Yağış-havza-biyotutma sisteminin hidrolojik-su kalitesi modellemesi ve deneysel olarak incelenmesi
Experimental investigation and hydrologic-water quality modeling of rainfall-watershed-bioretention system
Yazar: SEZAR GÜLBAZ
Danışman: PROF. DR. CEVZA MELEK KAZEZYILMAZ ALHAN
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2015
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Bütünleşik su kaynakları yönetimi = Integrated water resource management ; Hidroloji = Hydrology ; Hidrolojik modelleme = Hydrological modelling ; Taşkın kontrolü = Flood control ; Toprak akifer arıtımı = Soil aquifer treatment ; Yüzeysel su kaynakları = Surface water resources

Özet:
Su kaynaklarının ekonomik, sosyal ve çevresel açıdan en verimli şekilde kullanılması canlı hayatının sürdürülebilmesi için kaçınılmazdır. Su kaynaklarının miktar ve kalite açısından yeterli olmaması ve artan nüfus, gelişen sanayi ve tarım faaliyetleri sonucu arazi kullanımında meydana gelen değişiklikler ile ortaya çıkan sorunlar su kaynaklarının en iyi şekilde yönetilmesi gerektiğini ortaya koymaktadır. Özellikle ormanların ve sulak alanların yok edilmesi tarım, yerleşim ve endüstri alanlarının kontrolsüz ve hızlı gelişimi su kaynakları için risk oluşturmaktadır. Kentleşmenin sonucu olarak betonlaşma ve buna paralel olarak da topraktaki geçirimsiz yüzey artmaktadır. Bununla birlikte toprakta meydana gelen sızma azalmaktadır. Sızmanın azalmasının sonucu olarak da yağıştan sonra yüzeyde toplanan su miktarı artarak, hızlı bir şekilde akışa geçmekte ve akışa dönüşen su sele neden olmaktadır. Ayrıca kentleşme ile beraber toprağa sızamayan su doğal arıtım olan topraktan mahrum kalmakta ve yüzeyde biriken kirliliği doğrudan su kaynaklarına taşımaktadır. Bu durum su kalitesini olumsuz etkilemekte ve su kirliliğin de artışa neden olmaktadır. 
Kentleşme ile birlikte artan seli su ve kirliliğini önlemek için çeşitli yöntemler araştırılmaktadır. Düşük Etkili Kentleşme (DEK) tipi En İyi Yönetim Uygulamaları (EİYU) son yıllarda gelişen yöntemler arasında yer almaktadır. DEK-EİYU hidrolojik çevrimi korumak, yağmursuyu akışının taşkın ve sel gibi olumsuz etkilerini azaltmak ve noktasal kaynağı olmayan kirliliğinin olumsuz etkilerini hafifletmek için tasarlanmış bir yağmursuyu yönetim stratejisidir. Çeşitli mühendislik uygulamaları kullanılarak oluşturulan bu yöntem ile özellikle gelişmiş ülkelerde taşkınların ve su kirliliğinin azaltılması hususunda başarılı sonuçlar elde edilmiştir. Biyotutma (bioretention), bitkisel kanal (vegatative swale), geçirgen kaldırım (permeable pavement) ve yağmur tankı (rain barrel) gibi uygulamalar dek teknikleri arasında yer almaktadır. 
Bu tez kapsamında bir DEK çeşidi olan biyotutma üzerine küçük ve büyük ölçekte deney düzenekleri kurularak deneysel ve modelleme çalışmaları yapılmıştır. Yapılan çalışma beş ana başlıkta sunulmuştur; 
(i)	Çalışmanın birinci bölümünde biyotutmada kullanılan malzemelerin fiziksel ve kimyasal özellikleri incelenmiştir. Daha sonra biyotutmada kullanılan malç, torf, bahçe toprağı, kum ve çakıl gibi malzemelerin bakır (Cu), kurşun (Pb) ve çinko (Zn) gibi ağır metal arıtım kapasiteleri araştırılmıştır. Kesikli (Batch) test tekniği ile tüm malzemeler birbirinden bağımsız olarak ayrı ayrı analiz edilmiş ve malzemelere ait seçilen ağır metaller için adsorpsiyon parametreleri, retardasyon katsayıları ve reaksiyon hızları bulunmuştur. Ayrıca, deneysel verilere uygun olarak elde edilen korelasyon katsayıları kullanılarak biyotutma malzemelerinin seçilen ağır metalleri tutmasını en uygun temsil eden izoterm modeli oluşturulmuştur. Daha sonra laboratuvar ölçekli 4 adet pleksiglass kolon test uygulaması yapılmıştır.  Yapılan kolon test uygulaması 127 gün boyunca sabit debi ve 5 mg/L sabit ağır metal konsantrasyonu ile yapılmıştır. Yapılan kolon test uygulaması ile farklı zemin türüne sahip biyotutma uygulamasının sabit debi ve konsantrasyonda su kalitesi üzerindeki verimliliği ve performansı gözlemlenmiştir. 
(ii)	Çalışmanın ikinci bölümünde açık hava ortamında Yağış-Havza-Biyotutma (YHB) Sistemi adı verilen büyük ölçekli bir deney düzeneği kurulmuştur. Kurulan deney düzeneği, 40 adet nozuldan oluşan yapay yağmur sisteminden, eğimi değiştirilebilen 40 m2'lik drenaj alanından ve farklı oranlarda karıştırılmış toprak tiplerinden oluşan 50 cm çapında 4 adet polietilen biyotutma kolonundan oluşmaktadır. Yapay yağmur sistemi kullanılarak farklı şiddetlerde ve sürelerde yağış ile sistem çalıştırılmış ve drenaj alanı üzerinde yağış sonucu oluşan yüzeysel akış toplanarak sırası ile her bir biyotutma kolonuna aktarılmıştır. 4 farklı kolona sırası ile verilen giriş hidrografları ile kolonlardan çıkan hidrograflar karşılaştırılmış ve elde edilen sonuçlar değerlendirilmiştir. Bu kapsamda kullanılan biyotutma malzemelerinin ve organik içeriğin su miktarı, pik debi ve süresi üzerindeki etkileri incelenmiştir. 
(iii)	Çalışmanın üçüncü bölümünde bir önceki bölümde YHB sistemi ile elde edilen deneysel veriler kullanılarak biyotutmanın hidrolojik performansının incelenebileceği matematiksel bir model kurulmuştur. Elde edilen hidrolojik model ile biyotutmalarda hidrolojik performansın tespitinin doğru ve hızlı olacağı düşünülmektedir. Bu hidrolojik model iki ana modülden oluşmaktadır. Bu modüllerden birincisi Yağış-Akış Modelidir. Bu modül ile drenaj alanının üzerinde oluşan yüzeysel akış hesaplanmaktadır. Hesaplanan akış, biyotutmaya giriş debisi olarak ulaşacak yağmur suyunu temsil etmektedir. Oluşturulan bu modülde kinematik dalga teoremi kullanılmıştır. İkinci bölüm ise Akış-Biyotutma modülüdür. Bu modül, biyotutma sisteminin çıkışında oluşacak akışı hesaplanmaktadır. Oluşturulan bu modülde Green-Ampt metodu kullanılmıştır. Bu modülde değişken yağış şiddeti ve göllenme derinliği dikkate alınarak Green-Ampt metodu geliştirilmiştir. Son olarak oluşturulan hidrolojik model ile hesaplanan çıkış debileri deneysel çalışma kısmında ölçülen çıkış debileri ile karşılaştırılmış ve model ile deney sonuçlarının örtüştüğü gösterilmiştir.
(iv)	Çalışmanın dördüncü bölümünde literatürde kabul gören Çevre Koruma Kuruluşu Yağmur Suyu Yönetim Modeli (EPA SWMM) bilgisayar programı kullanılarak drenaj ve biyotutma alanı modellenmiştir. EPA SWMM kullanılarak yapılan modelleme çalışmasında programa girilen bazı veriler deney düzeneğinde ölçülmüş, bazıları ise literatürdeki verilen aralıklar esas alınarak kalibre edilmiştir. Kalibrasyon işlemi, drenaj alanı ve biyotutma kolonu için ayrı ayrı yapılmıştır. Daha sonra model ile elde edilen veriler bir önceki bölümde YHB sistemi ile elde edilen deneysel veriler ile karşılaştırılarak model performansı değerlendirilmiştir.  
(v)	Çalışmanın beşinci bölümünde biyotutmanın yağmur suyu arıtımındaki performansı deneysel olarak incelenmiştir. Bu amaçla daha önce kurulmuş ve detaylı olarak anlatılmış olan Yağış-Havza-Biyotutma (YHB) deney düzeneği kullanılmıştır. Drenaj alanına yapay kirleticiler serpiştirilerek biyotutmanın su kalitesi üzerindeki performansı incelenmiştir. Bu kapsamda ilk olarak mavi boya ve tuz kullanılarak ön testler yapılmıştır. Daha sonra YHB deney düzeneğinde bulunan drenaj alanına yapay kirleticiler konulmuştur. Sentetik yağış oluşturularak havzada kuru havada yüzeyde biriken kirliliği temsil eden kirletici maddeler yüzeysel akış ile birlikte yıkanarak 4 adet biyotutma kolonuna ulaşmıştır. Biyotutma kolonlarına giren ve çıkan yağmur suyundan belirli aralıklar ile numuneler alınarak su kalitesi analizleri yapılmıştır. Analiz edilen numunelerde bakır, kurşun, çinko gibi ağır metaller ile Nitrat, Toplam Azot, Toplam Fosfat, Çözünmüş Katı Madde, İletkenlik, Sıcaklık ve pH değerlerine bakılmıştır. Böylece biyotutmaya giren ve çıkan yağmur suyuna ait giriş ve çıkış polutografları elde edilerek karşılaştırılmıştır. Elde edilen sonuçlar ile farklı zemin türüne sahip biyotutma uygulamasının değişken debi ve konsantrasyonda su kalitesi üzerindeki verimliliği ve performansı gözlemlenmiştir.
Yukarıda özetlenen tüm bu çalışmalar ile DEK-EİYU metodlarından biri olan biyotutma uygulamasının yüzeyde toplanan suyun azaltılmasındaki ve su kirliliğini önlemesindeki başarısı incelenmiştir. Ayrıca elde edilen deneysel veriler kullanılarak biyotutma modelleri oluşturulmuştur.

Abstract:
Efficient usage of water resources in terms of economical, social and environmental aspects is essential for the sustainability of the habitat in terms of economical, social and environmental aspects. The inadequacy of water resources both in terms of quality and quantity and increase in population, and landuse changes due to high agricultural and industrial activities reveal the necessity of best management of water resources. Especially, the destruction of forest areas and wetlands and uncontrolled and rapid increase in agricultural, residential and industrial areas result in great risk for water resources. Impervious areas increase with the urbanization, and infiltration through the soil decreases. As a result of decrease in infiltration, surface runoff generated over the surface after rainfall increases which causes flooding events. Besides, water quality of surface water becomes poor due to the lack of leakage. This situation adversely affects water quality and causes water pollution. 
Several methods are investigated to prevent flood and water pollution caused by landuse change and urbanization. Low Impact Development (LID) type of Best Management Practices (BMP) are among recently developed techniques.  LID-BMP is a stormwater management strategy which is designed to decrease flood effect, reduce the impact of nonpoint source pollution,  and protect hydrologic cyle. Flooding and water pollution decreased successfully by adapting the LID-BMPs especially in developed countries. Bioretention, Vegetative Swale, Permeable Pavement and Rain Barrel are among the LID techniques. 
In this thesis, experimental and model studies are made about bioretention type of LID by developing small and large scale experimental setup. The study is presented under five sections:
(i)	In the first part of the study, the physical and chemical characteristics of the  bioretention media are examined.  Then, copper (Cu), lead (Pb), and zinc (Zn) removal capacity of bioretention media, which are mulch, turf, vegetative soil, sand and gravel, are investigated. Each soil medium used in bioretention is analyzed individually by using batch test; and adsorption parameters, retardation factor and reaction rate of the selected heavy metals are obtained. Moreover, the sorption isotherm model is determined, which best represents the metal sorption for each bioretention medium by using correlation coefficients obtained by experimental data. Finally, 4 laboratory scale column tests made by plexiglass are conducted. The column tests are conducted for a period of 127 days with continuous boundary source, i.e., constant flow rate is supplied to each column with a concentration of 5 mg/L for each metal. The performance and efficiency of bioretention with different soil type ratios on water quality are observed using constant flow rate and constant concentration in column tests. 
(ii)	In the second part of the study, a large-scale experimental setup called Rainfall-Watershed-Bioretention (RWB) System is constructed in open space. This experimental setup consists of an artificial rainfall system with 40 nozzles, 40 m2 drainage area with controllable slope, 4 polyethylene bioretention columns with 50 cm diameter prepared using different soil type ratios.  Different rainfall intensities and durations are simulated using artificial rainfall system and surface runoff generated over the  drainage area reaches each bioretention column  separately. The inflow hydrographs at the entrance of bioretention columns are compared to outflow hydrographs at the exit of  bioretention columns and the results are evaluated. Impact of bioretention media including the organic content on water quantity, peak flow and peak arrival time are investigated. 
(iii)	In the third section, a mathematical model is developed to investigate the hydrological performance of bioretention by using experimental data obtained by RWB system presented in the second section. The hydrological model will help to determine the hydrological performance of bioretentions accurately. This hydrological model has two main modules: The first  module is called as Rainfall-Runoff model. Surface runoff generated over the drainage area is calculated using this module. Calculated surface runoff represents the rainfall that reaches the bioretention columns as inflow. Kinematic wave theory is used in this module. Second module is called as Runoff-Bioretention model. The flow at the exit of bioretention system is calculated using this module. Green-Ampt method under unsteady rainfall is used in this module. Green-Ampt method under unsteady rainfall is improved by considering ponding depth on bioretention columns. Finally, measured and calculated outflow rates at the exit of bioretention columns are compared. Numerical results are in good agreement with the experimental results. 
(iv)	In the fourth part of the study, drainage and bioretention columns are modeled using Environmental Protection Agency Storm Water Management Model (EPA SWMM) computer program which is a well-known program in literature. Part of the input data is measured during the experimental study and the rest is calibrated based on the ranges given in literature. Calibration of the model is made separately for drainage area and for each bioretention column. Then, performance of the model is evaluated by comparing the model results with the experimental data collected in RWB system presented in the second section. 
(v)	In the fifth part of the study, water quality performance of bioretention in storm water treatment is investigated. For this purpose, RWB setup, which is explained in detail in the second section, is used. Performance of bioretention on water quality is evaluated by splashing artificial pollutants on to the drainage area. For this purpose, first, methylene blue and salt are used to determine the correct amount of pollutant which should be put onto the drainage area. Then, artificial pollutants are spreaded on drainage area in RWB setup. Pollutants, which build up on watershed during dry days, are washed off with surface runoff and reach the 4 bioretention columns under the synthetic rainfall. Water quality analyses are made by taking samples at entry and exit points of the bioretention columns. Heavy metals such as copper (Cu), lead (Pb) and zinc (Zn) and nitrate, total nitrogen, total phosphate, dissolved soil, heat and pH values are analyzed in the samples. Thus, entry and exit pollutographs, which depend on the entry and exit storm water, are obtained and compared. Efficiency and performance of bioretention implementaion using different soil types on water quality is observed with the experimental results. 
Bioretention is a LID method which is used for reduction of peak flow and water contamination. Therefore, the performance of bioretention is investigated via all studies explained above. Furthermore, the bioretention models are developed by using experimental data.