کلیدواژه: سیستم استنتاج عصبی-فازی تطبیقی چندخروجی، پساب اسیدی معدن، فلزات سنگین، رگرسیون خطی چندگانه فهرست فهرست مطالب.....حفهرست شکل‌ها.....یفهرست جدول‌ها....مفهرست علایم و نشانه‌ها.....نفهرست مطالبفصل اول1کلیات11-1-مقدمه21-2-تعریف مسأله31-2-1-پساب اسیدی معدنی41-2-2- منشاء پسابهای اسیدی معدن41-2-3- واکنشهای اکسیداسیون و تولید اسید61-2-4- عوامل موثر بر نرخ اکسید شدن پیریت81-2-5- اثرات زیست محیطی پسابهای اسیدی معدن81-3-مروری بر پیشینه مطالعات انجام شده111-4- ضرورت انجام تحقیق181-5-اهداف تحقیق191-6-سازماندهی پایان نامه19فصل دوم21سیستم استنتاج فازی-عصبی تطبیقی212-1-مقدمه222-2-منطق فازی232-2-1-تئوری فازی از دیدگاه ریاضی232-2-2-سیستم استنتاجی فازی232-2-3-سیستم استنتاجی فازی خالص252-2-4-سیستم استنتاج فازی ممدانی252-2-5-سیستم استنتاج فازی تاکاگی-سوگونو و کانگ262-3-شبکه‌های عصبی مصنوعی282-3-1-آموزش شبکه عصبی مصنوعی302-4-سیستم استنتاج عصبی-فازی تطبیقی302-4-1 -ساختار رياضي انفیس312-5-سیستم استنتاجی عصبی-فازی تطبیقی چند خروجی352-5-1-عملیات آموزش سیستم استنتاج عصبی-فازی تطبیقی چند خروجی372-5-2-پارتیشن بندی شبکه392-5-3- خوشه بندی کاهشی392-5-3- فازی میانگین - c402-6-جمع بندی41فصل سوم42معرفی و خصوصیات کلی معدن مس سرچشمه423-1- مشخصات عمومي معدن مس سرچشمه433-1-1- موقعيت جغرافيايي و شرايط اقليمي كانسار پورفيري مس سرچشمه433-2- تاريخچه معدن مس سرچشمه443-4- كاني سازي در معدن مس سرچشمه453-5-مطالعاتانجامشدهبررويسدباطلهمعدنمسسرچشمه453-5-1- احداث سد باطله463-5-2-هيدرولوژي منطقه473-6-باطله‌هاي معدن مس سرچشمه483-6-1-مقدمه483-6-2-سايت معدني سرچشمه503-6-3- نمونه برداری و روش‌های صحرایی513-7-جمع‌بندی54فصل چهارم55مدلسازی و آنالیز نتایج554-1-مقدمه564-2- پیشبینی فلزات سنگین در پساب اسیدی معدن با استفاده از مدل سیستم استنتاج عصبی-فازی تطبیقی چند متغیره644-2-1-معیارهای ارزیابی عملکرد مدل664-3-نتایج حاصل از سیستم استنتاج عصبی-فازی تطبیقی چندخروجی664-4-رگرسیون خطی784-4-1-رگرسیون خطی چندگانه794-5-نتایج حاصل از رگرسیون خطی چندگانه80فصل پنجم875-1-نتیجه گیری کلی885-2-پیشنهادات91منابع92فهرست اشکال شکل 1‑1 -اکسید شدن پیریت و تولید اسید در یک معدن زغال‌سنگ.................................................................6شکل 1‑2-میکروگراف الکترونی از باکتری تیوباسیلوس فرواکسیدان......................................................................7شکل 1‑3-آلودگی آبهای سطحی درغرب ویرجینیا.................................................................................................9شکل 1‑4-مرگ ماهیان بر اثر تخلیۀ پساب اسیدی معدن حاصل از معادن رومانی در رودخانۀ دانوب..........9شکل 1‑5-آلودگی آبهای سطحی توسط پساب اسیدی حاصل از معادن زغال سنگ در غرب پنسیلوانیا.10شکل 2‑1-ساختار یک سیستم فازی...........................................................................................................................23شکل 2‑2-ساختار سه سیستم استنتاجی فازی.........................................................................................................24شکل 2‑3-سیستم فازی ممدانی...................................................................................................................................25شکل 2‑4-سیستم فازی TSK.......................................................................................................................................26شکل 2‑5-ساختار يك نرون مصنوعي..........................................................................................................................27شکل 2‑6-ساختار نمونه انفیس در مدل فازي سوگنو..............................................................................................30شکل 2‑7-ساختار دیگری از انفیس..............................................................................................................................33شکل 2‑8-سیستم استنتاجی عصبی-فازی تطبیقی چند خروجی مدل سوگنو مرتبه با یک ورودی و سه خروجی.................................................................................................................................................................................36شکل 3‑1-موقعیت جغرافیایی کانسار مس سرچشمه...............................................................................................43شکل 3‑2-سد باطله در معدن مس پورفیری سرچشمه...........................................................................................45شکل 3‑3-محل معدن مس سرچشمه و رودخانه شور.............................................................................................50شکل 3‑4-محل نمونه‌برداری رودخانه شور.................................................................................................................51شکل 3‑5-محل‌های نمونه برداری و موقعیت معدن مس سرچشمه.....................................................................53شکل 4‑1-رسوب سولفات مس و آهن مس سرچشمه.............................................................................................57شکل 4‑2-رسوب کانیهای ثانویه سولفات مس و آهن............................................................................................57شکل 4‑3-کلوئیدی شدن پساب و انحلال سولفیدها................................................................................................58شکل 4‑4-کلوئیدی شدن پساب و انحلال سولفات در پساب فرعی......................................................................58شکل 4‑5-پساب خروجی از معدن، کدر و حاوی ذرات معلق آهن........................................................................60شکل 4‑6-رسوبات بی‌شکل پوشاننده پساب و رسوبات آهن در حواشی آن.........................................................60شکل 4‑7-روند تغییرات غلظت(ppm)آلایندههای فلزی از بالادست به پایین دست روخانه شور...................62شکل 4‑8 -توابع عضویت به دست آمده توسط مدل MANFIS-GP.................................................................68شکل 4‑9-توابع عضویت به دست آمده توسط مدل MANFIS-SCM...............................................................69شکل 4‑10-توابع عضویت به دست آمده توسط مدل MANFIS-FCM............................................................70شکل 4‑11-همبستگی بین مقادیر اندازه گیری شده و پیشبینی شده مس توسط مدل MANFIS-SCM الف) مجموعه داده‌های آموزشی، ب) مجموعه داده آزمون.......................................................................................72شکل 4‑12-همبستگی بین مقادیر اندازه گیری شده و پیشبینی شده آهن توسط مدل MANFIS-SCMالف) مجموعه داده‌های آموزشی، ب) مجموعه داده آزمون.......................................................................................73شکل 4‑13-همبستگی بین مقادیر اندازه گیری شده و پیشبینی شده منگنز توسط مدل MANFIS-SCM الف) مجموعه داده‌های آموزشی، ب) مجموعه داده آزمون..........................................................................75شکل 4‑14-همبستگی بین مقادیر اندازه گیری شده و پیشبینی شده روی توسط مدل MANFIS-SCM الف) مجموعه داده‌های آموزشی، ب) مجموعه داده آزمون.......................................................................................75شکل 4‑15-مقایسه بین اندازه گیری و پیشبینی شده Cu با استفاده از مدل MANFIS-SCM برای مجموعه داده‌های آزمون..................................................................................................................................................76شکل 4‑16-مقایسه بین اندازه گیری و پیشبینی شده Fe با استفاده از مدل MANFIS-SCM برای مجموعه داده‌های آزمون..................................................................................................................................................76شکل 4‑17-مقایسه بین اندازه گیری و پیشبینی شده Mn با استفاده از مدل MANFIS-SCM برای مجموعه داده‌های آزمون................................................................................................................................................77شکل 4‑18-مقایسه بین اندازه گیری و پیشبینی شده Zn با استفاده از مدل MANFIS-SCM برای مجموعه داده‌های آزمون...............................................................................................................................................77شکل 4‑19 -همبستگی بین غلظت فلزات سنگین اندازه‌گیری شده و پیشبینی شده با استفاده از MLR برای داده‌های آزمون و آموزش....................................................................................................................................85 فهرست جداول جدول 3‑1-ماکزیمم و مینیمم پارامترهای فیزیکی و شیمیایی غلظت فلزات سنگین رودخانه شور53جدول 3‑2-محل و موقعیت جغرافیایی ایستگاه‌های نمونه‌برداری آب53جدول 4‑1-ماکزیمم و مینیمم پارامترهای فیزیکی و شیمیایی غلظت فلزات سنگین رودخانه شور و استاندارد آب(همه نمونه‌ها بر حسبppm)61جدول4‑2-ماتریس همبستگی بین غلظت فلزات سنگین و متغییرهای مستقل65جدول 4‑3-خصوصیات مدل‌هایMANFIS67جدول 4‑4-مقایسه بین نتایج حاصل از سه مدل برای مجموعه داده‌های آزمون71جدول 4‑5-مشخصات آماری از مدل رگرسیون چندگانه81فهرست علائم و نشانه‌ها اختصار معادل فارسی معادل انگلیسیANNشبکه عصبی مصنوعیArtificial Neural NetworkAMDپساب اسیدی معدنAcid Mine DrainageMNNشبکه عصبی مصنوعی مدولارModular Neural NetworkBPشبکه عصبی مصنوعی پس انتشارBack-propagationMLRرگرسیون خطی چندگانهMultiple linear regressionTDSکل جامد محلولTotal dissolved solidsRMSریشه میانگین مربع خطاRoot Mean Square ErrorDOغلظت اکسیژن محلولDissolved oxygenCODباقی مانده اکسیژن شیمیاییChemical oxygen demandBPNNشبکه عصبی مصنوعی پس انتشارBack Propagation Neural NetworkGRNNشبکه عصبی مصنوعی رگرسیون عمومیGeneral Regression Neural NetworkANFISسیستم استنتاج عصبی-فازی تطبیقیAdaptive neuro-fuzzy inference systemFLمنطق فازیFuzzy logicMFتابع عضویتMembersip FunctionTSK سیستم فازی تاکاگی-سوگنو-کانگTakagi Sugeno Kang FISFISسیستم استنتاج فازیFuzzy Inference SystemLSMروش حداقل مربعاتLeast square methodMANFISسیستم استنتاج عصبی-فازی تطبیقی چندخروجیMulti-outputs Adaptive Neuro-fuzzy SystemVAFمحاسبه واریانس بین دو چیزVariance Account ForGPپارتیشن‌بندی شبکهGrid PartitioningSCMروش خوشه‌بندی کاهشیSubtractive clustering methodFCMروش فازی میانگین-cFuzzy C-means method 1-1-مقدمهدر سال‌های اخیر توسعه روزافزون فعاليت‌هاي كشاورزي و صنعتي و افزايش قابل توجه حجم فاضلاب‌هاي شهري موجب آلودگي منابع آب، خصوصا رودخانه‌ها گشته است. ورود پساب‌هاي صنعتي سبب افزايش دما، مواد آلي و معدني، و تركيبات خطرناك فلزات سنگين در آب شده و اين امر علاوه بر آلودگي محيط‌زيست آبزيان، سبب برهم خوردن تعادل تركيبات موجود در آب نيز مي‌گردد. با توجه به مشكلات كمي و كيفي منابع آب كشور و واقع شدن ايران در منطقه خشك و نيمه‌خشك و رويارويي با بحران‌هاي كم آبي، تدوين برنامه‌هاي مديريت كيفي براي كليه منابع آبي، راهكاري ضروري و غير قابل اجتناب در جهت حفاظت و بهره‌برداري پايدار از منابع آبي است.با ظهور فناوري نوين اطلاعات و استفاده از رايانه، شاهد تحولي شگرف در تمامي علوم هستيم. در حقيقت رايانه به همراه ساير فناوري‌هاي پيشرفته، راه را براي ظهور روش‌هاي هوشمند فراهم كرده است. از آنجايي كه فرآيندها و پديده‌هاي موجود در مهندسی به متغيرهاي بسياري وابسته هستند و بين اجزاء هم روابط پيچيده‌اي حاكم است، لذا روش‌های هوشمند به عنوان يك ابزار بسيار قدرتمند در شبيه‌سازي موضوعات مختلف علوم مهندسي از جمله مهندسی معدن میتوانند راهگشا باشند. با استفاده از اين روش‌ها، داده‌هاي مربوطه را به شبكه آموزش داده و سپس اين روش‌ها كار پيش‌بيني و شبيه‌سازي را با دقت مطلوب انجام خواهند داد[[i]].در سال‌های اخير، در کارهاي معدني و علوم زمين شناسي، به علت وجود ابهامات زياد كوشش زيادي در استفاده از هوش مصنوعی شده است. به عنوان مثال؛ بررسي‌هاي ژئوشيميايي به همراه عيار و تناژ آنها با استفاده از شبکه‌هاي عصبي مصنوعی، طبقهبندي مواد ارگانيکي رسوبي، عددي کردن داده‌هاي ژئوشيميايي در سنگ‌هاي آتشفشاني و طبقهبندي آنها با استفاده از شبکه‌هاي عصبي مصنوعي[1]، تعيين ويژگي‌هاي آکيفر با استفاده از شبکه‌هاي عصبي مصنوعی، تعيين ويژگي‌هاي مواد ناخالص در معدن سنگ آهک با استفاده از شبکه‌هاي عصبي پسخور[2]، استفاده از شبکه عصبي مصنوعی براي يافتن موقعيت نهشته‌ها، تخمين عيار و ذخيره و مقايسه نتايج حاصله از کريجينگ و شبکه عصبي مصنوعی و منطق فازی، کارهاي پيش بيني در معدن اشاره نمود.به طور كلي مدل‌سازي يكي از ابزارهاي مناسب براي تصميم‌گيري و پيش‌بيني پديده‌هاي محيط زيستي مي‌باشد كه اغلب به صورت مدل‌هاي مفهومي با روابط رياضي بيان مي‌شوند. فرآيندها و پديده‌هايي كه در سيستم‌هاي محيط‌زيستي وجود دارد و مهندسين محيط‌زيست با آن در ارتباط هستند، اغلب دو خصوصيت عمده دارند: 1- وابسته به متغيرهاي زياد هستند، 2-روابط بسيار پيچيده‌اي بين اجزا وجود دارد كه تحليل آن را بسيار مشكل مي‌نمايد. اين مشكل همواره باعث خطا در دقت و صحت پيش‌بيني مدل‌هاي مرسوم مي‌شود. هوش مصنوعی از جمله روش‌هاي پيشرفته و نوين در شبيه‌سازي مي‌باشد كه امروزه در تمام علوم مهندسي به عنوان يك ابزار قوي در شبيه‌سازي پديده‌هايي كه تحليل مفهومي آنها با مشكل مواجه است، كاربرد بسياري پيدا كرده است؛ در اين روش داده‌هاي مشاهده‌اي به مدل آموزش داده مي‌شود و پس از آموزش مدل با دقت مناسب كار پيش‌بيني و شبيه‌سازي را انجام مي‌دهد.پسابهای معدنی که در اثر فعالیتهای معدن‌کاری سولفیدی و زغال سنگ پدید میآید از جمله آلایندههای زيست‌محيطي جبران ناپذیر میباشد. در این میان پسابهای اسیدی به علت کاهش میزان pH محیط سبب انحلال بیشتر فلزات سنگین شده و با انتقال آب به درون آبهای سطحی و زیرزمینی اطراف معادن، باعث آلودگی آنها میشود[[ii]، [iii] و [iv]]. آلودگی زيست‌محيطي به این شکل در دراز مدت پس از تعطیلی معدن نیز موثر میباشد. یکى از مواد مزاحم و مشکلساز در امر بازسازی معادن سولفیدی، پیریت موجود در باطلههای فلزی و احیانا غیرفلزی مى‌باشد که در اثر اکسیداسیون و وجود رطوبت و آب کافى تولید اسید سولفوریک نموده و محیط دمپ را اسیدی مىنماید[[v] و[vi]].فعالیتهای استخراجی معادن مهم‌ترین عامل آلودگی آبهای زیرزمینی و سطحی به شمار میروند. استخراج معادن سبب کاهش کیفیت آب شده و بسیاری از مشکلات زیستمحیطی را سبب میگردند[[vii]]. از مشکلات مرتبط با عملیات معدنی، پسابهای اسیدی معدن[3] اهمیت اساسی داشته و چنانچه این پسابهای اسیدی که حاوی غلظتهای بالای آهن، سولفات و اسیدیته میباشند به داخل منابع آبهای سطحی و زیرزمینی راه پیدا کنند سبب آلودگی این آبها میشوند[[viii] و [ix]].اکسید شدن کانیهای سولفیدی و تولید اسید سولفوریک به عنوان یک اثر منفی و نامطلوب عملیات معدنی شناخته شده است[[x]]. اسید تولید شده حاوی کانیهای محلول[4]و فلزات مختلف به منابع آبهای سطحی و زیرزمینی راه یافته و ضمن آلودگی آنها موجب آلودگی خاکها نیز میشود[[xi] و [xii]].اگرچه فرآیند اکسید شدن پیریت و سایر کانیهای سولفید فلزی در حضور هوا غیر قابل اجتناب است؛ اما مطالعه کانهها و کانیهای باطله، جنبههای هیدرولوژیکی، و طرح معدن‌کاری[5]میتواند در طراحی یک عملیات معدنی که کمترین اثرات زیستمحیطی را به همراه داشته باشد کمک موثری نماید[[xiii] و [xiv]].اثرات زیستمحیطی مخرب که از پسابهای اسیدی معدن نتیجه میشوند، به دلیل مدیریت ضعیف در طول طراحی، توسعه، عملیات و بسته شدن کارهای معدنی و همچنین به دلیل فهم ناصحیح از پسابهای اسیدی معدن در گذشته میباشد[14].پسابهای اسیدی معدن شاید بدترین مشکل زیستمحیطی باشد که از فعالیتهای معدن‌کاری منشاء گرفته و اثرات منفی و زیان‌باری بر روی کیفیت آبهای سطحی و زیرزمینی دارد[[xv] و [xvi]]. بسیاری از معادن از قبیل معادن زغال سنگ، معادن سولفید فلزی، معادن روباز نواری[6]، کواریها[7]، باطلههای فرآوری[8] و روبارههای معادن[9] شامل کانیهای سولفید آهن به ویژه پیریت (FeS2) میباشند[ 14و [xvii]]. اکسید شدن این کانیها به ویژه پیریت توسط اکسیژن و آب و خصوصاً حضور یکسری باکتریهای خاص موجب ایجاد پسابهای اسیدی معدن میگردد.پسابهای اسیدی در معادن وقتی تولید میگردند که کانیهای سولفیدی در سطح زمین رخنمون داشته باشند. بنابراین نه تنها فعالیتهای معدنی سبب ایجاد پسابهای اسیدی میگردند بلکه هر جا که کانیهای پیریت در سطح زمین رخنمون پیدا کنند، این اسید تولید میشود[[xviii] و [xix]]. در گذشته چنین شواهدی به عنوان یک راهنمای مهم برای اکتشاف کانسارهای فلزی استفاده میشد.پسابهای اسیدی معدنی با خصوصیاتی همچون غلظت بالای آهن، سولفات و pH کم مشخص میگردند؛ علاوه بر آهن و سولفات، فلزات دیگری همچون آلومینیوم، منگنز و جامدات محلول نیز حضور دارند[[xx] و [xxi]]. تهنشین شدن و رسوب‌گذاری تعدادی از کانیهای ثانویه از قبیل ژیپس یا سولفاتهای هیدروکسید آهن سه ظرفیتی ممکن است رخ بدهد. بسته به وضعیت زمینشناسی سنگ میزبان کانسنگها و همچنین بسته به مواد و سنگهایی که در تماس با این آبها هستند، تعداد زیادی از فلزات با غلظت بالا ممکن است وجود داشته باشند. پسابهای اسیدی معمولاً حاوی تعداد زیادی یونهای فلزی همچون آهن، مس، روی، آرسنیک میباشند. چنین فلزاتی میتوانند به عنوان پتانسیلی برای آلودگی منابع آبهای سطحی و زیرزمینی باشند. بسته به وضعیت زمینشناسی آلایندههای فلزی را بشویند و حمل کنند. این آلایندهها عبارتند از آرسنیک، آزبست، کادمیوم، مس، سرب، جیوه، سولفور و روی. این فلزات به طرف منابع آبهای اطراف حمل شده و سبب آلودگی آنها میگردند[[xxii] و [xxiii]].همانطور که گفته شد پسابهای اسیدی معدن در نتیجه اکسیداسیون برخی از کانیهای سولفیدی خصوصاً پیریت حاصل میشوند. واکنشهای شیمیایی که بیان‌گر اکسیداسیون پیریت، تولید محصولات اکسیداسیون و اسید میباشد به شرح زیر است[[xxiv]، [xxv]، [xxvi] و [xxvii]]:(1-2)(1-2)(1-3)(1-4)(1-5)مطابق واکنشهای بالا تشکیل پسابهای اسیدی معدن ابتدا از اکسیداسیون مستقیم پیریت (شکل1-1) با اکسیژن و آب حاصل میشود که نتیجه آن Fe2+، SO4 2-و H+میباشد.شکل 1-1 -اکسید شدن پیریت و تولید اسید در یک معدن زغال‌سنگ[11] آهن دو ظرفیتی که در نتیجه اکسیداسیون پیریت آزاد میگردد، در مجاورت اکسیژن اکسید شده و به آهن سه ظرفیتی تبدیل میشود مطابق واکنش (1-2). این واکنش تنها واکنش مهم برای تولید آهن سه ظرفیتی میباشد. در شرایط pH پایین سرعت این واکنش کند میباشد[26، 27، [xxviii]، [xxix] و[xxx]]. در حضور باکتری تیوباسیلوس فرواکسیدان[10]سرعت این واکنش106 برابر افزایش مییابد[26]. آهن سه ظرفیتی تولید شده میتواند مطابق واکنش (1-3) با پیریت واکنش داده و Fe2+، SO4 2-وH+بیشتری تولید نماید. بررسی و آزمایشات نشان دادهاند که اکسید شدن پیریت توسط آهن سه ظرفیتی تنها وقتی حائز اهمیت است که باکتریهای تیو باسیلوس فرو اکسیدان (شکل1-2) حضور داشته باشند. آهن سه ظرفیتی هیدرولیز شده و تشکیل رسوب آمورف هیدرواکسید آهن میدهد. در حضور باکتریهای احیا کننده سولفات، سولفات به سولفید احیا میشود که نتیجه آن خنثی شدن pH و مصرف یونهای سولفات محلول میباشد.