شبیه¬سازی کیفیت آب مخازن سدها با استفاده از تکنیک¬های سنجش از دور

کلروفیل به گیاهان (از جمله جلبک­ها) اجازه می­دهد تا فتوسنتز کنند، یعنی از نور خورشید برای تبدیل مولکول­های ساده به ترکیبات آلی استفاده کنند. کلروفیل آ نوع غالب کلروفیل است که در گیاهان سبز و جلبک ها یافت می­شود. کلروفیل آ به عنوان معیاری جهت اندازه­گیری میزان جلبک در حال رشد در آب مورد استفاده قرار می­گیرد که می­توان از آن برای طبقه بندی وضعیت تغذیه­ای پهنه­های آبی استفاده کرد. اگرچه جلبک‌ها بخشی طبیعی از اکوسیستم‌های آب شیرین هستند، اما مقادیر بیش از حد جلبک‌ می‌توانند باعث مشکلات متعددی از قبیل عوارض پوستی و بوی بد شده و سطح اکسیژن محلول را کاهش دهند (یوسپا[1]، 2022). برخی از جلبک‌ها نیز سمومی تولید می‌کنند که وقتی در غلظت‌های بالا یافت می‌شوند می‌توانند برای سلامت عمومی نگران‌کننده باشند. یکی از علائم کیفی آب آلوده، افزایش زیست توده جلبک است که با غلظت کلروفیل آ اندازه­گیری می­شود. آب هایی با سطوح بالای مواد مغذی از کودها، سیستم­های سپتیک، تصفیه­خانه­های فاضلاب و رواناب شهری ممکن است دارای غلظت بالایی از کلروفیل آ و مقادیر اضافی جلبک باشند. اندازه­گیری غلظت کلروفیل آ در آب جایگزینی برای اندازه گیری واقعی زیست توده جلبک است و برای تخمین وضعیت تغذیه­ای استفاده می­شود (استمپف[2] و همکاران، 2012). طبق گفته سازمان مهندسین ارتش ایالات متحده[3] و سازمان زمین شناسی ایالات متحده[4] مشکلات مربوط به شکوفه­های مضر جلبکی[5] در سال­های اخیر افزایش قابل توجهی داشته است (لینکوف[6] و همکاران، 2009). شکوفه­های مضر جلبکی در حال حاضر یک مشکل جهانی در 45 کشور در سراسر جهان هستند و در حداقل 27 ایالت از ایالات متحده در مرگ حیوانات نقش دارند (گراهام[7]، 2006). این جلبک­ها درماتوکسین، هپاتوکسین و نوروتوکسین تولید می­کنند (یوسپا، 2012). تماس با این جلبک­ها می­تواند باعث سمیت کبد و کلیه و مسمومیت عصبی شود که منجر به سردرد، بی حسی، سرگیجه، مشکل در تنفس و در موارد نادر مرگ شود (لینکوف و همکاران، 2009). در شکل 1 تصویری از شکوفه­های جلبکی در سواحل دریاچه Erie در ایالت اوهایو ارائه شده است.

دستورالعمل‌های سازمان بهداشت جهانی[8] برای آب آشامیدنی استانداردی را برای میکروسیستین LR، یک سم سیانوباکتری رایج، برابر با یک [9]ppb یا کمتر از آن تعیین کرده است. وزارت بهداشت اوهایو هنگامی که سطح میکروسیستین از 6 ppb  بیشتر شود، توصیه­های بهداشت عمومی صادر می کند و زمانی که سطح میکروسیستین از 20ppb  بیشتر شود، توصیه­های در جهت عدم تماس مستقیم با آب صادر می­کند.

شکل 1. شکوفه­های جلبکی در سواحل جزیره Catawba، ایالت اوهایو، دریاچه Erie، تابستان 2009 (یوسپا، 2012)

شکوفه های جلبکی به طور فزاینده­ای، از جمله برخی از شکوفه های جلبکی سمی مخازن آب را تحت تاثیر قرار می دهند که بسیاری از آنها به عنوان منبع آب آشامیدنی استفاده می­شوند (گراهام، 2006). اثرات ترکیبی شامل جریان­های ورودی‌ با مقادیر بیش از حد نیترات­ها و گرم شدن آب و هوا تحت تاثیر تغییرات اقلیمی منجر به افزایش فراوانی شکوفه‌های جلبکی و غنی شدن بسیاری از دریاچه‌های آب شده است (هو[10] و همکاران، 2019؛ هو و همکاران، 2022؛ ویلیامسون[11] و همکاران، 2008). علاوه بر این شکوفه های جلبکی مضر یک مسئله زیست محیطی شدید ایجاد می­کنند و پیامدهای اقتصادی و زیست محیطی قابل توجهی بر پهنه­های ساحلی دارند. بر همین اساس پیش­بینی وقوع این شکوفه­ها به طور فزاینده­ای برای جوامع ساحلی حیاتی شده است. کلروفیل آیک ترکیب فعال طیفی در فیتوپلانکتون است که معمولاً به عنوان نماینده­ای برای زیست توده فیتوپلانکتون استفاده می شود  (گیتلسون[12] و همکاران، 2003; واین[13] و همکاران، 2012; کودلا[14] و همکاران، 2015). به عبارت دیگر غلظت کلروفیل آ می­تواند به عنوان شاخص فراوانی فیتوپلانکتون­ها مورد استفاده قرار می­گیرد (سوسا-آوالوس[15] و همکاران، 2021; چریف[16] و همکاران، 2021). فیتوپلانکتون­ها CO₂ و H₂O را از طریق فتوسنتز به O₂ تبدیل می­کنند و مسئول تولید اولیه در آب هستند (آنسپر و آلیکاس[17]، 2019؛ متزوس[18]، 2011). بر اساس بررسی­های صورت گرفته غلظت سطوح بسیار بالای کلروفیل آ نشان دهنده کیفیت پایین آب است و وجود طولانی مدت غلظت­های بالای کلروفیل آ مشکلات اساسی برای تولید اولیه زیست توده است (گائو[19] و همکاران، 2022؛ اسماعیل[20] و همکاران، 2020). به طور کلی، در طول تابستان در مقایسه با زمستان غلظت کلروفیل آ بیشتر بوده که دلیل آن بالا بودن دمای آب و میزان نور است (لی[21] و همکاران، 2017). بر همین اساس غلظت کلروفیل آ یک شاخص کلیدی برای کیفیت آب به­حساب می­آید (میشرا و میشرا[22]، 2012؛ ریف[23]، 2011؛ اکسترند[24]، 1992). در سال­های اخیر، سطوح کلروفیل آ به طور گسترده­ای برای پیش­بینی شکوفه­های جلبکی استفاده شده است.

اهمیت شکوفه­های جلبکی، توسعه الگوریتم­های بازتاب ماهواره­ای را برای تخمین کلروفیل آ و زیست توده فیتوپلانکتون مرتبط با آن به یک اولویت تحقیقاتی بالا تبدیل کرده­اند (شکل 1). اگرچه الگوریتم‌های کلروفیل آ بین شکوفه‌های جلبکی مضر و کم‌مضر تفاوتی قائل نمی‌شوند، اما به­راحتی با سیستم‌های تصویربرداری ماهواره‌ای موجود سازگار می‌شوند و ممکن است به مدیران منابع آب کمک کنند تا بر این اساس بر کاهش خطرهای بالقوه این جلبک­ها تمرکز کنند.

در زمینه نظارت بر غلظت کلروفیل آ، در نظر گرفتن خواص نوری انواع مختلف آب ضروری است. آب‌های اقیانوس آزاد معمولاً تحت سلطه فیتوپلانکتون‌ها هستند (وردل و بیلی[25]، 2005)، در حالی که ویژگی‌های نوری آب‌های ساحلی و دریاچه­ها علاوه بر فیتوپلانکتون‌ها تحت تأثیر رسوبات معلق و مواد زرد رنگ قرار می‌گیرند که تخمین کلروفیل آ را به یک کار چالش برانگیز تبدیل می­کند (آتیلا[26] و همکاران، 2013؛ لی[27] و همکاران، 2019). برای غلبه بر این چالش‌ها و تسهیل نظارت بر محیط‌ زیست، سنجش از دور به‌عنوان ابزاری مؤثر برای مشاهده و تخمین غلظت کلروفیل آ در محیط‌های آبی مختلف، از جمله اقیانوس‌ها، مناطق ساحلی، دریاچه‌های داخلی و رودخانه‌ها مورد استفاده قرار گرفته شده است (شی[28] و همکاران، 2015).

در این تحقیق سعی شده است تا با استفاده از تکنیک­های نوین سنجش از دور به همراه مدل­های داده­کاوی، اقدام به بررسی کیفی آب در مخازن سد دز و سد سردشت گردد. پارامترهای کیفی مورد بررسی شامل کلروفیل آ، کل جامدات محلول[29] (TDS) و کل مواد جامد معلق در آب[30] (TSS) می­باشد.