Alıcı su ortamı bazlı deşarj limitlerinin simülasyon-optimizasyon modelleri kullanılarak belirlenmesi

Abstract

Bu çalışma kapsamında Avrupa Birliği Su Çerçeve Direktifi ve ülkemizde kullanılan su kalitesi standartlarını dikkate alarak alıcı ortam bazlı deşarj limitlerinin belirlenebildiği entegre bir simülasyon-optimizasyon yaklaşımı önerilmiştir. Önerilen simülasyon-optimizasyon yaklaşımı kullanılarak alıcı su ortamında çevresel kalite standartlarını (ÇKS) aşan parametrelerin ilgili ÇKS limit değerlerine çekilmesini sağlayacak şekilde noktasal kaynaklardan deşarj edilen kirletici yükleri belirlenebilmektedir. Geliştirilen yaklaşımın simülasyon aşamasında farklı su kalite parametreleri için kirlilik konsantrasyon değerleri ilgili sistemin AQUATOX su kalitesi modeli üzerinde modellenmesi ile belirlenmiştir. Bu noktada dikkat edilmesi gereken husus AQUATOX'un bağımsız bir model olması ve üretilen yük kombinasyonu için optimizasyon modeli içinden doğrudan çalıştırılamayacağıdır. Bu nedenle doğrudan AQUATOX model sonuçları kullanılarak bir konsantrasyon tepki matrisi geliştirilmiş ve simülasyon modeli kapsamında kullanılmıştır. Bu aşamanın ardından geliştirilen konsantrasyon tepki matrisi genel indirgenmiş gradyan (GRG) yaklaşımının kullanıldığı bir optimizasyon modeline entegre edilmiştir. Önerilen simülasyon-optimizasyon yaklaşımının performansı Küçük Menderes Havzası'nın bir bölümü üzerinde NH3&NH4, NO3, TP, TSP ve CBOD5 su kalitesi parametreleri dikkate alınarak değerlendirilmiştir. Ayrıca, farklı optimizasyon parametrelerinin, yük tahsis katsayılarının ve başlangıç çözümlerinin sonuç duyarlılığı üzerindeki etkisini test edebilmek amacıyla detaylı bir duyarlılık analizi yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar önerilen simülasyon-optimizasyon yaklaşımı kullanılarak modellenen her bir su kalitesi parametresi için ÇKS limit değerleri sağlanacak şekilde noktasal kaynaklara yük tahsisinin etkin bir şekilde yapılabildiğini göstermiştir.

In this study, a linked simulation-optimization approach is proposed to determine the receiving body based discharge limits by considering the discharge standards used in European Union Water Framework Directive and water quality standarts using by Turkey. By using the proposed simulation-optimization approach, pollution loads of the point sources can be determined in such a way that the parameters exceeding the Environmental Quality Standards (EQS) in the receiving water environment meet the relevant EQS limit values. In the simulation part of the proposed approach, pollution concentrations for different water quality parameters are determined by modeling the given system on AQUATOX water quality simulation model. Note that AQUATOX is an independent simulation model and it is not possible to execute it from the optimization model for the generated load combinations. Therefore, a concentration response matrix is developed by directly using the AQUATOX model results and used as the simulation model. After this process, the developed concentration response matrix is integrated to an optimization model where generalized reduced gradient (GRG) optimization approach is used. The performance of the proposed simulation-optimization approach is evaluated on a part of the Küçük Menderes River Basin by considering the water quality parameters of NH3&NH4, NO3, TP, TSP and CBOD5. Also, a detailed sensitivity analysis is conducted in order to determine the effect of different optimization parameters, load allocation parameters, and initial solutions on solution accuracy. Identified results indicated that the proposed simulation-optimization approach can effectively allocate the pollution loads to different point sources by considering the EQS values for each modeled water quality parameter.