روش فازی سازی یا منطق فازی از روش های داده محور می باشد که توسط پروفسور ایرانی، دکتر لطفی زاده به دنیا معرف شده است. این روش مرزهای بین اعداد صریح را می شکند و با استفاده از منطق خود بین صفر و یک ارزش های جدیدی می آفریند. این منطق در حال نفوذ به تمامی علوم می باشد، گرچه سالهاست مقالاتی در این ارتباط در حوضه آب انتشار یافته اند، در این مطلب به بررسی مقاله ای در رابطه با کاربرد منطق فازی در کیفیت آب زیرزمینی پرداخته ایم.
ارزیابی کیفیت آب زیرزمینی منطقه راجستان هند با استفاده از ابزار تصمیم گیری چند معیاره فازی
نویسندگان:
R. Srinivas, Prashant Bhakar, and Ajit Pratap Singh
چکیده
این مطالعه با استفاده از برخی پارامترهای موثر در مصارف شرب و آشامیدنی و با استفاده از سیستم چند معیاره فازی، 15 چاه منطقه راجستن هند را مورد بررسی قرار داده و نسبت به رتبه بندی چاههای منطقه اقدام نموده است. روش فازی استفاده شده در این مطالعه روش ممندانی است. از توابع خطی ساده برای نرمال کردن دادهها و از نرم افزار Matlab برای انجام عملیات فازی استفاده شده است. پارامترها به دو دسته برای مصارف خانگی و کشاورزی دسته بندی شدند و آنها با متغییر های زبانی عالی، قابل قبول و بد و مطلوبیت آب زیر زمینی با 5 متغییر زبانی خیلی بد، بد، مطبوع، خوب و خیلی خوب دسته بندی شدند. در آخر نیز با توجه به نتایج چاهها رتبه بندی شدند. که مشخص شد 50 درصد چاهها برای هیچ یک از مصارف خانگی و کشاورزی مناسب نیستند.
مقدمه
آب زیرزمینی منبع اصلی تامین کننده آب در مناطق خشک و نیمه خشک است. آب زیرزمینی در این مناطق در معرض انواع آلودگی مانند آلودگی های ناشی از فاضلاب، استفاده از کودهای شیمیایی و حیوانی و آلودگی فاضلاب صنعتی قرار دارد. در این مناطق تشخیص آبهای آلوده و مدیریت آنها و همچنین جلوگیری از آلوده شدن بیشتر آنها از اهمیت بالایی برخوردار هستند. مدیریت این آبها باعث بوجود آمدن تقابلاتی میان جامعه، مراکز علمی و دولت ها میشود. بایستی با انتخاب بهترین گزینه از میان گزینه های موجود نسبت به انتخاب بهترین راهحل انجام شود.
استفاده از ریاضیات در انجام پروژه هایی که در آنها پای کیفیت و یا پارامترهای کیفی در میان است، باعث میشود که محقیقن دید وسیع تر و روشن تری از مباحث داشته باشند. از این رو منطق فازی برای تصمیم گیری و همچنین دسته بندی پارامترهای کیفی بسیار مورد توجه قرار گرفته است. سیستم فازی میتواند با استفاده از نرم افزار Matlab پیاده سازی شود.
منطقه مورد مطالعه
این مطالعه برروی منطقه ای در راجستان در رابطه با ارزیابی مطلوبیت آبهای زیرزمینی برای دو نوع کاربری کشاورزی و خانگی انجام شده است. این منطقه در حدود 50000 نفر جمعیت دارد (بر طبق سرشماری سال 2011). این ارزیابی با توجه به استاندارد های دفتر استاندارد هند انجام شده است. از 38 چاه موجود در این منطقه از اطلاعات 15 چاه برای ارزیابی کیفی آب زیرزمینی استفاده شده است. در شکل زیر موقعیت چاه ها مشخص است.
مواد و روشها
پیچیدگی و ابهام در بررسی مطلوبیت کیفیت آب زیرزمینی میتواند به طور مناسبی با روش فازی مورد تجزیه و تحلیل قرار گیرد. روش ممدانی در این مطالعه به کار رفته است؛ این روش دارای 4 پله اساسی شامل: آ) فازی سازی ، ب) قانون ارزیابی یا استنتاج، پ) ترکیب قوانین ، ت) استخراج نتایج . مرحله تبدیل اعداد واقعی به متغییرهای زبانی فازی سازی نامیده میشود، اطلاعات موجود با استفاده از قوانین زبانی اگر-آنگاه مورد بررسی قرار گرفته اند. قسمت اول قانون، اگر، شامل سابقه و یا حالت قطعی اتفاق است و قسمت دوم قانون، آنگاه، نتیجه و یا پیش بینی عملکرد دستور است. در انتها بایستی از روشهای استخراج نتایج از بخش فازی سازی برای بدست آوردن یک مقدار مشخص استفاده شود.
یک مثال از کیفیت آب آشامیدنی میتواند به خوبی مفهوم فازی را بیان نماید، اگر پارامترهای کل مواد جامد محلول، PH، سختی کل (TH)، نیترات (NO3- ) و فلوراید (F) برای سنجش انتخاب شوند، با استفاده از منطق فازی میتوان به صورت زیر عمل کرد.
• اگر TDS عالی و PH عالی و TH بد و NO3- عالی و F قابل قبول باشد، آنگاه کیفیت آب آشامیدنی مطبوع دسته بندی میشود.
قابل قبول، بد و عالی مقادیر زبانی برای مقادیر مختلف پارامترهای کیفی هستند. مقادیر کیفی که با واحد میلی گرم بر لیتر یا میلی اکیوالان بر لیتر سنجش میشوند با این مقادیر زبانی قابل استفاده در منطق فازی میشوند. خیلی بد، بد، مطبوع، خوب و خیلی خوب، بیانگر متغییر زبانی برای سنجش کیفیت آب آشامیدنی هستند. در قسمت FIS نرم افزار متلب، مراحل فوق قابل انجام است. سپس یک مدل ریاضی برای ارزیابی کیفیت و مطلوبیت آب زیرزمینی با ورودی های مختلف و یک خروجی با توجه به قوانین مختلف که بیانگر مطلوبیت آب زیرزمینی است ارائه میگردد.
با توجه به اینکه پارامترهای مختلف برای دسته بندی کیفیت آب برای دو مصرف کشاورزی و خانگی متفاوت است؛ با بررسی این پارامترها میتوان به تصمیمی درست برای انتخاب نوع استفاده از آب چاهها دست یافت. نویسندگان این مقاله با استفاده از نتایج مقالات و کارهای پیشن انجام شده در این زمینه همانند CGWB 2009 نسبت به انتخاب پارامترهای موثر در هر دسته اقدام کرده اند. در شکل زیر این پارامترها قابل مشاهده هستند.
به علت اینکه پارامترهای مختلف دارای واحدهای اندازه گیری مختلفی هستند، و مقادیر حدی آنها به روشهای مختلف دستهبندی میشوند، برروی داده ها عملیات نرمال سازی انجام شده است. این عملیات با استفاده از تابع تبدیل خطی ساده که در زیر آمده است استفاده شده است. اگر C0 داده مشاهده ای باشد و Cmin و Cmax مقادیر ماکزیمم و مینیمم مقادیر باشند، Ct مقدار هدف باشد، داده نرمال شده Cn از روابط زیر قابل محاسبه است. روابط زیر با توجه به مقادیر پارامترها قابل استفاده است.
خلاصه مراحل نتایج نرمال سازی برای یک چاه در جدول زیر آمده است.
وضعیت کیفیت آب با استفاده از متغییرهای زبانی بد (B)، قابل قبول (A) و عالی (E) مشخص شده اند. این مقادیر با استفاده از توابع عضویت مطابق شکل های زیر بیان شده اند. مطلوبیت آب چاهها با متغییرهای خیلی بد (VB)، بد (B)، مطبوع (S)، خوب (G) و خیلی خوب (VG) بیان شده اند. تابع عضویت ذوزنقهای برای هردو مقادیر ورودی و خروجی استفاده شده است، این تابع می تواند عدم قطعیت را در حالت بهتری نمایش دهد (Zimmermann, 1991). در شکل های زیر محور افقی مقادیر نرمال شده و محور عمودی میزان عضویت را نشان میدهد.
قوانین اگر-آنگاه در فازی می توانند با قانون AND or OR مشخص گردند. بیشترین تعداد قانون ها با رابطه زیر بدست میآید.
به عنوان مثال در اینجا 3 مقدار زبانی برای 5 متغییر برای مصرف خانگی وجود دارد، که با توجه رابطه فوق داریم 35 که 243 قانون را شامل میشود. مهمترین قوانین که مورد استفاده قرار گرفته اند در جدول زیر آمده است.
نتایج و بحث
پس از انجام محاسبات فازی توسط نرم افزار متلب، هر 15 چاه بر اساس جدول زیر رتبه بندی شدند و که اعداد انتهای جدول نتیجه نهایی از انجام این پژوهش است. برای مصرف خانگی چاه شماره 13 بهترین چاه و برای مصرف کشاورزی چاههای شماره 1 و 14 انتخاب شدند. جداول زیر نشان دهنده نمره نهایی و رتبه بندی همه چاهها هستند.
با توجه به مقادیر حاصل فقط 33 درصد از چاههای منطقه برای کشاورزی مناسب هستند. بیش از 50 درصد از چاههای منطقه برای هردو مصرف خانگی و کشاورزی مناسب نیستند و بایستی توجه ویژه ای به کنترل آلودگی و محافظت از این منطقه شود.
+برای دانلود مقاله از این لینک استفاده کنید.