Özet Su Yönetimi ve Kavramsal Model Gereklili i Cihan Güne 1, Sevgi Tokgöz Güne 2 1 Dokuz Eylül Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Jeoloji Mühendisli i Bölümü 2 Dokuz Eylül Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Çevre Mühendisli i Bölümü Su Çerçeve Direktifi tüm Avrupa sular için iyi durum hedeflerini belirleyen kapsaml bir mevzuatt r. Direktif, bilimsel, teknik ve ekonomik incelemelere dayal tedbirler program ile birlikte nehir havzalar n sürdürülebilir ve entegre yönetiminin sa lanmas amaçlanmaktad r. Direktif ve 17. Maddesine göre geli tirilen Yeralt Suyu Direktifi kapsam ndaki konulara odaklanan k lavuz belgelerde su yönetimi konular nda kavramsal model uygulamalar n gereklili i vurgulanmaktad r. Yeralt suyu sistemini tan mlayan jeolojik, hidrojeolojik ve hidrojeokimyasal özellikler gibi göz önünde bulundurulmas gereken farkl konular dü ünüldü ünde, kavramsal modellerin kullan lmas na ihtiyaç oldu u aç k bir ekilde görülmektedir. Bildiri kapsam nda, yeralt sular na ili kin mevzuat kapsam ndaki konularda uygulama alan bulabilecek türle tirme-çözünürlük, reaksiyon yollu, kütle ta m ve ters kütle dengesi modellemeleri üzerinde durulmaktad r. Ayr ca, türle tirme- çözünürlük modellemesi üzerine Balçova ve Bozda alanlar na ili kin uygulamalardan örnekler verilmi tir. Anahtar kelimeler: Sürdürülebilir su yönetimi, yeralt suyu, PHREEQC, Su Çerçeve Direktifi. 1. Giri Temiz tatl su ihtiyac n kar lanmas son y llarda dünyadaki en büyük küresel kaynak problemlerinden birisidir (Appelo ve Postma, 2005). Sorunun büyüklü ü ve önemi birçok çal man n ba lat lmas na neden olmu tur. Avrupa Birli i Su Çerçeve Direktifi (SÇD) (WFD 2000/60/EC) ve Yeralt Suyu Direktifi (YSD) (GWDD 2006/118/EC) antropojenik ve do al kirlilik riski alt ndaki temsili tüm yeralt suyu kütlelerinin kimyasal durumunun de erlendirilmesi için kriterleri ortaya koyan konuya ili kin en kapsaml çal malardan birisidir. Bu kapsamda, ilgili yeralt suyu kütlelerinde (ve yüzeysel su) do al arka plan seviyesini (NBL) belirleme, iyi durum a ula mak veya var olan iyi durumu korumak için kalite standartlar na göre kirlilik e ilimlerinin belirlenmesini ve iyi durumu zay flatabilecek kirleticiler için e ik de erlerin nas l belirlenebilece ini de tan mlayan birçok farkl bilgi seviyesini dikkate alan metodoloji ve rehber dokümanlar yay mlanm r. Bu durumda, yüksek kirlilik yaratan ve kirlili i hafifleten süreçlerin, kirlilikten sorumlu do al ve antropojenik bask lar n belirlenmesi ortamdaki su kar mlar n kimlikleri ve oranlar n bilinmesini k saca hidrolojik ve hidrojeokimyasal sistemin anla lmas gerektirmektedir. Ortamdaki yeralt suyu sistemini tan mlayan jeolojik, hidrojeolojik ve hidrojeokimyasal özellikler gibi hesaba kat lmas gereken farkl konular dü ünülürse, kavramsal modellerin kullan lmas na ihtiyaç oldu u aç k bir ekilde görülecektir. Derry e (1999) göre, modeller gerçek bir sistemi ilgilendi imiz yönleri ile anlamam zda gerekli olan özellik ve ili kileri içerir. Model yap land lmas nda, gerekli olabilecek ancak bilmedi imiz veya bildi imiz ama gereksinim duymad z özelliklerin belirli s rlamalarla kabulleri yer almaktad r. Modeller var olan portrenin, sezgisel gücün, kavramsal limitlerle olu turulan portre ile uyumunda, soru ve sorunlar n en iyi cevaplar, kullan sonuçlar, ba lang çta kavranamayan yeni kavramlar bar nd ran esasl ve test edilebilir özelliklere sahiptir (Nordstrom, 2004). Modeller ayn zamanda, bir problemin yeni bir yorumunu veya sistemin iç yüzünü anlama teorilerinin kombinasyonunu veya teori, hipotez, test edilebilir özellikleri, fikirleri ve birçok gözlemsel verinin aç klamas n
basitle tirilmi halini bar nd r. Zamansal ve uzamsal ölçekte dinamiktir ve yeni olu turulacak detay inceleme ve verilere göre geli tirilebilir. Tarihsel geli imi ve kullan m yo unlu u dikkate al nd nda yeralt sular hedef alarak (ve yüzeysel sular) (1) suyun ak ve (2) sudaki çözünmü bile enlerin ak betini ara ran iki ana kavramsal model sistemati i bulunmaktad r. Ayn sistemi incelemesine ra men farkl bak aç na ve içeri ine göre çal an bu modeller son y llarda çevresel sorunlar n çözümüne yönelik olarak çok daha kapsaml içerikler ile birlikte çal ma sistemati i olu turmaktad r. En genel örne i, SÇD rehber dokümanlar nda yer almaktad r. Ancak, tüm bu kapsam geni li ine ra men çal lan alan n karakteristiklerine de ba olarak modellerin en temel konular hidrojeokimyasal özellikleri dikkate alarak ba lamaktad r. Hidrojeokimyasal özellikler, sular n antropojenik etki öncesi durumu (do al arka plan seviyeleri) ve nihai kirlilik etkisini azaltabilme s anlamam sa lamas aç ndan da çok önemlidir. Hidrojeokimyasal özellikler içeri inde; jeolojik, minerolojik, hidrojeolojik bütünlü ü, jeokimyasal ve hidrolik özellikler gibi birçok etkiyi k saca ortamdaki bask n kat ve su karakteristiklerini tan mlamaktad r. Ayr ca, bu modeller alandaki önemli bask lar n anla lmas, etkinli i yüksek izleme a n kurulumunu ve izleme sonucunda elde edilen verilerin yorumlanmas, e ik de erlerin olu turulmas, ard k durum ve e ilim de erlendirmelerinin yap labilmesi gibi birçok konuda altyap ve çerçeveyi olu turur. SÇD ve YSD kapsam nda yeralt sular n etkin bir ekilde yönetilebilmesi, durum ve risk de erlendirmelerinin yap labilmesi için, çevresel hedeflerin gerçekle tirilmesinde gerekli olan çevresel ko ullar ve bu ko ullar n antropojenik etkilerle nas l de ti i net bir ekilde anla lmal r. Bu anlay, genel ak ve aktar m ko ullar n, genel düzeninin ve hidrojeokimyasal özelliklerin tan mland yeralt suyu sisteminde bir kavramsal model veya kavramsal anlay n geli tirilmesi ile desteklenmektedir (EU CIS 18, 2009). Kirletici kayna, kirlenmi alan ve alg lay ili kisini kapsayan kavramsal model geçerli kan tlar üzerinden çal an hipotezler ile yap land lm olmal r (EU CIS 26, 2010). Bu kavramsal model, belki de yeni elde edilen veriler ile test edilerek derece derece daha uygun hale getirilmelidir. Kavramsal model bir sistemi, sistemdeki süreçleri ve etkile imleri tan mlayan bir anlamd r. Yeralt suyu risk de erlendirmesi ve yönetiminde güvenilir sonuçlar elde etmenin temelidir. Kavramsal modeller yeralt suyu sistemini tan mlamak için geli tirilmi tamamlay ve deneyimli tart malar, konu ile ili kili ancak uzman olmayan ki ilere sistemi anlatan, risk de erlendirme senaryolar içeren, tahmin, izleme ve ölçüm planlamas içeren, sistemin sürdürülebilirlik, etkinlik, zay fl k ve avantajlar tan mlayan matematiksel veya say sal (bilgisayar) bir bütündür. Basit bir sistemin tan mlanmas ndan çok daha kompleks bir sistemin tan mlanmas na kadar çok geni bir ölçekte ve detayda kavramsal modeller olu turulabilir. Görev ve problemlere ba olarak yeralt suyu miktar, kimyasal kompozisyon, noktasal kaynakl kirlilik, difüzyon kirlili i, yüzeysel sularla ve arazi kullan ile etkile im gibi birçok sorunun saat-gün aral ndan ay-y l aral na ve metrekare veya km 2 boyutuna kadar farkl çözünürlüklerde çözüm önerilerini içerebilir. Hidrojeolojik kavramsal bir model; ili kili jeolojik karakteristikler, ak m artlar, hidrojeokimyasal ve hidrobiyolojik süreçler, antropojenik aktiviteler ve bunlar n tümünün etkile iminin miktar ve tan mlamalar belirler. 2. Hidrojeokimyasal Model Yeralt suyu jeokimyas (yeralt suyu kalitesi), yeralt suyunun kimyasal kompozisyonunu kontrol eden süreçleri ara ran bir bilimdir (Appelo ve Postma, 2005). Yeralt suyu içeri i; minerallerin çözünme-çökelme, ph-eh, iyon de imleri ve sorblama gibi birçok sürecin kontrolü alt nda olu ur.
Farkl süreçlere ba do al inorganik kirlilik içerebildi i gibi antropojenik direkt ya da indirekt etkilerin alt nda da kirlilik içerebilir. Bazen herhangi bir alanda herhangi bir kirlilik parametresi direkt olarak yeralt suyuna verilmese bile ortamda antropojenik etkilerle yarat lan süreçler nedeni ile olu abilir. Örne in, güney Asya daki (Tayland, Banglade, ) arsenik kirlili inde pirinç tar etkisi ile sularda yarat lan indirgen ortamlar herhangi bir yüzeye sorblanm arseni in serbest kalmas na neden olarak kirlilik yaratan etkilerden birisidir. Yeralt sular n herhangi bir insan kaynakl veya do al çevresel kirlilik potansiyelinin ve ilimlerinin belirlenmesi ve kirlilik etkisinden korumak için su kar mlar n belirlenmesinde hidrojeokimyasal modellemenin katk çok önemli avantajlar sa layabilir (Zhu ve Anderson, 2002; Merkel ve Planer-Friedrich, 2008; Edmunds, 2009). Çözünmü türlerin (Garrels ve Thompson, 1962) ve çözünmü içeri i de tiren reaksiyonlar n (Garrels ve Mackenzie, 1967) hesaplanmas ndan ve ilk bilgisayar ile hesaplanm reaksiyon yollu modelin (Helgesen, 1968) kullan lmas ndan günümüze kadar hidrojeokimyasal modellemenin son 50 y lda su kaynaklar yönetimi uygulamalar nda su kalitesi de imlerine neden olan süreçleri anlamam zda çok önemli katk olmu tur (Glynn ve Plummer, 2005). Hidrojeokimyasal modeller literatürde detayl ve çok geni tan mlamalar ile yer almaktad r (Zhu ve Anderson, 2002; Appelo ve Postma, 2005; Merkel ve Planer-Friedrich, 2008). Hidrojeokimyasal model, mineralojik veriler, iyon etkile imi ve sucul türler ile birlikte kütle transferi ile ilgilenir. Bir bilgisayar kodu ile hidrojeokimyasal model ili kilendirilerek, dü ük s cakl kl jeokimya içinde sukaya etkile iminin yorumlamas nda kullan lmaktad r. En genel bilgisayar kodlar, PHREEQCv.2 (Parkhurst ve Appelo, 1999), WATEQ4Fv.2 (Ball ve Nordstrom, 1991), Geochemist s Workbench (Bethke, 1994; 1996 REACT kütle transfer modülü ile), MINTEQ (Allison vd., 1991) ve EQ3/6 (Wolery ve Daveler, 1992) gibi yaz mlard r. Hidrojeokimyasal model, ilgili jeolojik sistemi aç klayan belirleyici bilgi ile önemli kimyasal reaksiyonlar n varl ve olu umunun tasar ve özel kimyasal sistem için termodinamik, kinetik ve yüzey özelliklerinin bilgisini gerektirir (Zhu ve Anderson, 2002). Öncelikle, hangi tip modelin geli tirilece i ve hangi detay verilere ihtiyaç duyulaca belirlenmelidir. Modelin ba lang ç amas nda, hem su hem de kat ortam hakk nda önemli, hassas, eksiksiz ölçümsel parametre ve örnekleme planlamas gerekir. Genellikle, nihai hedefler ne olursa olsun modellemede, bir bölgedeki su-kaya etkile iminin karakterize edilmesi ve ayr mlanmas ile hidrolik ve hidrojeolojik temel yön bilgilerine ihtiyaç vard r. Yeralt suyu ak n yönü, akifer içindeki farkl mineraller ile suyun temas ras belirler ve ters kütle denge modellemesi uygulamas için önemlidir. Hidrojeokimyasal modellemenin amaçlar ndan biri, yeralt suyu ak oran ve yönlerinin belirlenmesine yard m edebilmek olabilir. Hidrojeokimyasal modelleme, endüstriyel ve tehlikeli at klar n bertaraf ndan, su-kaya etkile iminin esaslar na kadar çok geni bir ölçekte ve uygulamada kullan lan bir araçt r. En basit anlam ile hidrojeokimyasal model, belirli bir s cakl k ve bas nçta var olan bile enler ile kararl bir denge sistemini tan mlar. Teorik modeller, gerçek bir olay n tüm bile enlerle ya da k tlanm belirli limitlerde ka t üzerinde deneysel çal lmas sa lar. Bu bir bak ma bir roket yak rokete koymadan önce do ru bas nç-s cakl k ve bile imde kar rarak olu turulacak gaz n yanma verimini ka t üzerinde tahmin etmek gibidir ve temel olarak çal malar bu ekilde yap lmaktad r (Bethke, 2008). Bu durum, modelciye çok önemli zaman ve ekonomik tasarruf sa lad gibi, gidilecek yolla ilgili önemli öngörüleri sunar. Bir madende olu acak asitli suyun, çal lan alana has minerolojik,
jeokimyasal ve biyojeokimyasal etkilerle temas n yeralt ve yüzey sular nda yarataca etkinin özel hesaplar, kaza etki-tepki senaryolar, tepkisel bariyerlerde elde edilebilecek yakla k sonuçlar, hangi kimyasal bile enlerin alana özel daha büyük kirlilik riskleri ta yabilece i gibi birçok çal man n daha maden i letmesine geçilmeden alandan al nan ilk veriler ile hesaplanmas sa layabilir. Yeralt ve yüzeysel sular n tan mlanmas, kalite ve kirlilik nedenlerinin belirlenmesi, sular içindeki çözünmü içeri in hangi süreçlere ba olarak suda bulundu u ve bizim etki yaratabilme etkinli imiz hidrojeokimyasal modeller ile belirlenebilir. Son zamanlarda ki isel bilgisayarlar n geli imi, hidrojeokimyasal model çal malar n çok h zl geli imini sonuçlam r. Çözünmü çe itli türlerin konsantrasyonlar n küçük farkl klar nda bile kütle dengesi hesaplar nda yaratt de iklikler saniyeler içerisinde hesaplanabilir. Belirli bir fiziksel ve kimyasal kompozisyondaki suyun belirli mineraller ile denge halindeyken, çözünmeçökelme, sorbsiyon (adsorbsiyon-desorbsiyon), yüzeysel kompleksle me, iyon de imi (katyon ve anyon de imi), farkl sularla kar, titrasyon (alkalinite ve asidite), çözünen türlerin belirlenmesi, ph tamponlama, ters kütle dengesi ve ileri modelleme ile problemlerin çözümünde önemli çal malar gerçekle tirilebilir 3. Hidrojeokimyasal Model Tipleri Birçok yeralt suyu ve yüzeysel suda bask n kimyasal kompozisyonu, bir düzineye yak n hidrojeokimyasal süreç yaratmaktad r. Bu süreçler; kalsit ve jips çözünmesi-çökelmesi, silikat minerallerinin (feldspat, mika, klorit, amfibol, olivin ve piroksen) çözünmesi ve kil minerallerinin olu umu, dolomit çözünmesi ve kalsit çökelmesi, dolomit olu umu, pirit oksidasyonu ve sulu demir oksit olu umu, sülfat indirgenmesi ve pirit olu umu, silis çökelmesi, evaporasyon ve katyon de imidir (Nordstrom, 2004). Bu süreçlerden birini veya birkaç içeren kütle ta m modelleri, bir alandaki suyun ak ve ak nt n içerisindeki kimyasal türleri ve denge kararl klar bir, iki veya üç boyutlu tan mlamaya çal r. Modeller farkl yazarlar taraf ndan çe itli özelliklere göre flanm olsa da komplekslik seviyesine ba olarak en basit seviyeden en üst seviyeye kadar ras ile; türle tirme-çözünürlük, kar m ve sorplama (iyon de imi, yüzeysel kompleksle me /adsorbsiyon) gibi tekil modellemeler ile daha kompleks olan reaksiyon yollu, ters kütle dengesi ve tepkisel ta m modellemeleri olarak gruplanabilir. Son y llarda hidrojeokimyasal sistem bir bütün olarak ele al p, ters (inverse) ve ileri (forward) modelleme olarak da s fland rma yap lmaktad r. Burada, bu modellemelerden özellikle su yönetimi ile ili kili hesaplamalarda kullan labilecek model tipleri üzerinde durulacakt r. Hidrojeokimyasal süreçler ve model tipleri ile ilgili daha geni aç klamalar, Langmuir (1997), Appelo ve Postma (2005), Zhu ve Anderson (2002), Berthke (2008) ve Merkel ve Planer-Friedrich (2008) gibi kitaplardan da elde edilebilir. 3.1. Türle tirme ve çözünürlük modellemesi Hidrojeokimyada mineral çözünürlü üne ba olarak doygunluk indeksleri (SI) ve deniz suyu içindeki çözünmü kimyasal türler (türle tirme-çözünürlük modellemesi) ilk olarak Garrels ve Thompson (1962) taraf ndan hesaplanm r. Günümüzde ise var olan bütün hidrojeokimyasal model programlar n içeri inde kolayca hesaplanabilmektedir. Bu modelleme, dinamik bir sistemin kararl denge durumunda, kabul edilen, hesaplamalar yaparak anl k gaz, mineral ve çözelti aras ndaki kimyasal kütlenin da (iyon ve moleküler türleri) ve mineral doygunluk görüntüsünü sa lar. Belirli bas nç ve s cakl ktaki bir sistemde analitik olarak ölçülmü bile enlerin girdileri ile al nan kt lar, a da bir k sm verilen baz sorular n cevaplar içermektedir: Sucul bir çözelti içindeki moleküler ve iyonik türlerin aktivite ve deri imleri nedir?
Dengeye yakla olabilecek reaksiyonlar n yönü ve sistemde var olan çe itli minerallerin doygunluk artlar (doymam -doymu -a doymu ) ve redoks seviyesi nedir? Çözelti ile dengedeki iyon de tiriciler veya sorban bir yüzeydeki kararl türlerin da mlar ve kompleksle me reaksiyonlar nedir? Türle tirme-çözünürlük modelleri; kapal, statik, kesikli beslemeli veya beslemesiz bir sistem ile ilgilenir. Di er tüm model tiplerinin temelidir ve çok geni bir aral kta türlerin zehirlilik, filtre edilebilirlik ve geciktirme etkisi yaratmaya cevap verme gibi birçok de erlendirmede kullan r. Ayr ca, ph, Eh ve iyonik güç gibi de kenlere ba olarak türlerin de imleri modellenebilir. Örnek olarak, ekil 1 de Balçova Jeotermal sular nda bask n olan arsenik III ve V türlerinin yüzde deri imi geni bir ph de imine ba olarak verilmektedir (Tokgöz Güne ve Güne, 2009). ekil 1. ph de imine ba olarak Balçova Jeotermal sular ndaki (a) arsenik (III) ve (b) arsenik (V) da mlar. Ya sular n mineraller ile tepkimesinin yaratt su kompozisyonu ayr mlanarak her bir bile en baz nda belirli bir de kene ba de im ve bu de imin do al mineral içeri i ya da antropojenik etkilerle ili kisi tan mlanabilir. Örne in, Bozda -Ödemi ( zmir) bölgesi nüfus yo unlu u azl ve do al yükseltisi ile Bat Anadolu daki içme suyu kalitesi ve antropojenik etkilerin en az olabilece i alanlardan birisidir. Bu alandaki sular n olu umunda en etkin süreçler, ya mur suyunun kar mlardaki bask nl, silikat ve kalsit minerallerinin çözünürlü ü ve katyon de imidir. Karbonatlar silikatlara göre suda kinetik olarak çok h zl çözünebilirler ancak, alanda karbonatlar olmas na ra men karbonatlar ile temas yüzeyi ve süresinin azl sular n kalitesi üzerinde çok etkilidir. Ak m yollar boyunca ya sular n artarak kar çözünmü içerikte yüksek seyrelme oranlar na neden olmaktad r. Örne in, ya mevsimde horstun yamaçlar ve sonundaki alüvyon akifer üzerindeki antropojenik etkinin az oldu u derelerde ölçülen elektriksel iletkenlik de erleri 100 µs/cm (Bozda Horstu yeralt suyu ort. ~ 350 µs/cm) de erlerine kadar inmektedir. Bu nedenle, ak m yolunu temsilen mesafeleri dikkate almak yerine alandaki çözünme proseslerini yans tan ph de erinin de imi dikkate al nm r. Yeralt sular n bir k sm nda (fluvial akiferler hariç) piston ak n gözlenmesi ph de kenine ba çözünmü bile enlerdeki art lar n gayet iyi gözlemlenmesini sa lam r ekil 2 e göre (a) SO 4-2, (b) NO 3 -, (c) PO 4-3, (d) K + ve (e) Cl - gibi bile enlerde gözlemlenen yüksek art lar antropojenik etkilerin bir sonucudur.
SO4-2 mol/l 1.4E-03 1.2E-03 1.0E-03 8.0E-04 6.0E-04 4.0E-04 2.0E-04 0.0E+00 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 Ya sular Damacana sular Karst akifer (sub oxic) Karst akifer (oxic) Fluvial akifer Yüzeysel sular NO3- N mol/l 1.2E-02 1.0E-02 8.0E-03 6.0E-03 4.0E-03 2.0E-03 0.0E+00 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 ph Ya sular Damacana sular Karst akifer (sub oxic) Karst akifer (oxic) Fluvial akifer Yüzeysel sular PO4 mol/l 3.5E-06 3.0E-06 2.5E-06 2.0E-06 1.5E-06 1.0E-06 5.0E-07 0.0E+00 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 ph Ya sular Damacana sular Karst akifer (sub oxic) Karst akifer (oxic) Fluvial akifer Yüzeysel sular K mol/l 4.0E-04 3.0E-04 2.0E-04 1.0E-04 0.0E+00 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 ph Ya sular Damacana sular Karst akifer (sub oxic) Karst akifer (oxic) Fluvial akifer Yüzeysel sular
Cl mol/l 2.0E-03 1.5E-03 1.0E-03 5.0E-04 0.0E+00 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 ph Ya sular Damacana sular Karst akifer (sub oxic) Karst akifer (oxic) Fluvial akifer Yüzeysel Sular ekil 2. ph ba olarak (a) SO 4-2, (b) NO 3 -, (c) PO 4-3, (d) K + ve (e) Cl - de gözlemlenen de imler. 3.2. Reaksiyon yollu modelleme Reaksiyon yollu modeller: s cakl k ve bas nc n de iminde (artan veya azalan), sistemden reaktifin art ç kart larak veya eklenerek, fazlar aras ndaki a amal veya art kütle transferini kapsayan denge durumundaki her bir ad hesaplar. Hesaplanan kütle transferi, termodinamik denge ve kütle dengesi prensiplerindedir ve farkl süreçlerin benzetimi için yap land labilir. Bu modelleme tipi, sisteme bir veya daha fazla reaktifin eklenmesi (titrasyon kar ) ile yap land labilecek sürecin benzetiminde kullan labilir. Reaktifler bir mineral, kimyasal bile ik, gaz, di er bir sulu çözelti, kayaç veya herhangi bir kimyasal olarak tan mlanabilir. Evaporasyon suyun negatif titrasyonu olarak dü ünülüp benzetim haz rlanabilir. Titrasyon veya kar m modelinde, her bir reaktifin eklenmesinden sonra fazlar n veya gaz faz n veya bir kat n çözülmesi veya çökelmesi ile sulu çözeltinin tekrar dengelenmesi hesaplanabilir. Kar m ve titrasyon modelleri, birçok çevresel sürecin bir titrasyon veya kar m sürecine benzemesi nedeni ile, çevresel konularda çok geni bir ölçüde kullan lmaktad r Bir gaz faz veya çözünmü bir türün aktivitesinin sabitlenerek gerçekle tirilen kütle transferinin özel bir yap land rmas, tamponlama olarak adland labilir. Bu modelleme ile örne in, çok geni ölçeklerde doldurulan gaz rezervuarlar nda yarat lan atmosferin jeolojik birimlerle reaksiyonu (karbondioksit izolasyonu), belirli oksijen etkin bas nçlar nda pirit oksidasyonu veya çevresel sistemlerin laboratuvar artlar nda ph tamponlanmas benzetimi uygulanabilir. Ard k kesikli ve kesiksiz test ve deneylerle, bir sistemdeki var olan kat (kimyasal bile ik, mineral), su ve gaz kar mlar n anl k reaksiyonlar n benzetimi tan mlanabilir. Ayr ca, k smi denge artlar nda ve sistemin sadece belirli bile enlerini dengede tutarak yapabildi imiz yukar da anlat lan benzetimlere ek olarak kinetik modellerle de bu modeller geni letilebilir. Kinetik modellerde, sucul fazlar içindeki homojen reaksiyonlar n denge konumunda oldu u kabul edilerek, heterojen reaksiyonlar örne in, minerallerin (pirit, silikatlar, karbonatlar, Fe-Al-Mn hidroksit gibi) çökelip çözünmesi kinetik oran katsay lar ile kontrol edilmektedir. 3.3. Ters kütle denge modeli Basit olarak sonuç bir su kompozisyonu ile bir veya birkaç farkl ba lang ç su kompozisyonu aras ndaki su kimyas n de imindeki gaz ve mineral mol transferini tan mlar ( ekil 3). ya mur suyu + reaktifler (mineral ve gazlar) sonuç su + ürünler (mineral ve gazlar) Model, ak m yolundaki çözeltilerin, akifer matriksindeki fazlar n ve belirsizlik limitlerinin tan mlanmas ile kütle dengesi prensiplerinde çal r. Sonuç su kompozisyonunun bir veya birkaç
ba lang ç su, mineral ve gazlar n tepkimesi ile olu tu unun ve ayn ak m yolu üzerinde oldu unun, dispersiyon ve difüzyonun çözelti kimyas na önemli bir etki yapmad n ve ak m yolunda örnek noktalar aras ndaki ak m h na ba zaman dikkate al nd nda kimyasal kararl n sürdü ünün garantisi gerekir. Hidrojeolojide, köken ara rmalar ndan yüksek s cakl kl jeokimyaya kadar geni bir kullan m alan bulunmaktad r. Sular n kar m oranlar n belirlenmesinde çok yararl r. 3.4 Kütle ta m modelleri ekil 3. Ters kütle denge modeli ematik gösterimi. Bundan önce bahsedilen modellerde, sucul bir sistemde herhangi bir ta m prosesi göz önünde bulundurulmadan sadece kimyasal etkile im dikkate al nm r. Ancak do ada, yüzeysel veya yeralt sular ndaki kirletici hareketi, uzaysal da mda, adveksiyon, dispersiyon ve difüzyonun tepkisel kütle ta ile birle iminden olu maktad r. Bu nedenle, her kütle ta m modeli geçerlili i kabul edilebilir bir ak m modeli gerektirmektedir. Çözünmü oksijen veya organik madde degredasyonu gibi biyolojik reaksiyonlar n nehir ve derelerdeki ak m ile modellenmesi uzun y llardan beri yap labilmesine ra men, iz metal reaksiyonlar ancak son y llarda modellenebilmi tir (Nordstrom, 2004). Asit maden sular ndaki reaksiyonlar n modellenmesinde kullan lan özel katsay ve deneysel oran sabitlerinin geli tirilmesi 1990 larda ba lam ve halen devam etmektedir (Dzombak ve Morel 1990; Brown ve Hosseinipour, 1991; Runkel vd., 1996, 1999). Tepkisel ta m modelleri, kirletici iz elementlerin kimli i ve da n yan nda alanda uygulanabilecek iyile tirme senaryolar tahminlerinin yap labilmesi konusunda da çok yararl r. Bir reaktif modelden farkl olarak, reaktif bir ta ma modeli, sadece yeralt suyu ak nda meydana gelen tepkimeleri tahmin etmekle kalmaz, reaksiyon süresince tepkimeye kar k gelen da da önceden belirleyebilir. 4. Sonuç ve Öneriler Yeralt suyu ak ve çözünmü içeri ini kontrol eden süreçlerin çok iyi bir ekilde anla lmas verilecek kararlar n ve sürdürülebilir yönetimin en temel gereklili idir. SÇD bunu temel olarak almas na ra men her yerde model sistemati inin uygulanmas yeterli uzman, zaman ve maliyet aç ndan mümkün de ildir. Bu nedenle, ilk a amada çal malar n yayg nla lmas için belirli
de kenlere göre benzer sistemi yans tan ve geni yay olan alanlarda uygulanacak anahtar model çal malar ile yol gösterici basit yöntemlerin geli tirilmesi temel amaçt r. Elde edilen sonuçlar n izlemeye ba de imi, beklenen etkilerin kar lan p kar lanmamas ile belirlenebilecektir. Ülkemiz do al ve antropojenik ko ullar çal ma alanlar na özel anahtar kavramsal model çal malar yapmadan, istatistiksel de erlendirmeler ile do al arka plan seviyesi, e ik de er ve e ilim belirleyerek sürdürülebilir yönetimin sa lanabilece i basitlikte olan bir yer de ildir. Dahas son llarda artan jeotermal kullan m, maden çal malar (bor, metalik madenler,..) ve endüstriyel at ksu de arjlar ndaki art lar ile son derece kompleks akiferler olu mu tur. Mevcut ölçüm, örnekleme ve izleme sistemleri, kavramsal model yeterliliklerinin kar lanmas nda yetersizdir. Sonuç olarak, sürdürülebilir yönetim için çal malar günümüz teknolojik yeterliliklerini ve toplumumuzun her kesiminin gereksinimlerini kar layacak ekilde yap land rmam z gerekmektedir. KAYNAKLAR Allison, J.D., Brown, D.S., Novo-Gradac, K.J., 1991. MINTEQA2/PRODEFA2, A Geochemical Assessment Model For Environmental Systems, Version 3.0 User's Manual. EPA/600/3-91/021. U.S. EPA, Office of Research and Development, Enviro. Research Laboratory, Athens, GA. Appelo CAJ, Postma, D. 2005. Geochemistry, groundwater and pollution, 2nd edition-balkema; Rotterdam Ball J. W., Nordstrom D. K. 1991. User s Manual for WATEQ4F -US Geological Survey Bethke, C. M., 2008. Geochemical and Biogeo-chemical Reaction Modeling, 2nd edition, Cambridge University Press, New York, 543 pp. Bethke, C.M., 1994. The Geochemist s WorkbenchTM Version 2.0: A User s Guide to Txn, Act2. Tact, React, and Btplot. University of Illinois, 213pp. Bethke, C.M., 1996. Geochemical Reaction Modelling: Concepts and Applications. Oxford University Press, NY, 397pp. Brown K. P. Hosseinipour E. Z. 1991 New methods for modelling the transport of metals from mineral processing wastes into surface waters. J. Environ. Sci. Health A 26, 157 203 Derry G. N. 1999 What Science is and How it Works. Princeton University Press, NJ, 311pp Directive 2006/118/EC, GroundWater Daughter Directive (GWDD). Directive of the European Parliament and of the Council of 12 December 2006 on the Protection of Groundwater against Pollution and Deterioration, OJ L372, 27 Dec 2006; 2006.p. 19 31. Dzombak, D.A., and Morel, F.M.M., 1990. Surface Complexation Modeling: Hydrous Ferric Oxide. New York, John Wiley & Sons, 393 pp. EC (European Commission), 2000. Water Framework Directive. 2000/60/EC. Brussels. Edmunds, 2009 Edmunds, W.M. (2009) Geochemistry's vital contribution to solving water resource problems. Applied Geochemistry, 24(6): 1058-1073. European Communities, 2009 Common Implementation Strategy for The Water Framework Directive (2000/60/Ec) Guidance Document No. 18, (EU CIS 18, 2009), Guidance on Groundwater Status and Trend Assessment ISBN 978-92-79-11374-1. European Communities, 2010 Common Implementat on Strategy for The Water Framework Directive (2000/60/Ec) Guidance Document No. 26, (EU CIS 26, 2010), Guidance on Risk Assessment and The Use of Conceptual Models for Groundwater ISBN-13 978-92-79-16699-0. Garrels R. M. and Thompson M. E. 1962. A chemical model for seawater at 258C and one atmosphere total pressure. Am. J. Sci. 260, 57 66. Garrels RM ve Mackenzie FT (1967) Origin of the chemical compositions of some springs and lakes. In: Equilibrium concepts in natural water systems. Am Chem Soc Adv Chem Ser 67:222 242 Pierre D. Glynn and L. Niel Plummer. Geochemistry and the understanding of ground-water systems. Hydrogeology Journal, Vol. 13, Number 1, Pages 263-287
Helgeson HC (1968) Evaluation of irreversible reactions in geochemical processes involving minerals and aqueous solutions. I. Thermodynamic relations. Geochim Cosmochim Acta 32:853 877 Langmuir, D., 1997. Aqueous Environmental Geochemistry. Prentice Hall; New Jersey, 600 pp. Merkel, B. J., Planer-Friedrich, B., 2008. Ground-water Geochemistry: A Practical Guide to Modeling of Natural and Contaminated Aquatic Systems, Edited by Nordstrom, D. K., 2nd Edition, Springer-Verlag Berlin Heidelberg. Nordstrom, D.K., 2004. Modeling Low-temperature Geochemical Processes. In: Treatise on Geo-chemistry. H.D. Holland and K.K. Turekian, eds. Volume 5, Surface and Ground Water, Weat-hering and Soils, J.I. Drever, ed.5.02, pp. 37-72. Elsevier Ltd. Parkhurst D.L., Appelo C.A.J., 1999. User's guide to PHREEQC (Version 2) A Computer Program For Speciation, Batch-Reaction, One-Dimensional Transport, And Inverse Geochemical Calcu-lations. U S Geological Survey Water-Resources Investigations Report. 99-4259, 312pp. Runkel R. L., Bencala K. E., Broshears R. E., and Chapra S. C., 1996. Reactive solute transport in streams: 1. Development of an equilibrium-based model. Water Resour. Res. 409 418. Runkel R. L., Kimball B. A., McKnight D. M., and Bencala K. E. 1999 Reactive solute transport in streams: a surface complexation approach for trace metal sorption. Water Res.. Res.35, 3829 3840. Tokgöz Güne, S., Güne, C., 2009. Yeralt suyu Ve Yüzeysel Sularda Jeotermal Kaynakl Arsenic Hareketlili i. Dokuz Eylül Üniv. Müh. Fakültesi, Fen ve Müh. Dergisi, 3/2009. Wolery, T.J. and Daveler, S.A., 1992. EQ6, A Computer Program For Reaction Path Modeling Of Aqueous Geochemical Systems: Theoretical Manual, User's Guide And Related Documentation (Version 7.0). Energy Science and Technology Software Center, Oak Ridge, TN. Zhu, C., Anderson, G. M., 2002. Environmental Applications of Geochemical Modeling, Cambridge University Press, New York, 299 pp.
Su Yönetimi ve Kavramsal Model Gereklili i Cihan GÜNE & Sevgi TOKGÖZ GÜNE DEÜ Mühendislik Fakültesi Çevre Mühendisli i Bölümü
Su Yönetimi ve Kavramsal Model Gereklili i Su Yönetimi Kavramsal Model Hidrojeokimyasal Model Türle tirme ve çözünürlük modellemesi Reaksiyon yollu modelleme Ters kütle denge modeli Kütle ta m modelleri
Su Yönetimi ve Su Kalitesi Suyu kim yönetiyor? Sonuçlar ne oldu? Ne kadar ve hangi kalitede suyum var? Durumu ve riskler? Parçalar birle tirmek ve tablo ne anlat yor? Dü ey ve yatay boyutta kalite de imi nedir? Kirlenme e ilimi var m? Do al? nsan kaynakl? Kanuni gerekliliklerimiz ve Su Çerçeve Direktifi Sorumluluk payla? Kullan mlar ve de arjlar, ne kadar kirlettik? Nas l azalt z? ARKA BAHÇEM Z VE B Z Teknik bilgi gereksinimleri, te his-reçete-tedavi, Do ru ve önceden tahmin, bilinçli yönetim, Su kalitesini belirleyen-etkileyen süreçler ve yönetimi, ke fedilmeyi bekleyen gerçekler, Uluslararas bilgi seviyesi, de en su politikalar, bilgi kaynaklar, son elli y ld r ne yap yor?
Su Yönetimi ve SÇD Politikac, su yöneticileri ve bir çok insan n ortak sorular iyi durum ne demektir? Nas l sa lan r? Yeralt suyunu anlamak? Sular nas l kimliklenir? Akiferleri ayr mlayan özellikler nelerdir? Kar mlar belirlenebilir mi? Kirleticiler neden var? Do al veya antropojenik bask belirlenebilir mi? Kirletme sorumlulu u payla labilir mi? At klar n sal m ve bo al m haklar nda hangi kriterler olacak? Kaç y lda temizlenir? Koruma için ne yap lmal? Havza baz nda önlemler program, hedefler, tahminler ve senaryolar nas l ve kim haz rlayacak? Uygulanacak metotlar n etkinli i, geçerlili i nas l belirlenecek? Jeotermal, deniz suyu veya asit kaya drenaj sular ile kar m varsa? Berlin de 60 ya na kadar ya ayan birisi ayn suyu 4 kez içebilir!
Yeralt suyunu anlamak ve yönetmek Nitrat, Arsenik, Bor, A r metaller, Yeralt suyunda neden var? Hangi yeralt suyunda yok? Basit olarak nas l anlar z? li kileri anlarsam yönetebilir miyim? tlayan-artt ran süreçler-mineraller-kar mlar? Ya sular nas l etki ediyor? Hangi alanlarda kullan artt p veya azalt rsam temiz su elde etme e ilimim olu ur? Evsel-Endüstriyel de arj kriterleri de meli mi?
Kavramsal Model SUYUN HAREKET ve ÇÖZÜNMÜ LE ENLER N AKIBET
B L MSEL ALTYAPI YERALTISUYU - K RLET C KARAKTER ZASYONU ULUSAL METODOLOJ ARAZ KULLANIMI RLET LER DRO- JEOK MYA ÖRNEKLEME ÖLÇÜM KAL TE GÜVEN RL K ÇEVRESEL E K KR TERLER VE METODOLOJ ZLEME A I VE VER TOPLAMA EKOLOJ K FONKS YON BÖLGESEL SOSYOEKONOM K KAYNAK POTANS YEL ALGILAYICILAR EKONOM K ve SOSYAL DURUM ÇALI MALARI UYGULAMA DENEY MLER
DA ILIM KARI IM
Hidrojeokimyasal Modeller ÇÖZÜNME-ÇÖKELME, DENGE TERS R-TERS NMEZ REAKS YONLAR, SORBS YON (ADSORBS YON-DESORBS YON), YÜZEYSEL KOMPLEKSLE ME, YON DE (KATYON VE ANYON DE ), FARKLI ÇER KTEK SULARIN KARI IMI, TRASYON (ALKAL TE, AS TE), ÇÖZÜNEN TÜRLER N BEL RLENMES, PH TAMPONLAMA, EVAPORASYON, SEYRELME TERS KÜTLE DENGES TEPK SEL YOLLU MODELLEME TEPK SEL TA INIM MODELLER
Titrasyon modeli Pasa s nt ph: 11.3, göl ph: 2.7 Minerallerin çözünmesi yada çökelmesine izin verilmi tir, Göl kimyas kontrol eden mineraller Jarosite: KFe 3+ 3(OH) 6 (SO 4 ) 2 Jurbanite: AlSO 4 (OH) 5H 2 O Gypsum: CaSO 4
Il ca deresi 3 km JEOTERMAL ALAN BALÇOVA BARAJI
Balçova Jeotermal Alan
Türle tirme ve çözünürlük modellemesi
Kütle ta m modelleri
Kütle ta m modelleri
Bozda sular ve Jeotermal su Calcit Albite Anorthite Quartz Annite Fe(OH)3(a) Kaolinite CO2(g) O2(g) NaX KX CaX2 MgX2 3,21E-04 7,72E-05-1,54E-05 2,44E-03 1,11E-04 9,47E-05 8,30E-06-9,64E-05 4,49E-05 3,21E-04 4,08E-07 7,63E-05-1,54E-05 2,44E-03 1,11E-04 9,43E-05 8,44E-06-9,63E-05 4,49E-05 3,21E-04 2,04E-07 7,72E-05-1,54E-05 2,44E-03 1,11E-04 9,47E-05 8,44E-06-9,65E-05 4,49E-05 2,24E-04 7,72E-05-1,54E-05-2,92E-04 2,53E-03 1,11E-04 9,47E-05-1,86E-04 4,59E-05 2,24E-04-1,54E-05-2,54E-04 2,53E-03 1,11E-04 9,47E-05-1,86E-04 4,59E-05 2,24E-04 3,86E-05-1,31E-04-2,54E-04 2,53E-03 1,40E-04 9,47E-05-1,86E-04 4,59E-05 3,86E-05 3,02E-04-1,54E-05-3,21E-04 2,76E-03 1,11E-04 5,61E-05 8,44E-06-8,04E-05 4,81E-05 3,86E-05 2,21E-04-1,54E-05-4,82E-04 2,76E-03 1,11E-04 5,61E-05-1,52E-04 4,81E-05 3,86E-05 2,98E-04-1,54E-05-3,29E-04 2,76E-03 1,11E-04 5,61E-05-7,62E-05 4,81E-05 3,86E-05-1,54E-05-9,24E-04 2,76E-03 1,11E-04 5,61E-05-5,95E-04 2,21E-04 4,81E-05 KG1 1447 m göbekli 5880 Ec Jeotermal Kuyusu Sol Sol 1 2 Calcit Albite Anorthite Quartz Biotite Fe(OH)3 Al(OH)3 Kaolinite CO2(g) O2(g) NaX KX CaX2 MgX2 3,74E- 8,45E- -4,14E- 8,19E- 3,84E- 7,47E- 7,24E- -3,66E- -1,12E- 1 1,00 1,00 02 04 04 02 04 02 04 02 03 8,45E- -3,78E- 1,19E- 3,84E- 7,47E- 7,24E- -3,69E- -7,47E- 2 1,00 1,00 3,74E-02 04 02 01 04 02 04 02 04
4.0E-04 3.5E-04 3.0E-04 K mol/l 2.5E-04 2.0E-04 1.5E-04 1.0E-04 Precipitation Bottled water Karst aquifer (sub oxic) Karst aquifer (oxic) Fluvial aquifer surface water 5.0E-05 0.0E+00 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 ph
-1.0-1.5-2.0 pco2-2.5-3.0 Precipitation Bottled water Karst aquifer (sub oxic) Karst aquifer (oxic) Fluvial aquifer -3.5 surface water -4.0-4.5 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 ph
LG ZE TE EKKÜR EDER M
REFERANSLAR Kitaplar Appelo CAJ, Postma D (2005) Geochemistry, groundwater and pollution, 2 nd edition-balkema; Rotterdam Bethke, C.M., 2008. Geochemical and Biogeochemical Reaction Modeling 2nd edition, Cambridge University Press, NewYork, 543 pp. Broder J. Merkel Britta Planer-Friedrich (2008) Groundwater Geochemistry: A Practical Guide to Modeling of Natural and Contaminated Aquatic Systems Edited by Darrell Kirk Nordstrom 2nd Edition, Springer-Verlag Berlin Heidelberg Edmunds, Shands, 2008. Natural Groundwater Quality, Blackwell Publishing. Ball JW, Nordstrom DK (1991) User s Manual for WATEQ4F -US Geological Survey Langmuir D (1997) Aqueous environmental geochemistry.-prentice Hall; New Jersey Parkhurst DL, Appelo CAJ (1999) User's guide to PHREEQC (Version 2) -- a computer program for speciation, batch-reaction, one-dimensional transport, and inverse geochemical calculations.- U S Geological Survey Water-Resources Investigations Report 99-4259 Zhu, C., Anderson, G. M., ( 2002). Environmental Applications of Geochemical Modeling, Cambridge University Press, New York, 299 pp. Yay nlarla lgili Ki iler Appelo CAJ - Postma D. - Nordstrom DK. - Langmuir D. - Parkhurst DL Merkel B.J - Allison JD - Plummer LN, Simünek J, Bethke, C.M, Glynn, P., Pekde er A nternet Siteleri (Environmental Modeling: Software, Databases, Projects, Books) http://www.epa.gov/ada/links.html#csmos http://www.epa.gov/ceampubl/mmedia/minteq/index.htm http://www.usgs.gov/ http://www.hydrochemistry.eu/ https://ipo.llnl.gov/technology/software/softwareforlicensing.php http://www.allisongeoscience.com/minteq.htm.