Akım sürek eğrilerinin yağış ve havza parametreleri kullanılarak elde edilmesi

Abstract

Bu doktora tezi, enerji kaynakları bakımından dışalımcı bir ülke konumunda olan Türkiye için, hidroelektrik potansiyele verilen değerin artmasına koşut olarak, küçük suların üstünde kurulacak biriktirmesiz santrallerin tasarımında temel girdi olan su niceliğinin kestirimine yönelik bir çalışmadır. Çalışmada, denel hidroloji yaklaşımıyla Amerika’ nın Kansas Eyaletine ilişkin 83 ve Türkiye’de DSİ’nin işlettiği 65 adet doğal akışlı akım gözlem istasyonunun Akım Sürek Eğrileri (ASE) negatif üstel bağıntı (akım=?e-?*zaman) yardımıyla benzetilmiştir. Bağıntıdaki iki parametrenin kestirimsel değerleri enküçük kareler yöntemiyle belirlenmiştir. ASE’ yi ifade eden bağıntının içerisinde yer alan değişkenler (?, ?), birtakım değişkenlerle (akaçlama alanı, ortalama toplam yıllık yağış yüksekliği, enlem, boylam ve yükselti) ifade edilerek ölçülmüş akış değerleriyle karşılaştırılmıştır. Modelleme, başlangıçta Quasi-Newton yöntemi kullanılarak yapılmış ve hem A.B.D. hem de Türkiye verileri için en yüksek tanımlılık katsayısını (R2) veren parametreler duyarlılık çözümlemesi yöntemi kullanılarak saptanmıştır. Daha sonra modelleme çalışmaları sezgisel yöntemlerle de (Yapay Sinir Ağları-YSA-, Karınca Kolonisi Eniyilemesi-KKE-) yinelenmiştir. Türkiye verileri ile ilgili yapılan çalışmada, A.B.D. verilerinden farklı olarak arazinin karstik yapısı da göz önüne alınarak kümeleme yapılmıştır. Böyle bir kümelemenin tanımlılık katsayısını ciddi ölçüde arttırdığı saptanmıştır. Bu model “parametrik model” olarak adlandırılmıştır. Yukarıda sözü edilen çalışmalar önce ölçüm verilerinin tümü kullanılarak elde edilen ASE’ler üstünde, daha sonra uzun dönem ortalamalar alınarak elde edilmiş ve 365 değere sahip ASE’ler üstünde denenmiştir. Parametrik model ile hesaplanan ASE’ler özgün değerlerle elde edilmiş ASE’lerle karşılaştırılmış ve aralarındaki farklar belli yüzde aralıkları için hesaplanmıştır. Uç değerlerdeki farklılıklar %10-%30 arasında kalırken, ara değerlerde oldukça yüksek benzetim değerlerine ulaşılmıştır. En yüksek ve en düşük akım değerlerinin arasındaki oranın 10 dolayında kalması güven düzeyini arttırmakta, bu oranın 100’lere çıkması benzetimin başarısızlığını da beraberinde getirmektedir. Sonuç olarak; akım gözlemi yetersiz olan veya hiç bulunmayan üst havzalardaki akarsu yan kolları için ASE’lerin, parametreleri kolay elde edilebilir (yağış, havza büyüklüğü, coğrafi koordinatlar) bazı havza özellikleri kullanılarak hesaplanmış ve negatif üstel bir eğri kullanılarak benzetilebileceği kanıtlanmıştır.

This Ph.D. thesis is such a study that reveals the flow quantity through flow duration curve which is main input by designing of power plants without storage on lateral as well as in wild streams at the upper basins. This aim is extremely important for such a countries, like Türkiye, that imports the dominant part of its energy demand from neighborhood countries. In this study, by using the methods of experimental hydrology, the undisturbed measured data of 83 flow measuring stations of Kansas-State in U.S.A. and 65 in Türkiye operated by the State Hydraulic Works (DSİ) have been analyzed and their flow duration curves (FDC) have been simulated by a negative exponential expression as flow=?*e-?*time. The estimated values of two parameters namely ? and ? have been computed by least-squares techniques and shown that the equation is suitable for determination. At the second stage of the study, the parameters ? and ? have been tried to identify with the help of some hydro-physical features of the basin that they are easily obtainable, like area of drainage, average annual precipitation depth, altitude, latitude and elevation from the mean sea level. These variables have been found by using the sensitivity analysis after many attempts applied on to Kansas as well as Türkiye’data. The various polynomial alternatives have been tested and proper equation have been obtained by the method of Quasi-Newton, artificial neural network and ant colony optimization. No such much differences have been found between the methods. The selection criteria of the fitted equation was the coefficient of determination (R2) between the original and parametrically computed flow data. In the study realized with turkish data, different than the U.S. application, has been evaluated considering the fractured underground features (carstic) of the drainage area and, the clustering has been made accordingly. This idea has improved the coefficient of determination seriously. This model is named as “parametric model”. The studies mentioned above have been performed and tested firstly on the flow duration curves (FDC) of all records and than, with FDC’s obtained from annually averaged values, also of 365 data. The differences of FDC’s computed from parametric model and measured records have been compared along with certain intervals. Except extreme values by the both sides, the simulation was extraordinarily good. If the ratio between maximum and minimum flows is less than 10, the reliability of the approach is almost 30% at average. As a result; the flow duration curves of the lateral branches of the streams in upper basins with insufficient or nonexistent measurements may be identified with easily obtainable parameters like precipitation, drainage area and 3-D geographical coordinates.