شبیه‌سازی روند تغییرات خصوصیات شیمیایی خاک در اثر آبیاری با پساب با استفاده از مدل برنامه‌ریزی بیان ژن (GEP)

محورهای موضوعی : جنگلداری

مینا ارست ¹ (دانش آموخته کارشناسی ارشد بیابان زدایی، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تهران)
غلامرضا زهتابیان ² (استاد گروه احیای مناطق خشک و کوهستانی، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تهران)
محمد جعفری ³ (استاد گروه احیای مناطق خشک و کوهستانی، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تهران)
حسن خسروی ⁴ (استادیار گروه احیای مناطق خشک و کوهستانی، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تهران)
سعید شجاعی ⁵ (دانش آموخته کارشناسی ارشد بیابان زدایی، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تهران)

تاریخ دریافت : 1394/08/26 تاریخ پذیرش : 1395/02/25 تاریخ انتشار : 1395/06/01

کلید واژه: بهینه‌سازی, برنامه‌ریزی بیان ژن, پساب فاضلاب شهری, دشت قم,

چکیده مقاله :

با توجه به رشد روزافزون جمعیت در مناطق خشک و نیمه خشک، محدودیت منابع آب رو به افزایش است. از این رو استفاده از آب های غیرمتعارف به عنوان ابزار مهمی در مدیریت منابع آب در مناطق خشک به حساب می آید. در این بین بهره‌گیری از پساب فاضلاب شهری برای آبیاری به صورت توأمان با طرح‌های بیابان‌زدایی از مواردی است که جای بررسی و مطالعه دارد. اثری که این گونه آب ها بر ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی خاک برجا می‌گذارد، اهمیت زیادی دارد. در دهه اخیر روش های هوشمند مصنوعی به خاطر قابلیت شبیه سازی فرآیندها در زمینه های مختلف کاربرد زیادی پیدا کرده اند. برنامه ریزی بیان ژن (GEP) جزء الگوریتم های تکاملی محسوب شده و قادر به بهینه سازی ساختار مدل و مولفه های آن می باشد. در این تحقیق به ارزیابی توانایی و دقت مدل برنامه ریزی بیان ژن(GEP) در شبیه سازی تغییرات میزان سدیم، اسیدیته و هدایت الکتریکی خاک در زمین های تحت آبیاری با پساب و زمین های فاقد آبیاری در دشت قم پرداخته شد. برای مدل سازی تغییرات خصوصیات شیمایی خاک، به صورت تصادفی70 درصد داده های مشاهداتی مربوط به هدایت الکتریکی، اسیدیته و سدیم خاک به منظور تعیین مدل مناسب مورد استفاده قرار گرفته و مابقی داده ها در واسنجی مدل های مورد نظر بهره برده شد و پارامترهای شیمیایی خاک به عنوان متغیر مستقل و تیمار پساب به عنوان تابع انتخاب گردید. نتایج مقایسه ژنی نشان داد که برنامه ریزی بیان ژن، به خوبی روند تغییرات خصوصیات شیمیایی خاک را مدل سازی کرده است و در بهترین حالت اجرای مدل، بالاترین مقدار ضریب تعیین، برای هدایت الکتریکی (97/0 =2R)، اسیدیته (96/0=2R) و سدیم محلول خاک (97/0=2R) محاسبه شد.

چکیده انگلیسی:

Abstract Due to the growing population in arid and semi-arid region, limited water resources is increasing. So, the use of unconventional waters is counted as an important tool in the management of water resources of arid areas.  In this regard, the use of urban wastewater for irrigation combined with combating desertification projects are cases that need be investigated. The effect of such water on soil physical and chemical properties is very important. In recent decades, because of the ability to process simulation artificial intelligence techniques have many applications in different fields. Gene expression programming (GEP) is counted as component of evolutionary algorithms and is able to optimize the structure of the model and its components. In this research, the ability and accuracy of gene expression programming was evaluated for simulating the sodium, pH and electrical conductivity changes of soil in land irrigated with wastewater and non-irrigated land in Qom plain. For modeling soil chemical properties change, randomly the 70% of the observed data on the electrical conductivity, pH and sodium were used to determine the appropriate model; the rest of data were used to calibrate the models. Soil chemical parameters and wastewater treatment were selected as independent variable and function, respectively. The results of compared gene showed that gene expression programming has modeled soil chemical properties changes. In the best model performing, the highest amount of determination coefficient was estimated 0.97, 0.96 and 0.97 for electrical conductivity, pH and sodium respectively.   

منابع و مأخذ:

 

Refrences

 

1. Abareshi .F., M. Meftah Halghi., H .Sanikhani & A.A. Dehghani. 2014. Comparison of three intelligence techniques for predicting water table depth fluctuations (Case study: Zarringol plain). J. of Water and Soil Conservation. 21(1). .( in persian)


2. Aghabarati, A., S.M. Hosseini., A.,Esmaili& H Maralian. 2009. The effect of irrigation with municipal effluent on physic-chemical characteristics of soil, accumulation of nutrient and Cd in olive trees (Olea europaea L.). Environmental Sciences 6, 1-10. .( in persian)


3. Aiello, R., G.L. Cirelli & S.Consoli. 2007. Effects of reclaimed wastewater irrigation on soil and tomato fruits: A case study in Sicily (Italy). J. Agricultural Water Management. 93. pp.65-72.


4. Chirino, E., A, Bonet, J. Bellot & J .Sanchez. 2006. Effects of 30-year-old Aleppo pine plantations on runoff, soil erosion, and plant diversity in a semi-arid Landscape in south eastern Spain. Journal of Arid Environments 65, 627-646.


5. Eghbali.P., R. Daneshfaraz & S.M. Saghebian. 2014. Simulation of Temporal Development of Scour Hole around a Wing-wall Abutment Using Gene Expression Programming. J. of Water and Soil Conservation, 23(1).


6. Emamgholi, M. 2012. The effect of urban wastewater application for Desert land reclamation on some Chemical properties of soil and vegetation (Case study: Segzi, Isfahan). A thesis submitted for Master of Science. Faculty of natural resources, university of Tehran. .( in persian)


7. Feizi.M, M. Shayan jazi & H Ghorbani.  2010.  The effect of Irrigation with Wastewater on Certain Soil Physical and chemical properties.  2th conference on the status of recycled water and effluent water in water resources management: applications. .( in persian)


8. Ferreira, C. 2006. Gene expression programming: mathematical modeling by an artificial intelligence. 2nd ed. Springer-Verlag, Germany. 478p.


9. Ghorbani M.A., R. khatibi., A. Aytak., O. Makarynsky & J. Shiri,. 2010. Sea Water Level Forecasting Using Genetic Programming and Comparing the Performance with Artificial Neural Networks, Computers. .( in persian)


10. Hosseinpour, A., G.H. Haghnia, A. Alozadeh & A. Fotovat. 2007. Effect of irrigation with raw and treated wastewaters on chemical characteristic of soil in different depths under continuously and intermittent flood conditions. Iranian Journal of Irrigation & Drainage. .( in persian)


11. Husnu Kayikcioglu, H. 2012. Short-term effects of irrigation with treated domestic wastewater on microbiological activity of a Vertic xerofluvent soil under Mediterranean condition. Journal of Environmental Management 102: 108-114.


12. Kelley, W.D., D.C. Martens., J.R. Reneau & T.W. Simpson. 2010. Agricultural use of Wastewater sludge. Department of Agronomy virginia polytechnic institute and state university, Blacksburg, virginia. 2406-3397.

13. Khoshgoftarmanesh, A.H. 2007.Evaluation of nutritional status and optimal management of fertilizer. Isfahan University of technology publication center.  .( in persian)

1. Levy, G.J., P. Fine., & A. Bar-tal. 2011. Treated Wastewater in Agriculture: Use and Impacts on the Soil Environment and Crops. 1st Edition. Wiley-Blackwell, Inc. ISBN 978-1-4051-4862-7.


2. Sharma, R., M. Agrawal 7 F. Marshall,. 2007. Heavy metal contamination of soil and vegetables in suburban areas of Varanasi, India. Ecotoxicology and Environmental Safety 66, 258–266.


3. Sparks, D. L., A. L. Page, P. A. Helmke, R. H. Leoppert, P. N. Soltanpour, M. A. Tabatabai, G. T. Johnston & M. E. Sumner., 1996. Methods of soil analysis. Soil Sci. Soc. of Am. Madison, Wisconsin, USA.


4. Taghvaeian, A., A. Alizadeh 7 S.H. Danesh,. 2007. Effects of irrigation with sewage on physical and some properties of soil. Iranian Journal of Irrigation & Drainage 1: 49. .( in persian)


5. Zamani  babgohari.J, M .Afuni., A .Khoshgoftarmanesh & H.  Eshqhizadeh. .2011. Effect of Polyacryl Sewage Sludge, Municipal