31 Ekim 2013 | TEKNÄ°K MAKALE 63. Sayı (Ekim 2013)

Selami Kara, İ. Ethem Karadirek, Ayşe Muhammetoğlu, Habib Muhammetoğlu Akdeniz Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Mühendisliği Bölümü
1. GİRİŞ
 Su kayıpları, su dağıtım sistemlerinde şebekeye verilen toplam su miktarı ile yasal tüketim miktarı arasındaki fark olarak tanımlanır (Alegre vd., 2000; AWWA, 2006; EPA 2009) ve ekonomik bir değer taşımaktadır (McKenzie, 2001;2002). Özellikle büyükşehirlerde artan su ihtiyacı, yeni su kaynaklarının aranması, arıtılması ve iletilmesini gerektirir ve tüm bu işlemler de ek maliyetler/yatırımlar anlamına gelmektedir. Şebekelerdeki su kayıplarının büyük bir ekonomik kayba sebep olduğu açıkça anlaşılmaktadır.
Ülkemizde belediyelerin ortalama su kayıplarının %50 düzeyinde olduğu belirtilmektedir (Çakmakçı vd., 2007). Uluslararası platformlarda içmesuyu dağıtım şebekeleri için hedeflenen su kayıpları %10-15 olarak sunulmaktadır. Ülkemizin su kaynakları ve kullanılabilir su rezervine bakıldığında, suyu kısıtlı ülkeler arasında yer almakta olduğu için içmesuyu dağıtım şebekelerinde su kayıplarının azaltılması, ülkemizde sürdürülebilir su yönetimi alanında atılacak önemli bir adımı teşkil etmektedir. Su kayıplarının azaltılması konusunda etkin ve uygulaması en basit olan yöntem basınç azaltmadır.
İçmesuyu dağıtım şebekelerinde su kayıplarının yönetimi ve azaltılması için öncelikle şebekenin kontrol edilebilen alt bileşenlere (alt bölge-District metered area-DMA) ayrılması gerekir (Charalambous, 2007). Alt bölge girişlerinde sisteme verilen su miktarının anlık olarak incelenmesiyle sistemdeki arıza anında tespit edilebilir ve müdahale edilebilir. Alt bölgelerde, aktif kaçak kontrolü yapılarak borulardaki sızıntılar daha gün yüzüne çıkmadan onarılabilir ve böylece su dağıtım sisteminin daha güvenilir olması sağlanır. Alt bölgelerin basınçları incelenerek, uygun basınç kontrol yöntemleri ile basınç yönetilebilir, yüksek basınç nedeniyle oluşan yüksek su kayıplarının önüne kolayca geçilebilir (EPA, 2009).
Bu çalışma, Antalya-Konyaaltı ilçesinde bulunan turistik “BeachPark” izole alt bölgesinde yürütülmüştür. Çalışma kapsamında içme suyu sistemlerinde meydana gelen su kayıplarının azaltılması için entegre basınç yönetimi yapılmıştır. Hidrolik model kullanılarak izole alt bölge için gerekli olan optimum basınç değerleri bulunmuş ve uygun basınç kontrol yöntemi önerilmiştir. Önerilen optimum işletim basınçlarında izole alt bölgede su kayıplarında meydana gelebilecek azalma tahmin edilmiştir.


2. BASINÇ YÖNETİMİ
İçmesuyu dağıtım şebekelerinde su kayıplarının azaltılması için uygulanabilir en basit yöntem, basınç yönetimidir ve su kayıplarında önemli ölçüde azalma sağladığı birçok çalışma ile kanıtlanmıştır. McKenzie (2004) tarafından Güney Afrika’da Khayelitsha kasabasında basınç kırıcı vanalar kullanarak basınç yönetimi uygulanmış ve yılda 9 milyon m3 su tasarrufu sağlanmıştır. Marunga vd. (2006) ortalama şebeke basıncının 77 mss (metre su sütunu) olduğu bir pilot alt bölgede, hidrolik model ile basıncın 50 mss’ye kadar düşürülebileceğini tespit etmiş ve sabit çıkışlı basınç kırıcı kullanarak fiziki su kayıplarında %25 azalma sağlamıştır. Charalambous (2007), Lemesos’ta yürütmüş olduğu çalışmada basınç yönetimi ve optimizasyonu ile 15 farklı alt bölgede sabit çıkışlı basınç kırıcı vanalar kullanarak su kayıplarında %38 azalma sağlamıştır. Sabit çıkışlı basınç kırıcı vana kullanılan bir pilot çalışma bölgesine daha sonra debiye duyarlı basınç kırıcı vana uygulanmış ve sabit çıkışlı vanadan %50 daha fazla su tasarrufu sağlanmıştır. Cinal (2009), 3000 aboneli pilot bir alt bölgede yürütmüş olduğu çalışmada debiye duyarlı basınç kontrol vanası kullanarak basınçta yaklaşık 20 mss azaltma yapmış ve su kayıplarında %21 oranında azalma olduğunu tespit etmiştir. Literatürdeki pek çok çalışmada, şebekelerde basınç değerlerinin azaltılması ile su kayıplarının azaldığı görülmüştür. Önemli olan husus ise basıncın ne kadar azaltılabileceğinin tespit edilmesidir. Basınçta gereğinden fazla azaltma, şebekenin yüksek kotlu veya pompa ünitesinden uzak bölgelerine suyun çıkamayacağı ve bu bölgedeki abonelerin mağdur edilebileceği anlamına gelmektedir. Basıncın hiçbir aboneyi olumsuz etkilemeden ve şebekenin her bir noktasında, varsa minimum yasal sınırları sağlayacak şekilde işletilmesine basınç yönetimi, bu basınç değerine de optimum basınç değeri denir (McKenzie, 2001). Optimum basınç değerinde şebekenin işletilebilmesi için şebekenin bir ya da birkaç noktasında basınç yükseltilebilir veya basınç kırıcı vanalar (pressure reducing valve-PRV) takılarak basınç azaltılabilir (McKenzie, 2001).


Basınç yönetiminde, şebekede kullanılan boru cinsleri, çapları, uzunlukları, debi miktarları ve su hızları gibi birçok faktör etkilidir. Her şebeke farklı topoğrafik özelliklere sahiptir ve her sistemin farklı optimum basınç değeri olduğu söylenebilir. Optimum basınç değerinin bulunması için çeşitli hidrolik programlar bulunmaktadır. Bu programlardan en çok bilineni EPANET 2.0 programıdır ve Amerikan Çevre Koruma Ajansı (USEPA) tarafından su kalitesi ve hidrolik modellemesi amacıyla geliştirilmiş deterministik bir modeldir. 
Model EPA’nın internet sitesinden ücretsiz olarak indirilebilmektedir (Rossman, 2000). Hidrolik model ile optimum basıncın bulunabilmesi için su dağıtım şebekesinin bütün elemanlarının programa tanıtılması gerekmektedir. Bu aşamada Coğrafi Bilgi Sistemleri (CBS), hidrolik modelin kurulumunda büyük önem taşımaktadır. Bir sistemde su basıncını azaltma çeşitli tekniklerle yapılabilir ve her birinin kendine göre avantaj ve dezavantajları vardır (McKenzie 2001):


•Sabit çıkışlı basınç kontrolü
•Zaman ayarlı basınç kontrolü
•Debi ayarlı basınç kontrolü


Sabit çıkış basınç kontrolü sadece bir basınç kırıcı vana ile yapılan en basit ve en kolay basınç yönetim tekniğidir. 
Farklı su tüketimleri konusunda esnek olmaması ve sabit bir değere ayarlanmak zorunda olmasından dolayı çok kazanç sağlamak mümkün olmaz, işletme ve bakım masrafı ise yoktur. Zaman ayarlı basınç kontrolü seçeneği su kullanımının az olduğu ve dolayısıyla basıncın yüksek olduğu dönemlerde basınçta ve su kaybında daha fazla azalma sağlar; ancak zaman ayarlı kontrolü su kullanımına (yangın söndürme vb.) duyarlı değildir. Bu sistem, klasik sabit çıkışlı basınç kontrol seçeneğinden daha pahalıdır, işletme ve bakım yönünden uzmanlaşmış ekipler gerektirir. Debi ayarlı basınç kontrolü seçeneği, büyük kontrol ve esnek işletme imkanı sağlar. Diğer seçeneklere göre genellikle daha çok su tasarrufu sağlar ama diğer seçeneklerden daha pahalıdır. Ekstra elektronik cihazlar ve uygun büyüklükte debimetre gerektirir. En önemli avantajı, herhangi bir olağanüstü durumda (yangın gibi) su akışına engel olmamasıdır. Esas olan, mevcut bütçe, teknik kapasite, memnuniyet, işletme ve bakım gibi bileşenler dikkate alınarak en uygun ve en ekonomik basınç kontrol şeklinin seçilmesidir (McKenzie, 2001). 
Son yıllarda, “kapalı devre” (closed-loop) olarak da bilinen sistemler uygulanmaya başlanmıştır. Sistemde, bölge girişinde basınç kontrolörlerine canlı veri sağlamak için kritik noktalara basınç sensörleri konulmaktadır. Üst düzey basınç kontrolü ile sistemden maksimum su tasarrufu elde edilmesini sağlayan sistem oldukça komplikedir (McKenzie, 2001).


3. MATERYAL ve METOT
3.1. Çalışma Sahası ve Özellikleri
Çalışmanın yürütüldüğü alan, Antalya-Konyaaltı ilçesinde bulunan turistik “BeachPark” izole alt bölgesidir ve halka açık mavi bayraklı plajı ile birçok faaliyetin birlikte yürütülebildiği bir turizm merkezidir. Bölge aboneleri içerisinde açık hava konserlerinin yapılabildiği konser salonu, canlı müzik yapan barlar, farklı tip ve büyüklüklerde AquaLand ve DolphinLand gibi havuzlar ve 5 yıldızlı bir otel bulunmaktadır. “BeachPark” alt bölgesinin 87 servis bağlantısı ve abonesi bulunmakta, toplam şebeke uzunluğu 5295 m ve 0-10 m. kotunda yer almaktadır. Antalya’da içmesuları ve atıksuyun işletilmesinden sorumlu kuruluş “Antalya Su ve Atıksu Teşkilatı (ASAT)’tır.  “BeachPark” alt bölgesine ilişkin kapsamlı bir CBS veritabanı ASAT tarafından oluşturulmuştur ve belirli periyodlarla ilgili birimlerce güncellenmektedir (TÜBİTAK, 2011). CBS verileri hidrolik model oluşturulması için ASAT-CBS biriminden temin edilmiştir. ASAT su kalitesi ve hidroliğinin sürekli takip edilebildiği SCADA sistemine sahiptir (Karadirek vd., 2012). “BeachPark” alt bölgesi girişinde ASAT’ın debi ve basınç ölçerleri bulunmaktadır ve alt bölgeye verilen su miktarı ve basıncı anlık olarak takip edilmektedir.


3.2. Hidrolik Modelleme ve Optimum Basınç Tayini
EPANET modeli, kullanıcılarına 3 farklı hidrolik formül sunmakla beraber bu formüllerden en belirgin olanı Hazen-Williams formülüdür. Hazen-Williams formülünde yer alan boru cidar pürüzlülük katsayısı ampirik olarak 80 ila 140 arasında değişmekte olup (Mays, 2000), değeri düştükçe daha eski ve daha pürüzlü olan boruları tariflemektedir. Bu çalışmada mevcut bir şebeke modellenmekte olup, yeni borular için kullanılan katsayıların kullanılması mümkün değildir ve boruların gerçek boru cidar pürüzlülük katsayılarının tespit edilmesi gereklidir. Çalışmada, hidrolik kayıpların daha kolay bulunması açısından yersel yük kayıpları, sürtünme kayıplarının içerisinde ele alınmaktadır. Hidrolik model ile sahada belirlenen birkaç noktada basınç ölçümleri yapılarak deneme-yanılma metodu ile farklı boru cidar pürüzlülük katsayıları modelde denenerek en az hata veren katsayı bölgeye has boru cidar sürtünme katsayısı, olarak bulunmaktadır. Farklı dönemlerden elde edilen veriler ile oluşturulmuş hidrolik modelin kalibrasyon ve doğrulaması yapılarak tayin edilen boru cidar pürüzlülük katsayısı teyit edilmektedir.


Şebekenin bir bölgesinde basınç azaltılıp azaltılamayacağına ve ne kadar azaltılabileceğine, su kullanımının en çok olduğu zamanda ve kritik noktadaki basınç değerine göre karar verilebilir. Ülkemizde bir şebekede olması gereken en düşük basınç İller Bankası Yönetmeliğine göre müstakbel nüfusu 50.000’e kadar olan yerlerde 20 m., daha büyük nüfuslarda 30 m. olarak belirlenmiştir (İller Bankası, 1985). İzole alt bölgeler oluşturulan mevcut bölgelerde gelecek nüfusun çok fazla değişmeyeceği ve 50.000’in altında kalacağı varsayımı ile minimum basınç değeri 20 m olarak alınabilir. Belirtilen optimum basınç değerinin sağlanabilmesi için su tüketim verileri incelenerek uygun basınç kontrol tekniğine karar verilebilir.



Şekil 1. “BeachPark” alt bölgesi için maksimum 
debinin görüldüğü 5 günlük debi-basınç grafiği



4. BULGULAR ve TARTIŞMA
ASAT’ın CBS biriminden elde edilen borulara ilişkin kayıtlar, fiziki ve topoğrafik özellikleri ile EPANET hidrolik modeli kurulmuştur. ASAT-SCADA biriminden alınan bir yıllık (1 Eylül 2009-2010) debi ve basınç verilerinden yararlanılarak maksimum ve minimum debiler (kritik debiler) belirlenmiş, bu kritik debilere ilişkin beş gün süreli debi-basınç grafikleri Şekil 1 ve Şekil 2’de verilmiştir. Hazen-Williams boru cidarı pürüzlülük katsayısı “BeachPark” alt bölgesinde yürütülen kalibrasyon ve doğrulama çalışmaları neticesinde 100 olarak belirlenmiştir (TÜBİTAK 2011).  “BeachPark” izole alt bölgesi için maksimum iletim debisi 71 m3/sa, minimum debi ise 12 m3/sa olarak belirlenmiş ve hidrolik modele girilerek bölgenin alansal basınç değişim grafikleri elde edilmiştir (Şekil 3 ve Şekil 4).


ASAT-SCADA istasyonundan elde edilen debi ve basınç verileri (Şekil 1 ve Şekil 2) incelendiğinde “BeachPark” alt bölgesinin turistik bir bölge olduğu için turizm sezonunda su tüketiminin kış aylarındaki su tüketimine göre yaklaşık 7 kat fazla olduğu, sezon açılmadan önce çeşitli sezon hazırlıklarının yapılmaya başlaması ile birlikte su tüketiminin bariz bir şekilde arttığı görülmüştür. Ayrıca “BeachPark” izole alt bölgesinde yer alan turistik tesislerin geceleri de yoğun faaliyet göstermesi sebebiyle bölgede minimum gece debisi analizi yapılamamakta, bu yüzden bölgede fiziki su kayıplarının tespiti zorlaşmaktadır. Gece ile gündüz su kullanımı arasında fark bulunmaması sebebiyle “BeachPark” alt bölgesi için zaman ayarlı basınç kontrol tekniği uygulanması doğru olmayacaktır. “BeachPark” alt bölgesinde birçok havuz ve yüzme kompleksinin bulunması nedeniyle yılın belirli dönemlerinde görüldüğü üzere debiler de süreklilik yoktur (Şekil 1). Bu sebeple bölgeye takılacak basınç kırıcı vananın debi değişimine esneklik sağlaması gerekmekte ve sabit çıkışlı basınç kontrol tekniği kullanılması verimsiz olacaktır.


Hidrolik modelleme çalışmaları neticesinde “BeachPark” alt bölgesinin maksimum debi iletimi anında alansal basınç değişim grafiğinde (Şekil 3) basıncın belirlenen optimum basınç değeri olan 20 m.’den yüksek olduğu görülmektedir. Literatür çalışmalarında basıncın 20 m. azaltılması ile su kayıplarında %30’lara varan azalmalar olduğu kaydedilmiştir. Minimum debi iletimi anında bölgedeki basıncın alansal değişimi incelendiğinde (Şekil 4), beklendiği gibi şebekede maksimum debi iletimi anına nazaran daha yüksek basınçlar gözlenmektedir.
“BeachPark” alt bölgesinin maksimum debi iletimi anında görülen yüksek basıncın optimum basınca azaltılması ile (sabit çıkışlı basınç kontrol yönteminde) elde edilecek su tasarruf miktarı EPANET hidrolik modelinde emitter katsayısı ile tayin edilmektedir (Trifunovic 2009, Kara 2011). “BeachPark” alt bölgesi için emitter katsayısı 0.016 olarak bulunmuştur. Bu durumda alt bölge su giriş noktası olan SCADA istasyonu noktasında bölge giriş basıncı 30 mss indirilmesi durumunda bölgenin tamamında 20 mss ve üstünde basınç değerleri olacağı hidrolik modelden bulunmuştur (Şekil 5).
Sabit çıkışlı basınç kontrol yöntemiyle EPANET hidrolik modelinin 1 Eylül 2009 ile 31 Ağustos 2010 tarihleri arasında 1 yıl süre ile çalıştırılması sonucunda alt bölge giriş basıncının sabit 30 mss’a azaltılması ile su kayıplarında ortalama 2,5 m3/sa azalma olacağı bulunmuştur. Ancak “BeachPark” alt bölgesi bünyesinde birçok turistik tesis bulundurduğu için su tüketimine karşı esnek olan debi ayarlı basınç kontrol tekniği kulanılarak basınç yönetimi sağlanması daha uygun olacaktır. “BeachPark” alt bölgesi için 4 aşamalı debi ayarlanması uygun olup, (0-20 m3/sa, 20-40 m3/sa, 40-60 m3/sa ve 60 m3/sa ve üzeri) bu sistemin “BeachPark” alt bölgesine uygulanması durumunda sabit çıkışlı kontrol yöntemine göre %40 daha fazla ve 3,5 m3/sa (yılda 30.750 ton) su tasarrufu elde edilmiş olacaktır.


5. SONUÇLAR
Su dağıtım şebekelerinde su kayıplarının azaltılmasında uygulanmakta olan en basit yöntem, basınç azaltma yönetimidir. Basınç doğru bir şekilde yönetilebilir ve azaltılabilirse, mevcut patlak ve sızıntılardan kaybolan su miktarı azalacaktır. Basıncın azaltılmasıyla boru patlama sayısında azalma olduğu ve boru işletim ömürlerinin de uzadığı bilinmektedir. Su dağıtım şebekelerinde basınç, optimum seviyeye kadar azaltılmalıdır. Her su dağıtım sisteminin optimum basınç seviyeleri farklıdır ve ancak hidrolik modeller yardımıyla bu seviye doğru tespit edilebilir. Antalya-Konyaaltı ilçesinde bulunan turistik “BeachPark” alt bölgesinde yürütülen çalışma ile turizm sezonunda su tüketiminin kış aylarına oranla 7 kat daha fazla olduğu ve turizm sezonuna yaklaştıkça su tüketiminin giderek artan bir trend izlediği tespit edilmiştir. Özellikle turizm sezonunda, turizm bölgelerindeki su dağıtım şebekeleri ve su kaynaklarının daha fazla baskı altında olmasından dolayı su kayıplarının azaltılması, su kaynaklarının sürdürülebilir yönetimi açısından büyük önem arz etmektedir. “BeachPark” alt bölgesinde yürütülen bu çalışma ile su tüketim profilindeki yüksek değişimlerden dolayı debi değişimlerine esneklik gösteren debiye ayarlı basınç kontrol tekniği kullanılmasının uygun olduğu ortaya konulmuştur.

KAYNAKLAR
1. Alegre, H. Hirner, W. Baptısta, J. and Parena, R. 2000. Performance Indicators for Water Supply Services, IWA Manual of Best Practice. ISBN900222272. 
2. American Water Works Associations (AWWA), 2006.  Apparent and Real Losses. 
3. Charalambous, B. 2007. Effective Pressure Management of District Metered Areas,Leakage Water Loss 2007 Specialist Conf., Bucharest, Romania, pp. 241-244.
4, Cinal, H. 2009. Basınç Yönetimi İle İçmesuyu Şebeke Kayıplarının Azaltılması: Sakarya Örneği. Y.L. Tezi, Sakarya Üniversitesi.
5. Çakmakçı, M., Uyak, V., Özturk, İ., Aydın, A.F., Soyer, E., Akça, L.,2007. The Dimension and Significance of Water losses in Turkey., IWA Water Losses Conf. 2007, 464-473. 
6. EPA, 2009. Review Draft Control and Mitigation of Drinking Water Losses In Distribution Systems. Washington, EPA 816-D-09-001.
7. İller Bankası, 1985. Şehir ve Kasaba İçmesuyu Projelerin Hazırlanmasına Dair Yönetmelik. R.G. 22 Nisan 1985, 18733 Sayılı Nüshası 
8. Kara, S. 2011. İçmesuyu Dağıtım Şebekelerinde Basınç Yönetimi ve Hidrolik Modellemenin Entegre edilerek Su Kayıplarının İncelenmesi, Y.L. Tezi, Akdeniz Üni.
9. Karadirek, İ.E., Kara, S., Yılmaz G., Muhammetoğlu, A., Muhammetoğlu H., 2012. “Implementation of Hydraulic Modelling for Water-Loss Reduction Through Pressure Management”, Water Resource Management, 26:9, 2555-2568.  
10. Karadirek, İ.E., Kara, S., Yılmaz G., Altındal T., Muhammetoğlu, A., Muhammetoğlu H., Kitiş M., Soyupak S., Yiğit N. Ö., Harman B. vd. 2012. “Antalya Konyaaltı Bölgesi İçmesuyu Kalitesinin İzlenmesi ve Yönetimi”, Çevre Bilim ve Teknoloji Dergisi, ISSN: 1302-5627 Aralık 2012. 
11. Marunga, A. Hoko, Z. and Kaseke, E. 2006. Pressure Management as a Leakage Reduction and Water Demand Management Tool: The Case of the City of Mutare, Zimbabwe. Phys. & Chem. the Earth 31, 763–770.
12. May, J. 1994. Pressure Dependent Leakage. World Water and Environmental Engineering, October 1994
13. McKenzie, R. 2001. Development of a Pragmatic Approach to Evaluate the Potential Savings from Pressure Management in Potable was Distributions in South Africa: PRESMAC. ISBN No. 1 86845 722 2.
14.McKenzie, R. 2002. Economic Model for Leakage Management for Water Suppliers in South Africa, Water Research Commission Report No. TT 109/99, Pretoria
15. McKenzıe, R. Mostert, S. H. and Jager, D.T. 2004. Leakage Reduction Through Pressure Management in Khayelitsha: Two Years  Down The Line, 2004 Water Institute of South Africa (WISA) Biennial Conference
16. Rossman, L. A. 2000. EPANET 2.0 Users Manual,  U.S. Environmental Protection Agency, 
17. Trifunovıc, N. Sharma, S. and Pathırana, A. 2009. Modelling Leakage in Distribution System Using EPANET. South Africa, Waterloss 2009 April, 482-489.
18. TÜBİTAK, 2011. İçme Suyu Dağıtım Şebekelerinde Optimum Klorlama Uygulamalarının Matematiksel Modeller Kullanılarak Gerçekleştirilmesi ve Dezenfeksiyon Sistemlerinin Yönetimi Projesi Final Raporu. Antalya: TÜBİTAK (Project No. 107G088). 

 

---

R E K L A M