ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

Transkript

1 ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ YÜKSEK LİSANS TEZİ Evren TURHAN SEYHAN HAVZASININ YAĞIŞ-AKIŞ İLİŞKİSİNİN YAPAY SİNİR AĞLARI YÖNTEMİ İLE MODELLENMESİ İNŞAAT MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI ADANA,2012

2 ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ SEYHAN HAVZASININ YAĞIŞ-AKIŞ İLİŞKİSİNİN YAPAY SİNİR AĞLARI YÖNTEMİ İLE MODELLENMESİ Evren TURHAN YÜKSEK LİSANS TEZİ İNŞAAT MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI Bu Tez 21/06/2012 Tarihinde Aşağıdaki Jüri Üyeleri Tarafından Oybirliği/Oyçokluğu ile Kabul Edilmiştir. Yrd.Doç.Dr.Hatice ÇAĞATAY Yrd.Doç.Dr.Zeliha SELEK Öğr.Gör.Dr.Neslihan SEÇKİN DANIŞMAN ÜYE ÜYE Bu Tez Enstitümüz İnşaat Mühendisliği Anabilim Dalında hazırlanmıştır. Kod No: Prof. Dr. M. Rifat ULUSOY Enstitü Müdürü Not: Bu tezde kullanılan özgün ve başka kaynaktan yapılan bildirişlerin, çizelge ve fotoğrafların kaynak gösterilmeden kullanımı, 5846 sayılı Fikir ve Sanat Eserleri Kanunundaki hükümlere tabidir.

3 ÖZ YÜKSEK LİSANS TEZİ SEYHAN HAVZASI YAĞIŞ-AKIŞ İLİŞKİSİNİN YAPAY SİNİR AĞLARI YÖNTEMİ İLE MODELLENMESİ Evren TURHAN ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ İNŞAAT MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI Danışman : Yrd.Doç. Dr. Hatice ÇAĞATAY Yıl: 2012, Sayfa: 115 Jüri : Yrd.Doç. Dr. Hatice ÇAĞATAY : Yrd.Doç. Dr. Zeliha SELEK : Öğr.Gör. Dr. Neslihan SEÇKİN Su kaynaklarının plânlanması ve projelendirilmesi aşamasında güvenilir akım tahminlerinin ve akım modelleme çalışmalarının yapılması önem taşımaktadır. Bu çalışmada Yapay Sinir Ağları (YSA) ile yağış-akış ilişkisinin modellenmesi belirlenmeye çalışılmıştır. Çalışmada, modelleme için MATLAB R2008a kullanılmıştır. Uygulama için Seyhan Havzası seçilmiştir. Gözlenmiş yağış ve akım verileri kullanılarak akım tahminleri yapılmıştır. İleri Beslemeli Geriye Yayınımlı Yapay Sinir Ağı kullanılmış (İBGYSA) ve Çoklu Doğrusal Regresyon (ÇDR) yöntemi ile karşılaştırılmıştır. Çalışma sonunda İBGYSA yönteminin ÇDR yöntemine göre genelde daha iyi sonuçlar verdiği görülmüştür. Anahtar Kelimeler: Yapay Sinir Ağları, Yağış-Akış, Seyhan Havzası, Çoklu Doğrusal Regresyon I

4 ABSTRACT MASTER OF SCIENCE THESIS MODELLING OF RAINFALL-RUNOFF RELATION WITH ARTIFICIAL NEURAL NETWORK METHODS FOR SEYHAN BASIN Evren TURHAN ÇUKUROVA UNIVERSITY INSTITUTE OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES DEPARTMENT OF CIVIL ENGINEERING Supervisor : Asst. Prof. Dr. Hatice ÇAĞATAY Year: 2012, Pages: 115 Jury : Asst. Prof. Dr. Hatice ÇAĞATAY : Asst.Prof. Dr. Zeliha SELEK : Inst. Dr. Neslihan SEÇKİN It is very important to obtain reliable estimation and modelling of runoff in planning and designing of water resources. The current study aims to model rainfallrunoff relation using Artificial Neural Networks (ANN). In this study, MATLAB R2008a was used as a modelling tool. Seyhan Basin was selected for application. Previous rainfall-runoff observations were used in estimation of runoff. In this study, ANN method of the Feed Forward Back Propagation Neural Network (FFBPNN) was adopted and results were compared with those of Multi Linear Regression (MLR) method. In conclusion, FFBPNN method provides better results than results of MLR method. Keywords: Artificial Neural Network, Rainfall-Runoff, Seyhan Basin, Multi Linear Regression II

5 TEŞEKKÜR Çalışmamın her aşamasında yardımlarını esirgemeyen ve bana Seyhan Havzası Yağış-Akış İlişkisinin Yapay Sinir Ağları Yöntemi İle Modellenmesi konulu yüksek lisans tezini veren, yapıcı ve yönlendirici fikirleri ile bana daima yol gösteren danışman hocam Sayın Yrd. Dr. Hatice ÇAĞATAY a sonsuz teşekkürlerimi sunarım. Tezime katkılarından dolayı Sayın Öğr. Gör. Neslihan SEÇKİN e teşekkürlerimi bildiririm. Tezim süresince bana destek veren Arş. Gör. Veysel GÜMÜŞ, Arş. Gör. Mehmet Eyyüp KAVŞUT, Elk. Müh. Abidin KEÇECİ, Çevre Yük. Müh. Engin AYAR, İnş. Yük. Müh. Murat ÖNCÜ ve İnş. Yük. Müh. Erdem ERDOĞAN başta olmak üzere tüm arkadaşlarıma teşekkürü bir borç bilirim. Tezimin ve hayatımın her aşamasında benden destek ve dualarını eksik etmeyen biricik aileme de saygı ve sevgilerimi sunarım. III

6 İÇİNDEKİLER SAYFA ÖZ.. I ABSTRACT...II TEŞEKKÜR III İÇİNDEKİLER...IV ÇİZELGELER DİZİNİ...VI ŞEKİLLER DİZİNİ..VIII SİMGELER VE KISALTMALAR..X 1.GİRİŞ Yağış-Akış İlişkisi ve Su Kaynakları Mühendisliği Açısından Önemi Yağışlar Yağışların Oluşumu Yağış Ölçümleri Yağışın Akışa Dönüşümü Yüzeysel Akış Yağış-Akış Modellerine Genel Bir Bakış ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR MATERYAL VE METOD Materyal Su Havzaları Ülkemizin Önemli Su Havzalarından Seyhan Havzası Seyhan Havzası Meteorolojik Bilgileri Seyhan Havzası Su Kaynakları Seyhan Havzası Küresel İklim Değişikliği Etkileri Metod Modelleme İlkeleri Yapay Sinir Ağlarına (YSA) Giriş Beynin Sinir Ağı Yapısı Nöronların Özellikleri YSA nın Özellikleri...54 IV

7 YSA ların Sınıflandırılması YSA nın Öğrenme Algoritmaları YSA Öğrenme Kuralları YSA Kullanım Alanları YSA nın Avantaj ve Dezavantajları YSA nın Avantajları YSA nın Dezavantajları Aktivasyon Fonksiyonları İleri Beslemeli Geriye Yayınımlı Yapay Sinir Ağları (İBGYSA) BULGULAR VE TARTIŞMA Seyhan Havzası Yağış-Akış Modellemesinde Kullanılan Veriler Çalışmada Kullanılan Verilerin Analizi Verilerin Seçilmesi Yağış ve Akım Verilerinin Analizi Eksik Verilerin Tamamlanması YSA ile Yağış Verileri ve Önceki Nehir Akımları Kullanılarak Gelecekteki Akım Değerinin Tahmini Eğitim ve Test Aşamaları Çok Değişkenli Regresyon Analizi (ÇDR) Model Sonuçları AGİ- Feke ve Saimbeyli YAGİ Modelleme Sonucu AGİ- Feke ve Karsantı YAGİ Modelleme Sonucu AGİ- Feke ve Karsantı YAGİ Modelleme Sonucu AGİ-Çatalan-Pozantı-Karaisalı YAGİ Modelleme Sonucu AGİ-Tufanbeyli-Tomarza YAGİ Modelleme Sonucu AGİ-Feke ve Saimbeyli YAGİ Modelleme Sonucu AGİ-Karaisalı YAGİ Modelleme Sonucu SONUÇLAR VE ÖNERİLER..107 KAYNAKLAR ÖZGEÇMİŞ..115 V

8 ÇİZELGELER DİZİNİ SAYFA Çizelge 3.1. Havzalarda Durum.. 23 Çizelge 3.2. İllerin Havza Sınırları İçerisinde Kalan Alanlarının Büyüklükleri 27 Çizelge 3.3. Seyhan Havzası İçerisinde Yer Alan İstasyonlar ve İstasyonların Konumları. 31 Çizelge 3.4. Havzada Yer Alan Akarsular Çizelge 3.5. Havzadaki Baraj ve Göletler. 38 Çizelge 3.6. Havzada Planlanan Baraj Gölleri 40 Çizelge 3.7. Adana ili Su Kaynakları durumu 41 Çizelge 3.8. Kayseri ilinin Su Kaynakları durumu.. 41 Çizelge 3.9. Niğde ili Su Kaynakları durumu...42 Çizelge Geleneksel Algoritmalar ile YSA farklılıkları.. 71 Çizelge Aktivasyon Fonksiyonları. 72 Çizelge 4.1. Her bir YAGİ ve iki farklı YAGİ için ayrı ayrı YSA mimarisi 83 Çizelge AGİ-Saimbeyli YSA ve ÇDR Karşılaştırması Çizelge AGİ-Feke YSA ve ÇDR Karşılaştırması.. 88 Çizelge AGİ-Karsantı YSA ve ÇDR Karşılaştırması. 91 Çizelge AGİ-Çatalan YSA ve ÇDR Karşılaştırması. 94 Çizelge AGİ-Tufanbeyli YSA ve ÇDR Karşılaştırması 97 Çizelge AGİ-Feke YSA ve ÇDR Karşılaştırması.100 Çizelge AGİ-Karaisalı YSA ve ÇDR Karşılaştırması VI

9 VII

10 ŞEKİLLER DİZİNİ SAYFA Şekil 1.1. Su Çevrimi... 2 Şekil 1.2. Plüvyometre Aleti Şekil 1.3. Yağışın Akış Haline Dönüşümü... 6 Şekil 1.4. Yüzeysel Akış Havzası ile Yer Altı Akış Havzası. 7 Şekil 3.1. Su Toplama Havzası 19 Şekil 3.2. Türkiye Akarsu Havzaları Şekil 3.3. Seyhan Havzasının Genel Bir Görünümü.. 24 Şekil 3.4. Seyhan Havzası Sınırları ve Seyhan Nehri Ana Kolları. 26 Şekil 3.5. İllerin Yüzölçümlerinin Dağılımı 27 Şekil 3.6. Seyhan Nehri Sayısal Veriler.. 29 Şekil 3.7. Havzanın Fiziki Haritası. 30 Şekil 3.8. Seyhan Havzası Akım ve Meteorolojik Gözlem İstasyonları 32 Şekil 3.9. Seyhan Havzası Aylık Toplam Yağış Ortalaması.. 33 Şekil Seyhan Havzası Maksimum Yağış Ortalaması. 33 Şekil Seyhan Havzası Yıllık Ortalama Toplam Yağış Dağılımı 34 Şekil Seyhan Havzası Günlük Maksimum Yağış Dağılımı 34 Şekil Seyhan Havzası Yıllık Ortalama Toplam Karla Kaplı Gün Sayısı Şekil Seyhan Nehri Genel Bir Görünümü.. 36 Şekil Seyhan Baraj Gölü Regülatörü. 38 Şekil Çatalan Köprüsü 39 Şekil Seyhan Havza Alanı ve Sınırları Şekil Seyhan Baraj Gölü 43 Şekil Seyhan Havzası CORINE 2000 Haritası.. 44 Şekil Seyhan Havzası CORINE ve 2006 Haritası 46 Şekil Seyhan Havzası Hidroloji Haritası 47 Şekil Bir Yapay Sinir Ağı.. 50 Şekil YSA Bağlantı Şekli.. 51 Şekil Bir Nöronun Yapısı.. 54 VIII

11 Şekil Ağ Fonksiyonu Şekil İleri Beslemeli Ağ Yapısı 58 Şekil İBYSA nın Çalışma Sistematiği. 59 Şekil GBYSA Yapısı 60 Şekil BMP Yapısı. 62 Şekil Aktivasyon Fonksiyon Grafikleri Şekil İBGYSA Genel Yapısı 74 Şekil İBGYSA ların Yapısı Şekil 4.1. Seyhan Havzası AGİ leri.. 79 Şekil 4.2. Seyhan Havzası YAGİ leri 80 Şekil AGİ-Saimbeyli Deneme-4 YSA Test Akım Tahmini Şekil AGİ-Saimbeyli Deneme-4 YSA Test Saçılma Grafiği. 87 Şekil AGİ-Saimbeyli Deneme-4 ÇDR Test Saçılma Grafiği. 87 Şekil AGİ-Feke Deneme-3 YSA Test Akım Tahmini 89 Şekil AGİ-Feke Deneme-3 YSA Test Saçılma Grafiği. 90 Şekil AGİ-Feke Deneme-3 ÇDR Test Saçılma Grafiği. 90 Şekil AGİ-Karsantı Deneme-4 YSA Test Akım Tahmini.. 92 Şekil AGİ-Karsantı Deneme-4 YSA Test Saçılma Grafiği.. 93 Şekil AGİ-Karsantı Deneme-4 ÇDR Test Saçılma Grafiği.. 93 Şekil AGİ-Çatalan Deneme-3 YSA Test Akım Tahmini.. 95 Şekil AGİ-Çatalan Deneme-3 YSA Test Saçılma Grafiği 96 Şekil AGİ-Çatalan Deneme-3 ÇDR Test Saçılma Grafiği 96 Şekil AGİ-Tufanbeyli Deneme-2 YSA Test Akım Tahmini Şekil AGİ-Tufanbeyli Deneme-2 YSA Test Saçılma Grafiği..99 Şekil AGİ-Tufanbeyli Deneme-2 ÇDR Test Saçılma Grafiği...99 Şekil AGİ-Feke Deneme-3 YSA Test Akım Tahmini 101 Şekil AGİ-Feke Deneme-3 YSA Test Saçılma Grafiği. 102 Şekil AGİ-Feke Deneme-3 ÇDR Test Saçılma Grafiği. 102 Şekil AGİ-Karaisalı Deneme-4 YSA Test Akım Tahmini. 104 Şekil AGİ-Karaisalı Deneme-4 YSA Test Saçılma Grafiği Şekil AGİ-Karaisalı Deneme-4 ÇDR Test Saçılma Grafiği IX

12 SİMGELER VE KISALTMALAR i hi S Y Q Ψ H YZT YSA İBGYSA ÇDR TDA SGYA BE GZYÖA DSİ SHKEP HES COB CORINE TÜBİTAK RIHN IPCC I/O VLSI GBYSA BP BMP LMS : Yağış şiddeti : Yıllık yağış miktarı : Alan : Belirli bir süre içinde düşen yağış miktarı : Debi : Ortalama Akış Katsayısı : Belirli bir süre içinde havzaya düşen yağışların yüksekliği : Yapay Zekâ Teknikleri : Yapay Sinir Ağları : İleri Beslemeli Geriye Yayınımlı Sinir Ağı : Çoklu Doğrusal Regresyon Modeli : Tekli Doğrusal Algılayıcı : Standart Geri Yayınım Algoritması : Bileşik Eğim : Gerçek Zamanlı Yinelemeli Öğrenme Algoritması : Devlet Su İşleri : Seyhan Havzası Koruma Eylem Planı : Hidroelektrik Santrali : Çevre ve Orman Bakanlığı : Coordinated Information on the European Environment : Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Kurumu : Research Institute for Humanity and Nature : Hükümetlerarası İklim Değişikliği Paneli : Input/Output : Büyük Ölçekli Entegre Devre : Geri Beslemeli Yapay Sinir Ağı : Geri Yayılım : Momentumlu Geri Yayılım Algoritması : En Küçük Ortalamalı Kareler X

13 EEG ECG xi Tn wij Hj HOj Ɵj On ep OKH, E δn δj AGİ YAGİ EİE DMİ Pt Qt NA,NB,NC PA,PB,PC MATLAB SPSS OMGH R2 t : Elektroensefalografi : Elektrokardiyografi : Girdi değerleri : Çıktı değerleri : Ara bağlantı ağırlıkları : Gizli nodun girdisi : Gizli nöron çıktısı : Başlangıç veya taraflılık değeri : Sinir ağı çıktısı : Hata karelerinin toplamı : Ortalama Kare Hatası : Nöron gradyanı : Hata gradyanı : Akım Gözlem İstasyonu : Yağış Gözlem İstasyonu : Elektrik İşleri Etüd İdaresi : Devlet Meteoroloji İşleri : Yağışların t zamandaki değeri : Gözlenen aylık ortalama akım değeri : Yıllık Ortalama Yağışlar : Eksik olan yağışa karşı gelen okumalar : Matrix and Laboratory : Statistical Package for Social Sciences : Ortalama Mutlak Göreceli Hata : Correlation Coefficient : Zaman aralığı XI

14 1.GİRİŞ Evren TURHAN 1.GİRİŞ 1.1.Yağış-Akış İlişkisi ve Su Kaynakları Mühendisliği Açısından Önemi Yeryüzünde yaşamın vazgeçilmez unsurlarının başında hava ve su gelmektedir. Nüfusun hızla artması ve zorlaşan çevre şartları etkisiyle suyun artan talebi sonucunda sınırlı bir kaynak olan suyun korunması ve kullanımı açısından iyi bir plânlamanın yapılması önem arz eden konulardan biri olmaktadır. Dünya nüfusunun hızla arttığı düşünüldüğünde yeterli su kaynaklarına sahip ülkelerde bile ihtiyacın artması, kirliliğin ve suyun kullanımındaki artış gibi nedenlerden su temini açısından ciddi sıkıntıların oluşacağı aşikârdır. Su kaynaklarının plânlanması ve yönetimi su talebinin artmasına paralel olarak çok önemli bir duruma gelmiş olup, su yapılarının geliştirilmesinde daha detaylı ve geniş araştırmaların yapılmasını zorunlu kılmıştır. Endüstri, tarım, şehircilik ve kentsel gelişmedeki hızlı büyüme sonucu su kaynaklarına olan ihtiyacın ilerleyen dönemlerde sürdürülebilir kararlı çevre politikaları ile ancak giderilebileceğinin gözden kaçırılmaması gereken bir ayrıntı olduğu unutulmamalıdır. Şekil 1.1. de Su Çevrimi görülmektedir. Küreselleşen Dünya ölçeğinde, ısınma ve iklim değişikliklerinin etkisi ile sorunlar artmakta, kullanılabilir tatlı su kaynaklarının azalmasının ciddi bir risk oluşturacağı düşünülmektedir. Bu hususta müşterek katılımların olacağı çalışmalarla ancak somut çözümlerin elde edilebileceği ortak bir kanâât olmaktadır. Su kaynakları bakımından bir bölgenin hatta bir ülkenin kalite ve miktar olarak potansiyelinin belirlenmesinde; yönetimsel stratejilerin oluşturulması önemli olmakla birlikte plânlama, inşaat ve işletilme konularının da ele alınması su kaynakları mühendisliğine temel teşkil etmekte, dolayısı ile bu sürecin hidrolojik çalışmalara çok büyük katkılar sağlayacağı da önemli bir detay olarak görülmektedir. Yapılan bu çalışma neticesinde, su yapılarının geliştirilmesinde önemli bir faktör olan akarsu akımlarının tahmini konusu ele alınmaya çalışılmıştır. 1

15 1.GİRİŞ Evren TURHAN Şekil 1.1.Su Çevrimi (ga.water.usgs.gov/edu/watercycleturkish.html) Hidrolojistler, herhangi bir havzada verilen bir yağışın oluşturduğu akımı türetmekle ilgilenmektedirler. Bunun için tarihsel yağış, buharlaşma ve akım verileri istatistiksel yöntemlerle değerlendirilerek gelecekle ilgili tahminler yapılmaktadır. Akım ölçümleri olmayan havzalarda, verilen bir yağışa karşı gelecek akış yüksekliğinin kestiriminin yapılması sürecinde yağış-akış bağlantılarından yararlanılmaktadır. Su kaynakları tasarımında yağış-akış ilişkisinin, doğadaki gerçek durumu tam olarak yansıtacak bir biçimde belirlenmesi gerekmektedir. Yağış-akış ilişkisinin geliştirilmesiyle ilgili çok sayıda araştırmada, herhangi bir havza için farklı durum kümeleri oluşturulmaktadır. Bununla birlikte, bu yöntemler bilinen yağış değerlerinde, akışın hesaplanmasında etkin olan değişkenleri kullanma zorunluluğunu gerektirmektedir (Yaşar, 2004). 2

16 1.GİRİŞ Evren TURHAN 1.2.Yağışlar Yağışların Oluşumu Su buharı ve doymamış hava ile temasta bulunan su buharlaşmaktadır. Çeşitli sıcaklıklarda su buharı ile doygun hale gelmesi için havanın içine alması gereken su miktarları farklıdır. Sıcak bir hava kütlesi daha fazla ve soğuk bir hava kütlesi ise içine daha az su buharı kabul etmektedir. O halde doygun bir sıcak hava kütlesi içinde doygun soğuk hava kütlesine oranla daha fazla su buharı bulunmaktadır. Öyleyse sıcaklık arttıkça hava içinde bulunan su buharı çoğaldığından doymuş buhar basınçlarının da artması gerekmektedir (Şen, 2002). Buharlaşarak su buharı halinde atmosfere doğru yükselen su zerrecikleri, sıcaklıkların azaldığı ortamlarda bulutları oluşturmaktadır. Bulutlar ise, havadan daha az yoğunlukta oldukları sürece hava içinde askıda kalıp yüzmekte ve rüzgârlar vasıtasıyla sürüklenmekte, birbirleri ile karşılaşmakta ve birleşmektedirler. Bunlar daha soğuk hava tabakalarına rastladıklarında herhangi bir şekilde yoğunlaşmaktadırlar. Yoğunlaşma noktasının altına inildiğinde sıcaklık sıfır derecenin üstünde ise su kürecikleri meydana gelip yağışlar yağmur şeklinde; sıfır derecenin altında ise buz kristalleri meydana gelip kar ve dolu şeklinde olmaktadır. Eğer yatay hava akımları bunları havada tutamazsa yağmur, kar ve dolu şeklinde yere düşmektedirler. Su buharının yoğunlaşması yer yüzeyinin soğuyan kısımlarında olursa çiğ veya kırağı oluşur. Geceleri toprak sudan daha çabuk soğumakta ve kendi suyunu veya doygun havanın suyunu toplayarak buz kristalleri biçimine dönüştürmektedir Yağış Ölçümleri Bir bölgeye düşen yağmur miktarını bulmak için, yağış alanının ve yağış yüksekliğinin bilinmesi gerekmektedir. Su ayrım çizgilerinin içinde kalan her bir alan bir hidrolojik bölge olmaktadır. Buharlaşma hiç olmayan, sızmayan ve akmayan düz bir yere düştüğü düşünülen yağışın belirli bir zamanda milimetre cinsinden 3

17 1.GİRİŞ Evren TURHAN yükseldiği miktara Yağış Yüksekliği denmektedir. Yağış yüksekliği ile hidrolojik bölge alanı çarpılırsa o bölgeye düşen yağış suyu miktarı bulunur. Yağış yüksekliği yağış süresine bölünürse yağış şiddeti elde edilmektedir. şiddeti: Örneğin; 2 dakikada düşen yağmurun yüksekliği h=4 mm ise bu yağmurun i= 4 mm / 2 dak = 2 mm/ dak olarak bulunur. Yağışlar Plüvyometre denilen alet ile ölçülmektedir. Yağmur ölçü aletinin etki alanı, düz yerlerde 5-6 km, engebeli yerlerde 0-5 km ve hatta m ye kadar düşebilmektedir. Bir yere düşen yağışın miktarı; günden güne, aynı yıl içinde aydan aya ve yıldan yıla çok büyük değişiklikler gösterebilmektedir. Yılın yağışlı günlerindeki yağış yükseklikleri h 1, h 2,,h n ile gösterilirse bunların toplamı yıllık yağış miktarını vermektedir. Şekil 1.2. de Plüvyometre aleti görülmektedir. Yıllık yağış miktarı (mm) : i=n hi=h 1+h h n (1.1.) i=1 (1.1) ifadesi 12 ye bölünürse aylık ortalama yağış yüksekliği bulunmaktadır. Aylık ortalama yağış yüksekliği = i=n İ=1 12 h i (1.2.) Aylık gerçek yağış yüksekliği k=m h g ile gösterilirse (1.3.) k=1 4

18 1.GİRİŞ Evren TURHAN Aylık yağış katsayısı = (Erdemgil, 1995) k=m k=1 i=n İ=1 i h g h 12 olarak gösterilir (1.4.) Şekil 1.2.Plüvyometre Aleti ( Yağış sularının bir kısmı tekrar buharlaşarak atmosfere geri dönmekte, diğer bir bölümünü bitkiler almakta, bir bölümünü ise zemin tutmaktadır. Kalan kısımlar da yüzeysel akışa geçip akarsuları oluşturmaktadır. Akarsulardan yer altına sızma ve buharlaşma olayları sürmektedir. Bitkilerin aldığı suyun ise bir kısmı terleme şeklinde buharlaşarak atmosfere geri dönmektedir Yağışın Akışa Dönüşümü Bir akarsu havzası aynı zamanda üzerine düşen yağışı, çıkış noktasında akarsudaki akış haline dönüştüren bir sistem olarak da düşünülebilir. Yağışın akış haline dönüşümü Şekil 1.3. te gösterilmektedir. 5

19 1.GİRİŞ Evren TURHAN Şekil 1.3. Yağışın akış haline dönüşümü (Bayazıt, 2003) 1.3.Yüzeysel Akış Tekrar buharlaşmayan, bitkiler tarafından tutulmayan veya zeminin içine girmeyen yağış sularının yüzeyde kalan kısmı; çay, dere ve nehirleri oluşturarak denizlere veya göllere kadar yüzeyden akmakta ve dolayısı ile yüzeysel akışı oluşturmaktadır. Şekil 1.4. te Yüzeysel akış havzası ile yer altı akış havzası görülmektedir. Yüzeysel Akışlar; Toprağın jeolojik yapısı, Hidrolojik havzanın eğimi ve coğrafi durumu, 6

20 1.GİRİŞ Evren TURHAN Toprağın bitki örtüsü ve cinsi, Toprağın nemlilik derecesi, Bölgenin iklimi, Yağışların zamanı, süresi gibi koşullara bağlı olarak değişmektedir. Örneğin düz ve kumlu zeminlerde yüzey suları, kayalık ve dik arazidekine oranla daha az olmaktadır. Şekil 1.4.Yüzeysel akış havzası ile yer altı akış havzası (Önal, 2009) Bitki örtüsü, yüzeyden akan miktarı azaltmaktadır. Sıcak bir iklimde daha fazla buharlaşma olacağından yüzeyden akan suyun oranı daha düşük olacaktır. Buna karşılık, zemindeki nem miktarı arttıkça da yüzeysel sular fazlalaşacaktır. Alanı S km 2 olan bir hidrolojik havza aldığımızı düşünelim. Belirli bir süre içinde bu havzaya düşen yağış miktarı da Y olsun. Herhangi bir B noktasından geçen debi Q ise, Ψ = Q/Y = Q/ HxS oranına o havzanın Ortalama Akış Katsayısı denilmektedir. Burada H, belirli bir süre içinde o havzaya düşen yağışların yüksekliğini göstermektedir. Uzunca bir 7

21 1.GİRİŞ Evren TURHAN zaman süreci için bu katsayının ortalama değeri %30-%35 olarak kabul edilebilir. Ancak kısa süreler ve daha küçük alanlar için mevsime ve yerine göre bu katsayının daha farklı değerler aldığı görülmektedir. Bir havzaya bir yılda düşen yağışların yüksekliği H (m) ve o bölgedeki akarsuya bir yılda gelen suların yüksekliği H1 m ise; Ψ= H1/H ifadesi yıllık akış katsayısını vermektedir. Havza alanı S km 2 ise; bu havzadaki ana akarsuyun ortalama debisi lt/ sn cinsinden; xSxΨxH Q= 365x86400x1000 = 31,71xSx Ψ x H Havzanın 1 km 2 sinden akarsuya gelen debi, lt/s.km 2 ifadesinden, Q=31,71xΨxH olur. Bir havzanın yıllık yağış ortalaması; havzanın büyüklüğüne, yağmur şiddetine, sürekliliğine, toprağın su akış direncine, arazinin çıplak, örtülü veya ekili olup olmamasına; çatlak kaya, suyu geçiren cinsten olup olmamasına; yağıştan sonra ve evvelki sıcaklıklara, toprağın doygun olup olmamasına ve eğime göre büyük değişiklikler göstermektedir (Oğul, 2006) Yağış-Akış Modellerine Genel Bir Bakış Herhangi bir akarsu havzası üzerine düşen yağışın akış haline dönüşmesi olayını benzeştiren yağış-akış modelleri özellikle taşkın hidrolojisinde büyük önem taşımaktadır. Çeşitli kayıplar çıkarıldıktan sonra yağışın geriye kalan kısmı farklı yolları izleyerek havzada ötelenmekte, biriktirmeler yoluyla sönümlendirilmekte ve sonucunda da çıkış noktasında akış haline dönüşü gerçekleştirilmektedir. Kompleks bir sistem olan akarsu havzası için dönüşüm fonksiyonu bir matematiksel modelle ifade edilebilmektedir. Matematiksel modeller parametrik(çok bileşenli, kavramsal) 8

22 1.GİRİŞ Evren TURHAN modeller ve kapalı kutu (kara kutu) modelleri olmak üzere genellikle iki türlü değerlendirilmektedir. Parametrik (çok bileşenli, kavramsal) modeller; dönüşüm işlemini sızma, yeraltı akışı, yüzeysel akış gibi bileşenlerine ayırarak analiz ederken bu bileşenlerin aralarındaki ilişkileri fiziksel açıdan ayrıntılı bir şekilde ifade ederler. Hidrodinamik yasalarının uygulanması güç olduğundan bu çeşit modellemelerde genellikle basitleştirmeler yapılmaktadır. Modeller birtakım biriktirme elemanlarından kurulur, suyun izlediği yola bağlı olarak bu elemanların arasındaki ilişkiler (giren ve çıkan su miktarları) fiziksel özellikleri ile belirlenmektedir. Belirli bir havza için model parametrelerinin değerleri, havzada gözlenmiş olan hidrograflarla yeterli bir yaklaşımla modelden istenen sonuçlar elde edilinceye kadar denemeler yapılarak belirlenmektedir. Kapalı kutu (kara kutu) modellerinde havzada yer alan olaylar ayrıntılı olarak incelenmeyip, havzaya yağışı akışa çeviren kapalı bir kutu gözüyle bakılır. Sistemin dönüşüm fonksiyonunun belirlenmiş olan havzada gözlenmiş olan yağış ve akış kayıtlarına dayandırılarak belirlenmesine çalışılır. Bu tip modeller gerçek durumu tam olarak yansıtmasalar dahi uygulaması oldukça basit olup, daha önce denenmemiş koşullar için kullanılmaları durumunda hatalara yol açabilmektedir. Kapalı kutu modelleri dönüşüm fonksiyonunun doğrusal olduğunun kabul edilip edilmemesine göre de sınıflara ayrılmaktadır. Bilgisayar uygulama yöntemlerinin gelişmesi yağış-akış modellerinin çeşitlenmesine ve daha çok kullanılmasına yol açmıştır. Bilgisayar teknolojisinin son yıllarda gelişimine paralel olarak geliştirilen programlar sayesinde geleneksel yaklaşım ve modellemeye alternatifler getirilmektedir. Bu konuda Yapay Zekâ Teknikleri (YZT) olarak ifade edilen ve genel olarak insan beyni ve düşünce fonksiyonunun taklidi olarak ortaya konan alanda gelişimler sağlanmaktadır. Özellikle kapalı kutu olarak algılanabilecek, yani içinde olan olayları tahmin etmenin oldukça zor olduğu sistemlerde sadece sistemin giriş ve çıkış parametrelerinden hareketle sistemi tanımaya olanak sağlayan yaklaşımlarda YZT büyük olanaklar sunmaktadır. 9

23 1.GİRİŞ Evren TURHAN Geleneksel yağış-akış modelleme teorisi doğal olarak sistemi indirgemek, zaman zaman doğrusallaştırmak zorunda kalmaktadır. Bu da modellerin güvenilirliğini ve modellerin sonuçlarını şüpheli hale getirmektedir. Oysaki sistemin içinde ne olup bittiğine bakmadan sadece sistemin girdi-çıktı mekanizmasının öğrenilmesi ile sistem sağlıklı bir şekilde modellenebilmektedir. Bu doğrultuda insan beyninin çalışma sisteminin taklidi ile geliştirilmiş olan Yapay Sinir Ağları (YSA) uygun bir alternatif olarak görülmektedir. YSA, girdi-çıktı sistemleri modellemesi için başarılı bir şekilde kullanılmaktadır. YSA nın çeşitli tıp ve mühendislik uygulamaları da yapılmış olup; sistem yapay veri üretimi, simülasyon ve tahmin problemlerinin önde gelen yöntemlerinden birini oluşturmaktadır (Aci, 2006). Bu çalışmada bir akarsudaki akımların o akarsuyun havzasındaki yağış gözlemlerinden tahmin edilmesi ele alınmıştır. Bu amaçla son yıllarda benzer tahmin uygulamalarında sıkça kullanılmakta olan YSA yöntem olarak seçilmiştir. Konunun teorik kısımları verildikten sonra uygulama için Seyhan Havzası seçilmiştir. Havzada mevcut bulunan yağış gözlem istasyonlarının yerleşimi, gözlem aralığı gibi parametrelere bağlı olarak İleri Beslemeli Geriye Yayınımlı Sinir Ağı (İBGYSA) modeli ile tasarlanmıştır. Model YSA metodolojisine uygun olarak eğitme ve test aşamasından geçirilerek oluşturulmuştur. Elde edilen değerler Çoklu Doğrusal Regresyon Modeli (ÇDR) ile kıyaslanmıştır. Sonuç olarak YSA yağış gözlemlerinden akış tahmini problemine başarılı bir şekilde uygulanabilmekte ve güvenli tahminler üretebilmektedir. 10

24 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Evren TURHAN 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Yağış-akış modelleri, 19. yüzyılın ikinci yarısında kentlerin kanalizasyon tasarımı, drenaj sistemlerinin düzenlenmesi ve dolusavak hazne tasarımlarıyla ilgili üç tip mühendislik sorununa çözüm getirebilmek amacıyla ortaya çıkarılmış olup, karşılaşılan sorunlarda tasarım debisinin belirlenmesi temel amaç olmuştur. 19. yüzyılın sonlarında ve 20. yüzyıl başlarında birçok mühendis, belirli durumlara uygun olarak üretilmiş formülleri benzer koşullar altında uygulamışlardır. Birçok mühendis de, yağıştan akış kestirimi yapılması sorununa rasyonel bir yaklaşım olarak görülebilecek rasyonel yöntemi kullanmışlardır. Küçük ve dağlık havzalar için türetilen bu yöntemde toplanma zamanı temel parametre olmaktadır. Bu metotta verilen yağış şiddetinin neden olduğu maksimum debi değerinin, yağış süresinin toplanma süresinden büyük ya da eşit olduğu durumda gerçekleştiği düşünülmektedir li yıllarda daha büyük havzalar için bir model gereksinmesi duyulmaya başlanmış ve bundan dolayı da Rasyonel Yöntem e birçok düzenlemeler yapılarak zamansal ve konumsal ölçekte yağış ve havza özellikleri dikkate alınarak üniform olmayan dağılımlarla çözümler üretilmeye çalışılmıştır. İzokronlar veya eş hareket süreli eğrileri kavramına dayalı Modifiye Rasyonel Yöntemi ilk temel yağış-akış modeli olarak kabul edilmektedir de Sherman, yağışın oluşturduğu akışı belirlemek amacıyla süperpozisyon ilkesine dayalı birim hidrograf kavramını oluşturmuştur ların sonları ve 1940 lı yıllarda yöntemlerin ve sonuçların nesnelliğinin arttırılması amacı ile bazı teknikler önerilmiş ve istatistik çözümler işin içine dahil edilmiştir. Birim hidrograf kavramına önemli bir katkı da Clark (1945) tarafından yapılmıştır. Daha sonraki yıllarda Nash (1957), Gama dağılımlı birim hidrografı önermiştir. Akış tahminleriyle ilgili en büyük ve en önemli gelişme, 1950 lerde gerçekleşmiştir. Birim hidrografın biçiminin sadeleştirilmiş diferansiyel denklem çözümüyle elde edilebileceği sonucuna varılmış olup; birim hidrograf, havza özellikleri ile ilgili parametreler ya da istatistiksel yöntemlerle tanımlanabilmektedir. 11

25 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Evren TURHAN 1960 larda yağış-akış modellemesi hakkında yeni yaklaşımlar geliştirilmiştir. Hidrolojik çevrim bileşenlerinin davranışları ele alınarak havza ölçeğinde, birbirleriyle bağlantılı ve her biri belirli bir alt sisteme karşılık gelecek öğeler kullanılarak araştırma yapılması öngörülmektedir. Bu şekilde bir yaklaşıma gereksinim duyulmasının nedenleri ise şöyledir: 1) Maksimum akış ve taban akımının ayrılmasının karmaşıklığından kaçınarak modelin kullanımını uzun süreli kayıtlara doğru ilerletebilmek, 2) Modeli; farklı zemin, bitki örtüsü, karmaşık eğimlere sahip drenaj havzalarına uygulayabilmek, 3) Modelin, benzer havzalara çok fazla kalibrasyona ihtiyaç duyulmadan ayarlanabilmesini sağlamak. Birçok durumda; modellerde parametre kullanılmakta ve bu parametreler en uygun şekilde kalibre edilmelerine rağmen yanılgılı veriler içermekte, basit modeller arasında yanılgılara yol açabilmektedir lerin sonları, 1980 lerin başında ise yeni bir yağış-akış modeli gerçekleştirilmiştir. Bu model; gerçek zamanlı kestirim modeli olarak düşünülmüş olup; taşkın eğilim uyarısı gösteren alanlar için bir çözümleme; hazne veya hidrolik yapı yönetimi için bir araç olarak geliştirilmiştir. Birçok yağış-akış modeli gerçek zamanlı kestirim modeli olarak kurulmuş olsa da, tüm model parametrelerinin gerçek zamanlı olarak kalibrasyonunun yapılmasının avantajları ve dezavantajları net olarak bilinememektedir. İnsan oluşumlu çevresel etkilerin daha çok dikkate alındığı günümüzde taşkın, kuraklık, çevresel kirlenme gibi kritik durumlar belirli gerçek zamanlı kestirim modellerinin geliştirilmesini zorunlu kılmaktadır. Asit yağmurları, toprak kayıpları, gübrelerin yayılımı ve genel kirlenme gibi olağandışı doğa olaylarının yalnızca dinamik, fiziksel tabanlı modellerle açıklanması yeterli olmamakta; kimyasal ve biyolojik koruma denklemlerinin eklenmesini de gerektirmektedir. 12

26 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Evren TURHAN Yağış-akış matematiksel modellerinin tarihi gelişimi incelendiğinde kullanılan hidrolojik modellerin gereksinimleri arasındaki etkileşimin anlaşılabileceğine ve mevcut bilgilere ve de teknolojik koşullara dayanarak çözüm önerebileceğine dikkat çekilmektedir. Günümüzde sorunlar ve eğilimler doğrultusunda gelecekte kullanılacak üç model tipi belirlenmiştir: 1) Diferansiyel Dağılım Modelleri, 2) Diferansiyel Dağılım Modellerinin birleştirilmesiyle oluşturulan Dağılım veya Kümelenmiş İntegral Modelleri, 3) Dağılım veya Kümelenmiş İntegral Modelleri artı gerçek zaman güncellemesi için stokastik bileşen. Su kaynakları sisteminin plânlanmasında sistemin davranışını tanımlamak, veri üretme ve ileriye dönük tahminler yapmak gereklidir. Bu sebeplerle çeşitli modeller geliştirilmiştir. Hangi tip modelin kullanılacağı incelenecek olaya bağlı olmaktadır. Örneğin; yağış, akışa göre çok daha bağımsız değerler alan bir değişken olmaktadır. Akışlar da ise; bağımlılık unsuru çok güçlüdür. Bunun nedeni havzanın zemin özellikleri, bitki örtüsü gibi fiziksel özellikleridir. Kullanılan geleneksel yağış-akış modelleri görgül kara-kutu modelleri, anlık kavramsal modeller ve fiziksel temelli modeller olmak üzere üç gruba ayrılabilirler. Pratikte en çok kullanılan yağış-akış modelleri ilk iki kategorideki modeller olmaktadır. Görgül kara-kutu modelleri, yağışın akışa dönüşümünde yer alan fiziksel süreçleri açık bir şekilde ifade edememektedir. Kara-kutu modelleri, Sherman ın (1932) birim hidrograf kuramına dayanmaktadır. Bu modeller, parametre tahminleri yapabilmek için yağış ve debi gözlemlerine gereksinim duymaktadır. Bu tip modellerin geliştirilmesi ve kalibrasyonunda çalışılan bölge dışında çok iyi sonuçlar verebildiğine rastlanmamıştır. Kavramsal yağış-akış modelleri, hidrolojik çevrimi yöneten giriş alt süreçleri ve fiziksel mekanizmalarla yaklaşık olarak tasarımlandırılmaktadır. Bu modeller genellikle basitleştirilmiş fiziksel yasalarla doğrusal olmayan, zamanda değişken ve deterministik havza özellikleri gösteren parametreleri birleştirmektedir. Bu gibi 13

27 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Evren TURHAN modeller yağış-akış süreçlerinin alansal dağılım, zamanla değişen ve stokastik özelliklerini yok saymaktadır. Bu modeller basit olmalarına karşın, mevcut ölçülmüş hidrografları göstermekte oldukça başarılı olmaktadırlar. Bunun yanı sıra, bu gibi modellerin uygulamasında ve kalibrasyonunda, karmaşık matematiksel ifadelerin olması kalibrasyonu için gerekli verinin fazla olma gereği ve modelin tanımlanması ve de kullanılmasında deneyimin önemli olması gibi zaruretleri bulunmaktadır. Görgül kara-kutu ve kavramsal yağış-akış modellerinin tersine fiziksel tabanlı yağış-akış modellerinin araştırması günümüzde sıklıkla daha çok kullanılmaktadır. Bu modeller birleşik hidrolojik süreçlerin fiziksel yapılarını anlamaya yöneliktirler. Bu tip modellerde oldukça kapsamlı veriye ihtiyaç duyulmaktadır. Görgül kara-kutu ve kavramsal yağış-akış modelleri, genelde sadece yağış-akış çalışmalarına yönelik değil, aynı zamanda tek bir yağış-akış kavramından çok daha önemli olan aşınım, yüzey üstü ve yüzey altı suları ile ilgili bilgileri de kullanmaktadırlar. Fiziksel modelleri kullanarak belirli bir akarsu havzasının akımlarının modellenmesinde ise; yeterli doğruluğa sahip uygun verinin elde edilmesi kavramı çok önem kazanmıştır. Pek çok durumda model için gerekli verinin toplanması zordur. Bunun ötesinde, bu tip modeller için verinin kalibrasyonu ve geçerliliğinin sınanması gerekmektedir. Dolayısı ile yalnızca temel hidrometeorolojik veriyi kullanarak modelleme yapabilen yeni bir yöntem olan YSA yöntemi kullanılmaya başlanmıştır. YSA; pek çok farklı sürecin öğelerinden elde edilen, doğrusal olmayan öğrenme düzeneğine sahiptir (Pincipe ve ark., 2000). Farklı süreç elementlerinden her biri diğerleri ile ve kendileriyle birleştirilirler. YSA ların temel avantajı; verilerin istatistiksel dağılımları ile ilgili hiçbir kabul yapılmaksızın etkin ve kuvvetli tahminler yapabilmeyi sağlamasıdır. Böylece bu yöntemde optimum performans sağlanabilmektedir. Akım bilgi süreçlerinin yüksek oranda doğrusal olmayan özellik göstermeleri, zamanla değişen ve konumsal dağılımlı olmalarına bağlı olarak basit modellerle kolaylıkla tanımlanamayacaklarına inanılmaktadır. Akım süreçlerinin modellenmesinde çok fazla zaman ve enerji harcanmaktadır. Bu modeller genellikle yağış-akış modelleri olarak bilinmektedir. Bu modellerin tümünde verilerin kalibrasyonu ve geçerliliğinin sınanması gerekmektedir. Pek çok durumda model için 14

28 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Evren TURHAN gerekli uygun verinin sağlanması zordur. YSA mevcut hidrometeorolojik veri ile akış modellemesinde kullanılabilmektedir. Literatürde YSA kullanılarak yapılan birçok çalışma bulunmaktadır. Daha sonraki yıllar da ise; insan öğrenme sürecini modelleme üzerine yapılan çalışmaların sayısı artmış ve Hebb(1949), YSA daki öğrenme kuralı için başlangıç sayılabilecek bir kuralı geliştirmiştir. Bu öğrenme kuralı o dönemde bir sinir ağının öğrenme işini nasıl gerçekleştirebileceği konusunda fikir vermekle birlikte bugün hâlâ geçerli olan öğrenme kurallarından birçoğunun da temelini teşkil etmiştir. Daha sonraki yıllarda ise Rosenblatt (1958), Tekli Doğrusal Algılayıcı (TDA) (perceptron) modeli ve öğrenme kuralı ile bugünkü makine öğrenme algoritmasının temelini atmış oldu. TDA karmaşık yinelemeli davranışlarda kullanılabilen öğrenme makinesi olup, doğrusal çok boyutlu düzlemsel problemleri çözebildiği halde, doğrusal olmayan sorunlara bir çözüm getirememiştir. Widrow ve Hoff (1960), Widrow-Hoff öğrenme kuralı ortaya atılarak eğitim boyunca toplam hatayı en aza indirme çalışmaları yapılmıştır. İlerleyen zamanlarda Hopfield (1982) tarafından yapılan çalışmalar neticesinde eğrisel (doğrusal olmayan) ağların geliştirilmesi, Kohonen (1982) ve Anderson (1983) tarafından yapılan çalışmalarla birlikte öğretmensiz öğrenen ağların geliştirilmesi, Rumelhart ve diğerleri (1986) tarafından çok algılayıcı ağlar için Geriye Yayılma olarak adlandırılan bir eğitme algoritmasının geliştirilmesi neticesinde bilim adamlarının YSA ile olan alakaları artmış ve literatürde bugüne kadar YSA tabanlı birçok modelleme çalışması yapılmıştır. YSA klasik yöntemlerle karşılaştırıldığında; yapay nöronların doğrusal olmamaları, doğadaki her türlü soruna uygulanabilmeleri, öğrenme algoritmasının oluşturulmasında sağladığı kolaylıklar ve eğitim aşamasında eksik parametrelere uygulanan sistem girişine karşılık en uygun sistem çıktısını üretebilmeleri gibi pek çok üstünlükleri bulunmaktadır. Kişi (2001, 2003), yaptığı çalışmada YSA kullanarak akış tahmini yapmıştır. Ölçülmüş aylık toplam akış verilerinin bir kısmını YSA da eğitmiş, bir kısmı ile de denemiştir. Aylık toplam akarsu akışlarını tahmin etmek için eğim azaltma algoritması ile yapay geri yayılmalı sinir ağı kullanılmıştır. Geçmiş ayın verileri 15

29 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Evren TURHAN kullanılarak, içinde bulunulan ayın verileri elde edilmeye çalışılmıştır. Üç tabakalı YSA nın aylık toplam akışları etkin bir şekilde tahmin edebildiği sonucuna varılmıştır. Öztopal ve ark. (2003), yaptıkları çalışmada yağış ve buharlaşma girdilerinden yararlanarak, akış tahmini yapabilmek için YSA yardımıyla bir akış modeli oluşturmuşlardır yılları arasında Büyükçekmece nin aylık yağış, buharlaşma ve akış ölçümleri kullanılmıştır. Toplam 224 verinin 112 si kurulan YSA modelini eğitmek, 112 veri ise tahmin için kullanılmıştır. Eğitme işleminde geriye yayılma algoritması kullanılmıştır. Modelleme sonucunda eğitim aşamasında korelasyon değeri 0.82; tahmin aşamasında ise 0.81 olarak bulunmuştur. Chiang ve ark. (2004), yaptıkları çalışmada, YSA ların iki temel tipi olan statik ve dinamik sinir ağlarının sistematik bir karşılaştırmasını yapmışlardır. Statik sinir ağları için, iki tane geri yayınımlı öğrenme algoritması, Standart Geri Yayınım Algoritması (SGYA) ve Bileşik Eğim (BE) algoritması kullanılmış; dinamik-geri besleme ağı için Gerçek Zamanlı Yinelemeli Öğrenme Algoritması (GZYÖA) kullanılmıştır. Statik bir ağ için, kurulu bir ağın verimliliği bakımından, BE yönteminin standart SGYA yönteminden daha iyi sonuçlar verdiği gözlemlenmiştir. BE algoritması kullanan Statik Yapay Sinir Ağı ile GZYÖA kullanan dinamik yapay sinir ağı karşılaştırıldığında ise statik-ileri besleme sinir ağlarının yalnızca uygun ve elverişli bir eğitim veri seti olması durumunda yeterli sonuçlar verdiği; dinamik sinir ağlarının statik sinir ağlarına oranla daha iyi ve daha istikrarlı sonuçlar ortaya çıkardığı; öğrenme bakımından ise GZYÖA algoritmasının dinamik ağın sürekli olarak güncellenmesinde kullanıldığı sonuçlarına varılmıştır. Türker (2003), yaptığı çalışmada kavramsal bir yağış-akış modeli geliştirmiş ve Eğirdir Gölü Havzası nı uygulama alanı olarak seçmiştir. Sonucunda yağış ve buhar tavanı gibi kolay sağlanabilen iki temel girdiye gerek duyabilen söz konusu modelin, model yarıdeğişkenleri için uygun değerler bulunarak her havzada uygulanma olanağının bulunduğunu belirtmiştir. Yaşar (2004), yaptığı çalışmada YSA yöntemiyle Adıyaman Meteoroloji İstasyonu ve Ziyaret Çayı na ait yılları arasındaki akım, sıcaklık ve yağış verilerini kullanarak yağış-akış ilişkisi oluşturmuştur. Model çalışmasında sıcaklık ve 16

30 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Evren TURHAN yağış verileri girdi; akış verileri çıktı olarak göz önüne alınmıştır. Eğitim aşamasında 1435 adet verinin 1312 si ile modelleme yapılmıştır. Ağın eğitilmesinden sonra 123 adetlik veri takımları ile ağ test edildiğinde, gerçek akım değerleriyle benzetim akım değerlerinin arasında % 90 gibi bir uyumluluk olduğu gözlemlenmiştir. Yarar (2004), yaptığı çalışmada Konya Ovası Projesi nin ana su kaynağı olan Beyşehir Gölü nün su seviyesi değişimleri YSA yöntemi ile belirlenmeye çalışılmıştır. DSİ tarafından yapılan 1962 ile 1990 yılları arasına ait Giren Akım-Kayıp Akım, Yağış, Buharlaşma, Çekilen Akım ve Seviye ölçümleri kullanılarak YSA yöntemi yardımı ile seviye değerleri elde edilmiş ve elde edilen değerler geleneksel yöntemlerden elde edilen sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Oğul (2006), yaptığı çalışmada Bilecik ili, Pazaryeri ilçesi, Kurukavak Havzası na ait gözlenmiş yağış ve akım verilerini kullanarak akım tahminleri yapmıştır. Çalışmada YSA metotlarından İBGYSA metodu da kullanılmıştır. Aci (2006), yaptığı çalışmada bir akarsudaki akımların o akarsuyun havzasındaki yağış ve önceki akım gözlemlerinden tahmin edilmesini ele almıştır. YSA yöntemi seçilmiş olup, uygulama alanı olarak Akarçay Havzası belirlenmiştir. Elde edilen sonuçlara göre YSA ların yağış gözlemlerinden akış tahmini problemlerine başarılı bir şekilde uygulanabileceği ve güvenli tahminler ürettiği ortaya konmuştur. Şahin (2007), yaptığı çalışmada Karadeniz Bölgesindeki yağış-akış ilişkisinin farklı YSA metotları ile modellemesini yapmış, sonuçları birbirleri ile mukayese ederek hangi metodun daha başarılı olduğunu irdelemiştir. Öcal (2007), yaptığı çalışmada YSA algoritması kullanarak akarsu havzalarında yağış-akış-katı madde ilişkisinin belirlenmesi konusunu ele almış, Büyük Menderes Nehri üzerinde bulunan Yukarı Büyük Menderes Alt Havzası ve Banaz Çayı Alt Havzasını uygulama alanı olarak seçmiştir. Önal (2009), yaptığı çalışmada yapay zekâ tekniklerinden olan ve günümüzde yaygın bir şekilde kullanılan YSA metodu ile Kızılırmak Nehri üzerinde akım tahmin modellemesi yapmıştır. Sonuç olarak da YSA metodunun akım tahmin problemlerinde rahatlıkla kullanılabileceği görülmüştür. 17

31 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Evren TURHAN Gümüş ve ark. (2010), yaptığı çalışmada Orta Fırat Havzası nda bulunan 2122 numaralı akım gözlem istasyonuna ait aylık ortalama akım verileri ile numaralı yağış gözlem istasyonuna ait aylık toplam yağış verileri arasındaki ilişki YSA metotlarından İBGYSA metodu ile araştırılmış ve ardından bu sonuçlar daha klasik bir yöntem olan ÇDR yöntemi ile karşılaştırılmıştır. Akım ve yağış verilerinin girdi olarak kullanıldığı bu işlemde yeni akım değerleri tahmin edilmiştir. Çalışma neticesinde İBGYSA yönteminin ÇDR yöntemine göre daha iyi sonuçlar verdiği gözlemlenmiştir. Okkan ve ark. (2010), yaptığı çalışmada Gediz Havzası nda yer alan Yiğitler Çayı na ait günlük akımların modellenmesi için kullanılabilecek bir YSA modeli hazırlamıştır. Hazırlanan YSA modeli ÇDR ile karşılaştırılmış, model performansları, Yiğitler Çayı na ait ölçülmüş günlük akım değerleri ile sınanmıştır. Analiz sonucu, YSA algoritması performansı regresyon modeline göre daha başarılı bulunmuştur. 18

32 3. MATERYAL VE METOD Evren TURHAN 3. MATERYAL VE METOD 3.1. Materyal Su Havzaları Havza; biyolojik, fiziksel, ekonomik ve sosyal bir sistemdir. İnsan aktiviteleri ile etkilenen bir arazi dikey olarak alansal; yatay olarak da bir noktadan çıkışa ulaşan su ile sınırlandırılmıştır. Bu alan içerisinde fiziksel, ekonomik ve sosyal etmenlerin ilişkili olduğu çok dinamik bir sistem vardır. Havza, yalnızca bir alan değil; bir arazi parçasıdır. Aynı zamanda doğal, sosyal, ekonomik, politik ve kurumsal etmenlerin değiştiği karışık bir yapıdır. Yeryüzüne ulaşan yağışların toplandığı akarsu bölgelerine Su Toplama Havzası denilmektedir. Su Havzası, düşen yağış sularını toplayarak düşük kotlu bir noktaya ileten alanlar için de kullanılmaktadır. Buralarda toplanan sular kendisinden daha büyük olan su toplama havzalarına ya da doğrudan denize ulaşmaktadır. Şekil 3.1. de Su Toplama Havzası gösterilmektedir. Şekil 3.1.Su Toplama Havzası (Oğul, 2006) Su çevrimi bileşenli mühendislik hesaplamalarının yapılması için zaman ve alan büyüklüklerine ihtiyaç vardır. Zaman birçok durumda düzenli; gün, hafta, ay yıl veya taşkın ve kuraklık süreleri gibi durumlarda da düzensiz yani belirsizdir. Mühendislik hidrolojisi çalışmalarında bazı hidrolojik olayların süresi belirsiz bile olsa, bu olayların incelenmesinde zaman süresi düzenli olarak dikkate alınmaktadır. 19

33 3. MATERYAL VE METOD Evren TURHAN Üzerine düşen her yağışın, akışa geçen kısmını yüzey suyu olarak çıkış noktasına getiren noktaların tümünü çevreleyen alan, o çıkış noktasının su toplama havzasıdır. Mühendislik hesaplamalarında en azından bu havzanın yüzey alanının bilinmesi gereklidir. Alan ise; ancak haritalardan tespit edilebilmektedir. Suların akması için önemli olan yüzey şekilleridir, topoğrafya haritasında çıkış noktasının konumu tespit edildikten sonra, bu nokta merkez kabul edilmekle birlikte her yönde çizilen değişik doğrular üzerindeki ilk tepe noktaları bulunmaktadır. Atmosferden gelen suların tepe noktaları ikiye ayrılmakta; bir kısım çıkış noktasına, diğerleri de onun aksi yönüne akmaktadır. Bu bakımdan bu noktalara Su Ayrım Noktaları denilmektedir. Değişik yönlerde alınan doğrular üzerindeki en yüksek noktaların yani su ayrım noktalarının birleştirilmesi ile su ayrım çizgisi denilen gelişigüzel bir eğri elde edilmektedir. Bu çıkış noktasında her iki taraftan kendi üzerine kapanmaktadır. Eğri, su toplama havzasının çevresini teşkil etmekte ve en düşük yükseltisi çıkış noktasında olmaktadır. Dolayısı ile çıkış noktasına havzanın en düşük kotlu su toplama noktası da denilmektedir. Pratikte mansap noktası adı da verilmektedir (Bayazıt, 1998). Çıkış noktasına en uzakta olan noktalar genelde yağışların bile olmadığı zamanlarda bu şebekeyi besleyen pınar ve yeraltı su kaynaklarına yakındır. Bu nedenle bu uzaklıklardaki kısımlara da Akarsuyun Membası denilmektedir. Mühendislik hidrolojisinde zaman ve alana karar verildikten sonra; birtakım hesaplamaların yapılabilmesi için yağış, akış, sızma ve buharlaşma gibi değerlerin yanında akarsu havzasının bazı büyüklüklerinin de bilinmesine gerek vardır. Bunlar arasında en önemlisi, akarsu havzasının haritadaki alanıdır. Alan büyüdükçe havzanın yağışları toplama imkânı artacağından yüzeysel akış miktarının da artacağı düşünülebilir. 20

34 3. MATERYAL VE METOD Evren TURHAN Havzalar büyüklüklerine göre; A> 1000 km 2 ise..çok Büyük, 100 km 2 < A < 1000 km 2 ise.büyük, 5 km 2 < A < 100 km 2 ise...orta, A < 5 km 2 ise Küçük Havzalar olarak nitelendirilebilmektedir (Müftüoğlu, 1991b ). Ülkemiz su kaynakları yönünden 26 havzaya ayrılmış olup, mevcut koşullarda su ihtiyacını karşılayabilecek durumdadır. Ancak hızla artan nüfusumuz, su kirliliği ve kuraklık gibi faktörler göz önüne alındığında gelecek için endişelenmemek olası değildir. Bu koşullarda, su kaynaklarımızı iyi değerlendirip su depolama yapıları tesis edilebilir. Mevcut tesislerde sızma ve iletim kayıpları en aza indirilebilir ve su kullanımı açısından tasarruf bilinci oluşturulabilirse kendimizi geleceğe en iyi şekilde hazırlamış olabiliriz. Aksi durumda, suya muhtaç ülkeler konumuna gelmemiz kaçınılmazdır. Türkiye topoğrafik olarak, Şekil 3.2. deki gibi 26 adet akarsu havzasına bölünmüştür. Şekil 3.2.Türkiye Akarsu Havzaları (Oğul, 2006) 21

35 3. MATERYAL VE METOD Evren TURHAN Ülkemizdeki havzalar büyüklük, nüfus, su ve toprak kaynakları yönünden birbirlerinden farklılık göstermektedir. Nüfus yönünden en kalabalık havza Marmara, bunu Fırat izlemektedir. Nüfusu en az havzalar ise Burdur Gölleri ile Çoruh tur. Sulamada kullanılan suyun yaklaşık %70 nin yüzey suyu kaynaklarından (göl, nehir, baraj) karşılanmaktadır. Ülkemizin toplam yer altı su potansiyeli 12 milyar m 3 olup, bunun %70 ine yakın bir kısmı yer altından çekilmektedir. Batı Akdeniz, Burdur Gölü, Akarçay, Konya Kapalı, Doğu Akdeniz ve Asi havzalarında emniyetle çekilebilir su miktarından daha fazla su çekilmektedir. Buna bağlı olarak en fazla su çekilen havza Konya Kapalı, en az çekilen ise Van Gölü havzasıdır. Kullanılabilir yeraltı suyu rezervinin en fazla olduğu havzalar Fırat ve Sakarya havzaları olarak belirtilmektedir. Yer altından çekilen suların %45 i içme ve kullanma, %54.9 u sulamada tüketilmektedir. Sanayinin yoğun olduğu havzalarda çekilen yeraltı suyunun büyük kısmının içme kullanma ve sanayi amaçlı; tarımın yoğun olduğu havzalarda ise sulamada kullanıldığı bilinmektedir (Oğul, 2006). Çizelge 3.1. de Havzaların yüzölçümü yağış ve akış durumu gösterilmektedir. 22

36 3. MATERYAL VE METOD Evren TURHAN Çizelge 3.1. Havzalarda Durum ( ) (SHKEP, 2011) Havza Adı Yüzölçümü (Km 2 ) Yıllık Ortalama Yıllık Ortalama Sulanan Alan (ha) Yağış (mm) Debi (m 3 /sn) Meriç ,00 38, Marmara ,70 255, Susurluk ,60 161, Kuzey Ege ,20 161, Gediz ,00 58, K.Menderes ,40 35, B.Menderes ,30 97, Batı Akdeniz ,60 321, Antalya ,40 335, Burdur Gölü ,30 14, Akarçay ,80 14, Sakarya ,70 188, Batı Karadeniz ,00 317, Yeşilırmak ,50 162, Kızılırmak ,10 197, Konya Kapalı ,80 154, Doğu Akdeniz ,00 345, Seyhan ,00 229, Asi ,60 37, Ceyhan ,60 224, Fırat ,10 992, Doğu ,00 521,30 - Karadeniz Çoruh ,40 208,30 - Aras ,40 149, Van Gölü ,30 62, Dicle ,20 700,

37 3. MATERYAL VE METOD Evren TURHAN Ülkemizin Önemli Su Havzalarından Seyhan Havzası Seyhan Havzası; Türkiye nin güneyinde, Doğu Akdeniz Bölgesinde ile kuzey enlemleri ve ile doğu boylamları arasında yer almaktadır. Havzanın kuzeyinde Kızılırmak, doğusunda Ceyhan, batısında Doğu Akdeniz Havzaları ile kuzeybatısında Konya Havzası bulunmaktadır. Seyhan Nehri, kuzeyde Toros dağlarının 3500 m. yükseltisinden başlar ve Akdeniz e dökülür (DSİ,1980). Seyhan Nehri; Zamantı ve Göksu kollarından oluşur ve yıllık ortalama akım değeri, Zamantı kolunda 68 m 3 /sn ve Göksu kolunda 59 m 3 /sn değerindedir. Akım miktarı, Çatalan ve Seyhan Barajlarında sırasıyla 163 m 3 /sn ve 200 m 3 /sn değerlerini alır. Türkiye nin 186 milyar m 3 lük toplam su potansiyelinin yaklaşık %5 i Seyhan Havzası nda yer almaktadır. Seyhan Havzası nın genel bir görünümü Şekil 3.3. te gösterilmektedir. Şekil 3.3. Seyhan Havzasının Genel Bir Görünümü (SHKEP, 2011) Seyhan Nehri; Zamantı ve Göksu kolları, Çatalan Barajında Seyhan Nehrine karışan Eğlence Deresi, mevcut Seyhan rezervuarına karışan Körkün, Çakıt Çayları, Üçürge Deresi ve Seyhan Nehri ne akan diğer küçük derelerden oluşmaktadır ve Adana il sınırları içerisinden geçtikten sonra nehir güneybatıya yönelerek 24