21. Yüzyılda Su Yönetimi 2013 Yaz Okulu 3-7 Haziran 2013 Havza Yönetim Planı ve Modelleme Y.Doç.Dr. Emre Alp ODTÜ- Çevre Mühnedisliği Bölümü

Sürdürülebilirlik Sürdürülebilirlik daimi olma yeteneği olarak adlandırılabilir Ekoloji bilimindeki anlamı ise biyolojik sistemlerin çeşitliliğinin ve üretkenliğinin devamlılığının sağlanmasıdır. Birleşmiş Milletler Çevre ve Kalkınma Komisyonu’nun 1987 yılı tanımına göre: "İnsanlık, gelecek kuşakların gereksinimlerine cevap verme yeteneğini tehlikeye atmadan, günlük ihtiyaçlarını temin ederek, kalkınmayı sürdürülebilir kılma yeteneğine sahiptir."

Sürdürülebilirlik Geniş bir yelpazeyi kapsamaktadır: Eko-belediyeler Sürdürülebilir kentler Sürdürülebilir tarım Sürdürülebilir su yönetimi Yenilenebilir enerji ... ..

Su Kaynaklarının Yönetiminde Sürdürülebilirlik Nasıl Sağlanabilir?

Su Çerçeve Direktifi ve Bütüncül Havza Yönetimi SÇD: Suların sürdürülebilir şekilde yönetimini amaçlar 2015 yılına kadar birlik üyesi ülkelerin havza yönetim planlarını tamamlamış ve “iyi” seviyede su kalitesi sağlanmış olması hedefi konmuştur Sürdürülebilir su yönetimi  Bütüncül Havza Yönetimi Havza bazında tüm kirleticilerin, proseslerin, olası su kullanımlarının ve paydaşların göz önüne alındığı yaklaşım

FİL VE KÖR ADAMLAR

Havza Bir nehrin belli bir kesidi için, o kesitin üzerinde kalan ve aldığı yağışın bütün yüzey akım kısmı nehrin o kesitinden geçen alana, nehrin o noktası için havzası denir. Kontrol noktası aşağıya (mansaba) doğru gittikçe havza büyür ve nehnrin denize ulaştığı noktada maksimum olur. Nehrin her kolunun da, kolun ana yatağa birleştiği noktaya göre ayrı bir alt havzası vardır. Havza alanı, topografik harita üzerinde, yüzey suyu yerçekimi ile akarken o alan içerisinde kalacak şekilde en yüksek noktalardan geçirilerek bulunur. Komşu havzaları birbirinden ayıran bu sınıra da havza alanı adı verilir

Havza Havza, sınırları olan ve tanımlandığı hidrolojik alan içinde bir sistemi temsil eder. Bu sistem, bütün bileşenlerinin (hava, su, toprak ve canlılar) arasındaki ilişkiler ile ekolojik bütünlüğünü sağlamaktadır. Havza’yı oluşturan bu bileşenlerden bir tanesinde meydana gelebilecek bir aksama tüm bileşenlerini zincirleme bir şekilde etkiliyecektir.

Havza

Havza Yönetim Planlarının Aşamaları Plan Oluştururulması Planın Uygulanması Değişikliklerin Yapılması Planın Değerlendirilmesi

Havza Yönetim Planlarının Aşamaları Paydaş Toplantıları Havzanın özelliklerinin sorunların belirlenmesi Hedeflerin belirlenmesi Yönetim seçeneklerinin belirlenmesi Eniyi yönetim seçeneğinin uygulanması Sürecin değerlendirmesi ve değişiklikler Planın iyileştirilmesi 1. Paydaşların belirlenmesi 2. Havzanın özelliklerinin ve sorunlarının belirlenmesi. 3. Hedeflerin tanımlanması 4. Yönetim seçeneklerinin geliştirilmesi 5. Eniyi yönetim seçeneğinin uygulanması 6. Uygulamalar sonrası değerlendirmeler

Su Kalitesi Modelleme Aşamaları Problemin Tanımlanması Yönetim Amaçları, Seçenekleri, Kısıtlamalar Mevcut Verilerin Toplanması Terori Teorik Kurgu Sayısal Model Mevcut Model Ön Uygulama Kalibrasyon Doğrulama Yönetim Seçenekleri Denetim Proses Bilgi, veriler Verilerin Toplanması Seçeneklerin gerçek hayata geçirilmesi Yeni Ölçülmüş Su Kalitesi Kalibre edilmemiş model Kalibre model Doğrulanmış model Model Seçimi Bilgisayar Modeli Yeni Geliştirilen Model Tahmin edilen Su Kalitesi Denklemler Kısa Çözümler

Model Seçimi Maliyet=sınırsız Güvenilirlik İstenen Güvenilirlik Zorluk Seviyesi Maliyet=sınırsız İstenen Güvenilirlik Maliyet

Su Kalitesi Modelleme Aşamaları Problemin Tanımlanması Yönetim amaçları, kontrol seçenekleri, ve kısıtlamalar Yüzey suyunun fiziksel, biyolojik ve kimyasal özellikleri Model Seçimi Teorik olarak kurulması Sayısal özellikler ve doğrulama Madde dengesi Basit çözümler Farklı aralıklarda denemeler Grafiksel karşılaştırmalar Gerçek sayılarla denemeler

Su Kalitesi Modelleme Aşamaları Problemin Tanımlanması Yönetim Amaçları, Seçenekleri, Kısıtlamalar Mevcut Verilerin Toplanması Terori Teorik Kurgu Sayısal Model Mevcut Model Ön Uygulama Kalibrasyon Doğrulama Yönetim Seçenekleri Denetim Proses Bilgi, veriler Verilerin Toplanması Seçeneklerin gerçek hayata geçirilmesi Yeni Ölçülmüş Su Kalitesi Kalibre edilmemiş model Kalibre model Doğrulanmış model Model Seçimi Bilgisayar Modeli Yeni Geliştirilen Model Tahmin edilen Su Kalitesi Denklemler Kısa Çözümler

Su Kalitesi Modelleme Aşamaları Ön Uygulama Hassaslık Analizleri Kalibrasyon Modele girilecek bilgiler Zorlayıcı Fonksiyonlar Sınır Şartları ve Yğkleri Başlangıç Durumu Fiziksel Kalibrasyon Parametreleri Kinetik değerler

Model Hassasiyeti Parametre Değişimleri Parametrelerden bir tanesi sabit tutulurken diğerinin değiştirilmesi Yüzde değişikliğe göre modelin hangi parametreler için hassas olduğunun belirlenmesi

Model Hassasiyeti Birinci-derece Hassasiyet Analizi Uses the derivative of the function with respect to parameter as an estimate of the sensitivity Monte Carlo Analizi Parametreler dağılım tğrlerine göre karakterize edilir Rastgele sayılar türetilir Her türetilen sayı için modle çıktısı elde edilir Çıktılar da istatistiksel dağılım olarak ifade edilir

Parametre Değişimleri Birinci derece Analizi Monte Carlo Analizi

Monte Carlo Simülasyonu Hassasiyet ve belirsizlik analizlerinde kullanılır Monte Carlo simülasyonu bir aktivite, plan ve proses ile ilgili belirsizliğin derecesinin belirlenmesinde kullanılır.  Problem çözümü : rastgele sayılar ve olasılık içerir. Modelin rastgele sayıların tekrarlarıyla elde edilen çıktılarına dayanmaktadır Y = f(x) X deki değişimler Y’ye aktarılır X olasılık yoğunluğu fonksiyonu şeklinde ifade edilir Bu işlem defalarca tekrar edilerek Y’de istatistiksel dağılım şeklinde ifade edilir

Monte Carlo Simülasyonu 1. Aşama: Parametrik modeli oluştur, y = f(x1, x2, ..., xq). 2. Aşama : Rastgele sayılar kümesini oluştur, xi1, xi2, ..., xiq. 3. Aşama : Modeli çalıştır ve sonuçları yi olarak kaydet. 4. Aşama : 2 ve 3. Aşamaları i = 1’den n’e kadar tekrar et 5. Aşama : Sonuçların analizi: histogram, istatistiksel özetleri ve güvenilirlik aralıklarını değerlendir

Monte Carlo Simülasyonu

Su Kalitesi Modelleme Aşamaları Problemin Tanımlanması Yönetim Amaçları, Seçenekleri, Kısıtlamalar Mevcut Verilerin Toplanması Terori Teorik Kurgu Sayısal Model Mevcut Model Ön Uygulama Kalibrasyon Doğrulama Yönetim Seçenekleri Denetim Proses Bilgi, veriler Verilerin Toplanması Seçeneklerin gerçek hayata geçirilmesi Yeni Ölçülmüş Su Kalitesi Kalibre edilmemiş model Kalibre model Doğrulanmış model Model Seçimi Bilgisayar Modeli Yeni Geliştirilen Model Tahmin edilen Su Kalitesi Denklemler Kısa Çözümler

Su Kalitesi Modelleme Aşamaları Kalibrasyon ve Doğrulama Doğrulama Modelin Gücü Yönetim Uygulamaları Uygulamalar sonrası denetim

Kalibrasyon Tamamlanır Model Kalibrasyonu Hata Kabul Edilebilir Fiziki parametreler Sınır şartları Başlangıç değerleri Model Kinetik Parametreler Hata = (ölçülen-model çıktısı) HAYIR EVET Veriler Kalibrasyon Tamamlanır Veri Toplanması Değişkenlerin hesaplanması Ölçülmüş değişkenler Kalibrasyonu tekrar başlat Saha Çalışmaları, Literatür MODEL

Su Kalitesi Modelleme Aşamaları Problemin Tanımlanması Yönetim Amaçları, Seçenekleri, Kısıtlamalar Mevcut Verilerin Toplanması Terori Teorik Kurgu Sayısal Model Mevcut Model Ön Uygulama Kalibrasyon Doğrulama Yönetim Seçenekleri Denetim Proses Bilgi, veriler Verilerin Toplanması Seçeneklerin gerçek hayata geçirilmesi Yeni Ölçülmüş Su Kalitesi Kalibre edilmemiş model Kalibre model Doğrulanmış model Model Seçimi Bilgisayar Modeli Yeni Geliştirilen Model Tahmin edilen Su Kalitesi Denklemler Kısa Çözümler

İstatistiksel Analizler Ölçülen Debiler Katsayılar Parametreler Ölçülen Yoğunluklar İstatistiksel Analizler Zaman Olasılık Rastgele Sayılar Monte Carlo Simülasyonu Çıktılar Su Kalitesi Modeli Limit Değerler Limit üstü

Su Kalitesi-Kirlilik Yükü-Modelleme Uygulaması Örnek Nehir sistemi için BOİ modeli: BOİ = BOİ0e-k*xi/V BOİ0 = BOİ yoğunluğu x= 0 km, 25 mg/L BOİ = BOİ yoğunluğu x=10 km, % 95 değeri? k = BOİ parçalanma hız sabiti (1/gün), Ortalama=0,1 1/gün, standart sapma =0.05 V = Nehir ortalama hızı(m/sn), 2 m/sn Su Kalitesi-Kirlilik Yükü-Modelleme Uygulaması

Örnek

KİRLİLİK YÜKÜ-SU KALİTESİ ETKİLERİ YÜKLEME KAPASİTESİ Girdiler Model = Transfer Fonksiyonu YK= F-1 (Su Kalitesi Limit Değeri) Çıktılar Limit Alıcı Ortam (Nehir, Göl) Kirleticiler Su Kalitesi-Kirlilik Yükü –Modelleme Uygulaması

Su Kalitesi Modelleri Hydrocomp Simulation Program-Fortran (HSPF) Hidrolojik Bileşeni Havza bazında Yayılı kirlilik Nehir Yüzey akış suyu Kirleticilerin modellenmesi Girdiler Zaman serisi (hava sıcaklığı, yağış, buharlaşma, debiler, rüzgar) Parametreler (kanal geometrisi, toprak nem oranıand ürün deseni,vb) Kirletici profilleri Kinetik parametreler Çıktılar Debi ve Kirleticilerin zamana göre değişimleri

Su Kalitesi Modelleri WASP Göllerde su kalitesi modellemesi Alt programlar EUTRO4 : konvensiyonel kirleticiler TOXI4: Toksik maddeler

Su Kalitesi Modelleri BASINS (Better Assessment Science Integrating Point and Nonpoint) Çok amaçlı modelleme aracı 3 amaç: Çevresel bilginin incelenmesi Bütüncül havza modelleme işlevi Noktasal ve yayılı kirlilik yönetim seçeneklerinin araştırılması

QUAL2K Brown and Barnwell 1987 tarafından geliştirildi Tek boyutlu. Kanal düşeyde tam karışımlı. Kararlı durum – akım ve su kalitesi için Günlük değişimler modellenebiliyor Isı ve radyosyon bilgileri Noktasal ve yayılı kirlilik kaynakları modelleniyor

Çözünmüş Oksijen Değişimleri (From: Environmental Science: A Global Concern, 3rd ed. by W.P Cunningham and B.W. Saigo, WC Brown Publishers, © 1995)

Çözünmüş Oksijen, QUAL2K

Azot ve Su Kalitesi Atmosfer Su

Azot ve Su Kalitesi Kanalizasyon Amonyum Organik Azot Nitrit Nitrat Oksijen Nitrifikasyon

Sediman Oksijen İhtiyacı Atmosfer Su Sediman ÇO Tüketilir SOİ Organik Maddeler

Yayılı Kirlilik Modellemesi - Mogan Gölü Havzası – SWAT Uygulaması- Ankara metropolünün ortalama 20 km güneyinde, Gölbaşı İlçesi yakın bitişiğinde 516 ha yüzey alanına sahip Toplam Havza: yaklaşık 971 km2 Mogan-Eymir gölleri ve sulak-bataklık alanları, 227 kuş türü tarafından barınma, üreme, konaklama amaçlı kullanılan ve Ülkemizde Ramsar’a aday gösterilen önemli kuş alanlarıdır.

Yayılı Kirlilik Modellemesi - Mogan Gölü Havzası – SWAT Uygulaması- Mogan Gölü Havzası Mevcut Arazi Kullanım Durumu T.V.K.G.M tarafından hazırlanan Gölbaşı Çevre Durum Raporunda, Mogan gölünün ve sulak alanların karşılaştığı en önemli sorunlardan biri olarak havzadaki erozyon belirtilmiştir. Raporda, gerek derelerle, gerekse yüzey akış ile taşınan sedimandan dolayı gölün giderek daraldığı, sediman ile birlikte tarım arazilerinden azot ve fosfor içeren organik maddeler, pestisit ve gübre kaynaklı organik maddeler gelmesininde gölün su kalitesini olumsuz yönde etkilediğini vurgulamaktadır. Arazi Kullanımı Alan Hektar Yüzde Sulu tarım 367 0,36 Kuru Tarım 64156 65,40 Mera 26489 27,0 Orman 1420 1,45 Su Yüzeyi 1320 1,35 Yerleşim Yeri 4358 4,44