Literatürde su kalitesi ve havza modelleri ile ilgili olarak birçok uygulamaya rastlamak mümkündür. EPA tarafından çalıĢılan Tapma nehrinde ötrofikasyon araĢtırması, Okeechobee Gölündeki fosfor yükü araĢtırması, Great Gölündeki kirletici analizi çalıĢması, Delawere Halicindeki uçucu organik kirletici araĢtırması, Deep nehrindeki ağır metal araĢtırması ve Savannah nehrinde civa araĢtırması çalıĢmalarında WASP su kalitesi modeli kullanılmıĢtır (EPA, 2002).
1999-2000 yılları arasında Housatonic Nehrinde (ABD) PCB (poliklorlu bifenil) kirlenmesi araĢtırması yapılmıĢ ve model kalibrasyonu için HSPF su kalitesi modeli uygulanmıĢtır (Bohlen W., 2001). HSPF modelinin uygulandığı diğer bir çalıĢma ise 1997 yılında Kore‟de Nakdong Nehrindeki su kalitesi yönetim sistemini değerlendirmek üzere yapılmıĢtır. Potansiyel yönetim stratejisini belirlemek üzere havza üzerinde geniĢ aralıkta kompleks fiziksel, kimyasal ve biyolojik veriler belirlenerek model tabanı oluĢturulmuĢ ve çalıĢtırıldıktan sonra çeĢitli senaryolarla değerlendirilmiĢtir (AIWRM, 2005).
2002 yılında Kolombiya‟da Rock Nehrindeki civa toplam günlük yükünü belirlemek üzere yapılan çalıĢmada ise SWMM modeli uygulanmıĢtır. Civa değerini hesaplamak noktasal kaynak, noktasal olmayan kaynak ve yan kollardan gelen kaynaklara bağlı olarak civa değerleri hesaplanmıĢ ve modelde yerine konarak gerekli hesaplamalar yapılmıĢtır (EPA, 2002). SWMM su kalitesi modelinin uygulandığı diğer bir çalıĢma ise 2001 yılında Cambridge, Massachusetts‟de kanal temizlemede basınçlı su hattının en uygun maliyet analizi değerlendirmesinde kullanılmıĢtır (EPA, 2001).
Kore Nakdong Nehrinde yapılan çalıĢmada QUAL2K ve QUAL2E modelleri kullanılarak bazı su kalitesi parametrelerinin değiĢimi ve nehre uygulanan model programlarının bu değiĢimleri nasıl etkilediğinin belirlenmeye çalıĢılmıĢtır. Bu değiĢimler hesaplanacak yapının modifikasyonu ve yeni bileĢenlerin etkileĢimlerini içermektedir (Park ve Lee, 2002).
Türkiye‟deki çalıĢmalarda ise 1990 yılında MODQUAL modeli kullanılarak Sakarya Havzası su kalitesinin belirlenmesi ve yararlı kullanımlara yönelik seçenekleri ve önlemleri yansıtan senaryoların incelenip değerlendirildiği bir çalıĢma yapılmıĢtır (Baltaoğlu, 1990).
QUAL2E su kalitesi modelinin uygulandığı çalıĢmada ise Samsun Ġl merkezinden Karadeniz‟e dökülen Mert Irmağındaki mevcut evsel ve endüstriyel kirlilik konsantrasyonu değiĢiminin nehir suyu kalitesini nasıl etkilediği belirlenmiĢtir (Özbayrak ve Bakan, 2003). QUAL2E ile yapılan diğer bir çalıĢmada, Nilüfer Çayı havzası su kalitesinin belirlenmesi ve bazı parametrelerin QUAL2E modeli ile incelenmesi çalıĢmasıdır (Küçükballı, 2003).
Gökpınar Deresi ve Gökpınar Barajı‟nın su kalitesi açısından durumu tespit edilmiĢ, göle uygulanan iki boyutlu modeli ile gölün gelecekteki su kalitesi belirlenmeye çalıĢılmıĢtır (Bilici, 2003).
YeĢilırmak Nehri için iki bölümden oluĢan bir çalıĢma yapılmıĢtır. Birinci aĢamasında, akarsuların dinamik modellenmesi için seri bağlı CSTR yaklaĢımı yapılarak YeĢilırmak nehri dinamik olarak modellenmiĢ ve modelde yer alan kinetik parametreler optimizasyonla belirlenmiĢtir. Bir sonraki aĢamada, akarsuda kirlenmeyi oluĢturan bileĢenlerin zaman içinde akarsu uzunluğu boyunca değiĢimini belirleyebilecek, AKAB yazılımı geliĢtirilmiĢtir ve QUAL2E su kalite modeli programının sonuçları ile kıyaslanmıĢtır (Yüceer,2005).
Ġzmir Su ve Kanalizasyon Ġdaresi Genel Müdürlüğü (IZSU) ile Dokuz Eylül Üniversitesi Su Kaynakları Yönetimi AraĢtırma ve Uygulama Merkezi (SUMER)‟ne yaptırılan “Gediz Havzasının, Ġzmir BüyükĢehir Belediyesi Sınırları Ġçinde Kalan Bölümünde Kirlilik Etüdü Projesi” çalıĢmalası ile su kalitesi yönetimi çerçevesinde, tüm noktasal ve noktasal olmayan kirlilik yüklerinin belirlenmesi; akarsu su kalitesinin tanılanması; su kalitesi standartlarıyla uyumun irdelenmesi; Ġzmir Körfezi‟ne gelen kirlilik yüklerinin belirlenmesi çalıĢması QUAL2E modeli yardımıyla gerçekleĢtirilmiĢtir (DEU Sumer ve Ġzsu ekibi, 2006).
29
BÖLÜM DÖRT
QUAL2K SU KALĠTE MODELĠ
QUAL2E (Enhanced Stream Water Quality Model), USEPA (Amerika Çevre Koruma Ajansı) nın, kollara ayrılan nehirlerde ve tam karıĢımlı göllerde çevre kirliliğine neden olan kirletici maddeleri incelemek üzere geliĢtirdiği kararlı hal modelidir. QUAL2E, dinamik ve kararlı akım hali için çalıĢtırılabilmektedir. Program, kirlilik yükünün nehirdeki su kalitesine etkilerini araĢtırmak üzere, su kalitesi planlama aracı olarak tasarlanmıĢtır. Ayrıca araziden gelen yayılı kirlilik yükünün büyüklüğünü ve kalite özelliklerini tanımlamada da kullanılmaktadır (Brown ve Barnwell, 1987).
QUAL2E modelinin çeĢitli sınırlamalarının olması ve denitrifikasyon, sabit bitkilerinin neden olduğu alg Biyokimyasal Oksijen Ġhtiyacı (BOI-BOD) ve çözünmüĢ oksijen (ÇO-DO) gibi konularda yetersiz kalması nedeniyle, QUAL2K modeli 2000 yılında USEPA tarafından geliĢtirilmiĢtir (Bilici, 2003).
Q2K modeli aĢağıdaki hususlarda Q2E modeline benzerlik göstermektedir:
Tek eksenli: Akarsu yatay ve düĢeyde tam karıĢımlıdır.
Kararlı hal hidroliği: Üniform olmayan kararlı hal akıĢı simule edilmektedir. Günlük ısı bütçesi: Isı bütçesi ve sıcaklık günlük meteroloji fonksiyonuna göre simule edilmektedir.
Günlük akarsu kalite kinetiği : Bütün su kalitesi değiĢkenleri günlük zamana göre simule edilmektedir.
Isı ve kütle girdileri: Noktasal ve yayılı yükler ve çekimler simule edilmektedir (QUAL2K, D.,çev.2008).
Q2K modeli aĢağıdaki yeni hususları da içermektedir:
Yazılım ortamı ve arayüzü: Q2K Microsoft Windows ortamında çalıĢmaktadır. Windows programlama dili Visual Basic (VBA) ortamında programlanmıĢtır. Excel grafiksel kullanıcı arayüzü olarak kullanılmıĢtır.
Model kısımları: Q2E akarsu sistemini eĢit aralıklı „reach‟ elemanlarına ayırmaktadır. Buna karĢılık Q2K eĢit olmayan aralıklarda reachleri kullanmaktadır. Buna ilaveten çoklu yükleme ve çekimler herhangi „reach‟ için girdi olarak tanımlanabilmektedir.
Karbonlu BOD türü: Q2K, organik karbonu temsil etmek için iki tur karbonlu BOI kullanmaktadır. Bunlar yavaĢ oksitleme (slow CBOD) ve hızlı oksitleme (fast CBOD) türleridir. Ayrıca, cansız partikül organik madde (detrius) simule etmektedir. Bu döküntü malzeme sabit stokiometrideki partikuler organik karbon, azot ve fosfordan oluĢmaktadır.
Anoksi: Q2K düĢük oksijen seviyelerinde oksidasyon reaksiyonunu sıfırlayarak anoksi koĢullarını yaratır. Bununla beraber düĢük oksijen konsantrasyonlarında ortaya çıkan denitrifikasyon birinci mertebe reaksiyon olarak modellenmistir.
Sediment-Akarsu iliĢkisi: ÇözünmüĢ oksijen ve nutrientlerin sediment-akarsu debileri içsel olarak simule edilmiĢtir. Oksijen (SOD) ve nutrient debileri, çöken partikuler organik maddenin fonksiyonu, sedimentlerin ve çözünebilen türlerin konsantrasyonları arasındaki iliĢkiyi de dikkate alınarak simule edilmiĢtir.
Taban Algleri: Model, tabanda tutulu algleri açıkça simule eder.
IĢık sönümlemesi: IĢık sönümlemesi alg, detrius ve inorganik katıların fonksiyonu olarak hesaplanmıĢtır.
pH: Alkalinite ve toplam inorganik karbon simule edilmiĢtir. Akarsuyun pH‟ı bu iki miktara bağlı olarak simule edilmiĢtir.
Patojenler: Genel patojen simule edilmiĢtir. Patojen giderimi sıcaklık, ıĢık ve çökelmenin bir fonksiyonu olarak tanımlanmıĢtır (QUAL2K, D.,çev.2008).
QUAL2K modeli; yukarıda da bahsedilen sabit bitkilerin neden olduğu alg BOI‟si, denitrifikasyon ve ÇözünmüĢ Oksijen (ÇO) değiĢimi gibi yeni unsurların karĢılıklı etkileĢimlerinin eklenmesini içerir. QUAL2E Su Kalite Modeli Ġle QUAL2K Su Kalite Modeli arasındaki farklılıklar Tablo 4.1 de gösterilmiĢtir.
Tablo 4.1 QUAL2E ve QUAL2K arasındaki farklılıklar (Park ve Lee, 2002).
Model Parametresi QUAL2E QUAL2K
Denitrifikasyon HAYIR EVET
Sabit Bitkiler Tarafından ÇözünmüĢ Oksijen DeğiĢimi HAYIR EVET
Maksimum BirleĢmelerin Sayısı 6 15
Maksimum Uzantıların Sayısı 25 100
Maksimum Elementlerin Sayısı 250 1000
QUAL2K‟daki model denklemlerinin içeriğinin çoğu; ÇO, BOI ve nitrat dıĢında QUAL2E ile aynıdır. QUAL2K‟daki denklem değiĢimleri Tablo 4.2 de yer almaktadır.
Tablo 4.2 QUAL2K‟daki denklem değiĢimlerinin QUAL2E ile karĢılaĢtırılması (Park ve Lee,2002).
Parametre Mode l Denklemler ÇO QUAL2E dO K O2( s O) ( 3 4 )A K L1 K5 5 1N1 6 2N2 dt D QUAL2K 5 2 3 4 1 5 1 1 6 2 2 2 1 ( s ) ( ) K dO K O O A K L N N dt D D BOI QUAL2E dL K L1 K L3 dt QUAL2K dL K L1 K L3 K4 4 2A dt D Nitrat QUAL2E dN3 2N2 (1 F) 1 A dt QUAL2K dN3 2N2 (1 F) 1 A 3N3 dt
Tablo 4.3 Tablo 4.2‟de gösterilen denklemlerdeki parametrelerin tanımlanması (QUAL2K,D.,2008). Parametre Gösterim i Birim ÇözünmüĢ Oksijen O mg/l Doygun ÇözünmüĢ Oksijen OS mg/l
Biyokimyasal Oksijen Ġhtiyacı L mg/l
Nitrit Azotu N2 mg/l
Nitrat Azotu N3 mg/l
Alg Biyokütlesi A mg/l
Ortalama Su Derinliği D M
Oksijen Kaybı Oran Katsayısı K1 l/gün
Atmosferden Oksijen Alım Oran Katsayısı K2 l/gün
Çökme Oran Katsayısı K3 l/gün
BOI‟nin Benthos Kaynağı Oranı K4 gO2/m2gün
Sediment Oksijen Ġhtiyacı K5 gO2/m2gün
Algin Spesifik Büyüme Oranı l/gün
Alg Solunumu ve Ölüm Oranı P l/gün
Alg Solunum Oranı 1 l/gün
Alg Ölüm Oranı 2 l/gün
Amonyum Azotunun Oksidasyonu Ġçin Oran Sabiti 1 l/gün
Nitrit Azotunun Oksidasyonu Ġçin Oran Sabiti 2 l/gün
Belirli Denitrifikasyon Oranı 3 l/gün
Amonyak Havuzundan Alınan Alg Azotunun Kesri F (0-1)
Ġçinde Azot Olan Alg Biyokütlesinin Oranı 1 mgN/mgA
Her Bir Alg Büyümesi Oksijen Üretimi 3 mgO2/mgA
Alg Solunumunun Her Bir Birimi Ġçin Oksijen Alımı 4 mgO2/mgA NH3 Oksidasyonunun Her Bir Birimi Ġçin Oksijen Alımı 5 mgO2/mgN NO2 Oksidasyonunun Her Bir Birimi Ġçin Oksijen Alımı 6 mgO2/mgN Sabit Bitkilerin Solunumu Nedeniyle O2 Tüketimi 1 gO2/m
2gün Sabit Bitkilerin Fotosentezi Sonucu O2 Üretimi 2 gO2/m
Denklemlerden de görüleceği gibi alg ölümleri 4 2A ifadesiyle, QUAL2K‟da BOI‟ye çevrilmiĢtir. QUAL2K ayrıca K4/D terimini içererek BOI‟nin nehrin alt
2 1
( ) bölgelerinden tekrar oluĢumunu açıklamaktadır ve sabit bitki nedeniyle ortaya çıkan ÇO değiĢimi QUAL2K‟ya ifadesiyle eklenmiĢtir. QUAL2K‟da su kolonu oksijen seviyesi, denitrifikasyon denkleminde yer almaz. Nitratın azaltılması 3N3 ifadesi ile gösterilmiĢtir. Denitrifikasyon nedeniyle BOI‟nin azalması, oksijen tüketmeden BOI‟yi azaltabilen sedimentasyon (K3) olarak modelde kullanılmıĢtır (Bilici, 2003).