Site selection for managed aquifer recharge using fuzzy rules: integrating geographical information system (GIS) tools and multi-criteria decision making

Abstract

One of the most important water-resources management strategies for arid lands is managed aquifer recharge (MAR). In establishing a MAR scheme, site selection is the prime prerequisite that can be assisted by geographic information system (GIS) tools. One of the most important uncertainties in the site-selection process using GIS is finite ranges or intervals resulting from data classification. In order to reduce these uncertainties, a novel method has been developed involving the integration of multi-criteria decision making (MCDM), GIS, and a fuzzy inference system (FIS). The Shemil-Ashkara plain in the Hormozgan Province of Iran was selected as the case study; slope, geology, groundwater depth, potential for runoff, land use, and groundwater electrical conductivity have been considered as site-selection factors. By defining fuzzy membership functions for the input layers and the output layer, and by constructing fuzzy rules, a FIS has been developed. Comparison of the results produced by the proposed method and the traditional simple additive weighted (SAW) method shows that the proposed method yields more precise results. In conclusion, fuzzy-set theory can be an effective method to overcome associated uncertainties in classification of geographic information data.

Résumé

L’une des plus importantes stratégies de gestion de la ressource eau en pays aride est la recharge contrôlée de l’aquifère (MAR). Pour établir un schéma MAR, la sélection du site est la première étape préliminaire qui peut être assistée par des systèmes d’information géographique (SIG). L’une des incertitudes les plus importantes dans la sélection de site avec un SIG est le nombre fini d’échelons ou intervalles résultant du classement des données. Afin de réduire ces incertitudes, une nouvelle méthode a été développée intégrant prise de décision multicritères (MCDM), SIG et prise de décision conditionnelle (FIS). La plaine Shemil-Ashkaradans la Province Hormozgan en Iran a été sélectionnée comme cas d’école ; pendage, profondeur de la nappe, potentiel de ruissellement, utilisation du sol, conductivité de l’eau souterraine, ont été considérés comme facteurs de sélection du site. En définissant des fonctions conditionnelles constituantes pour les strates d’entrée et de sortie, et en construisant des règles conditionnelles, un FIS a été développé. La comparaison des résultats produits par la méthode proposée et la méthode classique simple additive pondérée (SAW) montre que la méthode proposée fournit des résultats plus précis. En conclusion, la théorie de la méthode conditionnelle peut permettre de surmonter de façon pratique les incertitudes associées à la classification des données d’information géographiques.

Resumen

Una de los más importantes estrategias del manejo del recurso agua en tierras áridas es el manejo de la recarga de acuífero (MAR). Al establecer un esquema MAR, la selección del sitio es el prerequisito primordial que puede ser asistido por herramientas de un sistema de información geográfica (SIG). Uno de las incertidumbres más importantes en el proceso de selección del sitio usando SIG son los alcances o intervalos finitos que resultan de la clasificación de datos. Con el objeto de reducir estas incertidumbres, se ha desarrollado un método nuevo que involucra la integración de múltiples criterios para la toma de decisiones (MCDM), SIG, y un sistema de inferencia difusa (FIS). Se seleccionó la planicie Shemil-Ashkara en la provincia de Hormozgan en Irán como caso de estudio; se han sido considerados como factores para la selección del sitio la pendiente, la geología, la profundidad del agua subterránea, el potencial de escurrimiento superficial, el uso de la tierra, y la conductividad eléctrica del agua subterránea. Definiendo las funciones miembros difusas para las capa de entrada y de salida, construyendo las reglas difusas se ha desarrollado un FIS. La comparación de los resultados producidos por el método propuesto y el tradicional y simple método de la suma ponderada (SAW) muestra que el método propuesto brinda resultados más precisos. En conclusión, la teoría del conjunto difuso puede ser un método efectivo para superar las incertidumbres asociadas en la clasificación de datos de información geográfica.

摘要

干旱陆地区水资源管理策略中最重要的一条就是含水层人工补给(MAR). 在建立一个管理含水层补给方案中, 选址是先决条件, 能通过地理信息系统(GIS)来帮助完成. 利用地理信息系统来选址的过程中最重要的不确定性是有限的变范围或者由于数据分类而导致的间隔. 为了减少这些不确定性, 结合多准则决策(MCDM), 地理信息系统和模糊推理系统(FIS)开发了一个新的方法. 伊朗Hormozgan省的Shemil-Ashkara平原被选择为本次研究的案例; 斜坡, 地质, 地下水埋深, 径流潜力, 土地利用和地下水电导率作为选址考虑的因素. 通过定义输入层和输出层的模糊隶属函数以及建立模糊准则, 一个模糊推理系统就开发出来了. 通过比较本文建议的方法和传统简单的加权方法(SAW)产生的结果发现, 本文建议的方法得到的结果更准确. 总之, 模糊集理论可以作为一种有效的方法来克服地理信息数据分类中产生的相关的不确定性.

چکيده

چکيده: يکي از مهمترين راهکارهاي مديريتي منابع آب در مناطق خشک تغذيه مصنوعي آبهاي زيرزميني است. مکانيابي از مهمترين مسائل در مطالعات تغذيه مصنوعي آبهاي زيرزميني محسوب میشود. سامانههای اطلاعات جغرافيايي اغلب جهت تدارک نقشههاي مورد نياز در مکانيابي بکار مي روند. يکي از مهمترين عدم قطعيتها که در پروژههاي مکانيابي در محيط سامانههای اطلاعات جغرافيايي وجود دارد، وجود رنجها يا بازههای محدود شده ناشي از طبقهبندي دادهها است. جهت مدلسازي اين نوع عدم قطعيتها، در اين مقاله روش جديدي با تلفيق فرايند تصميم گيري چندمعياره، سامانه اطلاعات جغرافيايي و سامانه استنتاج فازي ارائه شده است. با انتخاب دشت شميل و آشکارا در استان هرمزگان ايران جهت مطالعه موردي، معيارهاي شيب، زمين شناسي، عمق آبهاي زيرزميني، پتانسيل سيلخيزي، کاربري زمين و هدايت الکتريکي آبهاي زيرزميني در اين دشت به عنوان معيارهای مکانيابی مورد استفاده قرار گرفتند. با تعريف توابع عضويت براي لايههاي ورودي و لايه خروجي، و همچنين تعيين قواعد فازي، يک سامانه استنتاج فازي توسعه داده شد. مقايسه نتايج حاصل از روش پيشنهادي و روش وزندهي ساده تجمعي به عنوان يک روش معمول، نشان دهنده دقت و اعتبار بيشتر روش پيشنهادي است. در مجموع نتايج اين مقاله توانائی تئوري مجموعههای فازي به عنوان يک روش موثر براي مدلسازي عدم قطعيتهاي موجود در طبقهبندي دادههاي جغرافيايي و افزايش دقت در سامانههای اطلاعات جغرافيايي را نشان میدهد.

Resumo

Uma das estratégias mais importantes para a gestão dos recursos hídricos em zonas áridas é a gestão da recarga de aquíferos (MAR). Quando se estabelece um esquema de MAR, a escolha do local é o pré-requisito primordial que pode ser auxiliado através do recurso a ferramentas de sistemas de informação geográfica (SIG). Uma das incertezas mais importantes no processo de seleção do local, suportado pelo SIG, é a existência de gamas ou intervalos finitos que resultam da classificação da informação. Com o objetivo de reduzir estas incertezas foi desenvolvido um método inovador que envolve a integração de sistemas de decisão multi-critério (MCDM), SIG e um sistema de interferências difusas (FIS). A planície de Shemil-Ashkara, na província de Hormozgan, no Irão, foi selecionada como caso de estudo. O declive, a geologia, a profundidade da água subterrânea, o potencial para o escoamento, o uso do solo e a condutividade elétrica da água subterrânea foram usados como fatores de seleção do local. Desenvolveu-se um FIS através da definição de funções difusas para os layers de entrada e de saída e da construção de regras difusas. A comparação dos resultados obtidos com o método proposto e com o método tradicional de ponderação aditiva simples (SAW) mostra que o método proposto conduz a resultados mais precisos. Concluindo, a teoria das redes difusas pode ser um método eficiente para ultrapassar as incertezas associadas à classificação de dados de informação geográfica.