Akarsularda su kalitesinin izlenmesine yönelik yeni bir dinamik benzetim yazılımı
A new dynamic simulation software for monitoring water quality in river streams
Yazar: MEHMET YÜCEER
Danışman: PROF.DR. RIDVAN BERBER
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2005
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
ÖZET Doktora Tezi AKARSULARDA SU KALİTESİNİN İZLENMESİNE YÖNELİK YENİ BİR DİNAMİK BENZETİM YAZDLIMI A. Mehmet YÜCEER Ankara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Kimya Mühendisliği Anabilim Dalı Danışman: Prof. Dr. Rıdvan BERBER Akarsuların kirlenmesi ekolojik dengeyi bozarak insan yaşamını olumsuz yönde etkiler. Akarsu havzalarında su kalitesinin izlenerek çevre kirlenmesinin kontrol altına alınması önemli ve güncel bir sorundur. Noktasal veya yaygın kirlilik yüklerinin nehir boyunca etkilerinin öngörülmesi, önceden önlem alınması, muhtemel yatırımların çevreye etkilerinin saptanabilmesi için su kalitesi modellerinin oluşturulması ve bilgisayar ortamında benzetimi zorunludur. Bu modellerin güvenirliği için model parametrelerinin iyi belirlenmiş olması gerekir. Mevcut model yazılımlarının çoğunda bu özellik yoktur ve parametre belirleme için deneme-yanılma yöntemlerine başvurulmaktadır. Akarsuların dinamik modellenmesi için seri bağlı tam karıştırmalı tepkime kabı (CSTR) yaklaşımı ile Yeşilırmak nehri dinamik olarak modellenmiş ve modelde yer alan kinetik parametreler belirlenmiştir. Parametre belirleme, dinamik bir optimizasyon probleminin çözümünü gerektirdiğinden bu problemin çözümü için kontrol vektör parametrelemesine dayalı pratik bir yaklaşım kullanılmıştır. Optimizasyon yöntemi olarak Gauss-Newton, Levenberg- Marquardt ve SQP ('Sequential Quadratic Programming") gibi farklı teknikler kullanılmıştır. Bir sonraki adımda akarsuda kirlenmeyi oluşturan bileşenlerin zaman içinde akarsu uzunluğu boyunca değişimini belirleyebilecek, uzman desteği olmaksızın dinamik benzetim gerçekleştirebilecek kullanıcı etkileşimli bir arayüze (GUI) sahip olan AKAB (Akarsu Benzetimi) yazılımı geliştirilmiştir. Bu sayede, akarsuya ve karışan kirlilik yüküne ait bilgiler yazılıma tanıtılmakta ve benzetimle 1 1 tane hal değişkeninin (organik azot, amonyum azotu, nitrit azotu, nitrat azotu; organik ve çözünmüş fosfor; BOÎ5, çözünmüş oksijen, koliform, klorür ve yosun derişimleri) akarsu uzunluğu boyunca değişimi grafiksel olarak gözlenebilmektedir. Yeşilırmak nehri üzerinde kirliliğin yoğun olduğu Durucasu-Amasya bölgesinde bir seri deneysel çalışma gerçekleştirilmiştir. Aralarında 500 m mesafe bulunan iki ölçüm istasyonundan alman dinamik veriler akarsu model parametrelerini belirlemede kullanılmıştır. Akarsuyun 500 m uzunluğu arasında seri bağlı tam karışmalı 20 tepkime kabı bulunduğu varsayıldığında deneysel ve öngörülen değerler arasındaki fark en aza indirgenebilmiştir. Yeşilırmak Nehrine atık yüklemesi yapan bir maya fabrikasının öncesinden başlayarak farklı aralıklarla 7 km ve 36.5 km nehir uzunluğu boyunca ölçümler alınmış ve dinamik benzetim gerçekleştirilmiştir. AKAB yazılımı ile su kalitesi modelleme için dünyada en çok kullanılan yazılım olan QUAL2E'nin sonuçlan karşılaştırılmıştır ve AKAB yazılımının QUAL2E 'ye kıyasla daha iyi öngörüde bulunduğunu görülmüştür. 2005, 154 sayfa Anahtar Kelimeler: Dinamik Benzetim, Dinamik Modelleme, Parametre Belirleme.

Abstract:
ABSTRACT Ph. D. Thesis A NEW DYNAMIC SIMULATION SOFTWARE FOR MONITORING WATER QUALITY IN RIVER STREAMS A. Mehmet YÜCEER Ankara University Graduate School of Natural and Applied Sciences Department of Chemical Engineering Supervisor: Prof. Dr. Ridvan BERBER As the river pollution affects the human life and agricultural development directly by distorting ecological balance, monitoring the river streams for pollution becomes one of the important areas of research today. In order to be able to assess the consequences of possible point discharges from existing nearby installations or future industrial investments throughout the river basin, one needs to have a reliable water quality model, which very much depends on some parameters. These parameters playing a vital role in validation of the model are still mostly determined by exhaustive trial-and-error procedures. In addition, currently most of the available softwares for river water quality modeling do not have parameter estimation capabilities. Yeşilırmak river was modeled as a series of CSTRs and kinetic parameters that present inside the model were estimated for dynamically modeling of rivers. Since parameter estimation requires the solution of a dynamic optimization problem, a practical approach was used which is based on control-vector parameterization and also which does not seek for the sensitivity function information. Various kind of techniques as an optimization method such as Gauss- Newton, Levenberg-Marquardt and SQP (Sequential Quadratic Programming) were used and tested. As a next step AKAB (river simulation) software, which is user interactive and has graphical user interface, was coded and developed that enables users to determine the variation of components with time which are responsible for the pollution in river along the river length while optimizing the model parameters without the aid of a dynamic simulation expert. Thereby, as the relevant information both about the river and the discharge were provided to the software, the variations of eleven state variables could graphically be monitored and represented, namely organic nitrogen, ammonium nitrogen, nitrite nitrogen, nitrate nitrogen, organic and dissolved phosphor, BOD5, dissolved oxygen, coliform, chlorine and algae. A series of experimental studies were performed in order to test the dynamic simulation software and parameter estimation strategy developed in Yeşilırmak River around the region of Durucasu at the city of Amasya where intensive pollution exists. Initially, dynamic field data obtained from two sampling stations, 500 m apart from each other, were used for identifying the model parameters. When the assumption that twenty CSTRs present for each five hundred meters river length was made, the difference between the experimental and predicted values reduced to a minimum. Measurements were taken along the 7 and 36.5 km river length at various intervals also including points right before and after an industrial baker's yeast plant. The simulation result obtained from AKAB software and that obtained from QUAL2E software, which is the most used and recognized one all over the world for modeling of water quality, were compared with the experimental measured values. The predictions from AKAB indicated better agreement with the experimental data, compared to QUAL2E. 2005, 154 pages Key Words: Dynamic Simulation, Dynamic Modeling, Parameter Estimation. ii