CBS ve oyun teorisi kullanarak tarımsal üretimde nitrat ve su kullanımının optimizasyonu

Optimizing nitrate and water usage in agricultural production using gis and game theory

PDF İndir

Tez No: 954715
Yazar: NARGES GANJALI
Danışmanlar: DOÇ. DR. CANER GÜNEY
Tez Türü: Doktora
Konular: Bilim ve Teknoloji, Coğrafya, Çevre Mühendisliği, Science and Technology, Geography, Environmental Engineering
Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
Yıl: 2025
Dil: İngilizce
Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
Ana Bilim Dalı: Bilişim Uygulamaları Ana Bilim Dalı
Bilim Dalı: Coğrafi Bilgi Teknolojileri Bilim Dalı
Sayfa Sayısı: 198

Özet

Tarım sektörü, küresel ölçekte hem ekonomik kalkınmanın motoru hem de doğal kaynakların en yoğun kullanıldığı alanlardan biridir. Ancak özellikle yarı kurak bölgelerde, verimlilik odaklı tarım uygulamaları çevresel sürdürülebilirlik açısından önemli riskler doğurmaktadır. Bu çalışma, İran'ın güneybatısında yer alan ve tarımsal üretimin yoğun olarak yapıldığı Marvdasht-Kharameh havzasını ele alarak, nitrat kirliliğinin azaltılması ve su kaynaklarının verimli kullanılması doğrultusunda çok kriterli bir karar destek sistemi geliştirmeyi amaçlamaktadır. Havzada, yüksek verim hedefiyle nitrat bazlı kimyasal gübrelerin yoğun biçimde kullanılması ve geleneksel sulama yöntemlerinin devam ettirilmesi, yer altı ve yüzey sularında ciddi kirlilik ve su stresi problemlerine yol açmaktadır. Bu durum, yalnızca ekosistem sağlığını tehdit etmekle kalmamakta, aynı zamanda bölgedeki tarımsal üretimin sürdürülebilirliğini de riske atmaktadır. Artan çevresel baskılar ve azalan su rezervleri karşısında, entegre ve mekânsal temelli çözüm yaklaşımlarının geliştirilmesi gerekliliği ortaya çıkmaktadır. Bu kapsamda, çalışmada iki farklı çok amaçlı optimizasyon modeli geliştirilmiştir: ikili amaç modeli ve üçlü amaç modeli. Her iki model de oyun teorisi prensiplerine dayanmakta ve karar vericiler arasında oluşabilecek çatışmaları çözümlemek üzere tasarlanmıştır. İkili model, ekonomik gelir ile nitrat kirliliği arasındaki dengeyi Nash ve Kalai-Smorodinsky pazarlık çözümleriyle analiz ederken; üçlü model, bu denkleme su kullanımını da dahil ederek daha kapsamlı bir karar alanı sunmaktadır. Modellerin temel avantajı, yalnızca matematiksel denge çözümleri sunmakla kalmayıp, aynı zamanda farklı paydaşların (çiftçiler, çevreciler, politika yapıcılar) önceliklerini yansıtan senaryolar üretebilmesidir. Bu modellerde kullanılan veriler, Coğrafi Bilgi Sistemleri (CBS) altyapısıyla desteklenmiş, böylece mekânsal doğruluğu yüksek ve yerel koşulları yansıtan bir karar destek sistemi ortaya konmuştur. Geliştirilen optimizasyon modellerinin gerçek koşulları yansıtabilmesi için, coğrafi tabanlı veri kaynaklarının entegre edilmesi kritik önem taşımaktadır. Bu nedenle çalışmada, CBS tabanlı mekânsal veri analizleri yoğun biçimde kullanılmıştır. Tarla bazında ürün tipleri, verim değerleri, gübre tüketim oranları, sulama suyu miktarları, toprak yapısı ve pazara olan uzaklık gibi çeşitli parametreler haritalandırılarak modelleme ortamına aktarılmıştır. Ayrıca, nitrat birikimi açısından kritik olan toprak geçirgenliği, eğim, drenaj kapasitesi gibi faktörler de raster formatında değerlendirilerek risk haritaları oluşturulmuştur. Bu haritalar, hangi bölgelerde müdahalenin öncelikli olması gerektiği konusunda karar vericilere stratejik yönlendirme sağlamaktadır. Böylece geliştirilen modeller, yalnızca teorik kararlar üretmekten öte, mekânsal önceliklendirme ve kaynak tahsisi açısından somut fayda sunmaktadır. CBS kullanımı sayesinde, havza içerisindeki farklı tarım alanlarının potansiyelleri ve risk profilleri karşılaştırmalı olarak analiz edilmiş; model sonuçlarının uygulanabilirliği arazi bazlı olarak test edilmiştir. Bu entegrasyon sayesinde, model sonuçları doğrudan haritalar üzerinden izlenebilmekte ve politika geliştiricilere kolay anlaşılır görsel çıktılar sunmaktadır. Modelleme sürecinde yalnızca mevcut koşullar değil, aynı zamanda geleceğe yönelik çeşitli senaryolar da test edilmiştir. Bu senaryolar, hem çevresel hem de ekonomik faktörlerdeki belirsizlikleri göz önünde bulundurarak çok yönlü analizler yapılmasına olanak tanımıştır. Özellikle su arzındaki değişkenlik, gübre fiyatlarındaki artış, ürün pazarlarındaki dalgalanma ve iklim değişikliğine bağlı verim kayıpları gibi faktörler model girdisi olarak değerlendirilmiştir. Senaryolar altında elde edilen çıktılar karşılaştırmalı olarak analiz edilmiştir. Örneğin, yüksek çevresel koruma hedeflenen senaryolarda ekonomik gelirde azalma gözlemlenirken, orta düzey gelir hedeflenen senaryolarda hem nitrat kirliliği hem de su tüketimi önemli ölçüde azaltılmıştır. Bu bulgu, çevresel fayda ile ekonomik sürdürülebilirlik arasında doğrudan bir denge kurulabileceğini göstermektedir. Ayrıca bazı senaryolarda ürün deseninin tamamen değiştirilmesi önerilmiş; geleneksel olarak yüksek su tüketen pirinç gibi ürünlerin yerine daha su verimli alternatifler (örneğin arpa veya pamuk) tercih edilmiştir. Bu durum, sadece su tüketimini azaltmakla kalmayıp, aynı zamanda nitrat kirliliğinde de dolaylı bir azalmaya neden olmuştur. Çünkü az su tüketen ürünler, genellikle daha az gübreleme gerektirir ve bu da nitrat birikimini sınırlayıcı bir etki yaratır. Model çıktıları, kaynak yönetimi açısından dengeli çözümlerin mümkün olduğunu ortaya koymuştur. İkili model sonuçları, ekonomik getiriyi korurken nitrat kirliliğini belirli bir eşik altında tutmanın mümkün olduğunu göstermiştir. Kalai-Smorodinsky çözüm yaklaşımı, çiftçilerin tamamen gelirden vazgeçmeden çevre dostu stratejileri benimseyebileceğini ortaya koyarken, Nash çözümü daha eşitlikçi paylaşımlar sunmuştur. Üç amaçlı modelin çıktıları ise, daha karmaşık ancak gerçekçi stratejiler üretmiştir. Özellikle su tüketimini azaltan tarım desenlerinin nitrat kirliliğini de doğrudan ve dolaylı yollarla azalttığı gözlemlenmiştir. Su verimliliği yüksek ürünlerin teşvik edilmesi, yalnızca çevresel fayda değil, aynı zamanda kuraklık riskine karşı daha dirençli bir üretim yapısı ortaya çıkarmıştır. Modelleme sürecinde çiftçi davranışlarının da dikkate alınması, bulguların sahaya uygulanabilirliğini artırmıştır. Odak grup görüşmeleri ve uzman panelleri sonucunda geliştirilen senaryolar, yerel bilgi ve algılara dayandırılarak daha gerçekçi hale getirilmiştir. Özellikle eğitimli çiftçilerin çevresel stratejilere daha yatkın oldukları ve rehberlik aldıklarında bu tür politikaları uygulamaya daha istekli oldukları anlaşılmıştır. Bu bulgu, sadece teknik değil, aynı zamanda sosyal müdahale araçlarının da çevre politikalarında kritik rol oynadığını ortaya koymaktadır. Bu tez çalışması kapsamında geliştirilen karar destek sistemi, yalnızca araştırma amaçlı değil, aynı zamanda politika yapım sürecine entegre edilebilecek niteliktedir. Çalışmada geliştirilen öneriler şu başlıklar altında toplanmıştır: - Teşvik sistemlerinin yeniden yapılandırılması: Gübre ve su kullanımına yönelik sübvansiyonların çevresel etki gözetilerek yeniden düzenlenmesi gerekmektedir. Nitrat kirliliği düşük ürün desenlerinin desteklenmesi, bu yöndeki davranışsal değişimi teşvik edecektir. - Çiftçi eğitim programlarının yaygınlaştırılması: Model bulguları, eğitilen çiftçilerin çevresel stratejileri benimseme oranının belirgin biçimde yüksek olduğunu göstermiştir. Bu nedenle, yerel düzeyde teknik destek ve bilinçlendirme programları artırılmalıdır. - CBS tabanlı izleme sistemleri kurulması: Bölgedeki nitrat seviyesi, yer altı su kalitesi ve toprak sağlığı gibi çevresel göstergelerin izlenmesi için CBS destekli sürekli izleme ağlarının kurulması önerilmektedir. Bu sistemler hem merkezi yönetim hem de yerel karar vericiler için kritik bilgiler sağlayacaktır. - Yerel temelli tarım politikalarının teşviki: Simülasyon sonuçları, tek tip ulusal politikalar yerine, havza özelinde geliştirilen yerel çözümlerin daha etkili olduğunu ortaya koymuştur. Bu nedenle, politika üretiminde yerel bilgi ve esnek mekanizmalar önem kazanmaktadır. Bu tez çalışması, oyun teorisi ve CBS entegrasyonuyla geliştirilen çok kriterli karar destek modelleri sayesinde, çevresel sürdürülebilirliği tehdit eden tarımsal uygulamaların dönüştürülmesine yönelik yenilikçi bir yaklaşım sunmaktadır. Model çıktıları hem teorik anlamda çok amaçlı optimizasyon literatürüne katkı sunmakta hem de tarım, çevre ve su yönetimi politikaları için pratik uygulanabilirlik sağlamaktadır. Çalışma, yalnızca çevresel etkiler değil, aynı zamanda sosyal ve yönetsel boyutları da dikkate alarak tarımsal sistemlerin bütüncül biçimde optimize edilmesi gerektiğini ortaya koymuştur. Özellikle nitrat kirliliğiyle mücadelede, teknik çözümler kadar davranışsal müdahalelerin de önem taşıdığı vurgulanmıştır. Ayrıca, havza ölçeğinde geliştirilen bu modelin benzer yarı kurak bölgelerde uygulanabilirliği, gelecekte yapılacak araştırmalar için zengin bir zemin sunmaktadır.

Özet (Çeviri)

The agricultural sector is a major driver of economic development globally and one of the most intensive users of natural resources. However, in semi-arid regions, yield-oriented farming practices pose significant risks to environmental sustainability. This study focuses on the Marvdasht-Kharameh basin in southwestern Iran, a region of intensive agricultural activity, aiming to optimize agricultural practices for reducing nitrate pollution and ensuring efficient water use through multi-criteria decision support systems. In the study area, excessive use of nitrate-based chemical fertilizers and continuation of traditional irrigation methods have led to serious pollution and water stress problems in surface and groundwater resources. This not only threatens ecosystem health but also jeopardizes the long-term sustainability of agricultural production in the region. These environmental pressures and dwindling water reserves necessitate the development of integrated, spatially informed solution strategies. Two different multi-objective optimization models were developed in this study: a bi-objective model and a tri-objective model. Both models are based on game theory principles and are designed to resolve conflicts between stakeholders. The bi-objective model analyzes the trade-off between economic return and nitrate pollution using Nash and Kalai-Smorodinsky bargaining solutions, while the tri-objective model incorporates water consumption into this balance, offering a more comprehensive decision space. A key advantage of these models is their ability to not only generate mathematically optimal solutions but also reflect the priorities of different stakeholders (farmers, environmentalists, and policymakers) through scenario-based simulations. The models are enhanced with Geographic Information Systems (GIS), ensuring spatial accuracy and relevance to local conditions. To ensure realistic modeling, spatial data sources were integrated extensively. GIS-based spatial analysis was used to map field-level crop types, yield values, fertilizer and water consumption rates, soil structure, and distance to markets. In addition, critical factors such as soil permeability, slope, and drainage capacity were evaluated using raster data to generate nitrate risk maps. These maps guide decision-makers on which areas should be prioritized for intervention. GIS integration allowed comparative analysis of agricultural fields across the basin, testing model applicability on a plot-by-plot basis. The spatial data visualization enhanced interpretability for policymakers by enabling direct mapping of model outputs. Various future-oriented scenarios were tested in addition to baseline conditions, accounting for uncertainties in environmental and economic variables. These included changes in water availability, fertilizer price increases, market fluctuations, and climate-induced yield losses. Results showed that environmental protection and economic sustainability could be balanced. In scenarios prioritizing environmental goals, economic returns declined, whereas moderate-income scenarios achieved significant reductions in both nitrate pollution and water use. Some scenarios suggested switching crop patterns from high water-demanding crops like rice to more water-efficient alternatives like barley or cotton, which also indirectly reduced nitrate accumulation due to lower fertilizer requirements. Model results demonstrated the feasibility of balanced resource management strategies. The bi-objective model showed that nitrate levels could be kept under control without major income sacrifices. The Kalai-Smorodinsky approach allowed farmers to adopt environmentally friendly strategies without fully abandoning profits, while the Nash solution offered a more equitable allocation. The tri-objective model provided more realistic strategies, where reduced water consumption led to reductions in nitrate pollution. Promoting water-efficient crops created not only environmental benefits but also improved resilience to drought risks. Behavioral factors were also integrated; scenario development included local knowledge through focus groups and expert panels, enhancing model realism and field applicability. The decision support systems developed in this thesis are suitable not only for academic research but also for practical policy-making. Policy recommendations include: - Restructuring subsidy schemes: Environmental impact-based incentives for fertilizer and water use should be redefined to promote low-nitrate agricultural patterns. - Expanding farmer education: Educated farmers showed significantly higher adoption rates of sustainable practices. Local technical support and awareness campaigns should be scaled up. - Establishing GIS-based monitoring systems: Continuous monitoring of nitrate levels, water quality, and soil health using GIS is recommended to support local and central governance. - Encouraging localized agricultural policies: Model simulations showed that basin-specific policies are more effective than one-size-fits-all national strategies, emphasizing the need for flexible and context-sensitive policy mechanisms. This study contributes a novel approach to transforming environmentally unsustainable agricultural practices through multi-criteria decision-making models integrating game theory and GIS. The model outputs provide both theoretical contributions to the optimization literature and practical tools for agriculture and environmental policy. The research emphasizes the importance of incorporating social and managerial dimensions into environmental optimization. Combatting nitrate pollution requires not only technical interventions but also behavioral incentives. The basin-level model developed here has strong potential for application in similar semi-arid regions globally

Benzer Tezler

Tez No
358646
Karar problemlerinin çözümü için oyun teorisi ve coğrafi bilgi sistemleri tabanlı bütünleşik bir yaklaşım
An integrated approach in decision problems based on game theory and geographical information systems
ERKAN ERŞEN
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
Savunma ve Savunma Teknolojileri Kara Harp Okulu Komutanlığı
Harekat Araştırması Ana Bilim Dalı
DR. P. ALB. ERKAN KÖSE
Tez No
853291
Video oyunlarında uzamsal düşünmenin coğrafi bilgi sistemleri (CBS) perspektifinden değerlendirilmesi
Evaluation of spatial thinking in video games from theperspective of geographical information systems
SERHAT SARI
Doktora
Türkçe
2023
Bilim ve Teknoloji Eskişehir Teknik Üniversitesi
Uzaktan Algılama ve Coğrafi Bilgi Sistemleri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SAYE NİHAN ÇABUK
DOÇ. DR. ENGİN KAPKIN
Tez No
676560
Oyun motorlarında güzergah belirleme
Routing in game engines
ABDULKADİR BAYTİMUR
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Bilim ve Teknoloji İstanbul Teknik Üniversitesi
Bilişim Uygulamaları Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. CANER GÜNEY
Tez No
520752
Kastamonu kent merkezindeki açık ve yeşil alan sistemininin değerlendirilmesi ve CBS ortamında haritalanması
Evaluating the open-space area system in Kastamonu city centre and mapping on GIS environment
CANBERK YILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Ormancılık ve Orman Mühendisliği Kastamonu Üniversitesi
Orman Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BURAK ARICAK
Tez No
547238
Yüksek mekansal çözünürlüklü uydu/uçak platformlu görüntüler ve CBS teknolojisi kullanılarak Van-Erciş depremi sonrası bina hasar tespiti
Determination of building damage after Van-Ercis earthquake by using very high resolution satellite/aircraft platforms and GIS technology
ASLI SABUNCU
Doktora
Türkçe
2018
Jeodezi ve Fotogrametri İstanbul Teknik Üniversitesi
Geomatik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYŞE FİLİZ SUNAR

Geri Dön