การประยุ กต ใชพุักรรมคอมพนธ ิวเตอร...
TRANSCRIPT
การประยกตใชพนธกรรมคอมพวเตอร (Genetic
Algorithm) ในการปรบเทยบ (Calibration) แบบจาลอง
QUAL2Kw เพอประเมนภาระมลพษ
ในลานาลาตะคอง จงหวดนครราชสมา ปฏวชช สาระพน, กมปนาท ภกดกล, จาลอง อรณเลศอารย, ทองเปลว กองจนทร
โดย
นายปฏวชช สาระพน
บทนาบทนา
ลานาลาตะคอง เปนลานาสาขาทสาคญสายหนงของแมนามล
โดยมตนนาอยบรเวณเทอกเขาดงพญาเยน ในทองทอาเภอปากชอง ไหลผานพนทอาเภอปากชอง อาเภอสคว
อาเภอสงเนน
อาเภอขามทะเลสอ
อาเภอเมองนครราชสมา
และอาเภอเฉลมพระเกยรต
ในจงหวดนครราชสมา
(สทธพร อนนตพพฒนกจ,2542)
ทมาและความสาคญ
ลมนาลาตะคอง
ลมนาลาพระ
เพลง
ลมนาลามลบน
ลมนาลาแชะ
อางเกบนา
ลาตะคอง
•
จากการตดตามตรวจสอบคณภาพนาในแมนาลาตะคอง โดยกรมควบคมมลพษ ตงแตป พ.ศ.
2539 เปนตนมา
•
พบวาคณภาพนาในแมนาลาตะคองตอนลาง โดยเฉพาะ ชวงทผานเทศบาลนครนครราชสมามคณภาพนาอยใน
เกณฑทตามากมาโดยตลอด กลาวคอ
คาคณภาพนาสวนใหญอยในเกณฑมาตรฐาน
แหลงนาผวดนประเภทท 4
(กรมควบคมมลพษ,
2546)
ทมาและความสาคญ (ตอ)
ประกาศกรมควบคมมลพษ (พ.ศ.2542)- ตอนบน ตงแตบรเวณฝายคนชม บานคนชม ตาบลพรใหญ อาเภอเมอง จงหวดนครราชสมา กโลเมตรท 24 จนถงลาตะคอง บรเวณบานบ
กระเฉด ตาบลขนงพระ อาเภอปากชอง จงหวด นครราชสมา กโลเมตรท 180
- ตอนลาง ตงแตจดบรรจบระหวางลาตะคองกบ แมนามล บรเวณตาบลพะเนา อาเภอเมอง
จงหวดนครราชสมา กโลเมตรท 0 จนถงลาตะ คอง บรเวณฝายคนชม บานคนชม ตาบลพรใหญ
อาเภอเมอง จงหวดนครราชสมา กโลเมตรท 24
(กรมควบคมมลพษ,
2545)ขรน.มะเกลอใหม ขรน.กดหน ขรน.มะขามเฒา ขรน.คนชม ขรน.ขอยงาม ขรน.กนผม
ขรน.โคกแฝก ขรน.บานทง
ขรน.โพธเตยขรน.นาตม ขรน.จอหอ
แมนา
มล
แมนาลาตะคอง
แมนาลาบรบรณ
ตอนบน ตอนลาง
สถานการณคณภาพนาแมนาลาตะคอง ตอนบน ตอนลาง
หนวยงาน พ.ศ. ลาตะคอง เกณฑคณภาพนา ปญหา
สานกงานคณะกรรมการ
สงแวดลอมแหงชาต
2532-
2533
ตอนบน ประเภทท 3 พอใช -
ตอนลาง ประเภทท 4 เสอมโทรมDO, BOD,
TCB,FCB
สานกงานนโยบายและ
แผนสงแวดลอม2542
ตอนบน ประเภทท 3 พอใช -
ตอนลาง ประเภทท 4 เสอมโทรม DO, TCB, FCB
กรมสงเสรมคณภาพ
สงแวดลอม และเทศบาล
นครนครราชสมา
2544
ตอนบน ประเภทท 3 พอใช Nutrient
ตอนลาง ประเภทท 4 เสอมโทรมDO, BOD, FCB,
NH3 –N
สถานการณคณภาพนาแมนาลาตะคอง (ตอ)
หนวยงาน พ.ศ. ลาตะคอง เกณฑคณภาพนา ปญหา
สานกงานนโยบายและแผน
ทรพยากรธรรมชาตและ
สงแวดลอม
2545
ตอนบน ประเภทท 3 พอใช -
ตอนลาง ประเภทท 4 เสอมโทรมFCB, NH3 –N,
BOD
กรมควบคมมลพษ 2546
ตอนบน ประเภทท 4 เสอมโทรม FCB
ตอนลาง ประเภทท 5 เสอมโทรมมาก DO, BOD
กรมควบคมมลพษ 2547
ตอนบน ประเภทท 4 เสอมโทรม BOD, FCB
ตอนลาง ประเภทท 5 เสอมโทรมมากDO, BOD, TCB,
FCB
สถานการณคณภาพนาแมนาลาตะคอง (ตอ)
•
การประยกตใชแบบจาลองในการประเมนภาระมลพษทงในแมนาและ
ลานาทผานมานน
•
สวนใหญใชวธการลองผดลองถก (Trial and error) ในการปรบเทยบคา สมประสทธตางๆ ภายในแบบจาลอง เพอใหไดคา optimal ระหวางคาทได
จากแบบจาลอง (model output) กบการตรวจวดจรงในภาคสนาม (field
measurement) แตวธการดงกลาวอาจทาใหมโอกาสไดคา local optimal
คอนขางสง ซงวธการของพนธกรรมคอมพวเตอร (Genetic Algorithms:
GA) นาจะเปนอกทางเลอกหนงทนามาใชในการหาคาสมประสทธตางๆ
ภายในแบบจาลองคณภาพนาไดอยางมประสทธภาพ และมโอกาสไดคา
Global optima คอนขางสงและทางานไดเรวกวาวธการของการลองผดลอง ถก (Gregory et al., 2005)
ทมาและความสาคญ (ตอ)
•
จากผลการศกษาของ Gregory et al., (2005) พบวา การ ประยกตใชพนธกรรมคอมพวเตอร (Genetic Algorithms: GA)
ในการปรบเทยบสมประสทธภายในแบบจาลอง QUAL2Kw
โดยใช กระบวนการคดเลอกทางพนธกรรมคอมพวเตอร (GA
Operators) ตามรปแบบของ Charbonneau and Knapp
(2002)
ในแมนา Boulder Creek, USA
•
พบวา GA สามารถใชในการปรบเทยบแบบจาลอง QUAL2Kw
ไดด แตใชเวลาในการปรบเทยบแบบจาลอง คอนขางนานคอ 6
ชวโมงสาหรบ Population 100 และ Generation 100 (3.2 GHz
Pentium 4 processor)
กรอบแนวคดการวจย
•
นอกจากนยงไดเสนอแนะแนวทางในการพฒนา GA สาหรบการ ปรบเทยบแบบจาลอง QUAL2Kw ในอนาคตไวคอ การหารปแบบของ
GA Operators ทเหมาะสม เพอลดระยะเวลาในขนตอนของการ ปรบเทยบแบบจาลอง
•
ดงนนการวจยครงนจงมงทจะศกษาเปรยบเทยบกระบวนการคดเลอก ทางพนธกรรมคอมพวเตอร (GA Operators) ระหวาง GA Operators
ของ Charbonneau and Knapp
(2002) กบ GA Operators ของ Goldberg
(1991) and
Michalewicz (1992) เพอหารปแบบของกระบวนการ คดเลอกทางพนธกรรมคอมพวเตอร (GA Operators) ทเหมาะสมและลด ระยะเวลาในขนตอนการปรบเทยบแบบจาลอง และคาดการณคณภาพ นาในลานาลาตะคอง ดงรป
กรอบแนวคดการวจย (ตอ)
กรอบแนวคดการวจย
รวบรวมขอมลทเกยวของ
- ขอมลอทกวทยา- ขอมลแหลงกาเนดมลพษ
- Point source
-
Non point source
- ขอมลอตนยมวทยา
คณภาพนาในแมนาลาตะคอง
ไดแก T, pH, cond, DO, BOD,
NH3
-N, NO3
-N, TP and TCB
ขนตอนการตรวจสอบความถกตอง
ของแบบจาลอง (Verification)
คาสมประสทธทเหมาะสมสาหรบ
แมนาลาตะคอง
ประเมนภาระมลพษและคาดการณคณภาพนา
ในแมนาลาตะคอง
No
Yes
วเคราะหและสรปผลการศกษา
การนาเขาขอมลของแบบจาลอง QUAL2Kw
การปรบเทยบ (Calibration) แบบจาลอง
Sensitivity Analysis
การปรบเทยบแบบจาลอง QUAL2Kw ดวย GA
Operators ของ Charbonneau and Knapp
การปรบเทยบแบบจาลอง QUAL2Kw ดวย GA
Operators ของ Goldberg and Michalewicz
คณภาพนาในแมนาลาตะคองทไดจากการปรบเทยบดวย GA
Operators ของ Goldberg and Deb และ Michalewicz
คณภาพนาในแมนาลาตะคองทไดจากการปรบเทยบ
ดวย GA Operators ของ Charbonneau and Knapp
•
เปนปญญาประดษฐแขนงหนงทเลยนแบบทฤษฎการคดเลอก ทางธรรมชาต (Natural Selection) ของ Charles Darwin
•
ใชคนหาคาสงสด-ตาสด หรอบางทานอาจเรยกวาปญหาการหา คาอตมภาพ (optimisation problem) ของฟงกชนเปาหมายใดๆ
(objective function) ทเราตองการ ซง function ดงกลาวอาจ เปนแบบเสนตรง (linear) และไมเปนเสนตรง (non-linear) ก
ตาม •
(กมปนาท ภกดกล,
2547)
พนธกรรมคอมพวเตอร :
Genetic Algorithms (GAs)
Charbonneau and Knapp, 2002
การเปรยบเทยบกระบวนการคดเลอกทางพนธกรรม
คอมพวเตอร (GA Operators
)
GA Operators
ของ Charbonneau and Knapp
(2002)
GA Operators
ของ Goldberg and Deb (1989) และ
Michalewicz (1992)
1. ขนการคดเลอก (selection operator)
1.1 full generational replacement
1.2 steady-state-replace-random
1.3 steady-state-replace-worst
1.ขนการคดเลอก (selection operator)
1.1 Proportional Selection
1.2 Rank Selection
1.3 Tournament Selection
GA Operators
ของ Charbonneau and Knapp
(2002)
GA Operators
ของ Goldberg and Deb (1989)
และ Michalewicz (1992)
2. ขนการสลบตาแหนงของจน (crossover
operator)
2.1 one-point crossover
2.2 two-point crossover
2.3 equal probability of either one-point or two-point
crossover
2.4 uniform crossover
2.5 equal probability of either one-point, two-point, or
uniform
2.6 arithmetic crossover
2.7 equal probability of either one-point, two-point,
uniform, or arithmetic
2. ขนการสลบตาแหนงของจน (crossover
operator)
2.1 one-point crossover
2.2 two-point crossover
2.3 uniform crossover
การเปรยบเทยบกระบวนการคดเลอกทางพนธกรรม
คอมพวเตอร (GA Operators
)
GA Operators
ของ Charbonneau and Knapp
(2002)
GA Operators
ของ Goldberg and Deb (1989)
และ Michalewicz (1992)
3. ขนดดแปลงจน (Mutation Operator)
3.1 one-point mutation, fixed rate
3.2 one-point, adjustable rate based on fitness
3.3 one-point, adjustable rate based on distance
3.4 one-point
or creep, fixed rate
3.5 one-point or creep, adjustable rate based on fitness
3.6 one-point or creep, adjustable rate based on distance
3. ขนดดแปลงจน (Mutation Operator)
3.1 conventional mutation
3.2 uniform mutation
3.3 modified uniform mutation
3.4 non-uniform mutation
การเปรยบเทยบกระบวนการคดเลอกทางพนธกรรม
คอมพวเตอร (GA Operators
)
ความเปนมาของแบบจาลอง QUAL
-
QUAL I
(1970) พฒนาโดย Texas
Water development Board
-
QUAL II
(1975) พฒนาโดย Water
Resource Engineer, Inc. (WRE) ภายใต
ขอตกลงกบ US EPA และThe Southeast Michigan Council of Government (SEMCOG)
-
QUAL2E
(1985
) พฒนาโดย SEMCOG
-
QUAL2K
(2000) พฒนาโดย Chapra,
S.C. and Pelletier, G.J.
-
QUAL2Kw (2005) พฒนาโดย Gregory
J. Pelletier, Steven C. Chapra, Hua Tao (Washington State Department of Ecology)
Rearation
Temperatur
CBOD
DO
NBOD
Conservation Mineral
Coliform Bacteria
Atmospheric Reration
Org.N
NH3
NH2
SOD
CBOD
Dis.P
Algae
DO
Org.P
NH3
Atmospheric Reration
Organic nitragen
Ammonia Nitrogen
Nitrite Nitrogen
Fecal Coliform
TSS
Organic Phosphoru
Algae
DO
BOD
Nitrate Nitrogen
NOD
NOD
SOD
Dissolve Phosphoru
N2
Fixed Plant
Sediment
Atmospheric Aeration
Ammonia
Nitrite
Nitrate
Benthic Demand
CBOD
Phosphorus
Algae
DO
QUAL I Model (1970) QUAL II Model (1973)
QUAL2E Model (1985) QUAL2K Model (2000)
(Seok and Yong, 2002)
แบบจาลอง QUAL2Kw
•
พฒนาขนโดย Gregory J. Pelletier, Steven C. Chapra, Hua Tao
(Washington State Department of Ecology)ในป ค.ศ.2005
•
ซงพฒนาขนตอมาจากแบบจาลอง QUAL2K ของสถาบน USEPA ม
หลกการทางานเหมอนกบ QUAL2K คอ ทางานในระบบปฏบตการ วนโดว โดยโปรแกรมสรางจาก Visual Basic for Application
(VBA) โดยใชงานผานโปรแกรม Microsoft Excel
•
สาหรบสงทเพมเขามาใน QUAL2Kw นนคอ การนา Genetic
Algorithms มาใชในการ calibrate แบบจาลอง ซงโปรแกรมสราง จาก Fortran 95
วตถประสงคการวจย
1. เพอศกษาคณภาพนาของลานาลาตะคอง โดยพารามเตอรดานกายภาพไดแก
Temperature พารามเตอรดานเคม ไดแก pH, Conductivity (cond.), Dissolved Oxygen
(DO), Biochemical Oxygen Demand (BOD), Ammonia-Nitrogen (NH3
-N), Nitrate-
Nitrogen
(NO3
-N),
Total phosphorus (TP) และพารามเตอรดานชวภาพ ไดแก Total
coliform bacteria
(TCB) โดยใชแบบจาลอง QUAL2Kw
2. เพอศกษาปรมาณมลพษทมาจากลมนาลาตะคองจากแหลงกาเนดมลพษประเภททราบ แหลงกาเนดทแนนอน (point source) และไมทราบแหลงกาเนดทแนนอน (non-point
source)
3. เพอเปรยบเทยบกระบวนการคดเลอกทางพนธกรรมคอมพวเตอร (GA Operators)
ระหวาง GA Operators ของ Charbonneau and Knapp กบ GA Operators ของ Goldberg
and Michalewicz ในการปรบเทยบ (Calibration) สมประสทธภายในแบบจาลอง
QUAL2Kw เพอประเมนภาระมลพษในลานาลาตะคอง จงหวดนครราชสมา รวมทง คาดการณคณภาพนาในอนาคต
1. เปนแนวทางในการประยกตใชพนธกรรมคอมพวเตอรในการ ปรบเทยบแบบจาลอง QUAL2Kw กบแหลงนาอนๆ
2. ทราบปรมาณมลพษของแตละแหลงกาเนด ทสงผลทาใหคณภาพ นาในแมนาลาตะคอง เสอมโทรมลง
3. ทราบถงแนวโนมของคณภาพนาในแมนาลาตะคอง เพอใชเปน ขอมลพนฐานประกอบการบรหารจดการทรพยากรแหลงนาเพอ การใชประโยชนอยางยงยน
ประโยชนทคาดวาจะไดรบ
งานวจยทเกยวของ
การจดการคณภาพนาโดยใชแบบจาลอง
A water quality modeling study of
the nakdong River, Korea
•
ไดทาการเปรยบเทยบแบบจาลองระหวาง QUAL2E และ QUAL2K ท
พฒนาขนโดย USEPA
•
เพอทจะนาไปแกไขปญหาคณภาพนาและสามารถประยกตใชกบแมนา Nakdong ในประเทศเกาหล
•
โดยพจารณาพารามเตอร ดงน DO, BOD, N และ P series และ Chlorophyll-a
•
การประเมนผลเปนไปดวยดทง QUAL2E และ QUAL2K ซง QUAL2K ใหผลการศกษาทดวาโดยเฉพาะคา Algal death to BOD, Fixed plant DO และ denitrification
•
(Seok and Yong, 2002)
Modeling and Assessment of Water Quality in
The Kelani River, Srilanka.
•
ไดใชแบบจาลอง QUAL2K ของ USEPA ในการประเมนคณภาพนาในแมนา Kelani ประเทศศรลงกา ทาการประเมนทง point source และ non point source
•
โดยพจารณาพารามเตอร ดงน pH, conductivity, Turbidity, Temp, DO, BOD, COD, Chloride, Nitrate as N, Phosphate as P และ Total Coliform
•
ผลการศกษาพบวาในชวง Low Flow ผลการคลาดเคลอนของการคาดการณคา DO อยท 4.2 % และ 5.2% ในเดอนกมภาพนธ และมกราคม ปค.ศ.2003 ตามลาดบ การคลาดเคลอน
ของการคาดการณคา BOD อยท 17 %
•
สวนในชวง High Flow ผลการคลาดเคลอนของการคาดการณคา DO อยท 2 % และ 5.5% ในเดอนกรกฎาคม และสงหาคม ปค.ศ.2003 ตามลาดบ สวนการคลาดเคลอนของการ
คาดการณคา BOD อยท 15 %
•
สาหรบคาพารามเตอรนอกจากนแบบจาลองสามารถคาดการณไดด
•
(Chaminda, G.G.T., 2005)
การจดการคณภาพนาโดยใชพนธกรรมคอมพวเตอร
(Genetic Algorithm)
Selection of genetic algorithm operators for river
water quality model calibration
•
ไดประยกตใช Genetic Algorithm ในการ calibration แบบจาลอง สาหรบประเมนคณภาพนา
•
ซงการ calibration ถอวาเปนขนตอนทสาคญในการพฒนาแบบจาลอง และประสทธภาพของการใช Genetic Algorithm ในการประเมน
คณภาพนาขนอยกบ
–
การเลอก GA operator
–
การคดเลอกตวแปร
–
การตงสมมตฐาน และ
–
sensitivity ทเหมาะสม
•
ซงจะสงผลตอ output ทไดจากการประมวลผลดวย Genetic Algorithm
•
(Ng, A.W.M. and Perera, B.J.C., 2003)
A framework for modeling water quality in streams and river
using a genetic algorithm for calibration
•
ประยกตใชกระบวนการคดเลอกพนธกรรมคอมพวเตอร (GA Operators) ตามรปแบบของ Charbonneau and Knapp ในการปรบเทยบสมประสทธภายในแบบจาลอง QUAL2Kw เพอ
ทานายคณภาพนาของแมนา Boulder Creek, USA.
•
พบวารปแบบของ GA Operators ทเหมาะสมทสดใน
–
ขนตอนการคดเลอกสายพนธ (Selection)ใชวธกลยทธการคดเลอกหวกระท (elitist strategy) รวมกบ Full generational replacement
–
ขนตอนการสลบสายพนธ (crossover) ใชวธ equal probability of either one-point, two-
point, or uniform,
–
ขนตอนการกลายพนธ (mutation) ใชวธ one-point mutation, fixed rate และ
–
population size, Generation เทากบ 100 ซงใชเวลาในการคานวณ 6 ชวโมง (3.2 GHz Pentium 4 processor)
–
นอกจากนยงไดเสนอแนวทางในการพฒนา GA สาหรบการ Calibration แบบจาลอง
คณภาพนาในอนาคต คอหา GA Operators ทเหมาะสมเพอลดเวลาของการ Calibration
•
(Gregory et al., 2005)
การดาเนนการวจย
เครองมอและอปกรณทใชในการศกษา
1. เครองคอมพวเตอร CPU 3.0 GHz Pentium 4 processor
2. โปรแกรมคอมพวเตอร QUAL2Kw version 5.1
3. โปรแกรม Microsoft Excel (Visual Basic
for Application [VBA])
4. โปรแกรม Arcview GIS 3.3a
ขนตอนการดาเนนงาน การรวบรวมขอมล
การนาเขาขอมลของแบบจาลอง QUAL2Kw
การปรบเทยบ (Calibration) แบบจาลอง
การตรวจสอบความถกตองของ
แบบจาลอง (Verification)
ประเมนภาระมลพษและคาดการณคณภาพ
นาในอนาคต
วเคราะหและสรปผลการศกษา
Yes
NO
Sensitivity Analysis
การปรบเทยบแบบจาลอง QUAL2Kw ดวย GA
Operators ของ Charbonneau and Knapp
การปรบเทยบแบบจาลอง QUAL2Kw ดวย GA
Operators ของ Goldberg and Michalewicz
คณภาพนาในแมนาลาตะคองทไดจากการปรบเทยบดวย GA
Operators ของ Goldberg and Michalewicz
คณภาพนาในแมนาลาตะคองทไดจากการปรบเทยบ ดวย GA
Operators ของ Charbonneau and Knapp
ประเภทขอมลทใชในการศกษา
ประเภท รายละเอยด ทมา
- ขอมลอทกวทยา
อตราการไหลของนา (Discharge)
ความเรวกระแสนา (velocity) และ
ระดบนา (Water Level) เฉลยรายเดอน
กรมชลประทานและสานกชลประทาน
ท 8 นครราชสมา
อตราการไหลของนา
(Discharge) ความเรว
กระแสนา (velocity) และ
ระดบนา (Water Level)
เฉลยรายเดอนกรม
ชลประทานและสานก
ชลประทานท 8
นครราชสมา
-ขอมลคณภาพนาWater Temp, pH, DO, BOD, NO
3
-N,
NH3
-N, TP, TCB, Conductivity
กรมควบคมมลพษและ
เทศบาลนครนครราชสมา
ประเภทขอมลทใชในการศกษา (ตอ)
ประเภท รายละเอยด ทมา
-ขอมลแหลงกาเนดของเสย
ทงปรมาณการใชนาและ
ปรมาณมลพษ
-
Point Source ไดแก มลพษท
เกดจากแหลงชมชนและ โรงงาน
อตสาหกรรม
-
Non Point Source ไดแก มลพษ
ทเกดจาก Runoff และ Discharge
หนวยงานในจงหวด
นครราชสมา และฐานขอมล
GIS จงหวดนครราชสมา
ของกรมสงเสรมคณภาพ
สงแวดลอม
- ขอมลอตนยมวทยา
Air Temperature, Dew point
temperature, Wind speed, Cloud
cover และ Shade and
Rainfall
กรมอตนยมวทยา
QUAL2Kw segmentation scheme
1
2
3
456
8
7
Non-pointabstraction
Non-pointsource
Point source
Point source
Point abstractionPoint abstraction
Headwater boundary
Downstream boundary
Point source
วธและขนตอนในการนาเขาขอมลของ แบบจาลอง QUAL2Kw
1. แบง Reach ของแมนา
โดยการแบงลานา ออกเปนชวงระยะทาง
(Reach) ซงเปนชวงของ ลานาทมลกษณะของ
hydraulic characteristics
แบบเดยวกน
H
1
23
45 6
ขรน.กนผม
ขรน.ขอยงาม
ขรน.คนชม
ขรน.มะขามเฒา
ขรน.กดหน
ขรน.มะเกลอใหม
เขอนลาตะคอง
การแบง Reach ของแมนาลาตะคอง
2.1) ขอมลอทกวทยา
•
Reach specific data–
Elevation
–
Latitude/Longitude
ลกษณะทางชลศาสตร
2.3) ขอมลคณภาพนาสถานตนนาและทายนา
ปรมาณความสกปรกของลมนา (Loading)
นาเสยจากแหลงกาเนดทแนนอน
(Point Source)
นาเสยจากแหลงกาเนดทไมแนนอน
(Non Point Source)
ชมชนในเขต
เทศบาล
โรงงาน
อตสาหกรรมกรณ Runoff
นาฝนไหลบา
กรณ Discharge
นาขาว
ฟารม
ปศสตว
เพาะเลยง
สตวนา
ชมชนนอกเขต
เทศบาล
(กรมควบคมมลพษ,
2545)
2.4) ขอมลแหลงกาเนดของเสยทงปรมาณการใชนาและปรมาณมลพษ
-Buffer Zone
0 –
1 กโลเมตร
-
90 % ของคา ภาระมลพษท
เกดขนจรงในลม นาทงหมดและอก
10 % ระบายลงส
พนดน
1
2
3
4
5
6
HEAD WATER
P6
P8
P10
P9
Npr1.1_0-1
P7
Npr2.1_0-1
Npr1.2_0-1
P5
Npr1.3_0-1P1
P2
P3
P4
Npr1.5_0-1
Npr1.6_0-1
Npr1.7_0-1
Npr1.8_0-1
Npr2.4_0-1
Npr2.2_0-1
Npr2.3_0-1
Npr3.1_0-1Npr3.2_0-1
Npr3.4_0-1
Npr3.4_0-1
Npr3.3_0-1
Npr4.1_0-1Npr4.4_0-1
Npr4.3_0-1
Npr4.2_0-1Npr4.5_0-1
Npr5.1_0-1
Npr5.2_0-1
Npr5.3_0-1
Npr6.1_0-1
Npr6.2_0-1
Npr6.4_0-1
Pi1.1_0-1
to
Pi1.28_0-1
Pi3.1_0-1
to
Pi3.11_0-1
Pi4.1_0-1
to
Pi4.3_0-1
Pi5.1_0-1
to
Pi5.41_0-1
Pi6.1_0-1
to
Pi6.7_0-1
Npp1.1_0-1
to
Npp1.6_0-1
Npc1.18_0-1
to
Npc1.26_0-1
Npk1.29_0-1
to
Npk1.57_0-1
Npk3.1_0-1
to
Npk3.4_0-1
Npr2.5_0-1
Npr4.6_0-1
Npr5.4_0-1
Npr6.3_0-1
Npr6.5_0-1
Npr6.6_0-1
-Buffer Zone 1–5 กโลเมตร
-20 % ของคาภาระ มลพษทเกดขน
จรงในลมนา ทงหมดและอก
80 % ระบายลงส
พนดน
1
2
3
4
5
6
HEAD WATER
P11
Npr1.1_1-5
Npr1.7_1-5 Npr1.6_1-5
Npr1.2_1-5Npr1.4_1-5Npr1.5_1-5
Npr1.8_1-5 Npr1.3_1-5
Npr2.1_1-5
Npr2.6_1-5
Npr2.5_1-5
Npr2.2_1-5
Npr2.3_1-5Npr2.4_1-5
Npr3.1_1-5
Npr3.2_1-5
Npr3.3_1-5
Npr3.7_1-5 Npr3.4_1-5
Npr3.5_1-5
Npr3.6_1-5
Npr4.4_1-5Npr4.1_1-5
Npr4.2_1-5
Npr4.6_1-5
Npr4.3_1-5Npr4.7_1-5
Npr4.8_1-5 Npr4.5_1-5
Npr5.1_1-5
Npr5.8_1-5
Npr5.2_1-5
Npr5.3_1-5
Npr5.6_1-5
Npr5.7_1-5
Npr5.5_1-5
Npr6.1_1-5
Npr6.2_1-5Npr6.3_1-5 Npr6.4_1-5
Npr6.5_1-5
Npr6.6_1-5
Npr6.7_1-5
Pi2.1_1-5
to
Pi2.2_1-5
Pi1.1_1-5
Pi3.1_1-5
to
Pi3.4_1-5
Pi4.1_1-5
to
Pi4.4_1-5
Pi5.1_1-5
to
Pi5.30_1-5
Pi6.1_1-5
to
Pi6.14_1-5
Npp1.7_1-5
Npk3.5_1-5to
Npk3.8_1-5
Npp4.1_1-5
Npk5.1_1-5
-
Buffer Zone มากกวา 5 กโลเมตร
-
10 % ของคาภาระ
มลพษทเกดขนจรง ในลมนาทงหมดและ
อก 90 % ระบายลงส
พนดน
1
2
3
4
HEAD WATER
Npr1.2_>5Npr1.5_>5
Npr1.1_>5
Npr1.4_>5
Npr1.7_>5
Npr1.3_>5
Npr1.6_>5
Npr2.2_>5
Npr2.6_>5
Npr2.1_>5
Npr2.3_>5
Npr2.4_>5
Npr2.7_>5
Npr2.5_>5
Npr3.1_>5
Npr3.5_>5
Npr3.5_>5
Npr3.2_>5
Npr3.3_>5
Npr3.4_>5
Npr4.3_>5
Npr4.4_>5
Npr4.2_>5
Npr4.1_>5
Npr4.7_>5
Npr4.5_>5
Npr4.5_>5
Npr4.8_>5
Pi1.1_>5
to
Pi1.3_>5
Pi2.1_>5
Pi3.1_>5
to
Pi3.2_>5
Pi4.1_>5
Npp1.8_>5
to
Npp1.17_>5
Npd1.28_>5Npk1.58_>5
to
Npp1.147_>5
Npk2.1_>5
Npk3.9_>5
to
Npk3.11_>5
(วราภรณ ทนงศกด,
2547)
QUAL2Kw Inputs,cont.
•
Point Sources Pollution–
Location
–
Waste Flow–
Temperature characteristics
QUAL2Kw Inputs,cont.
•
Diffuse Sources (Non-point)–
Location (upstream to downstream)
–
Waste Flow–
Temperature characteristics
2.5) ขอมลอตนยมวทยา
•
Climate Data (also reach specific)
Dew point temperature
Air temperature
Wind speed
Cloud cover
Shade
QUAL2Kw Inputs,cont.
•
Climate Data (also reach specific)
Light and Heat parameters
การปรบเทยบดวย GA
1
2
3
)fitness (1.1 จะใหวนกรอบเมอไดคาตอบ คงทแลว
1.2 จานวนของประชากรในแตละรน (Population
Size) 1.3 จานวนของรน (Generation)
1.5 ความนาจะเปนของการไขวสายพนธกรรม
1.6 คาเรมตนของกระบวนการผาสายพนธกรรม
1.7 คานอยทสดของกระบวนการผาสายพนธกรรม
1.8 คามากทสดของกระบวนการผาสายพนธกรรม
1.11 คาเรมตนของววฒนาการใหม
0 = สมคาเรมตนใหม
สดทายมาเปน คาเรมตน) Generation (1 = เลอกรน
1.10 การเกบสายพนธทดทสดของรนปจจบน (0=off/1=on)
1.4 รปแบบการเขารหสสายพนธกรรม (Coding System)
1.9 ความแตกตางของคา fitness
Objective Function
เมอ Oi, j
= observed value
Pi, j
= predicted value
m
= number of pairs of predicted and observed values
Wi
= weighting factor
q
= number of different state variables (e.g. dissolved oxygen, pH, nutrient concentrations,etc.) included in the reciprocal of the weighted normalized RMSE.
( )
⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎥⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢⎢
⎣
⎡−
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡= ∑
∑
∑
∑=
=
=
=
q
im
j
m
jq
i
m
jOijPi
m
jOi
WiWixf
1
1
2
1
12
1
,,
,
1)(
sheet Fitness ใชใสคาในสมการ Objective function
การตรวจสอบความถกตองของแบบจาลอง (Verification)
ในขนตอนน จะมวธการดาเนนการ เชนเดยวกบขนการปรบเทยบแบบจาลอง
จากนนทาการคานวณผลโดยใชคาสมประสทธทไดจากการปรบเทยบ
เปรยบเทยบกบผลจากการตรวจวดของฝายจดการคณภาพนา สวนชางสขาภบาลเทศบาลนครนครราชสมา
ในการศกษาวจยนไดเลอกพจารณา สถตวเคราะหคาคลาดเคลอนของการ
พยากรณ (Root mean square error [RMSE]) เปนสถตทใชในการพจารณาความ
คลาดเคลอนของผลการคานวณจากแบบจาลองและขอมลจรง
ประเมนภาระมลพษและคาดการณคณภาพนาในอนาคต
•
ทาการคาดการณมลพษจากแหลงกาเนดมลพษประเภทตางๆ
ทง Point Source และ Non Point Source ทจะเกดขนในพนท
ล มน าล าตะคองในอนาคต รวมท ง ใชแบบจาลองทาง คณตศาสตรคาดการณลกษณะคณภาพนาในแมนาลาตะคองใน อก 5 ป (พ.ศ.2553) และ 10 ป (พ.ศ.2558) ขางหนา
วเคราะหและสรปผลการศกษา
•
วเคราะหและสรปผลการศกษาทไดจากการปรบเทยบ
(Calibration) แบบจาลอง QUAL2Kw ดวยวธของพนธกรรม คอมพวเตอร (Genetic Algorithm) ในการประเมนภาระมลพษ ในแมนาลาตะคองทงในสถานการณปจจบนและอนาคต
ผลและอภปราย
สามารถแบงหวขอออกไดดงน
4.1 การปรบเทยบแบบจาลอง QUAL2Kw โดยใช Genetic
Algorithm
4.2 การวเคราะหความออนไหว (Sensitivity Analysis)
4.3 การตรวจสอบความถกตองของแบบจาลอง QUAL2Kw
4.4 ภาระมลพษทระบายลงลมนาลาตะคอง
4.5 การคาดการณคณภาพนาในอนาคต
4.6 อภปรายกระบวนการคดเลอกทางพนธกรรมคอมพวเตอร (GA
Operators)
4.1 การปรบเทยบแบบจาลอง QUAL2Kw โดยใช
Genetic Algorithm
4.1.1 ลกษณะทางชลศาสตร (Hydraulic Characteristics)
4.1.2 ผลการปรบเทยบคณภาพนา (Water Quality)
Lam Takhong River
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0 20 40 60 80 100
distance downstream (Km)
flow
(m3/s
)
Q, m3/s Q-data m3/s
Lam Takhong River
0
1
2
3
4
5
0 20 40 60 80 100
distance downstream (Km)
dept
h (m
)
H, m H-data m
อตราการไหลของนาและระดบนาในชวงฤดฝน
% ความแตกตาง เทากบ 11.73
% ความแตกตาง เทากบ 9.28
อตราการไหลของนาและระดบนาในชวงฤดแลง
Lam Takhong River
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0 20 40 60 80 100
distance downstream (Km)
flow
(m3/s
)
Q, m3/s Q-data m3/s
Lam Takhong River
0
1
2
3
4
0 20 40 60 80 100
distance downstream (Km)
dept
h (m
)
H, m H-data m
% ความแตกตาง เทากบ 24.80
% ความแตกตาง เทากบ 9.07
4.2 การวเคราะหความออนไหว (Sensitivity Analysis) ผลการทดสอบคา Sensitivity ของ กระบวนการคดเลอกตามธรรมชาต
(GA operators) ตางๆ ในลานาลาตะคอง
Items
Results
Charbonneau and Knapp Goldberg and Michalewicz
Wet Dry Wet Dry
Type of selection
Elitism + Full
generational
replacement
Elitism + Full
generational
replacement
Tournament
Selection
Tournament
Selection
Type of crossover
equal probability of
either one-point, two-
point, or uniform
equal probability of
either one-point, two-
point, or uniform
Uniform crossover Uniform crossover
Type of mutationone-point mutation,
fixed rate
one-point
or creep,
fixed rate
Modified uniform
mutation
Modified uniform
mutation
Probability of crossover 0.60 0.65 0.90 0.80
Probability of mutation 0.23 0.15 0.13 0.25
Population size 100 100 100 100
Generation in the evolution 80 20 50 30
Best Fitness 0.71074 0.70450 0.69074 0.68450
Execution Time (minute) 2,352.23 520.62 230.65 131.75
คณภาพนาฤดฝน
Dissolved Oxygen
0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
6.00
7.00
0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00
Distance (km)
diss
olve
d ox
ygen
(mg/
l)
Simulated#1Simulated#2Measured
Biochemical Oxygen Demand
0.000.501.001.502.002.503.003.504.004.505.00
0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00
Distance (km)
BOD
(mg/
l) Simulated#1Simulated#2Measured
Ammonia-Nitrogen
0.00
500.00
1000.00
1500.00
2000.00
2500.00
3000.00
0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00
Distance (km)
amm
onia
(ugN
/L)
Simulated#1Simulated#2Measured
***Simulated#1 = Charbonneau and Knapp,
Simulated#2 = Goldberg and Michalewicz
ฤดฝน
Nitrate-Nitrogen
0.00
100.00
200.00
300.00
400.00
500.00
600.00
0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00
Distance (km)
nitra
te -
nitr
ogen
(ugN
/L)
Simulated#1Simulated#2Measured
Total Phosphorus
0.00
100.00
200.00
300.00
400.00
500.00
600.00
700.00
800.00
0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00
Distance (km)
TP (u
gP/l)
Simulated#1Simulated#2Measured
Total Coliform Bacteria
0.00
100,000.00
200,000.00
300,000.00
400,000.00
500,000.00
600,000.00
700,000.00
0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00
Distance (km)
TCB
(cfu
/100
ml)
Simulated#1Simulated#2Measured
Conductivity
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00
Distance (km)
cond
uctiv
ity (u
mho
s)
Simulated#1Simulated#2Measured
Temperature
25.50
26.00
26.50
27.00
27.50
28.00
28.50
0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00
Distance (km)
tem
pera
ture
(deg
C)
Simulated#1Simulated#2Measured
pH
7.00
7.10
7.20
7.30
7.40
7.50
7.60
7.70
0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00
Distance (km)
pH
Simulated#1Simulated#2Measured
Dissolved Oxygen
0
1
2
3
4
5
6
7
0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00
Distance (km)
diss
olve
d ox
ygen
(mg/
l)
Simulated#1Simulated#2Measured
Biochemical Oxygen Demand
0
1
2
3
4
5
6
7
0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00
Distance (km)
BOD (m
g/l)
Simulated#1Simulated#2Measured
Ammonia-Nitrogen
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00
Distance (km)
amm
onia
(ugN
/L
Simulated#1Simulated#2Measured
คณภาพนาฤดแลง
***Simulated#1 = Charbonneau and Knapp,
Simulated#2 = Goldberg and Michalewicz
Nitrate-Nitrogen
0
100
200
300
400
500
600
700
0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00
Distance (km)
nitr
ate
- nitr
ogen
(ugN
/L)
Simulated#1Simulated#2Measured
Total Phosphorus
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00
Distance (km)
TP
Simulated#1Simulated#2Measured
Total Coliform Bacteria
0.00
500,000.00
1,000,000.00
1,500,000.00
2,000,000.00
2,500,000.00
3,000,000.00
0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00
Distance (km)
TCB
(cfu
/100
ml)
Simulated#1Simulated#2Measured
Conductivity
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00
Distance (km)
cond
uctiv
ity (u
mho
s)
Simulated#1Simulated#2Measured
Temperature
0.00
5.00
10.00
15.00
20.00
25.00
30.00
35.00
0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00
Distance (km)
tem
pera
ture
(deg
C)
Simulated#1Simulated#2Measured
pH
7.20
7.30
7.40
7.50
7.60
7.70
7.80
7.90
0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00
Distance (km)
pH
Simulated#1Simulated#2Measured
4.3 การตรวจสอบความถกตองของแบบจาลอง QUAL2Kw Lam Takhong River
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0 20 40 60 80 100
distance downstream (Km)
flow
(m3/s
)
Q, m3/s Q-data m3/s
Lam Takhong River
0
1
2
3
4
0 20 40 60 80 100
distance downstream (Km)
dept
h (m
)
H, m H-data m
ตรวจสอบความถกตองของ แบบจาลอง QUAL2Kw กบการ
ตรวจวดคณภาพนาของเทศบาลนคร นครราชสมา
Dissolved Oxygen
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00
Distance (km)
diss
olve
d ox
ygen
(mg/
l)
Simulated#1Simulated#2Measured
Biochemical Oxygen Demand
02468
101214161820
0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00
Distance (km)
BO
D (m
g/l)
Simulated#1Simulated#2Measured
Conductivity
0
100200
300
400500
600
700800
900
0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00
Distance (km)
cond
uctiv
ity (u
mho
s)
Simulated#1Simulated#2Measured
Temperature
0.00
5.00
10.00
15.00
20.00
25.00
30.00
35.00
0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00
Distance (km)
tem
pera
ture
(deg
C)
Simulated#1Simulated#2Measured
pH
7.20
7.30
7.40
7.50
7.60
7.70
7.80
0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00
Distance (km)
pH
Simulated#1Simulated#2Measured
4.4 ภาระมลพษทระบายลงลมนาลาตะคอง
H
1
23
45 6
BOD เทากบ 15,160,758.61
kg/day
BOD เทากบ 237,402.09
kg/day
BOD เทากบ 284,558.50
kg/day
BOD เทากบ 9,202.23
kg/day
BOD เทากบ 7,721.38
kg/day
BOD เทากบ 654.30
kg/day
4.4 ภาระมลพษทระบายลงลมนาลาตะคอง
H
1
23
45 6
ฟอสเฟตเทากบ 4.71
kg/day
ฟอสเฟตเทากบ 1.38
kg/day
ฟอสเฟตเทากบ 2.51
kg/day
ฟอสเฟตเทากบ 2.15
kg/day
ฟอสเฟตเทากบ 2.89
kg/day
ฟอสเฟตเทากบ 0.93
kg/day
4.4 ภาระมลพษทระบายลงลมนาลาตะคอง
H
1
23
45 6
ไนเตรท เทากบ 31.95
kg/day
ไนเตรท เทากบ 9.12
kg/day
ไนเตรท เทากบ 16.37
kg/day
ไนเตรท เทากบ 13.85
kg/day
ไนเตรท เทากบ 17.69
kg/day
ไนเตรท เทากบ 6.04
kg/day
H
1
23
45 6
ประเภทท 3 ประเภทท 4,5
4.5 การคาดการณคณภาพนาในอนาคต 5 ป (พ.ศ.2553)
และ 10 ป (พ.ศ.2558)
H
1
23
45 6
ประเภทท 4 ประเภทท 5
4.6 อภปรายกระบวนการคดเลอกทางพนธกรรมคอมพวเตอร
(GA Operators)
•
จดท Execution time ของ GA Operators ของ Charbonneau
and Knapp อยทขบวนการสมคดเลอกโครโมโซมพอแมทใช
วธการของวงลอรเลท (Roulette Wheel) แบบวธการจดอนดบ
(Ranking Selection) ซงม
–
ขอดคอจะใหคาของโอกาสในการถกคดเลอกทไมแปรผนไปตาม ขนาดของคาความเหมาะสมแตจะขนอยกบอนดบของโครโมโซม
–
อยางไรกตามวธการดงกลาวจะมผลทาใหการลเขาสคาตอบของ GA
ชา เนองมาจากโครโมโซมทดอยกวามโอกาสในการถกคดเลอกทด
ขนเมอเปรยบเทยบกบวธอนๆ (อาทตย ศรแกว,
2002)
สรปและขอเสนอแนะ
สรปผลการศกษา
- เ นองจากว ธการปรบเทยบคาสมประสทธภายใน แบบจาลอง QUAL2Kw โดยใช GA Operators ตางๆ ทงของ
Charbonneau and Knapp
(2002) และของ Goldberg (1989) and Michalewicz
(1992) มทงจดเดนและจดดอยแตกตางกนไป
- อยางไรกตาม GA Operators ของทง 2 รปแบบสามารถ จาลองคณภาพนาของแมนาลาตะคองไดใกลเคยงกบสถาน
ตรวจวดคณภาพนาของกรมควบคมมลพษ ยกเวนคาโคลฟอรม
แบคทเรยทงหมด (TCB) ของชวงลานาท 5 ทไมสามารถจาลอง ไดเ นองจากขาดขอมลทจะนามาคานวณภาระโคลฟอรม แบคทเรยทงหมดทระบายลงสแมนาลาตะคอง
ขอเสนอแนะในการวจยตอไป
1) การศกษาในครงนไมไดนาขอมลของจดสบนา (point
abstraction) มาใชรวมดวยจงทาใหการคาดการณ
ลกษณะทางชลศาสตรมความคลาดเคลอน
2) ควรศกษาเพมเตมเกยวกบคาความสาคญของปจจย
(Weighting factor) ของแตละพารามเตอร เพอเพม
ประสทธภาพของแบบจาลอง QUAL2Kw
ขอเสนอแนะในการวจยตอไป (ตอ)
3) ควรมการศกษาคาแอมโมเนยจากฟารมสกรเพมเตมเพอใหแบบจาลอง สามารถจาลองคา แอมโนเนยไนโตรเจนไดใกลเคยงความเปนจรงมาก ยงขน
4) ควรมการศกษาปรมาณการปลอยนาจากเขอนระบายแตละแหงใหไปเจอ จางมลพษใหอยในเเกณฑมาตรฐานทกาหนด รวมทงควรมการศกษา
เพมเตมในสวนของความสามารถในการรองรบของเสยสงสดรายวนดวย
5) ในการพฒนาแบบจาลอง QUAL2Kw ควรใชเครองคอมพวเตอรทม
ประสทธภาพสงเนองจากหากใชเครองคอมพวเตอรทมประสทธภาพตาจะ
ทาใหใชเวลาในการคานวณนานมาก หากเปนไปไดในการทาสวนตดตอ กบผใช (GUI) ควรใชโปรแกรมสาหรบการคานวณโดยเฉพาะเนองจาก
โปรแกรมทพฒนาไดจะมความเรวมากกวาโปรแกรมทพฒนาจาก VBA
Thank You for your AttentionThank You for your Attention
Q & A
กตตกรรมประกาศ
•
ผวจยขอขอบพระคณมหาวทยาลยราชภฏนครสวรรคทให
โอกาส และสนบสนนทนการศกษาแกผวจยและขอกราบ ขอบพระคณ รศ.ดร.กมปนาท ภกดกล อาจารยทปรกษา วทยานพนธ รศ.ดร.จาลอง อรณเลศอารย อาจารย ดร.ทอง เปลว กองจนทร กรรมการควบคมวทยานพนธ ทใหความร ให
คาปรกษาแนะนา ตลอดจนการตรวจแกไขโครงรางวทยานพจน
จนกลายเปนรปเลมวทยานพนธเลมน อกทงยงให ประสบการณ
การทางานทดและมคณคาอยางยงเพอปรบไปใชในการทางาน รวมกบผอนได ขอขอบพระคณไว ณ ทนดวย