عدم قطعیت در آب های زیرزمینی

عدم ­قطعیت یکی از ویژگی­ های ذاتی جهان ماست و به طورگسترده در فعالیت­ های روزانه انسان قابل مشاهده می­ باشد. معمولاً، عدم­ قطعیت از کمبود دقت در وضعیت حال یا آینده به دلیل محدودیت در اطلاعات و داده نشات می­ گیرد. سیستم آب زیرزمینی یک سیستم پیچیده و باز می­ باشد که بر روی شرایط هیدرولوژیکی و هواشناسی، ساختار زمین­ شناسی، ویژگی­ های توپوگرافی، پوشش گیاهی، فعالیت­ های انسانی و … اثرگذار می باشد. از این­ گذشته، برخی از ویژگی­ های سیستم آب زیرزمینی به طور مستقیم اندازه ­گیری نمی ­شود مانند هدایت هیدرولیکی که از طریق آنالیز مقادیر اندازه­ گیری­ شده ورودی و خروجی تخمین زده می­ شود. از این رو، بررسی عدم قطعیت در آب های زیرزمینی از اهمیت بالایی برخوردار می باشد.

با افزايش فشارهاي بشر و اقليم بر روي منابع آب زيرزميني، پيش­ بيني­ هاي دقيق از جريان آبهاي زيرزميني براي شيوه­ هاي مديريت پايدار امري ضروري است، با اين وجود عموماً، ساختار زمين شناسي فقط تا حدودي شناختـه شده اسـت و اندازه­ گيرهاي خصوصيات زيرسطحي يا هد آب زيرزميني پراکنده و متمايل به داشتن خطا است. در نتيجه، نمايش فرآيندهاي اريب يا ناقص، خطا در خصوصيات شرايط مرزي و اوليه بعلاوه­ ي خطا در پارامترهاي مدل، منجر به ارائه پيش ­بيني­ هايي همراه با عدم قطعيت مي­ شود به همین دلیل محاسبه عدم قطعیت در آب های زیرزمینی سبب افزایش دقت مدلسازی خواهد شد.

هدف اصلی تحلیل عدم قطعیت

هدف اصلي تحليل عدم­ قطعيت، تعيين خصوصيات آماري خروجي يک مدل به عنوان تابعي از پارامترهاي ورودي احتمالاتي است. تحليل عدم قطعيت، تلاش مي ­کند که يک ساختار اصولي براي شناسايي عدم­ قطعيت مربوط به خروجي به مدل را فراهم کند. علاوه بر آن، تحليل عدم­ قطعيت بينش طراحان را در خصوص سهم هر يک از پارامترهاي ورودي احتمالاتي در عدم ­قطعيت کلي خروجي مدل مشخص مي­ کند. اين آگاهي براي شناسايي پارامترهاي مهمي که به توجه و تمرکز بيشتري در تحليل، طراحي و بهره برداري سیستم­ هاي منابع آب نياز دارند، ارزيابي بهتر مقادير آنها و در نتيجه کاهش عدم قطعيت کلي خروجي ها ضروري است.

صرف نظر از آنکه چه مقدار توجه صرف کمّی کردن و کاهش عدم­ قطعیت­ ها در خروجی­ های مدل می­ شود، عدم­ قطعیت همچنان باقی خواهد ماند. متخصصانی که عدم­ قطعیت را تحلیل می ­کنند، مدیران و تصمیم­گیرانی که باید عدم­ قطعیت را مدیریت کنند و مردمی که باید با عدم ­قطعیت زندگی کنند، نیازهای متفاوتی به اطلاعات و نگرش­ها نسبت به عدم­ قطعیت دارند. واضح است که نیاز به اطلاعات در بین کسانی که مدل­سازی می­ کنند یا از مدل­ ها استفاده می­ کنند، کسانی که سرمایه­ گذاری­ های اساسی را انجام می­ دهند یا تصمیمات اجتماعی را اتخاذ می­ کنند و کسانی که احتمالاً تحت تاثیر آن تصمیمات قرار می­گیرند متفاوت است. تامین این نیازهای متفاوت به تصمیم­گیری­ های بسیار آگاهانه ­تر منجر می­شود، ولی این کار نیازمند صرف هزینه­ ای است که باید در مقابل سودهای حاصل از داشتن اطلاعات حساسیت و عدم­ قطعیت مورد توجه قرار گیرد و از این­رو، تحلیل و بررسی آن ضروری است.

لزوم تحلیل عدم قطعیت در آب های زیرزمینی

هدف اصـلی اجرای مدل ­های آب­های زیرزمینی پیش­ بینی وضعیـت سامانه در آینده می­ باشد. این پیـش­ بینی معمولاً با عدم­ قطعیت­ های ذاتی همراه است، زیرا الگوریتمی که برای مدل­سازی انتخاب می­شود با آنچه در طبیعت اتفاق می­افتد یکی نیست و به علاوه در تبدیل الگوریتم به یک نرم­ افزار فرضیاتی وجود دارد. حتی در مدل­ های خیلی پیچیده با واسنجی خوب، در اطلاعات و ورودی­ هایی که برای مدل­سازی استفاده می­ شود، عدم­ قطعیت­ هایی وجود دارد. به عنوان مثال در شرایط مرزی اعمال شده به مدل و همچنین پیش­ بینی رژیم آب و هوایی و تغییرات در تناوب آبیاری عدم­ قطعیت­ هایی وجود دارد. با توجه به آنچه ذکر شد، ارائه عدم­ قطعیت در پیش بینی نتایج هر مدل با توجه به اهداف خاص آن الزامی است.

با توجه به اینکه فرآیندهای هیدرولوژیکی یا حرکت آب زیرزمینی توسط معادلات ساده حاکم بر جریان توصیف می­ شود، پیش­ بینی سیستم آب زیرزمینی همیشه از داده های مشاهداتی دارای انحراف می­باشد. بنابراین، وجود عدم ­قطعیت در شبیه­ سازی آب زیرزمینی اجتناب­­ ناپذیر می­ باشد که این امر سبب دشواری در حل معادلات آب زیرزمینی خواهد شد. تحلیل و بررسی عدم قطعیت در آب های زیرزمینی ، شامل مطالعه بر روی منطقه، انتقال و فرآیندهای تولید­کننده عدم­ قطعیت می­ باشد که توصیف­ کننده و ارزیابی­ کننده وضعیت و ویژگی­ های عدم­ قطعیت می ­باشد. به علاوه، تحقیق برای کنترل کردن و کاهش دادن عدم­ قطعیت تحت شرایط فعلی و ایجاد یک پیش­ بینی و پاسخ به محیط ناشناخته آب زیرزمینی، کلید مسائل آنالیز عدم­ قطعیت در مدل­سازی آب زیرزمینی می­ باشد.

منابع عدم قطعیت در آب های زیرزمینی

منابع بسياري سبب ايجاد عدم ­قطعيت در مدلسازي آب زيرزميني و انحراف داده­ هاي پيش­ بيني از داده ­هاي مشاهده ­اي است. از جمله اين منابع مي ­توان به داده ­هاي محدود هيدرولوژيکي منطقه مورد مطالعه، عدم دقت در داده­ هاي ورودي تغذيه و تخليه به سيستم، عدم شناخت کافي از مقادير پارامترهاي مدل مانند ضرايب هيدروديناميکي سفره آب زيرزميني، عدم تعريف مناسب شرايط مرزي و اوليه در سيستم، معادلات ساده شده جريان و فرضياتي که براي اعمال اين معادلات در يک سيستم آبهاي زيرزميني در نظر گرفته مي­ شود، اشاره کرد به علاوه، به دام­ افتادن در مکانیسم فعل وانفعالات ناشناخته بین عوامل مختلف، سبب سختی جداسازی منابع عدم­ قطعیت از یکدیگر به طور دقیق و مستقل خواهد شد.

به منظور مطالعه منابع ايجاد کننده عدم­ قطعيت در آبهاي زيرزميني يا مدل هاي شبيه­ سازي هيدرولوژيکي تلاش ­هاي زيادي انجام پذيرفته، و طبقه ­بندي­ هاي مختلفي از سوي محققين ارائه گرديده است. یِن و همکاران منابع عدم­ قطعیت مدل­سازی را به 5 بخش زیر دسته ­بندی کردند:

1- عدم ­قطعیت طبیعی که از فرآیندهای تصادفی ناشی می­شود؛

2- عدم ­قطعیت در مدل که از مدل معیوب ناشی می­ شود (به دلیل اینکه مدل معیوب قادر به نشان دادن فرآیندهای فیزیکی واقعی نیست)؛

3- عدم ­قطعیت در پارامترهای مدل؛

4- عدم ­قطعیت ناشی از خطای داده­ های مشاهداتی؛

5- عدم ­قطعیت عملکردی که ناشی از عوامل انسانی است.

بطور کلي، با توجه به فرآيندهاي منطقي مدلسازي آبهاي زيرزميني، و تقسيم ­بندي بسياري از محققين، منابع عدم­ قطعيت به سه دسته عدم­ قطعيت پارامترهاي مدل، مدل مفهومي (يا ساختار مدل)، و داده­ هاي مشاهده ­اي تقسيم شده است.

عدم قطعیت مدل مفهومی آب های زیرزمینی

در چند دهه اخير، تلاش ­هاي زيادي براي توسعه روش­ هاي تعيين مقادير بهينه پارامترهاي آبهاي زيرزميني و کمي­ سازي عدم­ قطعيت پيش ­بيني مدل که وابسته به عدم قطعيت تخمين اين پارامترهاست، انجام پذيرفته است. بزرگترين ضعف رويکردهاي واسنجي پارامترها، اين است که همه منابع عدم­ قطعيت در خطاي پارامترها منسوب می شود که اين منجر به تخمين اريب پارامترها براي جبران خطاي ساختار مدل، داده­ هاي ورودي و خطاي اندازه­ گيري است.

در نوشته بعدی، به بررسی روش های ارزیابی عدم قطعیت در آب های زیرزمینی خواهی پرداخت. پس با ما همراه باشید.