Decision-making mechanism in appropriate roof selection for rainwater harvesting based on combining field data and laboratory experiments
Yağmur suyu hasadi için uygun çati seçiminde saha verileri ve laboratuvar deneylerine dayali karar verme mekanizmasinin kullanilmasi
- Tez No: 875223
- Danışmanlar: DOÇ. DR. HALE ÖZGÜN ERŞAHİN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Çevre Bilimleri, Mühendisliği ve Yönetimi Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 125
Özet
Su kıtlığı; iklim değişikliği, kentsel yayılma, yaşam standartlarının yükselmesi ve endüstrileşme ile birlikte dünya çapında büyüyen bir sorun haline gelmiştir. Hızlı nüfus artışı ve tüketim alışkanlıklarının zamanla değişmesiyle tatlı su kaynakları, küresel su talebini karşılayamama riski altındadır. Su kıtlığı tehlikesiyle mücadele edebilmek için, ülkeler arıtılmış suyun geri kazanımı ve alternatif su kaynakları konusunda stratejiler geliştirmeye başlamıştır. 2025 yılına kadar dünya nüfusunun üçte ikisinin su kıtlığına maruz kalması ve 2050 yılında ise yaklaşık iki milyar insanın su kıtlığı yaşaması beklenmektedir. Bu riskler, su stresi yaşayan ülkeleri arıtılmış suyun geri kazanımı ile ilgili bilimsel çalışmalar yapmaya ve etkili stratejiler ortaya koymaya mecbur kılmaktadır. Su kıtlığı için alternatif su kaynaklarının değerlendirilmesi ve arıtılmış suyun geri kazanımı ile ilgili stratejilerin geliştirilmesi elzemdir. Su kıtlığının önüne geçebilmek için uygulanacak sürdürülebilir çözümlerden birisi de alternatif bir su kaynağı olan yağmur suyunun hasadı (YSH)'dır. Bu çalışmada, sürdürülebilir ve döngüsel tarımsal sulama uygulamalarına odaklanılmış ve farklı çatı malzemesi ve farklı çatı eğimlerinin hasad edilen yağmur suyunun kalitesi üzerindeki etkisi analiz edilmiştir. YSH kentsel alanlardaki çatılar, oluklar, ilk akış, depolama tankı ve arıtma tesislerine giriş gibi mevcut tesislerden yağmur suyu toplamayı içeren çok bileşenli bir yaklaşımdır. Bu anlamda, toplanan yağmur suyu, su kıtlığının etkilerini azaltmak için tarımsal sulama, temizlik amaçlı kullanım suyu, tuvalet sifon suyu, araba yıkama, kaldırım temizliği vb. amaçlar için kullanılmaktadır. Böylece temiz su kaynaklarının bu amaçlar için kullanımı azaltılmakta ve su kıtlığı ile mücadele edilebilmektedir. Hasad edilmiş yağmur suyu (HYS), soğutma suyu gibi çeşitli su ihtiyaçlarını karşılamak için endüstriyel tesislerde de kullanılabilmektedir. Tarım sektörü, küresel su tüketiminin %70'ini oluşturduğundan, su kıtlığıyla mücadele etmede tarımsal sulamada HYS kullanımı büyük öneme sahiptir. Bu çalışmada, farklı pilot ölçekli çatılardan hasad edilen yağmur suyunun kalitesine ve tarımsal kullanım amaçlı gerçekleştirilen arıtma proseslerine odaklanılmaktadır. Bu çalışma, çeşitli çatı malzemeleri ve çeşitli çatı eğimlerine sahip dokuz farklı pilot ölçekli çatıdan elde edilen HYS kalitesinin sistematik bir analizini sunmaktadır. Gerçekleştirilen bütünsel değerlendirme ile HYS'nin karakterizasyonu ve aynı zamanda sürdürülebilir tarımsal kullanım potansiyeli ele alınmıştır. HYS'lere ultrafiltrasyon (UF) ve ultraviyole (UV) dezenfeksiyonunu içeren iki aşamalı bir arıtma prosesi uygulanmıştır. YSH amacıyla çatı seçim aşaması için gerçekleştirilen laboratuvar çalışmalarına ek olarak döngüsel ekonomiye dayalı bir karar verme mekanizması da kullanılmıştır. Bu karar verme mekanizmasında; finansal, yapısal, teknik, çevresel, sosyal ve yenilikçi boyutları kapsayan faktörler ele alınmıştır. Literatür taramasına dayanılarak belirlenen bu altı boyutun her biri içinde dört alt kriter tanımlanmış olup, toplamda 24 faktör belirlenmiştir. Bu faktörler hazırlanan bir anket ile alanlarında uzman kişiler tarafından değerlendirilmiş ve elde edilen sonuçlar Bulanık Analitik Hiyerarşi Süreci (Fuzzy AHS) yaklaşımı kullanılarak önemine göre ağırlıklandırılmıştır. Buna ilave olarak, çatı malzemelerinin daha ayrıntılı, karşılaştırmalı değerlendirmesini sağlayan İdeal Çözüme Benzerlik Tercih Sıralama Tekniği (TOPSIS) kullanılmıştır. Sonuçlar, finansal (%21.89) ve çevresel (%19.75) yönlerin öneminin yüksek olduğunu gösterirken, sosyal boyut (%11.47) ve diğer boyutların öneminin daha düşük olduğunu ortaya koymuştur. Alt kriterler değerlendirildiğinde; HYS için en önemli faktörün Escherichia coli (E.coli) içeriği (%7) olduğu, sonrasında işletme maliyeti (%6.78) ve yüzey akışının azalması (%5.73) faktörlerinin geldiği tespit edilmiştir. Çatı konfigürasyonları arasında, özellikle 5°'lik metal çatının yapısal, teknik ve çevresel avantajları nedeniyle diğer çatılardan daha üstün performans göstediği ortaya konulmuştur. Çok boyutlu çatı konfigürasyonlarının değerlendirilmesine uzman görüşlerinin dahil edilmesi, özellikle göz ardı edilebilecek yenilikçilik boyutu gibi nitel yönleri değerlendirmek açısından oldukça önemlidir. Dünya genelinde kabul gören kriterlerin detaylı değerlendirmelerine bakıldığında; tarımsal uygulamalar için HYS'nin mikrobiyal kalitesi en üst sırada yer almaktadır. Ayrıca işletme maliyeti, yatırım maliyeti, yüzey akışının azalması ve çatının inşaatının karmaşıklığı gibi birçok faktör, YSH sisteminin seçimi açısından önem arz etmektedir. Anket sonuçlarına göre, YSH sistemlerinde kullanılabilecek en uygun malzemenin galvanizli metal olduğu ortaya konulmuştur. Galvaniz metal malzemesinin tüm ekolojik, teknik ve yapısal parametrelerle uyum gösterdiği de bu çalışma ile belirlenmiştir. Bu çalışma, galvanizli metalin YSH alanında pratik olarak uygulanabilirliğini doğrulamaktadır. Gelecekteki çalışmalarda uygulanabilecek yöntemler, farklı kriter geliştirme tekniklerinin kullanımını ve bulanık küme teorisiyle birleştirilmesini içeren metodolojik iyileştirmeleri kapsamalıdır. Gelecekteki çalışmalar, karar verme süreçlerinde iyileşmeler sağlamak için vlsekriterijumska optimizacija i kompromisno resenje (VIKOR), meaning“multicriteria optimization and compromise solution”, preference ranking organization method for enrichment evaluations (PROMETHEE), and elimination and choice expressing reality (ELECTRE) gibi alternatif öncelik belirleme yöntemlerine dayalı olabilir. Ayrıca, duyarlılık analizi ve Monte Carlo simülasyonları, araştırmacılara kriterler arasındaki ilişkiler ve bulguların güvenilirliği hakkında bilgiler kazandırmaya yardımcı olacaktır. Ayrıca; regenerate, share, optimize, loop, virtualize, exchange (ReSOLVE) çerçevesi döngüsel ekonomi kapsamında su kaynağı kullanımı optimizasyonuna yönelik yeni çalışmalar için farklı bir bakış açısı ve önemli bulgular sunabilir. Özet olarak bu tez, sürdürülebilir tarımsal sulama bağlamında döngüsel ekonomide YSH sistemlerini optimize etmek için stratejik bir rehber sunmaktadır. Ayrıca, halihazırda geliştirilmeye ihtiyaç duyulan mevcut uluslararası su yönetimi yaklaşımlarına kritik bir bakış açısı sunmaktadır. Böylece geleceğin döngüsel ekonomi vizyonu desteklenmekte ve HYS'nin sürdürülebilir olduğu bir vizyon ortaya konulmaktadır.
Özet (Çeviri)
Currently, environmental issues such as global warming and water scarcity are vital and important matter to be concerned about. Sustainable ways to address these problems have been established as effective solutions, and one such example is Rainwater Harvesting (RWH). This research therefore focuses on the sustainable and circular farming practices of crop production and analyzes how different roof designs impact the quality of rainwater used for irrigation. The present research provides a systematic analysis of harvested rainwater (HRW) sourced from nine pilot-scale roofs featuring three roofing materials (i.e., shingle, galvanize metal, and clay tile) and three roof pitch angles (i.e., 5°, 30°, and 42°) at pilot-scale. This holistic evaluation takes into account not only the initial, immediate condition of physicochemical and microbiological quality of HRW but also the potential for long-term agricultural sustainability. To this end, water samples were characterized at the post-collection stage, with special attention given to the combined use of ultrafiltration (UF) and ultraviolet (UV) disinfection, to ensure the standards of irrigation water quality. For the ideal roof design selection for rainwater harvesting it has been involved thorough decision-making process based on six key aspects: Financial, structural, technical, environmental, social, and innovative. Each aspect is divided into four sub criteria, resulting in 24 factors that cover costs, efficiency, environmental impact, and innovative potential. Laboratory tests were conducted to evaluate the water quality parameters. Additionally, expert surveys and literature reviews provided qualitative and quantitative data. The survey responses underwent careful screening to eliminate redundancies and inconsistencies. The Fuzzy Analytical Hierarchy Process (Fuzzy AHP) determined the weight of each criterion, while the Technique for Order of Preference by Similarity to Ideal Solution (TOPSIS) ranked the roofing configurations. Regarding the detailed considerations of worldwide criteria, the microbial quality of HRW for agricultural applications is of primary importance. It has been emphasized the¬ significance of financial (21.89%) and environmental (19.75%) factors, while¬ the social aspect (11.47%) ranks lower in comparison. The¬ evaluation of criteria reve¬aled that Escherichia coli (E.coli) content (7%), operational e¬xpenses (6.78%), and reduce¬d runoff (5.73%) were crucial considerations for harve¬sted rainwater. Among the roof configurations asse¬ssed, galvanized metal roofs with a 5° angle¬ emerged as the¬ superior choice due to the¬ir structural, technical, and environmentally frie¬ndly advantages. Incorporating expert insights into the¬ multi-dimensional evaluation of roof configurations provides a valuable¬ tool for assessing qualitative aspects, such as innovation, which might otherwise be overlooke¬d. It has been systematized a robust, circular economy-base¬d decision-making approach for more straightforward roof sele¬ction in rainwater harvesting, offering a compre¬hensive perspe¬ctive through a comprehensive¬ set of factors. In this case, E.coli plays a major role in defining the microbiological safety level. In the order of significance; operational cost, runoff reduction, investment cost, and construction complexity present an inclusive picture of RWH system selection that takes into account many aspects. The outcomes of the survey confirm that the most optimal material to be used in RWH systems is galvanized metal, which was also identified for high performance due to complete compliance with all ecological, technical, and structural parameters. This research confirms the practical application of galvanized metal in the sphere of RWH. This study, while covering an extensive scope, still has limitations; hence, additional methods that can be applied in future studies may include methodological improvements involving the use of different criteria weighting techniques and amalgamation with fuzzy set theory. These studies can also be based on alternative prioritization methods such as vlsekriterijumska optimizacija i kompromisno resenje (VIKOR), meaning“multicriteria optimization and compromise solution”, preference ranking organization method for enrichment evaluations (PROMETHEE), and elimination and choice expressing reality (ELECTRE) to ensure improvement in decision-making processes. Moreover, sensitivity analysis and Monte Carlo simulations help researchers gain deeper insights into criteria relationships and the reliability of findings, respectively. In terms of concepts, the research thus reveals the potential of case studies to determine the case studies in different areas using real roof structure's data for checking and possibly improving the provided frame. Also, integration of the regenerate, share, optimize, loop, virtualize, exchange (RESOLVE) framework and essence-wheel might provide unexplored views as well as an excellent deal with new avenues for investigation directed towards water resource use optimization for the circular economy. In summary, this thesis offers a strategic guide for optimizing RWH systems for the circular economy in the agricultural context and also offers a critical lens by which to view the current international water management paradigm, supporting, as it does a generic circular economy vision of the future, replete with closed circles of materials, energy and water.
Benzer Tezler
- Binaya ekleme fotovoltaik sistemlerin bir konut binası çatısında uygulaması
Installation of photovoltaic systems on the roof of a housing building
ONUR GÜNEŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiEnerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HATİCE SÖZER
- Türk ve İtalyan Ceza Hukukunda güvenlik tedbiri kuramı ve kişi hürriyetini sınırlandıran güvenlik tedbirleri
The theory of security measure and personal security measures limiting personal freedom in Turkish and Italian Criminal Law
BATUHAN AKTAŞ
- Karaköy-Kemeraltı bölgesinin 20.yüzyıl başından günümüze gelişimi, koruma sorunları ve öneriler
Development of Karaköy-Kemeralti district, from begining of the 20th century to present, conservation problems and suggestions
SEZGİ GİRAY KÜÇÜK
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. DENİZ MAZLUM
- Hibrit elektrikli bir kamyon için bulanık mantık tabanlı enerji yönetim sistemi algoritmalarının geliştirilmesi
Development of fuzzy logic based energy management system algorithms for hybrid electric truck
HAZAL SÖLEK
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MURAT YILMAZ