Modeling of pollutant transmission in rivers By using Finite volume method and ANFIS model

محورهای موضوعی : Irrigation and Drainage

عباس پارسائی ¹ , محمد مهدی احمدی ² , کوروش قادری ³

1 - دانشگاه لرستان، گروه مهندسی آب،لرستان،ایران
2 - دانشگاه شهید باهنر کرمان، گروه مهندسی آب،.کرمان،ایران
3 - دانشگاه شهید باهنر کرمان، گروه مهندسی آب،.کرمان،ایران

تاریخ دریافت : 1390/12/25 تاریخ پذیرش : 1391/02/25 تاریخ انتشار : 1391/03/31

کلید واژه: Numerical Method, روش حجم محدود, Finite volume method, ضریب پخش, transmission of pollutant, Severn river, ANFIS model, انتقال آلودگی, معادله انتقال پخش, شبکه عصبی تطبیقی,

چکیده مقاله :

Study in surface water quality is important. Rivers are one of the main sources of water supply fordrinking, agriculture and industry. Unfortunately, sometime Rivers where wastewater dischargesare considered. For this reason,the pollutant transmission in river is one of the most importantproblems in Environmental Engineering. the Advection Dispersion Equation (ADE) is governedon the pollutant transport in river. this equation is partial differential equation (PDE). Thisequation is used most widely in fluid engineering spatially water engineering and in generalnamed convection equation.to Preparate computer programs that can simulate the pollutanttransmission, in addition to the used numerical method to solution of the convection equation ,thecalculation of Longitudinal Dispersion coefficient (LDC) is needed. Many empirical formulas arepresented for calculating the LDC. the assessment of this equations shows that Most of theiraccuracy is not satisfactory. Thus the use of Artificial Intelligent techniques is inevitable. In thispaper, the finite volume method is used discretiz of ADE and to estimate the diffusion coefficient,adaptive neural network (ANFIS) has been developed. the result of ANFIS model shows that Theaccuracy and performance of the model in training and testing process is very suitable. After thedevelopment of an artificial intelligence model general model was developed. the result of thefinal model tested with analytical solution of ADE and observation data of the Severn River in theUK. the final result show that performance of model is suitable.Keywords: transmission of pollutant, finite volume method, Severn river

چکیده انگلیسی:

مطالعه بر روی کیفیت آب‌های سطحی از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. این موضوع با توجه به اینکه یکی از مهم‌ترین منابع تأمین آب برای مصارف شرب، کشاورزی و صنایع، رودخانه‌ها هستند نیاز به توجه بیشتری دارد. متأسفانه رودخانه‌ها گاهی به عنوان مکانی برای تخلیه فاضلاب در نظر گرفته می شوند.  به همین دلیل آلودگی رودخانه‌ها به یکی از مهم‌ترین مسائل و مشکلات در محیط زیست تبدیل شده است. معادله حاکم بر انتشار آلودگی در رودخانه ها، معادله انتقال و پخش است که از نوع معادلات دیفرانسیل جزئی می‌باشد. این معادله از پرکاربرد ترین معادلات در مهندسی سیالات مخصوصا مهندسی آب می‌باشد و به صورت کلی معادله حرکت نامیده می‌شود. در توسعه مدل های  کامپیوتری  جهت شبیه سازی انتشار آلودگی در آبراهه ها علاوه بر حل عددی معادله حرکت، نیاز به پیش بینی ضریب پخشیدگی نیز می‌باشد. برای محاسبه ضریب پخش فرمول های تجربی فراوانی ارائه شده است که ارزیابی این روابط نشان می دهد اکثر این معادلات دارای دقت مطلوب نمی باشد. به همین جهت استفاده از روش های هوش مصنوعی اجتناب ناپذیر است. در این مقاله برای گسسته سازی معادله حرکت از روش حجم محدود استفاده و برای تخمین ضریب پخشیدگی شبکه عصبی  تطبیقی (ANFIS) توسعه داده شده است. نتایج مدل ANFIS توسعه داده شده نشان می دهد که مدل تهیه شده در مراحل مختلف توسعه مانند آموزش و آزمایش  برای تخمین ضریب پخشیدگی از توانایی بسیار مناسبی برخوردار می باشد(   و  ) بعد از توسعه مدل هوش مصنوعی به توسعه کلی مدل کامپیوتری پرداخته شده است دقت مدل کامپیوتری با حل تحلیلی معادله حرکت و همچنین داده های مشاهداتی رودخانه سورن در انگلستان مورد بررسی قرار گرفت. مقایسه نتایج مدل ارائه شده با دادهای اندازه گیری شده  رودخانه سورن در ایستگاه های مورد مطالعه به ترتیب دارای دقتی(  و  و   ) می باشد. نتایج  کلی نشان می دهد که مدل کامپیوتری توسعه داده شده از توانایی بسیار مناسبی جهت شبیه سازی انتشار نیز آلودگی در رودخانه ها برخوردار می‌باشد.

منابع و مأخذ:

احمدی،م.م.، و قادری،ک. (1389). توسعه مدل دوبعدی حل معادله جابجایی، پخش با استفاده از حجم محدود. دومین کنفرانس سراسری مدیریت جامع منابع آب ،کرمان.

احمدی،م. م. و قادری،ک. (1389). تحلیل خطی پایداری و خطای شماهای مختلف حل معادله انتقال- پخش بروش احجام محدود. دومین کنفرانس سراسری مدیریت جامع منابع آب، کرمان.

پارسائی، ع. (1391). مدل عددی معادله انتقال پخش در رودخانه‌هاب با ناحیه ماندابی. پایان نامه کارشناسی ارشد ،گروه مهندسی آب دانشگاه شهید باهنرکرمان

 

پارسائی،ع. احمدی،م .م، و قادری،ک. (1390). توسعه مدل عددی انتشارآلودگی در رودخانه‌ها با پهنه ماندابی به کمک محاسبات کسرهای جزئی ،یازدهمین کنفرانس هیدرولیک ایران ، ارومیه.

 

پارسائی،ع. احمدی،م .م.، و قادری،ک. (1390). مدلهای ارائه شده برای انتقال آلودگی در رودخانه‌های با ناحیه ماندابی یازدهمین سمینار  سراسری آبیاری و کاهش تبخیر،کرمان.

 

پارسائی،ع.، احمدی،م .م.،و قادری،ک. (1391). پیش بینی ضریب پخش  آلودگی به کمک روش دسته بندی گروهی دادها(GMDH). یازدهمین کنفرانس هیدرولیک ایران ،ارومیه.

 

پور مقدم، م.، کوچک زاده، ص. (1388). بررسی تأثیر شیب طولی بر ضریب اختلاط عرضی با روش جدید عکسبرداری هوایی. هشتمین کنفرانس هیدرولیک ایران، دانشگاه تهران.

 

پور مقدم، م. وکوچک زاده، ص. (1389). مطالعه اثر زبری بستر بر ضرایب انتشار و پخشیدگی مواد محلول در مقاطع مرکب. “پنجمین کنگره ملی مهندسی عمران، مشهد.

 

ریاحی مدوار، ح.، و ایوب زاده، س.ع.(1387). تخمین ضریب پراکندگی طولی آلودگی با استفاده از سیستم استنتاج فازی_عصبی انطباقی، نشریه آب و فاضلاب ( 67 )،34-46.

قادری، ک. و احمدی، م. م. (1389). حل عددی معادله انتقال پخش به روش حجم محدود در جریانهای غیر ماندگار. طرح پژوهشی اعضای هیئت علمی دانشگاه شهید باهنر کرمان

 

کاشفی پور، س. م. و توکلی زاده، ا. ع.(1384). مدل سازی وحل عددی معادله دینامیکی پخش، انتشار وانتقال وانتشار رسوب وآلودگی به کمک روش ترکیبیUQ و.FTCS پنجمین کنفرانس هیدرولیک ایران، کرمان.

محمودیان شوشتری، م.(1388). ”اصول جریان در مجاری روباز.“ انتشارات دانشگاه شهید چمران.اهواز.

 

مستوفی زاده، ش. کاشفی پور، س. م. و ظهیری، ج.(1387). تاثیر ترم منبع روی دقت پیش بینی رابطه دینامیکیADE برای رسوب معلق. اولین کنفرانس سراسری مدیرت جامع بهره برداری آب، کرمان.

 

مستوفی زاده، ش. و کاشفی پور، س. م. (1387). بررسی تاثیر روش حل عددی در دقت پیش بینی معادله انتقال پخش در مدل سازی BOD در رودخانه. اولین کنفرانس سراسری مدیرت جامع بهره برداری آب، کرمان.

 

منتظری‌نمین،‌ م. (1383). دوره کوتاه مدت روش‌های عددی در مهندسی سواحل. گزارش دوره آموزشی، سازمان بنادر و کشتیران.

 

نجفیجیلانی، ع. و بنی‌هاشمی، م. (1380). ”کاربرد روشهای عددی دقیق در مدل سازی توزیع آلودگی در رودخانه‌ها. “سومین کنفرانس هیدرولیک ایران، دانشگاه تهران.

Al-lawatia, m. (2012). solution of advection diffusion equations in two space dimensions by a rational eulerian lagrangian localized adjoint method over hexagonal . intenational journal of numerical analysis and modeling, 1, pp:43–55.

Ataie-Ashtiani, B.and Hosseini,S .A. (2005). Error analysis of finite difference methods for two-dimensional advection–dispersion–reaction equation. ”Journal of advances in Water Resources, 28 ,pp:793–806.

Ataie-Ashtiani, B., lockington, D. A. and Volker, R. E. (1999) . Truncation errors in finite difference models for solute transport equation with first-order reaction. Journal of Contaminant Hydrology, 35, pp:409–428.

Atkinson, T.C. and Davis, P.M. (2000). Longitudinal Dispersion in natural channel:1Experimental results from the river Severn,UK. Journal of Hydrology and Earth Science, 4(3) , pp:345-353.

Azamathulla, H. M. and Wu, F. C. (2011). Support vector machine approach for longitudinal dispersion coefficients in natural streams. Appl. Soft Comp., 11(2), pp:2902-2905.

Davis, P.M and Atkinson, T.C. (2000). Longitudinal dispersion in natural channel:3.an aggregated zone model to the river severn ,U.K. Journal of Hydrology and Earth Systm Sciences,4(3) , pp:373-381.

Davis, P.M. ,Atkinson, T.C. and wigely,T .M .L. (2000). Longitudinal dispersion in natural channel:2.the role of shear flow dispersion and dead zone in river severn ,U.K Journal of Hydrology and Earth Systm Sciences,4(3) , pp:355-371 .

kashefipour, S. M. and Falconer, R.A. (1997). Longitudinal dispersion coefficients in natural channels. Journal of Water Research, 36.pp:1596–1608.

Kumar.M.(2009). Analytical solutions of one-dimensional advection-diffusion equation with variable coefficients in a finite domain. Journal of Earth Syst, 118,pp: 539–549.

Patankar, S. (2001). Numerical Heat transfer and fluid flow, 4(3) ,pp: 355-371 .

Riahi-Madvar ,H., Ayyoubzadeh, S.A., Khadangi, E.and Ebadzadeh, M. M (2009) .An expert system for predicting longitudinal dispersion coefficient in natural streams by using ANFIS. Expert Syst 36 (4):pp: 8589–8596.

Saberi Najafi, H. (2008) . Solving One-Dimensional Advection-Dispersion with Reaction Using Some Finite-Difference Methods. Journal of Applied Mathematical Sciences, 53, pp:2611 – 2618.

Seo,W. and Cheonlf,T. (1998). predicting longitudinal dispersion coefficient in natural streams. Journal of Hydraulic Engineering,124,pp: 24-32.

Versteeg, H. K. (1995). Introduction to Computiational fluid dynamic (The finite volume method). Springer Science. , 36.pp: 1596–1608.

WALLIS,S. (2008) . The numerical solution of the Advection-Dispersion Equation:A review of some basic principles. Institute of Geophysics, Polish Academy of Sciences. 4(3) , pp:373-381.