Prof. Dr. Mustafa Tombul danışmanlığındaki tezler
13 tez · Anadolu University, Eskişehir Technical Üniversity
Akarçay Havzası entegre su kaynakları yönetiminin belirlenmesinde WEAP ("Water Evaluation and Planning" system)yaklaşımının kullanılması
Bu çalışmada, Akarçay Havzasına dair su bütçesinin hesaplanması ve entegre su kaynakları yönetimi için WEAP ("Water Evaluation and Planning" System) programından yararlanılmıştır. WEAP Modelinde, akım gözlem istasyonlarından elde edilen uzun yıllar (1960-2010) yağış, akış, buharlaşma vb. gibi hidrolojik verileri ile nüfus, sulama arazileri ve endüstriyel su kullanımlarına ait istatistiki veriler kullanılmıştır. Söz konusu veriler dikkate alınarak WEAP programında model oluşturulmuştur. Oluşturulan model ile geleceğe yönelik (2011-2050) iyimser ve kötümser senaryolar türetilerek havzanın su bilançosu hesaplanmıştır. Anahtar kelimeler: Entegre su kaynakları yönetimi, havza yönetimi, WEAP modeli, Akarçay Havzası
Estimation of potential evaporation from water surface using meteorological data
This research consists of two parts. In the first part, the significance of five evaporation rate governing factors i.e. radiation, temperature, vapor pressure deficit, and relative humidity were evaluated using daily metrological data, for the Atatürk dam, Turkey and their impact on the evaporation rate were established using standardization method. It was established that the effect of these leading factors varied with the time-scale. For the precise management of water balance in rapidly diminishing water resources such as channels, lakes and water reservoirs, it is important to know the rate of evaporation from the water surface. Due to the difficulty in measuring the evaporation from the water surfaces experimentally, different methods and techniques are developed and suggested for its determination. Evaporation from the reservoir of Ataturk dam, located in southeast Turkey on Euphrates river was estimated using different methods and their robustness and vigorousness were tested. Evaporation was calculated using Penmen- Monteith combination equation. Penmen-Monteith model for evaporation is considered to be the standard model for estimating evaporation. Measurements of climatological parameters enabled estimation of energy balance components. Other radiations and temperature-based methods were tested and evaluated in accordance with the Penman- Monteith method.
İklim değişikliğinin su yüzeyindeki potansiyel buharlaşmaya etkisi
Son zamanlar da çevre ile ilgili konuların başında iklim değişikliği ve su problemleri gelmektedir. İklim değişikliği gelecekte su kaynakları üzerinde etkili olacaktır. İklim değişikliğinin su kaynaklarına yapacağı etki gündemde önemli kabul edilen konulardan biridir. Bu kapsamda gelecek için iklim değişikliğinin su kaynaklarına etkisinin bilinmesi ve gerekli önlemlerin alınması gerekmektedir. Bu kapsamda hidrolojik döngünün önemli parçalarından biri olan buharlaşma kayıplarının da gelecek için tahmininin yapılması önemlidir. Buharlaşmanın su yüzeylerinden deneysel olarak ölçülmesindeki zorluk nedeniyle, belirlenmesi için farklı yöntemler geliştirilmiş ve önerilmiş. Çalışma kapsamında Türkiye'nin önemli barajlarından kabul edilen Atatürk Barajı'nın rezervuarından buharlaşma farklı yöntemler kullanılarak tahmin edilmiş, buharlaşmanın günümüzdeki durumunu, yakın gelecek olarak 2045-2055 dönemi ve uzak gelecek olarak 2085-2095 dönemi için buharlaşmanın günümüz dönemine göre durumu ortaya koyulmuştur. Bu çalışmada kullanılan yöntemlerle hesaplanan buharlaşmalar standart yöntem olarak önerilen Penman-Monteith yöntemiyle hesaplanan buharlaşmalarla karşılaştırılmıştır. Bu kapsamda Atatürk Baraj Gölü buharlaşmasının yakın gelecek dönem olarak alınan 2045-2055 yılları için %10 ile %15 arasında artış gerçekleştireceği, uzak gelecek dönem olarak alınan 2085-2095 yılları için %20 ile %25 arasında artış gerçekleştireceği görülmüştür. Anahtar Sözcükler:İklim değişikliği, Açık su yüzeyi, Buharlaşma, Atatürk Barajı, Rezervuar
Hidrolojik havzalarda topografik indeks modeli (TOPMODEL) ve hidrolojik mühendislik modeli (HEC-HMS) kullanılarak yağış-akım ilişkisinin modellenmesi
Su doğada sürekli bir döngü içerisindedir. Yağış-akış süreci bu döngünün önemli bir kısmını oluşturur. Yağışlardan meydana gelen akışın tahmini su kaynaklarının projelendirilmesinde etkin bir rol oynar. Havza, üzerine gelen yağışı akışa dönüştüren bir sistemdir. Havzada meydana gelen fiziksel olaylar (yağış, akış, buharlaşma vb.) hakkında bilgi toplanabilir. Günümüz teknolojisi yağış-akış, sıcaklık vb. hidro-meteorolojik verilerin ölçülmesine imkan sağlamaktadır. Hidrolojik model kurularak ölçülen verilerden parametre ve bazı fonksiyonlar kullanılarak belirli bir zaman aralığı belirlenerek gerçeğe yakın bir benzetim ile modelleme yapılmaktadır. Bu çalışmada Kurukavak deresi havzasında 1987-1991 yılları arasında gözlenen günlük veriler tümsel bir model olan HEC-HMS ve yarı dağılımlı bir model olan TOPMODEL kullanılarak yağış ve akım ilişkisinin modelleme çalışması yapılmıştır. Her iki modelin performansını ölçmek için NSE kullanılmıştır. HEC için kalibrasyon NSE değeri 0,60-0,96, validasyon 0,69-0,82 aralığındadır. Diğer taraftan TOPMODEL ile yapılan modelleme sonucunda kalibrasyon 0,67-0,96, validasyon 0,78-0,99 aralığındadır. Sonuç olarak her iki modelde de başarılı sonuçlar elde edilmiş ve havza uygun bir şekilde temsil edilmiştir. Ama sonuçlar dikkatle incelendiğinde TOPMODEL'in HEC-HMS modeline göre daha başarılı sonuçlar verdiği görülmüştür.
Hidrolojik havzalarda toprak neminin akışa olan etkisi
İnsanın en temel ihtiyaçlarından biri olan su, tarih boyunca hep merak konusu olmuştur. Dünyanın dörtte üçü su ile kaplı olmasına rağmen sadece yüzde üçlük kısmı tatlı sudur. Artan nüfus, sanayileşme, iklim değişiklikleri ve küresel ısınma ile birlikte suya olan talep daha da artmış, insanların bu talebin karşılanıp karşılanamayacağı konusunda yaptığı araştırmalar önem kazanmıştır. Elimizde bulunan su kaynaklarının sınırlı olması da bizi ilerleyen dönemlerde su sıkıntısı ile karşı karşıya bırakacaktır. Bu sebeple su kaynaklarının verimli kullanımı herkes için oldukça önemlidir. Su kaynaklarının planlanması ve yönetimi için yaygın olarak kullanılan hidrolojik modelleme programları, çalıştığımız havzaya düşecek yağış için, oluşturabilecek akış hakkında çeşitli bilgiler vermektedir. Bu veriler de baraj gibi depolama tesislerinin planlanmasında, işletmeciliğinde ve taşkın modelleme gibi hidrolojik çalışmalarda kullanılmaktadır. Hidrolojik modelleme programlarından biri olan HEC-HMS ( Hydrologic Engineering Center Hydrologic Modeling System) programı bu çalışmada kullanıldı. ''Kurukavak'' havzasında ''İlk Ve Sabit Kayıp Metodu'' (İnitial And Constant) ve ''Toprak Nemi Hesabı Kayıp Metodu''(Soil Moisture Accounting) kullanarak iki farklı modelleme yapıldı. Toprak neminin hidrolojik modellemede hesaba katılmasının, model performansına etkisi ve toprak neminin akışa etkisi incelendi.
Yarı-dağılımlı modelle hidrolojik süreçlerin analizi
Toprak ve Su Değerlendirme Aracı (SWAT) modeli, iklim, coğrafya, toprak, bitki örtüsü, arazi kullanımı/arazi örtüsü ve diğer insan faaliyetleri arasındaki karmaşık etkileşimleri entegre ederek havzadaki nehir akışını simüle etmek için yaygın olarak kullanılmaktadır. Türkiye'nin güneyinde bulunan Seyhan ve Ceyhan havzalarının üst bölgelerinde bulunan Göksu-Himmetli, Zamanti-Ergenuşağı, Göksun-Poskoflu ve Hurman-Gözler Üstü alt havzaların hidrolojik süreçlerinin analizi için yarı dağılımlı fiziksel tabanlı hidrolojik bir model olan SWAT modeli uygulanmıştır. SWAT-CUP otomatik kalibrasyon programı ile içerisinde bulunan SUFI-2 algoritma kullanılarak model hassasiyet (duyarlılık) analizi, kalibrasyonu ve validasyonu yapılmıştır. Model hassasiyet analizi sonuçlarına göre, bu havzalarda en hassas parametrelerin CN2 (SCS Akış eğri numarası), ALPHA_BNK (Depolama için baz akım alfa faktörü), CH_K2 (Ana kanlın efektif hidrolojik iletkenliği) ve GW_DELAY (Yer altı suyu gecikme süresi) olduğu görülmüştür. Bu çalışmada 11 yıllık (1994-2004) meteorolojik ve 8 yıllık (1997-2004) gözlenen akım verilerinin, 3 yılı model ısınma periyodu ile 5 yılı (1997-2001) kalibrasyon ve 3 yılı (2002-2004) validasyon için kullanılmıştır. Modelin istatistiksel performansının değerlendirilmesinde Nash Sutcliffe Verimliliği (NSE) amaç fonksiyonu olarak kullanılmıştır. Model kalibrasyonu ve validasyonu sonucunda göz önüne alınan 4 alt havzada NSE değerinin 0,70 – 0,90 arasında değiştiği görülmüştür. Çalışmada elde edilen sonuçlar, gözlenen ve simüle edilen deşarj verileri arasında nispeten yüksek bir korelasyon olduğunu göstermiştir.
Event-based urban flood modelling with SWMM program
Urban stormwater management is a significant tool in flood analysis and estimating the capacity of a drainage system. Engineers frequently use mathematical modeling of watersheds to solve urban flooding problems. Stormwater modeling is the quantitative analysis and exploration of novel stormwater design solutions by designers. The USEPA Storm Water Management Model (SWMM), (PCSWMM), (QQS), (DR3M), (HEC- HMS), and MIKE URBAN are just a few of the mathematical modeling tools widely used to address urban flooding issues. The purpose of this project is to develop, adjust, and evaluate an urban event-based rainfall-runoff model for the Boğaziçi neighborhood in the Mamak district of Ankara province, Turkey, using old (2018 and before ) and current infrastructural networks. Additionally, the current drainage system was simulated based on design storms with return periods of 2, 5, 10, 50, and 100 years. Three alternative scenarios with two different rainfall events were used to examine the drainage network's response. The results of three alternative scenarios, based on different indexes for urban flood forecasting, show that the fundamental problem with old drainage was an insufficient drainage infrastructure. The Rational method was used to estimate peak discharges for comparison and evaluation purposes with simulated values from SWMM. The result of different measurements for model evaluation shows that result shows that the model performs quite well.
Optimizasyon teknikleri kullanılarak kuraklık hibrit tahmin modeli geliştirilmesi
İklim değişikliğinin neden olduğu unsurlardan biri de kuraklıktır. Kuraklık belirli bir bölgedeki yağış değerinin ortalama yağıştan daha az olduğunda meydana gelen, yer altı ve yer üstü su kaynaklarının yetersizliğinde oluşan doğal bir afettir. Kuraklık tahmini, su kaynaklarının yönetimi ve planlaması için önemlidir. Kuraklığı tanımlamak için Kuraklık İndeksleri kullanılmaktadır. Bu çalışmada Seyhan-Ceyhan Havzalarının Ocak 1989-Temmuz 2020 dönem aralığını kapsayan 14 meteoroloji istasyonu verileriyle 3, 4, 6 ve 12 aylık periyotlarda Standartlaştırılmış Yağış İndeksi (SYİ) ve Standartlaştırılmış Yağış Evapotranspirasyon İndeksi (SYEİ) ile kuraklık analizleri yapılmıştır. Genetik Algoritma kullanılarak SYİ değerleri hesap edilerek kuraklık tahmin modeli oluşturulmuştur. Daha sonra, farklı eğitim, test ve doğrulama oranlarıyla SYİ ve SYEİ tabanlı Yapay Sinir Ağı (YSA), Rastgele Orman (RO) ve Destek Vektör Makinesi (DVM) yöntemleri kullanılarak kuraklık tahminleri yapılmıştır. Çalışmanın son aşamasında, SYEİ temelli kuraklık tahmininde Ayrık Dalgacık Dönüşümü (ADD) ve Kalman Smooth Filtreleme (KSF) ön işleme teknikleri kullanılarak Yapay Sinir Ağları (YSA), Aşırı Gradyan Artırma (XGBoost), Destek Vektör Makinesi (DVM), Rastgele Orman (RO) ve En Yakın Komşu (K-NN) Algoritmaları ile de beş farklı hibrit model oluşturulmuştur. DVM ve XGBoost hibrit modellerinin sırasıyla, diğer ön işleme ve filtreleme teknikleriyle oluşturulan hibrit modellere göre daha iyi performans göstermiş oldukları tespit edilmiştir.
Integration of remote sensing and artificial intelligencetechniques for estimation of evapotranspiration
In this research a Machine Learning (ML) algorithm was implemented to estimate Evapotranspiration (ET) aiming to eliminate time consuming steps of classical ET estimation methods. The Artificial Neural Network (ANN) model was used and trained using Remotely Sensed data as input variables and a calibrated Mapping EvapoTranspiration at high Resolution with Internalized Calibration (METRIC) model as response ET data. The source of multispectral data was Landsat 8 platform. In the first step METRIC model was calibrated for a selected study area which was Eskişehir/Alpu. Secondly, the ANN model was trained and tested using calibrated ET data and input RS data. The trained model was then applied to the whole study area and the results where validated using confusion matrixes. At the next steps of the study, the performance of the ANN model was compared with the available products including Eddy Covariance Flux data and a widely referenced MODIS product. The results of the study showed that ANN can be implemented for ET estimations with high performance even better than the best RS available product like METRIC. The ANN model showed significant performance in farm based (smaller scale) ET estimation which is a highly important application in water resource management systems. Further study on the comparison with EC and MODIS data showed that those techniques fail to predict small scale ET but still applicable in larger area cumulative ET estimations. It was also concluded that precise validation of any RS or ML algorithm demands new technologies for direct rasterized field ET measurements, something that is not available yet.
Porsuk Havzasında yeraltı suyu-yüzey suyu etkileşim modelinin geliştirilmesi
Yeraltı suyu ve yüzey suyu etkileşimi, doğal su döngüsünün önemli bir parçasıdır ve su kaynaklarının sürdürülebilir yönetimi açısından oldukça önemlidir. GSFLOW, yeraltı ve yüzey sularının birleşik yönetimini sağlamak için geliştirilmiş, MODFLOW (yeraltı suyu modelleme) ve PRMS (yüzey suyu modelleme) gibi çeşitli alt modellerin entegrasyonunu içeren bir modeldir. Çalışmada, Porsuk Havzası'nda yeraltı suyu ve yüzey suyu etkileşiminin modelini geliştirmek ve süreci detaylandırmak amaçlanmıştır. Modellerin doğruluğu çeşitli metotlarla kalibre edilerek değerlendirilmiştir. MODFLOW modelinin kalibrasyonu hem manuel hem de PEST metotlarıyla yapılmıştır. Gözlenen değerler ile modelleme sonuçları arasındaki uyumu değerlendirmek için, 'Mean Residual', 'Mean Absolute Residual' ve 'RMSR' istatistiksel değerleri sırasıyla 1.45, 1.45 ve 1.49 olarak hesaplanmış ve MODFLOW modelinin doğruluğu belirlenmiştir. PRMS modelinde 1971 su yılı verileri kullanılmış, 1972 su yılı verileri ile kalibre edilmiş ve 1970 su yılı verileri ile doğrulanmıştır. PRMS modelinin kalibrasyon NSE değeri 0.98, validasyon NSE değeri ise 0.97 olarak hesaplanmıştır. Bu sonuçlar, PRMS yüzey suyu modelinin mükemmel bir performans gösterdiğini göstermiştir. GSFLOW etkileşim modelinde; MODFLOW modellemesinin SFR2 paketine ait çıktılar ile PRMS modelinin girdi verileriyle bir etkileşim modeli kurulmuştur. GSFLOW modelinin kalibrasyon periyodu için NSE değeri 0.75, doğrulama periyodu için ise 0.74 olarak elde edilmiştir. Elde edilen değerler, GSFLOW modelinin tatmin edici bir performans sergilediğini göstermiştir.
Dalgacık dönüşümü kullanılarak veriye dayalı akım tahmin modellerinin iyileştirilmesi
Daily streamflow forecasting is conducted in this study using several data-driven models (DDMs): artificial neural network (ANN), adaptive neuro-fuzzy inference system (ANFIS) and support vector machine (SVM). Seven days ahead and one month ahead streamflow being less predictable wavelet transformation (WT) is used as preprocessing to improve the performance of the models. Two new hybrid models were proposed using multi-gene genetic programming (MGGP) and extreme gradient boosting (XGB) as a selection tool to select only the important scales obtained from the continuous wavelet transformation (CWT) to be them imposed into ANN and extreme learning machine (ELM). Hindcast and real forecast experiment are conducted to investigate the performance of the WT-based models in the real forecasting. The results show that daily forecast can be implemented successfully using DDMs and ANN has the highest performance in comparison to ANFIS and SVM. The proposed two models outperformed the models uses discrete wavelet transformation (DWT) as more information can be included in the model. Finally, the performance of the models using WT-based hybrid models for both CWT and DWT in hindcast experiment was found as increases due to the incorrect application of WT. Mostly, WT is applied onto the time series, divided into calibration and testing subsets to be then imposed into DDMs and that sends some future information into the model. In the real forecast experiment, the WT-based hybrid models have less performance than the stand-alone DDMs in which no preprocessing applied.
Mantıksal model (bulanık mantık (ANFIS)) ve fiziksel tabanlı (HEC-HMS) modelleri kullanılarak akım modellemesi ve tahmini
Çalışmada, uygulama havzası olarak belirlenen Kurukavak deresi havzasına ait gözlenmiş, 30.06.1988 ve 01.06.2005 tarihlerinde gerçekleşen fırtına olaylarının verileri kullanılarak akım modellemesi ve tahmini yapılmıştır. ArcGIS (Versiyon 10.3.1) yazılımı ile havzanın karakteristik özellikleri belirlenmiştir. Belirlenen karakteristik özellikler haritalara aktarılmış ve sınıflandırılmıştır. Modelleme çalışmaları, farklı iki model olan; HEC – HMS modeli (HEC – HMS Versiyon 4.2.1. yazılımı) ve ANFIS modeli (MATLAB Versiyon R2018a) kullanılarak, kalibrasyon ve validasyon olmak üzere iki periyotta gerçekleştirilmiştir. HEC – HMS ve ANFIS modellerinin sonuç verileri ve bu iki modelin arasındaki uyum performansı, sonuç ve öneriler kısmında değerlendirilmiştir. Sonuçlara bakıldığında, HEC – HMS modeli kalibrasyon periyodunda NSE değeri 0.824, validasyon periyodunda ise NSE değeri ise 0.618 olarak hesaplanmıştır. NSE metoduna göre yapılan değerlendirmede kalibrasyon – validasyon periyotlarında kullanılan olay verileri belirli aralıklarda olup modelleme çalışmasının güvenilirliliğini ortaya koymuştur. ANFIS modelinin test aşamasında ise ortalama karesel hatayı (OKH) ifade eden RMSE değeri 0.019542 olarak hesaplanmıştır. HEC – HMS ve ANFIS modellerinin performanslarının iyi olduğu ve akım tahmin değerlerinin gerçek değerlere yakın sonuçlar verdiği görülmüştür. Bu iki modelin iyi ve benzer sonuçlar vermesi, yapılması planlanan modelleme çalışmalarında, havza karakteristik parametrelerinin ölçümünün yapılamadığı veya eksik olduğu durumlarda ANFIS modelinin güvenilir bir şekilde kullanılabileceğini göstermiştir.
Türkiye üzerindeki kuraklığın trend analizi
Turkey was divided into 323 grids with 0.5º ×0.5º lat/lon. The Standardized precipitation evapotranspiration index (SPEI) values studied are for 1, 3, 6, and 12 months' time-scales for the periods of 1901-2015 / 1901-1981 / 1982-2015 were brought from http://spei.csic.es/, and the monthly Vegetation Condition Index (VCI) values were studied for the period of 1982-2015 and calculated depending on Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) data brought from (AVHRR) sensors onboard (NOAA) satellite. The data for both SPEI and VCI were subjected to the Mann-Kendall's test to find out their trends, and their significance. Then the trend slope value was extracted by the Theil-Sen test. Finally, the Pettitt-Whitney test was used to find out the year of change in the trend. GIS software was used for the spatial trend analyzation. SPEI trend results suggested that drought trend prevails in most parts of Turkey with some variations when the time-scale changes from 1 to 12, however some parts such as northern, western, and some central parts of the country showed a wetter trend, with varying MKZ significance. However, unlike SPEI the VCI MKZ results ware significant for most of Turkey with not only less tendency to drought but tend to be a wetter trend. Such difference between SPEI and VCI analysis results can be attributed to the source of raw data used to obtain each index (SPEI is a meteorological-based index, while VCI is a satellite reflective-based index), that is why coincidence is not to be expected for those two indices.