شماره ركورد
25112
شماره راهنما
CIV2 235
عنوان
پايش و مدلسازي پارامترهاي كيفي آب مخزن سد زايندهرود با استفاده از دادههاي ماهوارهاي
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
رشته تحصيلي
مهندسي عمران- مهندسي و مديريت منابع آب
دانشكده
مهندسي عمران و حمل و نقل
تاريخ دفاع
1404/06/29
صفحه شمار
101 ص .
استاد راهنما
حامد يزديان
كليدواژه فارسي
داده ماهواره اي , منابع آب , كيفيت , مخزن , زاينده رود , يادگيري ماشين , لندست , سنتينل , سنجش از دور , شبكه عصبي مصنوعي , پايش
چكيده فارسي
آب، يكي از مهمترين عناصر حياتي زندگي است و بدون آن امكان زيست سالم وجود ندارد و بايد به ميزان كافي مصرف شود. در سال اخير، تغييرات اقليمي و گرمايش جهاني زمين دسترسي به منابع آبي را محدود كرده است و چالشهاي گستردهاي براي محيط زيست و سلامت انسان بهوجود آوردهاست. با توجه به چالشهاي بوجود آمده، مديريت كيفي آب براي استفاده بهينه از اين منابع حياتي به ضرورتي غيرقابل انكار تبديل شده است. اتخاذ رويكردهاي پايش كيفي، كاهش هدررفت آب و تدوين سياستهاي مديريت كيفي مبتني بر دادهها ميتواند به كاهش آثار تغيير اقليم و حمايت از زندگي پايدار كمك كند. سد زايندهرود يكي از سدهاي حياتي و استراتژيك در ايران است، كه در استان اصفهان قرار دارد و اهميت زيادي دارد.
هدف اصلي اين مطالعه، پايش و مدلسازي كيفي آب بهمنظور پايش آلودگي و تغييرات پارامترهاي كيفي آب در مخزن سد زايندهرود است. در اين پژوهش با استفاده از تصاوير سطح زمين كه با ماهواره سنتينل دو برداشت شده است اقدام به مدلسازي عددي با استفاده از شبكه عصبي مصنوعي تحت يادگيري با نظارت بر بستر يادگيري ماشين شده است. اين مدلسازي برمبناي پيدا كردن ارتباط ميان رفتار بازتاب انرژي از سطح درياجه مخزن و تغييرات فيزيكي سطح درياچه صورت گرفته است كه در آن دادههاي ماهواره اي كه در 13 باند مختلف برداشت شده اند به عنوان ورودي مدل و پارامتر كيفي به عنوان خروجي در نظر گرفته شده است. در مرحله بعد علاوه بر داده هاي ماهواره اي، پارامتر هاي دماي محيط و تراز آب مخزن سد تحت چهار سناريو مختلف به عنوان ورودي در نظر گرفته شده است تا تاثير اين دوپارامتر در مدلسازي مشخص گردد. داده هاي برداشت شده مشاهداتي در سه نقطه و در عمق يك متر برداشت شدهاند. اين دادها در 33 برداشت مختلف از سال 97 تا 1402 به صورت غير منظم برداشت شدهاند و شامل هفت پارمتر كيفي كلروفيلآ، ديسكسكي، كدورت، موادآلي و غيرآلي محلول، هدايتالكتريكي، نيترات و شاخص اسيدي-بازي ميباشد. مدلسازي در دو حالت مختلف انجام شد كه در سري اول از تمامي دادههاي ماهوارهاي و در سري دوم از شش باند بهتر كه همبستگي بيشتري با پارامتر كيفي مدنظر دارند استفاده گرديد. در اين مطالعه داده هاي مفقود و داده هاي پرت به علت عدم برداشت منظم حذف گرديد.
بررسيها در مدلسازي نشان داد كه در اجراي مدل با ورود همه داده ها، شاخص هاي R2 ، RMSE و NSE براي داده هاي آموزش كلروفيلآ به طور ميانگين و به ترتيب برابر 0.920 ،0.391 ميكروگرم بر ليتر و 0.959 و براي دادههاي آزمايش 0.893، 0.275 ميكروگرم بر ليتر و 0.959 مي باشد. به همين ترتيب براي پارامتر هاي ديسك سكي در آموزش 0.951 ، 0.424 متر و 0.975 و در آزمايش 0.934 ، 0.472 متر و 0.967 ميباشد. براي پارامتر كدورت در آموزش 0.923 ، 2.442 بر حسب پراكندگي نور (NTU) و 0.961 و در آزمايش 0.911 ، 3.754 بر حسب پراكندگي نور (NTU) و 0.955 مي باشد. براي پارامتر مواد آلي و غيرآلي محلول كل در آموزش 0.908 ، 8.317 ميليگرم بر ليتر و 0.953 و در آزمايش 0.889 ، 8.116 ميليگرم بر ليتر و 0.943 ميباشد. براي پارامتر هدايتالكتريكي در آموزش 0.881 ، 17.905 ميكروزيمنس بر سانتيمتر و 0.939 و در آزمايش 0.854 ، 20.915 ميكروزيمنس بر سانتيمتر و 0.924 ميباشد. براي پارامتر نيترات در آموزش 0.877 ، 18.538 ميليگرم بر ليترو 0.936 و در آزمايش 0.854 ، 19.594 ميليگرم بر ليتر و 0.924 و براي پارامتر شاخص اسيدي-بازي در آموزش 0.912 ، 0.799 و 0.954 و در آزمايش0.864 ، 0.811 و 0.929 ميباشد. همچنين در مدلسازي با ورود بهينه داده ها براي پارامتر هاي كلروفيلآ، كدورت، نيترات و هدايت الكتريكي به طور ميانگين نتايج بهتر و براي پارامتر هاي ديسكسكي، مواد آلي و غيرآلي محلول كل و شاخص اسيدي-بازي به طور ميانگين نتايج ضعيف تري در مدلسازي بدست آورده شدهاست.
پس از اين مرحله به بررسي تاثير دما و تراز در مدلسازي در چهار سناريو مختلف پرداخته شد و نتايج معناداري در مدلسازي بدست آورده نشد تا تاثير اين دو پارامتر در مدلسازي مشخص گردد.
پس از انجام فرآيند ساخت عددي، اين مدل با استفاده از نرمافزار GIS پيادهسازي شد و تصاوير مربوطه در يك روز مشخص در محيط نرمافزار بارگذاري گرديد. پس از استخراج دادههاي تكبهتك پيكسلها از مخزن سد، اين دادهها به عنوان ورودي به مدل وارد شد تا بر پايه مدلسازي انجامشده، پارامترهاي كيفي مختلف پيشبيني شوند. اين پارامترهاي كيفي بهعنوان شناسه به پيكسلهاي مرتبط بازگردانده شدند تا پهنهبندي پارامترهاي كيفي بهصورت نقشهاي مشخص گردد.
كليدواژه لاتين
Satellite Data , Water Resources , Quality , Machine Learning , Reservoir , Landsat , Artificial Neural Network , Remote Sensing , Sentinel , Monitoring , Zayandeh-Rood
عنوان لاتين
Monitoring and modeling of water quality parameters of Zayandehroud Reservoir using satellite data
گروه آموزشي
مهندسي عمران
چكيده لاتين
Water is one of the most vital elements for life, and without it, healthy living is impossible; therefore, it must be consumed in sufficient quantities. In the past year, climate changes and global warming have restricted access to water resources, creating broad challenges for the environment and human health. Given these challenges, quality management of water for the optimal use of these vital resources has become an undeniable necessity. Adopting approaches for qualitative monitoring, reducing water losses, and developing data-driven qualitative management policies can help mitigate the effects of climate change and support sustainable living. Zayandeh Roud Dam is one of the critical and strategic dams in Iran, located in Isfahan Province, and holds significant importance.
The main objective of this study is to monitor and model water quality in order to track pollution and changes in the qualitative parameters of water in the Zayandeh Roud Dam reservoir. In this research, using surface earth observation imagery captured by the Sentinel-2 satellite at two time points, a numerical model was developed using an artificial neural network under supervised learning on a machine learning platform. This modeling is based on finding the relationship between the energy reflectance behavior from the lake surface of the reservoir and the physical changes of the lake surface, where satellite data captured in 13 different bands are considered as model inputs and the qualitative parameter as the output. In the next stage, in addition to satellite data, environmental air temperature and reservoir water level parameters under four different scenarios were treated as inputs to determine the impact of these two parameters on the modeling. The collected data are observations taken at three points at a depth of one meter. These data were collected non-uniformly across 33 sampling events from the year 2018 to 2023 and include seven qualitative parameters: Chlorophyll-a, Dissolved and Suspended Disks, Organic and Inorganic Colloids, Electrical Conductivity, Nitrate, and a Acid-Base Index. The modeling was conducted in two modes: in the first series, all satellite data were used, and in the second series, six best bands that show higher correlation with the target qualitative parameter were used. In this study, missing data and outliers were removed due to non-regular sampling.
Assessments in the modeling show that when all data are entered, the performance metrics R², RMSE, and NSE for Chlorophyll-a are, on average, 0.920, 0.391 micrograms per liter, and 0.959 for training data, and 0.893, 0.275 micrograms per liter, and 0.959 for testing data, respectively. Similarly, for DS, training results are 0.951, 0.424 meters, and 0.975, and testing results are 0.934, 0.472 meters, and 0.967. For Turbidity, training results are 0.923, 2.442 NTU, and 0.961, and testing results are 0.911, 3.754 NTU, and 0.955. For TDS, training results are 0.908, 8.317 mg/L, and 0.953, and testing results are 0.889, 8.116 mg/L, and 0.943. For EC, training results are 0.881, 17.905 μS/cm, and 0.939, and testing results are 0.854, 20.915 μS/cm, and 0.924. For Nitrate, training results are 0.877, 18.538 mg/L, and 0.936, and testing results are 0.854, 19.594 mg/L, and 0.924. For the PH, training results are 0.912, 0.799, and 0.954, and testing results are 0.864, 0.811, and 0.929. Furthermore, in modeling with optimized input data, the parameters Chlorophyll-a, Turbidity, Nitrate, and EC, on average, better results, while DS, TDS, and PH relatively weaker results on average.
Following this, the effects of temperature and `r level in the modeling were examined under four different scenarios, but no meaningful results were obtained to identify the influence of these two parameters in the modeling.
تعداد فصل ها
6
فهرست مطالب pdf
147212
نويسنده