در روش پیشنهادی، یک منحنی که نشان دهنده شاخص انتقال اطلاعات بر حسب منحنی T-D برای تمامی ایستگاهها است، برای هر متغیر کیفی محاسبه و ترسیم می‌شود. برای در نظر گرفتن عدم قطعیت‌ موجود در مشخصات این منحنی، از تئوری مجموعه‌های فازی استفاده می‌شود. یک مدل الگوریتم ژنتیک هیبریدی نیز برای بهینه کردن فاصله بین ایستگاههای پایش کیفی با توجه به وزن و اهمیت نسبی هر یک از متغیرهای کیفی شاخص ارائه می‌گردد. نتایج حاصل از این مقاله نشان دهنده کارآیی مناسب الگوریتم پیشنهادی در ارزیابی و بهنگام سازی سامانه‌های پایش کیفی منابع آب زیرزمینی می‌باشد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Optimal Groundwater Monitoring Network Design Using the Entropy Theory

نویسندگان [English]

  • Fariborz Masoumi 1
  • Reza Kerachian 2
1 Graduate Research Assistant, Department of Civil Engineering, University of Tehran
2 Assistant Professor of Civil Engineering and Affiliate Member of Center of Excellence for Infrastructural Engineering and Management, University of Tehran
چکیده [English]

This paper presents a methodology for optimal design of groundwater monitoring networks using the criteria of maximizing information and minimizing monitoring cost. The measure of Transinformation in the Discrete Entropy Theory is used for quantifying the efficiency of the monitoring network. The existing uncertainty in the Transinformation-Distance (T-D) curve is incorporated using the fuzzy set theory. The fuzzy T-D curve is then used in a multi-objective GA-based optimization model, which provides the best locations for monitoring stations. The proposed methodology is applied to groundwater resources in the southern part of Tehran, Iran. The results show the applicability and the efficiency of the model for the optimal design of groundwater monitoring systems.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Groundwater Quality Monitoring
  • Discrete Entropy
  • Transinformation
  • Fuzzy Set Theory
  • Genetic algorithm

1- Shannon, C. E. (1948). “A mathematical theory of communication.” Bell System Technical Journal, 27, 379-423.

2- Singh, V. P. )1997(.“The use of entropy in hydrology and water resources.” Hydrological Processes,11, 587-626.

3- Uslu, O., and Tanriover, A. (1979). “Measuring the information content of hydrological process.” Proc., The First National Congress on Hydrology, Istanbul, 473- 443.

4- Harmancioglu, N. B. (1981). “Measuring the information content of hydrological processes by the entropy concept.” J. Civil Engineering, 13, 88-92.

5- Krastanovic, P. F., and Singh, V. P. (1992). “Evaluation of rainfall networks using entropy.” Water Resource Management, 6, 295-314.

6- Yang, Y., and Burn, D. )1994(. “An entropy approach to data collection network design.” Journal of Hydrology, 157, 307-324.

7- Ozkul, S., Harmancioglu, N. B., and Singh, V. P. (2000). “Entropy-based assessment of water quality monitoring networks.” J. Hydrology Eng., 5(1), 90-100.

8- Mogheir, Y., and Singh, V. P. (2002). “Application of information theory to groundwater quality montoring system.” Water Resources Management, 16(1), 37-49.

9- Husain, T. (1989). “Hydrologic uncertainty measure and network design.” Water Resources Bulletin, 25(3), 527-534.

10- Bueso, M. C., Angulo, J. M., Cruz-Sanjulian, J., and Carcia-Arostegui, J. L. (1999). “Optimal spatial sampling design in a multivariate framework.” Mathematical Geology, 31(5), 507-525.

11- Karamouz, M., Khajehzadeh Nokhandan, A., and Kerachian, R. (2006). “Design of river water quality monitoring networks using an entropy based approach: a case study.” Proc., The 2006 World Water and Environmental Resources Congress, Nebraska, USA.

12- Mogheir, Y., and Singh, V. P. (2003). “Specification of information needs for groundwater management planning in developing country.” Groundwater Hydrology, 2, 3-20.

13- Mogheir, Y., and Lima, J. L. M. P., and Singh, V. P. (2004). “‍‍‍Characterizing the special variability of groundwater quality using the entropy theory.” Hydrological Process,18, 2165-2179.

14- معصومی، ف، و کراچیان، ر. (1385). ارزیابی سامانه‌های پایش کیفی منابع آب زیرزمینی با کاربرد تئوری آنتروپی گسسته. دومین کنفرانس مدیریت منابع آب ایران، دانشگاه صنعتی اصفهان.

15- Akter, T., and Simonovic, S. P. (2004). “Modeling uncertainties in short-term reservoir operation using fuzzy sets and a genetic algorithm.” Hydrological Science, 49(6), 1081-1097.