A Method Proposal for Evaluation of the Performance of Water Quality Monitoring Networks and Application in Gediz River Basin

Abstract

Water quality monitoring network design, evaluation and improvement problem is still investigated due to challenges and uncertainties such monitoring continuity, frequency, location and temporal changes in monitoring objectives. Regarding these issues, design and improvement of monitoring networks require multi-criteria evaluation and adaptation of the system to the temporal changes in monitoring objectives. Due to the complex nature of this problem, there is no exact solution yet. Many previous studies employed multi-criteria optimization and decision-making methodologies, however, it is revealed that the elicitation of importance and weighting coefficients assigned to criteria affect the decisions given for the monitoring networks. The presented study aims to evaluate the performance of these networks through the utilization of a multi-criteria decision-making method called “Reference Point Approach”, which does not necessitate the assignment of these weights. The method is applied to Gediz Basin and station based network performance is assessed through the use of observations between the years of 1985 and 2000 regarding the existing monitoring objectives, afterward, the obtained results are compared with the outcomes of the TÜBİTAK-YDABAG-100Y102 project, which employed Dynamic Programming Approach. The obtained results indicate that the outcomes of both methods are compatible to a certain degree. This indication reveals that reference point approach is useful in providing reliable results.

Keywords

• Surface Water Quality Monitoring Network,Monitoring Network Performance,Reference Point Approach,Gediz Basin

Su Kalitesi Gözlem Ağlarının Performansının Değerlendirilmesi için Bir Yöntem Önerisi ve Gediz Havzasında Uygulanması

Abstract

Su kalitesi gözlem ağlarının tasarımı ve mevcut ağların iyileştirilmesi problemi; gözlem sürekliliği, ölçüm sıklığı ve gözlem konumlarının seçimi ile ilgili belirsizlikler, diğer yandan ise gözlem amaçlarının zaman içerisinde değişmesi gibi nedenlerden dolayı halen çözümü araştırılan bir problemdir. Bu nedenle gözlem ağı tasarımı ve mevcut gözlem ağlarının iyileştirilmesi konusu çok kriterli değerlendirmeye ihtiyaç duymaktadır ve zaman içinde değişen gözlem amaçlarına göre de var olan sistemin uyumlandırılması gerekliliği vardır. Problemin varolan karmaşık yapısı nedeniyle halihazırda kesin bir yöntem bulunmamaktadır. Çok kriterli optimizasyon ve karar verme yöntemleri ile yapılan önceki çalışmalarda özellikle kriterlere atanan önem ve ağırlık katsayılarının seçimi gözlem ağı ile ilgili verilen kararları doğrudan etkilemektedir. Sunulan çalışma, ağırlık katsayılarının tayinini gerektirmeyen bir çok kriterli karar verme yöntemi olan Referans Noktası Yöntemini (RNY) esas alarak, su kalitesi gözlem ağı performansını irdelemeyi amaçlamaktadır. Yöntem Gediz havzasına uygulanarak, . 1985-2000 yılları arasında gözlemlenen veriler ile mevcut su kalitesi gözlem ağı amaçlarına göre istasyon bazında performans belirlenmiş ve çıkan sonuçlar ile Dinamik Programlama Yönteminin (DPY) kullanıldığı TÜBİTAK-YDABAG-100Y102 sayılı çalışmanın sonuçları karşılaştırılmıştır. Elde edilen bulgular Referans Noktası Yöntemi ile bulunan sonuçların Dinamik Programlama Yöntemi ile bulunan sonuçlarla uyumlu olduğunu ortaya koymuştur. Bu durum Referans Noktası Yönteminin uygun sonuçlar verdiğini ortaya koymaktadır.

Keywords

• Yüzeysel Su Kalitesi Gözlem Ağı,Gözlem Ağı Performansı,Referans Noktası Yöntemi,Gediz Havzası

References

1. İçağa, Y. 1998. Spatial Optimization of Hydrometric Data Networks by System Analysis Techniques. Dokuz Eylül Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, 164s, İzmir.
2. Timmerman, J. G. 2014. Information Needs for Water Management. First edition. CRC Press Taylor & Francis Group, 234s, ISBN-13: 978-1466594746, ISBN-10: 1466594748.
3. Özkul, S. 2001. Su Kalitesi Gözlem Ağlarının Entropi Yöntemi ile Değerlendirilmesi. Turk J Engin Environ Sci 25: 435-452.
4. Sharp, W. E. 1971. A Topologically Optimum Water - Sampling Plan for Rivers and Streams. Water Resources Research, 7 (6), 1641-1646. DOI: 10.1029/WR007i006p01641 .
5. Horton, R. E. 1945. Erosional Development of Streams. Geological Society Am. Bull., 56 (3), 275-370, DOI:10.1130/0016-7606(1945)56[275:EDOSAT]2.0.CO;2.
6. Tirsch, F. S. ve Male, J. W. 1984. River Basin Water Quality Monitoring Network Design: Options for Reaching Water Quality Goals. In T.M. Schad (Ed.). Proceedings of Twentieth Annual Conference of American Water Resources Associations, AWRA Publications, 149-156.
7. Özkul, S. 1996. Space/Time Design of Water Quality Monitoring Networks by the Entropy Method (İngilizce). Dokuz Eylül Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, 196s, İzmir.
8. Al-Zahrani, M. A., ve Moeid, K. 2001. Locating Optimum Water Quality Monitoring Stations in Water Distribution System. In Bridging the Gap: Meeting the World's Water and Environmental Resources Challenges, 1-9, DOI: 10.1061/40569(2001)393.

9. Çetinkaya, C. P. ve Harmancıoğlu, N. B. 2011. Assessment of Water Quality Sampling Sites by a Dynamic Programming Approach. Journal of Hydrologic Engineering 17.2: 305-317, DOI: 10.1061/(ASCE)HE.1943-5584.0000420.
10. Harmancıoğlu, N. B., Özkul, S. D. Ve Alpaslan, M. N. 1998. Water Quality Monitoring and Network Design. Environmental data management. Springer Netherlands, 61-106, DOI:10.1007/978-94-015-9056-3_4.
11. Kallio, M., Lewandowski, A., & Orchard-Hays, W. 1980. An Implementation of the Reference Point Approach for Multiobjective Optimization. WP-80-35. IIASA, Laxenburg, Austria, 29s.
12. Wierzbicki, A. P. 1980. The Use of Reference Objectives in Multiobjective Optimization. In Fandel G. and Gal T. editors, MCDM Theory and Applications, Springer, Berlin, s 468-486, DOI: 10.1007/978-3-642-48782-8_32.
13. Wierzbicki, A. P. 1998. Reference Point Methods in Vector Optimization and Decision Support. IR-98-017, International Institute for Applied Systems Analysis, Laxenburg, Austria, 43s.
14. Wierzbicki, A. P. 2007. Reference Point Approaches and Objective Ranking. In Jürgen Branke, Kalyanmoy Deb, Kaisa Miettinen and Roman Slowinski, editors, Practical Approaches to Multi-Objective Optimization, number 06501 in Dagstuhl Seminar Proceedings, Dagstuhl, Germany. Internationales Begegnungs- und Forschungszentrum für Informatik, Schloss Dagstuhl, Germany, 20s, ISSN: 1862-4405.
15. Ogryczak, W. 2010. Ordered Weighted Enhancement of Preference Modeling in the Reference Point Method for Multiple Criteria Optimization. Soft Computing 14.5 : 435-450, DOI: 10.1007/s00500-009-0457-6.
16. Wierzbicki, A. P., Makowski, M., ve Wessels, J. 2000. Model Based Decision Support Methodology with Environmental Applications. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, The Netherlands, 475s, ISBN: 978-0-7923-6327-9.
17. Harmancıoğlu, N. B., Özkul, S., Fıstıkoğlu, O., Onuşluel G., Gül, A., Çetinkaya, C.P., İçağa, Y., Barbaros, F., Akyar, H., Kahramanoğlu, N., Seyrek, K., Baltacı, F., Onur, A. K., Yılmaz, N., Celtemen, S. P. ve Alpaslan, A. 2003. Efficiency Analysis and Network Optimization in DSI’s Water Quality Monitoring Networks II (in Turkish). Report repared for the Research Project granted by TUBITAK, Scientific and Technical Research Council of Turkey, Project code: YDABAG 100Y1002, İzmir.
18. Çetinkaya, C. P. 2007. Spatial Optimization of Hydrologic Monitoring Networks on Rivers. Dokuz Eylül Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, 128s, İzmir.
19. McMahon, T. A. ve Mein, R. G. 1986. River and Reservoir Yield. Water Resources Publications. Littleton, Colorado, 368s, ISBN: 0918334616.
20. Gibbons, J. D. ve Chakraborti, S. 1992. Nonparametric Statistical Inference. 3rd edition. Marcel Dekker, Inc. New York, 572s, ISBN-10: 0824786610, ISBN-13: 978-0824786618.
21. Çetin, H.C. ve diğer. 2009. Gediz Nehri Su Kalitesi Parametrelerinin Eğilim Analizi. TMMOB İzmir Kent Sempozyumu, İzmir, 603-611.
22. TÜBİTAK MAM 2013. Gediz Havzası Nihai Raporu. http://gediz.ormansu.gov.tr/gediz/Files/Gediz%20Havzas%C4%B1%20Nihai%20Raporu.pdf (Erişim Tarihi: 02.11.2018).
23. Arnold, S.F. 1981. The Theory of Linear Models and Multivariate Analysis. John Wiley and Sons, Inc., USA, 475s, ISBN 0-471-05065-2.
24. Ludwig, J.A. ve Reynolds, J. F. 1988. Statistical Ecology. A Wiley-Interscience Publication., USA, 337s, ISBN 0-471-83235-9.
25. Sharma, S. 1996. Applied Multivariate Techniques. John Wiley and Sons, Inc., USA, 493s, ISBN 0.471.31064.6.