Geri Dön

Numerical modeling of stratified dam reservoirs and lakes

Tabakalı hazneli barajlar ve göllerin nümerik olarak araştırılması

PDF İndir

  1. Tez No: 445091
  2. Yazar: REDVAN GHASEMLOUNIA
  3. Danışmanlar: PROF. DR. MEHMET SEDAT KABDAŞLI
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2016
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Hidrolik ve Su Kaynakları Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 384

Özet

Dünyadaki tatlı su, toplam mevcut suyun ancak yaklaşık %2.6'sı olmaktadır. Bu tatlı su miktarı buhar şeklinde atmosferdeki sular, kutupta buz şeklindeki sular, yer yüzeyindeki sular ve yeraltı sularından oluşmaktadır. Son yıllarda, kuraklık, birçok ülkenin en önemli konularından biri haline gelmiştir. Bu ülkelerde, araştırmacılar tarafından, bölgesel olarak tatlı su kaynakları hakkında sureklı ve çeşitli araştırmalar yapılmaktadır. Söz konusu araştırmalar ve çalışmalar, mevcut su kaynaklarinin hem kalite açısından, hemde miktar açısından korumak ve kontrolu amacı ile yürütülmektedir. Bu su kaynakları insan yapımı ve doğal olabilmektedir. Bu çalışmada, haznelerde ve göllerde farklı parametrelerin askıdaki katı madde (sediment) dağılımına olan etkisi araştırıldı. Bunun yanı sıra, seçilmiş parametrelerın değişiklikleriyle, tabakaların kalınlıklarının değişimide araştırıldı. Söz konusu parametreler, hazneye giren suyun sıcaklığı, haznedeki suyun sıcaklığı, hazneye giren suyun askıdaki katı madde (sediment) konsantrasyonu, haznedeki suyun askıdaki katı madde (sediment) konsantrasyonu, hazneye giren suyun debisi ve haznedeki çıkış tipi olarak seçilmiştir. Haznedeki çıkış tipi dolu savak ve dip savak olarak seçilmiştir. Giren suyun debileri için 20 m3/sn., 50 m3/sn. ve 100 m3/sn. olarak üç farklı değer düşünüldü. Hem giren akım ve hem haznedeki su için, askıdaki katı madde konsantrayonlar değerleri, 15 g/l ve 20 g/l olarak seçıldı. Tezin ilk kısmında toplam 48 tane farklı senaryo oluşturuldu. Bunların 24'ü dolu savakli modelleri ve diğer 24 model ise, dip savaklı modelleri oluşturmaktadırlar. Bu senaryolarda belirtilen parametreler değerlerinde değişiklik yapılarak sonuçlar karşılaştırılarak, değerlendirmeler yapılmıştır. Sadece dolu savakla çalıştırılan simulasyonların isimleri S ile belirlendı ve bu harftan sonra gelen sayı, senaryonun numarasını göstermek için kullanıldı. Dip savak ise, B harfı ve senaryo numarasıyla belirlendi. Senaryoların modellenmesi sonucunda, sıcaklık, askıdaki katı madde ve debilerin değişmesi sonucunda, akım davranışında çok önemli değişiklikler ortaya çıkmıştır. Sonuçlar karşılaştırdığında, giren suyun askıdaki katı madde konsantrasyonun hazneye göre fazla ve su sıcaklığının hazneye göre az olan modellerde, giren suyun dansitesi haznedekine göre daha fazla olup, hazne tabanında yoğun akımlar oluşmuştur. Bu durumda, Hyperpycnal akımı adlandırılan, taban akımı ortaya çıkmaktadır. Bu akımların hız ve yapıları, giren debinin büyüklüğü ile doğrudan ilişkisi olup ve farkli debilerle değişmektedirler. Bu tür akımlar deltaların oluşmasına neden olmaktadır ve sürekli ve sıkça rtaya çıkması halinde haznenin ömrünü azaltmaktadır. Diğer taraftan hazneye giren akımın sıcaklığı ve askıdaki katı madde konsantrasyonu, haznedekine göre daha az olması durumuyla da karşılaşabiliriz. Bu halde, akımın haznenin tabanında değil, belki daha üst seviyelerinde ve hatta hazne suyunun yüzeyinde hareket ettmesi beklenmektedir. Bu durumda, Hypopycnal akımı adlandırdığımız durum ortaya çıkmaktadır. Yukarıdaki bahsı geçen parametrelerin yanı sıra, haznelerde, çıkış tipi ve yeri önem arz etmektedir. Özellikle yoğun akımlarda, dip savak su kalitesi açısından çok önemli röl aldığını sonuçlar neticesinde anlamak mümkün. Bu hazne çıkışları, tabakalaşmış haznelerde tabakaların kalınlıkları üstünde çok önemli etkileri olduğunu gördük. Ayrıca, savakların gövde yakınında hız vektörlerini çok fazla etkilemektedirler. Tüm senaryolara ait sonuçlar grafik olarak gösterilmiş ve yorumları yapılmıştır. Bu çalışmanın diğer amacı, Köyceğiz gölü'nün hidrodinamik modellenmesi. Köyceğiz gölü Türkiye güney, güney batı bölgesinde yer almakta olup, bölgenin en önemli su kaynaklarından birisi olmaktadır. Gölün deniz yüzeyinden yüksekliği yaklaşık 8 metre kadardır. Bu göl, iki çanaktan oluşmaktadır. Gölün kuzeyinde bulunan çanağa Köyceğiz adı, güney kısımında bulunan çanağa ise Sultaniye adı verilmiştir. Köyceğiz çanağı en fazla 25-26 metre derinliğe sahiptir. Sultaniye çanağında ise en derin yer 33 metre derinliktedir. Göle üç önemli akım girerken, gölden sadece bir çıkış vardır. Göle akımların girişleri kuzeyde olup, çıkış ise güneydedır. Gölün suyu, Dalyan kanalı vasıtası`le gölden çıkıp ve Akdenize dökülmektedır. Köyceğiz gölüne bir çok akım girmektedir. Bu akımların en önemlileri Namnam çay, Yuvarlak çay ve Kargıcak`dır. Namnam çay, Köyceğiz gölüne en fazla su getiren bir akım olup, bu nedenle Köyceğiz gölüne en fazla etkisi olan akımdır. Namnamın yılın bir çok ayında, özellikle kış ve bahar aylarında, dolu olup ve yüksek debilere sahip olmasına rağmen, yaz mevsiminde çok az bir debisi vardır. Hatta yazın çok sıcak aylarında tamamen kuru olduğu görülmüştür. Yaz aylarında, sıcaklık ve buharlaşmanın arttığı ve yağışların azaldığı ve hatta hiç olmaması nedeniyle, Köyceğiz gölünün su seviyesi azalmaktadır. Yılın bu mevsiminde, göle en fazla su getiren akarsu ise, Yuvarlak çay`dır. Bu nedenle, yaz aylarında, Köyceğiz gölünün kuzey kısmına en çok etkisi olan akımın Yuvarlak çay olduğu anlaşılmaktadır. Genel olarak, Yuvarlakçay her zaman yaklaşık sabit bir debiye sahiptir. Bu akarsu Bu akarsuların yanı sıra, göle yeraltı suları, termal suları ve birçok kaplıca suyu girmektedir. Bu tip su girişleri, hem göl suyunun altında, hemde gölün etrafında yer almaktadırlar. Sultaniye çanağı etrafında bulunan kaplıcaların sıcaklığı 39 derece olduğu söylenmektedir. Akdenizle bağlantısı olan Köyceğiz gölünün, suları tuzlu ve acıdır. Ancak giren çayların suları tatlı olup, göl sularıyla karışması sonucunda tuzluluğu azaltmaktadır. Yinede, derinlikle suyun tuzluluğu arttığı görülmektedir. Bu göl ile ilgili mevcut veriler toplanmış olup, gözlemler sayı açısından az olup ve güncel veriler olmadığından, 1990-1999 senelerine ait veriler kullanıldı. Batimetri haritası çizilerek, Autocad programı kullanılarak, üç boyutlu solid cisim hale getirilmiştir. Ağustos, Kasım ve Aralık aylarının verileri kullanılarak, hızlar ve yönleri belirtildi. Bu aylara göre, Namnam, Yuvarlakçay ve Kargıcak akımlar vasıtasiyle göle giren tuzluluk ve sıcaklık dağılımı araştırılmıştır. FLOW3D programı, çevredeki hava sıcaklığını modelliyemediği için, termal tabakalaşmayı modellemek için, CE-qual-W2 iki boyutlu programı kullanıldı. Modelleme sonucunda, sonuçlar karşılaştırıldı. Modelin doğrulanması için bazi standartlar kullanıldı. Bu standartlar: mutlak ortalama hata (AME), ortalama kare hata (MSE) ve kök ortalama karesel hata (RMSE) olarak seçıldı. Modellenen epilimnion ve thermocline tabakalarının sıcaklıkları ve kalınlıklarını mevcut ölçülmüş değerlerle karşılaştırdığında, modelleme sonuçlarının bu tabakalarda ölçümlerle iyi uyumda oldukları sonucuna varıldı. Ancak modelde hypolimnion adlandırdığımız alt tabakda, ölçülmüş değerlerle karşılaştırdığında, diğer tabakalara göre daha az uyum sağladığı belirlendi. Barajların çevreye ve özellikle mansaba etkileri birçok tez, makale ve araştırma projeleri adı altında incelenmiştir. Namnam çayının üzerine baraj yapılması imkanı her zaman olmuştur. Bu yüzden, bir mühtemel barajın, bölgeye, Namnama ve özellikle`de Köyceğiz gölüne etkisi çok önemli konulardan biri haline gelmiştir. Bu tezin son bölümünde, bu etkilere değinmiş olup, kısaca incelenmiştir. Bu tezin sonuçlarından yararlanarak, Namnam üzerinde yapılması muhtemel olan barajın yapılması durumunda, Koycegiz gölünde olası değişimlerin tahmin edilmesi mümkündür. Aynı zamanda, bir göle veya hazneye farklı koşullarla giren bir nehrin, sicaklık ve suspended sediment yayılma şeklinin tahmin edilebilir.

Özet (Çeviri)

Due to drought in most of the countries in recent years, the protection and control of water resources have particular importance. These water resources have two forms included man made water resources structures such as dams, and natural water resources like lakes. The complexity of real fluid flow makes it impossible to solve the governing equations without making some form of simplifying approximation, even with the use of complex models and fast computers. This dissertation models and studied on the stratification of reservoirs or lakes with different conditions by changing some important parameters that can affect the temperature and suspended sediment distrubution patterns in reservoir/lake, numerically. Several models and simulations were performed for this goal. The commercial software package Flow 3D was selected as the numerical model for simulations of this dissertation. Near this code, the CE-qual-W2 was used to achieving the purpose of this thesis. Therefore, this program is used to analyse the thermal stratification of case study. The Koycegiz lake was selected as the case study, because of the importance of this lake as a water resource. Before simulating the Koycegiz lake, a series of model scenarios and sensitivity simulations were done to understand and quantify the formation of the stratification and propagation of suspended sediments in reservoirs and lakes with several changes in some important parameters included as discharge, temperature of water, suspended sediment concentrations and outlet type. Comparison of these results of scenarios shows that the changing in selected parameters could affect the position and thickness of the suspended sediment and temperature layers in reservoir. It was found changes in position and location of plunging point in most of the simulation results with a denser inflow current than reservoir. It was also concluded that the bottom outlet could be very effective on water quality of reservoir, when density/turbidity currents occurred. In the case study simulations, in first step, the hydrodynamic of Koycegiz lake was studied. In defined conditions, the approximate velocity vectors and directions were determined in different depths. Then, the salinity and temperature variations during time in defined conditions were investigated. In this part of simulations, the environment temperature was not definable to the FLOW3D program. Therefore, the temperature variations in depths and surface of the lake were under the influence of heat transfer between different layers. There was another parameter affected these temperature. This parameter was temperature of the inflow rivers. After that, three scenarios were done for the aim of evaluating and investigating the suspended sediment distribution pattern in the lake, in an unexpected flood event. According to these simulations, the flood was happened in only Namnam river, only Kargicak river and filnally, in both of Namnam and Kargicak rivers, simultaneously. In the next part of the simulations of Lake Koycegiz, the thermal stratification modeling of this lake was considered. In these models, which were done using CE-qual-W2 two-dimensional program, the output results of temperature of model in different depths were compared with observed data. The model results were harmonious with the measurements conducted in Lake Koycegiz. Modeled values of temperature in epilimnion and thermocline layers had a good concordance with the observed data. In other part of this thesis, effect of a possible dam construction on Namnam river is studied, briefly. Totally, it could conclude that the construction of dam on Namnam river will affect the Lake koycegiz. These effects will be in the case of the salinity, temperature, suspended sediment concentration, sediment particles type and diameter, dissolved oxygen and other parameters.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    630887

    Numerical modeling of the artificial destratification of the thermally stratified water column by air diffusers

    Isıl tabakalı su kolonlarının hava difüzörü ile yapay olarak karışımının sayısal modellenmesi

    NİSA BAHADIROĞLU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    İnşaat Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ŞEBNEM ELÇİ

  2. Tez No

    232878

    Modeling of hydrodynamics and sedimentation in a stratified reservoir: Tahtali reservoir, Izmir

    Tabakalaşmanın oluştuğu baraj göllerinde hidrodinamiğin ve katı madde birikiminin modellenmesi: Tahtalı baraj gölü, İzmir

    ANIL ÇALIŞKAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2008

    İnşaat Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. ŞEBNEM ELÇİ

  3. Tez No

    296940

    İstanbul Boğazı'nın hidrodinamiği ve sayısal modellenmesi

    The numerical modeling of the Bosphorus strait flow structure

    MEHMET N. ÖZTÜRK

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2010

    İnşaat MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. YALÇIN YÜKSEL

  4. Tez No

    411879

    Numerical modeling of the bosphorus exchange flow dynamics

    İstanbul Boğazı değişim akımlarının sayısal modellenmesi

    ADİL SÖZER

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2013

    Deniz BilimleriOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Oşinografi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. EMİN ÖZSOY

  5. Tez No

    154577

    İstanbul Boğazı'nın sayısal modellenmesi ve tüp geçit kazısının boğaz hidrodinamiğine etkisi

    Numerical modelling of bosphorus and effects of tube tunnel trench over bosphorus hydrodynamics

    BURAK AYDOĞAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2004

    İnşaat MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. YALÇIN YÜKSEL

Geri Dön