Orman amenajman planlamasında karışık tamsayılı amaç programlamanın kullanılması: Akören plan ünitesi örneği
Using mixed integer goal programming for forest planning: Akoren planning unit case study
Yazar: MEHMET DEMİRCİ
Danışman: PROF. DR. AHMET YEŞİL ; PROF. DR. PETE BETTINGER
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Orman Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Ormancılık ve Orman Mühendisliği = Forestry and Forest Engineering
Dizin: Optimizasyon = Optimization ; Orman amenajman planları = Forest management plans

Özet:
Sürdürülebilir orman yönetimi, mevcut ve gelecek nesillerin yararına olmak üzere her türlü ormanın ekonomik, sosyal ve çevresel değerlerini korumayı ve arttırmayı amaçlayan dinamik ve gelişen bir kavramdır. Türkiye'de, gençleştirme ve meşcere bakımı gibi tüm ormancılık faaliyetleri sürdürülebilir orman yönetimi hedeflerine ulaşılmasında bir araç olarak kullanılan orman amenajman planlarına göre yürütülmektedir. Ülkede ormanların %98'i aynıyaşlı orman formuna sahipken %2'si ise değişikyaşlıdır. Aynıyaşlı ormanların planlanmasında "yaş sınıfları" metodu kullanılır. Bu metodun uygulandığı işletme sınıflarında öncelikle alanların optimal kuruluşa ulaştırılması hedeflenir. Çünkü her yıl eşit miktarda odun üretmek için her yıl bu ürünü verecek miktarda alanı gençleştirmek gerekir. Gençleştirilmeyecek meşcereler için, bakım blokları oluşturularak ara hasılat kesim planı düzenlenir. Ancak orman işletmeleri, yıllık bütçelerini hazırlarken ve piyasanın gereksinimlerini karşılayacak düzenlemeleri yaparken, yıllık ara hâsılat miktarlarının her yıl az çok birbirine eşit olmasını isterler. Gençleştirme çalışmalarının biyolojik çeşitliliği ve yaban hayatını koruyacak bir anlayışla ve eşit alan-eşit ürün politikası ile yapılabilmesi için karar destek sistemlerinden faydalanmak icap etmektedir. Yine aynı şekilde her yıl eşit miktarda odunun hasat edilebilmesi ve bir yıl boyunca aynı bölgede çalışmanın sağladığı fırsatlardan istifade edilebilmesi için de bu sistemleri kullanmak gerekmektedir.
Bu çalışmada Türk ormancılığının gençleştirme ve meşcere bakımı problemlerinin çözümü için karışık tamsayılı amaç programlama modelleri geliştirilmiştir. Böylece, çok geniş bir kullanım alanı olan amaç programlamanın orman amenajman planlamasında da rahatlıkla kullanılabileceği ortaya konulmuş ve orman amenajmanı bilim dalına katkı sağlanmış olunacaktır.
Uygulama alanı olarak Akören plan ünitesinin kızılçam işletme sınıfı seçilmiştir. Bakım problemi için hem doğrusal ve hem de doğrusal olmayan amaç programlama modelleri geliştirilirken, gençleştirme problemi için sade doğrusal model geliştirilmiştir. Bakım modelleri ile hacim (ara hasılat etası) hedefinden sapmalar ve bölmelerin orman içi rampalara olan (toplam veya ortalama) mesafeleri için belirlenen hedef değerden sapmalar en aza indirilmiştir. Hacim hedefi 2.628 m3 ve mesafe hedefi ise doğrusal model için 7 km, doğrusal olmayan model için ise 1 km'dir. Gençleştirme modeli her yıl eşit miktarda orman alanının gençleştirilmesi ve eşit miktarda ürünün alınması için geliştirilmiştir. Büyüklüğü 5,0 ha'dan küçük olan ve birbirine komşu olan bölmeciklerin aynı yıl gençleştirilmesi planlanmıştır. Mevzuata uygun olarak, toplamları 25,0 ha'dan daha büyük olan komşu bölmeciklerin ise erteleme süresi boyunca aynı yılda gençleştirilmesi planlanmamıştır. Gençleştirme alanı 88,85 ha/yıl ve yıllık son hasılat etası ise 23.350 m3'tür. Bu problemler, Lingo 16'nın gelişmiş versiyonu kullanılarak çözülmüştür.
Doğrusal bakım modeli çok iyi sonuç vermiş ve referans senaryolar için on yıl için planlanan hacimdeki sapma 0 m3 ve toplam mesafe sapması 25,7 km olmuştur. Senaryo 1'e ek olarak senaryo 2 ve 3'te de hacimde sapma olmamıştır. Hacim ağırlığı 0,6 ve mesafe ağırlığı 0,4 olan senaryo 5 en iyi sonuçları vermiştir. Senaryo 5'de 10 yıl için toplam sapma hacimde 6 m3 ve mesafede 59,7 km olmuştur. Doğrusal olmayan bakım modelinde hacimde sapma 0 m3 ve mesafede toplam ortalama sapma 1,17 km olmuştur. Senaryo 1'e ek olarak senaryo 2, 3, 4, 5, 6 ve 7'de hacimde sapma olmamıştır. En iyi sonuçları veren 3. senaryoda 10 yıl için toplam sapma mesafede 8,7 km olmuştur. Doğrusal gençleştirme modelinin referans senaryoları için 20 yılda toplam sapma alanda 3,8 ha ve hacimde 1.025 m3 olmuştur. Alan ağırlığı 0,8 ve hacim ağırlığı 0,2 olan senaryo 3 en iyi sonuçları vermiştir. Senaryo 3'de 20 yıl için toplam sapma alanda 3,8 ha ve hacimde 2.889 m3 olmuştur.
Bu çalışma ile tanımlanan yaklaşımlar ve modeller, daha da geliştirilerek, Orman Bilgi Sistemi'ne ve Türkiye'de ormanlarının planlanmasında kullanılan Amenajman Plan Yapım Programı'na entegre edilebilir. Ayrıca çalışmanın Netcad ile entegre edilme olanakları da araştırılabilir. Bu çalışmanın, çok uzun işlem süreleri ve çok büyük yineleme sayıları gibi, eksikliklerinin giderilmesi için daha ileri çalışmalar yapılabilir. Bu çalışmada açıklanan yaklaşımlar orman amenajman planlama mevzuatı çerçevesinde öncelikle kızılçam ormanları olmak üzere aynı yaşlı ormanların planlanmasında rahatlıkla kullanılabilir.

Abstract:
Sustainable forest management is a dynamic and evolving concept, which aims to maintain and enhance the economic, social and environmental values of all types of forests, for the benefit of present and future generations. In Turkey, all forestry activities, such as regeneration and stand tending, are conducted according to forest management plans, which are used as a tool for achieving sustainable forest management goals. While 98% of the forests in the country are even-aged, 2% are uneven-aged. "Age classes" method is used for the planning of even-aged forests. For the working circles where this method is applied, reaching the optimal structure for the areas is targeted first. To get an equal amount of product every year, it is necessary to regenerate an amount of area which gives this product each year. Stand tending blocks are created for the stands that will not be regenerated, and an interim yield harvest plan is prepared. However, when preparing annual budgets and planning to meet the market's needs, forest enterprises require the annual interim yield to be equal each year. It is necessary to use decision support systems to implement regeneration operations with an understanding of biodiversity and wildlife protection and an equal area-equal product policy. It is also necessary to use these systems to be able to harvest the same amount of wood every year and to observe the benefits of working in the same general area during a year.
This study develops mixed integer goal programming models as a solution for regeneration and forest stand tending problems of Turkish forestry. This study will also show that the goal programming, which is widely used in other sectors, can be implemented easily in forest management planning and will contribute to the forest management discipline.
As a case study, the Turkish pine working circle of the Akoren planning unit has been selected. Both linear and nonlinear goal programming models were developed for the stand tending problem, while only a linear model was developed for the regeneration problem. By stand tending models, both the deviations from the volume (interim yield allowable cut) target and the deviations from the target value determined for the distances (total and average) of compartments to the in-forest timber sale areas were minimized. The volume target is 2,628 m3 and the distance target is 7 km for the linear model and 1 km for the nonlinear model. The regeneration model was developed to regenerate an equal amount of forest area every year to get an equal amount of product. This includes regenerating the neighboring sub-compartments smaller than 5.0 ha in size in the same year. In accordance with the legislation, it was not planned to regenerate the neighboring sub-compartments with a total area more than 25.0 ha, in same year during the greening period. The regeneration area is 88.85 ha year-1 and the annual final yield is 23,350 m3. The problems were solved using the extended version of Lingo 16.
The linear stand tending model worked very well, and for reference scenarios, the deviation in volume scheduled for the entire decade was 0 m3 and the deviation in total distance was 25.7 km. In addition to scenario 1, there was no deviation in volume for scenarios 2 and 3.
Scenario 5, with weights of 0.6 for volume and 0.4 for distance, produced the best results. For scenario 5, the total deviation for 10 years was 6 m3 in volume and 59.7 km in distance. For the nonlinear stand tending model, the deviation in volume was 0 m3 and the total average deviation in distance was 1.17 km. In addition to scenario 1, there was no deviation in volume for scenarios 2, 3, 4, 5, 6 and 7. For scenario 3, which gives the best results, the total deviation in distance for 10 years was 8.7 km. For the reference scenarios of the linear regeneration model, the total deviation in 20 years was 3.8 ha in area and 1.025 m3 in volume. Scenario 3, with weights of 0.8 for area and 0.2 for volume, produced the best results. For scenario 3, the total deviation for 20 years was 3.8 ha in area and 2,889 m3 in volume.
The approaches and models defined by this study can be developed further and integrated into the Forest Information System as well as into the Forest Management Planning Software which is used for the planning of forests in Turkey. In addition, the possibility to integrate with Netcad could also be explored. Further work can be conducted to address the deficiencies of this study, such as excessive computer processing time and an assumed maximum number of solver iterations. Within the framework of forest management planning legislation, the approaches described in this study might also be used easily for the planning of even-aged forests, especially the Turkish pine forests.