شناسایی مناطق بحرانی کیفیت آبهای زیرزمینی استان گلستان با استفاده از روش خوشه‌بندی فازی

سابقه و هدف: یکی از مهمترین بحرانهایی که اغلب کشورها در حال حاضر با آن روبرو هستند، مساله کاهش کیفیت منابع آبی می ‏باشد. کاهش ذخایر آب‌های زیرزمینی و افزایش آلودگی‌ها، پتانسیل استفاده از آب‌های زیرزمینی برای مصارف مختلف را به میزان قابل ‏توجهی کاهش داده است. یکی از علل اصلی افت کیفیت آبهای زیرزمینی عبارتند از نفوذ زه آب‌های کشاورزی ناشی از مصرف بی رویه ‏کود و سموم کشاورزی می باشد. همچنین صنایع که در بسیاری موارد آب‌های زیرزمینی را با آلاینده‌های شیمیائی و هیدروکربنی آلوده ‏نموده‌اند. علاوه براین عوامل، دفع فاضلاب‌ها در شهرها و روستاها از طریق چاه‌های جاذب که از انواع ویروس‌ها و باکتری‌ها تشکیل ‏شده‌اند نیز از اعوامل ایجاد آلودگی هستند برنامه پایش کیفیت منابع آب زیرزمینی می‌تواند کیفیت مناسب منابع آب برای کاربری‌های ‏مختلف را تضمین کند. بدون پایش اطلاع مستمر از کیفیت منبع آب، روند تغییرات آن، برنامه ریزی برای تخصیص بهینه برای کاربری‌های ‏گوناگون، ارزیابی اثر توسعه‌های جدید و طراحی و اجرای برنامه‌های مدیریتی امکان پذیر نمی‌باشد لذا در این تحقیق همگن بندی کیفی ‏آبهای زیرزمینی به منطور شناسایی مناطق بحرانی در استان گلستان واقع در شمال کشور ایران با استفاده ترکیب خوشه‌بندی فازی با ‏الگوریتم ژنتیک، بر روی 14 پارامترکیفی‎ ‎در سالهای 1385، 1390 و 1395 بصورت گام زمانی 5 ساله صورت گرفت.‏مواد و روشها: در این تحقیق جهت تعیین مناطق همگن برای هر سال ابتدا تعداد بهینه خوشه‌ها با استفاده از الگوریتم ژنتیک که در ‏نرم افزار متلب برنامه نویسی شده است، بدست آمد. بعد از خوشه‌بندی داده‌های کیفی، مقادیر مراکز خوشه ها از نظر کیفی با دیاگرام شولر ‏و ویلکاکس بررسی و مقایسه گردید و برای نمایش بهتر مناطق همگن ازنظر کیفیت آبهای زیرزمینی، نقشه های کلاس بندی در نرم افزار ‏gis‏ برای منطقه تهیه و برای مطالعه ارائه شده است.‏یافته ها: نتایج نشان داد که تعداد بهینه خوشه ها در سالهای 1385، 1390 و 1395 به ترتیب 6، 5 و 6 بوده است. بررسی نقشه های ‏کلاس بندی کیفیت آب زیرزمینی نشان داد که در سال 1385، خوشه شماره 6 که 2.7 % از چاههای مورد مطالعه را شامل می شود در ‏وضعیت نامناسبی از نظر کیفیت آب زیرزمینی از نظر شرب و کشاورزی قرار دارند که این چاهها در محدوده شهرکلاله قرار دارند. ‏همچنین در سال 1390 بر اساس نتایج می توان دریافت که 36.8 درصد چاههای استان در وضعیت خوبی از نظر کیفیت پارامترهای شرب ‏و کشاورزی قرار دارند که این چاهها تقریبا در بیشتر نقاط استان وجود دارند. و 33.33 % از چاهها در وضیت متوسط از نظر کیفیت شرب ‏قرار دارند. همچنین نتایج خوشه‌بندی فازی ‏‎(fcm)‎‏ در سال 1395 نشان داد که اکثر پارامترها در خوشه 3 دارای کیفیت متوسط هستند که ‏تقریبا 5.55 درصد از چاههای استان را شامل می شوند.‏نتیجه گیری: بررسی نتایج نشان داد که وضعیت کیفیت آبهای زیرزمینی استان در سال 1385 نا مناسب بوده و در سال 1390 از وضعیت ‏مناسب تری برخوردار بوده است. ولی سال 1395 نسبت به سال 90 شاهد کاهش افت کیفیت بوده ایم لذا باید برنامه های مدیریتی مناسب ‏اتخاذ گردد. همچنین مشاهده شد که روش خوشه بندی فازی به دلیل درنظر گرفتن شرایط عدم قطعیت در تایین کلاس های سیستم طبقه ‏بندی روش مناسبی برای بررسی کیفیت و شناسایی مناطق بحرانی منابع آب زیرزمینی می باشد. ‏

Identification of critical areas of groundwater quality in Golestan province using fuzzy clustering method

Background and Objectives: One of the most important crises that most countries are currently ‎facing is the issue of reducing the quality of water resources. Reducing groundwater resources and ‎increasing pollution, reduced the potential for using groundwater for various uses. One of the main ‎reasons for the decline in groundwater quality is the impact of agricultural drainage due to the ‎excessive use of fertilizers and pesticides. Also, industries that in many cases have contaminated ‎groundwater with chemical and hydrocarbon contaminants.‎‏ ‏In addition to these factors, the disposal ‎of sewage in cities and villages through absorbent wells made up of viruses and bacteria also ‎contributes to contaminants‏.‏‎ Groundwater quality monitoring program can ensure the proper quality ‎of water resources for different uses‏.‏‎ Without monitoring, continuous reporting on the quality of ‎the water supply, its evolution, planning for optimal allocation for different uses, assessing the ‎impact of new developments, and designing and implementing management plans is not feasible.‎‏ ‏Identification of homogeneous regions in terms of groundwater quality in Golestan province of ‎northern Iran using Fuzzy Clustering Method combination with genetic algorithm (GAFCM) was ‎performed on 14 parameters in a 5 year time step in 2006, 2011 and 2016.‎Material and Methods: To determine the homogeneous regions for each year, the optimal number ‎of clusters was initially obtained. After data clustering in Matlab software, the results of clustering ‎were evaluated qualitatively with Schuler and Wilcox diagrams. For better representation of ‎homogeneous regions, classification maps for the study area were presented.‎Result and discussion: The results showed that the optimum numbers of clusters in 2006, 2011, ‎and 2016 were 6, 5, and 6, respectively. Analysis of groundwater quality classification maps ‎showed that in 2006, cluster no. 6, including 2.7% of the studied wells located within the city of ‎Kalaleh, is poor in terms of drinking and farming groundwater quality. Also, based on the results, it ‎can be seen that 36.8% of the wells across the province were in good condition in terms of quality ‎of drinking and agricultural parameters in 2011. Likewise, 33.33% of the wells are in a moderate ‎condition in terms of drinking quality, and the status of their groundwater has improved in terms of ‎quality since 2006. Also, the results of NSGA FCM in 2016 showed that most of the parameters ‎‎(5.55% of the wells in the province) in the cluster 3 have a moderate quality.‎Conclusion: The findings of this study showed that the groundwater quality in the province in ‎‎2016 is lower than in 2011, so appropriate management plans should be adopted. Moreover, it was ‎observed that the fuzzy clustering method is a suitable method for assessing and identification of ‎critical region of the quality of groundwater resources, since it considers the uncertainty conditions ‎in the classes of the classification system.‎