Ön Söz Su kalitesi modellemesine dahil olmak için heyecanlı bir zamandır. Bugün çevre için artan ulusal ve uluslararası ilgi, sınırlı ulusal ve yerel bütçelerle birleştiğinde su kalite yönetimi için rasyonel ekonomik yaklaşımlarda artan ilgiyi oluşturur. Aynı zamanda, donanım ve yazılımdaki ilerlemeler, bilgisayar- modelleme temelini daha kapsamlı ve kullanımı kolay yapmaktadır. Pozitif taraftan bakarsak, bu gelişmeler su kalite yönetimini iyileştirmek için daha etkin katkıların modellerle yapılmasını sağlar. Diğer taraftan, modellerin yaygın ve kolay kullanımı, kara kutuların içine bakmadan uygulanabilirliğini sağlayabilir. Bu kitabın ana amacı, modellerin içine bakarak ve altındaki kabullerin altını çizerek uygulanmasıdır. Kitaptaki birçok özellik, su kalite modellemesinde net kutu yaklaşımını öne çıkarmaktadır, şöyle ki: Bölüm formatı. Bu tasarım iki nedenden dolayı uygulanmıştır. Birincisi ve belli olanı, bu kitabı su kalitesi modelleme dersinde kullanmayı kolaylaştırmayı sağlama nedenidir. Format, özellikle bu konuyu ilk defa eğitenler için kullanışlıdır. İkinci neden öğrencilerin bilgiyi özümsemesiyle ilgilidir. Benim eğitimimde, öğrencilerin yeni materyalleri kullanışlı şekilde sağlamayı sevdiklerini fark ettim. Yorumlamaları kısa ders bölümleriyle sınırlayarak, öğrenciye bir veya iki oturmayla anlayacakları iyi özetlenmiş materyaller sağlar. İlaveten bu format, sınıf dışında da bu materyali uygulamak için kullanışlıdır. Teori ve Uygulamalar. Kitapta sunulan birçok denklemler ve teknikler onların orijinal ve/veya teorik bilgileriyle birlikte verilmiştir. Kitap, sayısal, bilgisayar-tabanlı uygulamalara odaklanmış olsa da, mümkün olduğu yerde, bilgisayar algoritmalarının davranım özetlerini açıklamak için analitik çözümleri kuvvetle kullanmaktadır. İlaveten genişletilmiş uygulama örnekleri teoriyi uygulamalarla ilişkilendirmek ve mekanizmaları ve hesaplamaların inceliklerini göstermek için kullanılmıştır. Güçlü Bilgisayar Yönlendirmesi. Kitap ve eklerinde modelleri özetleyen algoritma ve sayısal metotların ayrıntıları verilmiştir. Bölüm formatını koruyarak, aktif hitabı ve tekil şahıs kullanarak derslerde yaptığım gibi direk öğrencilere seslenmekteyim. İlaveten, editör hitabı biz den kaçınıp, interaktif bizi yaygın olarak kullanarak, derslerde önerdiğim aktif katılımı yansıtmak istedim. Geleneksel okuyucuları soğutma riskini göze alarak, öğrencilerle daha iyi bağlantı kuramama riskini almanın daha kötü olduğunu hissediyorum. Kitap ana yedi kısımdan oluşmaktadır. İlk iki kısım modellemenin temellerini, matematik, sayısal metotlar, reaksiyon kinetikleri, yayılım vb. temel materyalleri de içermektedir. Derslerin başında temel bilgilerin özeti iki amaca hizmet etmektedir. Birincisi, kitabın devamında kurulabilecek genel modelleme bilgisi ve matematiği için genel bir yapı sağlar. Böylece bu öğrencilere kitabın devamına daha etkin bir şekilde ve genel bir bakış açısıyla matematiksel sezgiyle ulaşmayı sağlar. İkinci olarak, inşaat ve kimya mühendisliğinden farklı disiplinlerden olan bilim ve mühendislik öğrencilerinin yeni bilgilere örneğin kütle dengesi, kimyasal kinetik ve yayılım gibi; yönelmesine yardımcı olur. xxi
xxii Ön Söz III. Kısım, öğrencilere çoğunlukla su kalite modellemesinde karşılaşacağı çevreleri: nehirler, körfezle, göller ve sedimanlar tanıtmayı kurgulamaktadır. Birçok materyal, bu çevrelerin fiziksel olgularıyla ilgilenmektedir. İlaveten, son bölüm model uygulamalarında karşılaşılan konuları içermektedir. Modellenen çevre tanımı; model kalibrasyonu, doğrulanması ve duyarlılık analizini içermektedir. Takip eden dört kısım ana su kalitesi modelleme problemleriyle ilgilidir: oksijen/ bakteri, ötrofikasyon/sıcaklık, kimya/ph ve toksikler. Kitabın devam eden bölümleri daha çok problem merkezli olmasına rağmen, teorik gelişmelerden yoksun olmadığı not edilmelidir. Aslında, böyle materyaller tam zamanın şeklinde, öğrencinin özel bir problem içeriğiyle motive olduğu zaman verilmiştir. Örneğin, gaz-transfer teorisi oksijen modelleme dersinde ve avcı-av kinetikleri, nütrient/ besin zinciri modellemesinde anlatılmıştır. Özetle, bu kitap öncelikle öğrenciler için yazılmıştır. Onlar, gelecekte su kalite modellerinin daha etkin kullanıp, kullanılmayacağını belirleyecek kişilerdir. Eğer bu kitap onları düzgün bir şekilde eğitmeye yardım ederse, rasyonel su kalite yönetimine de iyi hizmet etmiş olacaktır. TEŞEKKÜRLER Kitap, geçmiş 12 yıl boyunca Texas A & M Üniversitesi ve Colarado Üniversitesinde su kalitesi modellemesinin sınıflarda anlatılmasının sonucudur. Böylece, ilk önce, en fazla olarak, tartışılabilir soruları için öğrencilerime teşekkür etmek isterim: özellikle, James Martin, Kyung-sub Kim, Rob Runkel, Jean Boyer, Morgan Byars, Chris Church, Marcos Brandao, ve Laura Ziemelis. İlkbahar 1995 döneminde modelleme sınıfımda öğrenciler bir çok öneriler verdiler ve ilk taslakta bir çok hataları ve yazım hatalarını belirlediler. Bunlar Chrissy Hwasley, Jane Delling, Craig Snyder, Dave Wiberg, Arnaud Dumont, Patrick Fitzgerald, Hsiao-Wen Chen, Will Davidson ve Blair Hanna. Kış 1996 döneminde Michigan öğrencilerim Ernie Hahn, Murat Ulasir ve Nurul Amin incelediler ve önerilerde bulundular. Bir çok meslektaşım, su-kalite modellemesine ilgi duymam hakkında bir çok şey öğretti. Bunlar benim iyi arkadaşlarım ve eğitmenler Drs. Ray Canale (Michigan); Ken- Reckhow (Duke); ve Bob Thomann, Donald O Connor, Dom DiToro (Manhattan College) ve Rick Winfield (Bell Labs). Ayrıca, Amerika dışından beni su-kalite içerikleriyle ve modelleme problemleriyle tanıştırdığı için arkadaşlarıma teşekkür etmek isterim. Bunlar, şunları içerir Enrique Cazares (Mexico); Monica ve Rubem Porto, Ben Braga, Mario Thadeu, Rosa ve Max Hermann (Brazil); Kit Rutherfold (New Zealand); Koji Amano (Japan); Hugh Dobson (Canada); Cedo Maximovich (Serbia); Sijin Tom Lee ve Dong-II Seo (Korea); Spiro Grazhdani ve Sokrat Dhima (Albania); ve Pavel Petrovic (Slovakia). Modelleme konusunda yıllar boyunca tartışmaları ve bu dökümanı anlamlı gözden geçirmelerinden dolayı meslektaşlarıma teşekkür etmek isterim: özellikle MartyAuer (Michigan Tech) ve Joe De Pinto (SUNY Buffalo) benim önerilerimi dikkate alarak sınıflarında taslak dökümanı kullandılar. Teşekkür etmek istediğim diğer meslektaşlarım Bill Batchelor ve JimBonner (Texas A& M); Greg Boardman (VPI); Dave Clough, Marc Edwards, Ken Strzepek ve Joe Ryan (Colarodo); Tom Cole (WES), John Connoly (Hydroqual); Dave Dilks ve Paul Freedman (Limno Tech); Steve Effler (Upstate Freshwater Institute); Linda Abriola, Walt Weber, Nick Katapodes, Jeremy Semrau ve Steve Wright (Michigan); Glenn Miller (Nevado-Reno); Wu-Seng Lung (Virginia); Chris Uchrin (Rut-
Ön Söz xxiii gers); Andy Stoddard, Sayedul Choudhury, ve Leslie Shoemaker (Tetra Tech); Jory Oppenheimer ve Dale Anderson (Entranco); Mike McCormick ve Dave Schwab (NOAA); Kent Thornton (FTN Associates); Carl Chen (Systech); Bob Broshears, Diane McKnight ve Ken Bencala (USGS); Terry Fulp ve Bruce Williams (Bureau of Reclamation); ve Hira Biswas ve Gerry La Veck (EPA). Willy Lick ve Zenitha Chroneer (UCSB) ve Bill Wood (Purdue) sediman geri salınımı konularında yol göstermeleri ve bilgi sağladılar. Ayrıca, B. J. Clark, Jim Bradley, David Damstra ve Meredith Hart McGraw-Hill bu projeyi geliştirdikleri için teşekkür etmek isterim. Tabii ki, yukarıdakilere gözden geçirmeleri ve asiste etmeleri için teşekkür ederken, bu kitapta keşfedeceğiniz her türlü hata benim sorumluluğumdadır. Son ve az olmayarak, aileme Cynthia, Christian, ve Jeff, destekleri ve sevgileri için minnettarlığımı belirtmek isterim. Onların teşvikleri ve benim uzun ve bir şekilde eksantrik çalışma saatlerime gösterdikleri toleransları bu kitabın olmasını mümkün kılmıştır. Steven Chapra
Canım annem ve babama, Selver & Hasan Köseoğlu
Çeviri Editöründen Bu kitap, hem Çevre Mühendisliği hem de diğer meslek dalları ile ilgili geleceğin kararalıcıları olarak yükseköğrenim gören öğrenciler için çevrilmiştir. Bu kitapla, öğrencilerin sistem düşünce yeteneklerinin geliştirilmesi hedeflenmiştir. Sistem düşüncesi ve dinamiği, hem eylemlerimizin kamu yararına etkilerini daha iyi kavrayabilme hem de uzun vadeli çözümler üretebilmeyi sağlamaktadır. Bu kitabın genel amacı, toplumun faydasına yönelik olarak gerek doğal gerekse Çevre Mühendisliğindeki sistemlerinin özellikle su ortamlarının modellenmesi, tasarımı ve kontrol edilmesinde öğrencilere yararlı olacak araçları, kavramları ve uygulamaları tanıtmaktadır. Sistem analizi teknik ve kavramlarının başarılı ve verimli bir şekilde nasıl uygulanacağını öğretmek, öğrencilerin hangi durumda hangi analiz ve tasarım tekniğinin uygun olabileceğini seçmelerinde yol gösterme ve onları gerçek problemlere uygulayabilmeyi ve elde edilen sonuçları yorumlama yapabilmeyi öğretmektir. Benzetim, bir sisteme ait neden sonuç ilişkilerinin bilgisayar ortamına aktarılarak sistemin davranışlarının bilgisayarda izlenmesini sağlayan bir modelleme tekniğidir. Su kalite modellemesinin hissedilir gelişimi yirminci yüzyıl başlarındadır. Çevresel kalite modellemesinde ilk çalışmalar, 1921 de difüzyon işlemlerinde çalışan G. I. Taylor a kadar uzanmaktadır. Sonrasında; adveksiyon, difüzyon ve dispersiyon işlemlerindeki bilimsel gelişmeler, birçok yenilikçi konuların, prensiplerin ve uygulamaların dikkate değer ilerlemelerine neden olmuştur. Şimdi ise, özellikle su kalitesi modellemesinde, karmaşık problemlerin çözümünde bu prensipleri kullanan çok sayıda model vardır. Modeller kullanılarak izleme verileri ile zamanda ve konumda interpolasyon yapabilirler. İzleme ağının çözünürlüğü ne kadar yüksek olursa olsun, bir sisteminin her anının ve noktasının izleme kapsamına alınması mümkün değildir. Doğrulanmış modeller ise ölçüm olmayan zaman ve konumlardaki su kalitesinin tahmin edilmesinde kullanılamaktadırlar. Modeller yardımıyla alıcı ortamlar üzerinde değişik hipotezler sanal olarak denenebilmektedir. Gerçekleşmemiş olayların sonuçlarının da öngörülmeleri mümkündür. Çevre problemlerinin ve risklerinin belirlenmesine ve kirliliğin önlenmesinde yardımcı araç olarak, gelecek senaryolarının kurulup, sürdürülebilir kalkınma da göz önünde bulundurularak, çeşitli yönetim planlarının yapılmasında, bu planlar doğrultusunda alınacak önlemlerin çevresel etkilerinin ve maliyetlerinin önceden tahmin edilmesinde, izleme ağlarının tasarımında, kirlenmeye karşı önlemlerin ve iyileştirme çalışmalarının olası sonuçlarının belirlenmesinde, risk altındaki alıcı ortamların belirlenmesinde, eksik verilerin tamamlanmasında, su kalitesini etkileyen önemli işlemlerin belirlenmesinde, mevcut su kalitesinin detaylı olarak analizinde kullanılır. İlk baskısı 1997 yılında yapılmış olan bu kitabın, günümüze kadar yeni baskılarının yapılması, kitabın bu alanda bir temel bir kaynak olduğunu göstermektedir. Bu özelliği ile yüzeysel su kalitesi modellenmesinde yararlı bir kitap olarak, bilimsel çalışmalara ve Çevre Mühendisliği eğitimine katkı sağlamaktadır. Bu kitabın Türkçeye kazandırılması ve çevirisinde, farklı üniversitelerden, uzmanlık alanlarına uygun olacak şekilde seçilmiş öğretim üyelerinden oluşan bir çevirmenler xxv
xxvi Çeviri Editörünün Ön Sözü kadrosu oluşturulmuştur. Bu uygulamanın, özellikle ülkemizin eğitim alanında önemli katkılar sağlayacağına inanılmaktadır. Çevirmenler kadrosunda yer almayı kabul edip, kitabın çevirisinde emeği geçen tüm meslektaşlarıma ayrı ayrı teşekkür ederim. Kitap, Çevre Mühendisliği bölümlerinin yanı sıra çok sayıda farklı disiplinden bölümlerde de temel bir ders kitabı olarak okutulacak niteliktedir. Kitap çeviri bir eser olmakla birlikte, anlaşılabilir bir Türkçe ile yazılmasına, dolayısıyla okunduğunda kolay anlaşılabilir olmasına özellikle dikkat edilmiştir. Çeviri esnasında, kitabın orijinal yazarın kendine has ifade tarzlarına uyulmaya çalışılmıştır. Ayrıca, her bir bölümün farklı kişilerce çevrilmiş olmasından dolayı, ortaya çıkan dil ve ifade farklılıkları olabildiğince giderilmeye çalışılmıştır. Teknik terimlerin Türkçe karşılıkları kullanılmaya çalışılmış, uluslararası geçerliliği olan ve herkes tarafından kolaylıkla anlaşılabilecek bazı terimler ise olduğu gibi bırakılmıştır. Benzer şekilde, tablo, şekil, formül, vb. veriler kitabın orijinalinden alıntı yapılarak konulduğu için, ondalık sayılarda kullanılan noktalama işaretleri, İngilizcede kullanıldığı gibi bırakılmıştır. Kitabın yazımı ve çevirisinde gözden kaçmış hatalarla ilgili görüş ve önerilerinizi yayınevine veya bizlere iletmeniz halinde, bir sonraki baskıların daha az hatayla yayınlanması sağlanmış olacaktır. Bizleri de fazlasıyla mutlu edecek bu tür katkılar için okuyuculara şimdiden teşekkür ederiz. Kitabın, başta Çevre Mühendisliği bölümleri olmak üzere farklı disiplinlerde eğitim gören öğrenciler ve öğretim üyeleri ile çevre kirliliği ve kontrolü konusunda çalışan tüm meslek grupları için faydalı olmasını dilerim. Prof. Dr. Gülfem BAKAN gbakan@omu.edu.tr Mayıs 2015