YÜZEYSEL SU KALĠTESĠNĠN
RĠSK ESASLI YÖNETĠMĠ
Sibel ALAN
Eylül, 2010 ĠZMĠR
RĠSK ESASLI YÖNETĠMĠ
Dokuz Eylül Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Yüksek Lisans Tezi
ĠnĢaat Mühendisliği Bölümü
Hidrolik - Hidroloji ve Su Kaynakları Anabilim Dalı
Sibel ALAN
Eylül, 2010 ĠZMĠR
ii
YÜKSEK LĠSANS TEZĠ SINAV SONUÇ FORMU
SĠBEL ALAN, tarafından PROF. DR. SEVĠNÇ ÖZKUL yönetiminde
hazırlanan “YÜZEYSEL SU KALĠTESĠNĠN RĠSK ESASLI YÖNETĠMĠ” baĢlıklı tez tarafımızdan okunmuĢ, kapsamı ve niteliği açısından bir Yüksek Lisans tezi olarak kabul edilmiĢtir.
Prof. Dr. Sevinç ÖZKUL
DanıĢman
Yrd. Doç. Dr. Okan FISTIKOĞLU Prof. Dr. Adem ÖZER
Jüri Üyesi Jüri Üyesi
Prof. Dr. Mustafa SABUNCU Müdür
iii
TEġEKKÜR
ÇalıĢmalarım boyunca beni yönlendirip cesaretlendiren ve yardımlarını esirgemeyen, değerli hocam ve danıĢmanım sayın Prof. Dr. Sevinç ÖZKUL‟a Ģükranlarımı sunarım.
Tez çalıĢmamı baĢından sonuna takip eden, çalıĢmamda büyük emeği geçen fikirlerinden her zaman destek aldığım değerli dostum ĠnĢ. Yük. Müh. Çev. Müh. Emre KÖKEN‟e, çalıĢmam boyunca ilgi, yardım ve destekleri için DSĠ 2. Bölge Müdürlüğü Planlama ġubesi ġube Müdürü Sayın ĠnĢ. Yük. Müh. Aslı ERDENĠR SĠLAY baĢta olmak üzere tüm Planlama ġubesi çalıĢanlarına en içten teĢekkürlerimi sunarım.
Her türlü fikir ve yardımlarıyla çalıĢmalarımda bana destek olan değerli hocalarım
Doç. Dr. Nurdan BÜYÜKKAMACI‟ya, Yrd. Doç. Dr. Okan Fıstıkoğlu‟na, Dr. Filiz BARBAROS ve Dr. Gülay ONUġLUEL GÜL‟e, Öğr. Gör. Dr. Yalçın ÖZDEMĠR ile Hidrolik Anabilim dalı üyelerine teĢekkürlerimi ve saygılarımı sunarım.
Teknik bilgi anlamında desteğini hiçbir zaman esirgemeyen Çevre Yük. Müh. Yasemin ÖZDEMĠR‟e, çok sevdiğim arkadaĢlarım ĠnĢ, Yük. Müh. Özgür TEMĠZ, ĠnĢ, Yük. Müh. Uğur Eren YURTCAN ve Çevre Müh. ĠnĢ. Müh. Fatmagül ALTUNBAġ KARADAĞ‟a teĢekkür ederim.
Öğrenim hayatım boyunca benden hiçbir desteğini esirgemeyen her türlü sıkıntı ve zorluklarımı benimle paylaĢan canım anneme, canım babama ve canım kardeĢime sonsuz teĢekkürlerimi sunarım.
iv
YÜZEYSEL SU KALĠTESĠNĠN RĠSK ESASLI YÖNETĠMĠ
ÖZ
GeçmiĢ dönemlerde ihtiyaç duyulan suyun yalnızca miktarı ile ilgili çalıĢmalar yapılırken, zaman içinde artan nüfus, hızlı sanayileĢme, küresel iklim değiĢimi gibi etmenler su ihtiyacının artmasına ve mevcut yüzeysel suların kalitesinin giderek bozulmasına yol açmıĢtır. Bu noktada, su kalitesi ile ilgili mevcut sorunlara yönelik, uzun vadeli yatırımlar yaparak kısa vadede sosyoekonomik sonuçlar alma ihtiyacı ortaya çıkmıĢtır. Bu ihtiyaca cevap verecek sürdürülebilir yönetim anlayıĢı, disiplinlerarası ve karmaĢık birçok karar alınmasını gerektirmektedir. Bu kararlar (arazi kullanımlarının, atıksu ve su tahsis politikalarının değiĢtirilmesi vb) ise oldukça spekülatif konulara yöneliktir. YaklaĢık son 20 yıldır su kalitesi simülasyon modelleri, bu zorlu karar verme sürecinin en önemli araçlarından birisi olmuĢtur.
Sunulan çalıĢmada Gediz Havzası‟nda yer alan ve yoğun kirlilik taĢıyan Nif Çayı‟nda karar verme sürecinin önemli bir aracı olan modelleme çalıĢması gerçekleĢtirilmiĢtir. Bu bağlamda çalıĢma bölgesinin mevcut fiziksel, hidrolojik ve hidrolik özellikleri dikkate alınarak akarsu su kalitesinin halihazır durumunun ortaya konulması hedeflenmiĢtir. Mevcut durumun kurak, sulak ve ortalama akım koĢullarındaki yaz (kurak) ve kıĢ (sulak) dönemleri ayrı ayrı ele alınarak model kalibrasyonu gerçekleĢmiĢtir.
ÇalıĢmanın bir sonraki adımında ise alınacak önlemlerin olası etkilerini irdelemek üzere arıtma tercihleri ve teknolojilerine yönelik çeĢitli senaryolar geliĢtirilmiĢ ve bu tedbirlerin alınması halinde su kalitesinin akarsu boyunca değiĢimi ortaya konmuĢtur. Böylece, havza yönetim kararlarının alınmasında temel önceliklerin sağlıklı bir Ģekilde ortaya konulması sağlanmıĢtır.
Anahtar Sözcükler: Su Kalitesi, Modelleme, QUAL2K, Senaryo, Havza
v
RISK-BASED MANAGEMENT OF SURFACE WATER QUALITY
ABSTRACT
While studies had been done only on quantity of the water required in the past, such factors in time as increasing population, rapidly industrialization, global climatic changes have led to increasing need of water and impairment of quality of present superficial water sources. At this point, a need raised to take socioeconomic results in short-term by making long-term investments to resolve present problems related to water quality. Sustainable concept of management to respond this necessity requires to make a number of interdisciplinary and complicated decisions. These decisions (for instance usage of fields, changing policies of waste water and water allocation) are subjected to quite speculative issues. For about 20 years, simulation models of water quality have been one of the most important tools of process of making decision.
In the present study, a modeling study was carried out that was an important tool of process of making decision in Nif River located on Gediz Base and carrying a significant pollution burden. In this sense, it was aimed to clarify the present situation of quality of the river by considering the present physical, hydrological, and hydraulic properties of the area. Model calibration was performed by considering separately the summer (arid) and winter (watery) periods in the conditions on arid, watery and average flow rates of the present situation.
At the next step of the current study, several scenarios were developed for treatment preferences and technologies in order to discuss the possible effects of measures to be taken and changes in the water quality along the river were put forward in the case of implementing these measures. Thus, it was enabled to put forward the basic priorities in making the management decisions about the base in a healthy way.
Keywords: Water Quality, Modeling, QUAL2K, Scenario, Base Management
vi
ĠÇĠNDEKĠLER
Sayfa
YÜKSEK LĠSANS TEZĠ SINAV SONUÇ FORMU ... ii
TEġEKKÜR ... iii
ÖZ ... iv
ABSTRACT ... v
BÖLÜM BĠR – GĠRĠġ ... 1
1.1 ÇalıĢmanın Konusu ve Önemi ... 1
1.2 ÇalıĢmanın Amacı ... 2
1.3 ÇalıĢmanın Kapsamı ... 2
1.4 ÇalıĢmanın Yöntemi ... 3
BÖLÜM ĠKĠ – ÜLKEMĠZDEKĠ MEVCUT DURUM ... 4
2.1 Türkiye Su Poatnsiyeli ... 4
2.2 Akarsu Kalitesi ... 9
2.2.1 Akarsu Kalite Gözlemleri ... 9
2.2.2 Akarsu Kalitesiyle Ġlgili Mevzuat ... 11
2.2.3 Havzalardaki Yüzeysel Su Kalitesinin Mevcut Durumu ... 13
BÖLÜM ÜÇ – AKARSU KALĠTESĠ MODELLEMESĠ ... 17
3.1 Yüzeysel Su Kalitesi Modelleme Gereksinimi ... 17
3.2 Yüzeysel Su Kalite Modellerinin Genel Yapısı ... 18
3.3 Modellemede Kullanılan Veriler ... 21
3.3.1 Fiziksel Sistemi Tanılayıcı Veriler ... 21
3.3.2 Hidrolik ve Hidrolojik Veriler ... 21
3.3.3 Meteorolojik Veriler ... 22
vii
3.4 Model Seçimi ve Model Parametrelerinin Belirlenmesi ... 22
3.5 Literatürde Yer Alan Akarsu Kalitesi Modelleri ... 23
3.6 Akarsu Kalitesi Modeli Uygulama Örnekleri ... 27
BÖLÜM DÖRT – QUAL2K SU KALĠTE MODELĠ ... 29
4.1 Fiziksel Sistemin Tanılanması ... 33
4.2 Model Hidroliği ... 36 4.2.1 Akım Dengesi ... 36 4.2.2 Hidrolik Özellikler ... 38 4.2.2.1 Savaklar ... 39 4.2.2.2 Anahtar Eğrileri ... 41 4.2.2.3 Manning Denklemi ... 42 4.2.2.4 DüĢü ... 45 4.2.3 Akım Süresi ... 46 4.2.4 Boyuna Dispersiyon... 47
4.3 Model Su Kalitesi DeğiĢkenleri ve Genel Kütle Dengesi ... 49
4.3.1 Sistem DeğiĢkenleri ... 51
4.3.2 Model DeğiĢkenleri ve Verilerin ĠliĢkisi ... 51
4.4 Transfer Süreçleri ... 53
4.4.1 Biyokimyasal Tepkimeler ... 53
4.4.2 Organik Maddelerin Stokiyometrisi ... 53
4.4.3 Sıcaklığın Tepkime Üzerine Etkisi ... 55
4.5 Durum DeğiĢkenleri Ġle Ġlgili Tepkimeler ... 56
4.5.1 Korunan Maddeler ... 56
4.5.2 Fitoplankton ... 56
4.5.3 Fitoplankton Azotu ... 57
4.5.4 Fitoplankton Fosforu ... 57
4.5.5 Dip Algi ... 58
4.5.6 Dip Alg Azotu... 59
4.5.7 Dip Alg Fosforu ... 60
viii
4.5.9 YavaĢ Tepkimeye Giren CBOD ... 61
4.5.10 Hızlı Tepkimeye Giren CBOD ... 61
4.5.11 Organik Azot ... 63
4.5.12 Amonyak Azotu ... 63
4.5.13 Nitrat Azotu ... 63
4.5.14 Organik Fosfor ... 63
4.5.15 Ġnorganik Fosfor ... 64
4.5.16 Süspanse Halindeki Ġnorganik Katılar ... 64
4.5.17 ÇözünmüĢ Oksijen ... 64
4.5.18 Patojen ... 68
4.5.19 Toplam Ġnorganik Karbon ... 69
4.5.20 Alkalinite ... 69
BÖLÜM BEġ – GEDĠZ HAVZASI VE UYGULAMA ALANI ... 71
5.1 Havzanın Konumu ve Sosyoekonomik Yapısı ... 71
5.1.1 Doğal Coğrafya ... 71
5.1.1.1 Gediz Havzasının Türkiye‟deki Yeri ve Sınırları ... 71
5.1.1.2 Gediz Nehri ve Kolları ... 71
5.1.1.3 Ġklim Özellikleri ... 72
5.1.2 Nüfus ve Sosyal Durum ... 73
5.1.3 Ekonomik Durum ... 73
5.1.3.1 Tarım ... 73
5.1.3.2 Sanayi ... 75
5.1.3.3 Ticaret ... 79
5.2 Gediz Havzası Su Potansiyeli ve Havzadaki Su Kullanımları ... 79
5.2.1 Gediz Havzasının Su Potansiyeli ... 79
5.2.1.1 Yüzeysel Sular ... 79
5.2.1.2 Yer altı Suları ... 81
5.2.2 Havzadaki Su Tahsisleri ... 82
5.2.2.1 Enerji ... 82
ix
5.2.2.3 Kentsel Kullanım ... 85
5.2.2.4 Endüstri ... 85
5.2.2.5 Sulak Alan ... 85
5.2.3 Gediz Havzası‟nda Su Kalitesinin Mevcut Durumu ... 86
BÖLÜM ALTI – MEVCUT VERĠLER ... 89
6.1 Mevcut Hidrometri ve Su Kalitesi Verileri ... 89
6.1.1 Akım Verileri ... 89
6.1.2 Nif Çayı Hidrolik Karakteristik Verileri... 95
6.1.3 Meteorolojik Veriler ... 96
6.1.4 Su Kalitesi Verileri ... 100
6.2 Kirletici Kaynaklar ... 101
6.2.1 Evsel Kirletici Kaynaklar ... 101
6.2.2 Endüstriyel Kirletici Kaynaklar ... 104
6.2.3 Tarımsal Kirletici Kaynaklar ... 107
BÖLÜM YEDĠ – NĠF ÇAYI MODELLEME ÇALIġMALARI ... 108
7.1 Sistemin Tanımlanması ... 108
7.1.1 Fiziksel Özelliklerin Tanımlanması ... 108
7.1.2 Hidrolik Özelliklerin Tanımlanması ... 109
7.1.3 Debi Dengesi ... 110
7.1.4 Su Kalitesi ve Kirlilik Yüklerinin Tanımlanması ... 116
7.1.5 Meteorolojik Bilgilerin Tanımlanması ... 117
7.2 Modelin ve Mevcut Durumun Değerlendirilmesi ... 118
7.3 Senaryolar ... 123
7.3.1 Senaryo 1: Noktasal DeĢarjlara Su Kirliliği Kontrolü Yönetmeliği (SKKY) Usullerince Alıcı Ortam DeĢarj Standartlarının Uygulanması... 124
7.3.2 Senaryo 2: Senaryo 1‟e Ek Olarak Nif Çayı Memba Kısmına Çiçekli Barajının Yapılarak BOĠ‟nin Ġkinci Sınıf Su Kalitesine Çekilebilmesi Ġçin BaĢlangıç Akımının Arttırılması ... 126
x
7.3.3 Senaryo 3a: Senaryo 1‟e Ek Olarak KemalpaĢa OSB‟ye Ġleri Arıtımın
(Ultrafiltrasyon – UF) Uygulanması ... 128
7.3.4 Senaryo 3b: Senaryo 1‟e Ek Olarak KemalpaĢa OSB‟ye Ġleri Arıtımın (Membran Bio Reaktör - MBR) Uygulanması ... 130
7.3.5 Senaryo 4: Senaryo 3b‟ye Ek Olarak Ġyi Nitelikli ArıtılmıĢ Suyun %10‟nun Can Suyu Olarak Akarsuya Verilmesi ve Geri Kalanının Yeniden Kullanımı ... 132
BÖLÜM SEKĠZ – SONUÇLAR VE ÖNERĠLER ... 134
8.1 Model Sonuçları ... 134 8.2 Senaryo Sonuçları ... 135 8.3 Öneriler ... 137 KAYNAKLAR ... 138 EKLER ... 148 Ek I ... 149 Ek II ... 157 Ek III ... 161
1
BÖLÜM BĠR GĠRĠġ
1.1 ÇalıĢma Konusu ve Önemi
GeçmiĢ dönemlerde ihtiyaç duyulan suyun yalnızca miktarı ile ilgili çalıĢmalar yapılırken, zaman içinde artan nüfus, hızlı sanayileĢme, iklim değiĢimi gibi etmenler konunun çok boyutlu hale gelmesine neden olmuĢtur. Bu etmenler, bir yandan su ihtiyacının artmasına, diğer yandan da mevcut yüzeysel suların kalitesinin giderek bozulmasına yol açmıĢtır. Tüm bu geliĢmeler sonucunda su kaynaklarının zamanla kısıtlı hale gelmesi, su kalitesinin, gözlem yapmak suretiyle tanılanmasına ve su kalitesinin korunmasına yönelik çalıĢmaların önemini artırmıĢtır (Harmancıoğlu ve diğer., 2003).
Su kaynakları ile ilgili sorunların artması, su kalitesi ve sucul ekosistemin korunmasına yönelik düzenlemeleri de beraberinde getirmiĢtir. Bu noktada, su kalitesi ile ilgili mevcut sorunlara yönelik, uzun vadeli yatırımlar yaparak kısa vadede sosyoekonomik sonuçlar alma ihtiyacı ortaya çıkmıĢtır. Bu ihtiyaca cevap verecek sürdürülebilir yönetim anlayıĢı, disiplinlerarası ve karmaĢık birçok karar alınmasını gerektirmektedir. Bu kararlar (arazi kullanımlarının, atıksu ve su tahsis politikalarının değiĢtirilmesi vb) ise oldukça spekülatif konulara yöneliktir. YaklaĢık son 20 yıldır su kalitesi simülasyon modelleri, bu zorlu karar verme sürecinin en önemli araçlarından birisi olmuĢtur.
Su kalitesi modelleri, bir su ortamında oluĢan fiziksel, kimyasal ve biyolojik süreçleri tanımlayan matematiksel eĢitliklerden meydana gelmektedir. Kirlilik değiĢkenleri deriĢimlerinin zaman ve mesafeyle değiĢimlerinin matematiksel olarak ifade edildiği su kalitesi modelleri, çeĢitli etkilerle su kalitesinde meydana gelen bozulmaların belirlenmesinde ve bu etkilerin doğuracağı sonuçları en aza indirgemek için alınması gereken önlemlerin irdelenmesinde önemli rol oynamaktadır.
Ülkemizde havzaların hemen hemen tümünde su kirliliği ile ilgili önemli problemler ortaya çıkmakta, diğer yandan ise bu kirliliğin etkilediği alanların karar vericilerin aldığı önlemlerin akarsu kalitesine etkilerinin irdelenmesinde ciddi sıkıntılar yaĢanmakta, verilen kararlar bilimsel esaslara dayanmadığı için çoğu kez subjektif olmaktadır.
Günümüzde artık bu yönde yapılan çalıĢmalar su kalitesi modellerinin akarsu kalitesini belirlemede ne kadar gerekli olduğu sonucunu ortaya koymuĢtur. Bu amaçla çalıĢmanında konusunu olĢturan ve ülkemiz su havzalarından biri olan Gediz Havzası‟nda yoğun kirlilik taĢıyan Nif Çayında literatürce kabul görmüĢ QUAL2K Su Kalite Modeli ile Nif Çayı su kalitesinin belirlenmesi ve havza yönetim kararlarının ortaya konulabilmesi hedeflenmiĢtir
1.2 ÇalıĢmanın Amacı
Bu çalıĢmada, karar verme sürecinde önemli ve etkin bir araç olarak kullanılabilecek fiziksel modelleme yardımıyla hem akarsu kalitesinin mevcut durumunun belirlenmesi, hem de alınabilecek önlemlerin olası etkilerinin irdelenmesi hedeflenmiĢtir.
1.3 ÇalıĢmanın Kapsamı
Modelleme çalıĢmasının uygulama alanı olarak hem bölgemizde yer alması hem de yoğun tarımsal ve endüstriyel faaliyetler nedeniyle su kalitesinin de son derece bozulduğu Gediz Havzası‟nın kirliliğinin en çok yoğunlaĢtığı Nif Çayı kesimi seçilmiĢtir. Bu kapsamda aĢağıda belirtilen çalıĢmalar gerçekleĢtirilmiĢtir.
1. Benimsenen yönetim yaklaĢımının gerektirdiği simülasyon modelinin seçilmesi
2. Nif Çayı‟nın fiziksel, hidrometrik, meteorolojik, topoğrafik ve sosyoekonomik özelliklerinin araĢtırılması ve bunlarla ilgili verilerin derlenmesi
3. Havzada, Nif Çayı ve yan kollarında geçekleĢtirilen izleme çalıĢmalarının ve su kalitesine etki eden noktasal ve yayılı deĢarjların belirlenmesi ve verilerinin temin edilmesi
4. Model bünyesinde havzanın fiziksel tanımlanması
4-a Nif Çayı‟nı alt dilimlere ayrılması ve akarsuya etki eden noktasal ve yayılı kirletici kaynaklarının etki konumlarının belirlenmesi 4-b Nif Çayı debi dengesinin kurulması
5. Modelin kalibrasyonu ve mevcut durumun değerlendirilmesi
6. Güncel ve gelecekteki yararlı kullanımlarla noktasal ve yayılı kirletici kaynaklarında alınması gerekli teknik ve ekonomik olarak gerçekleĢtirilebilir önlemleri yansıtan senaryoların hazırlanması
7. Senaryoların model ile değerlendirilerek yönetim seçeneklerinin ortaya konulması
1.4 ÇalıĢmanın Yöntemi
Yukarıdaki amaçları gerçekleĢtirmek üzere, eldeki mevcut verileri de dikkate alarak QUAL2K su kalitesi modelinin kullanılmasına karar verilmiĢtir.
QUAL2K kararlı halde, hidrolik uniform olmayan sabit akıĢa göre günlük su kalitesi kinetiklerinin, ısı ve kütle girdileri, sıcaklık ve meteorolojik fonksiyonlarına göre noktasal ve noktasal olmayan kirletici kaynaklarını benzeĢtiren nehir ve ırmak su kalitesi modelidir.
QUAL2K modeli ile ulaĢılmak istenen akarsuyu fiziksel, hidrolik, hidrolojik özellikleriyle doğru olarak tanımlayarak mevcut noktasal ve yayılı kirlilik yükleri altında sistemi modellemektedir.
4
BÖLÜM ĠKĠ
ÜLKEMĠZDEKĠ MEVCUT DURUM
2.1 Türkiye Su Potansiyeli
Türkiye havzalarına yılda 501.000 hm3
yağıĢ düĢmekte, bu yağıĢın yaklaĢık %37‟sine karĢılık gelen 186.000 hm3‟ü akıĢa geçerek 95.000 hm3‟lük kısmı ekonomik olarak kullanılabilir forma dönüĢmektedir. Yılda düĢen ortalama 630-643 mm yağıĢa karĢılık yenilenebilir su potansiyeli 234.000 hm3 olup bunun 41.000 hm3 yeraltı suları, 193.000 hm3‟ü ise akarsulardan meydana gelmektedir (DSI, 2008; Yıldız, 2006).
Ülkemizde çeĢitli amaçlara yönelik kullanımlarda teknik ve ekonomik anlamda tüketilebilir yüzey ve yeraltı suyu potansiyeli miktarı, yurt içindeki akarsulardan 95.000 hm3, komĢu ülkelerden yurdumuza gelen akarsulardan 3.000 hm3 olmak üzere yılda ortalama toplam 98.000 hm3
yerüstü ve 12.000 hm3 yeraltı suyu, toplam 110.000 hm3 su olarak belirlenmiĢtir. Bu miktarın bölgesel ve mevsimsel dağılımındaki dengesizlik önemli bir sorundur. Yıllık ortalama yağıĢ miktarı 250 ile 2500 mm arasında değiĢmektedir. Bu suyun %36‟sına karĢılık olan 39.300 hm3 miktarı farklı amaçlara yönelik olarak kullanıma sunulmuĢtur. Geriye kalan 71.000 hm3 su hala kullanılmamaktadır (DSI, 2008; Yıldız, 2006).
Ülkemizdeki 26 havzaya ait su potansiyel bilgileri Tablo 2.1 de sunulmuĢtur. ġekil 2.1 de ise 26 havzanın ülkemizdeki konumları harita üzerinde gösterilmektedir.
Tablo 2.1 Türkiye‟deki 26 topoğrafik su havzası ve su potansiyelleri (ÖziĢ, Baran, DurnabaĢı, Özdemir, 1997, s.43).
Havza Adı Su Potansiyeli (milyar m3)
1 Meriç – Ergene 1.33 2 Marmara 8.33 3 Susurluk 5.43 4 Kuzey Ege 2.09 5 Gediz 1.95 6 Küçük Menderes 1.19 7 Büyük Menderes 3.03 8 Batı Akdeniz 8.93
9 Antalya (Orta Akdeniz) 11.06
10 Burdur Gölü 0.50 11 Akarçay (Afyon) 0.49 12 Sakarya 6.40 13 Batı Karadeniz 9.93 14 YeĢilırmak 5.80 15 Kızılırmak 6.48
16 Konya (Orta Anadolu) 4.52
17 Doğu Akdeniz 11.07 18 Seyhan 8.01 19 Asi (Hatay) 1.17 20 Ceyhan 7.18 21 Fırat 31.61 22 Doğu Karadeniz 14.90 23 Çoruh 6.30 24 Aras 4.63 25 Van 2.39 26 Dicle 21.33 Toplam 186.05
6 ġek il 2 .1 T ür kiy e‟ dek i 2 6 to po ğr af ik su h av za sı har itas ı ( De vlet Su ĠĢ ler i ( DSĠ , 2 0 0 1) .
Ülkelerin “su zengini” sayılabilmesi için yılda ortalama kiĢi baĢına 10.000 m3 su potansiyeline sahip olması gerektiği kabul edilmekte, su potansiyeli 1.000 m3‟ten az olan ülkeler ise “su fakiri” olarak tanımlanmaktadır. Bu çerçevede su zengini bir ülke olmayan Türkiye de kiĢi baĢına düĢen kullanılabilir su potansiyelinin 3690 m3‟tür. Dünya ortalaması olan 7600 m3‟ün yarısına karĢılık gelen bu değer nedeniyle ülkemiz su fakiri olmamakla birlikte “su kısıtı” bulunan ülkeler arasında sayılmaktadır. KiĢi baĢına düĢen yıllık teknik ve ekonomik olarak kullanılabilir su miktarı 1.735 m3
civarında olan ve ülkemiz su azlığı yaĢayan ve su kısıtı bulunan bir ülke konumundadır. DĠE‟nin tahminlerine göre 2030 yılına kadar ülkemiz nüfusunun 100 milyona ulaĢması durumunda, kiĢi baĢına düĢecek teknik ve ekonomik olarak kullanılabilir su miktarı 1.000m3‟e düĢecektir (DSI, 2008; Yıldız, 2006).
ġekil2.2 2006 yılı için Türkiye'deki akarsu havzalarında su kaynaklarının tahmini kullanımı (WB,2006).
ġekil 2.2 incelendiğinde Meriç, Ergene, Gediz, Büyük Menderes, Burdur Gölü, Akarçay, Konya ve Asi nehri havzalarında yüzey ve yeraltı suyu kullanımı, bu havzalardaki yenilebilir su potansiyelini aĢtığı ortaya çıkmaktadır. Sakarya, Ceyhan ve Van havzalarının da bu limite ulaĢtığı görülmektedir. Ülkemizdeki su havzalarında ekonomik olarak sulanabilir alanların tümünün 2030 yılına kadar geliĢtirildiği kabul edildiğinde 26 nehir havzasının 15‟inde su kullanımının yenilenebilir su potansiyeli limitini aĢtığı 3 havzanın ise bu sınıra yaklaĢtığı ġekil 2.3‟de, kiĢi baĢına düĢen toplam yıllık ortalama akım değerleri ġekil 2.4‟te görülmektedir (DSI, 2008; Yıldız, 2006; WB, 2006).
ġekil 2.3 2030 yılı için Türkiye‟deki akarsu havzalarında su kaynaklarının kullanımı tahmini (WB,2006).
ġekil 2.4 Türkiye akarsu havzalarında kiĢi baĢına düĢen yıllık ortalama akım (WB,2006).
Bazı akarsu havzalarında su ihtiyaçlarının su potansiyelini aĢmıĢ durumda olduğu, 2030‟da ise 26 havzanın 19‟unda su potansiyelini aĢacağı gözlenebilmektedir (WB,2006). Havzalarda suyun niceliği ile birlikte coğrafi değiĢkenlikler, toprak kullanım yapısı, endüstrileĢme, kentleĢme, zirai mücadele sebebiyle suyun niteliği de farklılık göstermektedir. Bu sebeple, güncel ve gelecekteki yararlanma olasılıklarının sınırlandırılmaması için su kaynaklarının planlanmasında suyun niteliği yanında niceliğini de dikkate alan ihtiyaç-kaynak dengesi çerçevesinde verimliliği maksimize edilerek bütüncül bir yaklaĢım benimsenmelidir (Yıldız, 2006).
2.2 Akarsu Kalitesi
2.2.1 Akarsu Kalite Gözlemleri
Akarsuda kirlilik kontrolü ve su kalitesi iyileĢtirmesi için kirlilik yüklerinin belirlenmesi ve etkisinin akarsu boyunca takip edilmesi ve incelenmesi gerekir. Bu amaçla akarsudaki kirliliğin ölçütleri olan kimyasal, fiziksel, biyolojik parametrelerinin gözlenmesi gerekmektedir.
SanayileĢme sürecine erken girmiĢ, dolayısıyla çevre kirliliğinden ilk etkilenen günümüzün geliĢmiĢ ülkelerinde, bu izleme çalıĢmalarının 20. yüzyılın baĢlarına kadar uzanan örneklerine rastlanmaktadır. Örneğin, Fransa‟da Seine akarsuyu üzerindeki Ivry-sur-Seine su kontrol istasyonunda amonyak, klor ve çözünmüĢ oksijen konsantrasyonlarının 1901 yılından beri izlendiği bilinmektedir (Cun ve Vilagines, 1997). Diğer taraftan, ABD‟de akarsular üzerinde su kalitesi gözlem ağları 1970 yılından itibaren yaygınlaĢmıĢtır (Hirsch et al., 1982). Ülkemizde ise, akarsular üzerinde su kalitesi gözlem ağlarının 80‟li yılların baĢından itibaren yaygınlaĢtığı ve su kalite verilerinin toplandığı görülmektedir (Ġçağa, 1994).
Ülkemizde su kalitesini izleme çalıĢmalarını en yaygın biçimde sürdüren kuruluĢ DSĠ'dir. 1979 yılında, 6 Bölge Müdürlüğünde ve 65 ölçüm noktasında baĢlatılan sistematik nitelikteki su kalitesi izleme çalıĢmaları, 1982'de 14 Bölge Müdürlüğü ve 187 örnekleme noktasını kapsayacak biçimde hızla geniĢletilmiĢtir. Su kalitesi izleme faaliyetleri daha sonra da, çalıĢma kapsamına giren Bölge Müdürlüğü sayısında ve ayrıca Bölge Müdürlükleri laboratuarlarının ekipman ve personel olanaklarındaki geliĢmelere paralel olarak, gerek istasyon ve ölçüm sayısı gerekse ölçülen değiĢkenlerin tür ve adedi açısından geliĢtirilerek sürdürülmüĢtür. 1987 yılında izleme çalıĢmaları, 20 Bölge Müdürlüğü ve 566 ölçüm noktasını kapsamıĢ; 1988'de ölçüm noktaları 634'e çıkarılmıĢtır. Halen DSĠ'nin ülke çapında yayılmıĢ 1080 kalite gözlem istasyonu mevcuttur. Mevcut ölçüm düzeni içinde ölçüm sıklığı aylık olarak belirtilmekle beraber, ölçümler genelde 2 ayda bir alınmaktadır. Hemen her istasyonda, Su Kirliliği Kontrol Yönetmeliği Alıcı Ortam Standartları Tablo 1‟de
belirtilen yaklaĢık 35 adet değiĢken izlenmektedir. Bu değiĢkenler arasında, sıcaklık, pH, elektriksel iletkenlik (EC), renk, bulanıklık, Sodyum (Na), Potasyum (K), Fenolftalein Alkalinite (P-Al), Toplam Alkalinite (M-Al), Kalsiyum (Ca), Magnezyum (Mg), Demir (Fe), Flor (F), Serbest Klor (Cl-), Amonyak (NH3-N), Nitrat (NO3-N), Nitrit (NO2-N), Permanganat değeri, Sülfat (SO4), Biyolojik Oksijen Ġhtiyacı (BOĠ), ÇözünmüĢ Oksijen (DO), Bor (B), Toplam çözünmüĢ madde ve Askıda Katı Madde (SS) bulunmaktadır (Harmancıoğlu ve diğer., 2003).
EĠE Genel Müdürlüğü; akım ve askı maddesi ölçümlerine 1970'de de su kalitesi ölçümlerini eklemiĢtir. EĠEĠ Genel Müdürlüğü Tarafından gerçekleĢtirilen su kalitesi gözlemlerinde Debi, Su sıcaklığı, Elektriksel Ġletkenlik, pH, Toplam askıda katı madde, Tuzluluk, CO3-- (Karbonat), HCO3- (Bikarbonat), SO4-- (Sülfat), Cl- (Klorür), Na+ (Sodyum), K+ (Potasyum), Sertlik, Bor ve Ca++ + Mg++ (Kalsiyum+Magnezyum) parametreleri izlenmektedir (EĠE, 2008).
Çevre Ġl Müdürlüklerinin izleme çalıĢmaları ise Türkiye genelinde düzenli olarak gözlem yapılan bir gözlem ağı oluĢturulmasından çok, bölgesel bazda deĢarjların kontrolü ve denetlenmesi ve cezai yaptırımların uygulanmasına yönelik kirlilik durum tespitlerinin yapılması amacıyla yürütülmektedir. Örnekleme çalıĢmalarında arazide oksijen düzeyi ve su sıcaklığı ölçülmekte, laboratuarda ise 5 günlük BOĠ, toplam P, toplam N ve AKM parametrelerinin analizleri yapılmaktadır. Kurum bu gözlem sonuçlarını (satıĢ veya protokol kapsamında) kamuya sunmamakta, yalnızca kurum içi değerlendirme veya kurum adına yapılan sunumlarda kullanmaktadır. (Harmancıoğlu ve diğer., 2003).
Halihazırda sorumlu kurumlarca sürdürülen su kalitesi izleme çalıĢmalarının sonuçları, gerek numune alma aralıklarının seyrekliği ve düzensizliği, gerekse eĢ zamanlı debi ölçümünün olmaması gibi nedenlerden dolayı su kalitesi modelleme çalıĢmalarında kullanılmaya elveriĢli değildir. Ġzleme faaliyetlerinin gözlem süreleri ve ölçüm sıklıkları göz önüne alındığında, mevcut ölçüm pratiğinin su kalitesi değiĢkenlerinde görülmesi beklenen eğilimleri belirlemek için bile yetersiz olduğu görülmektedir (Harmancıoğlu ve diğer., 1994, 1999a, 1999b, 2003).
Akarsu gözlem verilerinden bir veya birkaçının zaman içinde değiĢimini belirlemek üzere matematiksel modeller kurulabilir ve bu modeller yardımıyla doğal su kaynaklarının niteliklerinin nasıl korunacağına ve havza geliĢme planlarının nasıl yapılacağına karar verilebilir.
2.2.2 Su Kalitesi İle İlgili Mevzuat
Ülkemizde akarsu kalitesi, 2872 sayılı Çevre Kanunu Madde 8‟e bağlı olarak 1988 yılında yürürlülüğe giren Su Kirliliği Kontrolü Yönetmeliği uyarınca düzenlemeye girmiĢtir. Yönetmelik, su kaynaklarının ekosistem prensibi çerçevesinde kalitesini koruması ve ülke gereksinimleri doğrultusunda su kalitesinin geliĢtirilmesi amaçlanmıĢtır. Bu doğrultuda içme ve kullanma suyu rezervuarları çevresinde oluĢturulacak koruma alanları; evsel ve endüstriyel atıksu deĢarj standartları ve tarım arazilerinin korunmasına iliĢkin düzenlemeler getirilmiĢtir (SKKY).
Yönetmelikte yüzey suları ve yeraltı suları için kalite sınıflandırılması yapılmıĢtır. Yüzeysel sular çerçevesinde yüksek kaliteli az kirlenmiĢ, kirli ve çok kirlenmiĢ sular olmak üzere dört kalite sınıfı tanımlanmıĢtır. Tablo 2.2‟de yüzeysel suların sınıflandırılmasına ait parametreler verilmiĢtir. Yeraltı suları içinse üç kalite sınıfı tanımlamıĢtır.
Tablo 2.2 Yüzeysel suların sınıflarına göre kalite kriterleri (SKKY, 2008).
SU KALĠTE GÖSTERGESĠ SU KALĠTE SINIFLARI
1 2 3 4
A) Fiziksel ve inorganik-kimyasal faktörler
1. Sıcaklık (°C) 25 25 30 >30 2. pH 6.5–8,5 6.5–8,5 6–9 6–9 dıĢında 3. ÇözünmüĢ oksijen (mg/L)a 8 6 3 <3 4. Oksijen doygunluğu (%)a 90 70 40 <40 5. Klorür iyonu (mg/L) 25 200 400b >400 6. Sülfat iyonu (mg/L) 200 200 400 >400
Tablo 2.2 (devamı) 7. Amonyum azotu (mg/L) 0. 2c lc 2c >2 8. Nitrit azotu (mg/L) 0.002 0.01 0.05 >0.05 9. Nitrat azotu (mg/L) 5 10 20 >20 10.Toplam fosfor (mg/L) 0.02 0.16 0.65 >0.65 11.Toplam çözünmüĢ madde (mg/L) 500 1500 5000 >5000
12.Renk (Pt-Co birimi) 5 50 300 >300
13.Sodyum (mg/L) 125 125 250 >250 B) Organik faktörler 1. KOĠ(mg/L) 25 50 70 >70 2. BOĠ(mg/L) 4 8 20 >20 3. Organik karbon (mg/L) 5 8 12 >12 4. Toplam Kjeldahl-azotu (mg/L) 0.5 1.5 5 >5
5. Emülsifıye yağ ve gres (mg/L) 0.02 0.3 0.5 >0.5
6.Metilen mavisi aktif maddeleri(MBAS) (mg/L) 0.05
7. Fenolik maddeler (uçucu) (mg/L) 0.002 0.2 1 >1.5
8. Mineral yağlar ve türevleri (mg/L) 0.02 0.01 0.1 >0.1
9. Toplam pestisit (mg/L) 0.001 0.1 0.5 >0.5
C) Ġnorganik kirlenme faktörlerid
1. Civa (μg/L) 0.1 0.5 2 >2 2. Kadmiyum (μg/L) 3 5 10 >10 3. KurĢun (μg/L) 10 20 50 >50 4. Arsenik (μg/L) 20 50 100 >100 5. Bakır (μg/L) 20 50 200 >200 6. Krom (toplam) (μg/L) 20 50 200 >200 7. Krom(μgCr+6/L) çok az 20 50 >50 8. Kobalt (μg/L) 10 20 200 >200 9. Nikel (μg/L) 20 50 200 >200 10.Çinko (μg/L) 200 500 2000 >2000 11.Siyanür (toplam) (μg/L) 10 50 100 >100 12.Florür (μg/L) 1000 1500 2000 >2000
Tablo 2.2 (devamı) 13.Serbest klor (μg/L) 10 10 50 >50 14.Sülfür (μg/L) 2 2 10 >10 15.Demir (μg/L) 300 1000 5000 >5000 16.Mangan (μg/L) 100 500 3000 >3000 17.Bor (μg/L) 1000e 1000e 1000e >1000 18.Selenyum (μg/L) 10 10 20 >20 19.Baryum (μg/L) 1000 2000 2000 >2000 20.Alüminyum (μg/L) 0.3 0.3 1 >1 21.Radyoaktivite (pCi/L) Alfa-aktivitesi 1 10 10 >10 Beta-aktivitesi 10 100 100 >100
2.2.3 Havzalardaki Yüzeysel Su Kalitesinin Mevcut Durumu
Ülkemizde birçok nedenden dolayı kontrol altında tutulamayan evsel, endüstriyel ve tarımsal etkinlikler sonucu, günümüzde pek çok su havzasında kirliliğin önemli
D) Bakteriyolojik faktörler
1. Fekal koliform (EMS/100 ml) 10 200 2000 >2000
2. Toplam koliform (EMS/100 ml) 100 20000 100000 >100000 (a) DeriĢim veya doygunluk yüzdesi faktörlerinden sadece birinin sağlanması yeterlidir.
(b) Klorüre karĢı hassas bitkilerin sulamasında bu deriĢim limitini düĢürmek gerekebilir.
(c) pH değerine bağlı olarak serbest amonyum azotu deriĢimi 0.02 mg/L değerini geçmemelidir.
(d) Bu gruptaki kriter faktörleri oluĢturan kimyasal türlerin toplam deriĢimlerini vermektedir.
(e) Bor'a karĢı hassas bitkilerin sulamasında kriteri 300 μg/L'ye kadar düĢürmek gerekebilir.
Sınıf 1 : Yüksek kaliteli su, Sınıf 2 : Az kirlenmiĢ su, Sınıf 3 : Kirli su, Sınıf 4 : Çok kirlenmiĢ su
boyutlara ulaĢtığı bilinmektedir (Mansuroğlu, 2004, s. 323; Nas ve ark., 2004, s. 288). Öte yandan nüfusun az, sanayileĢmenin olmadığı veya az olduğu yörelerde ise tehlike boyutlarında su kirlenmesi görülmemektedir. Özellikle endüstriyel atık sularının kontrolsüz, bilinçsiz bırakılmalarıyla Porsuk, Simav, Nilüfer, Ankara Çayları ile Ġznik, Eber, Karamuk, Büyükçekmece ve Burdur Gölleri en çok kirlenmiĢ yüzey sularıdır. Büyük Menderes, Kızılırmak, Gediz Nehirleri ile Tuz Gölü, Sapanca, Mogan gibi göllere atık ve artık su boĢaltılmalarına bağlı olarak su kalitelerinde ciddi sorunlar yaĢanmaktadır. Türkiye‟de arıtma tesisi olan sanayi kuruluĢlarının oranının az oluĢu veya sanayi kuruluĢlarının çoğunun arıtma tesislerinin olmaması ya da varolan arıtma tesislerinin etkin olarak iĢletilememesi gibi sebeplerle de yüzey sularında kirlenmenin boyutları artmaktadır (Burak ve ark., 1997, s. 9; Yıldırım ve ark., 2004, s. 3; Akman ve ark., 2004). Hızla artan çarpık yapılaĢmanın sonucu olarak kanalizasyon sistemlerinden ve çöp depolama sahalarından kaynaklanan kirli sızıntı suları da yeraltısuyu kirliliğinde önemli bir faktör olarak göze çarpmaktadır (Mansuroğlu, 2004, s. 323; Yüksel ve ark., 1997, s.9).
Ülkemizdeki su havzalarını kirlilik yönünden incelecek olursak ilk sırayı yedi coğrafik bölgeden biri olan Marmara Bölgesi almaktadır. Ülkemizin en yüksek nüfusuna ve nüfus artıĢına sahip bölgesidir. Bu bölge sanayileĢme yönünden geliĢmiĢ olması nedeniyle, özellikle Karadeniz, Doğu ve Güneydoğu Anadolu Bölgeleri‟nden göç almaktadır. Ayrıca Marmara Bölgesi‟nde tarım sektöründe yaygın olarak gübre ve kimyasal ilaç kullanımının artması sonucu yüzey sularının hemen tümünün, NO2-N parametresi açısından III. ya da IV. sınıf düzeyinde kirli veya çok kirlenmiĢ olduğu araĢtırmalarda tespit edilmiĢtir. Ancak gerek organik madde ve gerekse suda çözünmüĢ oksijen (DO) deriĢimleri açısından Büyük Çekmece, Ġznik Gölü gibi göller hariç I. veya II. sınıf su durumundadır. Marmara Havzası‟nda yer alan Büyük Çekmece ve Ġznik Göllerinde bilhassa organik madde kirliliği vardır. Öte yandan yüksek krom yüklü su, havzayı tehdit etmektedir. Yine bu havzada bulunan Ömerli Barajı‟nda çinko yükü fazladır. Alibeyköy, Elmalı, Küçükçekmece ve Terkos Göllerinde endüstriyel atık, evsel artık ve tarımsal aktiviteler sonucu azot ve fosfor yükleri artmıĢtır. Marmara Bölgesi‟nde yer alan Meriç-Ergene havzasında arıtma
tesislerinin yetersizliği ile tarım alanlarında kimyasal ve tabii gübre kullanımlarından kaynaklanan azot ve fosfor yükleri fazladır. Sanayi atıkları, evsel ve tarımsal artıklar Meriç ve Ergene Nehirlerine ulaĢarak kirlenmeye neden olmaktadır. Aynı Ģekilde Susurluk Havzası da kirlenme yönünden aynı risklerle karĢı karĢıyadır (Burak ve ark., 1997, s. 9; KeleĢ ve Hamamcı, 1998, s. 113).
Ege Bölgesi‟nin, Kuzey Ege Havzasında bulunan Bakır Çayı, Soma linyitleri ve zeytinyağı üretim tesislerinin faaliyetleri neticesi belirli oranda kirlenmeyle karĢı karĢıyadır. Kanalizasyon artık sularının yükü nüfus yoğunluğunun düĢük oluĢuna bağlı olarak da azdır (M.Akın ve G. Akın, 2007).
Gediz Havzası‟nda yer alan Gediz Nehri oldukça kirlenmiĢ yüzey suyu durumundadır. Evsel artık, sanayi atıkları ve tarımsal faaliyetlerden kaynaklanan azot, organik madde ve ağır metaller yönleriyle IV. sınıf su kalitesine sahiptir.
Büyük ve Küçük Menderes nehirleri ise III ve IV. Sınıf kirlilik düzeyindedir (M.Akın ve G. Akın, 2007).
Akdeniz Bölgesi‟nde yer alan Burdur Gölü Havzası, sanayi, insan ve tarımsal aktiviteler sonucu ciddi kirlenme sorunlarıyla karĢı karĢıyadır. Akdeniz Bölgesi‟ndeki Seyhan, Ceyhan ve Asi Nehri havzalarının özellikle aĢağı bölgelerinde sanayi, insan ve tarımsal aktivitelerden kaynaklanan aĢırı kirlenmeler III. ve IV. sınıf düzeylerine ulaĢmıĢ durumdadır. Batı Akdeniz, Antalya (Orta Akdeniz) ve Doğu Akdeniz havzaları ise henüz ciddi kirlenme problemleriyle karĢı karĢıya değildir (M.Akın ve G. Akın, 2007).
Tamamı Ġç Anadolu Bölgesi‟nde yer alan Konya Kapalı Havzasında özellikle yöredeki sanayi kuruluĢlarının etkisiyle çay ve derelere karıĢan atık sularıyla evsel ve tarımsal artıklar Tuz Gölü‟ne ulaĢarak III. hatta bazen IV. sınıf derecesinde kirlenmeye yol açmaktadırlar. Ġç Anadolu‟nun Akarçay (Afyon) Havzası‟nda yer alan Eber Gölü aĢırı kirlenmeyle karĢı karĢıyadır (M.Akın ve G. Akın, 2007).
Bir kısmı Ġç Anadolu Bölgesi‟nde yer alan Sakarya Havza‟sındaki Sakarya Nehri‟nin kolları olan Ankara, Karasu, Göksu, Mudurnu, Seydisu, Kızılırmak çaylarında NO2, O2 miktarı, Pb ve Cr gibi kirletici parametreleri yönlerinden III. ve IV. sınıf kirlilik durumları gözlenir. Bu havzada ciddi boyutlarda ağır metal kirliliği tespit edilmiĢtir (Burak ve ark., 1997, s. 24; Kaya ve ark., 2002, s. 741).
Orta ve yukarı kesimleri Ġç Anadolu Bölgesi‟nde yer alan Kızılırmak Havzasındaki Kızılırmak Nehri‟nde, sanayi tesislerinin yer aldığı (Kırıkkale ili gibi) yörelerde III. ve IV. dereceden kirlenme gözlenirken, Kızılırmak‟a karıĢan kollarında henüz aĢırı kirlenme görülmemektedir (M.Akın ve G. Akın, 2007).
Orta Karadeniz Bölgesi‟nde bulunan YeĢilırmak Havzası‟nda gıda sanayinin atık suları ve evsel artıklar nedeniyle yer yer IV. sınıfa girebilecek kirlilik durumlarıyla karĢılaĢılır. Öte yandan Tokat ve Amasya yörelerinde ağır metal kirliliği de söz konusudur. Bunun dıĢında havzada sanayinin yaygın olmamasına bağlı olarak fazla bir kirlilik görülmemektedir. Geri kalan havzalarda sanayileĢmenin ve nüfus yoğunluğunun azlığı ile tarımsal gübre ve ilaç kullanımlarının fazla olmaması, ciddi kirlenme sorunlarının henüz gündemde olmadığını göstermektedir. Ancak bu havzaların bazı kısımlarında kirletici etkiye sahip sanayi tesislerinin (Artvin, Murgul, Ergani‟de bakır tesisleri gibi) varlığına bağlı olarak aĢırı kirlenmelere rastlanabilir (Burak ve ark., 1997, s. 18).
17
BÖLÜM ÜÇ
AKARSU KALĠTESĠ MODELLEMESĠ
3.1 Yüzeysel Su Kalitesi Modelleme Gereksinimi
Akarsu havzası çevre sistemleri belirsizlik ve karmaĢıklık içerir. Buna rağmen, yöneticiler, doğal kaynakların kalitesi ve kantitesi açısından çoğu zaman çözüm için parasal kaynakların da sınırlı olması sebebiyle en kısa zamanda en uygun karar vermek zorundadır. Bu durumda idarecilerin vereceği karara matematiksel temeller yardımcı olmaktadır. Karar verme ile modelleme arasındaki iliĢki de bu ihtiyaçtan kaynaklanmaktadır.
Su kalitesi modelleri, bir su ortamında oluĢan fiziksel, kimyasal ve biyolojik süreçleri tanımlayan matematiksel eĢitliklerden meydana gelmektedir. Doğal olaylardan ya da evsel, endüstriyel ve tarımsal faaliyetler sonucu oluĢan noktasal/yayılı deĢarjlar modelin kirlilik yüklerini oluĢturmaktadır. KarmaĢık, rasgele ve zamanla değiĢken özellik gösteren kirlilik kaynaklan sebebiyle akarsu sisteminin davranıĢı dinamiktir.
Bir akarsu sisteminin değiĢik kirlilik yükleri altında muhtemel davranıĢı ancak o sistemin dinamik özelliklerinin bilinmesi ile öngörülebilmektedir. Bu sebeple, iyi bir dinamik model kurulmalı ve güvenilir bir benzetim yapılmalıdır. Dolayısıyla geliĢtirilen model deneysel olarak test edilmeli, model parametreleri sağlıklı olarak belirlenmeli ve kanıtlanmalıdır.
Kirlilik değiĢkenleri deriĢimlerinin zaman ve mesafeyle değiĢimlerinin matematiksel olarak ifade edildiği su kalitesi modelleri, çeĢitli etkilerle su kalitesinde meydana gelen bozulmaları belirlemek ve bu etkilerin doğuracağı sonuçları en aza indirgemek için alınması gereken önlemlerin belirlenmesinde önemli rol oynamaktadır.
Matematiksel olarak modellemesi yapılan gerçek olayı, elde edilen matematiksel modelin en iyi ve yüksek duyarlılıkta temsil etmesi en önemli noktadır, ve bilgisayar destekli çalıĢmalar bu yönde yürütülmektedir. OluĢturulan matematiksel modelin daha iyiye ve daha ileriye götürülmesi, dolayısıyla gerçek olayı daha iyi Ģekilde temsil eden bir yapıya getirilmesi temel olarak hedeflenmektedir.
3.2 Yüzeysel Su Kalitesi Modellerinin Genel Yapısı
Su kalitesi yönetiminde bir araç olarak kullanılan yüzeysel su kalite modelleri, çeĢitli kategoriler içinde Ģu Ģekilde gruplandırılmaktadır.
(i) Modellemenin yapıldığı çevreye göre, (ii) Modelin amacına göre,
(iii) Boyut sayısına göre, (iv) Prosesin tanımına göre, (v) Verilerin tipine göre, (vi) Zamansal değiĢime göre,
Birinci gruptaki modeller, her biri farklı kimyasal ve hidrolik özelliklere sahip, akarsu, göl ve körfez gibi uygulandığı ortama göre değiĢen modellerdir (Küçükballı, 2003).
Modellemenin amacına göre değiĢen ikinci grup modeller; hidrokimyasal modeller, su kimyasıyla iliĢkili olarak kimyasal ve biyolojik prosesleri modellemektedir. KarıĢım bölgesi modeli, su kütlesine bir deĢarj, bir yan kol girmesi ile karıĢımdan hemen sonrayı modellemektedir. Kirletici taĢınımı modeli ise aniden herhangi bir olay sonucunda meydana gelen kirleticilerin etkilerini modellemektedir. Temel olarak basit modellemeyi yapmaktadır. Bu modeller özel amaçlar için kalibre edilip kullanılırlar. Rutin olarak gerçekleĢen olaylar için kullanılmazlar (Küçükballı, 2003).
Sistemin boyutuna göre değiĢen üçüncü grup modeller ise, sistemin gerçek boyutu yansıtılabilmelidir. Modeller, 0,1,2,3, boyutlu olabilmektedir. Sıfır boyutlu model (0D), kirleticilerin dispersiyon proseslerini göz önüne almaz ancak su kütlesinin tam karıĢımlı olduğunu kabul ederek, basitce hacmi ve konsantrasyonu temsil eder. Bir boyutlu modeller (1D), su hızını, çözünmüĢ maddelerin adveksiyon ve dispersiyonunu göz önüne alır. Böylece, akarsu geniĢlik ve derinlik boyunca tam karıĢımlı kabul edilmektedir. Ġki boyutlu model ise (2D), akarsuyun geniĢlik yada derinlik boyunca dispersiyonunu simule edebilmekte ancak ikisini birden simule edememektedir. Üç boyutlu modeller, su akımını (debiyi), çözünmüĢ maddelerin her yöndeki dağılımını hesaba katabilmektedir. Üç boyutlu su kalite modelleri genellikle geniĢ ve derin göl ve haliçlerde kullanılmaktadır (Pavoni ve ark., 1977; Cox, 2003).
Prosesin tamamına göre değiĢen modeller, ampirik ve mekanistik modellerdir. Ampirik modeller, modelin çıktılarını deneysel olarak belirlenmiĢ değerler ile iliĢkiler. Hidrokimyasal olayları açıklayamazlar. Bu yüzden bazı ampirik modellere siyah kutu modelleri denilmektedir. Sebep ve etki iliĢkilerini araĢtırmakta faydalıdırlar. Çok karmaĢık durumlarda kullanılmazlar. Uzun dönem etkilerini tahmin edecek Ģekilde kullanılmazlar. Sadece durum değerlendirmesi yaparlar. Mekanistik modeller, akarsu boyunca su kalitesini ve debisindeki değiĢimleri simule ederler (Küçükballı, 2003).
Verilerin tipine göre değiĢen modeller, deterministik ve stokastik modellerdir. Deterministik modelde, sabit girdi değiĢkenleri kullanılır. Modelin yaptığı hesaplamalarda, giriĢ ve çıkıĢ değiĢkenlerini sabit kabul eder. Elimizde çok fazla ya da değiĢken yoksa deterministik modeller kullanılır. Daha kesin ya da daha ortalama değerlere yaklaĢan sonuçlar üretirler. Ġstatistiksel olarak fiziksel, kimyasal ve biyolojik proseslerin açıklanmasıyla stokastik modeller oluĢturulur. Elimizde çok fazla veri ya da değiĢken varsa stokastik model kullanılır. Genel bir sonuç verir, kesin sonucu yoktur. Girdi ve çıktılar arasındaki iliĢkileri olasılık olarak verir (Pavoni ve ark., 1977; Cox, 2003).
Zamansal değiĢime göre modelleri ise dinamik ve kararlı hal modelleri olmak üzere ikiye ayrılır. Dinamik modeller, su miktar ve kalitesinin günlük, aylık ve mevsimlik olarak zamana bağlı değiĢimler olduğu zamanlarda kullanılmaktadır (Küçükballı, 2003).
Karalı hal modelleri, zamansal değiĢimlerin daha az yaĢandığı durumlarda kullanılmaktadır. ġekil 3.1‟de yüzeysel su kalitesi modeli verilmektedir.
0D 1D 2D 3D
Nehir
Göl Körfez
Su Kalite Modelleri
Stokastik Deterministik
Dinamik Kararlı Hal
Hidrokimyasal KarıĢım Bölgesi Kirletici TaĢınımı
Ampirik Mekanistik
ġekil 3.1 Yaygın olarak kullanılan su kalite modeli tipleri (Cox, 2003).
Akarsu modelleri,
(i) Simülasyon modelleri (ii) Optimizasyon modelleri
olarak ikiye ayrılabilir. Bunların arasında yapılacak seçim modelin kullanım amacına bağlıdır. Eğer amaç, havzanın sosyoekonomik geliĢmesi için su kaynakları planlaması ve mevcut su kullanımlarının, kirletici kaynakların ayrıca gelecekteki kullanımların ve kirletici kaynaklarının su kalitesine olan etkisinin araĢtırılması ise simulasyon modelleri kullanılır. Simulasyon modelleri ile farklı su kalitesi yönetim stratejilerinin politik, sosyal ve yasal boyutlarının ayrı ayrı değerlendirilmesi mümkün olur (Küçükballı, 2003).
Optimizasyon modelleri yönetim kararını yönlendirebilmek için belli sayıda kalite parametresi ve amaç fonksiyonu ile sınırlandırılmaktadır.
Su kirliliği kontrolünde kullanılan matematiksel modeller, iki ana gruba ayrılabilir;
(i) Yüzeysel sulardaki fiziksel, kimyasal ve biyolojik oluĢumları matematiksel olarak ifade eden modeller,
(ii) DıĢ etkilerle doğal dengesi bozulan ve değiĢimleri birinci tipteki modeller ile saptanan ortamlarda, yapılacak mühendislik çalıĢmalarına ve alınacak ekonomik, sosyal ve hukuki kararlara ıĢık tutacak simülasyon (benzeĢim) ve optimizasyon modelleri (Pavoni ve ark., 1977; Burak, 1990; Wurbs, 1995).
3.3 Modellemede Kullanılan Veriler
3.3.1 Fiziksel Sistemi Tanılayıcı Veriler
Her model için incelenen akarsuyun coğrafi yerleĢim kolları, doğal ve mühendislik su yapıları, evsel, endüstriyel ve tarım bölgeleri, vb. etkenler ile iliĢkisinin belirlenmesi gerekir. Bu coğrafi bilgiler havza geliĢimi için önerilecek alternatiflerin belirlenmesinde gereklidir (Atıksu kaynaklarına arıtma yapılması, tarım bölgelerine kısıtlama getirmek, barajdan mansaba minimum bir kuyruk suyu bırakmak ve diğer.).
3.3.2 Hidrolik ve Hidrolojik Veriler
Modelin amacına göre gözlem aralığı, gözlem süresine uygun genellikle debi ölçümleri kullanılmaktadır. Debi ölçümleri yanı sıra yeraltı suyuna sızma, yeraltı suyundan beslenme gibi parametreler de kullanılabilir. Bu veriler kalite gözlemlerinde minimum, maksimum ve ortalama olarak tanımlanabileceği gibi bağımsız olarak geliĢtirilmiĢ hidrolojik bir model olarak da tanımlanabilir.
Gözlemlerin istatistik olarak değerlendirilmesi, düĢük-akım, yüksek-akım kombinasyonlarının belirlenmesi gerekebilir.
3.3.3 Meteorolojik Veriler
Bulutluluk, atmosfer basıncı, hava basıncı, rüzgar hızı ve yönü, yağıĢ, kar gibi gözlemler kullanılabilir.
3.3.4 Akarsu Kalitesi Verileri
Coğrafi verilerde belirlenen kirletici kaynakların atıksuları veya kirletici unsurları üzerinde kirlilikleri belirleyen deney gözlemleridir. Bu deneyler, atıksu debileri, atıksu sıcaklığı, koliform sayıları, BOI, fosfat, alkalinite, pH, amonyak (NH3-N), nitrat (NO3-N), ÇO olabilir. Belli bir süreyi kapsayan deneylerinde istatistiksel değerlendirilmelerinin yapılması gerekir.
3.4 Model Seçimi ve Model Parametrelerinin Belirlenmesi
Kirlilik modelleri, incelenen yüzeysel su ve havza için yapılacak geliĢtirme planları için yöneltilecek sorulara cevap vermelidir. Gelecekte yapılacak bazı değiĢiklik ve yeni etkiler (sıcaklık, debi, iklim gibi doğal geliĢmeler ile insan eliyle yapılan fabrika ve yerleĢim merkezlerinin atıksuları) altında oluĢacak durumların önceden bilinmesi gereklidir. Modeller seçilerek ve mevcut verilerden hareketle istenen sorulara cevap verecek modeller geliĢtirilir. Mevcut veriler veya geliĢtirilen yazılımlar ile değerlendirilir ve kalibre edilir. Bu iĢlemi için akarsu parçalara ayrılarak ve her bir parça için parametrelerini belirleyecek çalıĢmalar yapılır.
Seçilen modelin girdi gözlemleri (hidrolojik ölçümler, hava Ģartları, kirlilik) ve aynı süredeki çıktı gözlemleri (BOI, ÇO, nütrient, koliform vb.) veri olarak hazırlanır. GözlenmiĢ girdiler modelde kullanılarak sonuçlar gözlenir. Hesaplanan sonuçlar ile gözlemler arasındaki fark küçültecek biçimde model parametreleri değiĢtirilir. Su kalitesi model programlarının parametrelerinin belirlenmesi ve model
kalibrasyonu konusunda uygulanabilecek en basit yöntem deneme-yanılmadır. Ancak oluĢturulacak olan modelin karmaĢıklığı ve belirlenmesi gerekli olan parametrelerin çokluğu nedeniyle bu yöntemle sonuca ulaĢmak olanaksız gözükmektedir. Ġkinci bir yol probleme 'bağıl hata' kavramı kullanarak istatistiksel yöntemlerle yaklaĢmaktır. (Warwick ve Thomann, 1986, 1992). Bu iĢlem hesaplanan çıktı ile gözlemler arasındaki fark minimum yapılıncaya kadar devam eder. Böylece mevcut durum en iyi Ģekilde değerlendirilerek model kullanılır hale getirilir. Ġleri de beklenen veya düĢünülen durumlar (doğal veya insan yapısı) çeĢitli alternatifler haline modele iĢlenerek sonuçlar incelenir.
3.5 Literatürde Yer Alan Akarsu Kalitesi Modelleri
QUAL2E yan kollan da kapsayacak Ģekilde akarsularda ve iyi kanĢımlı göllerdeki klasik kirleticiler için bir kararlı hal modelidir. Su kalitesi yönetiminde planlama aracı olarak geliĢtirilen bu model, kararlı hal için olduğu gibi dinamik modellemede de kullanılabilmektedir. Dünyada en sık kullanılan yüzeysel kalite modelidir.
Model kalibrasyonu ve model kullanımı konusunda South Plate (ABD) nehrinde gerçekleĢtirilen çalıĢmalar ile USGS-QW ve QUAL2E modellerinin kalibrasyonu yapılmıĢtır (Paschal ve Mueller 1991).
Su kalite yönetiminde dinamik programlama modellerinden en uygununun belirlenmesi üzerine çözünmüĢ oksijen modelinin QUAL2E ile WASP4 karĢılaĢtırılmalı olarak atık yüklerin tespiti konusunda çalıĢmalar yapılmıĢtır (Cardwell ve Ellis, 1993).
Nehirler üzerinde üçüncü mertebe analiz yapabilen QUICK ve QUICKEST modellerinin farklılıkları ve uyumu Stamou (1992) tarafından çalıĢılmıĢtır.
Ġngilizler SALMONQ paket programını Wellington Enstitüsünde geliĢtirmiĢlerdir. Bu modelin kullanımı QUAL2E ye göre daha zordur. Çünkü çok fazla veriye ihtiyaç duymaktadır (SALMONQ User Documentation 1993).
Kanallarda network modellemesinde simültane çözüm algoritması üzerinde çalıĢmalar yapılmıĢtır (Choi ve Molinas 1993).
Literatürde genetik algoritmayı (GA) su kalite model parametrelerinin belirlenmesinde kullanan araĢtırmacılara rastlanmaktadır. Bunlar çözüm için en küçük kareler yöntemini kullanmıĢlardır (Mulligan ve Brown, 1998).
Rauch et al. (1998) mevcut akarsu su kalite modellerinden 10 önemli yazılımı karĢılaĢtırmalı olarak incelemiĢ ve bunlardan yalnızca iki tanesinin (AQUASIM ve DESERT) sınırlı parametre belirleme özelliğine sahip olduğunu belirtmiĢtir. Bunlardan AQUASIM, su sistemlerinin birçok alanında kullanılabilmektedir. Kısmen basit bir denitrifikasyon prosesi örneği için aktif çamur sistemlerinde model parametrelerinin belirlemesi için kullanılmıĢtır (Reichert et al. 1995).
Libelli ve grubunun çalıĢmasında MATLAB ve ArcView yazılmalarından yararlanarak nehir kalite modeli coğrafi referanslı olarak yapılmıĢtır. Bu çalıĢmada her iki program ASCII bir dosya ile iliĢkilendirilmiĢtir (Libelli et al. 2001). Libelli daha sonra 2002 yılında önceki çalıĢmasının benzer uygulamasını MATLAB'in Mapping Toolbox'ı ile geliĢtirmiĢtir (Libelli et al. 2002).
Son olarak Avrupa Birliği'nde özel bir proje sonucunda ortaya çıkan CBS temelli bir nehir çevre yönetimi ve tehlike değerlendirme yazılımı (GREAT-ER 2003) CBS teknolojisini kullanan bir 'nehir çevre yönetimi ve tehlike değerlendirme' yazılımı olan GREAT-ER (2003)'ın Ġngiltere-Yorkshire, Ġtalya-Lambro ve Almanya-Itter da 2 yıl süre ile doğruluğu sınanmıĢtır. Bu yazılım incelendiğinde bir nehirde izlenmesi gereken kirlilik parametrelerinin çoğunun dikkate alınmadığı görülmektedir. Ayrıca izlenen parametreler sadece kimyasal atıkların takibine yöneliktir. Bu yazılım yatıĢkın hali esas alır. Bilindiği gibi nehir davranıĢı dinamiktir. Ayrıca GREATER yazılımının parametre öngörme özelliği bulunmamaktadır. Oysa bu özellik, akarsuyun kalitesini belirleyecek modelin doğru çalıĢması için son derece önemlidir.
Mevcut su kalite modellerinden bir kısmı Cox (2003) tarafından karĢılaĢtırmalı olarak incelenmiĢ (Tablo 3.1) ve dünyada en çok kullanılanın QUAL2E olduğu belirtilmiĢtir. Ancak, QUAL2E (Brown 1987, Paschal 1991) de dahil olmak üzere, bilinen modellerin çoğunda dinamik benzetim özelliği yoktur ve model parametreleri deneme-yanılma yoluyla belirlenir. Bu iki özelliğe birden tam olarak sahip olan bir yazılım bulmak neredeyse mümkün gözükmemektedir.
Tablo 3.1 Bazı su kalite modellerinin özellikleri (Cox, 2003).
ÖZELLĠK
MODEL
TOMCAT SIMCAT QUAL2E QUASAR MIKE
11 ISIS Boyut 1-D X X X X X X 2-D Zaman YatıĢkın X X X Dinamik X X X Zorluk Basit X X Orta X X KarmaĢık X X Proses Ampirik Mekanistik X X X X X X
Veri tipi Stokastik X X X
Deterministik X X X X
Parametre tahmini
Var X
Yok
Yukarıda sunulan modellerin dıĢında USEPA tarafından desteklenen birkaç model daha vardır. Bu su kalite modellerinin isimleri ve kullanım amaçları Tablo 3.2‟de özetlenmektedir.
2
6
Tablo 3.2 Su kalitesi modelleri (EPA,2010)
Model Kullanım Amacı
AQUATOX
A Simulation Model for Aquatic Ecosystems
Sucul Ekosistemler Ġçin BenzeĢim Modeli
Ekosistemin bir kısmından diğer kısmına geçen kimyasal ve biyokütle benzeĢimini sağlayan ekosistem modeli olarak tanımlanıp, sucul ekosistemde kimyasalın sadece yayılımını tahmin etmekle kalmayıp, aynı zamanda canlı organizmalarda direk ve direk olmayan etkilerini de inceler.
WASP Water Quality Analysis Simulation Program Su Kalitesi Analiz Simulasyon Programı
WASP, yüzey suyundaki kirleticilerin taĢınımı ve transferini belirler. Model bir, iki veya üç boyutlu olarak uygulanabileceği gibi diğer hidrodinamik modellerle de bağlantı kurabilir. WASP, noktasal ve noktasal olmayan kaynaklardan gelen yükleri ve sınır değerleri düĢünerek adveksiyon ve dispersiyonun zamanla değiĢimini simule eder. Su kaynağı her bir kararlı değiĢken için baĢlangıç konsantrasyonları, sınır koĢulları, yükler ve tam karıĢım olan kutulara bölünerek simule edilebilir
CORMIX Cornell Mixing Zone Expert System Cornel KarıĢım Tabakası Uzman Sistemi
Noktasal kaynaklardan deĢarj edilen atıksu karakteristiğinin karıĢım tabakasındaki çevresel etkisini değerlendirmek üzere kullanılan su kalitesi modeli olup 3 alt sistemde incelenir. CORMIX 1 nehir göl ve haliçlerde tek bir noktada olan deĢarjın çevresel etkisini analiz etmede, CORMIX 2, çoklu deĢarjda yayılım karakteristiğini, CORMIX 3 ise yüksek hassasiyette alıcı su ortamında pozitif ve nötral yoğunluğu analiz eder.
QUAL2K Stream Water Quality Model Nehir Su Kalitesi Modeli Kararlı halde , hidrolik uniform olmayan sabit akıĢa göre günlük su kalitesi kinetiklerinin, ısı ve kütle girdileri, sıcaklık ve meteorolojik fonksiyonlarına göre noktasal ve noktasal olmayan kirletici kaynaklarını benzeĢtiren nehir ve ırmak su kalitesi modelidir.
EPD-RIV-I
A Dynamic, One Dimensional Hydrodynamic & Water Quality Model
Dinamik 1- boyutlu Hidrodinamik ve Su
Kalitesi Modeli 1 boyutlu hidrodinamik ve su kalitesi modeli olup , nehir ve göllerdeki mevcut olan Ģartlarda izin verilebilecek atık yükünü analiz etmek amacıyla dinamik Ģartlara göre benzeĢim yapmada kullanılır.
3.6 Akarsu Kalitesi Modeli Uygulama Örnekleri
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
