Hidrolojik proses modelleri ile havza şebeke modelleri entegrasyonu: Darlık havzası örneği
Integration of hydrological process models with watershed network models: Darlik creek case study
Yazar: MEHMET KALFAZADE
Danışman: DOÇ. DR. ALPASLAN EKDAL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Çevre Bilimleri ve Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Hidrolojik modelleme = Hydrological modelling

Özet:
Dünya nüfusun hızla artması, buna bağlı olarak tarım ve hayvancılık sektörlerindeki gelişme, iklim değişikliği gibi faktörlerle birlikte toprak ve su kaynaklarının üzerindeki baskı her geçen gün artmaktadır. Bu nedenle, şimdiki ve gelecek nesiller için su kaynaklarının uygun bir şekilde yönetilmesi ve geliştirilmesi gerekmektedir. Su, gezegenimizde canlı hayatının devamlılığı açısından oldukça büyük bir öneme sahiptir. Ayrıca, insanların doğa ile olan ilişkisi ve ulusal ekonominin gelişimi yönünden su, önemli bir sosyal faktördür.
Model, mühendislerin, planlama uzmanlarının ve ekonomistlerin, bir sistem için aldıkları kararların ya da uyguladıkları politikaların etkilerini tahmin etmek amacıyla kullandığı bir araçtır. Modeller gerçek sistemlere uygulanarak, bu sistemlerin daha rahat anlaşılmasına imkan sağlamakta gerek işletme ve yönetim, gerek tasarım konusunda mühendislere katkı vermektedir. Mevcut su kaynaklarının korunması, sürdürülebilir olarak yönetilebilmesi ve gelecekte meydana gelebilecek olası senaryoları değerlendirmek adına su kaynakları modelleri son yıllarda oldukça önem kazanmış ve yaygınlaşmıştır.
Bütünleşik havza yönetimi açısından önemli olan su kaynakları modellerinden, sağladıkları kolaylıklardan ve olanaklardan bu çalışmada kısaca bahsedilmiştir. Hidrolojik proses modeli olarak kullanılan WEAP, SWAT, HEC – HMS, MIKE SHE, HSPF, AGNPS ve havza şebeke modeli olarak kullanılan MODSIM, RIBASIM, GOLDSIM ve STELLA modelleri dünyada yaygın bir şekilde kullanılan model programlarıdır.
İstanbul'da toplamda 7 adet su toplama havzası bulunmaktadır. Bunlar Avrupa yakasında, Alibeyköy, Büyükçekmece, Sazlıdere ve Terkos havzaları; Anadolu yakasında ise Elmalı, Ömerli ve Darlık havzalarıdır. Darlık Havzası, İstanbul nüfusunun %11'inin su ihtiyacını karşılamaktadır. Gelecek yıllarda önemi daha da artacak olan bu havzada yapılmış önceki çalışmalarda Darlık Deresi ve kollarından çok, Darlık Baraj Gölü ve gölün su kalitesi üzerine yoğunlaşılmıştır.
Bu çalışmada, yapılan arazi çalışmalarında enkesit ve ortalama hız ölçümleri yapılmış, bu çalışmaların sonuçları gösterilmiş, elde edilmiş verilerden debi hesapları yapılmıştır. Elde edilen veriler model katsayı hesaplamalarında kullanılmıştır.
MODSIM modeline tanımlanacak althavzalar, bir Coğrafi Bilgi Sistemi (CBS) programı olan ArcGIS 10.2 ile uyumlu çalışabilen ArcSWAT (Water Delineation Tool) ile hesaplanmıştır. Havza şebeke modeli olarak bu çalışmada kullanılacak olan MODSIM modelinin kurulum aşaması adım adım anlatılmış, Cüceloğlu (2013) tarafından yapılan çalışmada hidrolojik proses modeli olarak kullanılan WEAP modelinden alınan veriler MODSIM modelinde hidrolojik hidrograf öteleme yapılarak çalıştırılmıştır. Çalışmada bu iki modelin entegrasyonu amaçlanmıştır.
İstanbul'un yüzeysel su kaynakları üzerindeki baskı artan nüfus ve değişen iklim ile birlikte sürdürülebilir havza yönetiminin önemi de her geçen gün artmaktadır. Bu kapsamda, İstanbul'a su temin edilen barajların optimum işletilmesi önemli hale gelmektedir. MODSIM modeli bu amaçla kullanılabilecek yazılımlardan önemli bir tanesidir. Dolayısıyla bu çalışma, gelecekte yapılabilecek çalışmalar için altlık teşkil etmektedir. Bu çalışma kapsamında MODSIM modeli, WEAP modeli çıktıları ile başarılı bir şekilde entegre edilerek İstanbul'a içme suyu temin eden önemli bir havzasında uygulanmıştır. Böylece, Türkiye'de gelecekte bu konuda gerçekleştirilecek araştırmalarda MODSIM modelinin kullanılabilmesi için bir kılavuz niteliği de taşımaktadır.

Abstract:
Population growth, agriculture and livestock farming industries development and climate change create excessive pressure on water and land resources day by day. Effects of these pressures range from ecological and hydrological consequences of over-allocation of river basins and groundwater aquifers, to public health issues and ecological damage arising from water quality problems. Thus, necessity of management and development of water bodies has emerged in order to keep environment clean for next generations. Water is essential for life and also an important social factor in terms of national economy and human – nature relationship.
Efficient management of water resources focuses on the problem of enhancing and managing number of sources and use sectors while sustaining or improving water quality. Engineering optimization approach have been carried out for large number of issues involving water resources management problems. Watershed network models have been developed to find optimal water allocation strategies when there is a challenge for water among various users and solve water resources management problems.
Modeling is one way that planners, engineers and economists utilize to estimate the impacts of possible design management and operation decions or policies. Models are tools, not alternatives for human decision-making. Application of models to real systems have enhanced our understanding of such systems. In addition, models also help engineers in operation, management and also design. 
Water resource modeling has been important in the last decades for sustainaible management of water bodies and evaluating future scenerios for these water bodies. Models produce information, not decisions. Water resource planners and managers have to admit the fact that decisions may not be influenced by their planning and management model results.
There is a widespread literature on water resource modeling and several computer programs are available both commercially and in the public domain. Some of those computer programs are free to college students to use such as the WEAP model.
In this study, information about models that can be used as water resource models, which are important in terms of integrated watershed management and opportunities that models can offer, are given briefly. WEAP, SWAT, HEC – HMS, MIKE SHE, HSPF, AGNPS are models that use as hydrological process models and MODSIM, RIBASIM, GOLDSIM and STELLA are models that can be used as watershed network models. These models commonly used by engineers, plannners, managers and decision-makers all around the world. 
Istanbul is the most crowded city of Turkey and its population is increasing gradually. Therefore, water resources of this metropolitan are under extreme pressure. Today more than 14 million people living in Istanbul and this mega city needs more than  2 million cubic meter water per day. Most of this demand is supplied from dams around the city and by interbasin water transfer.
İstanbul has 7 watersheds in total. Watersheds in Eurpoean side of İstanbul are Alibeyköy, Büyükçekmece, Sazlıdere and Terkos. Watersheds in Asian side of İstanbul are Elmalı, Ömerli and Darlık.
Darlık Reservoir, located north-east of İstanbul, supplies the 11% of İstanbul's water demand, which has a 209 km2 catchment area, is one of the vital reservoirs of this metropolitan and has not been severely affected by urbanization and industrialization yet. Studies conducted in this area have been concentrated on Darlık Dam and its water quality rather then Darlık River and its tributaries.
In this study, field study has been conducted. In the field study, cross-section and average velocity measurements were carried out at 7 stations, which are selected based on climate and land conditions. From this data average flow rate has been calculated and used in model to estimate coefficients.
Flow routing is an analytic method to determine the time and magnitude of flow at a point on a hydrological system from known or assumed hydrographs at one or more points upstream. That hydrological system could be a river, gulf, channel or sewer system. Flow routing is used to determine the change in shape of a hydrograph of a flow as it travels through system and different flow routing simulation techniques can be used.
Flow routing can be classifed as 2 seperate procedures: lumped and distributed that are well known as hydrologic and hydraulic. However, semi-distributed models has been started to use recently.
In this study, MODSIM model, which uses Muskingum Method  as  hydrologic flow routing method was selected. Model can calculate its routing coefficients by using the Muskingum formula. Alternatively, the user may directly input any desired routing coefficients and lagging factors.
MODSIM, is a river basin management decision support system, designed as a computer program for satisfying the need emerging from watershed and water resources management. In this case, MODSIM can help engineers and planners to develop improved basin strategies for short-term water management, long-term operational planning, drought planning, water rights analysis and resolving conflicts between urban, agricultural and environmental concerns.
MODSIM provides the integrated evaluation of hydrologic, economic, environmental and legal impacts as related to alternative development and management scenerios including combined use of surface water and groundwater resources.
This study aims to integrate a hydrological model, WEAP, and a watershed network model, MODSIM. Subwatersheds used in MODSIM were delineated  using ArcSWAT, which is compatible with Geographic Information System program ArcGIS 10.2. Setup of MODSIM is described step by step and data from the study prepared by Cüceloğlu (2013) with WEAP were integrated to MODSIM model with hydrological flow routing.
Importance of sustainable watershed management is increasing everyday by growing population and climate change with pressure on surface waters in Istanbul. In this context, optimum operation of dams that supply water to Istanbul becomes a significant issue. MODSIM is one of the models that can be used for this purpose.  In this study, MODSIM and WEAP models were integrated successfully in a critical area which supplies drinking water to Istanbul. MODSIM wais used in an area in Turkey; thus, this study will be used as a guide for future studies in this area.