YÜZEYSEL SU KALİTESİ MODELLEME TEKNİKLERİ ve SWAT
Transkript
YÜZEYSEL SU KALİTESİ MODELLEME TEKNİKLERİ ve SWAT
YÜZEYSEL SU KALİTESİ MODELLEME TEKNİKLERİ ve SWAT MODELİ Doç. Dr. Ali Ertürk 10/10/2013 Model Nedir? • Alıcı ortamın maruz kaldığı etkilere karşı; fiziksel, kimyasal ve biyolojik yapısı itibari ile vereceği tepkilerin tespit edilmesini sağlayan, günümüzde özellikle bilgisayar kullanımı ile geliştirilen araçlardır. • Gerçek ekosistemlerin basitleştirilmesi ve idealleştirilmesi ile problemlerin çözülmesine yararlar. Modellerin Faydaları • 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 kullanılabilinmektedirler. • Modeller yardımıyla alıcı ortamlar üzerinde değişik hipotezler sanal olarak denenebilmektedir. Gerçekleşmemiş olayların sonuçlarının da öngörülmeleri mümkündür. (Senaryo analizleri). Örnek Senaryolar • Yönetilen su ekosisteminin önemli çevresel sorunları yok ama özümleme kapasitesi belirlenmeye çalışılıyor. Bu ekosistem “özümleme kapasitesi aşılana kadar kirletilip çevresel sorunların gözlediği kirletici yükünün özümleme kapasitesi olarak tanımlanması” bir belirleme yöntemi olamayacağına göre model tabanlı bir simülasyon yapılması gerekmektedir. • İklim değişikliği, üzerinde çalıştığımız su ekosistemindeki su kalitesini nasıl etkileyecek? • Su kaynağımızın havzasında tarım %50 artarsa ne olur?. • Su kaynağımıza aniden bir kirletici dökülüyor. Bu kirleticinin su alma ağzında zararlı konsantrasyonlara ulaşması ne kadar sürer? Modellerin Faydaları • Çevre sorunlarının çözülmesi için en uygun seçeneğin belirlenmesi çalışmalarında zaman ve para tasarrufu sağlarlar. • Değişik senaryolar ve çevre risklerinin daha iyi analiz edilmesini sağlarlar. • Doğal proseslerin ve sistemin nasıl işlediğinin daha iyi anlaşılmasını sağlarlar. • Modeller gelecekteki durum ile ilgili yorum yapılabilmesini sağlarlar. Modellerin Kullanım Amaçları • 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 • İzleme ağlarının tasarımında • Kirlenmeye karşı önlemlerin ve islah çalışmalarının muhtemel sonuçlarının belirlenmesinde • Risk altındaki alıcı ortamların belirlenmesinde • Eksik verilerin tamamlanmasında • Su kalitesini etkileyen önemli proseslerin belirlenmesinde • Mevcut su kalitesinin detaylı olarak analizinde Su Kalitesi/Havza Yönetiminde Modellerin Yeri 1 Suyun faydalı kullanım amaçlarının belirlenmesi 4 3 Matematiksel modeller ile etki-tepki ilişkilerinin bulunması Su kalitesi standartları 2 Belirlenen faydalı kullanım amaçları için su kalitesi ölçütleri 5 Su kalitesi standartlarını sağlayabilmek için yapılması gerekenler, duyarlılık analizleri 6 Emniyet faktörlerinin belirlenmesi 8 Su kalitesi standartlarının suyun faydalı kullanım amaçları ile uyumluluğu ve elde edilecek faydalar 9 Su kalitesi yönetim planının oluşturulması 7 Fayda – maliyet analizleri Modelleme (Model Geliştirme) Sürecinin Adımları Problemin tanımı Arazi ve laboratuar verileri Teorik çatı Sayısal tanımlama Doğrulama Kalibrasyon Geçerlilik Kontrolü Modelin Uygulanması Doğrulama Geliştirilen modelin hesap sisteminin ya da modelleme yazılımlarının doğru çalıştıklarından emin olunmalıdır. Aşağıdaki testler mutlaka yapılmalıdır. • Model, sistemin kütle dengesini koruyabiliyor mu? • Su kalitesi değişkenleri arasındaki ilişkiler beklendiği gibi mi? • Kullanılan sayısal çözüm yöntemleri, model ortamında canlandırılan ekosistemin yapısını temsil etmeye uygun mu? Kalibrasyon Model katsayılarının değiştirilmesi suretiyle arazi verilerinin model çıktıları ile uyumlarının sağlanması olarak tanımlanmaktadır. Kalibrasyon - Devam DOĞRULUKLARI SINANMIŞ MODEL GİRDİLERİ ARAZİDE YAPILAN ÖLÇÜMLER Ekosisteme özel kinetik ve stokiyometrik katsayılar ARA SONUÇLAR Süreçler ile ilgili taşınım ve dönüşüm denklemlerinin genel çözümleri Ara sonuçlar, arazi ölçümleri ile uyumlu mu? Süreçler ile ilgili kinetik ve stokiyometrik katsayılar Hayır MODEL Evet Kalibrasyon - Devam • Karmaşık modellerin kalibrasyonları da uzun sürebilmektedir. • Model katsayıları ekosistem için kalibre edilene kadar modelin binlerce kez çalıştırılması gerekebilmektedir. • Bu zor, sıkıcı ve pek de üretken olmayan bir süreçtir. • Bu nedenle otomatik kalibrasyon algoritmaları geliştirilmiştir. Geçerlilik Kontrolü Kalibre edilmiş modelin mümkün olduğu kadar farklı koşullar için yeniden çalıştırılıp üretilen sonuçların farklı koşulları temsil eden arazi verileriyle karşılaştırılması olarak tanımlanmaktadır. Model Geliştirme Süreci Modelin Uygulanması/Kullanılması Matematiksel Model Sınıfları Ampirik Modeller Örneğin fosfor ve chl-A arasındaki ilişkiyi deneysel verilerin analiziyle elde eden modellerdir. Kuramsal Modeller Bu tip modeller etkin mekanizmaları matematiksel denklemlerle ifade edip olayları açıklayacak şekilde tasarlanmaktadır. Kuramsal Modellerin Prensipleri Kütle Korunumu Kanunu Doğada enerji ve madde vardan yok olamaz. Yoktan var olamaz. Ancak dönüşümlere uğrayabilir. Teori ağırlıklı modellerdeki hesaplar bu kanuna dayanmaktadır. Korunan Özelliklere Örnekler: • Kütle (su kütlesi, bileşen kütlesi) (Su kütlesi = yoğunluk x hacim) (Bileşen kütlesi = konsantrasyon x hacim) • Momentum (Momentum = kütle x hız) • Isı Karmaşık Olmayan Bir Model 1) Havalanma 2) Sedimentin oksijen ihtiyacı 3) Organik maddenin oksitlenmesi 4) Organik maddenin çökelmesi Karmaşık Bir Model CE-QUAL-R1 Fitoplankton Karbonlu (C 4 a nc ) v S4 G P1 a nc C 4 D P1 a nc C 4 a C t D nc 4 Organik Azot v (1 f D7 ) C7 C4 20) C 7 S3 D P1 a nc f on C 4 k 71θ (T C7 71 t D K mPc C 4 Amonyum Azotu C6 C1 C4 (T 20) C 7 G P1 a nc PNH3 C 4 k 12 θ12 C1 D P1 a nc (1f on )C 4 k 71θ 71(T 20) t K mPc C 4 K NIT C 6 Nitrat Azotu C6 K NO3 C 2 (T 20) 20) C1 G P1 a nc (1 PNH3 ) C 4 k 2D θ (T C 2 k 12 θ12 2D dt K NIT C 6 K NO3 C 6 Çözünmüş Oksijen C6 C6 C6 64 20) (T 20) C 5 C1 k 2 (CS C 6 ) k d θ (T k 12 θ12 d t K C 14 K C BOD 6 NIT 6 SOD (T 20) 32 32 48 (T 20) θS G P1 a nc 1PNH3 C 4 k 1R θ1R C4 D 12 12 14 Organik Fosfor WASP Modeli EUTRO Modülü v S 3 (1 f D8 ) (C 8 ) C4 ( T 20) C8 D P1 a PC f OP C 4 k 83 83 C8 t D K mPC C 4 İnorganik Fosfor (C3 ) (T 20) (T 20) k PZD θ PZD a PC (1 f OP ) C 4 k OPD θ OPD f D8 C8 t Su Kalitesinin Tahmin Edilmesi Yağış Hidrolojik hesaplar Sosyoekonomik yapı ve endüstriyel faaliyetler Yüzeysel akış (debi) Arazi kullanımı ve özellikleri Kirletici yükü Yeraltına sızan debi Yüzey altındaki taşınım ve dönüşüm süreçleri HAVZA MODELİ Havzada yüzeyde taşınım ve dönüşüm süreçleri Su kalitesi değişkenlerinin zamana ve konuma göre alacakları tahmin edilen sayısal değerler Veriler Modeller Sonuçlar Yardımcı araçlar Noktasal kaynaklardan gelen yükler Su ortamına ulaşan kirletici yükleri •Birim dönüşümü •Zaman serisi analizi •Biçimlendirme SU EKOLOJİSİ MODELİ Su kaynağındaki taşınım ve dönüşüm süreçleri Su kalitesi hesapları için gerekli diğer veriler Farklı senaryolar için su kaynağına ulaşan kirletici yükler Havza/Hidrolojik Modeller • SWAT • HSPF • Ve daha onlarcası Hidrodinamik Modeller • • • • • • SHYFEM* TELEMAC MOHID* EFDC* SSIIM* CE-QUAL-W2* * Su kalitesi/ekolojisi bileşenleri de var. Su Kalitesi/Ekolojisi Modelleri • • • • • • • • AQUATOX WASP ECOPATH ve ECOSIM CE-QUAL-R1 WQRRS ESTAS SİSMOD EGÖLEM Modelleme İçin Gerekli Bileşenler • Donanım • Yazılım • Modelleme konusunda yetişmiş uzman personel • Ve en önemlisi veri GEREKLİ VERİLER MODELLEMENİN UYMAMA SEÇENEĞİ OLMAYAN ÜÇ KURALI • Modeller; su, enerji ve kütlenin korunumu üzerine kuruludur. • Modellenen ortam bilgisayar ortamında gerçeğe mümkün olan en yakın şekilde temsil edilmelidir. Bu koşul ancak kurumlarımızın ellerindeki verileri paylaşmaları ile gerçekleştirilebilir. • Toplam üç kural vardır. Havza Modellerinin Çalıştırılması İçin Gerekli Veriler • Topgrafya (SYM) • Akarsular ve göletlerle ilgili geometrik veriler (Batimetri, enkesit, vb) • Su mühendisliği yapılarının özellikleri (Göletler, küçük barajlar, köprüler, bağlamalar, su alma yapıları, sulama yapıları, vb.) • Su kullanımı ile ilgili ayrıntılı* veriler (aylık) • Su ortamlarına deşarjlar ile ilgili ayrıntılı** veriler (aylık) * Ne zaman, hangi kaynaktan ne kadar su alınıyor. ** Ne zaman, nereye, hangi debi ve kalitede (modellenmesi istenen parametreler açısından) deşarj var. Havza Modellerinin Çalıştırılması İçin Gerekli Veriler - Devam • Arazi kullanımı ve özellikleri - tarım, orman alanları ve yerleşim alanları - sayısallaştırılmış köy sınırlar (mümkün değilse ilçe sınırları) - mümkün olduğu kadar çok yıl için köy ölçeğinde gübre kullanımı ve hayvanclılık verileri (mümkün değilse ilçe) - ürün deseni ve zirai operasyonlar - jeoloji ve hidrojeoloji Havza Modellerinin Çalıştırılması İçin Gerekli Veriler - Devam • Havzayı temsil eden metroloji istasyonlarında mümkün olduğunca uzun süreli meteorolojik zaman serileri - yağış (saatlik) - sıcaklık (saatlik ve günlük maksimum ve minimumlarla birlikte) - nem (saatlik) - hava basıncı (saatlik) - rüzgar hızı ve yönü (saatlik) - buharlaşma (saatlik, mümkün değilse günlük) - bulutluluk (saatlik) - güneş ışıması (saatlik) Havza Modellerinin Doğrulanması İçin Gerekli Veriler • Akarsulardaki debiler (günlük, mümkünse sürekli) • Akarsular ve göletlerle modellenen parametreler için su kalitesi değerler (Aylık) • Ürün desenine göre ürün verimleri Hidrodinamik Modellerin Çalıştırılması İçin Gerekli Veriler • Ayrıntılı* batimetri • Kıyı bölgesinin büyük ölçekli/ayrıntılı topografyası • Modellenen ortama olan tüm girişlerin en azından günlük zaman çözünürlüğünde debileri. • Özellikle baraj göllerinde modellenen ortamın su kaynağı işletmesi ile ilgili günlük veriler * Eş derinlikler 1 m aralıklarla verilmeli, baraj göllerinde en azından ana akarsu girişlerinin yakın civarında batimetrik ölçümler yenilenmeli. Hidrodinamik Modellerin Çalıştırılması İçin Gerekli Veriler-Devam • Eğer mümkünse uzun yıllar günlük verilerle doğrulanmış bir havza modelleme çalışmasından elde edilen anlık debiler. Hidrodinamik Modellerin Çalıştırılması İçin Gerekli Veriler - Devam • Su ortamını temsil eden metroloji istasyonlarında mümkün olduğunca uzun süreli meteorolojik zaman serileri - yağış (saatlik) - sıcaklık (saatlik ve günlük maksimum ve minimumlarla birlikte) - nem (saatlik) - hava basıncı (saatlik) - rüzgar hızı ve yönü (saatlik) - buharlaşma (saatlik) - bulutluluk (saatlik) - güneş ışıması (saatlik) Hidrodinamik Modellerinin Doğrulanması İçin Gerekli Veriler • Su seviyeleri (limnigraf - günlük, mümkünse sürekli) • Su sıcaklığı (günlük) • Akıntı hızı ve yönleri (mümkün olduğu kadar çok noktada ve yüksek zamansal çözünürlükte) Su Kalitesi/Ekolojisi Modellerinin Çalıştırılması İçin Gerekli Veriler • Su ortamını temsil eden metroloji istasyonlarında mümkün olduğunca uzun süreli meteorolojik zaman serileri - hava sıcaklığı (günlük) - nem (günlük) - su sıcaklığı (günlük, mümkünse iyi doğrulanmış bir hidrodinamik modelden alınan sürekli simülasyon sonuçları) - rüzgar hızı (saatlik, mümkün değilse günlük ortalama) - buharlaşma (günlük) - bulutluluk (günlük) - güneş ışıması (saatlik) Su Kalitesi/Ekolojisi Modellerinin Çalıştırılması İçin Gerekli Veriler - Devam • Ayrıntılı* batimetri • Kıyı bölgesinin büyük ölçekli/ayrıntılı topografyası • Modellenen ortama olan tüm girişlerin en azından günlük zaman çözünürlüğünde debileri. • Eğer mümkünse uzun yıllar günlük verilerle doğrulanmış bir havza modelinden elde edilen anlık debiler. * Eş derinlikler 1 m aralıklarla verilmeli, baraj göllerinde en azından ana akarsu girişlerinin yakın civarında batimetrik ölçümler yenilenmeli. Su Kalitesi/Ekolojisi Modellerinin Çalıştırılması İçin Gerekli Veriler - Devam • Eğer mümkünse uzun yıllar günlük verilerle doğrulanmış bir havza modelleme çalışmasından elde edilen anlık debiler ve modellenen su kalitesi değişkenlerinin anlık değerleri. • Eğer böyle bir çalışma yoksa modellenen su ortamına giren başlıca akarsularda ölçülmüş günlük debiler ve su kalitesi değişkenlerinin aylık ölçümleri. • Modellenen su ortamına giren başlıca deşarjların (en azından diğerlerini temsil edici olanlarını) aylık debileri ve ilgili su kalitesi değişkenlerinin aylık ölçümleri. Su Kalitesi/Ekolojisi Modellerinin Çalıştırılması İçin Gerekli Veriler - Devam • Eğer mümkünse uzun yıllar günlük verilerle doğrulanmış bir hidrodinamik modelleme çalışmasından elde edilen anlık debiler • Su kaynağının kullanımı ile ilgili bilgiler (işletme koşulları, su ürünleri avcılığı ve yetiştiriciliği operasyonları, vb.) • Ortamın ekolojik yapısı (taban yapısı, çökellerin durumu, jeoloji, tabanda yaşayan canlılar sazlıklar, vb.) • Yetiştirilen su ürünleri ile ilgili ayrıntılı veriler (örneğin yaş ve boy dağılımları, biyokütle, vb.) Su Kalitesi/Ekolojisi Modellerinin Doğrulanması İçin Gerekli Veriler • Modellenen su kalitesi değişkenlerinin (parametrelerinin) en az bir yıl boyunca birden çok istasyonda, her istasyonda temsil edici birden çok derinlik için en az aylık ölçümü. • Bu ölçümlerin mümkünse bir hidrolojik yıla denk gelecek şekilde planlanmalı. • Modellenen değişkenlerle ilgili yerinde süreç hızları (örneğin fotosentez, solunum, fiksasyon vb) ölçümü. Model Denklemlerinin Sayısal Çözümü Sayısal Çözüm • Model uzayı sonlu sayıda homojen bölgeye ayrılır (konumsal ayrıklaştırma). • Zaman sonlu sayıda aralığa bölünür. (zamansal ayrıklaştırma). • Her zaman aralığı için her homojen bölgede kütle dengesi kurularak, taşınım denklemi sonlu sayıda cebirsel denkleme dönüştürülür. Zamansal Ayrıklaştırma • Açık yöntemler Gelecek zaman aralığındaki çözüm, şimdiki zaman aralığındaki değerler ile hesaplanır. • Kapalı yöntemler Gelecek zaman aralığındaki çözüm, gelecek zaman aralığındaki değerler ile hesaplanır. • Yarı kapalı yöntemler Gelecek zaman aralığındaki çözüm, şimdiki ve gelecek zaman aralıklarındaki değerler ile hesaplanır. Zamansal Ayrıklaştırma d C k C dt Açık çözüm C t t C t k C t t C t t C t k C t t C t t C t k C t t Birinci mertebe bozunma denklemi Zamansal Ayrıklaştırma d C k C dt Kapalı Çözüm C t t C t k C t t t C t t C t k C t t t C t t k C t t t C t C t t 1 k t C t C t t Ct 1 k t Birinci mertebe bozunma denklemi Zamansal Ayrıklaştırma d C k C dt Birinci mertebe bozunma denklemi Yarı Kapalı Çözüm C t t C t C t t C t k t 2 C t t C t C t t C t k t 2 C t t C t t C t t Ct Ct k t k t 2 2 C C k t t t C t k t t 2 2 C t t C t t k t k t 1 C t 1 2 2 k t 1 2 Ct k t 1 2 Açık Çözümlü Tek Kutu Modeli V d C Q C0 Q C k V C dt d Q C C0 C k C dt V Açık çözüm C t t C t Q C0 C t k C t t V Q C t t C t C0 C t k C t t V Q C t t C t C0 C t k C t t V Açık Çözümlü Tek Kutu Modeli Daha yakından bir bakış Sınır konsantrasyonu Ct t Q 0 Ct C Ct k Ct t V Gelecek zaman adımındaki konsantrasyon Şimdiki zaman adımındaki konsantrasyon Türev (Kütle dengesi denkleminin sağ tarafı) Zaman aralığının uzunluğu (Zaman adımı) Açık Çözümlü Tek Kutu Modeli Türeve daha yakından bir bakış Taşınım türev fonksiyonu Kinetik türev fonksiyonu Q 0 C Ct k Ct V Kinetik katsayı Türev (Kütle dengesi denkleminin sağ tarafı) Açık Çözümlü Tek Kutu Modeli Birden çok değişkenin modellendiği duruma göre genelleştirme f C ,C f k ,k ,,k , C , C ,, C t C1t t C1t fTaşı nım C0,1, C1t fKinetik k1, k 2 ,, k m , C1t, C2t ,, Cnt t C2t t C2t Taş ı nım 0,2 2 t Kinetik 1 2 m 1 t 2 t n t Cnt t Cnt fTaş ı nım C0,n , Cnt fKinetik k1, k 2 ,, k m , C1t, C2t ,, Cnt t Taşınım türev fonksiyonu Durum Durum değişkeninin değişkeninin gelecek zaman şimdiki zaman adımındaki adımındaki konsantrasyon konsantrasyon Kinetik türev fonksiyonu Türev (Kütle dengesi denkleminin sağ tarafı) Zaman aralığının uzunluğu (Zaman adımı) Kinetik türev fonksiyonuna daha yakından bir bakış C 1 2 ns fKinetik k1, k 2 ,, k m , Ct , Ct ,, Ct t Kinetik Kinetik katsayılar Durum değişkenleri k1 f1 T, S, pH,C1t, C2t ,, Cns t , diğ er ç evre koş ulları 1 k 2 f2 T, S, pH,C1t, C2t ,, Cns t , diğ er ç evre koş ulları 2 k m fm T, S, pH,C1t, C2t ,, Cns t , diğ er ç evre koş ulları m Kinetik türev fonksiyonu, durum değişkenlerini birbirlerine bağımlı hale getirir. Kinetik türev fonksiyonuna daha yakından bir bakış NO3 N R t Kinetik Nİ T RAT LAŞ MA İlgilenilen durum değişkeni RNİT RAT İNDİRGENMES İ RNO3 ALIMI,PHY_D RNO3 ALIMI,PHY_C Kinetik katsayı RNO3_ALIMI, PHY_G Diğer durum değişkenleri ne bağımlılık RNİ TRATLAŞMA kNITR NH4 N kNITR kNITR,20 NITR T - 20 Kinetik katsayı O 2 corrNITR,pH O2 KHNITR,O 2 Kinetik türev fonksiyonu (ları) karmaşık ve doğrusal olmayan denklemlerden oluşabilirler. Konumsal Ayrıklaştırma • Sonlu Farklar Konumsal Ayrıklaştırma • Sonlu Elemanlar Konumsal Ayrıklaştırma • Kutular (sonlu farkların özel durumu) Örnek bir su kalitesi modeli Denitrifikasyon Salınım Çökelme Oksitlenme Çökelme SOİ if itr ika on y s N Bünyeye alma Bünyeye alma Solunum ve ölüm Bünyeye alma Salınım Solunum ve ölüm Çökelme Meraklısına … function [OUTMASSES, CONCENTRATIONS] = ... WQ_ROUTE_1(IN_MASSES, OUTFLOWS, INITIAL_CONCENTRATIONS, ... VOLUMES, NUM_TIME_STEPS, D_T, DYNAMIC_FORCINGS, ... ELEVATION) NUM_S_VARS CONCENTRATIONS OUTMASSES = numel(INITIAL_CONCENTRATIONS); = ones(NUM_TIME_STEPS, NUM_S_VARS) * (-9999); = ones(NUM_TIME_STEPS, NUM_S_VARS) * (-9999); CONCENTRATIONS(1,:) = INITIAL_CONCENTRATIONS; OUTMASSES (1,:) = INITIAL_CONCENTRATIONS .* OUTFLOWS(1); MASSES = INITIAL_CONCENTRATIONS .* VOLUMES (1); CONSTANTS = 0; OPTIONS = 1; for i = 2:NUM_TIME_STEPS FORCINGS(1:9) = DYNAMIC_FORCINGS(i - 1,:); FORCINGS(10) = ELEVATION; [KINETIC_DERIVS, SETTLING_DERIVS] = ... WQ_KINETICS_1(CONCENTRATIONS(i - 1, :), CONSTANTS, ... FORCINGS, OPTIONS); %[KINETIC_DERIVS, SETTLING_DERIVS] = ... % WQ_KINETICS_1_mex(CONCENTRATIONS(i - 1, :), CONSTANTS, ... % FORCINGS, OPTIONS); KINETIC_DERIVS = VOLUMES(i - 1) .* KINETIC_DERIVS; MASSES = MASSES + ... ((IN_MASSES(i-1,:) - OUTMASSES(i-1,:) + ... KINETIC_DERIVS)) * D_T; CONCENTRATIONS(i,:) = MASSES ./ VOLUMES(i); for j = 1:NUM_S_VARS if (isnan(CONCENTRATIONS(i,j))) fprintf('\n\n\n'); fprintf('---------------------------\n'); fprintf('!!! ERROR IN WQ_ROUTE_1 !!!\n'); fprintf('---------------------------\n'); fprintf('\n'); fprintf('State variable no : %d\n' , j); fprintf('VOLUMES(i-1) : %f\n' , VOLUMES(i-1)); fprintf('VOLUMES(i) : %f\n' , VOLUMES(i)); fprintf('IN_MASSES(i-1) : %f\n' , IN_MASSES(i-1,:)); fprintf('OUTMASSES(i-1) : %f\n' , OUTMASSES(i-1,:)); fprintf('KINETIC_DERIVS : %f\n' , KINETIC_DERIVS); fprintf('MASSES (j) : %f\n' , MASSES (j)); fprintf('KINETIC_DERIVS(j) : %f\n\n', KINETIC_DERIVS(j)); error('Concentration is not a number'); end if (CONCENTRATIONS(i,j) < 1.0E-10) CONCENTRATIONS(i,j) = 1.0E-10; end end MASSES OUTMASSES end end = CONCENTRATIONS(i,:) .* VOLUMES(i); (i,:) = CONCENTRATIONS(i,:) .* OUTFLOWS(i); function [DERIVS, SETTLING_DERIVS] = ... WQ_KINETICS_1(S_VARS, CONSTANTS, FORCINGS, OPTIONS) NUM_SVAR = numel(S_VARS); DERIVS = ones(1,NUM_SVAR) * (-9999); SETTLING_DERIVS = ones(1,NUM_SVAR) * (-9999); PHYC ORGN NH4N NO2N NO3N ORGP PO4P CBOD DOXY TEMP = = = = = = = = = = K_H_ORGN_MINER = 0.2; K_H_ORGN_SETTL = 0.2; K_H_ORGP_MINER = 0.05; K_H_ORGP_SETTL = 0.05; K_H_CBOD_MINER = 1.0; K_H_DOXY_MINER = 1.0; K_H_CBOD_SETTL = 1.0; S_VARS(1); S_VARS(2); S_VARS(3); S_VARS(4); S_VARS(5); S_VARS(6); S_VARS(7); S_VARS(8); S_VARS(9); S_VARS(10); K_DENIT = 0.8; THETA_K_DENIT = 1.02; K_HS_DOXY_DENIT = 1.0; % Air temperature (degrees Celcisus) AIR_TEMP = FORCINGS(1); C_TO_CHLA N_TO_C P_TO_C O2_TO_C K_G_20 THETA_K_G K_R_20 THETA_K_R V_S_A_20 THETA_V_S_A_20 K_H_N_A K_H_P_A = = = = = = = = = = = = 30; 0.25; 0.05; 2.66; 2.0; 1.066; 0.05; 1.045; 0.3; 1.03; 0.2; 0.05; K_MIN_N THETA_K_MIN_N V_S_N_20 THETA_V_S_N_20 = = = = 0.3; 1.04; 0.5; 1.04; K_NITR_1_20 THETA_NITR_1 K_H_NH4N_NITR_1 K_H_DOXY_NITR_1 K_H_PREF_NH4N_GROWTH_NH4N = = = = = 0.5; 1.045; 0.6; 1.5; 0.1; % Current velocity (m/s) CURRENT_VEL = FORCINGS(7); K_NITR_2_20 THETA_NITR_2 K_H_NO2N_NITR_2 K_H_DOXY_NITR_2 = = = = 5.0; 1.045; 0.1; 1.5; % Background light extinction of water (m^-1) K_E_W = FORCINGS(9); K_MIN_P THETA_K_MIN_P V_S_P_20 THETA_V_S_P_20 = = = = 0.3; 1.04; 0.5; 1.04; K_MIN_C THETA_K_MIN_C V_S_C_20 THETA_V_S_C_20 = = = = 0.3; 1.04; 0.5; 1.04; K_A_20 THETA_K_A_20 = 0.5; = 1.045; %I_S K_HS_LIGHT W_TYPE = 100000; = 3000; = 1; % Relative hummidity R_H = FORCINGS(2); % --------------------------------------------------------------------% PROCESS RATE CALCULATION FOR TEMPERATURE % --------------------------------------------------------------------C_P = 1000000; RHO = 1; SIGMA = 11.7E-8; %Stefan-Bolzman constant cal / (cm^2 * d * K^4) A = 0.6; R_L = 0.03; EMISS_WATER = 0.97; C_1 = 0.47; %Bowen ratio, mmHg C-1 % Calculate the saturation vapour pressure E_SAT = 4.596 * exp((17.27 * AIR_TEMP) / (237.3 + AIR_TEMP)); E_AIR = R_H * E_SAT; % T_D = 237.3 / (17.27/log(E_AIR / 4.596)); E_S = 4.596 * exp((17.27 * TEMP) / (237.3 + TEMP)); HEAT_CAP = RHO * C_P * H; F_UW = 19.0 + (0.95 * WIND_SPEED * WIND_SPEED); NET_SOLAR_RAD = J_SN / HEAT_CAP; % Shortwave solar radiaton (MJ.m^2.day^-1) J_SN = FORCINGS(3) * 238845.8966275; ATMOSPHERIC_LONG_WAVE_RAD = (SIGMA / HEAT_CAP) * ... ((AIR_TEMP+ 273).^4) * (A + 0.031 *(E_AIR.^0.5)) * (1 - R_L); % Wind speed (m/s) WIND_SPEED = FORCINGS(4); WATER_LONG_WAVE_RAD = EMISS_WATER * ... (SIGMA / HEAT_CAP) * ((AIR_TEMP + 273).^4); FRAC_L = FORCINGS(5); % Depth(m) H = FORCINGS(6); CONDUCTION = C_1 * F_UW * (TEMP - AIR_TEMP); EVAPORATION = F_UW * (E_S - E_AIR); % --------------------------------------------------------------------% END OF PROCESS RATE CALCULATION FOR TEMPERATURE % --------------------------------------------------------------------- if (H < 0.1) H = 0.1; end % Salinity (ppt) SALT = FORCINGS(8); % Elevation ELEV = FORCINGS(10); % --------------------------------------------------------------------% PROCESS RATE CALCULATIONS FOR PHYTOPLAKTON % --------------------------------------------------------------------if (OPTIONS == 1) % Calculate the TEMPerature limitation LIM_TEMP_A = (THETA_K_G .^(TEMP - 20)); % Calculate INORG_SOLID DETRITUS CHLA the light limitation = 0; = 0; = (PHYC / C_TO_CHLA) * 1000; K_E_P = K_E_W + (0.052 * INORG_SOLID) + (0.174 * DETRITUS); K_E = K_E_P + (0.0088 * CHLA) + (0.054 *(CHLA .^ (2/3))); %238845.8966275 (MJ ---> Calories) I_A = 0.45 * FORCINGS(9) * 238845.8966275; %ALPHA_0 = (I_A / I_S); %ALPHA_1 = (I_A / I_S) * exp(-K_E * H); if (OPTIONS == 1) TEMP = 5.0 + (0.75 * AIR_TEMP); else TEMP = 10; end %LIM_LIGHT_A = ((2.718 * FRAC_L) ./ (K_E * H)) * ... % (exp(-ALPHA_1)-exp(-ALPHA_0)); %if (LIM_LIGHT_A < 0.5) % LIM_LIGHT_A = 0.5; %end AVG_LIGHT = (I_A / (H * K_E)) * (1 - exp(-K_E * H)); LIM_LIGHT_A = AVG_LIGHT / (AVG_LIGHT + K_HS_LIGHT);2 RESPIRATION = K_R_20 * (THETA_K_R .^(TEMP - 20)) * PHYC; SETTLING_A = (V_S_A_20 / H) * (THETA_V_S_A_20 .^(TEMP - 20)) * PHYC; % --------------------------------------------------------------------% PROCESS RATE CALCULATION FOR TEMPERATURE % --------------------------------------------------------------------C_P = 1000000; RHO = 1; SIGMA = 11.7E-8; %Stefan-Bolzman constant cal / (cm^2 * d * K^4) A = 0.6; R_L = 0.03; EMISS_WATER = 0.97; C_1 = 0.47; %Bowen ratio, mmHg C-1 % Calculate the saturation vapour pressure E_SAT = 4.596 * exp((17.27 * AIR_TEMP) / (237.3 + AIR_TEMP)); E_AIR = R_H * E_SAT; % T_D = 237.3 / (17.27/log(E_AIR / 4.596)); E_S = 4.596 * exp((17.27 * TEMP) / (237.3 + TEMP)); % --------------------------------------------------------------------% END OF PROCESS RATE CALCULATIONS FOR PHYTOPLAKTON % --------------------------------------------------------------------- % --------------------------------------------------------------------% PROCESS RATE CALCULATIONS FOR NITROGEN CYCLE % --------------------------------------------------------------------% Organic Nitrogen RESPIRATION_N = N_TO_C * RESPIRATION; LIM_ORGN_MINER = ORGN / (ORGN + K_H_ORGN_MINER); LIM_ORGN_SETTL = ORGN / (ORGN + K_H_ORGN_SETTL); MINERALIZATION_N = K_MIN_N * (THETA_K_MIN_N .^(TEMP - 20)) LIM_ORGN_MINER * ORGN; HEAT_CAP = RHO * C_P * H; F_UW = 19.0 + (0.95 * WIND_SPEED * WIND_SPEED); SETTLING_N NET_SOLAR_RAD = J_SN / HEAT_CAP; ATMOSPHERIC_LONG_WAVE_RAD = (SIGMA / HEAT_CAP) * ... ((AIR_TEMP+ 273).^4) * (A + 0.031 *(E_AIR.^0.5)) * (1 - R_L); % NH4N LIM_TEMP_NITR_1 = THETA_NITR_1 .^(TEMP - 20); LIM_NH4N_NITR_1 = NH4N / (K_H_NH4N_NITR_1 + NH4N); LIM_DOXY_NITR_1 = DOXY / (K_H_DOXY_NITR_1 + DOXY); WATER_LONG_WAVE_RAD = EMISS_WATER * ... (SIGMA / HEAT_CAP) * ((AIR_TEMP + 273).^4); NITRIFICATION_1 = K_NITR_1_20 * LIM_TEMP_NITR_1 * .... LIM_NH4N_NITR_1 * LIM_DOXY_NITR_1; CONDUCTION = C_1 * F_UW * (TEMP - AIR_TEMP); EVAPORATION = F_UW * (E_S - E_AIR); % --------------------------------------------------------------------% END OF PROCESS RATE CALCULATION FOR TEMPERATURE % --------------------------------------------------------------------- SEDIMENT_RELEASE_N = 0; % --------------------------------------------------------------------% PROCESS RATE CALCULATIONS FOR PHYTOPLAKTON % --------------------------------------------------------------------if (OPTIONS == 1) % Calculate the TEMPerature limitation LIM_TEMP_A = (THETA_K_G .^(TEMP - 20)); % Calculate INORG_SOLID DETRITUS CHLA the light limitation = 0; = 0; = (PHYC / C_TO_CHLA) * 1000; K_E_P = K_E_W + (0.052 * INORG_SOLID) + (0.174 * DETRITUS); K_E = K_E_P + (0.0088 * CHLA) + (0.054 *(CHLA .^ (2/3))); AVG_LIGHT = (I_A / (H * K_E)) * (1 - exp(-K_E * H)); LIM_LIGHT_A = AVG_LIGHT / (AVG_LIGHT + K_HS_LIGHT); LIM_LIGHT_A = real(LIM_LIGHT_A); % Calculate the nutrient limitation DIN = NH4N + NO3N; LIM_NUT_A = min((DIN / (K_H_N_A + DIN)), (PO4P / (K_H_P_A + PO4P))); GROWTH = K_G_20 * LIM_TEMP_A * min(LIM_LIGHT_A, LIM_NUT_A) * PHYC; * ... = (V_S_N_20 / H) * (THETA_V_S_N_20 .^(TEMP - 20)) * ... LIM_ORGN_SETTL * ORGN; PREF_NH4N_GROWTH = NH4N / (NH4N + K_H_PREF_NH4N_GROWTH_NH4N); GROWTH_NN4N = N_TO_C * GROWTH * PREF_NH4N_GROWTH; % NO2N LIM_TEMP_NITR_2 = THETA_NITR_2 .^(TEMP - 20); LIM_NO2N_NITR_2 = NO2N / (K_H_NO2N_NITR_2 + NH4N); LIM_DOXY_NITR_2 = DOXY / (K_H_DOXY_NITR_2 + DOXY); NITRIFICATION_2 = K_NITR_2_20 * LIM_TEMP_NITR_2 * .... LIM_NO2N_NITR_2 * LIM_DOXY_NITR_2; % NO3N LIM_TEMP_DENIT = THETA_K_DENIT .^(TEMP - 20); LIM_O2_DENIT = K_HS_DOXY_DENIT / (DOXY + K_HS_DOXY_DENIT); GROWTH_NO3N = N_TO_C * GROWTH * (1 - PREF_NH4N_GROWTH); DENITRIFICATION = K_DENIT * LIM_O2_DENIT * LIM_TEMP_DENIT; % --------------------------------------------------------------------% END OF PROCESS RATE CALCULATIONS FOR NITROGEN CYCLE % --------------------------------------------------------------------% --------------------------------------------------------------------% PROCESS RATE CALCULATIONS FOR PHOSPHORUS CYCLE % --------------------------------------------------------------------% Organic Phoshorus LIM_ORGP_MINER = ORGP / (ORGP + K_H_ORGP_MINER); LIM_ORGP_SETTL = ORGP / (ORGP + K_H_ORGP_SETTL); RESPIRATION_P = P_TO_C * RESPIRATION; else GROWTH = 0; V_S_A_20 = 1.0; K_R_20 = K_R_20 * 2; end MINERALIZATION_P = K_MIN_P * (THETA_K_MIN_P .^(TEMP - 20)) LIM_ORGP_MINER * ORGP; SETTLING_P * ... = (V_S_P_20 / H) * (THETA_V_S_P_20 .^(TEMP - 20)) * ... LIM_ORGP_SETTL * ORGP; % Phosphate Phosphorus SEDIMENT_RELEASE_P = 0; GROWTH_P = P_TO_C * GROWTH; % --------------------------------------------------------------------% END OF PROCESS RATE CALCULATIONS FOR PHOSPHORUS CYCLE % --------------------------------------------------------------------- % --------------------------------------------------------------------% PROCESS RATE CALCULATIONS FOR ORGANIC MATTER AND DISSOLVED OXYGEN % --------------------------------------------------------------------% Carbonaceous BOD LIM_CBOD_MINER = CBOD / (CBOD + K_H_CBOD_MINER); LIM_CBOD_SETTL = CBOD / (CBOD + K_H_CBOD_SETTL); LIM_O2_MINER = DOXY / (DOXY + K_H_DOXY_MINER); % Phosphate Phosphorus DERIVS(7) = MINERALIZATION_P + SEDIMENT_RELEASE_P - GROWTH_P; SETTLING_DERIVS(7) = 0; MINERALIZATION_O2 = K_MIN_C * (THETA_K_MIN_C .^(TEMP - 20)) LIM_CBOD_MINER * LIM_O2_MINER * CBOD; % Dissolved Oxygen DERIVS(9) = REAERATION - MINERALIZATION_O2 - SOD + GROWTH_O2 - ... RESPIRATION_O2 - NITRIFICATION_1_O2 - NITRIFICATION_2_O2; * ... SETTLING_O2 = (V_S_C_20 / H) * (THETA_V_S_C_20 .^(TEMP - 20)) * ... LIM_CBOD_SETTL * CBOD; % Dissolved Oxygen if (OPTIONS == 1) C_SAT_O2 = DO_SATURATION(TEMP, SALT, ELEV); if (K_A_20 > 0) K_A = K_A_20 * (THETA_K_A_20 .^(TEMP - 20)); else KA_WIND = KAWIND (WIND_SPEED, TEMP, AIR_TEMP, H, WTYPE); KA_HYDRA = KAHYDRA(H, CURRENT_VEL, (TEMP - 20)); % Carbonaceous BOD DERIVS(8) = RESPIRATION_O2 - MINERALIZATION_O2 - SETTLING_O2; SETTLING_DERIVS(8) = SETTLING_O2; SETTLING_DERIVS(9) = 0; % Temperature if (OPTIONS == 1) DERIVS(10) = NET_SOLAR_RAD + ATMOSPHERIC_LONG_WAVE_RAD - ... WATER_LONG_WAVE_RAD - CONDUCTION - EVAPORATION; else DERIVS(10) = 0; end SETTLING_DERIVS(10) = 0; if (KA_WIND > KA_HYDRA) K_A = KA_WIND; else K_A = KA_HYDRA; end end REAERATION = K_A * (C_SAT_O2 - DOXY); else REAERATION = 0; end SOD GROWTH_O2 RESPIRATION_O2 NITRIFICATION_1_O2 NITRIFICATION_2_O2 = = = = = 0; O2_TO_C * GROWTH; O2_TO_C * RESPIRATION; 3.43 * NITRIFICATION_1; 1.14 * NITRIFICATION_2; % --------------------------------------------------------------------% PROCESS RATE CALCULATIONS FOR ORGANIC MATTER AND DISSOLVED OXYGEN % --------------------------------------------------------------------% Phytoplankton DERIVS(1) = GROWTH - RESPIRATION - SETTLING_A; SETTLING_DERIVS(1) = SETTLING_A; % Organic Nitrogen DERIVS(2) = RESPIRATION_N - MINERALIZATION_N - SETTLING_N; SETTLING_DERIVS(2) = SETTLING_N; % Ammonia Nitrogen DERIVS(3) = MINERALIZATION_N - NITRIFICATION_1 + ... SEDIMENT_RELEASE_N - GROWTH_NN4N; SETTLING_DERIVS(3) = 0; % Nitrite Nitrogen DERIVS(4) = NITRIFICATION_1 - NITRIFICATION_2; SETTLING_DERIVS(4) = 0; % Nitrate Nitrogen DERIVS(5) = NITRIFICATION_2 - GROWTH_NO3N - DENITRIFICATION; SETTLING_DERIVS(5) = 0; % Organic Phosphorus DERIVS(6) = RESPIRATION_P - MINERALIZATION_P - SETTLING_P; SETTLING_DERIVS(6) = SETTLING_P; if (sum(isnan(DERIVS)) > 0) fprintf('\n\n\n'); fprintf('------------------------------\n'); fprintf('!!! ERROR IN WQ_KINETICS_1 !!!\n'); fprintf('------------------------------\n'); fprintf('\n'); fprintf('Derivative for PHYC : %f\n', DERIVS(1)); fprintf(' PHYC : %f\n', PHYC); fprintf('Derivative for ORGN : %f\n', DERIVS(2)); fprintf(' ORGN : %f\n', ORGN); fprintf('Derivative for NH4N : %f\n', DERIVS(3)); fprintf(' NH4N : %f\n', NH4N); fprintf('Derivative for NO2N : %f\n', DERIVS(4)); fprintf(' NO2N : %f\n', NO2N); fprintf('Derivative for NO3N : %f\n', DERIVS(5)); fprintf(' NO3N : %f\n', NO3N); fprintf('Derivative for ORGP : %f\n', DERIVS(6)); fprintf(' ORGP : %f\n', ORGP); fprintf('Derivative for PO4P : %f\n', DERIVS(7)); fprintf(' PO4P : %f\n', PO4P); fprintf('Derivative for CBOD : %f\n', DERIVS(8)); fprintf(' CBOD : %f\n', CBOD); fprintf('Derivative for DOXY : %f\n', DERIVS(9)); fprintf(' DOXY : %f\n', DOXY); fprintf('Derivative for TEMP : %f\n', DERIVS(10)); fprintf(' TEMP : %f\n', TEMP); fprintf('\n'); fprintf('GROWTH fprintf(' K_G_20 : %f\n', GROWTH); : %f\n' , K_G_20); if (OPTIONS == 1) fprintf(' LIM_TEMP_A : %f\n' , LIM_TEMP_A); fprintf(' THETA_K_G : %f\n', FRAC_L); fprintf(' TEMP : %f\n', TEMP); fprintf(' AIR_TEMP : %f\n', AIR_TEMP); fprintf('\n'); fprintf(' LIM_NUT_A : %f\n' , LIM_NUT_A); fprintf('\n') fprintf(' LIM_LIGHT_A : %f\n' , LIM_LIGHT_A); fprintf(' FRAC_L : %f\n', FRAC_L); fprintf(' K_E : %f\n', K_E); fprintf(' H : %f\n', H); fprintf(' ALPHA_1 : %f\n', ALPHA_1); fprintf(' ALPHA_0 : %f\n', ALPHA_0); fprintf(' exp(-ALPHA_1)-exp(-ALPHA_0) : %f\n', ... exp(-ALPHA_1)-exp(-ALPHA_0)); fprintf(' I_A : %f\n', I_A); end fprintf('\n'); fprintf('RESPIRATION fprintf('SETTLING_A : %f\n', RESPIRATION); : %f\n', SETTLING_A); fprintf('MINERALIZATION_N fprintf('RESPIRATION_N fprintf('MINERALIZATION_N fprintf('SETTLING_N : : : : %f\n', %f\n', %f\n', %f\n', MINERALIZATION_N); RESPIRATION_N); MINERALIZATION_N); SETTLING_N); fprintf('MINERALIZATION_N fprintf('NITRIFICATION_1 fprintf('SEDIMENT_RELEASE_N fprintf('GROWTH_NN4N; : : : : %f\n', %f\n', %f\n', %f\n', MINERALIZATION_N); NITRIFICATION_1); SEDIMENT_RELEASE_N); GROWTH_NN4N); fprintf('NITRIFICATION_1 fprintf('NITRIFICATION_2 : %f\n', NITRIFICATION_1); : %f\n', NITRIFICATION_2); fprintf('NITRIFICATION_2 fprintf('GROWTH_NO3N fprintf('DENITRIFICATION : %f\n', NITRIFICATION_2); : %f\n', GROWTH_NO3N); : %f\n', DENITRIFICATION); fprintf('RESPIRATION_P fprintf('MINERALIZATION_P fprintf('SETTLING_P : %f\n', RESPIRATION_P); : %f\n', MINERALIZATION_P); : %f\n', SETTLING_P); fprintf('MINERALIZATION_P fprintf('SEDIMENT_RELEASE_P fprintf('GROWTH_P : %f\n', MINERALIZATION_P); : %f\n', SEDIMENT_RELEASE_P); : %f\n', GROWTH_P); fprintf('RESPIRATION fprintf('MINERALIZATION_O2 fprintf('SETTLING_O2; : %f\n', RESPIRATION); : %f\n', MINERALIZATION_O2); : %f\n', SETTLING_O2); fprintf('REAERATION fprintf('MINERALIZATION_O2 fprintf('SOD fprintf('GROWTH_O2 fprintf('RESPIRATION_O2 fprintf('NITRIFICATION_1_O2 fprintf('NITRIFICATION_2_O2 : : : : : : : %f\n', %f\n', %f\n', %f\n', %f\n', %f\n', %f\n', REAERATION); MINERALIZATION_O2); SOD); GROWTH_O2); RESPIRATION_O2); NITRIFICATION_1_O2); NITRIFICATION_2_O2); fprintf('NET_SOLAR_RAD fprintf('ATMOSPHERIC_LONG_WAVE_RAD fprintf('WATER_LONG_WAVE_RAD fprintf('CONDUCTION fprintf('EVAPORATION : : : : : %f\n', %f\n', %f\n', %f\n', %f\n', NET_SOLAR_RAD); ATMOSPHERIC_LONG_WAVE_RAD); WATER_LONG_WAVE_RAD); CONDUCTION); EVAPORATION); fprintf('\n'); fprintf('OPITONS : %d\n', OPTIONS); error('One or more of the kinetic derivatives is not a number\n'); end end SWAT Modeli SWAT Nedir? • SWAT: Soil and Water Assessment Tool • Hidrolojik model • Akarsu ve gölleri basit olarak ele alabilen bir su kalitesi modeli • Geliştiricileri ziraat mühendisleri • Geliştirilme süreci 30 yıl Gelişim Süreci Pestisit bileşeni 10.10.2013 08:46 Akarsu su kalitesi kinetiği Yağış ve hidroloji bileşeni Tarımsal ürün yetişmesi modeli Ürün rotasyonu SWAT Modelinin Birimleri • Drenaj alanı (Subwatershed) Akarsu ağının bilinen bir parçasına kendi boyunca drene olan alan. Aşağı yukarı mikro-havzalara karşı gelmektedir. • Akarsu parçası (reach) Kaynaktan kavşağa ya da iki kavşak arasında tanımlanan nispeten düz şekilli akarsu kısmı (tek başına ya da birden çoğu bir su kütlesine karşı gelmektedir) Her akarsu parçası, kendi drenaj alanı ile ilişkilendirilmiştir. Bir ya da birden çok akarsu parçası, bir su kütlesini oluşturmaktadır. • Hidrolojik işlem birimi (Hydrological response unit). Bir drenaj alanı içinde, doğal ve fiziksel özellikleri açısından homojen olduğu varsayılan alan Modelin Birimleri Drenaj alanı 1 Drenaj alanı 2 Drenaj alanı 4 Akarsu parçası 2 Akarsu parçası 4 Akarsu parçası 5 Akarsu parçası 3 Su kütlesi 1 Su kütlesi 2 Su kütlesi 3 Modelin Birimleri Drenaj alanı 1 Mera Hidrolojik işlem birimi 1 Hidrolojik işlem birimi 4 Kırsal yerleşim Hidrolojik işlem birimi 2 Sulamalı tarım Akarsu parçası Hidrolojik işlem birimi 3 Orman İşlem Sırası • Her hidrolojik işlem biriminde, hidrolojik ve karasal besin elementi-kirletici hareketleri ile ilgili hesaplar yapılır… • Hidrolojik işlem birimlerinden elde edilen sonuçlar kullanılarak alt havzalar üzerinden su ve besin elementi-kirletici bütçeleri belirlenir. Bu sırada akarsu bölümüne gelen yayılı yük hesaplanır. • Her akarsu parçasında kendi alt havzasından gelen yayılı yük, membasından gelen besin elementi-kirletici miktarı ve ayrıca tanımlanan noktasal yük verileri ve su kalitesi kinetiği kullanılarak, besin elementi-ilgili kirleticiler için su kalitesi hesapları yapılır. SWAT Modelinde Su Hareketleri SWAT Modelinde Topraktaki Besin Elementi Döngüleri - Azot SWAT Modelinde Topraktaki Besin Elementi Döngüleri - Fosfor SWAT Modelinde Besin Elementlerinin Hidrolojik Süreçlerle Taşınmaları VERİ İHTİYAÇLARI Gerekli Meteorolojik Veriler • Maksimum ve Minimum sıcaklık (günlük) • Yağış (günlük)* • Güneş radyasyonu (günlük)** • Rüzgar hızı (günlük) • Nispi nem (günlük) * Eğer taşkın hesabı da yapılacaksa saatlik veri gerekebilir. ** Bazı modellerde, güneş radyasyonu doğrudan gerekmez, onun yerine bulutluluk kullanılarak güneş radyasyonu hesaplanabilir. Meteorolojik Veriler Yoksa… • Eğer daha önceki yıllarda gerekli meteorolojik günlük zaman serileri mevcutsa - WGEN (Weather generator) algoritması/yazılımı • Aylık meteorolojik zaman serileri varsa - dGen algoritması kullanılarak bu veriler türetilebilir. Bu algoritmaların kullanılması hem hidrolojide, hem de bilgisayar konusunda uzmanlık gerektirir. Arazi Kullanımı ve Özellikleri Haritaları • Arazi kullanımı • Ürün deseni • Toprak ile ilgili parametreler - Bünye - Organik madde içeriği - Derinlik, maksimum kök derinliği - Drenaj durumu - Erozyon - Tarla kapasitesi, solma noktası, hidrolik iletkenlik Arazi Kullanımı ve Özellikleri Haritaları Yoksa • Arazi kullanımı ve ürün deseni, FAO ve CORINE global veri setlerinden tahmin edilebilir. • Toprak ile ilgili parametreler ya FAO’nun global veri setlerinden alınabilir. • Eğer; bünye, organik madde içeriği ve derinlik biliniyorsa, pedotransfer fonksiyonları ile diğer büyüklüklerin çoğu türetilebilir. Ayrıntılı bilgi: www.waterbase.org, www.pedotransfer.org Pedotransfer fonksiyonları ile ilgili kaynak… Pedotransfer fonksiyonları ile ilgili kaynak… Pedotransfer Fonksiyonlarına Örnekler… Pedotransfer Fonksiyonlarına Örnekler… Pedotransfer Fonksiyonlarına Örnekler… Pedotransfer Fonksiyonlarına Örnekler… Pedotransfer Fonksiyonlarına Örnekler… Pedotransfer fonksiyonlarını kullanan bir programın arayüzü … Toprak ile ilgili diğer yardımcı bilgiler* Toprağın derinliği; ağaç köklerinin gelişebilecekleri toprak hacmini, bu toprakta tutulan su ve bitki besin maddesi kapasitesini etkilediği için önemli bir fiziksel toprak özelliğidir. * Bu tablolar,değişik toprak ilmi ders notlarından derlenmiştir. Diğer Veriler • • • • • Hayvancılık (hayvan sayısı ve türleri) Gübre uygulamaları Pestisit uygulamaları Sulama Zirai operasyonlar (toprağın işlenmesi, drenaj, ekim dikim, hasat) • Ürün ile ilgili veriler (büyüme hızı, topraktan besin elementi ve su alımı) • Merkezi olmayan atık su uzaklaştırma sistemleri (örneğin fosseptikler) ve vahşi çöp döküm alanları • Jeolojik, hidrojeolojik durum Diğer Veriler yoksa… • Bazı modellerde, ürüne göre otomatik olarak gübre ve sulama ihtiyacı belirlenip uygulaması yapılabilmekte. • Ancak bu durumun, Türkiye’deki gerçeği ne kadar yansıttığı tartışılır. • Bu durumda, gerçek ürün verimlerinden yola çıkıp, ters hesapla kullanılmış olan gübre ve suyu tahmin edip yayılı yük hesaplarını yapan modellerin seçilmesi daha uygun olur. Diğer Veriler yoksa… • Zirai operasyonlar ile ilgili eksik veriler, uzman yardımı ile türetilebilir. • Ürünler ile ilgili veriler, değişik veritabanlarından derlenebilir, ancak bu veritabanlarındaki verilerin Türkiye koşullarına uygunluğu için yerel uzmanların görüşlerine başvurulması önemlidir. • Jeolojik ve hidrojeolojik verilerle ilgili eksiklikler, yerel uzmanların yardımı ile tamamlanabilir. SWAT Model Yapılandırma Süreçleri • Drenaj alanlarının oluşturulması • Hidrolojik işlem birimlerinin oluşturulması • Arazi kullanımı ile ilgili parametrelerin düzenlenmesi • Meteorolojik verilerin girilmesi • Arazi kullanımı ile ilgili operasyonların girilmesi SWAT Model Yapılandırma Süreçlerinde Kullanılabilecek Yardımcı Yazılımlar • MWSWAT: Temel model oluşturma • ArcSWAT : Temel model oluşturma • SWAT-LUC : Arazi kullanımı modüllerini aktive etme • Baseflow filter: Çekilme eğrisi parametreleri oluşturma SWAT Model Yapılandırma Süreçlerinde Kullanılabilecek Yardımcı Yazılımlar • SWAT-Plot: Model çıktılarını görselleştirme • SWAT-Graph : Model çıktılarını görselleştirme. • VizSWAT : Model çıktılarını görselleştirme ve haritalama (Dikkat ücretli) SWAT Model Yapılandırma Süreçlerinde Kullanılabilecek Yardımcı Yazılımlar • SWAT-CUP: Otomatik model kalibrasyonu • SWAT-R : Genel yardımcı programlar grubu SWAT Modeli ile Örnek Uygulama – Darlık Havzası Darlık Havzası • Darlık Havzası 41°08' ile 40°50' kuzey enlemleri ile 29°30' ile 29°42' doğu boylamları arasında kalan bölge içerisinde yer almaktadır. • Darlık Barajı Şile’nin 7 km güneyinde bulunmaktadır. • Havza alanı 209 km2’dir. • Havza İstanbul ve Kocaeli ili sınırları içerisinde yer almaktadır. Darlık Havzası • Havza içerisinde 7 adet köy bulunmaktadır. • Bölgede yıllar içinde nüfus artışı görülmemiştir. • Bölgede başlıca geçim kaynağı ormancılıktır. Bunun yanında hayvancılık ve tarım da yapılmaktadır. 1990 Yılları Öncesi Darlı Yağcıla Kargal Köy Adı k r ı 1965 228 198 396 1970 199 222 391 1975 163 206 390 1980 234 178 426 Köy adı 1990 2000 2010 Yağcılar 166 102 184 Kargalı 450 503 481 Ahatlı - 121 131 Değirmençayırı 714 488 465 Hasanlı 285 288 257 Darlık 145 281 120 Ulupelit 114 234 175 Toplam 1874 2017 1813 TUİK, 2012 Darlık Havzası 200 180 1968-1985 DSİ Akım Rasatı Debi m3/s 160 140 120 100 80 60 40 20 0 Akım rasatlarına göre Darlık Dere’sine ait uzun yıllar ortalaması 3,32 m3/s’dir. Araçlar ve Yöntemler • WEAP Modeli • Stockholm Environment Institute • Lisanslı, (Eğitim amaçlı ücretsiz!) • Türkiye de henüz yeni uygulamanmaya başlanmış (Gediz Havzası) • Dünya çapında çok sayıda yayın • Özellikler – Su bütçesi, – Su dağıtımı, – Rezervuar operasyonları – Enerji ihtiyaçları ve maliyet – Kullanıcı dostu arayüz SWAT Modeli USDA-ARS Ücretsiz kullanıcı! Türkiye de henüz yeni uygulanmaya başlamış (Köyceğiz, Porsuk havzası) Dünya çapında çok sayıda yayın Özellikler Su bütçesi, Tarımsal operasyonlar, Farklı arayüz seçenekleri, Küresel veri kullanım imkanı Çok sayıda yardımcı program HRU bazında değerlendirme Meteoroloji Verileri Rüzgar Sıcaklık Yağış Bağıl Nem Bulutluluk Havza WEAP Altında Çalışan Model Çıktı Analiz Uygulaması WEAP Altında Çalışan Model Girdi Uygulaması WEAP MODELİ Althavzalar Alanlar Akarsu Kolları Arazi Verileri Akım Rasatları Yüzeysel Akış Taban Akışı Su Bütçesi Bileşenleri İşlenmiş Veri Üretilmiş Veri Model Çıktısı Model Alt Prog. Sızma Evapotranspirasyon Yüzeysel akış Yüzeyaltı akış Yeraltı suyu akışı Derine Sızma Kar Erimesi Meteoroloji Verileri Rüzgar Mak. Min. Sıcaklık Yağış Bağıl Nem Güneş ışıması Sayısal Yükseklik Modeli SWATCup Otomatik kalibrasyon SWAT MODELİ Toprak haritası Ham Veri Arazi Kullanımı İşlenmiş Veri Üretilmiş Veri Model Çıktısı Model Alt Prog. SWATPlotGraph Su Bütçesi Bileşenleri Sızma Evapotranspirasyon Yüzeysel akış Yüzeyaltı akış Yeraltı suyu akışı Derine Sızma Kar Erimesi Meteorolojik verilerin alt havza bazında girilmesi ve Thiessen Yöntemi’nin Darlık Havzası için uygulanışı DMİ Sarıyer DMİ Şile DMİ Göztepe DMİ Kartal DMİ Kocaeli Model Kapsamında Gerçekleştirilen Kabuller • Yağış her althavza için uniform • Her bir alt havza için yüzeysel akışa direnç katsayısı sabit • Araziye ait parametreler her althavza için sabit 0 1 km 2,5 km 5 km Kalibrasyon, Validasyon ve Değerlendirme Performans NSE RSR Çok iyi 0.75 < NSE ≤ 1.00 0.00 ≤ RSR ≤ 0.50 İyi 0.65 < NSE ≤ 0.75 0.50 < RSR ≤ 0.60 Kabul edilebilir 0.50 < NSE ≤ 0.65 0.60 < RSR ≤ 0.70 Kabul edilemez NSE ≤ 50 RSR > 0.70 SWAT ve WEAP modellerinin performanslarının karşılaştırılması* Model NSE (Başarı derecesi) RSR (Başarı derecesi) R2 Kalibrasyon 0.73 0.52 0.78 Doğrulama 0.53 0.68 0.66 SWAT Model WEAP Kalibrasyo n Doğrulama NSE (Başarı derecesi) RSR (Başarı derecesi) R2 -1.75 1.66 0.57 0.46 0.74 0.74 * İki çalışmada da birbirlerine yakın adam saat kullanılmıştır. SWAT Modeli ile Örnek Uygulama – Susurluk Havzası Akarsu Ağı ve Drenaj Alanları Arazi Kullanımı Toprak Yapısı Drenaj alanları Hidrolojik İşlem Birimleri Arazi kullanımı Toprak özellikleri Hidrolojik işlem birimleri Yıllık Sonuçlar Zamansal Uyum 35000 Nitrat Azotu Yükü Zaman Serisi Ortalama Nitrat Azotu Yükü Nitrat Azotu Yükü (kg/gün) 30000 25000 20000 15000 10000 5000 0 0 1000 2000 3000 4000 Zaman (gün) 5000 6000 7000 8000 SWAT Modeli ile Örnek Uygulama – Büyük Menderes SWAT Modeli ile Örnek Uygulama – Türkiye Arazi Kullanımı Toprak Yapısı İdari Birimler Hidrolojik İşlem Birimleri Su kütlelerinin drenaj alanları • 2000’den fazla su kütlesi • 19500 hidrolojik işlem birimi Arazi kullanımı Toprak özellikleri İdari birimler Hidrolojik İşlem Birimleri Hidrolojik İşlem Birimleri Bu durumda her hidrolojik hesap biriminin • • • • Hangi su kütlesine drene olduğu Arazi kullanımı Toprak yapısı Hangi ilde olduğu bilinmekte … SWAT Modelinde Su Hareketleri Hidrolojik Modelin Performansı … • Hidrolojik model, 12 yıllık bir ısınma sürecinden sonra, hemen hemen günümüze kadar ulaşan son 12 yıl için çalıştırıldı … • Hidrolojik model ile tahmin edilen Türkiye su bütçesi bileşenleri, Devlet Su İşleri Genel Müdürlüğü tarafından yayınlanan su bütçesi ile karşılaştırıldı … Hidrolojik Modelin Performansı … m m ) 3 Y 50 AĞ (6 1 39 k IŞ m EVAPOTRANSPİRASYON 274 km3 YÜZEYSEL AKIŞ 158 km3 (349 mm) (202 mm) TOPLAM SU POTANSİYELİ 158+28+7= 193 km3 (246 mm) KOMŞU ÜLKELER 7 km3 (9 mm) NET WATER POTENTIAL 112 km3 (143 mm) AKİFERLERE BESLENME 69 km3 (88 mm) YAS POMPALANMASI 14 km3 (18 mm) AKİFERLER TABAN AKIŞI 28 km3 (36 mm) Hidrolojik Modelin Performansı … 5 YA (6 01 ĞIŞ 39 k m m3 m ) EVAPOTRANSPİRASYON 274 km3 YÜZEYSEL AKIŞ 158 km3 (349 mm) (202 mm) TOPLAM SU POTANSİYELİ 158+28+7= 193 km3 (246 mm) KOMŞU ÜLKELER 7 km3 (9 mm) NET WATER POTENTIAL 112 km3 (143 mm) AKİFERLERE BESLENME 69 km3 (88 mm) YAS POMPALANMASI 14 km3 (18 mm) AKİFERLER TABAN AKIŞI 28 km3 (36 mm) Yayılı Yük Modelinin Sonuçları Yayılı Yük Modelinin Sonuçları