İstanbul su dağıtımının lineer programlama ile optimizasyonu
Optimization of water distribution of istanbul with linear programming
Yazar: ONUR SÜZER
Danışman: PROF. DR. MEHMET ÖZGER
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Hidrolik ve Su Kaynakları Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
İstanbul, Türkiye'nin en büyük ve en kalabalık şehri olarak, hızlı nüfus artışı ve kentselleşme nedeniyle ciddi su yönetimi zorluklarıyla karşı karşıya kalmaktadır. Şehir, Ömerli, Melen, Terkos, Büyükçekmece, Istranca, Sazlıdere, Darlık, Yeşilçay ve Alibeyköy gibi önemli rezervuarlara bağlıdır. Bu rezervuarlar, artan nüfus baskısı, kentsel gelişim ve iklim değişikliğinin getirdiği belirsizlikler nedeniyle giderek daha fazla zorlanmaktadır. Mevcut su kaynaklarının yönetimi, yağışlardaki dalgalanmalar ve su seviyelerindeki mevsimsel değişikliklerle daha da karmaşık bir hâl almaktadır. Bu durum, İstanbul'da su dağıtım uygulamalarının yeniden değerlendirilmesini ve optimizasyonunu zorunlu kılmaktadır.
Bu tezin temel amacı, İstanbul şehrinin su dağıtımının yeterliliğini yakın (2025), orta (2040) ve uzun (2053) dönem çerçevesinde değerlendiren bir projeksiyon sağlamaktır. Aynı zamanda ileride gerçekleşebilecek çalışmalara referans olarak su israfını en aza indirgemek, tüm bölgelere gerekli temiz su dağıtımını en ekonomik şekilde sağlamak amaçlamaktadır. Bu tezde kullanılan optimizasyon modeli lineer programlamadır.
Bu model, su kaynaklarından arıtma tesislerine ve oradan bölgelere su akışını minimize etmeyi amaçalmaktadır. Bunu yaparken kullanılan kısıtlar; su kaynaklarının ve arıtma tesislerinin ulaşabileceği maksimum çalışma kapasiteleri, ve bölgelerin karşılanması gereken minimum su ihtiyacı olmuştur. Ayrıca modelleme, ideal durumu değerlendirmek adına yapılmış olup kaynaklarda yeterli suyun bulunduğu ve kayıpların ihmal edildiği varsayımı ile değerlendirilmiştir.
Çalışmada, Büyükçekmece gibi kendi kendine yetebilen bağımsız sistemler dışarıda tutulurken, Terkos ve Istranca sistemlerini bilrleştirilmiş olup kapatılması planlanan Sazlıdere Barajı sadece 2025 yılı için sistemde yer almıştır. Bu varsayımlara istinaden istinaden indirgenmiş bir su dağıtım haritası oluşturulmuştur. Çalışma kapsamında İSKİ Master Plan'dan 2025, 2040 ve 2053 yılı için olan veriler kullanılmış olup kurgulanan bu lineer modelde kaynaklardaki suyun yeterli olduğu durumlarda tüm bölgelerin minimum su ihtiyaçlarını karşılayabildiğini göstermektedir. İSKİ'nin Master Plan çalışmasında olduğu gibi günlük kişi başına düşen su tüketimi 2025 yılı için 190 litre, 2040 yılı için 200 litre ve 2053 yılı için 210 litre olarak dikkate alınmıştır.
Model, çeşitli su kaynaklarından arıtma tesislerine ve oradan bölgesel dağıtım merkezlerine olan optimal su dağıtımını sağlamıştır. 2025 yılı için bölge ihtiyaçları karşılanırken en büyük çalışma kapasitesine sahip Melen kaynağı hariç su kaynaklarının kapasitelerinin taamını kullandığı saptanmaktadır. Melen'de günlük çalışma kapasitesinin 885.284 m³'ünün kullanılmadığı gözlemlenmektedir. Bu değer kapatılması gündemde olan Sazlıdere Barajı kapatıldığında dahi sisteme yeterli suyu sağlayabilecek bir miktardır. Melen'de artan miktarın temel sebebi algoritma ve model birleştirilirken herhangi bir öncelik bilgisi verilmemesidir. İlerleyen çalışmalarda, özellikle yakın dönem analizlerinde, mevcut su kaynaklarının durumuna göre algoritmaya önceliklendirme koşulu eklenmesi mümkündür. Bunun yanı sıra arıtma tesisi işletme kapasitelerinin yeterli olduğu ve ağırlıklı ortalamada %64 kullanım olduğu gözlemlenmektedir.
2040 ve 2053 yılları için yapılan projeksiyonda ise İSKİ'nin arıtma tesisi ve bölge ihtiyaçlarına ait verilerine sadık kalınmış ve buna rağmen en büyük çalışma kapasitesine sahip Melen kaynağı dahil tüm su kaynaklarının tam kapasite çalıştığı saptanmaktadır. 2040 yılı verileri için arıtma tesislerinin, ağırlıklı ortalamada, kapasitesinin %62'si kullanılmıştır. Tesisler için öngörülen kapasite artışının olumlu sonuç verebileceği gözlemlenmektedir. Buna karşın, 2053 yılı için öngörülen tesis kapasitelerinde kullanım %68'e çıkmaktadır. Besleme bölgelerindeki su ihtiyacının artışı, öngörülen kapasite artışının önüne geçmiş gözükmektedir. Bununla birlikte, kaynakların 2040 ve 2053 projeksiyolarda %100 kapasite ile çalışıyor olması problem teşkil edebilecek bir konudur. Kapanması gündemde olan Sazlıdere Barajı bu orta ve uzun dönem analizlerine dahil edilmemiştir. Sazlıdere Barajı'nın kapasitesinin artırılıp sisteme dahil edilmesi, efektif bir sonuç elde edilmesini sağlayabilecektir.
Bu yaklaşım, mevcut ve yakın dönemdeki altyapı planlamasına yardımcı olmanın yanı sıra, gelecekteki gelişmeler ve talepler için strateji geliştirilmesine de katkıda bulunmaktadır. Ayrıca, bu yöntem yeni su tesisleri ve kaynakları için ihtiyaçların verimli bir şekilde belirlenmesini sağlayarak, artan nüfus ve çevresel zorluklarla başa çıkabilecek şekilde sürdürülebilir ve iyi donanımlı kentsel planlama sağlamaktadır.
İleride yapılacak araştırmalar, su kalitesini iyileştirme rolünü ve miktar yönetimi yeteneklerini araştırabilir. Bu çift odaklı yaklaşım, su kalitesinin önemli bir endişe kaynağı olduğu alanlarda daha bütünsel su yönetimi stratejilerine destek olabilir. Ayrıca, mevcut kaynakların verimli kullanımını maksimize ederken tek bir alana aşırı yüklenmeden fazla suyun bölgeler arasında yeniden dağıtılmasını sağlayacak yöntemler geliştirilebilir. Arıtma sistemlerinin verimliliğinde yapılacak ayarlamalar da araştırılabilir, bu da su kaynaklarının yönetiminde genel sürdürülebilirliği ve etkinliği artırabilir.

Abstract:
Water is essential for life on Earth, playing a crucial role in various biological, environmental, and economic processes. It constitutes a significant portion of the human body, facilitating metabolic reactions and maintaining homeostasis. In ecosystems, water supports plant and animal life, contributing to biodiversity and ecological balance. Economically, water is vital for agriculture, industry, and energy production, influencing food security and economic stability. Additionally, access to clean water is a fundamental human right, impacting public health and socio-economic development. The sustainable management of water resources is therefore imperative to ensure the well-being of current and future generations.
Optimization is a critical tool for addressing the challenges posed by population growth, urbanization, and climate change. One of its paramount benefits is ensuring equitable access to clean water across all regions. Linear programming is a mathematical optimization technique used to achieve the best possible outcome, such as maximizing profit or minimizing cost, within a given model defined by linear relationships. The key components of linear programming include decision variables, constraints (which are restrictions or limitations), and an objective function that needs to be maximized or minimized. In practice, linear programming finds applications across various fields such as manufacturing, transportation, finance, and resource allocation.
Istanbul, as Turkey's most populous city and a significant urban center, plays a pivotal role both nationally and internationally. It ranks as one of Europe's largest agglomerations and the fifth most populous city globally within its municipal boundaries. Projections estimate Istanbul's 2025 population at approximately 16,495,461, indicating substantial growth. This demographic expansion necessitates a corresponding increase in water demand, with an anticipated daily consumption of around 3 million cubic meters by 2025. Effective water resource management is thus critical to accommodate the city's burgeoning population and ensure sustainable development and quality of life for its residents. Istanbul, Turkey's largest and most populous city, faces significant water management challenges due to rapid population growth and urbanization. The city relies on key reservoirs such as Ömerli, Melen, Terkos, Büyükçekmece, Istranca, Sazlıdere, Darlık, Yeşilçay, and Alibeyköy. These reservoirs are increasingly strained by population pressure, urban development, and the uncertainties brought about by climate change. The management of existing water resources is further complicated by fluctuations in rainfall and seasonal changes in water levels, necessitating the reevaluation and optimization of water distribution practices in Istanbul.
The primary objective of this thesis is to provide a projection evaluating the adequacy of Istanbul's water distribution in the near (2025), medium (2040), and long (2053) terms. Additionally, this study aims to minimize water wastage and ensure the most economical distribution of clean water to all regions, serving as a reference for future studies. The optimization model used in this thesis is linear programming. This model aims to minimize the flow of water from sources to treatment plants and from there to regions. Constraints used include the maximum operational capacities of water sources and treatment plants, as well as the minimum water needs that must be met in the regions. The modeling assumes an ideal scenario where sufficient water is available in the sources, and losses are neglected. The study excludes independent systems like Büyükçekmece, while combining the Terkos and Istranca systems. The Sazlıdere Dam, planned to be decommissioned, is only included in the system for the year 2025. Based on these assumptions, a reduced water distribution map has been created. The study uses data from the ISKI Master Plan for the years 2025, 2040, and 2053. The linear model shows that all regions' minimum water needs can be met when water sources are sufficient. Daily per capita water consumption is considered to be 190 liters for 2025, 200 liters for 2040, and 210 liters for 2053, as in ISKI's Master Plan.
The model provided optimal water distribution from various sources to treatment plants and from there to regional distribution centers. For 2025, while meeting regional needs, all sources except the largest capacity Melen source were found to be operating at full capacity. It was observed that 885,284 cubic meters of Melen's daily operational capacity was unused. This amount would be sufficient even if the Sazlıdere Dam, planned to be closed, were decommissioned. The reason for the increased amount in Melen is that no priority information was provided when combining the algorithm and the model. In future studies, prioritization conditions can be added to the algorithm based on the current status of water sources, especially in near-term analyses. It was also observed that the operating capacities of treatment plants were sufficient, with an average usage of 64%.
For the projections for 2040 and 2053, the data for treatment plants and regional needs from ISKI was adhered to, and all water sources, including the largest capacity Melen source, were found to be operating at full capacity. For the 2040 data, treatment plants were used at 62% of their capacity on average. It was observed that the projected increase in capacity for the plants would yield positive results. However, for 2053, the usage in the projected plant capacities rises to 68%. The increase in water demand in the supply regions appears to surpass the projected capacity increase. Additionally, the fact that sources are operating at 100% capacity in the 2040 and 2053 projections could pose a problem. The Sazlıdere Dam, planned to be closed, was not included in these medium and long-term analyses. Increasing the capacity of the Sazlıdere Dam and including it in the system could yield effective results.
This approach not only aids in current and near-term infrastructure planning but also contributes to strategy development for future developments and demands. Additionally, this method allows for the efficient determination of needs for new water facilities and resources, ensuring sustainable and well-equipped urban planning capable of coping with increasing population and environmental challenges.
Future research could explore the role of water quality improvement and quantity management capabilities. This dual-focused approach could support more holistic water management strategies in areas where water quality is a significant concern. Furthermore, methods could be developed to redistribute excess water between regions without overloading a single area while maximizing the efficient use of existing resources. Adjustments in the efficiency of treatment systems could also be researched, increasing overall sustainability and efficiency in water resource management.
The importance of water cannot be overstated, as it is the foundation of life and civilization. The health of ecosystems, the sustainability of agriculture, and the stability of economies are all intricately linked to water availability and quality. For Istanbul, a city of great historical and economic significance, managing water resources effectively is not just a logistical challenge but a necessity for ensuring the city's future. The population growth and urbanization trends make it clear that traditional methods of water management will not suffice. Innovative approaches, such as the optimization models discussed in this study, provide a pathway to more sustainable and equitable water distribution systems.
In the context of Istanbul, the application of linear programming for water distribution optimization represents a significant advancement in urban planning and resource management. By focusing on minimizing the flow from sources to treatment plants and regions, this method ensures that water is used as efficiently as possible, reducing waste and ensuring that all areas receive adequate supplies. The constraints considered in the model, such as the maximum operational capacities and minimum needs, reflect a realistic approach to managing a finite resource under growing demand.
The findings of this study underscore the importance of considering future scenarios in urban water management. The projections for 2025, 2040, and 2053 demonstrate that while current resources may suffice in the near term, long-term planning must account for increasing demands and potential constraints. The unused capacity in the Melen source for 2025 suggests that there is room for optimizing the allocation of resources, possibly by incorporating prioritization in the algorithms used. As the city continues to grow, such optimizations will become increasingly critical.
Moreover, the study highlights the need for a dynamic approach to infrastructure development. The potential closure of the Sazlıdere Dam and the variations in treatment plant capacities over time indicate that water management strategies must be flexible and responsive to changing conditions. Including the Sazlıdere Dam in future projections and planning for capacity increases where necessary will help ensure that Istanbul can meet its water needs even as the population grows and environmental conditions fluctuate. Future research directions suggested by this study are particularly relevant in the context of global water challenges. Improving water quality and developing efficient quantity management strategies are essential for addressing the broader issues of water scarcity and environmental degradation. By focusing on both the quality and quantity of water, future studies can contribute to more holistic water management practices that benefit both human populations and natural ecosystems. Furthermore, exploring methods for redistributing excess water between regions without overloading any single area can provide insights into more equitable water management practices. This approach can help mitigate the effects of regional disparities in water availability, ensuring that all areas have sufficient access to this vital resource. The potential adjustments in the efficiency of treatment systems also offer a promising avenue for enhancing the overall sustainability of water management practices.
In conclusion, the sustainable management of water resources in Istanbul requires a multifaceted approach that incorporates optimization techniques, future scenario planning, and continuous improvement in infrastructure and management practices. By addressing these challenges proactively, Istanbul can ensure that it meets the water needs of its growing population while preserving the ecological and economic stability of the region. The insights gained from this study provide a valuable foundation for future research and practical applications in urban water management.