Entropy and Energy Dissipation in Water Resources

از زمان مشارکت برجسته سی. ای. شانون در سال 1948، و ای. تی. جینز حدود یک دهه بعد، کاربردهای مفهوم آنتروپی و اصل حداکثر آنتروپی در علم و مهندسی گسترش یافته است. سال های اخیر شاهد طیف گسترده ای از پیشرفت های جدید و هیجان انگیز در هیدرولوژی و منابع آب با استفاده از مفهوم آنتروپی بوده است. این روش‌ها شامل روش‌های نوآورانه برای طراحی شبکه هیدرولوژیکی، انتقال اطلاعات، پیش‌بینی جریان، ارزیابی قابلیت اطمینان برای سیستم‌های توزیع آب، تخمین پارامترها، استخراج توزیع‌های احتمال، تحلیل شبکه زهکشی، مدل‌سازی رسوب و بارگذاری آلاینده، آنالیز آبشستگی پل، ساخت و ساز است. پروفیل های سرعت، ارزیابی مقایسه ای مدل های هیدرولوژیکی و غیره. برخی از این روش‌ها نوید بزرگی برای پیشرفت عملکرد مهندسی دارند و جایگزین‌های منطقی را برای رویکردهای مرسوم مجاز می‌سازند. از سوی دیگر، مفاهیم انرژی و اتلاف انرژی به طور فزاینده ای برای طیف گسترده ای از مشکلات در منابع زیست محیطی و آب به کار می رود. هر دو آنتروپی و اتلاف انرژی منشأ خود را در ترمودینامیک دارند و مفاهیم مرتبطی هستند. با این حال، به نظر می‌رسد بسیاری از پیشرفت‌هایی که از آنتروپی استفاده می‌کنند، کاملاً مبتنی بر تفسیر آماری هستند و محتوای فیزیکی به ظاهر کمی دارند. به عنوان مثال، بیشتر پیشرفت ها و کاربردهای مرتبط با آنتروپی در منابع آب بر اساس تفسیر نظری اطلاعاتی آنتروپی بوده است. ما معتقدیم اگر قدرت مفهوم آنتروپی به طور کامل تحقق یابد، باید مبنای فیزیکی آن ایجاد شود.

Since the landmark contributions of C. E. Shannon in 1948, and those of E. T. Jaynes about a decade later, applications of the concept of entropy and the principle of maximum entropy have proliterated in science and engineering. Recent years have witnessed a broad range of new and exciting developments in hydrology and water resources using the entropy concept. These have encompassed innovative methods for hydrologic network design, transfer of information, flow forecasting, reliability assessment for water distribution systems, parameter estimation, derivation of probability distributions, drainage-network analysis, sediment yield modeling and pollutant loading, bridge-scour analysis, construction of velocity profiles, comparative evaluation of hydrologic models, and so on. Some of these methods hold great promise for advancement of engineering practice, permitting rational alternatives to conventional approaches. On the other hand, the concepts of energy and energy dissipation are being increasingly applied to a wide spectrum of problems in environmental and water resources. Both entropy and energy dissipation have their origin in thermodynamics, and are related concepts. Yet, many of the developments using entropy seem to be based entirely on statistical interpretation and have seemingly little physical content. For example, most of the entropy-related developments and applications in water resources have been based on the information-theoretic interpretation of entropy. We believe if the power of the entropy concept is to be fully realized, then its physical basis has to be established.