مدل‌سازی جابجایی آلاینده‌های آب بر مبنای الگو فرارفت – انتشار - واکنش با کد پایتون
محورهای موضوعی : مهندسی آب و رودخانه
1 - هیات هلمی دانشگاه آزاد اراک
کلید واژه: هیدرولوژی, پایتون, مدل‌سازی فرارفت, انتشار, واکنش, آلاینده‌ها,
چکیده مقاله :
مقدمه: امنیت آب به طور فزاینده‌ای در سراسر جهان در خطر است. اثربخشی در مدیریت منابع آب، مقابله با آلودگی‌های زیست‌محیطی، و آماده‌سازی برای تغییرات آب‌و‌هوایی، به توانایی در پایش، مدل‌سازی و کاهش انواع مخاطرات آب بستگی دارد. تجزیه و تحلیل داده‌ها در بخش آب و محیط‌زیست، اکتشاف علمی، استفاده از فناوری و در نظر گرفتن پدیده‌های طبیعی را یکپارچه می‌کند. با این حال، تجزیه و تحلیل داده‌ها در بخش آب و محیط‌زیست بدون چالش نیست. این چالش‌ها مستلزم اصلاح مداوم روش‌ها و تکنیک‌ها، با تأکید بر ماهیت پویا و در حال تحول این رشته است.
مواد و روش‌ها: ابتدا پایتون به‌عنوان یکی از محبوب‌ترین زبان‌ها برای کاربرد در هیدرولوژی و محیط‌زیست توصیف می‌شود. سپس انواع داده‌های هیدرولوژیکی شامل داده مکانی، زمانی، ویژگی‌ها و داده نهایی یا خروجی مدل ارائه می‌شوند. در ادامه به مدل‌سازی داده‌های هیدرولوژیکی با استفاده از پایتون پرداخته می‌شود و مدل جابجایی آلاینده‌ها - مدل دو بعدی فرارفت – انتشار - واکنش به‌عنوان نمونه برنامه‌نویسی و اجرا می‌شود.
نتایج و بحث: نتایج نشان داد مدل واکنش - انتشار، افزایش مداوم مقدار غلظت را نشان می‌دهد که مقدار میانگین دارای شیب مثبت است و به سرعت تا حدود 3/0 افزایش می‌یابد. بزرگی‌ها در مدل فرارفت - واکنش، به وضوح بالاتر از مدل فرارفت تعمیم‌یافته – انتشار - واکنش است.
نتیجه‌گیری: در این مطالعه، یک مدل انتشار، فرارفت آلاینده نشان داده شد که در آن آلاینده‌ها تحت فرارفت، انتشار و واکنش قرار گرفتند. کدهای مدل فرارفت – انتشار - واکنش قابل اجرا می‌باشد. این فایل‌ها فرمت‌های فایل منبع باز هستند که می‌توانند بارگذاری شوند. این مدل با تغییراتی در سایر محیط‌های آبی در مکان‌ها، زمان‌ها و ویژگی‌های مختلف نیز قابل اجرا می‌باشد.
Introduction: Water security is increasingly at risk worldwide. Effectiveness in managing water resources, combating environmental pollution, and preparing for climate change depends on the ability to monitor, model, and mitigate a variety of water hazards. Data analysis in the water and environmental sector integrates scientific discovery, the use of technology, and consideration of natural phenomena. However, data analysis in the water and environmental sector is not without challenges. These challenges require continuous refinement of methods and techniques, emphasizing the dynamic and evolving nature of the field.
Materials and Methods: First, Python is described as one of the most popular languages for use in hydrology, environment, and climate. Then, types of hydrological data are presented, including spatial, temporal, attribute, and final or model output data. Next, hydrological data modeling is discussed using Python, and the pollutant transport model - two-dimensional advection - diffusion - reaction model is programmed and implemented as an example.
Results and Discussion: The results showed that the reaction-diffusion model shows a continuous increase in the concentration value, which has a positive slope and increases rapidly to about 0.3. The magnitudes in the advection-reaction model are clearly higher than those in the generalized advection-diffusion-reaction model.
Conclusion: In this study, a pollutant diffusion-advection model was demonstrated in which pollutants underwent advection, diffusion, and reaction. The advection-diffusion-reaction model codes are executable. These files are open source file formats that can be downloaded. This model can also be applied with modifications to other aquatic environments at different locations, times, and characteristics.
1- Guerrini F, Mari L, Casagrandi R. The dynamics of microplastics and associated contaminants: data-driven Lagrangian and Eulerian modelling approaches in the Mediterranean Sea. Science of the Total Environment. 2021 Jul 10;777:145944.
2- Radha R, Singh RK, Singh MK. Pollutant dispersion with an intermediate source in a semi-infinite aquifer. Modeling Earth Systems and Environment. 2024 Feb;10(1):1077-93.
3- Fardadi Shilsar, Mohammad Javad, Mazaheri, Mehdi, Mohammad Vali Samani, Jamal. (1400). 'Analytical solution of the pollution transfer equation with variable coefficients in a river using Laplace transform', Water and Irrigation Management, 11(4), pp. 683-698. doi: 10.22059/jwim.2021.329149.911
4- Hamdi, A. (2007). Identification of point sources in two-dimensional advection-diffusion-reaction equation: application to pollution sources in a river. Stationary case. Inverse Problems in Science and Engineering, 15(8), 855-870.
5-Ali, I., Haq, S., Nisar, K. S., & Arifeen, S. U. (2021). Numerical study of 1D and 2D advection-diffusion-reaction equations using Lucas and Fibonacci polynomials. Arabian Journal of Mathematics, 10(3), 513-526.
6- Fardadi Shilsar MJ, Mazaheri M, Mohammad Vali Samani J. Analytical solution of the pollution transport equation with variable coefficients in river using the Laplace Transform. Water and Irrigation Management. 2022 Jan 21;11(4):683-98.
7- Shaffer T, Chard K, Thain D. An empirical study of package dependencies and lifetimes in binder Python containers. In2021 IEEE 17th International Conference on eScience (eScience) 2021 Sep 20 (pp. 215-224). IEEE.
8- Maji AK, Gorenstein L, Lentner G. Demystifying Python Package Installation with conda-env-mod. In2020 IEEE/ACM International Workshop on HPC User Support Tools (HUST) and Workshop on Programming and Performance Visualization Tools (ProTools) 2020 Nov 18 (pp. 27-37). IEEE.
9- Kumar A, Saharia M. Python for Water and Environment. Springer; 2024.
10-Rasquin M, Bauer A, Hillewaert K. Scientific post hoc and in situ visualisation of high-order polynomial solutions from massively parallel simulations. International Journal of Computational Fluid Dynamics. 2019 Apr 21.