شناسایی مکان، زمان فعالیت و شدت منبع آلایندۀ نامشخص در رودخانه

نوع مقاله : پژوهشی کاربردی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد سازه‌های آبی، دانشگاه تربیت مدرس

2 استادیار گروه سازه‌های آبی، دانشگاه تربیت مدرس

3 استاد گروه سازه‌های آبی، دانشگاه تربیت مدرس

چکیده

در سال‌های اخیر، با افزایش جمعیت و توسعۀ روزافزون صنعت، بیشتر منابع آب جهان، اعم از رودخانه‌ها، دریاچه‌ها و آب‌های زیرزمینی آلوده شده‌اند؛ این امر سبب ایجاد مسائل و مشکلات بهداشتی چشمگیری برای انسان و سایر موجودات زنده شده است. در صورت ادامۀ این وضعیت، بشر با بحران کمبود آب و مخاطرات جبران‌ناپذیر مواجه خواهد شد. کنترل پیوستۀ منبع آلاینده، سبب جلوگیری از آلودگی آب می‌شود. با اجرای اقداماتی پیش از وقوع با هدف کاهش مخاطرات محیطی، می‌توان هزینه‌های تحمیل‌شده را به‌شدت کاهش داد و بحران را مدیریت کرد. مهم‌ترین راه حفظ کیفیت منابع آب و کنترل آن، تدوین قوانین و استانداردهای مناسب و سختگیرانه و برنامه‌ریزی برای اجرای صحیح آن است. کیفیت آب رودخانه‌ها باید به‌صورت مستمر پایش شود، چراکه برخی صنایع به‌دلیل وجود محدودیت‌ها، اغلب به‌صورت نامحسوس و ناگهانی آلاینده‌ای با غلظت زیاد را وارد رودخانه می‌کنند. تعیین زمان و مکان آلاینده‌ای که در گذشته رها شده است، می‌تواند در محافظت از رودخانه‌ها بسیار کمک‌کننده باشد. هدف اصلی این تحقیق، شناسایی مکان منبع آلاینده در رودخانه بدون داشتن هیچ‌گونه اطلاعات پیشینی از منبع در چارچوب کاملاً ریاضی است. مزیت مدل بازگشتی ارائه‌شده آن است که تنها با برداشت منحنی غلظت-زمان از دو نقطۀ بالادست و پایین‌دست منبع آلاینده، می‌توان مکان منبع را با بیشترین دقت به‌دست آورد. پس از به‌دست آوردن مکان منبع، شدت منبع آلاینده بازیابی می‌شود. این تحقیق، ضریب‌های جریان خطا را بررسی کرده است تا خطای حاصل در نتایج شناسایی مکان و بازیابی شدت منبع آلاینده مشاهده شود. نتیجه نشان داد که این مدل به خطای ضریب‌ها حساس نیست. صحت‌سنجی بین حالت دقیق و نتایج حاصل‌ از مدل معکوس با دقت مناسبی قابل قبول بود.

کلیدواژه‌ها


[1].   قانع، علیرضا؛ مظاهری، مهدی؛ و محمدولی سامانی، جمال. (1395). «کاربرد مدل احتمال برگشتی در ردیابی منابع آلاینده در رودخانه در شرایط وجود جریان غیریکنواخت»، محیط‌شناسی،(42:2)، 410-397. 10.22059/JES.2016.58742
[2].   قانع، علیرضا؛ مظاهری، مهدی؛ و محمدولی سامانی، جمال. (1396). «ردیابی مکان و زمان رهاسازی آلاینده در رودخانه براساس مدل ترکیبی آنالیز الحاقی و بهینه‌سازی»، مهندسی عمران شریف، (33.2:3.2)، 104-95. 10.24200/J30.2017.20111
[3].   Aster, R.C.; Borchers, B.; & Thurber, C.H. (2005). Parameter Estimation and Inverse Problems. San Diego, Elsevier Academic Press. ISBN:  9780123850492.
[4].   Atmadja, J.; & Bagtezoglou, A.C. (2001). “pollution source identification in heterogeneous porous media”, Water Resources Reasearch, 37(‌8): 2113-2125.doi: 10.1029/2001WR000223 .
[5].   Bagtzoglou, A.C.; & Atmadja, J. (2003). “Marching-jury backward beam equation and quasi-reversibility methods for hydrologic inversion: Application to contaminant plume spatial distribution recovery”, Water Resources Research, 39(2). doi: 10.1029/2001WR001021
[6].   Chapra, S.C. (1997). Surface water-quality modeling, Vol. 1, McGraw-Hill New York. ISBN: 0070113645.
[7].   Cheng, W.P. & Jia, Y. (2010). “Identification of contaminant point source in surface waters based on backward location probability density function method”, Advances in Water Resources, 33(4): 397-410. doi: 10.1016/j.advwatres.2010.01.004.
[8].   Colaco, M.J.; Orlanda, H.R.B.; & Dulikravich, G.S. (2006). “Inverse and optimization problems in heat transfer”, Journal of Brazilian Society of Meachanical Sciences and Engineering, vol. 28, no .1, pp. 1-24. doi: 10.1590/S1678-58782006000100001.
[9].   El  Badia, A.; Ha-Duong, T.; & Hamdi, A. (2005). “Identification of a point source in a linear advection–dispersion–reaction equation: application to a pollution source problem”, Inverse Problems, 21 (2005) 1-17. doi: 10.1088/0266-5611/21/3/020
[10].             Ghane, A.; Mazaheri, M.; & Mohammad Vali Samani, J. (2016). Location and release time identification of pollution point source in river networks based on the Backward Probability Method. J Environ Manage, (180)164-171. doi: 10.1016/j.jenvman.2016.05.015.
[11].             Hamdi, A. (2009). “The recovery of a time-dependent point source in a linear transport equation: application to surface water pollution”, Inverse Problems, 25(7): 075006. doi: 10.1088/0266-5611/25/7/075006.
[12].             Hamdi, A.; & Mahfoudhi, I. (2013). “Inverse source problem in a one-dimensional evolution linear transport equation with spatially varying coefficients: application to surface water pollution”, Inverse Problems in Science and Engineering, 21(6): 1007-1031. doi: 10.1080/17415977.2013.764871.
[13].             Hamdi, A.;  Mahfoudhi, I.; & Rejaiba, A. (2015). “Identification of time active limit with lower and upper bounds of total amount loaded by unknown sources in 2D transport equations”, Journal of Engineering Mathematics, 97(1): 101-117. doi: 10.1007/s10665-015-9799-5.
[14].             Hamdi, A. (2012). “Inverse source problem in a 2D linear evolution transport equation: detection of pollution source”, Inverse Problems in Science and Engineering, 20(3): 401-421. doi: 10.1080/17415977.2011.637207.
[15].             Hansen, P.C., (1997). Rank-Deficient and Discrete Ill-Posed Problems: Numerical Aspects of Linear Inversion, Philadelphia: Siam.
[16].             Ling, L.; Yamamoto, M.; Hon Y. C.; & Takeuchi, T. (2006). “Identification of source locations in two-dimensional heat equations”, Inverse Problems in Science and Engineering, 22(4): 591-608. doi: 10.1088/0266-5611/22/4/011.
[17].             Michalak, A.M.; & Kitanidis, P.k. (2004). “Estimation ofhistorical groundwater contaminant distribution using the adjont state method applied to geostatistical inverse modeling”, Water Resources Research, Vol. 40, W08302. doi: 10.1029/2004WR003214.
[18].             Milnes, E.; & perrochet, P. (2007). “Simultaneous identification of a single pollution point source location and contamination time under known flow field conditions”, Advances in Water Resources, 30(12): 2439-2446. doi: 10.1016/j.advwatres.2007.05.013.
[19].            Mazaheri, M.; Mohammad Vali Samani, J.; & Samani, H.M.V. (2015). “Mathematical Model for Pollution Source Identification in Rivers”, Environmental Forensics, 16(4): 310-321. doi: 10.1080/15275922.2015.1059391.
[20].             Neupauer, R.M .; Borchers, B.; & Wilson J.L. (2000). “Comparison of inverse methods for reconstructing the release history of a groundwater contamination source”, Water Resources Research, vol. 36, no. 9, pp. 2469-2475. doi: 10.1029/2000WR900176.
[21].             Neupauer, R.M.; & Wilson J.L. (2005). “Backward probability model using multiple observations of contamination to identify groundwater contamination sources at the Massachusetts Military Reservation”, Water Resources Research, vol. 41, W02015.doi: 10.1029/2003WR002974.
[22].             Polyanin, A.D. (2001). Handbook of Linear Partial Differential Equations for Engineers and Scientists. Florida: Chapman & Hall/CRC.ISBN: 9781466581456.
[23].             Tikhonov, A.N.; & Arsenin, V.Y. (1977). Solutions of Ill-Posed Problem, Washington, D.C: Winston & Sons. doi: 10.1137/1021044.
[24].            Wang, Z.; & Liu, J. (2008). Identification of the pollution source from one-dimensional parabolic equation models. Applied Mathamatics and Computation, In press. doi: 10.1016/j.amc.2008.03.014.
[25].             Wang, Z.; & Liu, J. (2012). “Identification of the pollution source from one-dimensional parabolic equation models”, Applied Mathematics and Computation 219(8), 3403-3413. doi:
10.1016/j.amc.2008.03.014
.
[26].             Zhang, T.; & Chen, Q. (2007). “Identification of contaminant sources in enclosed spacey by a single sensor”, Indoor Air, 17(6), 439-449. doi: 10.1111/j.1600-0668.2007.00489.x.