رده­بندی نمونه­های هیدروشیمیایی با استفاده از روش منطق فازی

دسته آب شناسی
گروه سازمان زمین شناسی و اکتشافات معدنی کشور
مکان برگزاری بیست و چهارمین گردهمایی علوم زمین
نویسنده محمد حسین رحیمی، نصرالله کلانتری و عباس چرچی*
تاريخ برگزاری ۱۴ اسفند ۱۳۸۴

چکیده

سیستم­هاى زمین شناختى و هیدروشیمیایى در برخى موارد خیلى پیچیده­تر از آن است که توسط روش‌هاى گرافیگى و آمارى مرسوم تحلیل شود. ویژگى­هاى شیمیایى و فیزیکى در چرخه طبیعت اغلب به صورت پیوسته تغییر مى‌کنند تا ناگهانى، به عبارت دیگر فرآیندهاى فیزیکوشیمیائى همیشه خروجى­هاى مجزایى ندارند. به دلیل این پیوستگى ممکن است گروه‌هاى آمارى به خوبى از یکدیگر تفکیک نشوند و در عوض ممکن است توالى را تشکیل دهند که گروه‌ها با هم همپوشانى داشته باشند. بنابراین، روش منطق فازى مى­تواند براى اهداف مدل سازى و رده­بندى مفید باشد. در این مطالعه ۶۱ نمونه آب زیرزمینى دشت­هاى زویرچرى و خران با استفاده از روش تقسیم بندى فازى به چهار گروه تقسیم شد و نتایج آن با تقسیم بندى به روش آنالیز خوشه­اى سلسله مراتبى مقایسه شد.

 

 

Classification of hydrochemical samples with use of Fuzzy logic

Mohammad hosein Rahimi, Nasrolah Kalantari & Abbas Charci

 

Abstract

Geological and hydrochemical systems are sometimes too complex to analyze easily using conventional graphical or statistical methods. Often the chemical and physical properties of the natural system vary continuously, rather than abruptly. In other words, these underlying physical and chemical processes do not always produce discrete outcomes. Because of this continuity, statistical clusters may not be well separated and instead may form a sequence of overlapping clusters. Therefore, methods related to “fuzzy logic” may be useful for modeling and classification purposes. In this research by using Fuzzy partitioning (FP) method ۶۱ groundwater samples of Zeviercherry and Kherran plains were classified into four groups. At the end results of this method were compared with hierarchical cluster analysis (HCA).

مقدمه

دشت‌های زویرچری و خِران در نزدیکی شهرستان ملاثانی (40 کیلومتری شمال اهواز) بین طول جغرافیـــــــایی ´ 47˚48 تا´ 15˚49 شرقی و عرض جغرافیایی´20˚31 تا ´48˚31 شمالی قرارگرفته است. مرزهای شمالی شرقی، شمال غربی، جنوب غربی و جنوب شرقی منطقه مورد مطالعه را به ترتیب آبراهه فصلی هدام، رودخانه گرگر، سبخای زویرچری و بخش لهبری تشکیل می­دهد. تاقدیس کوپال با روند شمال­غرب‌ - جنوب­شرق در مرکز محدوده مورد مطالعه باعث تفکیک منطقه به دو دشت زویرچری و خِران شده است. این تاقدیس از نوع ملایم است و به سمت شمال غرب پلانژ دارد. رخنمون سازندها در منطقه مورد مطالعه تنها برروی تاقدیس کوپال دیـــــده می­شود به طوری که بخش آواری لهبری در قسمت جنوبی و سازند بختیاری در قسمت شمالی تاقدیس رخنمون دارد. بخش لهبری در منطقه مورد مطالعه از ماسه سنگ­های سست، سیلتستون و مارن به همراه میان لایه­های نازک ژیپس و سازند بختیاری از ماسه‌های جور شده سست با سیمان بسیار ضعیف رسی تشکیل شده است. قسمت قابل ملاحظه‌ای از سازند بختیاری در زیر رسوبات آبرفتی به دلیل تخریب شدید درجا، سفره آبدار مناسبی را تشکیل داده است. حدود یکصد و هفتاد چاه عمیق موجود در این سفره­آبدار آب مورد نیاز دشت را برای کشاورزی تامین  می­کنند[1&2].

آب‌های زیرزمینی محدوده مورد بررسی اغلب در رده شوره مزه قرار دارند و رخساره غالب آن سولفاته-کلسیک، منیزیک می‌باشد (شکل 1). در کران راست آبراهه فصلی هدام و جنوب دشت زویرچری آب‌های سطحی و زیرزمینی بسیار شوری (TDS>1000 mg/l) وجود دارد که رخساره غالب آن‌ها کلروره-سدیک می‌باشد.

شناخته بودن محیط هیدروژئولوژیکی سفره آبدار در دشت‌های زویرچری و خِران و دارا بودن بانک اطلاعاتی جامعی از داده­های هیدروشیمیایی (این دشت در حال حاضر دارای بیش از 250 نمونه کامل هیدروشیمایی مکانی و زمانی از چاه­های منطقه است ) باعث شده که این دشتها برای انجام مطالعات هیدروشیمیایی بسیار مناسب باشند. در این مطالعه از داده‌های کیفی61 نمونه آب زیرزمینی که در بهار سال 1383برداشت شده، استفاده شده است.

 

بحث

آنالیز خوشه­ای

یک روش طبقه­بندی مناسب برای تقسیم­بندی نمونه­های شیمی آب به گروه­های مشابه، ابزاری کارامد برای توصیف محیط­های هیدروژئولوژیکی است. نمونه‌های با خصوصیات هیدروشیمیائی مشابه برحسب ترکیب کانی شناسی، آب و هوا و زمان ماندگاری اغلب دارای تاریخچه هیدرولوژیکی ، نواحی تغذیه و مسیرهای جریان مشابه هستند. امروزه روشهای متنوعی برای رده بندی نمونه­های هیدروشمیایی وجود دارد که شامل روش­های گرافیکی (دیاگرامهای پایپر، استیف، انگشتی، ودیاگرامهای ترکیبی) و روش­های آماری ( آمارتوصیفی ، آنالیز مولفه­های اصلی و آنالیز خوشه­ای) است. یکی از متداول­ترین روش­های آماری آنالیز خوشه­ای است. آنالیز خوشه­ای به روش‌های متنوعی ذیل صورت می‌گیرد:

 Q-mode hierarchical cluster analysis (HCA)

K-means clustering (KMC)

 Fuzzy Partitionnig (FP)

 این روش‌ها می‌تواند برای بررسی داده‌های کیفیت آب مورد استفاده قرار ‌گیرند و تعیین کنند که آیا می‌توان نمونه‌ها را به گروه‌های متمایزی که از لحاظ زمین‌شناسی و آماری معنی دار باشند، تقسیم بندی کرد [6]. اغلب روش‌های گرافیکی مورد استفاده، محدودیت تعداد نمونه و پارامتر (T, PH, & …) را دارند. از طرفی هیچ یک از روش‌های گرافیکی قدرت تمایز بین گروه‌ها و آزمایش میزان شباهت در بین گروه‌ها را ندارند. برخلاف روش­های گرافیکی روش‌های آماری قابلیت استفاده از تمامی پارامترها را دارند. محدودیتی که روش‌های آنالیز خوشه‌ای (اغلب روش‌های آماری) نسبت به روش‌های گرافیکی دارند این است که اطلاعاتی راجع به ترکیب شیمیائی نمونه‌ها در هر گروه ارائه نمی‌کنند اگر چه آنالیز خوشه ای روشی بسیار کارآمد در طبقه بندی نمونه بر اساس شباهات فیزیکی و شیمیائی است ولی نتایج آن­را نمی‌توان به سرعت در تفسیر روند و مشکلات مربوط به فرایندهای هیدروشیمیائی به کار برد. ترکیب دو روش فوق باعث می‌شود که مزایای هر روش باقی بماند و محدودیت‌های هر روش حداقل شود [6].

 

 

 

تقسیم بندی فازی

منطق فازی در سال 1965 توسط پروفسور لطفی عسگری زاده، استاد ایرانی الاصل دانشگاه برکلی کالیفرنیا بنیان نهاده شد. امروزه از منطق فازی در شاخه های مختلف علوم مهندسی و پایه استفاده می شود. علم زمین شناسی نیز به نوبه خود در حل برخی مسائل مبهم و پیچیده از منطق فازی بهره می برد.

 منطق فازی (Fuzzy logic)  براساس مجموعه های فازی تعریف می شود که در آن مجموعه ها حد و مرز معینی ندارند. اما در منطق صریح(Crisp logic)  یا منطق صفر و یک برخلاف منطق فازی، مجموعه داری مرز معین می باشند. به عبارت دیگر مرز مجموعه های فازی صلب نبوده و الاستیک می باشد. منطق فازی به این نکته تاکید دارد که بسیاری از پارامترهایی که در عالم واقع یا آنها سروکار داریم دقیقاً تعریف نشده­اند. منطق فازی استدلالی ارائه می دهد که بوسیله آن می توان دانش کیفی را به مجموعه قوانین کمی و دقیق تبدیل کرد. یکی از اساسی ترین مفاهیم در منطق فازی تابع عضویت است که برای هر عضو مجموعه یک مقدار عضویت می­دهد. درجه عضویت صفر مشخص کننده آن است عضو هیچ تعلقی به مجموعه مورد نظر ندارد و درجه عضویت یک مبین آن است که تعلق عضو به آن مجموعه 100% است. بنابراین مقدار عضویت در مجموعه های غیرفازی صفر یا یک است. اما مقدار عضویت در مجموعه های فازی عددی در فاصله[1و0] است[4] .

 

نمونه آب چاه‌های عمیق با استفاده از نرم افزار SPLUSS2000 و روش Fuzzy partioning رده‌بندی و برای سنجش تشابه نمونه­ها از روش فاصله اقلیدسی استفاده شد. پارامترهای مورد استفاده برای تقسیم بندی گروه‌ها، یون‌های اصلی و مجموع املاح (کلیه پارامترها بر حسب میلیگرم در لیتر) می‌باشد. در روشFP  برخلاف روش HCA انتخاب تعداد گروه­‌ها به صورت دستی صورت می‌گیرد و تعداد گروه­ها در این روش باید از قبل مشخص شود تعیین تعداد گروه‌ها به مقیاس مطالعات، ترکیب شیمیائی نمونه­ها و ضرائب همبستگی بین متغیرها بستگی دارد. در اینجا به منظور مقایسه نتایج تقسیم بندی فازی FP با آنالیز خوشه­ای سلسله مراتبی HCA تعداد گروه­ها با توجه دندروگرام به دست آمده از روش HCA صورت گرفته است [3] و نمونه­ها به چهار گروه تقسیم شد.

در شکل 2ضریب عضویت (Membership coefficients) هریک از نمونه‌ها به هریک از گروه‌ها بر اساس تقسیم بندی به روشFP ارائه شده است. در این جدول هر نمونه به گروهی تعلق می‌گیرد که بیشترین ضریب عضویت را دارد، به عنوان مثال نمونه [P336, 83/02] 37% به گروه یک، 5/39% به گروه دو، 15% درصد به گروه سه و5/8% به گروه چهار تعلق دارد. چون این نمونه در گروه دو دارای بیشترین ضریب عضویت می‌باشد به این گروه تعلق دارد، و همچنین این نمونه با نسبتی تقریباً مشابه عضو گروه یک است. در شکل 3 نمونه‌ها بر اساس بالاترین ضریب عضویت به گروه­‌های مربوطه اختصاص داده شده‌اند.

به منظور مقایسه نتایج گروه­بندی FP با HCA ، چهار گروه به دست آمده از هر دو روش با یکدیگر مقایسه شد. در هر دو روش متوسط ترکیب شیمیایی هر گروه با استفاده از میانگین ترکیب شیمیایی اعضاء آن به دست آمد   که  در شکل 4 نشان داده شده است. برای مقایسه ترکیب شیمیائی هریک از گروه‌ها بر اساس میانگین ترکیب شیمیائی گروه­ها، دیاگرام‌های گرافیکی استیف، شولر و پایپر تهیه شد. با توجه به شکل 4 روند تغییرات نسبی غلظت و رخساره بین گروه­ها شناسائی شد که در زیر نشان داده شده است.

4®3®2®1 روند افزایش مجموع املاح

4®3®2®1 روند افزایش نسبت یون کلر به دیگر کاتیونها و سدیم به دیگر آنیونها

گروه اول در هردو روش هم از لحاظ اعضاء و هم از لحاظ ترکیب شیمیایی مشابه می­باشد ولی به سمت گروه چهار به صورت تدریجی تغییرات بین اعضا و ترکیب شیمیایی گروه­ها بیشتر می­شود.  در شکل 5 پراکندگی مکانی گروه­های هیدروشیمیایی به هردو روش نشان داده­ شده است. گروه یک  که دارای کیفیت مناسب­تری است اغلب در نقاطی مشاهده می­شود که تراوایی رسوبات محیط غیراشباع (ماسه­های جورشده) قابل توجه  و نفوذ سطحی بالا است. گروه چهار نیز که بدترین کیفیت را دارد اغلب در حاشیه آبراهه­ فصلی هدام  در نزدیکی روستـای ام­السرجینه دیده می­شود. شوری منابع آب در این  منطقه بیشتر تحت تاثیر جنس مارنی رسوبات  است. گروه  دو و سه نیز اغلب در چاه­های مجاور رودخانه گرگر، جنوب  دشت زویرچری و اراضی خصفه مشاهده می­شود.

هرچند  که در این مطالعه اختلاف بین گروه­ها در روش HCA متمایزتر می­باشد، ولی در روش FP تعداد اعضا گروه­ها مشابه­تر و پراکندگی مکانی آنها همگن­تر است. بدیهی است که هرچه نمونه­های یک گروه از لحاظ مکانی به یکدیگر نزدیک­تر باشند شناسایی محیط­های همگن  و تفسیر محیط هیدروژئولوژیکی راحت­تر است.

 

نتیجه­گیری

منطق فازی می تواند به عنوان ابزاری قدرتمند و کارا در خوشه بندی نمونه کیفی مورد استفاده قرار گیرد. نتایج نشان می­دهد که منطق فازی در تقسیم بندی نمونه کیفی به خوبی عمل کرده است. مقایسه نتایج به دست آمده از هر دو روش در این مطالعه موردی نشان می­دهد که روش FP از لحاظ یکنواختی تعداد اعضا در بین گروه­ها و از لحاظ پیوستگی مکانی در بین اعضای یک گروه بهتر از روش HCA است و درروش FP به دلیل انعطاف پذیر بودن در مواردی گروه­ها همپوشانی دارند نمونه­های که در مرز گروه­ها قرار می­گیرند قابل شناسائی است.

 

تشکر و قدردانی

از مدیریت محترم سازمان آب و برق خوزستان، مدیر کل محترم امور آب و مدیریت محترم مطالعات پایه منابع آب که هزینه انجام این پروژه را تامین نموده اند، سپاسگزاری می شود.

 

منابع

 

1.        رحیمی، م. ح کلانتری، ن. ، 1382، بررسی کیفیت شیمیائی دشت‌های زویرچری و خِران، بیست ودومین همایش علوم زمین.

2.        رحیمی، م. ح.،1383، بررسی هیدروژئولوژیکی دشت­های زویرچری و خران (ملاثانی،اهواز)، پایان نامه کارشناسی ارشد دانشگاه شهید چمران اهواز.

3.        رحیمی، م. ح. ،کلانتری، ن. و مزارعی، ف.، 1384، استفاده از روش­های آماری در تعیین چاه­های پایش هیدروشیمیائی، نهمین همایش انجمن زمین شناسی. تهران.

4.        کاسکو، ب. 1377، تفکر فازی، ترجمه­ی غفاری، ع.، مقصودپور، ع.، پور ممتاز، ع. وقسیمی، ع.، دانشگاه خواجه نصیرالدین طوسی،343 ص.

 

 

 

 

 

5.        Derher, T. 2003. Comment on Guler C, Thyne GD, McCray JE, Turner AK (2002): Evaluation of graphical and multivariate statistical methods for classification of water chemistry data (Hydrogeology Journal 10:455–474). Hydrogeology Journal 11:605–606

6.        Guler, C. , Thyne, G. D. , McCray, J. E. and Turner, A. K. , 2002 “Evaluation of graphical and multivariate statistical methods for classification of water chemistry data”, Hydrogeology journal 10, 455-474.

7.        Guler, C. , Thyne, G. D. , McCray, J. E. and Turner, A. K. , 2004 “Hydrologic and geologic FPctors controlling surFPce and groundwater chemistry in Indian Wells-Owens Valley area, southeastern California, USA”, Journal of Hydrology 285 (2004) 177–198

 

کلید واژه ها: سایر موارد