Modelling flooding risk under urbanization andclimate change in Istanbul, Turkey
İstanbul'da şehirleşme ve iklim değişikliği tesirleri altında taşkın riskinin modellenmesi
- Tez No: 465444
- Danışmanlar: PROF. DR. ABDÜSSELAM ALTUNKAYNAK
- Tez Türü: Doktora
- Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 134
Özet
Taşkın, akarsuyun doğal yatağının kıyılarından ve/veya suyun önüne inşa edilmiş su yapılarının üzerinden tarım arazisi, sanayi ve ticari merkezler ve meskûn bölgeler gibi akması istenmeyen araziye taşması olarak tanımlanan tabii bir olaydır. Bu fiziksel olay, sıklıkla meydana gelen ve can ve mal kayıplarına sebebiyet vererek insan yaşamını en çok etkileyen doğal âfetlerden biri olarak tanımlanır. Yakın zamanlarda gerçekleşen araştırmalar, son 30 yılda meydana gelmiş toplam doğal âfetlerin %43'ünün taşkın olduğunu ve bu taşkınlar, yaklaşık 2,8 milyar insanın hayatına doğrudan etki ettiğini göstermektedir. Bununla birlikte Türkiye'de taşkınlar her yıl ortalama 25 ölüm vak'ası ve 60 milyon dolarlık ekonomik kayıpla depremden sonra ikinci büyük doğal âfet olarak belirlenmiştir. Yağış özellikleri ve şehirleşme faaliyetleri gibi arazinin kullanımı ve örtüsünde oluşturulan değişiklikler, akarsu havzasının meteorolojik ve hidrolojik koşullarına en çok tesiri yaparak, taşkının sıklık ve büyüklüğünde en belirleyici faktörlerdendir. Şehirleşme faaliyetleri havzanın geçirimliliğini azaltıp yağışlardan meydana gelen suların sızmasına engel olmakla taşkın riskini artırmaktadır. Bu durum iklim değişikliği sebebi ile yağış olaylarının daha uzun süreli ve daha şiddetli olması ile birlikte daha önemli hâle gelmektedir. Türkiye'nin en büyük şehri olan İstanbul'da, hızlı kentleşmenin yanısıra ekstrem yağış olaylarının artmasıyla taşkınların sayısında belirgin artışlar meydana gelmektedir. Bununla birlikte önümüzdeki yıllarda kentleşme ve iklim değişikliği tesirleri altında, bu taşkınların büyüklük ve sıklığında artış beklenmektedir. Bu doğrultuda taşkın riskinin ve taşkına sebebiyet verebilecek etkenlerin detaylı bir şekilde belirlenmesi ile etkili bir ölçüm mekanizmasının oluşturulması bu riskin üstesinden gelmekte önemli bir çözüm yoludur. Bu durum, kentleşme ve iklim değişikliğinin taşkın riskinin üzerindeki etkisini, bilimsel kararlar ve tedbirlerin alınmasıyla uygulanmalıdır. Bununla birlikte daha etkili bir şehir planlaması ve âfet yönetiminin gerçekleşmesi, şehirleşme ve iklim değişikliğinin taşkın riskine olan tesirlerinin doğru bir şekilde tespit edilmesine bağlıdır. Tüm bu etkenleri dikkate alarak, bu tez çalışması kentleşme ve farklı iklim değişikliği senaryoları altında yağışta meydana gelebilecek değişimlerin modellenmesi üzerine gerçekleşmiştir. Ayrıca kentleşme ve iklim değişikliğinin etkileri ayrı ayrı ve birlikte değerlendirilmiştir. Bu doğrultuda İstanbul'da bulunan Ayamama Havzası çalışma bölgesi olarak seçilmiştir. Bu çalışmanın spesifik amaçları başlıklar halinde aşağıdaki hususlardan oluşmaktadır: 1- Kentsel gelişim modeli olan SLEUTH modelinin kullanımı ile muhtelif gelişim senaryoları altında İstanbul'un kentsel yerleşiminde meydana gelebilecek değişimlerin tahmin edilmesi, 2- Belirlenen havzada tahmin edilen şehirleşme şablonlarının taşkin üzerindeki etkilerinin değerlendirilmesi, 3- Yeni geliştirilen iklim değişikliği senaryoları altında (RCP: temsili konsantrasyon rotaları) yağış miktarı değişiminin analiz edilmesi ve bu değişimlerin mevcut şehirleşme şablonunda taşkın riskine olan etkisinin belirlenmesi, 4- Belirlenen havzada iklim ve şehirleşmede meydana gelebilecek muhtemel değişikliklerin taşkın riski üzerindeki eş-zamanlı etkilerinin irdelenmesi, 5- Seçilen havzada şehirleşme ve iklim değişikliği etkileri ile belirlenen taşkın riskine karşı gelecek yıllarda alınması gereken tedbirlerin önerilmesi. Bu çalışmada gelecek yıllarda İstanbul'un kentsel gelişimindeki değişimler, SLEUTH (Slope, Landuse, Excluded area, Urban extent, Transportation network and Hillshade) modeli ile tahmin edilmiştir. Bu modelin girdileri, isminin oluşmasında katkısı olan harflerden de anlaşıldığına göre eğim, arazi kullanımı, şehirleşme için kullanılmayan alanlar, kentsel gelişim, ulaşım ağı ve gölgeli kabartma parametrelerinden oluşmaktadır. Şehirleşme gelişimi ile ilgili tahminler mevcut durum ve gelecek planlanmaları göz önüne alınarak dört farklı kentsel gelişim senaryosu ile gerçekleşmiştir. Şehrin yerleşim planları 1987, 2000, 2009, 2013 ve 2015 yıllarında İstanbul'un uydu görüntülerinden elde edilmiştir. Benzer şekilde ulaşım ağının belirlenmesi 1978 ve 2013 yıllarında alınan uydu görüntülerinin sayısallaştırılması ile uygulanmıştır. Ayrıca gelecek planlaması için İstanbul'un 2023 yılı için hazırlanan master plan kullanılmıştır. Bununla birlikte eğim ve gölgeli kabartma şehrin Sayısal Yükseklik Modeli (Digital Elevation Model; DEM) haritasından belirlenmiştir. Şehirleşme için kullanılmayan alanlar, geleceğe yönelik yapılan planlamalarda devlet tarafından veya tabii koşullar nedeni ile kentsel gelişime elverişli olmayan alanlardan oluşur. Bu alanlar, muhtelif gelişim politikaları ışığında kentsel gelişim senaryolarının belirlenmesinde önemli bir faktördür. Bu çalışma kapsamında ele alınan dört farklı kentsel gelişim senaryosu aşağıdaki gibidir: 1 Senaryo: İstanbul şehrinin mevcut eğilimle gelişmeye devam etmesi, 2 Senaryo: ekolojik olarak hassas olan bölgelerin korunması ve bu bölgelerde yerleşimin kısıtlanmasını temin eden politikaların düşünüldüğü durum (şehir genişlemesinin doğu ve batı yönlerinde önlenmesi), 3 Senaryo: Kanal İstanbul Projesi'nin hayata geçirilmesi sonucunda yerleşim ve şehirleşme için oluşacak alanların gelişim planlarına dâhil edilmesi, 4 Senaryo: Kanal İstanbul Projesi'nin uygulanması durumunun ekolojik faktörlerin göz önünde bulundurulması. SLEUTH modeli ile tahminlerin yapılmasından önce, bu model İstanbul'un 1987, 2000, 2009 ve 2013 yıllarındaki arazi kullanımı haritalarına göre kalibre edilmiştir. Kalibrasyon süreci Monte Carlo İterasyon Tekniği'ne göre gerçekleşmiştir. Modelin doğrulanması, 2000 yılındaki durumun referans alınması ile 2015 yılı için tahmin edilen ve gerçekte hayata geçen yerleşim planlarının mukayesesi ile yapılmıştır. SLEUTH modeli ile gerçekleşen simülasyonlardan elde edilen sonuçlara göre İstanbul şehrinin toplam genişlik alanı 2050 yılında 1, 2, 3 ve 4 senaryolarla sırasıyla 1962 km2, 1188 km2, 1404 km2 ve 1083 km2 'ye ulaşacağı tahmin edilmiştir. Bu alan 2013 yılında 715 km2 olarak tespit edilmiştir. Bununla birlikte daha detaylı incelemeler, bu tez çalışması kapsamında şehirleşme ve iklim değişikliği etkileri altında taşkın riskinin incelenmesi için seçilen Ayamama Havzası'nda, Kanal İstanbul Projesi'nin hayata geçirlmesinin, dikkate şâyan bir şehirleşme meydana getireceği tahmin edilir. Havzanın kapsamına giren şehirleşme alanları İstanbul'un yerleşim planından havza sınırları içerisinde yer alan bölgelerin alanı olarak tanımlanmıştır. Buna göre 2015 yılında 43 km2 olan havzanın toplam kentsel alanı, 1, 2, 3, ve 4 kentsel gelişim senaryoları altında sırasıyla 44.3 km2, 44 km2, 63 km2 ve 60 km2'ye ulaşacağı öngörülmüştür. Sonuçlar 1 ve 2 senaryolara göre şehirleşme alanlarının gelişiminde belirgin bir artış tahmin etmezken, 3 ve 4 senaryoları ile elde edilen sonuçların birbirine yakın olması gözlemlenmiştir. Buna göre gerçekleşen analizlerde mevcut gelişmin aynı eğimle devam etmesi ve Kanal İstanbul Projesi'nin uygalanması durumlarını içeren senaryolar irdelenmek üzere seçilmiştir. Ayamama Havzası'nın taşkın haritasının oluşturulmasında 2 boyutlu hidrodinamik MIKE 21 FM modeli kullanılmıştır. Bu modelinin seçilme sebebi, bu modelin taşkın haritalama çalışmalarında en etkili modellerden biri olmasıdır. MIKE 21 FM modelin kullanımında bu modelin en önemli özelliklerinden biri olan esnek çözüm ağları havzanın topoğrafyasına uydurulmuştur. Bu konu İstanbul Su ve Kanalizasyon İdaresi (İSKİ) tarafından sağlanan batimetri verileri ile gerçekleşmiştir. Bir sonraki aşamada Ayamama Havzası için sadece şehirleşme, sadece iklim değişikliği ve şehirleşme ile iklim değişikliğinin aynı aynda göz önünde bulundurulduğu durumlarda hazırlanan hidrograflar MIKE 21 FM modelinin girdisi olarak tanımlanmıştır. Hidrografların elde edilmesinde Amerika Birleşik Devletleri Ordu Mühendisleri Birliğinin Hidroloji Mühendisliği Merkezi (US Corps of Engineers, Hydrologic Engineering Center) tarafından geliştirilen HEC-1 modeli kullanılmıştır. Bu yöntem ölçümlerin yapılmadığı veya kısıtlı sayıda yapılmış olduğu havzalarda arazi kullanımı ve iklim değişikliği tesirlerinin araştırılmasında sıklıkla tavsiye edilen bir yöntemdir. Sadece kentleşmenin etkili olduğu durum için geliştirilen hidrografların elde edilmesinde İstanbul'un 2015 yılındaki ve SLEUTH modeli ile Kanal İstanbul Projesi dâhil edildiği durumların arazi kullanımı haritası dikkate alınmıştır. HEC-1 modelinde gerekli olan geomorfolojik bilgiler, havzanın DEM verisindan elde edilmiştir. Ayrıca havzanın eğri numarası Türkiye Cumhuriyeti Çevre ve Şehircilik Bakanlığı tarafından sağlan zemin örtüsü ve zemin cinsi haritalarından istifade edilerek belirlenmiştir. Sadece iklim değişikliğinin taşkın üzerinde etkili olduğu durumlar için ise hidrograflar, HadGEM2-ES global sirkülasyon modelinden referans (1971-2000) ve gelecek (2070-2099) dönemler için elde edilen günlük yağış miktarları kullanılmıştır. Bu hususta, HadGEM2-ES modelinden elde edilen sonuçların ölçeği, RegCM4.3.4 bölgesel iklim modeli vasıtasıyla RCP4.5 ve RCP8.5 emisyon senaryoları altında küçültülmüştür. Bu veriler Meteoroloji Genel Müdürlüğü tarafından sağlanmıştır. Daha sonra havzanın taşkın riski muhtelif kentsel gelişim ve iklim değişikliği senaryolarının kombinasyonu ile irdelenmiştir. Belirli bir eşik değerini aşan debiler (Peak-Over-Threshold (POT) yöntemi kullanılmıştır), 2, 20 ve 500 yıllık tekerrür dönemleri için hesaplanıp MIKE modelinin girdileri olarak tanımlanmıştır. Referans dönemin (1971-2000) yağış verileri ile hesaplanan 500 yıllık tekerrür dönemli taşkın ve mevcut yerleşim planına bağlı olarak Ayamama Havzası'nda taşkından etkilenmesi beklenen alan 4.89 km2 'dir. Bununla birlikte RCP4.5 ve RCP8.5 emisyon senaryoları ile 2070-2099 yılları arasında gerçekleşeniklim değişikliği projeksiyonundan elde edilen yağışlarla hesaplanan alanlar sırasıyla 4.28 km2 and 5.42 km2 olarak elde edilmiştir. Buna mukabil modellemelerden elde edilen kentsel gelişim planlar ve referans dönem yağışların dikkate alınması durumunda taşkın alanı 5.75 km2 olarak hesaplanmıştır. Sonuçlar, seçilen havzada taşkın riskinin iklim değişikliğinden ziyade kentsel gelişim ve şehirleşmeden etkilendiğini göstermektedir. Ayrıca taşkın riskinin şehirleşme ve iklim değişikliği tesirlerinin eş-zamanlı dikkate alınması durumunda önemli ölçüde artacağı tespit edilmiştir. Buna göre RCP8.5 emisyon senaryosu ile gerçekleşen iklim değişikliği projeksiyonundan elde edilen ekstrem yağış değeri, modellemeler sonucunda tahmin edilen şehirleşme artışı ile birlikte 9.08 km2'likbir taşkın alanının oluşmasına yol açabilir. Binaenaleyh havza genelinde gelecek yıllarda şehirleşmenin kısıtlanması ve buna paralel olarak drenaj sistemlerinin iyileştirilmesi faaliyetleri, taşkın riskinin azaltılması için önerilebilen hususlar olarak beyan edilebilir. Dahası, Paris Antlaşması gereği 2100 yılı için belirlenen küresel ısınma hedefi doğrultusunda (ortalama sıcaklık artışının 2 ͦ C olması), Türkiye diğer ülkelerle birlikte CO2 salınımlarının kontrol altına alınması maksadıyla gereken adımları atmalıdır. Bu husus taşkın riskinin yanısıra iklim değişikliği ve küresel ısınmanın diğer olumsuz yönlerinin önlenmesi açısında son derece ehemmiyetlidir. Son olarak bu tez çalışmasından elde edilen sonuçların ilgili kurum ve kuruluşlar tarafından geleceğe yönelik hazırlanan planlamalarda, doğru adımların atılması ve olası herhangi bir olumsuzluğun yaşanmaması için alınması gereken tedbirlerin belirlenmesinde yardımcı olacağı düşünülmektedir.
Özet (Çeviri)
Flooding is one of the most severe and widespread natural disasters in the world. In Turkey, it is identified as the second most important natural disaster (next to earthquake) resulting in 25 deaths and estimated damages of 60 million USD per year on average. Changes in landuse/land cover conditions (particularly urbanization) and rainfall characteristics are the most important factors that affect flooding as these factors directly affect the meteorological and hydrologic conditions of a watershed. Urbanization increases the risk of flooding by increasing the size of impervious structures that prevent rainfall from infiltrating into the soil; rainfall events are expected to be prolonged and intense as a result of climate change, thus, increasing the risk of flooding. Flooding has become a common phenomenon in Istanbul, the largest city in Turkey, as a result of rapid urbanization and extreme rainfall amounts. The magnitude and frequency of flooding are also expected to increase with further urbanization and climate change. The solution to overcome the threats of flooding as a result of urbanization and climate change is the implementation of effective measures based on detailed understanding of flood risk and its drivers. This needs informed scientific decisions and acting together based on the nature and extent of the impact of urbanization and climate change on flooding risk. Reliable flood risk projections under urbanization and climate change are also curtail and pre-requisite for proper urban planning and disaster preparedness. This is because effective adaptation measures can be implemented only when the nature and extent of the impact is well understood. The objective of this study was to model urbanization, assess rainfall change under various climate change scenarios and investigate their impacts (both individually and simultaneously) on the flood risk of a specific watershed in Istanbul (Ayamama Watershed in this case). The SLEUTH urban growth model was used to predict the urban extent of Istanbul under four landuse scenarios developed by taking into consideration current landuse conditions and future plans. The urban extents used as inputs in the model were developed from the 1987, 2000, 2009, 2013 and 2015 satellite images of Istanbul. The transportation networks were developed by digitizing the 1987 and 2013 satellite images and the 2023 master plan of Istanbul. The slope and hillshade layers were determined from the Digital Elevation Model (DEM) of Istanbul. The excluded area layer refers to the layer developed from those areas that are excluded from future development by governing bodies or as a result of the nature of the landuse and it is the main tool for creating different landuse scenarios in studies involving the effects of various landuse policies. The urban extent prediction results showed that the total urban extent of Istanbul is predicted to reach 1962 km2, 1188 km2, 1404 km2 and 1083 km2 under Scenarios 1, 2, 3 and 4, respectively. A detailed look into these results also showed that the implementation of Project Canal Istanbul would result in considerable urbanization within Ayamama Watershed (63 km2 in 2050 from 43 km2 in 2015). This watershed was, thus, selected as a study watershed for investigating the effects of climate change and urbanization on flooding risk. The urban extents of the watershed were determined by subsetting the urban extents of Istanbul by the boundary of the watershed. The flood inundation maps in Ayamama Watershed were determined by using the two dimensional (2D) hydrodynamic flexible mesh flow model (MIKE 21 FM) as this model has been identified as the most effective modelling tool for flood risk mapping. One of the most important steps during the implementation of MIKE 21 FM is the representation of the geometry of the project domain with mesh. In this study, a bathymetry of the study area obtained from Istanbul Water and Sewerage Administration (ISKI) was used to develop the mesh. MIKE 21 FM was, then, run under the hydrographs of Ayamama Watershed determined by considering only urbanization, only climate change and, both urbanization and climate change. The HEC-1 hydrologic model was used to develop the hydrographs since this method is recommended for watersheds with no or limited data and as it is known to be suitable for studies involving landuse and climate changes. The geomorphological characteristics of the watershed required by the HEC-1 model were generated from the DEM of the area. The soil type map used in the determination of the Curve Number (CN) values was obtained from the Ministry of Environment and Urbanization of Turkey. For the development of the hydrographs under climate change, daily rainfall data of the reference period (1971-2000) and of the future period (2070-2099) projected using the HadGEM2-ES general circulation model and downscaled using the RegCM4.3.4 regional downscaling model under the RCP4.5 and RCP8.5 were used. The various levels of urban extents in the watershed and the projected rainfall data were used to develop the hydrographs used to investigate the independent and combined effects of urbanization and climate change on the flooding risk of the study watershed. Frequency analysis of the peak discharge of the hydrographs was performed by using the Peak-Over-Threshold (POT) method. In this study, the 2-yr, 20-yr and 500-yr return period hydrographs were used as inputs in to MIKE as these values are the most commonly used hydrographs in flood risk mapping. The results of the flood inundation mapping showed that the 500-yr return period flood inundation extent modeled by taking into consideration the current urban extent in the watershed and the reference period (1971-2000) rainfall data was found to be 4.89 km2. This inundation extent was predicted to be 4.28 km2 and 5.42 km2 under future rainfall data (2070-2099) projected under the RCP4.5 and the RCP8.5 scenarios, respectively, while it was predicted to be 5.75 km2 under the reference period rainfall and the predicted urban extent of the watershed. These results show that urbanization is more important in affecting flooding risk than climate change in the study watershed. The results also showed that simultaneous changes in both urban extents and extreme rainfall events could increase the risk of flooding dramatically, with inundation extent predicted under the predicted urban extent and rainfall data based on the RCP8.5 scenario being 9.08 km2. Therefore, limiting the level of future urbanization in the watershed to a level which it does not significantly increase the risk of flooding and improving the drainage system of the watershed is recommended. Moreover, Turkey should play an important role, together with other countries, in the effort to meet the carbon dioxide (CO2) concentration targets or radiative forcing targets by 2100 so that, not only flooding risk, but also other negative impacts of global warming and climate change can be curbed. The results of this study are believed to help urban planners and decision measures device appropriate adaptation measures.
Benzer Tezler
- Hidro-CBS ile sel afeti etki analizi
Flood disaster impact analysis with hydro-GIS
EMİRAY KAHYA
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Jeodezi ve Fotogrametriİstanbul Teknik ÜniversitesiGeomatik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. CANER GÜNEY
- Yağış-havza-biyotutma sisteminin hidrolojik-su kalitesi modellemesi ve deneysel olarak incelenmesi
Experimental investigation and hydrologic-water quality modeling of rainfall-watershed-bioretention system
SEZAR GÜLBAZ
Doktora
Türkçe
2015
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CEVZA MELEK KAZEZYILMAZ ALHAN
- Mobilya endüstrisinde yaşam döngüsü analizi yaklaşımı ile çevreci tasarım ve sürdürülebilir stratejiler
Eco-design and sustainable strategies for the furniture industry through life cycle approach
MERVE MERMERTAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FATMA GERMİRLİ BABUNA
- Konya çevresindeki toprakların jeokimyası
Geochemistry of the soils in the vicinity of Konya
BİLGEHAN YABGU HORASAN
Doktora
Türkçe
2014
Jeoloji MühendisliğiSelçuk ÜniversitesiJeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. FETULLAH ARIK