Akış katsayısının bulanık SMGRT yöntemi ile modellenmesi
Modeling  flow coefficient  by using fuzzy SMGRT method
Yazar: DERYA KARAKAYA
Danışman: PROF. DR. ZEYNEL FUAT TOPRAK
Dicle Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Günümüz şehirlerinin kalitesini büyük ölçüde gelişmiş alt yapı sistemleri belirlemektedir. Amacına uygun olarak iyi tasarlanmış bir alt yapı sistemi insan hayatını kolaylaştırmakta ve kentleşmeye ciddi katkılar sağlamaktadır. Yağmur suyu drenaj sistemi alt yapı sistemlerinin önemli bir unsurunu oluşturmaktadır. Kentsel gelişim ile birlikte yerleşim alanlarında asfalt, beton kaplama yollar, araç parkları ve benzeri geçirimsiz yüzeyler hem sayıca hem de alansal olarak artmaktadır. Bu nedenle özellikle şehir merkezlerinde yüzeye düşen yağmur suları daha büyük oranda ve daha kısa sürede akışa geçmektedir. Akışa geçen yağmur sularının çevreye zarar vermemesi için drenaj sistemleri aracılığıyla meskûn bölgelerden uzaklaştırılması gerekmektedir. Bunun için de yağış-akış ilişkisinin doğru bir şekilde belirlenmesi gerekir. Zira hidrolojik olarak akışın en doğru şekilde belirlenmesi sistemin hidrolik tasarımı açısından oldukça önemlidir. Bu ilişkiyi belirlemek amacı ile önerilmiş, güncel literatürde çok sayıda birbirinden farklı klasik (konvansiyonel) veya yapay zekâ tekniklerine dayanan; deterministik veya belirsizlik içeren; matematiksel veya fiziksel çok sayıda yöntem yer almaktadır. Hidrolojik olayları tam olarak tanımlamak oldukça güçtür çünkü bu olaylar karmaşıktır ve birçok belirsizlik içermektedir. Başka bir ifade ile birçok doğa olayının modellenmesinde olduğu gibi hidrolojik modeller de bulanıklık içermektedir. Bu yüzden hidrolojik modellemelerde deterministik yöntemler yerine belirsizlik içeren yöntemlerin kullanılması tercih edilebilir. Bu tercihi yaparken olayın fiziksel boyutunu göz ardı etmemek adına kara-kutu yöntemlerden kaçınılmalıdır. Bu çalışmada yağmur suyu drenaj sistemlerinde akış katsayısını belirlemek için hem belirsizlik içeren hem de hidrolojik olayın fiziğini koruyabilen bir yöntem olarak bulanık mantık (fuzzy logic) tercih edilmiştir. Bulanık modelleme, bulanık küme teorisi ve bir takım dilsel (linguistic) ve sayısal bilgiler içeren bulanık kural tabanına dayanmaktadır. Olayın fizik kısmı bulanık kümelerin tasarımında da olmakla birlikte daha çok bulanık kural tabanında yansıtılmaktadır. Dolayısıyla bir bulanık modellemede en önemli iki husus bulanık kümeleri ve bulanık kural tabanını doğru şekilde belirlemektir. Bu amaçla geliştirilen çok sayıda yöntem olmakla birlikte ikisini birlikte belirleme imkânını veren ve henüz yeni bir yöntem olan SMRGT (Simple Membership Functions and Fuzzy Rules Generation Technique) yöntemi tercih edilmiştir. SMRGT salt veri tabanlı bir yöntem olmadığı için kara-kutu sınıfında bir yöntem sayılmamaktadır. SMRGT yönteminin, olayın hem bulanıklığını hem de fiziğini koruyabildiği, oldukça gerçekçi sonuçlar verdiği ve deneme – yanılma sürecine ihtiyaç duymadığı mevcut literatürden anlaşılmaktadır. SMRGT yöntemi ile tasarlanan program MATLAB programı kullanılarak çalıştırılmaktadır. Akış katsayısını belirlemek için geliştirilen model üç alt modelden meydana gelmektedir. Birinci alt model meteorolojik özellikleri, ikincisi arazi durumunu ve sonuncusu da zemin özelliklerini dikkate almaktadır. Daha sonra üç modelden elde edilen üç akış katsayısının ortalaması alınarak tek bir akış katsayısı elde edilmiştir. Modellerin sınır koşulları Türkiye verileri göz önünde bulundurularak belirlenmiştir. Ancak sınır şartları değiştirilerek yapılacak küçük bir değişiklik ile model tüm hidrolojik/meteorolojik, arazi kullanımı ve zemin özellikleri için geçerli kılınabilmektedir. Tezde modelin, Şırnak Üniversitesi yerleşke alanı için akış katsayısını veren örnek bir uygulaması da verilmiştir. Böylece akış katsayısı daha hassas bir şekilde hesaplanmaya çalışılmıştır. Ayrıca model, mevcut sınır şartları değiştirilerek dünyanın herhangi bir bölgesi için uygulama imkânını verebilmektedir.
Tez toplam altı ana bölümden oluşmaktadır. Giriş bölümünde konunun amacı ve kapsamı hakkında bilgiler verilmiştir. Yağmur suyu drenajı sistemleri hakkındaki ulusal ve uluslararası basılı literatür çalışması ikinci bölümde, tezin yöntem bilimi (metodolojisi) ise üçüncü bölümde detaylandırılmıştır. Ardından, tez kapsamında geliştirilen modeller, örnek uygulamaları ve sonuçları detaylı bir şekilde dördüncü bölümde sunulmuştur. Sonuç ve öneriler ise beşinci bölümde verildikten sonra son bölümde tez çalışması kapsamında yararlanılan kaynakların listesine yer verilmiştir.

Abstract:
The quality of today's cities is determined by advanced infrastructure systems. A functional and well-designed infrastructure system provides facilities for more comfortable human life and contributes significantly to urbanization. Rainfall drainage systems are important components of infrastructure systems. Paralleling to the development in urbanization, in residential areas impermeable surfaces i.e. asphalt, concrete coatings, car parks, and similar impermeable surfaces increase both in number and area. For this reason, the rainwater falling to the surface especially in city centers passes to the stream in a shorter time with higher flow ratio. In order to prevent environmental disasters, it is necessary to remove the rainfall from the residential areas by means of drainage systems as soon as possible. Therefore, rainfall-flow relationship must be correctly determined. This is vitally required for designing hydraulics system. There are many different conventional or artificial intelligence techniques; deterministic or empiric; mathematical or physical models developed for the aim available in the current literature. It is almost impossible to deterministically model the hydrological events, because such events are very complex and have many uncertainties.  In another word, just as many other natural events, hydrological events also imply indistinctness. So in modeling hydrological events, it can be preferred the nondeterministic methods instead of deterministic ones. However, when making such a choice, the modeler should avoid from black-box methods in order not to ignore the physical dimension of the event. In order to model flow coefficient in this study, the fuzzy logic, which keeps both the uncertainties and physic of the phenomenon, has been preferred to other modeling techniques. The fuzzy logic modeling technique depends on both the fuzzy sets theory and fuzzy rules base, which consists of linguistic and quantitative if-then statements. It is possible to note that the physics of the event can be reflected in both designing of fuzzy sets and in the fuzzy rule base. Therefore, the two most important issues in a fuzzy modeling are to precisely determine the fuzzy sets and the fuzzy rule base. Although there are many methods developed for this purpose, SMRGT (Simple Membership Functions and Fuzzy Rules Generation Technique), which is a new and capable to precisely determine both the fuzzy sets and fuzzy rules base together, has been chosen. On the other hand, SMRGT is not a purely data-based; it is not considered among black-box methods. It is understood from the current literature that the SMRGT keeps uncertainties and physics of the event, give quite realistic results and do not need trial and error process. The program designed by using the SMRGT method is operated in MATLAB software. The model developed to determine the flow coefficient consists of three sub-models. The first sub-model takes into account the meteorological features, the second and the last one takes into account the land use conditions and the soil characteristics, respectively.  Then, a single flow coefficient was obtained by taking the average of the three flow coefficients obtained from the three models. The model's exists for Turkey. However, with a small change to be made by changing the boundary conditions of the models, the model can be validated for all hydrological / meteorological, land use and soil characteristics. In the thesis, an application of the model has been given and  flow coefficient for the campus area of Sırnak University has been determined. Thus, the coefficient of flow has been tried to be calculated more precisely. In addition, the model can be applied to any part of the world by changing the existing boundary conditions.
The thesis consists of six chapters. Following to the introduction chapter, the literature up to date is discussed. The third chapter contains the methodology of the thesis. The development of the models and their applications together with their results' discussion are presented in chapter four. The work is concluded in chapter five. The last chapter includes the list of references investigated for the thesis.