مقایسه دو رویکرد معکوس شبیه‌سازی-بهینه‌سازی و مدل جایگزین انتقال در شناسایی مشخصات منبع آلاینده سیستم‌های یکپارچه آبخوان-رودخانه

یکی از مهم‌ترین اقدامات در مدیریت کیفی منابع آب زیرزمینی و سطحی، شناسایی منابع آلوده‌کننده احتمالی و پایش مستمر آنهاست. ازآنجایی‌که نحوه ارتباط کمی و کیفی یک سیستم یکپارچه آبخوان-رودخانه و الگوی زمانی آلودگی رهاشده در منشا به‌سادگی قابل تشخیص نیست، نیاز به استفاده از روش‌های موثر شناسایی به صورت معکوس وجود دارد. در پژوهش حاضر، از رویکرد شبیه‌سازیبهینه‌سازی برای حل معکوس معادله انتقال آلودگی در یک سیستم یکپارچه به‌منظور شناسایی مشخصات منبع آلاینده رهاشده در آبخوان تا رسیدن به رودخانه مجاور و حرکت در طول مسیر جریان، تنها از روی اطلاعات غلظت زمان اندازه گیری شده در ایستگاه کنترل رودخانه برای اولین بار استفاده شده است. به دلیل تکرارهای زیاد الگوریتم بهینه‌سازی در این رویکرد که منجر به هزینه محاسباتی بسیار بالایی خواهد شد، یک مدل جایگزین شبیه‌سازی بر اساس تئوری تابع انتقال بکار برده شد. مقایسه مدل‌ها و ارزیابی مزایا و معایب هرکدام برای دو مثال صورت پذیرفت. در مثال اول یک سیستم آبخوانرودخانه فرضی و در مثال دوم به‌منظور لحاظ پیچیدگی بیشتر از ابعاد هندسی رودخانه کارون استفاده شد. نتایج حاکی از سرعت بیشتر مدل جایگزین پیشنهادی در بازیابی مشخصات منبع آلاینده حتی با استفاده از داده‌های مشاهداتی دارای خطا بوده است. یک‌بار اجرای مدل‌های شبیه‌سازی آلودگی در شرایط استفاده از مدل جایگزین انتقال تنها به 56.0 درصد زمان اجرای حاصل از یکپارچه‌سازی این مدل‌ها نیاز داشت که با توجه به تاثیر مستقیم آن در افزایش قابل‌توجه سرعت حل معکوس، استفاده از آن در سناریوهای واقعی مدیریتی و محیط زیستی که عموماً با محدودیت زمان مواجه است پیشنهاد می‌شود.

The Comparison of Inverse approaches Simulation-Optimization and Surrogate Transport Model for Pollution Source Characteristics Identification in Aquifer-River Integrated Systems

The identification of potential pollution sources and their continuous monitoring is one of the most important measures in the quality management of groundwater and surface water resources. Since the relation between these two systems and the injected pollution pattern at the source is not easily discernible, inverse methods are recommended. In this paper, the inverse solution of the ADE equation is conducted using the simulationoptimization approach to identify the characteristics of a pollution source that is released in a confined aquifer and reaches a river, then moves along the stream to a monitoring crosssection where it is detected. The proposed case studies were not investigated before. The inverse method combines the forward model and an optimization algorithm. To speed up the computation, the transfer function theory is applied to create a surrogate transport forward model. The two approaches are compared in terms of accuracy and speed of solution for two hypothetical cases (The second example, considering the geometric dimensions of the Karun River in Iran). The result show transfer function methodology used to create a surrogate transport model is convenient, very fast compared to other existing approaches, and more accurate in the reconstruction of source characteristics even in presence of noise on observations. Moreover, each application of the transfer function to surrogate the transport process requires only 0.56 percent of the computation time of the complete simulation model. So due to its effect on significantly increasing the reverse resolution speed, it can be used for real scenarios of pollutant transport problems that generally face time constraints.