Kavramsal hidrolojik modellerin diferansiyel evrim optimizasyon tekniği ile kalibrasyonu: Küçük Menderes Havzası için bir uygulama
Calibration of conceptual hydrological models with differential evolution optimization technique: An application for The Kucuk Menderes Basin
Yazar: TUĞBA ALTIPARMAK
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA TAMER AYVAZ
Pamukkale Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Hidrolik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Yağış-akış ilişkilerinin etkin bir şekilde belirlenmesi su kaynaklarının planlanması ve yönetimi aşamasında dikkate alınan önemli konulardan biridir. Havza ölçeğinde yağışın akışa dönüşümü oldukça karmaşık bir süreç olup doğal ve insan kaynaklı pek çok faktörden etkilenmektedir. Bu nedenle yağış ile akış arasındaki ilişkilerin belirlenebildiği hidrolojik modellerin kullanımı su kaynaklarının sürdürülebilir yönetimi için büyük önem taşımaktadır. Bu hidrolojik modellerde karşılaşılan en temel zorluk sahip oldukları çözüm parametrelerinin etkin bir şekilde kalibre edilmesidir. Bu süreç ise zaman alıcı bir süreç olup büyük oranda deneme-yanılma yapılmasını gerektirmektedir. Bu kapsamda ilgili sürecin otomatik yapılabildiği optimizasyon tabanlı çözüm yaklaşımlarının hidrolojik modellerin kalibrasyonu aşamasında kullanılması yaygınlık kazanmıştır. 
Bu çalışma kapsamında havza ölçeğinde yağış-akış ilişkilerinin simülasyon-optimizasyon kurgusu içerisinde belirlenebildiği bir çözüm yaklaşımı geliştirilmiştir. Geliştirilen yaklaşım simülasyon aşamasında üç farklı kavramsal model (HYMOD, GR4J ve GR2M) kullanarak yağış akış sürecinin benzeşimini yapabilmektedir. Bu modeller ardından sezgisel Diferansiyel Evrim (DE) optimizasyon tekniğine dayanan bir optimizasyon modeline entegre edilmiştir.   Geliştirilen DE tabanlı optimizasyon modelinin ana amacı ilgili hidrolojik modeller kullanılarak hesaplanan akış değerleri ile sahada ölçülen akış değerleri arasında hesaplanan Nash-Sutcliffe (NS) etkinlik katsayısı değeri maksimize edilecek şekilde her bir modele ait çözüm parametrelerini kalibre etmektir. Geliştirilen simülasyon-optimizasyon yaklaşımının uygulanabilirliği Küçük Menderes Havzasında test edilmiştir. Bu kapsamda Kavramsal modellerin tümü için gerekli olan evapotranspirasyon değerleri Penman-Monteith yöntemi kullanılarak belirlenmiştir. Bununla beraber, her bir modelin kalibrasyonu aşamasında en iyi DE parametre setinin belirlenmesi için detaylı duyarlılık analizleri yapılmıştır. Çalışma kapsamında elde edilen sonuçlar geliştirilen sümülasyon-optimizasyon yaklaşımı ile Küçük Menderes Havzası akışlarının etkin bir şekilde tahmin edilebildiğini göstermiştir.

Abstract:
Effective determination of rainfall-runoff relationships is one of the important problems in water resources planning and management. The conversion of rainfall into runoff at basin scale is a very complex process and is affected by many natural and antropogenic factors. For this reason, use of the hydrological models, in which the relationships between rainfall and runoff can be determined, is of great importance for the sustainable management of the water resources. The main difficulty of these hydrological models is to effectively calibration of their solution parameters. However, this is a time-consuming process and requires a great amount of trial-and-error processes. In this context, use of the optimization-based solution approaches, where the relevant process can be automated, has become widespread during the calibration of the hydrological models.
The main objective of this study is to develop a solution approach in which the relationship between rainfall and runoff at the basin scale can be determined by means of the simulation-optimization. The developed approach can simulate the rainfall-runoff process by using three different conceptual hydrological models (HYMOD, GR4J and GR2M) in the simulation stage. These models are then integrated into an optimization model which is based on the heuristic Differential Evolution (DE) optimization technique. The main objective of the developed DE-based optimization model is to calibrate the solution parameters of each model so that the Nash-Sutcliffe (NS) efficiency value, which is calculated between the simulated and observed flow values, to be maximized. The applicability of the developed simulation-optimization approach has been evaluated in Küçük Menderes River Basin. In this context, the evapotranspiration values required for all the conceptual models are determined using the Penman-Monteith method. Furthermore, detailed sensitivity analyzes are performed to determine the best DE parameter set during the calibration of each model. The results obtained from this study indicated that the streamflows in Küçük Menderes River Basin can be effectively predicted by using the developed simulation-optimization approach.