شناسايي شبكه بهينه پايش كيفي آب زيرزميني با استفاده از الگوريتم‌ جستجوي ممنوع (مطالعه موردي حوضه آبريز نيشابور)

Identification of the optimum groundwater quality monitoring network usingTabu search algorithm (Case study of Neyshabur watershed)

مديريت آب‌زيرزميني نيازمند پايش دقيق كمي و كيفي آب‌زيرزميني با توزيع مناسب مكاني و زماني است. حداقل نمودن تعداد چاه‌هاي پايش با حداكثر توزيع مكاني براي اقتصادي كردن پايش سامانه‌هاي آب‌زيرزميني، مورد نيازمديران مي‌باشد. بنابراين ساختار شبكه‌هاي پايش آب‌زيرزميني و تعداد چاه‌هاي مورد نياز به يك مسئله بهينه‌سازي مهندسي تبديل مي‌شود. هدف از اين پژوهش يافتن شبكه‌هاي نماينده پايش بهينه با كمترين تعداد چاه كه پوشش كافي براي شناخت كيفيت آب‌زيرزميني در يك منطقه ايجاد كند، مي‌باشد. با استفاده از اين روش چاه‌هاي مازاد در شبكه شناسايي مي‌شود. براي انجام اين پژوهش از الگوريتم فرا ابتكاري جستجوي ممنوع استفاده شده است. تابع هدف در اين پژوهش از دو هدف متقابل به هم تشكيل شده است. هدف اول حداكثرسازي تطابق بين توزيع شاخص كيفيت آب درونيابي شده در دو حالت با در نظر گرفتن تمام چاه‌هاي موجود و چاه‌هاي انتخاب شده از شبكه موجود مي‌باشد. معيار ارزيابي اين تطابق شاخص اماري نش-ساتكليف مي‌باشد. در اين پژوهش كيفيت آب‌زيرزميني با استفاده از يك شاخص كيفي آب كه شامل 9 پارامتر كيفي است بيان شده است. هدف دوم حداقل كردن تعداد چاه‌هاي پايش انتخاب شده براي اقتصادي كردن هزينه پايش در نظر گرفته شده است. دو هدف با استفاده از ضريب وزني كه اهميت اهداف نسبت به هم را مشخص مي‌كند در يك تابع جمع‌آوري شده است. مدل ذكر شده براي تعداد چاه‌هاي فعال مختلف به كار گرفته شد. همچنين با استفاده از الگوريتم جستجوي ممنوع بهترين تركيب چاه‌هاي فعال مختلف كه حداكثر تابع هدف را محقق مي‌كند شناسايي شد. شبكه‌هاي بهينه پيشنهادي به مديران و تصميم‌گيران اين پيشنهاد را مي‌دهد كه با توجه به اهداف مورد نظر، شبكه بهينه براي پايش كيفيت آب‌زيرزميني را انتخاب نمايند. در نهايت مدل بهينه‌سازي توانست شبكه‌هاي نماينده پايش را بين 34 تا 75 درصد بهينه كند.

Groundwater management requires accurate quantitative and qualitative monitoring of groundwater with proper spatial and temporal distribution. Minimizing the number of monitoring wells with maximum spatial distribution for making it economical to monitor groundwater systems is required by managers. Therefore, the structure of groundwater monitoring networks and the number of required wells becomes an engineering optimization problem. The purpose of this study is to find candidates for optimal monitoring network with the least number of wells that provide sufficient coverage to identify groundwater quality in an area. Hence, the excess wells in the network are identified. The meta-heuristic Tabu search algorithm has been used in this research. The objective function in this study consists of two conflicting goals. The first goal is the maximization of the match between the interpolated groundwater quality index distributions obtained using data from all wells and the wells from newly-generated network. The Nash-Sutcliffe model was utilized as a criterion to evaluate this compliance. In this study, groundwater quality is expressed using a water quality index, including nine quality parameters. The second goal is to minimize the number of monitoring wells selected to save on monitoring costs. The two mentioned goals are summed up in a function using a weight coefficient that determines the importance of the goals compared to each other. The mentioned model was used for a number of different active wells. Also, using the Tabu search algorithm, the best combination of different active wells that achieves the maximum objective function was identified. Optimal networks suggest managers and decision makers to choose the optimal network to monitor water quality according to the accepted budget and error. Consequently, this optimizing model could reduce the number of monitoring wells by 34 - 75%.