INVESTIGATION OF VARIATION OF SURFACE WATER QUALITY PARAMETERS IN WESTERN BLACK SEA BASIN AND CLASSIFICATION OF STATIONS USING CLUSTER ANALYSIS

Transkript

1 5. Uusararası İeri Teknoojier Sempozyumu (IATS 09), 1315 Mayıs 2009, Karabük, Türkiye BATI KARADENİZ SULARI HAVZASINDAKİ YÜZEY SUYU KALİTESİ PARAMETRELERİNDEKİ DEĞİŞİMİN İNCELENMESİ VE CLUSTER ANALİZİ İLE İSTASYONLARIN SINIFLANDIRILMASI INVESTIGATION OF VARIATION OF SURFACE WATER QUALITY PARAMETERS IN WESTERN BLACK SEA BASIN AND CLASSIFICATION OF STATIONS USING CLUSTER ANALYSIS Vokan YILMAZ a ve Mera BÜYÜKYILDIZ b,* a, Seçuk Ü. Müh. Mim. Fak., Konya, Türkiye, Eposta: vokan.e.yimaz@hotmai.com b * Seçuk Ü. Müh. Mim. Fak. Konya, Türkiye, Eposta: merabyidiz@hotmai.com Özet Ükemizin su kaynakarının geiştiriip çok iyi korunması büyük önem taşımakta oup, son yıarda su kaitesi gözemeri, çevre ve su kiriiği üzerindeki yoğun endişeer üzerine daha da önem kazanmaktadır. Nehir suyu kaite gözem programarının en önemi amacı, kiriik kaynakarındaki/seviyeerindeki değişimeri ve su kaitesini etkieyen faktöreri beiremek, modeeme yapmak, ieriye yöneik tahminerde buunmak ve sağıkı bir izeme sistemi ouşturmaktır. Su kaitesi izeme çaışmaarında doğru parametreerin seçimi, gözememe programının teknik ve mai fizibiitesinin önemi bir ayağını ouşturmaktadır. Parametreerin seçimi, gözememe programının amacına bağı oarak önem kazanır. Bu çaışmada Batı Karadeniz Havzasında Eektrik İşeri Etüt İdaresi (EİE) tarafından işetien 6 adet yüzey suyu kaitesi gözem istasyonuna ait 14 tane parametre (debi, su sıcakığı, ph, EC (x10 6 ), Na +, K +, Ca ++ + Mg ++, CO 3, HCO 3, C, SO 4, bor, sertik) kuanımıştır. Parametreerde Custer anaizi kuanıarak indirgeme yapımıştır. Ökit benzerik öçütü kuanıarak parametreerin benzerik matriseri ouşturumuş ve Tek Bağantıı Kümeeme Tekniği ie de Topayıcı Kümeer beirenmiştir. Ayrıca inceenen 6 istasyona ait su kaitesi parametreerinin değişimi parametrik omayan yöntemere inceenerek bögedeki yüzey suarındaki kiriik profii beirenmeye çaışımıştır. İnceenen 14 adet yüzey suyu kaitesi parametresinin 2 tanesi (akım ve bor) hariç diğer tüm istasyonarda 0.05 önem seviyesinde anamı trender beirenmiştir. K + parametresindeki beirenen trender geneike azama yönünde iken diğer parametreerin hepsinde artış yönünde bir değişim söz konusudur. Anahtar keimeer: Custer anaizi, trend, su kaitesi, su kiriiği, su kaynakarı Abstract The deveopment and protection of water resources of our country has great importance that water quaity observations became significant in recent years due to intense anxieties about environmenta and water contamination probems. The main objective of river water quaity observation programs is to determine the changes in contamination sources/eves, obtain the factors affecting water quaity, make modes and future predictions and buid an accurate observation system. The seection of correct parameters during the observation studies of water quaity produces one of the most important step of technica and financia feasibiity of the observation program. The seection of parameters becomes important depending on the goa of the observation program. In this study, 14 parameters (discharge, water temperature, ph, EC (x10 6 ), Na +, K +, Ca ++ + Mg ++, CO 3, HCO 3, C, SO 4, boron, hardness) for 6 surface water quaity observation stations operated by Eectrica Power Resources Survey and Deveopment Administration at Western Back Sea Basin. The parameters were reduced by using the Custer Anaysis. The simiarity matrices were formed for the parameters using Eucidian Simiarity Criterion, and Coector Sets were determined using the SingeLink Custering Technique. Additionay, investigating the changes in water quaity parameters of considered 6 stations by using nonparametric methods, the contamination profie of the regiona surface waters was obtained. Considerabe trends at 0.05 significance eve were obtained in a the stations for the aforementioned 14 surface water quaity parameters except discharge and boron. Athough the trends obtained for K + parameter usuay dispayed the decreasing behavior, the trends for the other parameters presented increasing behavior. Keywords: Custer anaysis, trend, water quaity, water contamination, water resources 1. Giriş Çevre kiriiğinden etkienen en geniş aan su kaynakarıdır. Su kaynakarından en verimi bir şekide yararanabimek ve akarsu havzaarındaki çeşiti etkier sonucu ortaya çıkan kiriik durumunu beiremek amacıya, su kaitesinin biinmesi gerekidir. Akarsu su kaitesinin öçümesinin uzun vadei hedeferinden biri; beiri bir zaman diimi içerisinde kiriiğin derecesindeki değişimi inceemek, değişimi etkieyen önemi faktöreri tanımamak ve uygun tedbireri amak oarak özetenebiir. 2. Veri ve Yöntem Su kaitesini temsi eden parametreerin çok faza sayıda oması ve değişkenik arz etmesi, bir taraftan gözemerin daha sık periyotara yapımasını gerektirirken, diğer taraftan da bu verierin değerendirimesini güçeştirmektedir. Su kaitesi gözem istasyonarında öçüen kaite değererinin içerdiği bigiyi ortaya çıkarmak için çeşiti yöntemer kuanımaktadır. Bu yöntemerin çoğunuğu istatistikse metodara dayanmaktadır. Değişken sayısının ikiden faza oması durumunda, gözenmiş IATS 09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye

2 Yımaz, V. ve Büyükyıdız, M. mevcut verierin değerendirimesi için, çok değişkeni anaizerin (mutivariate anaysis) kuanıması sayesinde, daha basit ve koay yorumanabiir sonuçar ede ediebimektedir. Çok değişkeni istatistikse tekniker, çok bieşeni kimyasa ve fizikse öçümerin yorumu ve anamı veri azatımı için uygun bir araçtır. Custer anaizi, değişkeneri sayısı ie karakterize edien objeerin büyük gurupar içindeki benzerikeri yada farkııkarı kontro etmenin mümkün oduğu bir patern tanıma metodudur [1]. Bu çaışmada Batı Karadeniz Havzasında buunan 6 adet su kaitesi gözem istasyonuna ait, periyotarı arasında öçüen 14 adet su kaitesi parametresinin (akım, sıcakık, ph, eektrikse ietkenik, Na +, K +, Ca ++ + Mg ++, CO 3, HCO 3, C, SO 4, tuzuuk, sertik, bor konsantrasyonu) yıık ortaama değereri kuanımıştır (Şeki 1). Kuanıan istasyonara iişkin bazı bigier Çizege 1 de verimiştir. Çaışmada kuanıan istasyonara ait su kaitesi parametreerinin değişimi parametrik omayan yöntemer kuanıarak inceenmiştir. Bunun için, normaite, ineerik ve bağımsızık gibi şartarın sağanmasını gerektirmeyen testerden ve testeri dikkate aınmıştır. Şeki 1. Batı Karadeniz Suarı Havzası nıürkiye deki ve kuanıan istasyonarın havzadaki konumarı [2] Çizege 1. Kuanıan istasyonara ait bazı bigier İstasyon No İstasyon Adı Yağış Aanı (km 2 ) Yüksetisi (m) Gözem Yıarı 1307 Devrekani ÇayıAzdavay Soğanı ÇayıKarabük KarasuHacıar Köprüsü Bou ÇayıBeşdeğirmener Fiyos ÇayıDerecikviran Korubaşı DeresiArak Custer anaizi gibi çok değişkeni istatistikse tekniker su kaitesi anaizerinde yaygın oarak kuanımaktadır. Bu nedene bu çaışmada da 6 istasyon arasındaki benzerik ve farkııkarı beiremek amacıya, custer anaizi ie her bir parametre için istasyonar grupanmaya çaışımıştır. Custer anaizi grupanmamış verieri benzerikerine göre grupayarak, araştırmacıya uygun, işe yarar, özeteyici bigier ede etmesinde yardımcı omaktadır. Uygun custer anaizinin seçimi asında metodun başangıç kısmını ouşturmaktadır. Bu tip ve buna benzer çaışmaar için hiyerarşik küme anaizi kuanımaktadır. Geneike yaygın oarak kuanıan yedi çeşit hiyerarşik küme anaizi buunmaktadır. Bunar; singe inkage, compete inkage, centroid teknik, ward minimum varyans tekniği ve average inkage metodarıdır. Bu metodarın bazıarının zincireme probemerine sahip oması ve bazıarının yine eşit sayıda grupamaya gitmesi gibi çeşiti probemere birikte, yapıan araştırmaarda Ward Varyans Tekniği metodu yakaşımının kimatoojik

3 Yımaz, V. ve Büyükyıdız, M. araştırmaar için en reaistik sonuçarı verdiği görümüştür [3]. Hiyerarşik teknikerin tümü şu dört teme adımı izemektedir. I. Ökit uzakığı adı verien ve tüm verier arasındaki mesafeyi hesapayan formü tüm istasyonar için uyguanmaktadır, II. En yakın iki sonuç yeni bir küme oarak bireştirimektedir, III. Bütün istasyonar arasındaki mesafeer tekrar hesapanmaktadır, IV. İkinci ve üçüncü adımar tüm istasyonar tek bir küme ouncaya kadar devam etmektedir [4]. Kümeeme anaizinin en büyük probemi uygun küme sayısının beirenmesidir. Uygun küme sayısının beirenmesini sağayan kesin bir ifade buunmamaka birikte bir takım yardımcı tester mevcuttur. Bunardan en önemisi ağaç yapısı şekindeki Dendogram adı verien geometridir. Dendogramda görse oarak da uygun küme sayısının beirenmesi sağanabimektedir. Bunun yanında Pseudo F, Pseudo t 2, R 2, SPRSQ, RMSSTD ve Kübik Kümeeme Kriteri (Cubic Custering Criterion; CCC) gibi testere uygun küme sayısının kontro edimesi önerimektedir [5]. Bu çaışmada kümeeme anaizinde Ökit uzakık öçütü kuanıarak tek bağantıı kümeeme yöntemi tercih edimiştir. Kümeeme sonuçarı yorumanırken Pseudo F ve Pseudo t 2 istatistikerinden faydaanımıştır. Pseudo F istatistiği kümeer arasındaki varyansın kümeer içindeki varyansa oranıdır [6]. Burada oranın büyük çıkması hedefenmektedir. Pseudo t 2, bireşen iki küme eemanarının bireşme öncesi ve sonrası kareeri topamının birbirine oranarıdır. Küme sayısına karar verirken Pseudo t 2 istatistiğindeki ani sıçramaara biten yere tepe noktaarına bakıması önerimektedir [7]. 3. Araştırma Sonuçarı 3.1. Trend Anaiz Sonuçarı Batı Karadeniz Suarı Havzası nda buunan 6 adet istasyonda öçüen, 14 su kaitesi parametresinde, dikkate aınan gözem süreerinde meydana geen değişimi beiremek amacıya kuanıan parametrik omayan yöntemerden ede edien sonuçar Çizege 2 de verimiştir. Çizege 2 de verien sonuçara göre; 6 istasyonun her birindeki 14 adet su kaitesi parametresinde %56 oranında 0.05 önem seviyesinde anamı trender beirenmiştir. Bu anamı trenderin yakaşık %10 u negatif, buna karşıık %90 gibi büyük bir oranı ise pozitif yönde değişim göstermektedir. Akım parametresinde hiçbir istasyonda 0.05 önem seviyesinde anamı bir değişim beirenememiştir. Akım parametresinde bir değişim gözenmemesine karşın diğer parametreerde ede edien %56 ık değişim ve bunun %90 ının pozitif yönde oması, igii istasyonarda doayısıya havzaya ait yüzey suarında bir kiriik göstergesi oarak karşımıza çıkmaktadır. Bor parametresi de akımdan sonra en az trend beirenen parametredir. Sadece 1343 numaraı istasyonda bor konsantrasyonunda bir artış beirenmiş, diğer istasyonarda anamı bir değişime rastanamamıştır. En faza değişim 1334 numaraı istasyonda beirenmiştir. Bu istasyonda akım ve bor hariç diğer 12 su kaitesi parametresinin hepsinde trend beirenmiş oup, değişimin hepsi pozitif yöndedir numaraı istasyon 1334 ten sonra en çok trend beirenen istasyondur. Burada da akım, bor ve CO 3 parametreerinde anamı bir değişime rastanamazken, K + parametresinde beirenen trend negatif yönde, diğer su kaitesi parametreerinin hepsinde ise beirenen trender pozitif yöndedir. Çizege 2. Trend anaiz sonuçarı Akım 0,27 0,17 0,66 0,78 1,36 1,54 0,13 0,13 0,27 0,15 0,58 0,63 Sıcakık 2,62 2,43 4,00 3,85 1,75 1,69 2,05 1,96 3,10 3,03 0,82 0,67 ph 4,54 5,16 5,01 5,78 2,45 3,09 5,65 6,34 4,63 6,19 2,28 3,11 EC 1,03 1,06 4,88 4,59 0,10 0,13 6,69 6,25 4,42 4,38 1,40 1,42 Na + 3,20 3,39 5,84 5,38 4,06 3,85 7,37 6,94 3,77 3,80 0,31 0,05 K + 1,06 1,07 0,47 0,46 0,57 0,60 4,66 4,51 3,14 3,04 2,66 2,52 Ca ++ +Mg + + 1,13 1,13 2,42 2,29 0,45 0,43 5,66 5,29 3,72 3,56 0,46 0,51 CO 3 HCO 3 0,45 0,48 0,75 0,76 3,17 3,29 3,14 3,08 0,29 0,12 3,80 3,71 0,73 0,79 1,81 1,68 0,25 0,20 3,68 3,52 2,88 2,89 0,20 0,23 C 4,96 5,06 9,81 8,80 1,47 1,50 10,34 9,44 6,70 6,97 2,87 2,85 SO 4 0,18 0,25 1,91 1,79 3,67 3,60 6,23 5,93 3,05 2,94 2,92 3,14 Tuzuuk 3,72 3,90 4,91 4,46 4,14 4,03 5,68 5,20 2,97 2,86 0,23 0,03 Sertik 1,13 1,13 2,42 2,29 0,45 0,43 5,66 5,29 3,72 3,56 0,46 0,51 Bor 0,21 0,18 1,36 1,66 0,29 0,11 0,35 0,15 0,50 0,62 6,68 6,56

4 Yımaz, V. ve Büyükyıdız, M. Sıcakık, ph, EC, Na +, Ca ++ +Mg ++, HCO 3, SO 4, tuzuuk, sertik ve bor parametreerinde ede edien trenderin hepsi artış yönünde bir değişim göstermektedir. Sıcakık ve ph taki artış, yüzeyse suarda bu çaışmada inceenmeyen parametreerden oan NH 3 te de bir artış anamına gemektedir. NH 3 parametresindeki artış ve inceediğimiz parametreerden oan C da 1343 numaraı istasyondaki azama hariç, diğer istasyonarda ede edien artış, su canıarı için zararı bir etkiye neden oabiir. ph parametresindeki artışın suardaki ag geişiminden kaynakanmış oabieceği düşünümektedir. Korür iyonarının topraktan drenaj suarı ve ayrıca kentse atık suarı ie su kaynakarına uaştığı doayısıya nehir suarında kirenmeye neden oduğu söyenebiir. Ca ++ +Mg ++ konsantrasyonundaki artış trendi, EC (x10 6 ) değererinde de bir artışa neden omaktadır. EC (x10 6 ) değererindeki bu artışın igii istasyonarın buunduğu bögeerde atıksu deşarjının yanı sıra dere boyunca yapıan tarımsa suamadan, nehirere dönen drenaj suarından kaynakandığı düşünüebiir. Sıcakık artışı ie suarın eektrikse ietkenikeri de artar. Ede edien sonuçarda bu durumu destekemektedir. Evse ve endüstriye atık suarın yüzeyse deşarjı sonucunda bu suardaki kor (C), sodyum (Na), nitrat (NO 3) ve bor (B) miktararı yükseebiir. Bu çaışmada da C ve Na + parametreerinde ede edien sonuçardaki geneike artış trenderi tespit edimiş oup, bitki geişimine doğrudan toksik etki yapan bu iyonar suama suarının kuanımını kısıtayan önemi etkenerdir Custer Anaiz Sonuçarı Yapıan çaışmada kuanıan 6 adet istasyonun, kuanımış oan 14 su kaitesi parametresi için ayrı ayrı Custer Anaizi ie grupaması gerçekeştirimiştir. Custer anaizinde Ökit Uzakık Öçütü kuanıarak tek bağantıı kümeeme yöntemi tercih edimiştir. Kümeeme sonuçarı yorumanırken Pseudo F ve Pseudo t 2 istatistikerinden faydaanımıştır. Custer anaizi uyguanırken 14 farkı parametrenin bazıarı için kümeeme sonuçarı daha rahat gözemenebiirken bazı parametreer için aynı şeyden söz ediememektedir. Örnek oarak varyansı 0,11 oan Na + parametresinde ve 0,0005 oan K + parametresinden ede edien dendogramar Şeki 2 de gösterimiştir. Şeki 2 den de anaşıacağı gibi varyansı düşük oan parametreerde karar vermek daha zordur. Bunun gibi parametreerde diğer istatistiki yardımcı testere de (Pseudo F, Pseudo t 2 gibi) başvurumaıdır. Şeki 3. ve Şeki 4 de, K + (potasyum) parametresi için ede edien Pseudo F, Pseudo t 2 testerine ait grafikere yer verimiştir. Bu göstergeer yardımıya K + parametresi için küme sayısına karar verirken ani sıçramaara biten yere tepe noktaarına bakıarak iki kümenin uygun oacağına karar verimiştir. Yaancı F. Şeki 2. Na + ve K + parametresine ait dendogram 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0, Küme Sayısı Şeki 3. K + parametresi için ede edimiş oan Pseudo F değereri Yaancı t 2 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0, ,05 Küme Sayısı Şeki 4. K + parametresi için ede edimiş oan Pseudo t 2 değereri Diğer parametreer de bu şekide ayrı ayrı kümeenmiş ve her biri için dendogramar ve yardımcı istatistiki tester uyguanmıştır ve uygun küme sayıarı beirenmiştir. Bütün parametreer için istasyonarın grupanması amacıya çizien dendogramar Şeki 5 de verimiştir.

5 Yımaz, V. ve Büyükyıdız, M. Bu parametreere bakarak tüm değerer arasından ortak bir sonuç çıkarmak amacıya istasyonarın aynı kümede omaarını bir benzerik öçütü gibi değerendirerek sonuç kümeenme ede edimiştir. Bu kümeemeye ait dendogram Şeki 6 da, ede edien kümeerin böge haritası üzerindeki konumarı ise Şeki 7 de gösterimiştir. Şeki 7 de de görüdüğü gibi 1307, 1332 ve 1343 numaraı istasyonar 1. kümeyi ouştururken, 1314 ve 1335 numaraı istasyonar 2. kümeyi ouşturmuşardır. 3. kümeyi ise 1334 numaraı istasyon tek başına ouşturmuştur. Şeki 5. Su kaitesi parametreerine ait dendogram Şeki 6. Sonuç Dendogramı

6 Yımaz, V. ve Büyükyıdız, M. Şeki 7. Sonuçta ouşan kümeerin böge haritası üzerindeki konumarı 4. Sonuçar Batı Karadeniz Suarı Havzasında, EİE tarafından işetien 6 adet su kaitesi gözem istasyonunda gözenen, 14 adet parametrenin gözem periyodundaki değişiminin inceendiği ve Custer Anaizi ie istasyonarın grupandırımasının yapıdığı bu çaışmada akım ve bor hariç diğer tüm parametreerde bir artış trendi beirenmiştir. İnceenen istasyonarda akım parametresinde istatistikse oarak anamı bir değişim omamasına karşın diğer parametreerde büyük oranda artış trendinin beirenmesi nehirerdeki kirenmenin göstergesi oarak değerendiriebiir. Bu kiriik; kanaizasyon, çöp ve atıkar, erozyon, bögedeki sanayi tesiserinin atıkarının oumsuz etkisinin yansıması oabiir. Çaışmada ayrıca her bir parametre için ayrı ayrı istasyonarın Custer Anaizi ie sınfandırıması, Eucidean uzakık öçütü ve Tek Bağantıı Kümeeme Tekniği kuanıarak yapımıştır. Yine aynı teknike istasyonarın aynı kümede omaarını bir benzerik öçütü gibi değerendirerek sonuç kümeenme ede edimiştir. Şeki 7 deki sonuç dendogramı ie Çizege 2 deki trend anaiz sonuçarı arasında bir değerendirme yapıacak oursa; sonuç dendogramında en faza benzerik öçütüne sahip oan 1334 numaraı istasyon, trend anaiz sonuçarına göre de 14 parametrenin 12 sinde anamı trend beirenmesiye değişimin en çok gözendiği istasyon oarak karşımıza çıkmaktadır. Sonuç dendogramına göre; 1334 numaraı istasyondan sonra benzerik öçütünün en faza oduğu istasyonar 1314 ve 1335 numaraı istasyonardır. Çizege 2 den de 1334 numaraı istasyondan sonra değişimin en faza gözendiği istasyonarın 1314 ve 1335 numaraı istasyonar oduğu görümektedir. Su kaitesi parametreerinde en az değişim tespit edien istasyonar Çizege 2 ye göre 1307, 1332 ve 1343 numaraı istasyonardır. Sonuç dendogramına göre de benzerik öçütü en az bu istasyonarda tespit edimiştir. Sonuç dendogramı ve trend anaiz sonuçarı arasında yapıan bu değerendirme birbirini destekemektedir. sağıkı ve yeteri miktarda suyun bırakıabimesi için kaynakarının çok iyi korunup akıcı bir şekide kuanıması, ayrıca evse, endüstriye ve tarımsa atık suarın arıtımadan akarsuara verimesi önenerek arıtma tesiserinin de verimi ve süreki oarak işetimesi sağanmaıdır. Havzaarda pananan faaiyeterin çevrese etkierinin değerendirimesi, bu kapsamda, aıcı ortam özeikerinin de dikkate aınması, özeike kritik nehir böümerinde üretimde ve arıtımda ieri teknoojier kuanıması youya aıcı ortam özeikerini bozmayacak kaitede su verimesi havza yönetiminin en önemi unsurarından biri oarak değerendirimektedir. Su kaynakarına boşatıan kiretici miktarının denetenmesinin sağanması havza su kaitesinin korunmasında büyük önem taşımaktadır. Kaynakar [1] Simeonov, V., Einax, J. W., Stanimirova, I., & Kraft, J., Environmetric modeing and interpretation of river water monitoring data. Anaytica and Bioanaytica Chemistry, 374, , [2] EİE, Türkiye Akarsuarında Su Kaitesi Gözemeri, Yayın:28, Eyü, Ankara, [3] Üna, Y., Kindap, T., and Karaca, M., Redefining Cimate Zones of Turkey using Custer Anaysis, Int. Jour. Cimato, [5] Üna Y., Karaca, M., Küme Anaizi İe Türkiye de İkim Bögeerinin Yeniden Beirenmesi, Kuvaterner Çaıştayı IV, İTÜ Avrasya Yerbiimeri Enstitüsü 133, 2003, [6] Hair, J.F., Anderson R.E., Tahtam, R.L., Mutivariate Data Anaysis. USA, [7] Fove, R.G. and Fove, M.Y.C., Cimate Zones of the Conterminous United States Defined Using Custer Anaysis. Journa Of Cimate. 6, , [8] SAS Institute, Sas User s Guide: Statistics, 268, USA, İkim değişimi ve kürese ısınma söyemerinin hız kazandığı bu dönemde, Türkiye nin geecek nesierine