Doç. Dr. Filiz DADAŞER ÇELİK Erciyes Üniversitesi Çevre Mühendisliği Bölümü
Sunum İçeriği 1. BÖLÜM: Temel Kavramlar Model Nedir? Neden Gereklidir? Çevresel Sistemler ve Özellikleri Model Türleri Modelleme Süreci 2. BÖLÜM: Su Kalitesi Modelleme Tarihsel Gelişimi Temel Prensipler Yüzey ve Yeraltı Suyu Modellemesinde Sık Kullanılan Modeller 3. BÖLÜM: Örnek Uygulamalar
Model Nedir? Model gerçek dünyanın (sistemlerin) bilgisayar ortamındaki gösterimidir.
Sistem Nedir? Sistem Düzenli bir şekilde birbirleriyle ilişkili olan ve çevresinden belli bir sınırla ayrılan bileşenler takımı olarak tanımlanır.
Sistem - Örnekler Doğal sistemler Göller Akarsular Akiferler Toprak Hava Kütleleri Havzalar Dizayn edilmiş sistemler Atıksu arıtma tesisleri Çöp depo sahaları
Sistemlerin Bileşenleri Girdiler Çıktılar Prosesler
Alt Sistemler Bir sistem çeşitli parçalardan oluşmaktadır. Bu parçaların her biri alt sistem olarak ifade edilir. Bir sistemin faaliyeti o sistemin alt sistemleri faaliyetlerinin ortak sonucudur.
Model Nedir? Model gerçek dünyanın (sistemlerin) bilgisayar ortamındaki bir gösterimidir. Modeller gerçek sistemlerin mümkün olan en basit düzeyde matematiksel ifadeler kullanılarak gösterilmesini sağlarlar.
«A model is a work of fiction» N. Cartwright, How the Laws of Physics Lie (Clarendon Press, Oxford, 1983)
Modeller Neden Gereklidir? Gerçek sistemler birbirleriyle bağlantılı birçok bileşeni içerirler. Modeller karmaşık sistemlerin basitleştirilmesini böylece daha anlaşılabilir hale gelmesini sağlar. Ne derece basitleştirme? Things should be made as simple as possible, but no simpler! Her şey olabildiğince basit olmalıdır, ama daha basit değil! Albert Einstein En iyi modeller en düşük miktarda karmaşıklıkla en doğru sonuçlara ulaşabilen modellerdir. Modeller bir sistemin nasıl çalıştığının anlaşılmasını, incelenmesini ve analiz edilmesini sağlar. Örneğin, alan tanımlama, etki değerlendirme, en iyi alternatif seçimi
Modeller Hangi Amaçlarla Kullanılır? Gelecekteki durumu tahmin etmek Henüz gerçekleşmemiş olayların etkilerini anlamak İnsan aktivitelerinin etkilerini anlamak İnsan aktiviteleri üzerindeki etkileri anlamak
Model Türleri Fiziksel/Matematiksel Stokastik/Deterministik Kesikli/Sürekli Statik/Dinamik Simülasyon/Optimizasyon Yuvarlanmış parametreli/ Dağınık parametreli
Fiziksel Model / Matematiksel Model Fiziksel Model Gerçek sistemlerin küçük ölçekli versiyonlarıdır. Gerçek sistemlerin matematiksel olarak ifade edilmesinin mümkün olmadığı veya matematiksel ifade etmenin büyük belirsizliklere yol açtığı durumlarda kullanılır. Örneğin, laboratuvar ölçekli rüzgar tünelleri, lisimetreler Matematiksel model Fiziksel bir sistemin (ve sistemi tanımlayan kavram ve süreçlerin) matematiksel olarak ifade edilmesi ile üretilir. Örneğin, SWAT, HEC, SWIM,...
Stokastik Model / Deterministik Model Stokastik Model Olasılık ve rastlantısal olaylara dayanan modellerdir. Neden-Sonuç ilişkisi içermezler. İstatistiksel Parametreleri (ör. Ortalama, standart sapma) kullanırlar. Deteministik Model Fiziksel, kimyasal, veya biyolojik sistemler için geliştirilmiş teorilere dayanırlar. Neden-Sonuç ilişkileri mevcuttur. Parametre değerleri ölçümlerle veya kalibrasyonla bulunur.
Kesikli Model / Sürekli Model Kesikli Model Zamanın tek bir noktasında gerçekleşen olayların modelleridir. Sürekli Model Zamana bağlı olarak kesilmeden devam eden olayların modelleridir.
Statik Model / Dinamik Model Statik Model Parametrelerin zamanla değişmediği modellerdir. Yani modelin durumu zamana göre değişim göstermez. Dinamik Model Parametrelerin zamanla değişebildiği modellerdir.
Optimizasyon Modeli / Simülasyon Modeli Optimizasyon Modeli Önceden belirlenen hedeflerin başarılmasını sağlayacak en iyi çözüm yollarını üreten modellerdir. Simülasyon Modelleri Gerçek sistemin temsili olarak canlandırılmış şeklidir. Sistemin yapısını ve işleyişini daha iyi anlamayı ve gelecekte nasıl davranacağına dair tahminler ortaya koymayı sağlar.
Yuvarlanmış Parametreli / Dağınık Parametreli Yuvarlanmış (lumped) parametreli Girdi-Çıktı ilişkilerini zamana bağlı fakat mekandan bağımsız olarak inceleyen modeller Dağınık (distributed) parametreli Girdi-Çıktı ilişkilerini zamana ve mekana bağlı olarak inceleyen modeller
Çevresel Sistemlerin Özellikleri Büyük-ölçekli ve uzun-zamanlı Çok-bileşenli Kontrolsüz şartlarda işleyen Çok aşamalı, çok disiplinli Çok değişkenli, lineer olmayan ilişkiler içeren ve komplex
Çevresel Sistemlerin Modellenmesi Çevresel problemler dinamik sistem problemleridir. Dinamik sürekli değişen Sistem birbirleriyle bağlantılı birçok bileşenden oluşan Bu nedenle modellemesi Çevresel sistemlerin herhangi bir andaki durumunun ve dinamiklerinin daha iyi anlaşılmasını anlaşılmasını, Çevresel sistemlerin gelecekteki durumuyla ilişkili tahminler yapılmasını sağlar.
Modelleme Süreci 1. Kavramsallıştırma Model amacının tanımlanması Konunun daraltılması Model sınırlarının tanımlanması ve anahtar değişkenlerin belirlenmesi Anahtar değişkenlerin sergilediği davranışların belirlenmesi Sistemin yapısını oluşturan geri bildirim çevrimlerinin şematik olarak gösterimi Evrendilek, 2004
Modelleme Süreci 2. Formülasyon Geri bildirim diyagramlarının durum ve akış denklemlerine dönüştürülmesi Parametre değerlerinin tayini ve seçimi model kalibrasyonu 3. Model Simülasyonu ve Sınama (verifikasyon) Model simülasyonu ve dinamik hipotezlerin test edilmesi Model varsayımlarının test edilmesi Model davranışının belirsizliklere karşı hassasiyetinin testi Evrendilek, 2004
Modelleme Süreci 4. Uygulama Alternatif senaryolar altında model sonuçlarının değerlendirilmesi Geniş kapsamlı görüş alışverişleri ile modellerin kullanılabilir hale getirilmesi Test edilen alternatif hareket tarzlarının ve değişikliklerin uygulanması Evrendilek, 2004
Model Kalibrasyonu ve Doğrulaması Kalibrasyon parametre değerleri (literatürden elde edilmiş) belirli bir aralıkta değiştirilerek model sonuçları ve gerçek ölçüm değerleri arasında istatistiksel olarak kabul edilebilir bir karşılaştırma yapılması Doğrulama model parametreleri sabit tutularak model sonuçlarının bağımsız ikinci bir set veri ile karşılaştırılması
Sunum İçeriği 1. BÖLÜM: Temel Kavramlar Model Nedir? Neden Gereklidir? Çevresel Sistemler ve Özellikleri Model Türleri Modelleme Süreci 2. BÖLÜM: Su Kalitesi Modelleme Tarihsel Gelişimi Temel Prensipler Yüzey ve Yeraltı Suyu Modellemesinde Sık Kullanılan Modeller 3. BÖLÜM: Örnek Uygulamalar
Su Kalitesi Modelleme Tarihsel Gelişimi 1925-1970 Streeter-Phelps Denklemi Arıtılmamış veya Kısmen Arıtılmış Atıksular BOİ/DO problemi Sistem Yaklaşımı Akarsu Kirliliği 1970-1977 Biology Ötrofikasyon problemi Göller-Körfezler Chapra, 1997
Su Kalitesi Modelleme Tarihsel Gelişimi 1977-2000 Toksik maddeler ve adit yağmuru Metallar, organikleri, asitler Sedimentler, ekosistemler 2000-bugün Toksik maddeler, sıcaklık, ötrofikasyon, patojenler Sistemler : Havza, yeraltı suyu, alıcı ortam, atmosfer Chapra, 1997
Temel Prensipler Hidrolojik Döngü
Temel Prensipler Akım ve Kirletici Girişi Akım ve Kirletici Girişi Akım ve Kirletici Girişi Taşınım Bozunma Paylaştırma Dönüşümler Dispersiyon Denitrifikasyon Nitrifikasyon Alınma- Tutulma Suda Bulunan Kirletici Konsantrasyonu
Temel Prensipler Kütlenin Korunumu Enerjini Korunumu Momentumun Korunumu
Yüzeysel Su Kalitesi Modelleri QUAL modelleri QlUAL1,QUAL2E, QUAl2K USEPA tarafından geliştirilmiştir. Tek boyutlu, nehir su kalitesi modelleme sistemi Nokta ve yayılı kaynaklı kirleticiler WASP modelleri USEPA tarafından geliştirilmiştir. 1-,2-,3- boyutlu Konvansiyonel kirleticiler, toksik maddeler ve civa Nehirler, göller, körfezler için uygulanabilir. MIKE modelleri Mike11, Mike21, Mike31 Danimarka Hidroloji Enstitüsü tarafından geliştirilmiştir. 1-,2-,3- boyutlu Nehirler, körfezler için uygulanabilir.
Havza Modelleri AGNPS (Agricultural Non-Point Source Pollution Model) USDA tarafından geliştirilmiştir. Yayılı kaynakları kirleticilerin simülasyonunda kullanılabilir. SWAT (Soil and Water Assessment Tool ) USDA tarafından geliştirilmiştir. Özellikle tarımsal havzalarda uygulanabilir. Noktasal ve yayılı kaynaklı kirleticilerin simülasyonunda kullanılabilir. DWSM (Dynamic Watershed Simulation Model) Illınois State Water Survey tarafından geliştirilmiştir. Yüzey ve yüzeyaltı akımını ve sediment ve nütrient taşınımını simüle edebilir. Borah vd., 2002
Havza Modelleri HSPF (Hydrologic Simulation Program Fortran) USEPA ve USGS tarafından geliştirilmiştir. Nehirlerde ve göllerde su kalitesinin simulasyonu için kullanılabilir. BASINS.. BASINS1, BASINS2, BASINS3, BASINS4, USEPA tarafından geliştirilmiştir. Havza ölçeğinde modelleme yapabilir. HSPF, SWAT da dahil olmak üzere daha önce geliştirilmiş pek çok model ve karar-destek sistemlerini barındırmaktadır. Donigian, 2006
Yeraltı Suyu Modelleri HydroGeoSphere (HGS) University of Waterloo ve Lavl University tarafından geliştirilmiştir. 3-boyutta yeraltı suyu akışını simüle edebilir. Yüzey ve yüzeyaltı prosesleri birleştiren bir yapıya sahiptir. FEFLOW (Finite Element subsurface FLOW system) Yeraltı suyu akışı, kütle ve ısı transferini simüle edebilir.
Yeraltı Suyu Modelleri MODFLOW USGS tarafından geliştirilmiştir. 3-boyutlu yeraltı suyu akışını simüle edebilir. Ücretsiz ve ticari çok sayıda versiyonu bulunmaktadır. SEAWAT USGS tarafından geliştirilmiştir. MODFLOW un yoğunlukların değişkenlik gösterdiği alanlarda uygulamasıdır.
Sunum İçeriği 1. BÖLÜM: Temel Kavramlar Model Nedir? Neden Gereklidir? Çevresel Sistemler ve Özellikleri Model Türleri Modelleme Süreci 2. BÖLÜM: Su Kalitesi Modelleme Tarihsel Gelişimi Temel Prensipler Yüzey ve Yeraltı Suyu Modellemesinde Sık Kullanılan Modeller 3. BÖLÜM: Örnek Uygulamalar
Örnek 1: Sultan Sazlığı Proje Adı: Impact of Large-Scale Irrigation on a Closed-Basin Wetland: Water Flow Alterations and Participatory Irrigation Management Effects on the Sultan Marshes Ecosystem in Turkey Projenin Amacı Sultan Sazlığı nda Su Seviyesi Değişimlerinin Nedenlerinin Araştırılması Rehabilitasyon stratejilerinin etkilerinin ve ekonomik sonuçlarının incelenmesi Yöntem Dinamik Hidrolojik Modelleme Bütünleşik Hidrolojik ve Ekonomik Modelleme
Örnek 1: Sultan Sazlığı
Örnek 1: Sultan Sazlığı ΔV i Δt V i V i 1 Pi IRi OF i OF1i SPi GWi ET i SF i Pi ( P m ) i Ai OF i P ) ( ) Ad Ai ( r m i C i IRi SFi SF i IW i 0 K ( C ir w ) i ET ( K pan) E i ( pan) i Kc h i 13. 3/ 2 GWi T W If h<1.3 m If h 1.3 m ΔH i ΔL Matematiksel Modelin Bileşenleri
Örnek 1: Sultan Sazlığı Model kalibrasyonu RMSE 1 n h hobs 2 RMSE = 0.28 m
Örnek 1: Sultan Sazlığı Su yönetimi senaryoları Yeraltı suyunun 50% azaltılması doğal su rejime geri dönüşü sağlayacaktır.
Sulak alan alt modeli
Tarım Alt Modeli
Örnek 1: Sultan Sazlığı Su Kullanımının ve Doğal Kaynakların Ekonomik Analizi Tarımdan sazlığa su dönüşünün optimum değeri 5.2 milyon m 3 /yr.
Örnek 2: Palas Ovası Proje Adı: Palas Ovası'ndaki Tarımsal Faaliyetlerin Tuzla (Palas) Gölü Su Kalitesine Etkilerinin Belirlenmesi ve Su Kirliliğini Önleyici Çözüm Önerilerinin Geliştirilmesi Projenin Amacı Palas Ovası ndan Tuzla (Palas) Gölü ne taşınan kirletici yüklerinin belirlenmesi Yöntem SWAT Soil and Water Assessment Tool
Örnek 2: Palas Ovası Havza 229 hidrolojik tepki birimine ayrılmıştır
Örnek 2: Palas Ovası RMSE = 0.58 m 3 /sn Model kalibrasyonu
Örnek 2: Palas Ovası Proje sonucunda Tuzla (Palas) Gölü ne havzadan ulaşan su ve nütrient miktarları belirlendi. Arazi kullanımındaki değişikliklerin su kalitesi üzerindeki etkileri belirlendi. Olası iklimsel değişiklerin Tuzla Gölü hidrolojisi ve su kalitesi açısından etkileri ortaya çıkarıldı.
Örnek 3: Büyük Menderes Havzası Proje Adı: Yerüstü, Kıyı ve Geçiş Suları için Çevresel Hedeflerin Belirlenmesine Yönelik Metodolojinin Geliştirilmesi: Büyük Menderes Havzası Pilot Çalışması (TUBİTAK-KAMAG 112G021) Alt Proje Amacı Büyük Menderes Havzası nda oluşan noktasal ve yayılı kaynaklı kirleticilerin su kalitesi üzerindeki etkilerinin belirlenmesi Yöntem SWAT Soil and Water Assessment Tool
Örnek 3: Büyük Menderes Havzası SONUÇ
Örnek 3: Büyük Menderes Havzası Beklenen Çıktılar Farklı yönetim stratejilerinin etkileri SWAT modeli kullanılarak simüle edilmesi Bu doğrultuda noktasal ve yayılı kirletici kaynaklarında meydana gelebilecek değişikliklerin nehir su kalitesi üzerindeki etkileri belirlenmesi
Örnek 4: FREEWAT Projesi FREEWAT: FREE and open source software tools for WATer Resources Management Horizon 2020 call 4a: WATER INNOVATION, Topic: Dissemination and exploitation, ICT, knowledge, gaps, research needs,... kapsamında desteklenmiş bir projedir. Projede 11 AB ülkesinden ve Türkiye, İsviçreve Ukrayna dan ortaklar yer almaktadır. Türkiye den Erciyes Üniversitesi proje ortağıdır. www.freewat.eu
Örnek 4: FREEWAT Projesi Projenin Amacı Su yönetimi ve planlamasını iyileştirmek ve Avrupa Birliği Su Çerçeve Direktifi, Yeraltı Suyu Direktifi, Nitrat Direktifi ve Taşkın Direktifi, diğer ilgili olabilecek direktiflerin uygulanmasını kolaylaştırmak amacıyla, Coğrafi Bilgi Sistemleri tabanlı, yer altı ve yüzey sularında su kalitesi ve su miktarını modelleyebilecek bir modelleme platformu oluşturmaktır. Su yönetimi konusunda çalışan devlet kurumları, enstitüler, özel firmalar gibi kurumlara yenilikçi, ücretsiz, açık kaynak kodlu, kullanıcı dostu bir bilgisayar programı sunmak Bu programın kullanımı konusunda, su yönetimi alanında çalışan kurumların teknik ve yönetici personeline bilgi vermek ve kapasite arttırma çalışmalarında bulunmak Geliştirilen programı su kaynaklarının yönetimi konusunda kullanmak
Örnek 4: FREEWAT Projesi Beklenen Çıktılar Su Yönetimi konusunda kullanılabilecek ve Coğrafi Bilgi Sistemleri tabanlı çalışacak en azından ısı ve kütle transferi, su akışı ve su yönetimi modüllerine sahip ücretsiz ve açık kaynak kodlu bir bilgisayar programı hazırlamak. Bu programın özellikle aşağıdaki konularda kullanılabilme potansiyeli olacaktır. Özellikle hassas alanlarda su yönetimi: yer altı suyu kullanımı planlaması ve kuyu seviyelerinin korunması Kırsal alanda su yönetimi (ör. sulama planlaması) Akifelerde sediment ve kirletici taşınımı Deniz suyu girişimi Toprak tuzlanması Tarımsal kaynaklı kirleticilerin ve nütrientlerin taşınımı
SONUÇ Modeller çevresel sistemleri daha iyi anlamamızı, analiz etmemizi ve geleceğe dair tahminlerde bulunmamızı sağlayan araçlardır. Su kalitesi modelleme su sistemlerinin daha iyi yönetilmesi açısından büyük katkı sağlayacaktır.
DİNLEDİĞİNİZ İÇİN TEŞEKKÜR EDERİM. Filiz DADAŞER ÇELİK