با همکاری انجمن هیدرولیک ایران

تأثیر تغییرات اقلیمی بر تغذیه آب زیرزمینی: بهینه‌سازی فرایندهای بازچرخانی فاضلاب با استفاده از مدل‌های عصبی مصنوعی (ANN) و MODFLOW

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، گروه مدیریت منابع آب، واحد شهرقدس، دانشگاه آزاد اسلامی، شهرقدس، ایران.

2 دانشیار، گروه مدیریت منابع آب، واحد شهرقدس، دانشگاه آزاد اسلامی، شهرقدس، ایران.

3 استاد، گروه مدیریت منابع آب، واحد شهرقدس، دانشگاه آزاد اسلامی، شهرقدس، ایران.

چکیده
مدیریت کیفیت آب و بهینه‌سازی بازچرخانی فاضلاب، به‌ویژه در شرایط تغییر اقلیم، از چالش‌های مهم منابع آب زیرزمینی است. در این مطالعه، تغییرات پارامترهای کیفیت آب شامل pH، EC، BOD₅، COD و شاخص‌های میکروبی کلی‌فرم و E. coli در مرحله ذخیره‌سازی-بازیابی بازچرخانی فاضلاب، با استفاده از داده‌های یک آزمایش میدانی ۶۰روزه در آبخوان چالوس بررسی شد. این آزمایش شامل تزریق فاضلاب شهری و نمونه‌برداری منظم از کیفیت آب بود. همچنین، یک مدل پرسپترون چندلایه (MLP) با سه لایه پنهان توسعه داده شد و عملکرد آن با مدل عددی MODFLOW مقایسه گردید. شبکه عصبی با استفاده از ۷۰ درصد داده‌ها آموزش و با ۳۰ درصد باقی‌مانده اعتبارسنجی شد و با کاهش حدود ۲۰ درصدی خطای پیش‌بینی نسبت به MODFLOW، عملکرد بهتری نشان داد. برای ارزیابی اثر تغییر اقلیم بر رفتار آبخوان، شرایط اقلیمی دوره ۲۰۳۰ تا ۲۰۵۰ با استفاده از LARS-WG 8 و مدل اقلیمی MRI-ESM2-0، به‌عنوان مناسب‌ترین مدل CMIP6 گزارش‌شده در گزارش ششم IPCC، تحت سناریوهای SSP1-2.6، SSP2-4.5 و SSP5-8.5 تولید شد. نتایج نشان داد تغذیه آبخوان بسته به سناریو ۱۳ تا ۲۵ درصد کاهش می‌یابد و تا سال ۲۰۵۰ افت سطح آب زیرزمینی حدود ۱/۱ تا ۱/۷ متر پیش‌بینی می‌شود. در شرایط بارگذاری ثابت آلاینده‌ها، این افت موجب افزایش ۱۵ تا ۲۸ درصدی غلظت BOD₅، COD، EC، کلی‌فرم و E. coli و در نتیجه کاهش قابل‌توجه کیفیت آب زیرزمینی خواهد شد؛ بنابراین، اجرای راهبردهای سازگار با تغییر اقلیم برای حفاظت از کیفیت آب زیرزمینی ضروری است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله English

Impact of Climate Change on Groundwater Recharge: Optimizing Wastewater Recycling Processes Using Artificial Neural Networks (ANN) and MODFLOW Models

نویسندگان English

Seyed Behnam Mirfakhraei 1
Hossein Hassanpour Darvishi 2
Seyed Habib Mousavi Jahromi 3
1 PhD. Graduate, Department of Water Resources Management, ShQ.C., Islamic Azad University, Shahr-e Qods, Iran.
2 Associate. Prof, Department of Water Resources Management, ShQ.C., Islamic Azad University, Shahr-e Qods, Iran.
3 Prof. Department of Water Resources Management, ShQ.C., Islamic Azad University, Shahr-e Qods, Iran.
چکیده English

Water quality management and wastewater recycling optimization are critical challenges in groundwater management, especially under climate change. This study investigated key water quality parameters, including pH, EC, BOD5, COD, and microbial indicators such as E. coli and Coliform, during the storage-recovery phase of wastewater recycling. The analysis was based on data from a 60-day field experiment in the Chalous aquifer, where domestic wastewater was injected and water quality was regularly monitored.
To model and predict aquifer behavior, a Multi-Layer Perceptron (MLP) with three hidden layers was developed and compared with the MODFLOW numerical model. The MLP, trained on 70% of the data and validated on the remaining 30%, showed superior predictive performance and reduced modeling errors by about 20% compared with MODFLOW.
The study also assessed the impacts of climate change on groundwater recharge and contamination risk for the period 2030-2050. Future climate conditions were generated using LARS-WG 8 and the MRI-ESM2-0 climate model under SSP1-2.6, SSP2-4.5, and SSP5-8.5 scenarios. Results showed that groundwater recharge may decrease by 13% to 25%, leading to a projected groundwater level decline of 1.1 to 1.7 m by 2050. Under constant pollutant loading, this decline could increase concentrations of BOD5, COD, EC, Coliform, and E. coli by 15% to 28%, significantly degrading groundwater quality. Overall, the findings emphasize the need for climate-resilient strategies to protect groundwater quality in the future.

کلیدواژه‌ها English

Climate change
groundwater recharge
water quality
ANN
MODFLOW
SSP1-2.6
دوره 7، شماره 1
شهریور 1405
صفحه 139-172

فایل‌های تکمیلی/اضافی