امروزه در دنیا آب و منابع آب، یکی از پایه‌های اصلی توسعه پایدار بشمار می‌روند. زندگی بشر در کره زمین در گرو تامین آب مناسب از نظر کمی و کیفی قرار دارد. رودخانه‌ها از مهمترین منابع آب هستند که آلودگی این منابع می‌تواند تاثیر مستقیم بر زندگی انسان‌ها و محیط زیست داشته باشد. واكنش هیدروژئولوژیکی يك حوضه آبخيز، نماد جامعي از شرايط و خصوصيات محيط طبيعي آن حوضه آبخیز مي­باشد (Soulis et al., 2021). در شرایط اقلیم خشک و نیمه خشک کشور و کمبود منابع آب شیرین، حساسیت نسبت به کیفیت آب رودخانه‌ها و عوامل موثر بر آنها ضروری است. آب‌های رودخانه‌ها و جریان‌های سطحی را می‌توان به عنوان مهمترین گزینه‌های جایگزین براي منابع آب دانست که ضرورت ارزیابی‌های کیفیت آب را ملزم می‌دارد (Ewaid et al., 2020).

برآورد و پیش‌بینی پارامترهای کمی و کیفی آب در طول رودخانه به منظور تصمیم‌گیری‌های مدیریتی اهمیت ویژه‌ای دارد. توجه به کیفیت آب می‌تواند علاوه بر مهار تغییر رژیم‌های زیستی، کاهش انقراض اکولوژیک جانوري/گیاهی، بر استفاده از این منابع به عنوان جایگزین سودمند باشد (Forio et al., 2017). همچنین آب‌های سطحی در مقایسه با آب‌های زیرزمینی به جهت دسترسی آسان بري دفع پساب‌ها در معرض آلودگی و آسیب پذیري بیشتري واقع بوده و با توجه به افزایش قابل‌توجه جمعیت، این آلودگی‌ها به همراه تغییرات گسترده کاربري اراضی (مانند تخریب جنگل‌ها و از بین بردن پوشش گیاهی جهت ایجاد مزارع کشاورزي) سبب کاهش قابل‌توجهی در کیفیت آب این منابع شده است. این مسئله نیز ضرورت ارزیابی و پایش کیفیت منابع آبی سطحی را دوچندان کرده است (Papatheodorou et al. , 2006). لذا به منظور استفاده بهينه از منابع آبی موجود و ايجاد كمترين پيامدهاي زيست محيطي، ارزیابی کیفی منابع آب‌های سطحی و زیرزمینی می‌تواند به عنوان راهكاري مناسب در برنامه‌های مدیریتی مورد استفاده قرار گيرد (زارعی و میرسیار، 1386)؛ چرا که امروزه با پيشرفت صنايع و افزايش جمعيت بشر، خطرات آلودگی زيادي برای منابع آبی و خصوصاً آب­های سطحی وجود دارد (کاشی زنوز و همکاران، 1390). برآورد پارامترهای کمی و کیفی آب جریان رودخانه‌ها با استفاده از مدل‌های ریاضی و تجربی به علت پیچیدگی مکانیزم و تعدد عوامل موثر در کیفیت جریان معمولا با خطای قابل توجهی همراه می‌باشد. بدین منظور انواع گوناگونی از مدل‌های عددی بوجود آمده و توسعه یافته اند. از نمونه مدل‌های بوجود آمده می‌توان به روش‌های آنالیز سری‌های زمانی، روش میانگین متحرک خود-رگرسیونی آرما، روش خود-رگرسیونی آر، شبکه‌های عصبی مصنوعی و… اشاره نمود. با انجام این پژوهش می‌توان ابتدا ارزیابی از وضعیت کیفی رودخانه زنجانرود را بررسی کرد و در ادامه با ارزیابی و مدل‌سازی پارامترهای کیفی جریان رودخانه با استفاده از مدل‌های رگرسیونی و هوشمند، پیشنهادات مدیریتی و کاربردی مناسب اتخاذ نمود.

امروزه آب به عنوان یکی از پایه‌های اصلی توسعه پایدار جوامع به شمار می‌رود و در سال‌هاي اخیر علاوه بر کمیت آب، توجه بیشتري به کیفیت آب شده است. منابع آب شیرین و اکوسیستم‌های طبیعی سراسر دنیا بر وضعیت اجتماعی-اقتصادي، سلامت عمومی، کیفیت زندگی و پایداري محیط زیست جوامع، تاثیرات قابل‌توجهی دارند (Mirzaie et al., 2013). این مسأله بخصوص در گسترش جوامع بشري، بهره برداري متناسب از منابع محدود و تجدیدناپذیر مانند آب‌ها بسیار حساس قلمداد می‌شود. به طوری که این مسئله جوامع را با چالش‌های بزرگی مانند کمبود آب، خشکسالی و استفاده بی‌رویه روبرو ساخته است. در شرایط اقلیمی خشک و نیمه خشک مانند کشور ایران کمبود منابع آب شیرین زیرزمینی بسیار محتمل بوده و به‌کارگیري گزینه‌های جایگزین این آب در اولویت کار متخصصین است (زمانی احمد محمودي و همکاران، 1398).

برآورد پارامترهای کمی و کیفی آب جریان رودخانه‌ها با استفاده از مدل‌های ریاضی و تجربی به علت پیچیدگی مکانیزم و تعدد عوامل موثر در کیفیت جریان معمولاً با خطای قابل توجهی همراه می‌باشد. بدین منظور انواع گوناگونی از مدل‌های عددی بوجود آمده و توسعه یافته اند. از نمونه مدل‌های بوجود آمده می‌توان به روش‌های آنالیز سری‌های زمانی، روش میانگین متحرک خود-رگرسیونی آرما، روش خود-رگرسیونی آر، شبکه‌های عصبی مصنوعی و… اشاره نمود.

بررسی و پیش بینی پارامترهای کیفی و کمی آب در طول رودخانه به منظور تصمیم گیری‌های مدیریتی یکی از اهداف مدیران و برنامه ریزان منابع آب تلقی می‌گردد. به منظور دست یابی به این اهداف، استفاده از نرم افزارها و مدل‌های ریاضی و کامپیوتری اجتناب ناپذیر است. در دهه‌های اخیر کاربرد مدل‌های هوشمند و رگرسیون آماری در بسیاری از علوم مهندسی جهت شبیه‌سازی و پیش بینی پدیده‌ها متداول گردیده است (Ouma et al., 2020). مدل‌های بسیاری جهت بررسی و پیش بینی کیفیت آب مورد استفاده قرار می‌گیرند که بیشتر آنها نیازمند اطلاعات ورودی فراوان و غیر قابل دسترس هستند. استفاده از روش‌های رگرسیونی و مدل‌های مبتنی بر هوش مصنوعی کاربرد گسترده‌ای در زمینه‌های مختلف علمی به ویژه مهندسی آب پیدا کرده است. مبنای مدل‌های مبتنی بر هوش مصنوعی، استخراج روابط غیرخطی بین داده‌های ورودی و خروجی شبکه و تعمیم آن‌ها در شرایط دیگر است. ولی در مدل‌های رگرسیونی غالباً از روابط خطی بین متغییرهای مستقل و وابسته استفاده می‌شود. تغییرات ماهیت اکوسیستم‌های آبی در سال‌های اخیر اثرات زیادي بر کیفیت آب سطحی مناطق مختلف کشور داشته و سبب ایجاد بازتاب‌های قابل‌توجهی بر سلامت عمومی اکوسیستم‌های زیستی و انسانی گردیده است.

بطور کلی ارزیابی کیفیت آب‌های سطحی را می‌توان به صورت ارزیابی مشخصات فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی طبقه بندي نمود. با این حال تعدد متغیرهاي کیفی آب سبب گردیده که آنالیز کیفیت آب رویکردي پیچیده طلقی شود. با این حال چندین روش رایج در طبقه‌بندي و تحلیل کیفیت آب توسط محققین به‌کار گرفته می‌شود که می‌تواند به روش‌های مختلف آماري، روش‌هاي آماري چند متغیره و رویکردهاي داده کاوي اشاره نمود (Razmkhah et al., 2010). هدف به‌کارگیري این روش‌ها، ارزیابی شاخص‌های کیفیت آب (WQI)^[1] است. بنابراین توجه به کیفیت آب رودخانه‌ها به عنوان یک اولویت بسیار مهم در کشور مطرح است که باید بدان تاکید فراوان شود. در این راستا مطالعه حاضر نیز به ارزیابی کیفیت آب رودخانه‌ها اهتمام داشته و به‌صورت موردي براي رودخانه زنجانرود پیاده‌سازی گردیده است.

رودخانه زنجانرود یکی از مهم‌ترین رودخانه‌های استان زنجان است که به رودخانه سفیدرود- دریای خزر منتهی می‌شود. وقوع متناوب دوره‌های کم آبی و پرآبی در حوضه آبریز زنجانرود علاوه بر تأثیر روی وضعیت کمی آب‌های سطحی، باعث تغییراتی در کیفیت آب این حوضه آبخیز شده است. لذا، مدل‌سازی و پیش بینی پارامترهای کیفی آب رودخانه زرینه رود در دوره‌های کم آبی و پرآبی، یکی از ضرورت‌های تحقیقاتی در این رودخانه مهم شمال غرب ایران است. برپایه مطالعات میدانی صورت گرفته در مسیر رودخانه زنجانرود، فاضلاب کشاورزي و صنعتی مهم ترین دلیل آلودگی این رودخانه است. بدلیل فعالیت‌های کشاورزي و صنعتی به خصوص پساب‌های صنعتی، حضور عناصر سنگینی مثل نیکل و مواد خطرناکی همچون آمونیاک، کیفیت آب رودخانه کاهش پیدا کرده است. از سوي دیگر، مجاورت پساب کارخانه‌های صنعتی سبب کاهش توانایی نگهداشت خاك و آلودگی منابع خاکی منطقه نیز شده است. با توجه به اهمیت این رودخانه و از طرفی محدودیت‌های زمانی، مکانی و هزینه، مسأله اصلی پژوهش این است که با چه مدل و پارامترهای کیفی می‌توان بهترین ارزیابی از شرایط کیفی آب رودخانه زنجانرود ارائه داد که بر اساس آن تصمیمات مدیریتی صحیح در پایش کیفی رودخانه اجرا نمود.

محدوديت منابع آب و افزايش نياز به آب که ناشي از افزايش جمعيت، توسعه شهرها و سياست‌هاي جديد مديريت جوامع بشري است و نيز استفاده بي رويه و غير اصولي از اين منابع، باعث بروز مشکلات و اختلافات روزافزوني در خصوص مديريت منابع آب گرديده است. از این رو با توجه به محدود بودن منابع آب، مدیریت صحیح و بهینه، مهمترین وظیفه سیاست گذاران و مهندسین منابع آب است. یکی از مهمترین ارکان مدیریت منابع آب، پبش‌بینی روند تغییرات کیفی منابع آب‌های سطحی و ارزیابی و طبقه‌بندی صحیح آن است تا بر اساس میزان این منابع برنامه ریزی‌ها صورت گیرد است (عیسی نژاد، 1394).

در حوضه آبریز رودخانه زنجانرود نیز به دلیل فعالیت‌های کشاورزی و صنعتی متنوع و نیز برداشت بیش از حد منابع آب زیرزمینی، پتانسیل خطرت محیط زیستی بالاست. در دهه‌های اخیر در حوضه آبخیز زنجانرود به‌ واسطه توسعه مراکز جمعیتی و صنایع و همچنین تغییرات نامنظم نزولات آسمانی، تغییرات کیفی منابع آب سطحی همانند تغییرات کمی رخ داده است و مدیریت منابع آب این رودخانه ضرورتی اجتناب ناپذیر است. با توجه به اینکه در سال‌های اخیر، شرایط اقلیمی و برداشت از منابع آب به شدت تحت تأثیر توسعه فعالیت‌های انسانی قرار گرفته است، لازم است روند تغییرات با دقت و شفافیت بیشتری بررسی شود. از طرفی نیز پژوهشی مشابه با بررسی جزئیات ارزیابی کیفی رودخانه زنجانرود بر اساس مدل‌های رگرسیونی و هوشمند تاکنون صورت نگرفته است که این بداعت و نوآوری پژوهش را نشان می‌دهد. امروزه با پيشرفت علوم، استفاده از فناوري­هاي جديد و به كارگيري نرم‌افزارها و سيستم‌‌‌هاي پردازش اطلاعات مانند داده کاوی و هوشمند، نقش مهمي در مديريت کیفی منابع آب سطحی دارد. اين فناوري‌‌‌ها اغلب موجب كاهش هزينه و افزايش دقت و سرعت در انجام پروژه‌‌‌ها می‌شود                                       (دائم پناه و همکاران، 1390) و با انجام تحلیل‌های زمانی و مکانی می­توان اطلاعات سودمندی از وضعیت کیفی منابع آبی به­دست آورد (نصرت‌پور و همکاران، 1389). به منظور بررسی موضوع، استفاده از روش‌های دقيق و كم هزينه جهت برنامه ريزي و مديريت صحيح منابع آب و زمين به منظور برآورد پيامدها، خسارات و ارائه راهكارهاي مناسب جهت كاهش اين خسار ات امري ضروري است (Chen et al., 2009). با انجام این پژوهش می‌توان ابتدا روند تغییرات کیفی را در رودخانه زنجانرود تحلیل کرد. همچنین ارزیابی و مدل‌سازی پارامترهای کیفی جریان رودخانه را با استفاده از مدل‌های رگرسیونی و هوشمند انجام داد. در این تحقیق به بررسی روند تغییرات پارامترهای کمی و کیفی در رودخانه زنجانرود پرداخته می‌شود. همچنین با استفاده از مدل‌های رگرسیونی و مدل‌های هوشمند به شبیه‌سازی و پیش‌بینی این پارامترهای کیفی به منظور استفاده‌های آتی برای حفاظت این منابع حیاتی پرداخته خواهد شد.