کاربرد تکنیکهای تشخیص الگو در ارزیابی تغییرات زمانی و مکانی کیفیت رودخانه

 کاربرد تکنیکهای تشخیص الگو در ارزیابی تغییرات زمانی و مکانی کیفیت رودخانه مطالعه موردی : رودخانه جاجرود

مقدمه و اهمیت مطالعه اهداف تحقیق مروری بر تحقیقات شناخت حوزه انتخاب آنالیز چند متغیره آنالیز خوشه ای آنالیز مولفه های اصلی بررسی تغییرات زمانی و مکانی کیفیت آب کاربرد تکنیکهای آماری تحلیل چند متغیره در ارزیابی کیفیت آب رودخانه

افزایش جمعیت و کمبود آب آلودگی رودخانه تغذیه گرایی دریاچه سد لتیان طراحی قبلی تصفیه خانه ها

بررسی وضعیت کیفی موجود تعیین روابط متغیرها بررسی تغییرات زمانی و مکانی کیفیت آب رودخانه تعیین سهم منابع مختلف آلودگی ارزیابی کاآمدی الگوهای کاهش داده

1983 و1988 ویتفیلد و اسریواستاوا CAمنطقه بندی کیفی رودخانه ها 1955 لیمبراندو PCA طبقه بندی ایستگاه ها و تعیین پارامتر مهم 1996 راویچاندران PCA بررسی الگوهای کیفی 1988 گوتز، وگا و دی CA و PCA یافتن منابع آلودگی 1999 یونگ CA و PCA یافتن منابع آلودگی 2000برزاس CA و PCA بررسی تاثیر مدیریتهای کیفی اعمالی 2000 ویدال بررسی تاثیر کاربرد کودابه حیوانی در آلودگی منابع آب شامل چاه، کانال زهکشی و رودخانه 2001 داسیلوا، آلبرتو و سیمونه CA و PCA بررسی تغییرات زمانی و مکانی 2002 برودناک CA و PCA تغییرات زمانی ومکانی 1377 نوروزیان پهنه بندی آلودگی رودخانه

موقعیت اقلیمی و جغرافیایی حوزه آبریز رودخانه جاجرود

سد لتیان در فاصله 35 کیلومتری شمال شرق تهران تامین آب شرب تهران، کشاورزی ورامین و تولید انرژی مساحت کل حوزه بالادست 710 کیلومترمربع شاخه جاجرود اصلی ترین تامین کننده آب

طول 140کیلومتر نام مراکز جمعیتی شیب زیاد دردره ها شیب زیاد، پهنا و عمق کم – قلوه سنگی شیب متوسط 2/20 غیر یکنواخت (40-0) پهنای بیشتر و عمق کمتر در دشت شاخه های فرعی: امامه، زایگون، دربندسر و آهار حوزه ها ی فرعی شمشک با آب میگون ( آهک و کلسیت، شیل، گچ، مارن و سیلت) گرمابدر شامل زیرشاخه های آبنیک، لالون وروته( سیلت و آهک ) آهار ( شیل آهکی، مارن رسی، سیلت و آهک) امامه ( شیل و آهک مارنی)

شناسایی منابع آلاینده رودخانه جاجرود
پساب روستا ها
دامداری ها
کشاورزی و باغداری
آلودگی های طبیعی ناشی از برگریزان و فرسایش
پساب کارگاه های موجود در منطقه
پساب ویلاها، رستورانها و هتلهای حاشیه رودخانه
پادگان لشگرک

پسابهای خانگی (چاه های جاذب و ریختن مستقیم از زهکشها به رودخانه) پسابهای سطحی (روانابهای سطحی بارندگی و شستشوی آلودگی ها و انتقال به مخزن، شن و ماسه، پسمانده های ذرات گیاهی و حیوانی، مواد نفتی و دوده )

اثرات و خواص آلاینده ها
مواد معدنی ناشی از ترکیبات طبیعی خاک ( سنگ مادر )
مواد حاصل از فرسایش
تغلیظ مواد معدنی به دلیل بالا بودن سطح آب زیرزمینی
کودها
مواد معدنی تغلیظ شده پس از آبیاری
حشره کشها

انتخاب روش آنالیز آماری چند متغیره
روشهای وابسته
بیانگر روابط مابین مجموعه متغیرها و پیش بینی یک یا چند پارامتر با توجه به متغیرهای پیش بینی
روشهای غیر وابسته
تعیین کننده روابط عرضی متغیرها در حالیکه بعضی متغیرها وابسته اند- بیان ساختار داده ها با ساده سازی پیچیدگی ها توسط کاهش داده های اولیه

رگرسیون چندگانه
آنالیز تشخیص یا DA
آنالیز لوجیت
آنالیز واریانس چند متغیره
آنالیز همبستگی استاندارد

آنالیز مولفه های اصلی
آنالیز فاکتوری
آنالیز مقیاس گذاری (مجاورت نقطه ها در فضا )
آنالیز خوشه ای ( تعیین گروه های کمتر توسط میزان شباهت )

آنالیز خوشه ای
اهداف طبقه بندی
ساده سازی ( رفع مشکلات موجود در فهم و استنتاج صحیح- مختصر سازی داده ها- تعیین الگوهای موجود بین داده ها )
پیش بینی ( در صورت خلاصه سازی به گونه ای که بتوان روابط مشخصی بین داده ها تشخیص داد)

توابع کاربردی در تعیین اندازه شباهت
ضریب block city metric
ضریب فاصله اقلیدسی
ضریب شباهت کسینوسی
ضریب همبستگی

انواع روش های طبقه بندی در تحلیل خوشه ای
تقسیم بندی Partitioning techniques
دسته ای Clumping techniques
سلسله مراتبیHierarchical techniques
هندسیGraphical techniques

تکنیکهای سلسله مراتبی
تجمعی
تقسیمی

روش همبستگی ساده یا نزدیکترین همسایه
روش همبستگی کامل یا دورترین همسایه
روش همبستگی متوسط گروه
روش همبستگی متوسط وزنی
روش مجموع مربعات وارد
بلشفیلد در 1976 : سه چهارم منابع از مجموع مربعات وارد و همبستگی ساده استفاده می کنند

در هر مرحله گروهبندی کمبود اطلاعات توسط کل مجموع مربع انحرافات نقاط از میانگین دسته بدست می آید.
اگر مرکز m امین گره که شامل nm استZmk باشد :

الگوریتم پیوستن
عدم شباهت گروه حاصل از پیوستن گروه هایGi و Gj با هر گروه دیگر Gk :
مراحل تیپ پیوستن:
پیوستن گروه هایGi وGj با کمترین مقدار
محاسبه دوبارهعدم تشابه بین کروه جدید و هر گروه دیگر Gk

        ارائه نمودار درختی در روش سلسله مراتبی
رسم نمودار درختی با n عدد object شروع شده، شبیه ترین object ها در یک خوشه قرار می گیرند.
تا جایی ادامه می یابد که تعداد گروه های ما به n-1 گروه کاهش یابد
نهایتا همگی گروه ها متعلق به یک گروه می شوند

آنالیز مولفه های اصلی یا PCA
مجموعه داده ها به مجموعه کوچکتری از ترکیبات
بیانگر بیشترین میزان واریانس داده هابا کمترین تعداد فاکتور است
اولین مولفه بیانگر بالاترین درصد از کل تغییرات داده هاست.
شرط اصلی آن همبسته بودن متغیرهای اولیه جهت استخراج فاکتورهای کمتر است
عاملهای اصلی مهم معیارهایی جهت نشان دادن جنبه های متفاوت موضوع هستند

که w مقادیر بردارهای ویژه ماتریس همبستگی متغیرها جهت رسیدن به بیشترین نسبت واریانس این مولفه نسبت به کل تغییرات است

مراحل مختلف تجزیه به عاملهای اصلی
استانداردسازی متغیرها
محاسبه ماتریس کواریانس
محاسبه مقادیر ویژه ماتریس کوواریانس یا واریانس مولفه های استخراجی
محاسبه مقادیر بردارهای ویژه
حذف عاملهایی که قسمت کوچکی از تغییرات را نشان می دهند

تعداد مولفه های استخراجی
روش variance- covariance input
معیار درصد واریانس
قانون توقف قضاوتی

روش Correlation input
تست Scree

روش PCA چرخش یافته
دلایل چرخش محورها
بالاتر بودن ضریب یک فاکتور نشان دهنده مهم بودن نقش آن فاکتور در برآورد آزمونها است
فاکتورهای ریاضی نماینده متغیرهای مخفی هستند
چرخش محور ها می تواند رابطه متغیرها و بعضی فاکتورها را حداکثر کند

روشهای چرخش
عمودی (زاویه ثابت محورها)
مایل ( بدون محدودیت قبلی)

روش چرخش varimax
روش چرخش quartimax
روش چرخش equimax
خواص مطلوب چرخش عمودی
فاکتورهای حاصله غیر وابسته باقی می مانند
تغییری در تخمینهای بعمل آمده ندارد و تنها واریانس تعلق گرفته به هر فاکتور تغییر می کند
در کل واریانس تخمین زده شده تغییری ایجاد نمی شود بلکه درصد واریانس اختصاص یافته به هر فاکتور تغییر می کند

جهت بررسی چگونگی ظهور متغیرهای مشاهده شده در هر فاکتور
تفهیم الگوهای مختلف واریانس مشترک داده ها
خوشه هایی با خصوصیات مشترک از نزدیکی نقاط در این فضای دو بعدی تعیین می شوند
Factor scores

بررسی تغییرات زمانی و مکانی کیفیت آب
تغییرات زمانی
تغییرات مکانی

پارامترهای مشخصه فاضلاب شهری
BOD: فاضلابهای شهری، کودهای کشاورزی، زباله، شیره زباله و …

پارامترهای مشخصه تغییرات طبیعی
سختی کل : حل عناصر در رسوبات، محلهای تغذیه فاضلابهای، صنعتی و کشاورزی

پارامترهای متاثر از عوامل طبیعی و انسانی
قلیائیت : اسیدهای آلی حاصل از تجزیه گیاهان و تجزیه مواد معدنی موجود در خاک یا اتمسفر

پارامترهای مشخصه فاضلاب شهری
کلیفرم مدفوعی

پارامترهای مشخصه تغییرات طبیعی
سختی کل

پارامترهای متاثر از عوامل طبیعی و انسانی
قلیائیت

کاربرد تکنیکهای آماری تحلیل چندمتغیره در ارزیابی کیفیت آب رودخانه جاجرود
آنالیز مولفه های اصلی
آنالیز خوشه ای

کل نمونه ها
بهار
تابستان
پاییز
زمستان