TMMOB 2. Su Politikaları Kongresi 279 ENTEGRE HAVZA İDARESİ ÇERÇEVESİNDE BARAJ İŞLETMECİLİĞİ İ. Kaan TUNÇOK PhD, PE, MBA İş Geliştirme Bölge Müdürü, DHI Water & Environment & Health, Ankara, Türkiye ÖZET Su kaynaklarının kullanımındaki ihtiyaçlar ve büyüyen su talepleri günümüz iklim koşullarında önemli hale gelmektedir. Temel hedef su kaynaklarının verimli bir şekilde kullanımını temin etmek ve bunun sonucunda dengeli bir yeraltı ve yerüstü su ağı kurarak şu kaynaklarının kalite ve miktar olarak sürdürülebilir bir şekilde temin edilmesini sağlamaktır. Bunun sonucunda özellikle baraj projelerinin planlama ve uygulama aşamalarında hidrolojik döngü içerisinde yer alan tüm parametreleri etkin bir şekilde değerlendirerek entegre bir yaklaşım çerçevesinde baraj işletme politikalarını belirlemektir. Entegre Havza İdaresi çerçevesinde ihtiyaç duyulan tüm bu dinamik bileşenler Danimarka Hidrolik Enstitüsü tarafından geliştirilmiş olan MIKE modelleri kapsamında birçok projede kullanılmış ve sonuçları rezervuar işletme politikalarının belirlenmesinde başarılı bir şekilde uygulanmıştır. Bu uygulamanın bir örneği Hao Binh Rezervuarı (Vietnam) için optimizasyon hedefleri çerçevesinde sunulmuştur. Bu kapsamda optimal anahtar eğrileri belirlenmiş ve taşkın koruma hedeflerinde taviz verilmeden hidroelektrik üretim kapasitesinde önemli bir artış temin edilmiştir. GİRİŞ Su kaynaklarının etkin ve dengeli bir şekilde kullanılabilmesi için öncelikli konular entegre havza yönetimi çerçevesinde planlanması, hidrolojik döngü içerisinde yer alan tüm dinamik parametrelerin ekolojik ve ekonomik katma değerleri göz önünde bulundurularak değerlendirilmesi ve bu çerçevede su arz ve taleplerinin gerçekçi bir şekilde modellenmesidir. Modelleme teknolojilerini yönlendiren dört temel faktör vardır: a) Hukuki Uygulamalar ve Kanuni Zorunluluklar: İşletme Lisansları kapsamında uyulması gereken Çevre ve Su Direktifleri ve Yerel Yönetimlerin berlirlemiş oldukları yerel uygulamalar. b) Altyapıların Hızlı Gelişimi: Buna bağlı olarak geliştirilen projelerin modelleme çalışmalarıyla sürdürülebilirliğini ekonomik ve teknik açıdan teminat altına almak.
280 Entegre Havza İdaresi Çerçevesinde Baraj İşletmeciliği c) Katılımcılar ve Yerel Halk: Projelerin planlama, değerlendirme ve uygulama aşamalarında çok daha etkin bir şekilde katılımcı ve yerel halkın bigilendirme ve bilinçlendirilmesinin temin edilmesi. d) Veri ve Teknoloji: Temin edilen verilerin çeşitliliği ve Teknolojik gelişmelere paralel olarak daha detaylı modelleme araçlarının kullanımına fırsat vermesidir. Bu modelleme çalışmalarını entegre bir yapı içinde kullanmanın temel amacı hidrolojik döngü içinde yer alan birbirine bağlı fiziksel parametre ve işlemleri daha etkin bir şekilde temsil etmek ve simülasyon sonuçlarının daha gerçekçi bir şekilde geliştirilmesini sağlamaktır. Günümüz iklim ve hidrometeorolojik koşullarında bu entegrasyon daha da önem kazanmaktadır. IPCC küresel iklim modelleri ile yapılan tahminlere göre 2030 yılında Türkiye genel itibariyle kuru ve sıcak bir iklimin etkisi altına girecek ve bunu takiben Akdeniz Havzasındaki su seviyesinde yükselmeler olacaktır (IPCC, 2001). Entegre havza idaresi çerçevesinde optimizasyon uygulamaları kullanılarak belirlenen rezervuar ve baraj işletme politikaları su kaynakları planlaması ve idaresi için önemli katma değerler ortaya çıkarmaktadır. Özellikle ardışık baraj sistemleri ve çoklu işletme hedefleri (sulama, enerji, taşkın kontrolü) değerlendirildiğinde statik hidrometeorolojik veri tabanına bağlı olarak belirlenen anahtar eğrilerinin baraj işletme politikalarını gerçekçi ve optimal bir şekilde sonuçlandırmadığı gözlemlenmiştir. Buna bağlı olarak yerüstü ve yeraltı su akışlarını gerçekleştiren simülasyon modelleri ile baraj sistemindeki farklı hedefleri optimizasyon çerçevesi içinde inceleyen modellerin birlikte kullanımı sonucu oluşan baraj işletme politikaları çok daha verimli sonuçlar ortaya çıkarmaktadır (Tunçok, 1999a). Bu çalışmada kullanılan simülasyon ve optimizasyon modelleri Danimarka Hidrolik Enstitüsü tarafından geliştirilmiş olan MIKE teknolojileridir. Bu modelleme araçlarının sağlamış olduğu verimlilik Hao Binh Rezervuarı nda (Vietnam) yapılan bir uygulama ile gösterilmiştir. AMAÇ Bu çalışmanın amacı havza sisteminin sosyal, ekonomik ve idari unsurları dışındaki hidrolojik döngü içerisinde yer alan fiziksel parametrelerin (yağış, akış, sedimentasyon, arazi özellikleri, topoğrafya) ve bunlar arasındaki etkileşimlerin simülasyon modelleri kullanılarak alansal ve zamansal dağılımının belirlenmesidir. Su kaynaklarının kullanımındaki ihtiyaçlar ve büyüyen su talepleri günümüz iklim koşullarında önemli hale gelmektedir. Temel hedef su kaynaklarının verimli bir şekilde kullanımını temin etmek ve bunun sonucunda dengeli bir yeraltı ve yerüstü su ağı kurarak şu kaynaklarının kalite ve miktar olarak sürdürülebilir bir şekilde temin edilmesini sağlamaktır. Bunun sonucunda özellikle baraj projelerinin planlama ve uygulama aşamalarında hidrolojik döngü içerisinde yer alan tüm parametreleri etkin bir şekilde değerlendirerek entegre bir yaklaşım çerçevesinde baraj işletme politikalarını belirlemektir. Entegre Havza İdaresi çerçevesinde ihtiyaç duyulan tüm bu dinamik bileşenler DHI tarafından geliştirilmiş olan MIKE modelleri kapsamında kullanılmış ve sonuçları rezervuar işletme politikalarının belirlenmesinde uygulanmıştır. Bu uygulamanın bir örneği Hao Binh Rezervuarı (Vietnam) için optimizasyon hedefleri kullanılarak DHI tarafından tamamlanmış olan bir proje
İ. K. Tunçok 281 çerçevesinde sunulmuştur. Bu kapsamda optimal anahtar eğrileri belirlenmiş ve taşkın koruma hedeflerinde taviz verilmeden hidroelektrik üretim kapasitesinde önemli bir artış temin edilmiştir. ENTEGRE HAVZA İDARESİ Entegre havza yönetimlerinin temel amacı, havzanın sadece su miktarı değil, tüm yönleri ve kaynakları ile tanınması ve böylelikle daha tutarlı yönetim kararlarının verilmesidir (TUJJB, 2003). Bu çalışmanın hedefi havza sisteminin sosyal, ekonomik ve idari unsurları dışındaki hidrolojik döngü içerisinde yer alan fiziksel parametrelerin (yağış, akış, su kalitesi, sedimentasyon, arazi özellikleri, topografya, ve kar örtüsünün derinlik, alan ve kar-su eşdeğeri) ve bunlar arasındaki etkileşimlerin Simülasyon modelleri kullanılarak alansal ve zamansal dağılımının belirlenmesidir. Entegre havza idaresi çerçevesinde kullanılan MIKE teknolojilerinden bazıları MIKE 11, BASIN ve SHE dir. Bu modüllerin havza içinde kullanım alanları Şekil 1 de özetlenmiştir (DHI, 2005a). Veriler açısından, veri toplama sistemlerinin tasarımından başlayarak gözlem yapılması, laboratuvar analizleri, verilerin depolanıp işlemden geçirilmesi, kullanıcılara ulaştırılması ve sonuçta veri analizleri ile bilgiye dönüştürülmesine kadar çeşitli işlem adımlarını içeren veri yönetimi sisteminin uygulanması gerekmektedir. Bu sistemin de, işlem adımları arasında ve her adımda gerekli olabilecek farklı disiplinler arasında entegrasyonu sağlayacak biçimde yürütülmesi gerekmektedir. Aksi takdirde, çoğu uygulamalarda olduğu gibi, çok sayıda veri toplanmasına rağmen sonuçta havza yönetimi için gerekli bilgi üretilemeyecektir (Harmancıoğlu, 1997). MIKE 11 Giriş Hidrograf Tahmini Su Kalitesi Sediment Hareketleri MIKE BASIN Su Bütçesi MIKE 11 Su Kalitesi Siltasyon Biyolojik Kademeler MIKE 11 Taşkın Kontrolü HES Baraj Yikilimi MIKE 11 Nehir Akımı Su Kalitesi Sediment Hareketleri MIKE SHE Yeraltı Akışı Şekil 1. Entegre Havza İdaresi
282 Entegre Havza İdaresi Çerçevesinde Baraj İşletmeciliği BARAJ İŞLETMECİLİĞİ Türkiye de su potansiyelinin ancak % 35.5 nin (Tablo 1) kullanılabildiği göz önüne alındığında, mevcut depolama yapılarının en verimli faydalar sağlayacak şekilde kullanılmasının önemi daha iyi anlaşılmaktadır. (EİEİ, 2007). Tablo 1. Türkiye Hidrolektrik Enerji Potansiyelinin Proje Seviyelerine Göre Dağılımı (EİEİ) Toplam Yıllık Hidroelektrik Enerji Üretimi Hidroelektrik Santral Projelerinin Mevcut Durumu Proje Sayısı Kurulu Güç Güvenilir Enerji Toplam Enerji Oran Kümülatif Enerji Oran (MW) (GWh) (GWh) (%) (GWh) (%) 1- İşletmede 142 12 788 33 560 45 930 35.5 45 930 35.5 2- İnşa Halinde 41 4 397 8 817 14 351 11.1 60 281 46.6 3- Gelecekte İnşa Edilecek 589 19 359 37 335 69 173 53.4 3.1 Kesin Projesi Hazır 13 2 356 4 630 6 919 5.3 67 200 51.8 3.2 Planlaması (Fizibilitesi) Hazır 176 7 269 13 239 26 415 20.4 93 615 72.3 3.3 Master Planı Hazır 99 5 260 10 773 18 280 14.1 111 895 86.4 3.4 İlk Etüdü Hazır 301 4 474 8 693 17 559 13.6 129 454 100.0 Toplam Potansiyel 772 36 544 79 712 129 454 100.0 129 454 100.0 SİMÜLASYON VE OPTİMİZASYON MODELLEMESİ Günümüzde kullanılan birçok baraj ve rezervuar sistemi çok amaçlı (taşkın kontrolü, enerji üretimi, şehir şebeke ve tarımsal su ihtiyacı, nakliye) olup enerji üretimi ve taşkın kontrolü öncelikli hdefler olarak ortaya çıkmaktadır. Baraj sistemlerindeki verimsiz işletme politikaları günümüzde birçok araştırmacı tarafından incelenmiş ve gerçekci olmayan teknolojilerin ve bireysel kararların sonuçları fayda/maliyet analizleri de yapılarak kapsamlı bir çerçevede incelenmiştir (Chen, 2003; John, 2004). Yağışlı mevsimlerdeki su miktarının fazlalığı, kurak mevsimlerdeki su sıkıntısı ve taşkın dönemlerindeki baraj yıkılma ve sızdırma riskleri baraj işletmecileri adına önemli kararlar alınmasını gerektirir. Bu çerçevede optimizasyon metodlarının su kaynakları projelerine uygulanması oldukça detaylı çalışılmış konulardan biridir. Özellikle baraj işletme verimliliğinin artırılması için çok farklı programlama yöntemleri uygulanmıştır. Bu tekniklerden bazıları Linear, Nonlinear, Dinamik; Stokastik yöntemleri ve Höristik
İ. K. Tunçok 283 yaklaşımları (Genetik algoritmalar, Karmaşık Evolosyon (SCE), Karmaşık Mantık ve Yapay Sinir Ağları) içerir (Tunçok, 1999b). Simülasyon modellerinin Optimizasyon metodları ile entegre bir şekilde uygulanmasındaki en önemli aşama kontrol değişkenleri (örneğin: rezervuar su seviyesi, taşkın kontrol noktalarındaki su seviyesi, rezervuar salınımları) kullanarak simülasyonu gerçekleştirilecek olan sistemin etkin bir şekilde havza ölçeğinde tanımlanması ve bunu takiben rezervuar işletmesinin farklı amaçlarını ortak bir paydada birleştirmeye yönelik optimizasyon hedeflerinin (örneğin: taşkın seviyeleri, su talepleri) belirlenmesidir. Bunu takiben belirlenen temel hedefe (örneğin: taşkın riski, su açığı, su bütçesi) ulaşmak için Şekil 2 de özetlenen mantık çerçevesinde simülasyon ve optimizasyon algoritmaları entegre bir şekilde çalıştırılır (DHI, 2005b). Bu aşamada veriler Şekil 3 de belirtildiği gibi veri bütünlüğünü temin edecek bir şekilde kullanılır. Simülasyon modelleri ve Optimizasyon metodları entegre bir şekilde havza ölçeğinde oluşturulduktan sonra hem gerçek zamanlı modelleme çalışmalarında hem de ileriye yönelik tahminlerin yapılmasında kullanılabilir. Tahmin çalışmalarında en önemli unsur Kontrol Değişkenleri MIKE BASIN MIKE 11 MIKE SHE Simülasyon Modeli Optimizasyon Algoritmasi AUTOCAL Simülasyon Sonucları Temel Hedef Optimizasyon Hedefleri Şekil 2. Simülasyon ve Optimizasyon Entegrasyonu kullanılacak olan tarihsel verilerin havzanın hidrometeorolojik ve arazi yapısını gerçekçi bir şekilde yansıtmasıdır. HOA BİNH REZERVUAR UYGULAMASI Kırmızı Nehir Havzası içinde yer alan Hoa Binh Rezervuarı toplam 169,000 km2 lik bir akış alanını kapsamaktadır. Nehir sistemine giren en önemli yan kollar Da, Thao ve Lo sistemleridir. Nehir sisteminin simülasyon modelleri ile çözümlenmesi için kullanılan sistem yapısı ve mevcut veri noktaları Şekil 4 de özetlenmiştir.
Da River 284 Entegre Havza İdaresi Çerçevesinde Baraj İşletmeciliği Optimizasyon Simülasyon Gerçek Zamanlı veri Tahmin Verisi Tarihsel Veri Tahmin Baslangıç Zaman. Ta Bu Şekil 3. Simülasyon ve Optimizasyon Tahmin Şeması Phu Tho Thao River Vu Quang Da Nehri Thao Nehri Lo Nehri Lo River Hoa Binh Kırmızı Nehir Trung Ha Ha Noi Red River Son Tay Duong River Duong Nehri Duong Nehri Thuong Cat Legend Discharge Debi Sınır boundary Koşulu Discharge Su Seviyesi Vs Sınır Water Koşulu level boundary Rezervuar Reservoir ve and HES Power plant Discharge Debi Hidrometrik hydrometric İstasyonu station Links Nehir Sistemi Hung Yen Şekil 4. Kırmızı Nehir Havzasının Tanımı Hoa Binh Rezervuarı nın temel özellikleri: - Baraj Seviyesi: 123 m - Ölü Depolama Seviyesi: 80 m - Minimum işletme seviyesi: 75 m - Kurulu Güç: 1,920 MW - Türbinlerdeki maksimum debi: 2,400 m3/s - Rezervuar Seviyeleri: Şekil 5
İ. K. Tunçok 285 Şekil 5. Hoa Binh Rezervuar Seviyeleri Hoa Binh rezervuar sistemi 1990 yılından beri işletmede olmasına rağmen havza genelinde sosyal farkılıklar ve bunun getirdiği farklı ihtiyaçlardan dolayı işletme politikalarının sürdürülebilir bir şekilde uygulanması mümkün olmamıştır. MIKE teknolojileri kullanılarak havza ölçeğinde şu bütçesinin oluşturulmasını takiben nehir sistemlerinin yerüstü ve yeraltı su akışlarını değerlendirerek oluşturulan simülasyon modelleri rezervuardaki salınım politikalarının temelini oluşturur. Bu modellerin oluşturulmasında kullanılan temel veriler rezervuar depolama seviyeleri, hidrometerolojik koşullar ve mevsimsel koşullardır. Bunu takiben rezervuar işletme politikalarının optimal bir çerçeve içinde incelenmesi için SCE algoritması kullanılır. Simülasyon modellerinin Optimizasyon modelleri ile entegrasyonu çerçevesinde oluşturulan sistemin farklı aşamaları Şekil 6 de özetlenmiştir. Öncelikle veri tabanındaki hodrometeorolojik veriler ve kontrol değişkenlerinin ilk değerleri kullanılarak farklı hedefler açısından optimizasyon hedefleri değerlendirilir. Bunu takiben temel hedeflere ulaşılıp ulaşılmadığı test edilir. Temel hedeflere ulaştıran parametreler sistemimiz açısından optimal çözüm noktası kabul edilir. Temel hedefe ulaşılana dek optimizasyon modeli yeni verilerin oluşturulması için kullanılır ve işletme politikaları çerçevesinde incelenir (Ngo, L. L., 2006). Bu işletme çerçevesi içinde oluşturulan alternatif stratejiler HES hedefleri ve taşkın kontrol hedefleri göz önüne alındığında, kullanılmakta olan işletme noktasından daha etkin çözümler oluşmuştur (Şekil 7). Bu alternatif çözümler farklı hedefler açısından da en dengeli optimum noktanın tesbit edilmesini sağlar (Ngo, L. L., 2007). SONUÇ Klasik işletme politikaları sistem analizlerinin entegre bir çerçeve içinde yapılmasına imkan vermemektedir. Havza sistemlerinin gerçekçi bir şekilde modellenip bunu takiben etkin işletme
286 Entegre Havza İdaresi Çerçevesinde Baraj İşletmeciliği politikalarının oluşturulması için simülasyon modellerinin entegre havza idaresi çerçevesinde değerlendirilmesi ve işletme politikalarının optimizasyon metodları kullanılarak belirlenmesi gerekmektedir. Hoa Binh Rezervuar sisteminde yapılan uygulamalar HES (Şekil 8) ve Taşkın kontrol (Şekil 9) hedefleri açısından değerlendirildiğinde simülasyon modelleri ve optimizasyon metodlarının entegrasyonu sonucu ortaya çıkan dengeli optimum değerleri ile klasik işletme noktaları karşılaştırıldığında çok daha etkin çözümler oluşturulmasını sağladığı tesbit edilmiştir. Veri İşletme politikaları çerçevesinde rezervuar ve nehir Simülasyon Modellerinin uygulanması İşletme Politikalari Optimizasyon Hedeflerinin Değerlendirilmesi Temel Hedeflere Ulaşıldımı? HAYIR Optimizasyon Modeli kullanılarak yeni Kontrol Değişkenlerinin belirlenmesi EVET Optimal Politika Belirlendi Şekil 6. Hoa Binh Rezervuari Simülasyon ve Optimizasyon Modelleri
İ. K. Tunçok 287 Şekil 7. Optimal Çözüm Noktaları HES (milyon kwh) 5500 İşletme 5000 Dengeli Opt 4500 4000 3500 3000 19631964196619681969197 1975197719781979198 19831985198619891990199 199219951996 Yıl Şekil 8. Taşkın mevsiminde HES üretimi
288 Entegre Havza İdaresi Çerçevesinde Baraj İşletmeciliği Rezervuar Seviyesi 125 120 115 İşletme Dengeli Opt 110 105 100 95 90 85 80 1963196419661968196919711975197719781979198 198319851986198919901991199219951996 Yıl Şekil 9. Taşkın mevsiminin sonunda Rezervuar seviyesi KAYNAKLAR 1. Chen, L., Real time genetic algorithm optimization of long term reservoir Operation, Journal of the American Water Resources Association, 39(5): 1157-1165, 2003. 2. DHI Water & Environment, AUTOCAL - Auto Calibration Tool. User guide, Denmark, 2005a. 3. DHI Water & Environment, MIKE 11 - A modelling system for Rivers and Channels, Denmark, 2005b. 4. EİEİ, Türkiye de Hidrolektrik Enerji Potansiyelinin Proje Seviyelerine Göre Dağılımı, 2007. 5. Harmancıoğlu, N. ve Alpaslan, N., Su kaynakları yönetiminde Entegre Yaklaşımlar, TMMOB, Türkiye İnşaat Mühendisliği XIV. Teknik Kongresi Bildiriler Kitabı, s. 639-648, Izmir, 1997. 6. IPCC, Third Assessment Report on Climatic Change, Cambridge University, 2001. 7. John, L., Optimal operation of multireservoir system: State-of-the-Art review, Water Resources Planning and Management, 130(2): 93-111, 2004. 8. Ngo, L. L., Madsen H. ve Rosbjerg D., Simulation and optimisation modelling approach for operation of the Hoa Binh reservoir, Geophysical Research Abstracts, Vol. 8, 2006. 9. Ngo, L. L., Madsen H., Rosbjerg D. ve Pedersen C. B., Implementation and Comparison of Reservoir Operation Strategies for the Hoa Binh Reservoir, Vietnam using the Mike 11 Model, Water Resources Management, ISSN: 0920-4741, 2007.
İ. K. Tunçok 289 10. Tuncok, I. K., L. W. Mays, and J. Briscoe, Water Resources Management in Developing Countries and the Role of World Bank, 29th Annual Water Resources Planning and Management Conference, ASCE, Tempe, Arizona, 1999a. 11. Tuncok, I. K., and L. W. Mays, Feedback Method of Control for Estuary Management, Water Resources Management, 13(5), 315-334, 1999b. 12. Türkiye Ulusal Jeodezi ve Jeofizik Birliği (TUJJB), Türkiye Ulusal Meteorolojik ve Hidrolojik Afetler Programı, Ankara, 2003.