ارزیابی کیفی آب‌های زیرزمینی استان مازندران با استفاده شاخص WQI و خوشه‌بندی فازی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 فارغ‌التحصیل کارشناسی ارشد، رشته مهندسی طراحی سازه‌های آبی، گروه مهندسی آب، دانشکده آب و خاک، دانشگاه زابل، زابل، ایران.

2 دانشیار، گروه مهندسی آب، دانشکده آب و خاک، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران.

3 دانشیار، گروه مهندسی آب، دانشکده آب و خاک، دانشگاه زابل، زابل، ایران.

4 استادیار، گروه مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه تربت حیدریه، تربت حیدریه، ایران.

چکیده

به‌دلیل کمبود بارندگی در مناطق خشک و نیمه‌خشک همچون کشور ایران و در نتیجه محدود بودن منابع آب‌های سطحی در این مناطق، مصرف آب در بخش کشاورزی، صنعت و شرب بشدت به آب زیرزمینی متکی است. لذا مدیریت و ارزیابی کیفیت این منابع بیش از پیش اهمیت پیدا می‌کند. هدف از این تحقیق بررسی قابلیت مدل‌های FCM  بر روی شاخص‌های کیفی جهت خوشه‌بندی و شناسایی مناطق همگن از لحاظ کیفیت آب زیرزمینی استان مازندران است. در این تحقیق از داده‌های اندازه‌گیری شده 14 پارامتر کیفی آب با نمونه‌گیری از چاه‌های عمیق و نیمه عمیق در سال‌های 1390 و 1395 در دو دوره‌ی کم‌آبی و دوره پرآبی استفاده شده است. بنابراین ماتریسی که شامل تعداد چاه‌ها و پارامترهای کیفیت مورد ارزیابی می‌باشد به‌عنوان ورودی به الگوریتم تحلیل خوشه‌ای FCM معرفی می‌شود. همچنین برای بهینه‌سازی تعداد خوشه‌ها از الگوریتم چند جهانی MVO استفاده می‌شود. درنهایت برای ارزیابی کیفیت آب مناطق همگن‌بندی شده ازلحاظ شرب از شاخص WQI و برای کشاورزی از نمودار ویلکاکس استفاده می‌شود. نتایج حاصل از الگوریتم FCM نشان می‌دهد که تعداد بهینه خوشه‌ها در دو دوره سال 1390-1391 به‌ترتیب 12 و 2 و همچنین 64 درصد خوشه‌ها در دوره پرآبی و 89 درصد در دوره کم‌آبی در محدوده عالی بوده است و در دو دوره پرآبی و کم‌آبی سال 1395-1396 به‌ترتیب 2 و 2 و همچنین صد درصد خوشه‌ها در دوره پرآبی در محدوده عالی و در دوره کم‌آبی 21 در صد در محدوده عالی قرار دارد. همچنین مناطق نوشهر، نکا و بهشهر، بندر گز از نظر شرب در محدوده خیلی ضعیف بوده است. همچنین با توجه به پهنه‌بندی مناطق براساس دوره‌های کم‌آبی و پرآبی می‌توان نتیجه گرفت که کیفیت آب از نظر شرب در هر دو دوره‌ سال 1395-1396 نسبت به 1390-1391 مناسب‌تر بوده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Qualitative assessment of groundwater in Mazandaran province using WQI index and fuzzy clustering

نویسندگان [English]

  • Bahareh Nazari 1
  • Mohammadrezapour Omolbani 2
  • Parviz Haghighat Jou 3
  • Mhammad Javad Zeynali 4
1 M.Sc. Graduate, Hydraulic Structures Design Engineering, Department of Water Engineering, University of Zabol. Zabol, Iran.
2 Associate Professor, Department of Water Engineering, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, Iran.
3 Associate Professor, Department of Water Engineering, University of Zzabol. Zabol. Iran.
4 Assistant Professor, Department of Water Engineering, University of Torbat Heydarieh, Torbat-e Heydarieh, Iran.
چکیده [English]

Due to lack of rainfall in arid and semi-arid regions such as Iran and as a result of limited surface water resources in these areas, water consumption in agriculture, industry and drinking water relies heavily on groundwater. Therefore, managing and evaluating the quality of these resources is becoming more and more important. The purpose of this study is to investigate the capability of FCM models on quality indicators for clustering and identification of homogeneous areas in terms of groundwater quality in Mazandaran province. In this research, the measured data of 14 water quality parameters have been used by sampling from deep and semi-deep wells in 2012 and 2017 in two periods of water shortage and high-water period. Therefore, the matrix that includes the number of wells and quality parameters to be evaluated is introduced as input to the FCM cluster analysis algorithm. The multi-global MVO algorithm is also used to optimize the number of clusters. Finally, the WQI index is used to assess the water quality of homogenized areas in terms of drinking and the Wilcox diagram is used for agriculture. The results of FCM algorithm show that the optimal number of clusters in the two periods of 2012-2013 were 12 and 2, respectively, and also 64% of the clusters in the period of high water and 89% in the period of water shortage were in the excellent range. Water shortage in 2016-2017 is 2 and 2, respectively, and also 100% of the clusters are in the excellent range in the period of high water and 21% in the period of water shortage. Also, the areas of Nowshahr, Neka and Behshahr, Bandar Gaz have been very poor in terms of drinking. Also, according to the zoning of regions based on periods of water shortage and waterlogging, it can be concluded that water quality in terms of drinking in both periods of 2016-2017 compared to 2012-2013 has been more appropriate.

کلیدواژه‌ها [English]

  • C-means algorithm
  • Fuzzy clustering
  • Groundwater quality
  • Mazandaran province
  • MVO algorithm

مراجع

اصغری مقدم، ا.، جوانمرد، ز.، ودیعتی، م.، نجیب، م.، 1394. ارزیابی کیفیت منابع آب زیرزمینی دشت مهربان با استفاده از روش‌های GQI و FGQI. مجله هیدروژئومورفولوژی، 1(2):۷۹ – ۹۸.
اعلمی، م.، نورانی، و.، دانشور وثوقی، ف.، 1395. استفاده از خوشه‌بندی مکانی برای پیش‌بینی پارامترهای کیفی آب زیرزمینی با مدل انفیس. مجله آب و فاضلاب، 5: 13-29.
جهانشاهی، ا.، روحی مقدم، ع. ا.، دهواری، ع. 1392. ارزیابی پارامترهای کیفی آب زیرزمینی با استفاده از GIS و زمین آمار (مطالعه موردی: آبخوان دشت شهر بابک). نشریه آب و خاک. 3: 183-197.
حسنی پاک، ع. ا. 1380. تحلیل داده‌های اکتشافی، انتشارات دانشگاه تهران. 2536.
حسنی، ق.، محوی، ا. ح.، ناصری، س.، عربعلی بیک، ح.، یونسیان، م.، قریبی، ح. 1390. طراحی شاخص کیفی آب‌های زیرزمینی با استفاده از منطق فازی. مجله سلامت و بهداشت اردبیل. 3(1):18-31.
خاشعی سیوکی، ع.، قهرمان، ب. کوچک‌زاده، م. 1390. ارزیابی پتانسیل استحصال آب از آبخوان با روش فرآیند تحلیل سلسله مراتبی فازی (مطالعه موردی: دشت نیشابور). مجله پژوهش آب ایران. 5(9): 171-180.
خسروی، ح.، مرادی، ا. دارابی، ح. 1394. شناسایی مناطق همگن از نظر کیفیت آب زیرزمینی با استفاده از تحلیل عاملی و خوشه‌ای. (مطالعه موردی: دشت قیر استان فارس). فصلنامه علمی پژوهشی مهندسی آبیاری و آب. 7:18-21.
سامانی، س.، کلانتری، ن.، رحیمی، م. 1390. استفاده از روش آماری تحلیل خوشه‌ای جهت ارزیابی کیفی آب زیرزمینی دشت اوان. مجله مهندسی منابع آب. 4: 75-87.
سراوانی، ز.، محمدرضاپور، ا.، سیاسر، هـ . 1402. پیش‌بینی پارامترهای کیفی آب‌های زیرزمینی استان گلستان با مدل‌های هوش‌مصنوعی. هیدروژئولوژی. 8(2): 15-28.
سرائی تبریزی، م.، جمعدار، م.، یوسفی، ح. 1403. ارزیابی کیفیت آب زیرزمینی آبخوان هشتگرد با استفاده از روش فازی. هیدروژئولوژی. 9(1): 16-27.
شمعانان، غ.، رقیمی، م.، یخکشی، ا.، احمدی، م. 1384 .هیدروشیمی مابع آب زیرزمینی در حوزه آبریز گرگانرود-قره سو استان گلستان. نهمین همایش انجمن زمین شناسی ایران. 5 مهر 1395، تهران
صالحی، ح.، حقی زاده، ع. 1394. ارزیابی و پهنه‌بندی کیفیت آب‌های زیرزمینی با استفاده از تلفیق مدل AqQA و سیستم اطلاعات جغرافیایی (مطالعه موردی: دشت کامیاران). نشریه علمی-ترویجی مهندسی نقشه‌برداری و اطلاعات مکانی. 7: 65-76.
صمدی، ر.، بهمنش، ج.، رضایی، ح. 1393. ارزیابی پتانسی کیفی منابع آب زیرزمینی جهت مصارف آب شرب با استفاده از مدل تحلیل سلسله مراتبی و تکنیک سیستم اطلاعات جغرافیایی (مطالعه موردی: دشت ارومیه). علوم ومهندسی آبیاری (مجله علمی کشاورزی). 3: 117-128.
عسگری، ق.، رماوندی، ب.، طرلانی آذر، م.، فدایی نوبندگانی، ا.، بریزی، ز. 1394. بررسی کیفیت شیمیایی و شاخص‌های خورندگی و رسوب‌گذاری شبکه آب آشامیدنی شهر بوشهر. مجله طب جنوب. ۱۸(2):361-353.
علیمرادی، ه.، روحی مقدم، ع.ا.، خالقی، م.، بامری، ا. 1401. پیش‌بینی و پهنه‌بندی کیفیت آب زیرزمینی با استفاده از مدل‌های سیستم اطلاعات جغرافیایی (GIS) و روش‌های یادگیری ماشین‌ (مطالعه موردی: دشت زاهدان). هیدروژئولوژی. 7(2): 43-60.
کرد، م.، اصغری مقدم، ا.، نخعی، م. 1393. مدل‌سازی کمی توزیع نیترات در آبخوان دشت اردبیل با استفاده از منطق فازی. محیط شناسی. 10: 67-79.
مسعودی، ر.، زهتابیان، غ.، احمدی، ح.، ملکیان، ا. 1394. ارزیابی روند تغییرات کمی و کیفی آب زیرزمینی دشت کاشان. مجله مدیریت بیابان ، 3(5):80-68.
میرعمادی، ر.، شیرگاهی، ح.، رحمتی، م. 1394. ارزیابی تغییرات سطح آب زیرزمینی در یک فصل زراعی در استان مازندران با استفاده از ArcGIS سومین همایش سراسری کشاورزی و منابع طبیعی پایدار. 26 خرداد 1394، تهران.
نخعی، م.، تلخابی، م.، ودیعتی، م. 1395. برتری روش خوشه‌بندی C-میانگین فازی در بیان توزیع رخساره‌های هیدروشیمی آب زیرزمینی دشت ورامین. فصلنامه زمین شناسی ایران. 38: 71-82.
نصرآبادی، ت.، عباسی، م.، پویان، ح. 1392. بررسی کیفیت آب زیرزمینی شهر تهران با استفاده از شاخص کیفی سازمان بهداشت جهانی. مجله انسان و محیط زیست. 11(3):1-12.
Abdul Hameed M Jawad, A., Haider S, A. and Bahram K, M., 2010. Application of water quality index for assessment of Dokan lake ecosystem, Kurdistan region, Iraq. Journal of Water Resource and protection, 2010.
A'lami, M., Norani, V. and Daneshvar Vosoughi, F., 2016. Application of spatial clustering for predicting groundwater quality parameters using the ANFIS model. Journal of Water and Wastewater, 5:13-29. [In Persian]
Alimoradi, H., Ruhi Moghaddam, A.E., Khaleghi, M. and Bamri, A., 2022. Prediction and zoning of groundwater quality using Geographic Information System (GIS) models and machine learning methods (Case study: Zahedan Plain). Hydrogeology, 7(2):43-60. [In Persian]
Amangabara, G.T. and Ejenma, E., 2012. Groundwater quality assessment of Yenagoa and environs Bayelsa State, Nigeria between 2010 and 2011. Resources and environment, 2(2):20-29.
Asgari, Gh., Ramavandi, B., Tarlani Azar, M., Fadaei Nobandegani, A. and Birizi, Z., 2015. Investigation of chemical quality and corrosion and scaling indices of drinking water network in Bushehr city. South Medical Journal, 18(2):353-361. [In Persian]
Asghari Moghaddam, A., Javanmard, Z., Vadi'ati, M. and Najib, M., 2015. Evaluation of groundwater quality in Mehran Plain using GQI and FGQI methods. Journal of Hydrogeomorphology, 1(2):79-98. [In Persian]
Bezdek, J.C., Ehrlich, R. and Full, W., 1984. FCM: The fuzzy c-means clustering algorithm. Computers & geosciences, 10(2-3):191-203.
Caniani, D., Lioi, D.S., Mancini, I.M. and Masi, S., 2015. Hierarchical classification of groundwater pollution risk of contaminated sites using fuzzy logic: a case study in the Basilicata Region (Italy). Water, 7(5):2013-2036.
Güler, C., Kurt, M.A., Alpaslan, M. and Akbulut, C., 2012. Assessment of the impact of anthropogenic activities on the groundwater hydrology and chemistry in Tarsus coastal plain (Mersin, SE Turkey) using fuzzy clustering, multivariate statistics and GIS techniques. Journal of Hydrology, 414:435-451.
Hassani Pak, A.E., 2001. Exploratory Data Analysis. University of Tehran Press. 2536. [In Persian]
Hassani, Gh., Mahvi, A.H., Naseri, S., Arabalibeik, H., Younesian, M. and Ghoreibi, H., 2011. Design of groundwater quality index using fuzzy logic. Journal of Health and Hygiene Ardabil, 3(1):18-31. [In Persian]
Jahanshahi, A., Ruhi Moghaddam, A.E. and Dehwari, A., 2013. Assessment of groundwater quality parameters using GIS and geostatistics (Case study: Shahrebabak Plain aquifer). Journal of Water and Soil, 3:183-197. [In Persian]
Khashei Siuki, A., Ghahreman, B. and Kouchakzadeh, M., 2011. Evaluation of water extraction potential from aquifer using fuzzy analytic hierarchy process (Case study: Neyshabur Plain). Iranian Journal of Water Research, 5(9):171-180. [In Persian]
Khosravi, H., Moradi, A. and Darabi, H., 2015. Identification of homogeneous zones in terms of groundwater quality using factor analysis and cluster analysis (Case study: Qir Plain, Fars Province). Scientific-Research Quarterly of Irrigation and Water Engineering, 7:18-21. [In Persian]
Kord, M., Asghari Moghaddam, A. and Nakhaei, M., 2014. Quantitative modeling of nitrate distribution in Ardabil Plain aquifer using fuzzy logic. Environmental Sciences, 10:67-79. [In Persian]
Peng, K., Li, X. and Wang, Z., 2015. Hydrochemical characteristics of groundwater movement and evolution in the Xinli deposit of the Sanshandao gold mine using FCM and PCA methods. Environmental Earth Sciences, 73(12):7873-7888.
Mirjalili, S., Mirjalili, S.M. and Hatamlou, A., 2016. Multi-verse optimizer: a nature-inspired algorithm for global optimization. Neural computing and applications, 27(2):495-513.
Nadiri, A.A., Chitsazan, N., Tsai, F.T.C. and Moghaddam, A.A., 2014. Bayesian artificial intelligence model averaging for hydraulic conductivity estimation. Journal of Hydrologic Engineering, 19(3):520-532.
Oorkavalan, G., Chidambaram, S.M., Mariappan, V., Kandaswamy, G. and Natarajan, S., 2016. RETRACTED: Cluster analysis to assess groundwater quality in Erode District, Tamil Nadu, India. Circuits and Systems, 7(6):877-890.
Parham, H., Jafarzadeh, N., Dehghan, S. And Kian, E.F., 2007. Changing In Nitrogen and Phosphorous Concentration and Some Physicochemical Parameters to Budget Determination of Karkheh Reservoir. Shahid Chamran University Journal of Science,new series. 117-25.
Pourjabbar, A., Sârbu, C., Kostarelos, K., Einax, J.W. and Büchel, G., 2014. Fuzzy hierarchical cross-clustering of data from abandoned mine site contaminated with heavy metals. Computers & Geosciences. 72:122-133.
Ramakrishnaiah, C.R., Sadashivaiah, C. and Ranganna, G., 2009. Assessment of water quality index for the groundwater in Tumkur Taluk, Karnataka State, India. Journal of Chemistry, 6(2):523-530.
Salehi, H. and Haghizadeh, A., 2015. Evaluation and zoning of groundwater quality using integration of AqQA model and Geographic Information System (Case study: Kamyaran Plain). Scientific-Promotional Journal of Surveying Engineering and Spatial Information, 7:65-76. [In Persian]
Samadi, R., Bahmanesh, J. and Rezaei, H., 2014. Quality potential assessment of groundwater resources for drinking water using analytic hierarchy process model and GIS technique (Case study: Urmia Plain). Irrigation Sciences and Engineering (Scientific Journal of Agriculture), 3:117-128.  [In Persian]
Samani, S., Kalantari, N. and Rahimi, M., 2011. Using cluster analysis statistical method for qualitative assessment of groundwater in Avan Plain. Journal of Water Resources Engineering, 4:75-87. [In Persian]
Saravani, Z., Mohammadrezapour, O. and Siasar, H., 2023. Prediction of groundwater quality parameters in Golestan Province using artificial intelligence models. Hydrogeology, 8(2):15-28. [In Persian]
Shamanan, Gh., Roghimi, M., Yakhkeshi, A. and Ahmadi, M., 2005. Hydrochemistry of groundwater resources in Gorganrud-Gharehsou catchment area, Golestan Province. 9th Symposium of the Iranian Geological Society, October 27, 2016, Tehran. [In Persian]
Siraei Tabrizi, M., Jamadar, M. and Yousefi, H., 2024. Evaluation of groundwater quality in Hashtgerd aquifer using fuzzy method. Hydrogeology, 9(1):16-27. [In Persian]
Sivasankar, V., Kameswari, M., Msagati, T.A.M., Venkarapathy, M. and Senthil Kumar, M., 2013. Fuzzy set approach—a tool to cluster Holy samples of groundwater quality parameters at Rameswaram South India. Journal of Water Resources and Ocean Science, 2(3):33-39.
Masoudi, R., Zehtabian, Gh., Ahmadi, H. and Malekian, A., 2015. Evaluation of quantitative and qualitative changes trend of groundwater in Kashan Plain. Desert Management Journal, 3(5):68-80. [In Persian]
Miramadi, R., Shirgahi, H. and Rahmati, M., 2015. Evaluation of groundwater level changes in a cropping season in Mazandaran Province using ArcGIS. 3rd National Conference on Sustainable Agriculture and Natural Resources, June 16, 2015, Tehran. [In Persian]
Nakhaei, M., Talkhabi, M. and Vadi'ati, M., 2016. Superiority of fuzzy C-means clustering method in expressing distribution of hydrochemical facies of groundwater in Varamin Plain. Quarterly Journal of Iran Geology, 38:71-82. [In Persian]
Nasrabadi, T., Abbasi, M. and Pouyan, H., 2013. Investigation of groundwater quality in Tehran city using WHO quality index. Journal of Human and Environment, 11(3):1-12.[In Persian]
Tiwari, T.N. and Mishra, M.A., 1985. A preliminary assignment of water quality index of major Indian rivers. Indian J Environ Prot, 5(4):276-279.
Tutmez, B., Hatipoglu, Z. and Kaymak, U., 2006. Modelling electrical conductivity of groundwater using an adaptive neuro-fuzzy inference system. Computers & geosciences, 32(4):421-433.
Zadeh, L.A., 1965. Fuzzy sets. Info rmation and control, 8(3):338-353.
هیدروژئولوژی
دوره 10، شماره 1
شهریور 1404
صفحه 151-164

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار