Su kaynakları sistemleri, içme suyu, sulama suyu ve enerji ihtiyaçlarını karşılayan sistemlerdir. Türkiye'nin su zengini bir ülke olmadığı dikkate alındığında bu sistemlerin en iyi şekilde işletilmesinin ne kadar önemli olduğu görülmektedir. Bu nedenle çok amaçlı ve çok barajlı su kaynakları sistemleri için optimum işletme modellerinin kullanılması gerekmektedir.Bu çalışmada Aksu Akarsu Havzası' nda bulunan çok amaçlı ve çok barajlı bir su kaynakları sistemine ilk defa uzun süreli optimal işletme modeli uygulanmıştır. Uygulanan işletme modelinin çözümü için ilk defa nonlineer programlama ve genetik algoritma kullanılmıştır. Sulama suyu ihtiyaçları, içme suyu ihtiyaçları ve can suyu miktarları modellere kısıt olarak girilmiştir. Güvenilir ve toplam enerjinin enbüyüklenmesi için iki amaç fonksiyonu kullanılmıştır. Kurak dönemin aylık akımları kullanılarak sistemin güvenilir enerji değeri ve aylık ortalama akımlar kullanılarak da sistemin toplam enerji değeri en büyüklenmiştir. Genetik algoritma ve nonlineer programlama ile optimizasyon için sırasıyla MATLAB ve General Algebraic Modeling System (GAMS) programları kullanılmıştır.Optimizasyon modelleri çeşitli senaryolar için çalıştırılmıştır. Bu senaryolarda sürdürülebilir bir yönetim amaçlanmıştır. Bu nedenle başlangıç ayındaki baraj hacmi bitiş ayındaki (bir sonraki yılın başlangıç ayındaki) baraj hacmine eşit olarak alınmıştır. Diğer aylarda ise barajların taşkın hacimleri kullanılmıştır. Birinci senaryoda, mevcut sistem kısıtları kullanılmış ancak proje değerleri ile karşılaştırma yapmak amacıyla sulama, içme ve can suyu kısıtları dikkate alınmamıştır. İkinci senaryoda, birinci senaryodaki kısıtlar aynen kullanılmış ancak can suyu ve sulama suyu ile ilgili kısıtlar da modellere eklenmiştir. Üçüncü ve dördüncü senaryolarda, ikinci senaryodaki kısıtlar aynen kullanılmış ancak Antalya'nın içme suyu ile ilgili kısıtlar modellere eklenmiştir. Beşinci senaryoda ise bir kuraklık senaryosu oluşturulmuş ve kurak dönem şartları kullanılarak enerji üretimi maksimize edilmiştir.Aksu Sulama Alanı'ndaki sulama suyu ihtiyacı, uzaktan algılama, coğrafi bilgi sistemleri ve Cropwat programı kullanılarak hesaplanmıştır. Bitki deseni, RapidEyeuydu görüntüsü ve ENVI görüntü işleme yazılımı kullanılarak belirlenmiştir. ArcGIS programı, meteorolojik verilerin alansal ortalamalarını hesaplamak ve haritaları oluşturmak amacıyla kullanılmıştır.Standart yağış indisi, Normalin yüzdesi ve Aydeniz yöntemi gibi çeşitli yöntemlerle kuraklık analizi yapılmıştır. Kurak dönem sulama suyu ihtiyacı hesaplanmış ve kuraklık senaryosunda kısıt olarak kullanılmıştır. ArcGIS ile kuraklık haritaları oluşturulmuştur.
Aritmetik yöntem, Geometrik yöntem, İller Bankası yöntemi ve regresyon analizi yöntemi gibi çeşitli nüfus tahmin yöntemleri kullanılarak Antalya'nın nüfusu hesaplanmıştır. İçme suyu ihtiyacı en iyi nüfus tahmin yöntemi kullanılarak yapılmıştır. Nüfusa göre hesaplanan su ihtiyacına turizm su ihtiyacı da eklenmiştir. Turizm su ihtiyacının ve kişi başına tüketimlerin bulunması için yeni bir yöntem önerilmiştir. Bu yöntemde ilk defa yerleşik nüfus gibi düşünülen eşdeğer turist sayıları hesaplanmıştır. Aylık olarak elde edilen eşdeğer yerleşik turist sayılarının yıllara göre değişimi incelenmiş ve regresyon denklemleri elde edilmiştir. Regresyon denklemleri kullanılarak gelecek yıllardaki turist popülasyonu tahmin edilmiştir. Tahmin edilen turistik popülasyon ve kişi başına su tüketimleri kullanılarak gelecek yıllardaki turizm su ihtiyacı hesaplanmıştır.Can suyu miktarı, 18.08.2009 tarih ve 27323 sayılı Resmi Gazete’de yayımlanarak yürürlüğe giren “Elektrik Piyasasında Üretim Faaliyetinde Bulunmak Üzere Su Kullanım Hakkı Anlaşması İmzalanmasına İlişkin Usul ve Esaslar Hakkında Yönetmelikte Değişiklik Yapılmasına Dair Yönetmelik” ile belirlenmiştir.Optimizasyon modellerinin proje değerlerine göre daha iyi sonuçlar verdiği ve kısa sürede çözüme ulaştığı tespit edilmiştir. Bu sonuç önemlidir; çünkü optimum işletme modelleri kullanılarak herhangi bir yatırım yapılmadan daha yüksek enerji üretiminin mümkün olduğunu göstermiştir. Sonuç olarak bu çalışma optimum işletme modelleri, genetik algoritma ve nonlineer programlamanın önemini ortaya çıkarmıştır.
Anahtar Kelimeler:Çok amaçlı ve çok barajlı su kaynakları sistemlerinin optimizasyonu, Genetik algoritma, MATLAB, Nonlineer programlama, GAMS, Uzaktan algılama, ENVI, Coğrafi bilgi sistemleri, ArcGIS, Sulama suyu ihtiyacı, CROPWAT, İçme suyu ihtiyacı, Turizm su ihtiyacı, Nüfus hesaplama yöntemleri, Kuraklık analiz yöntemleri, Standart yağış indisi yöntemi, Normalin yüzdesi yöntemi, Aydeniz yöntemi.
Water resources systems are the systems meeting the needs for drinking water, irrigation water and energy. When considering that Turkey is not a water rich country, it can be seen that the best operation of these systems is very important. Therefore, usage of optimal operation models is required for water resources systems with multiobjective and multiple reservoirs.In this study, long term optimal operation model was firstly applied to a multiobjective and multiple reservoir system in the Aksu River Basin. Nonlinear programming and genetic algorithm were firstly used for solution of applied operation model. Irrigation water requirements, drinking water requirements and environmental flow amounts were entered into the models as constraints. Two objective functions were used for maximization of firm and total energy. Firm energy of the system was maximized by using monthly inflow data of the drought period and total energy was maximized by using monthly average inflow data. MATLAB and General Algebraic Modeling System (GAMS) programs were used respectively for optimization with genetic algorithm and nonlineer proramming.
Optimization models were run for varios scenarios. In these scenarios, sustainable management was aimed. Therefore reservoir storage of initial month was taken as equal to reservoir storage of final month (initial month of the next year). In other months reservoir flood storages were used. In the first scenario, the constraints of the existing system were used but constraints relating to drinking water, irrigation water and environmental flow were not taken into account with the aim of making a comparison with the project values. In the second scenario, same constraints in the first scenario were used but contraints relating to irrigation water and environmental flow were added to models. In the third and fourth scenarios, same constraints in the second scenario were used but contraints relating to drinking water of Antalya were added to models. In the fifth scenario, a drought scenario was developed and energy production was maximized by using conditions of drought period.Irrigation water requirement in Aksu Irrigation Area was calculated by using remote sensing, geographic information systems and Cropwat program. Crop pattern was identified by using RapidEye satellite image (Level 3A) and ENVI image processing software. ArcGIS was used for calculating spatial average value of meteorological data and generating maps.Drought analysis was achieved by various methods such as Standard precipitation index, Percentage of normal and Aydeniz method. Irrigation water requirement in the drought period was calculated and used as constraint in drought scenario. Drought maps were generated with ArcGIS.Population of Antalya was calculated by using various population forecast methods such as Arithmetic method, Geometric method, the method of İller Bankası and Regression analysis method. Drinking water requirement was calculated by using the best population forecast method. Tourism water requirement was added to the water requirement calculated by using population. A new method was proposed for calculation of tourism water requirement and water consumptions of tourists per person per day. In this method, equivalent number of tourists which is first time thought as resident population was calculated. The annual change of equivalent number of tourists which was obtained on a monthly basis, was investigated and regression equations were obtained. Touristic population in the future years were forecasted by using regression equations. Tourism water requirement in the future years were calculated by using forecasted touristic population and water consumptions of tourists per person per day.
Amount of environmental flow was calculated according to the ''Regulation amending the Regulation on principles and procedures relating to the signing of water right agreements in the field of electricity production'' which entered into force through publication in the Official Journal dated 18.08.2009 and numbered 27323.
It was determined that the optimization models gave better results according to the project values and reached solutions in short times. This result is important because this showed that higher energy production was possible without any investment by using optimal operation models. In conclusion, this study revealed the importance of optimal operation models, genetic algorithm and nonlinear programming.
Keywords:Optimization of water resources systems with multiobjective and multiple reservoirs, Genetic algorithm, MATLAB, Nonlineer programming, GAMS, Remote sensing, ENVI, Geographic information systems, ArcGIS, Irrigation water requirement, CROPWAT, Drinking water requirement, Tourism water requirement, Population forecast methods, Drought analysis methods, Standard precipitation method, Percentage of normal method, Aydeniz method.
Tez (Doktora) - Süleyman Demirel Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İnşaat Mühendisliği Anabilim Dalı, 2013.
Kaynakça var.
Su kaynakları sistemleri, içme suyu, sulama suyu ve enerji ihtiyaçlarını karşılayan sistemlerdir. Türkiye'nin su zengini bir ülke olmadığı dikkate alındığında bu sistemlerin en iyi şekilde işletilmesinin ne kadar önemli olduğu görülmektedir. Bu nedenle çok amaçlı ve çok barajlı su kaynakları sistemleri için optimum işletme modellerinin kullanılması gerekmektedir.Bu çalışmada Aksu Akarsu Havzası' nda bulunan çok amaçlı ve çok barajlı bir su kaynakları sistemine ilk defa uzun süreli optimal işletme modeli uygulanmıştır. Uygulanan işletme modelinin çözümü için ilk defa nonlineer programlama ve genetik algoritma kullanılmıştır. Sulama suyu ihtiyaçları, içme suyu ihtiyaçları ve can suyu miktarları modellere kısıt olarak girilmiştir. Güvenilir ve toplam enerjinin enbüyüklenmesi için iki amaç fonksiyonu kullanılmıştır. Kurak dönemin aylık akımları kullanılarak sistemin güvenilir enerji değeri ve aylık ortalama akımlar kullanılarak da sistemin toplam enerji değeri en büyüklenmiştir. Genetik algoritma ve nonlineer programlama ile optimizasyon için sırasıyla MATLAB ve General Algebraic Modeling System (GAMS) programları kullanılmıştır.Optimizasyon modelleri çeşitli senaryolar için çalıştırılmıştır. Bu senaryolarda sürdürülebilir bir yönetim amaçlanmıştır. Bu nedenle başlangıç ayındaki baraj hacmi bitiş ayındaki (bir sonraki yılın başlangıç ayındaki) baraj hacmine eşit olarak alınmıştır. Diğer aylarda ise barajların taşkın hacimleri kullanılmıştır. Birinci senaryoda, mevcut sistem kısıtları kullanılmış ancak proje değerleri ile karşılaştırma yapmak amacıyla sulama, içme ve can suyu kısıtları dikkate alınmamıştır. İkinci senaryoda, birinci senaryodaki kısıtlar aynen kullanılmış ancak can suyu ve sulama suyu ile ilgili kısıtlar da modellere eklenmiştir. Üçüncü ve dördüncü senaryolarda, ikinci senaryodaki kısıtlar aynen kullanılmış ancak Antalya'nın içme suyu ile ilgili kısıtlar modellere eklenmiştir. Beşinci senaryoda ise bir kuraklık senaryosu oluşturulmuş ve kurak dönem şartları kullanılarak enerji üretimi maksimize edilmiştir.Aksu Sulama Alanı'ndaki sulama suyu ihtiyacı, uzaktan algılama, coğrafi bilgi sistemleri ve Cropwat programı kullanılarak hesaplanmıştır. Bitki deseni, RapidEyeuydu görüntüsü ve ENVI görüntü işleme yazılımı kullanılarak belirlenmiştir. ArcGIS programı, meteorolojik verilerin alansal ortalamalarını hesaplamak ve haritaları oluşturmak amacıyla kullanılmıştır.Standart yağış indisi, Normalin yüzdesi ve Aydeniz yöntemi gibi çeşitli yöntemlerle kuraklık analizi yapılmıştır. Kurak dönem sulama suyu ihtiyacı hesaplanmış ve kuraklık senaryosunda kısıt olarak kullanılmıştır. ArcGIS ile kuraklık haritaları oluşturulmuştur.
Aritmetik yöntem, Geometrik yöntem, İller Bankası yöntemi ve regresyon analizi yöntemi gibi çeşitli nüfus tahmin yöntemleri kullanılarak Antalya'nın nüfusu hesaplanmıştır. İçme suyu ihtiyacı en iyi nüfus tahmin yöntemi kullanılarak yapılmıştır. Nüfusa göre hesaplanan su ihtiyacına turizm su ihtiyacı da eklenmiştir. Turizm su ihtiyacının ve kişi başına tüketimlerin bulunması için yeni bir yöntem önerilmiştir. Bu yöntemde ilk defa yerleşik nüfus gibi düşünülen eşdeğer turist sayıları hesaplanmıştır. Aylık olarak elde edilen eşdeğer yerleşik turist sayılarının yıllara göre değişimi incelenmiş ve regresyon denklemleri elde edilmiştir. Regresyon denklemleri kullanılarak gelecek yıllardaki turist popülasyonu tahmin edilmiştir. Tahmin edilen turistik popülasyon ve kişi başına su tüketimleri kullanılarak gelecek yıllardaki turizm su ihtiyacı hesaplanmıştır.Can suyu miktarı, 18.08.2009 tarih ve 27323 sayılı Resmi Gazete’de yayımlanarak yürürlüğe giren “Elektrik Piyasasında Üretim Faaliyetinde Bulunmak Üzere Su Kullanım Hakkı Anlaşması İmzalanmasına İlişkin Usul ve Esaslar Hakkında Yönetmelikte Değişiklik Yapılmasına Dair Yönetmelik” ile belirlenmiştir.Optimizasyon modellerinin proje değerlerine göre daha iyi sonuçlar verdiği ve kısa sürede çözüme ulaştığı tespit edilmiştir. Bu sonuç önemlidir; çünkü optimum işletme modelleri kullanılarak herhangi bir yatırım yapılmadan daha yüksek enerji üretiminin mümkün olduğunu göstermiştir. Sonuç olarak bu çalışma optimum işletme modelleri, genetik algoritma ve nonlineer programlamanın önemini ortaya çıkarmıştır.
Anahtar Kelimeler:Çok amaçlı ve çok barajlı su kaynakları sistemlerinin optimizasyonu, Genetik algoritma, MATLAB, Nonlineer programlama, GAMS, Uzaktan algılama, ENVI, Coğrafi bilgi sistemleri, ArcGIS, Sulama suyu ihtiyacı, CROPWAT, İçme suyu ihtiyacı, Turizm su ihtiyacı, Nüfus hesaplama yöntemleri, Kuraklık analiz yöntemleri, Standart yağış indisi yöntemi, Normalin yüzdesi yöntemi, Aydeniz yöntemi.
Water resources systems are the systems meeting the needs for drinking water, irrigation water and energy. When considering that Turkey is not a water rich country, it can be seen that the best operation of these systems is very important. Therefore, usage of optimal operation models is required for water resources systems with multiobjective and multiple reservoirs.In this study, long term optimal operation model was firstly applied to a multiobjective and multiple reservoir system in the Aksu River Basin. Nonlinear programming and genetic algorithm were firstly used for solution of applied operation model. Irrigation water requirements, drinking water requirements and environmental flow amounts were entered into the models as constraints. Two objective functions were used for maximization of firm and total energy. Firm energy of the system was maximized by using monthly inflow data of the drought period and total energy was maximized by using monthly average inflow data. MATLAB and General Algebraic Modeling System (GAMS) programs were used respectively for optimization with genetic algorithm and nonlineer proramming.
Optimization models were run for varios scenarios. In these scenarios, sustainable management was aimed. Therefore reservoir storage of initial month was taken as equal to reservoir storage of final month (initial month of the next year). In other months reservoir flood storages were used. In the first scenario, the constraints of the existing system were used but constraints relating to drinking water, irrigation water and environmental flow were not taken into account with the aim of making a comparison with the project values. In the second scenario, same constraints in the first scenario were used but contraints relating to irrigation water and environmental flow were added to models. In the third and fourth scenarios, same constraints in the second scenario were used but contraints relating to drinking water of Antalya were added to models. In the fifth scenario, a drought scenario was developed and energy production was maximized by using conditions of drought period.Irrigation water requirement in Aksu Irrigation Area was calculated by using remote sensing, geographic information systems and Cropwat program. Crop pattern was identified by using RapidEye satellite image (Level 3A) and ENVI image processing software. ArcGIS was used for calculating spatial average value of meteorological data and generating maps.Drought analysis was achieved by various methods such as Standard precipitation index, Percentage of normal and Aydeniz method. Irrigation water requirement in the drought period was calculated and used as constraint in drought scenario. Drought maps were generated with ArcGIS.Population of Antalya was calculated by using various population forecast methods such as Arithmetic method, Geometric method, the method of İller Bankası and Regression analysis method. Drinking water requirement was calculated by using the best population forecast method. Tourism water requirement was added to the water requirement calculated by using population. A new method was proposed for calculation of tourism water requirement and water consumptions of tourists per person per day. In this method, equivalent number of tourists which is first time thought as resident population was calculated. The annual change of equivalent number of tourists which was obtained on a monthly basis, was investigated and regression equations were obtained. Touristic population in the future years were forecasted by using regression equations. Tourism water requirement in the future years were calculated by using forecasted touristic population and water consumptions of tourists per person per day.
Amount of environmental flow was calculated according to the ''Regulation amending the Regulation on principles and procedures relating to the signing of water right agreements in the field of electricity production'' which entered into force through publication in the Official Journal dated 18.08.2009 and numbered 27323.
It was determined that the optimization models gave better results according to the project values and reached solutions in short times. This result is important because this showed that higher energy production was possible without any investment by using optimal operation models. In conclusion, this study revealed the importance of optimal operation models, genetic algorithm and nonlinear programming.
Keywords:Optimization of water resources systems with multiobjective and multiple reservoirs, Genetic algorithm, MATLAB, Nonlineer programming, GAMS, Remote sensing, ENVI, Geographic information systems, ArcGIS, Irrigation water requirement, CROPWAT, Drinking water requirement, Tourism water requirement, Population forecast methods, Drought analysis methods, Standard precipitation method, Percentage of normal method, Aydeniz method.