اسم الباحث : نداء حبيب ابراهيم
اسم المشرف : ا.د. سيف صلاح مهدي القزويني ;م.د. حيدر حسين علوان
الكلمات المفتاحية : Residual Chlorine, Drinking Water ,Disinfection , GRNN ,XGBoosr , Random forest , MLP, Transformer, AI, ML, ANN
الكلية : كلية الهندسة
الاختصاص : الهندسة المدنية
سنة نشر البحث : 2025
تحميل الملف : اضغط هنا لتحميل البحث
الخلاصة
تُعَدّ سلامة مياه الشرب أمرًا حيويًا للصحة العامة، إذ يُشكّل التطهير الفعّال محورًا أساسيًا في تحقيقها. ويُعتمد على الكلورة على نطاق واسع لما توفره من أثر وقائي متبقٍ داخل شبكة التوزيع. غير أنّ الحفاظ على مستوى متبقٍ أمثل يُعَدّ أمرًا بالغ الأهمية؛ إذ تؤدي القيم المنخفضة إلى تقليل كفاءة التطهير، في حين أن المستويات المرتفعة تُسرّع من تآكل الأنابيب وتمثل مخاطر صحية. وقد تناولت هذه الدراسة نوعية المياه في محطة كربلاء المركزية (حي الحسين)، حيث يُستخدم الكلور للتطهير. ولغرض ذلك، جرى تدريب ثلاثين نموذجًا معتمدًا على الذكاء الاصطناعي باستخدام خمسة خوارزميات، مع تقييم مدى مطابقتها لإرشادات منظمة الصحة العالمية (2017) والمواصفة العراقية لمياه الشرب رقم417 (2009). كما أُجريت التحاليل الفيزيائية والكيميائية في المحطة وعلى طول خطي الأنابيب الرئيسيين. وأظهرت النتائج أن معظم المؤشرات كانت ضمن الحدود المقبولة، باستثناء العكارة والكلور المتبقي، وهو ما ارتبط بعدم كفاية معالجة العكارة في المحطة. ويمكن لمثل هذه الزيادات أن تؤثر سلبًا في حالة الأنابيب داخل الشبكة وتُضعف فاعلية المُطهِّر.
فيما يخص نسبة الكلور المتبقي، فقد تجاوزت باستمرار الحدود المسموح بها في معظم النقاط تقريبًا، الأمر الذي يسبب أضرارًا تراكمية للمستهلكين فضلًا عن إلحاق الضرر بالأنابيب نتيجة تفاعله مع جدرانها. وتؤكد هذه النتائج على ضرورة قيام المحطة بإنشاء نظام رصد قادر على التحكم في مستويات الكلور واتخاذ قرارات استباقية بشأنها عند مواقع الرصد المحددة. أما من ناحية النمذجة، كانت الخوارزميات المستخدمة هي: ، Extreme Gradient Boosting (XGBoost)، General Regression Neural Network (GRNN)، Multi Layer Perceptron (MLP)، وTransformer. وقد تم تدريب كل خوارزمية على ثلاثة سيناريوهات مختلفة باستخدام لغة Python اعتماداً على المدخلات.
نظرًا لتقارب قيم معامل التحديد R وارتفاعها في جميع السيناريوهات، فقد تم اعتماد (MSE) Mean Square Error كمقياس أساسي للتقييم النهائي والمقارنة بين النماذج. وأظهرت نتائج الدراسة أن خوارزمية Transformer حققت قيم MSE ضمن المدى (0.053- 0.101) عبر الاتجاهات والسيناريوهات، في حين أظهر نموذج GRNN مدى(0.009- 0.219). وكلا النموذجين أبديا أداءً ممتازاً وتنافساً قوياً على المرتبة الأولى. أما المرتبة الثانية فقد حصل عليها نموذج XGBoost بمدى (0.335 -0.102)، تلاه RF بقيم تراوحت بين(0.595- 0.197). في حين جاء MLP في المرتبة الأخيرة مسجلاً أعلى قيم MSE (0.117- 0.625)، مما يعكس أضعف وأقل أداءً استقراراً عبر السيناريوهات المختلفة. خلصت هذه الدراسة إلى أن عملية تنقية المياه في المحطة بحاجة إلى تحسين، وأنه يمكن تطبيق نماذج الذكاء الاصطناعي الذكية كأداة داعمة في التنبؤ الاستباقي بمستويات الكلور المتبقي لتجنب أي أخطاء بشرية أثناء تطبيق جرعة الكلور.
Modelling and predicting of Residual Chlorine for drinking water using AI in karbala city
Abstract
Ensuring the safety of drinking water is vital for public health, with effective disinfection playing a central role. Chlorination is widely applied, as it provides a residual protective effect within the distribution network. However, maintaining an optimal residual level is critical: low values reduce disinfection efficiency, while excessive levels accelerate pipe corrosion and pose health risks. This study investigated water quality at the central water plant in Karbala (Al-Hussein neighborhood), where chlorine is used for disinfection. To address this, thirty AI models were trained using five algorithms, and Compliance with the World Health Organization (2017) guidelines and the Iraqi drinking water standard No. 417 (2009) was assessed. Physical and chemical analyses were conducted at the plant and along two main pipelines. Results showed that most parameters were within acceptable limits, except turbidity and residual chlorine, related to insufficient turbidity treatment at the plant. Such increases might negatively affect the condition of the pipes within the network and inhibit the efficacy of the disinfectant. As for the residual chlorine percentage, it has consistently exceeded the permissible limits at almost all points. This offers a cumulative harm to customers while causing damage to the pipes through its interaction with the pipe walls. And these results validate the necessity for the plant to set up a monitoring system that can control and make proactive decisions about chlorine levels at specified monitoring locations. In terms of modeling, the algorithms that were used are : Random Forest (RF), Extreme Gradient Boosting (XGBoost), General Regression Neural Network (GRNN), Multi Layaer Perceptron (MLP), and Transformer. By training each algorithm on three different scenarios by using Python based on the inputs.
Because the R² values were almost similar and high in all scenarios, the Mean Squared Error (MSE) was employed as the primary metric for the final evaluation and comparison of the models. The study results demonstrated that the Transformer achieved MSE values ranging from 0.053 to 0.101 across both directions and scenarios, while the GRNN model exhibited a range of 0.009 to 0.219. Both models demonstrated excellent performance and closely competed for the first rank. The second rank was attained by the XGBoost model with an MSE range of 0.102 to 0.335, followed by the RF with values between 0.197 and 0.595. The MLP ranked last, recording the highest error values (0.117–0.625), reflecting the weakest and least stable performance across the different scenarios. This study concluded that the process of water purification quality in the plant needs to improve, and smart AI models can be applied as a supportive tool in the proactive prediction of residual chlorine to avoid any human errors during the application of chlorine dosage.


