Akarsularda su kalitesi belirleme ve modelleme

Abstract

Akarsu kirliliği, canlı yaşamını olumsuz etkileyen önemli bir çevre problemidir. Bu çevre probleminin önüne geçmek için, öncelikle akarsu havzalarında su kalitesinin izlenerek kirlilik kaynakları tespit edilmelidir. Sonrasında, belirlenen kirlilik kaynaklarının akarsuya etkisi araştırılarak çevre kirlenmesinin kontrol edilebilmesi için gerekli önlemlerin alınması gerekir. Kirlilik kaynaklarının akarsu uzunluğu boyunca oluşturabileceği olumsuz etkilerin öngörülmesi ve dolayısıyla yapılacak yatırımların akarsuya olası etkilerinin belirlenebilmesi için su kalitesi modellerinin oluşturulması ve bilgisayar ortamında benzetimi oldukça önemlidir. Su kalitesi modellerinde yer alan parametrelerin deneme-yanılma yöntemine gerek kalmadan optimizasyonla belirlenmiş olması model güvenilirliğini sağlamak için yeterlidir. Bu tez kapsamında, Malatya ili sınırlarında yer alan Beylerderesi akarsuyu üzerinde sahada ve laboratuvarda çalışmalar yapılarak, su kalitesi parametreleri analizlenmiştir. Akarsuyun dinamik modellenmesi için seri bağlı tam karıştırmalı tepkime kabı (CSTR) yaklaşımı kullanılmıştır. Beylerderesi akarsuyu dinamik olarak modellenmiş ve kinetik parametreler optimizasyonla bulunmuştur. Model parametrelerinin belirlenmesi, dinamik bir örnekleme süresince alınan tüm gözlem noktalarında hal değişkenlerinin deneysel ve öngörü değerleri arasındaki farkların karelerinin toplamına göre oluşturulan bir objektif fonksiyonunun minimizasyonuna göre yapılmıştır. Optimizasyon adımı için SQP (`Sequential Quadratic Programming?) yöntemi kullanılmıştır. Akarsu ve kirlilik yüklerine ait 9 hal değişkeni (amonyum, nitrit, nitrat ve organik azotlar; organik ve çözünmüş fosforlar; 5 günlük biyokimyasal oksijen ihtiyacı, çözünmüş oksijen ve klor) için ölçümler alınarak, model benzetimi gerçekleştirilmiştir. Akarsuyun 20 km uzunluğu boyunca, yapılan benzetim sonuçları ile deneysel ölçümler kıyaslanarak mutlak ortalama hata yüzdesi hesaplanmıştır. Sonuçlara göre model öngörülerinin, deneysel değerlerle önemli ölçüde uyum sağladığı görülmüştür. Bir akarsu için en önemli göstergelerden olan biyokimyasal oksijen ihtiyacı ve çözünmüş oksijen değişkenleri için hesaplanan mutlak ortalama hata değerleri sırasıyla % 1.39 ve % 0.95 olarak bulunmuştur.

River pollution is a major environmental problem negatively effects on life. In order to prevent this environmental problem, first of all sources of pollution must be determined by monitoring water quality in river basins. Investigating the effect of determined pollution sources, the necessary measures must then be taken for control of environmental pollution. Creation of models and computer simulation of water quality are very important for prediction of the potential adverse effects of pollution sources along the length of stream, and thus determining of the possible effects of investments to stream. In the water quality models, the parameters, determined through optimization without the need for trial and error method, is required to ensure the reliability of the model. In this thesis, studies on the field and in the laboratory, water quality parameters of Beylerderesi River located in the province of Malatya, were analyzed. For the dynamic modeling of the stream, continuous stirred tank reactor (CSTR) approach was used. Beylerderesi stream is modeled as a dynamic model, the kinetic parameters were found by optimization. Determination of the model parameters was made according to minimization of an objective function generated by the sum of the squares of the differences between predictive values and experimental values, all the observations taken during the sampling points of a dynamic state variables. For the step of optimization, SQP ('Sequential Quadratic Programming') method was used. The model, based on the measurements of 9 status variable of streams and pollution loads (ammonium, nitrite, nitrate, and organic nitrogens, and dissolved organic phosphors, 5-day biochemical oxygen demand, dissolved oxygen, and chlorine), was simulated. The mean absolute percentage errors by comparing simulation results with the experimental measurements, along the length of 20 km of stream, were calculated. According to the results the model predictions with the experimental data has been observed that a significant degree of alignment. One of the most important indicators of stream biochemical oxygen demand and dissolved oxygen in the average absolute error values, for the variables calculated, were obtained as 1.39% and 0.95%, respectively.