Hydrodynamics of Canal İstanbul and its impact on the Bosphorus and northern marmara sea
Kanal İstanbul'un hidrodinamiği ve İstanbul Boğazı ve Kuzey Marmara Denizi üzerine etkisi
- Tez No: 609739
- Danışmanlar: DOÇ. DR. TARKAN ERDİK
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Deniz Bilimleri, İnşaat Mühendisliği, Marine Science, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İnşaat Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Hidrolik ve Su Kaynakları Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 106
Özet
İstanbul Boğazı, Karadeniz ve Marmara Denizi'ni birbirine bağlayan dar ve sığ bir su yoludur. Boğaz yaklaşık 31 km uzunluğunda olup genişliği 0.7 km ile 3.5 km arasında değişmektedir. Boğaz'ın derinliği Haliç yakınlarında 30 m civarındayken Kandilli'de 110 metreye kadar ulaşmaktadır. İstanbul Boğazı kompleks geometrik özellikleri ve ani değişen batimetrisiyle beraber oldukça nadir görülen tabakalı akım yapısına sahiptir. Boğaz'ın Karadeniz girişinde su seviyesinin Marmara çıkışına nazaran yüksek olması barotropik basınç kuvvetinin oluşmasına yolaçar. Marmara'nın tuzluluk değerinin Karadeniz'e göre yüksek olması ise baroklinik basınç kuvvetini oluşturur. Barotropik kuvvet Karadeniz'den Marmaraya üst tabaka akımının, baroklinik kuvvet ise Marmara Denizi'nden Karadeniz'e doğru alt tabaka akımının oluşumuna sebebiyet verir. Genel olarak Boğaz'da tabakalı akım yapısı hakim olsa da ekstrem durumlarda bu yapı bozulabilmektedir. Kuzeye doğru esen şiddetli rüzgarlar Boğaz'ın Marmara tarafında su seviyesini yükselterek Boğaz'ın iki girişi arasındaki su seviyesi farkını azaltır. Böylelikle şiddetli rüzgar üst tabaka akımını bloke edebilmekte hatta akımın yönünü tersine çevirerek tek tabaka halinde Karadeniz'e doğru bir akışa yol açabilmektedir. Güneye esen şiddetli rüzgarlar ise iki deniz arasında var olan su seviyesi farkını daha da arttırarak alt tabaka akımını bloke edebilmekte ve suların tüm derinlik boyunca Marmara Denizi'ne doğru akmasına neden olabilmektedir. İstanbul Boğazı karmaşık hidrodinamik yapısının yanında Karadeniz ülkeleri ve Orta Asya Cumhuriyetleri için Karadeniz'den açık denizlere açılan tek su yolu olma özelliğine sahiptir. Boğaz, uluslarası gemicilik taşıma faaliyetlerine sahiplik yapan en yoğun deniz yoludur. Kanal İstanbul Projesi,Türkiye Cumhuriyeti tarafından Boğaz'a alternatif olacak ve trafik yükünü azaltacak olan devasa bir proje olarak planlanmaktadır. İstanbul'un Avrupa yakasında açılması planlanan yapay su yolu Asya ve Avrupa kıtaları arasında bir ada oluşturacaktır. Ekonomik ve politik açılardan değerlendirilen Kanal'ın çevresel etkileri üzerine ise henüz bir çalışma yapılmamıştır. Kanal ile ilgili en büyük endişelerden biri Boğaz'ın tabakalı akım yapısını bozmasıdır. Özellikle alt tabaka akımında meydana gelecek olası bir azalma yada bloke olma durumu önemli çevresel sorunlara yol açabilecek düzeydedir. İstanbul'un atıksularının büyük yüzdesi Boğaz'a deşarj edilmekte ve alt tabaka akımıyla da Karadeniz'e ulaşmaktadır. Bu nedenle alt tabaka akıntısındaki herhangi bir azalma dahi Marmara Denizi için büyük bir tehdit unsuru oluşturmaktadır. Atık suların Marmara Denizi'ne boşalması buradaki biyolojik çeşitliliğin geri dönülemez şekilde zarar görmesine yolaçabilir. Bu çalışmada İstanbul'un Avrupa yakasına yapay bir kanal açılması durumunda, İstanbul Boğazı ve Marmara Denizi üzerindeki etkileri saptanmaya çalışılmıştır. Bu amaçla 3-boyutlu bir hidrodinamik model kurulmuştur. Bunun için 3-boyutlu modelleme imkânı sunan Delft3D yazılımına başvurulmuştur. Deltares firması tarafından geliştirilen bu yazılım kıyı problemlerinde, akıntı, dalga, sediment taşınımı, su kalitesi gibi alanlarda oldukça yaygın olarak kullanılmaktadır. Delft3D 3-boyutlu Navier-Stokes denklemlerinden elde edilen sığ su denklemlerini sıkışmaz serbest su yüzeyi akım koşulları altında çözmektedir. Delft3D, yoğunluk ifadesindeki sıcaklık ve tuzluluk parametrelerini zaman, mekân ve derinlik ile değişen şekilde kullanma imkânı sağlamakta olup yine zamanla değişen gelgit ve meteorolojik koşulları göz önüne alarak, 3 boyutlu hidrodinamik modelleme yöntemlerinin uygulamasına olanak veren en gelişmiş yazılımlardan biridir. Numerik modelleme çalışmaları için Karadeniz ve Marmara Denizi'inin bir kısmını kapsayacak şekilde mevcut durumu yansıtan bir hesaplama ağı oluşturulmuştur. Yatayda ve düşeyde dörder tane farklı hesaplama ağı üzerinde çalışılmış ve optimum koşulları sağlayan ağ yapısına karar verilmiştir. Yatay ağ için öncelikle çözünürlüğü düşük bir meş (HM) hazırlanmış sonrasında çözünürlüğü kademeli bir şekilde arttırılarak üç yeni meş (HMx2, HMx4 ve HMx8) oluşturulmuştur. Dört farklı meşe ait sonuçlar Aralık ve Haziran ayları özelinde Taylor diyagramlarından faydalanılarak değerlendirilmiştir. Boğaz'ın akım yapısını yeterli düzeyde yansıtabilen aynı zamanda hesaplama zamanı açısından da tasarruflu olabilen HMx2 model ağının çalışmanın devamında kullanımasına karar verilmiştir. Düşey hesaplama ağı için Z-grid kullanılmış olup 20, 40, 60 ve 80 katmandan oluşan VM, VMx2, VMx4 and VMx8 modelleri kurulmuştur. Katman kalınlıkları yüzeyde en ince olup tabana doğru artmaktadır; böylelikle rüzgar ve atmosfer basıncı gibi yüzeye yakın kuvvetlerin etkisi daha iyi yakalanabilmektedir. Taylor diyagramlarıyla Aralık ve Haziran ayı için yapılan değerlendirmeler 20 katmandan oluşan modelin (VM) yeterli doğrulukta sonuç verdiğini göstermiştir. Ağ optimizasyonu sonucunda yatayda HMx2 düşeyde ise VM modelinin kullanılmasıyla toplamda yatayda 2423 hücre düşeyde ise 20 katmandan oluşan bir hesap ağı elde edilmiştir. Optimum hesaplama ağı belirlendikten sonra fiziksel değişkenlerin kalibrasyonu yapılmıştır. Bu kısımda kalibrasyon için pürüzlülük katsayısı, yatay ve düşey türbülans vizkozitesi, yatay ve düşey türbülans difüzitesi ve su yüzeyi direnç katsayısı seçilmiştir. Model sınır koşulu olarak su seviyesi, tuzluluk ve sıcaklık değerleri kullanılmıştır. Başlangıç su seviyesi ve akıntı hızı sıfır, sıcaklılık ve tuzluluk değerleri de sırasıyla 15 oC ve 38 ppt olarak belirlenmiştir. Kalibrasyon çalışmalarında Boğaz'daki değişken akım yapısını yansıtabilmek için birbirinden oldukça farklı özellikler sergileyen Aralık ve Haziran ayları seçilmiştir. Aralık ayı şiddetli meteorolojik koşulların etkisinde iken Haziran ayında meteorolojik etkenler önemsiz düzeyde olup akım Karadeniz'e boşalan nehir akımlarının etkisi altındadır. Kanal İstanbul, mevcut durum için kalibrasyon çalışmalarının tamamlanmasının ardından model alanına eklenmiştir. Kanal lokasyonu için çalışma tarihindeki en güncel güzergah kullanılmıştır. Kanal genişliği ve derinliği ise sırasıyla sabit 300 m ve 25 m olarak seçilmiştir. Kanalın hidrodinamiği kalibre modelin 13 aylık bir zaman periyodu boyunca çalıştırılması sonucu elde edilen çıktılar aracılığıyla değerlendirilmiştir. İstanbul Boğaz'ındaki iki tabakalı akımın aksine Kanal'da zamanın 68.8% inde tek tabaka halinde Marmara Denizi'ne doğru akımlar elde edilmiştir. İki tabakalı akım zamanın 27.5% inde zayıf bir alt tabaka akımıyla gerçekleşmiştir. Karadeniz'e doğru tek tabaka halindeki akım ise kuzeye doğru esen şiddetli rüzgarlar altında oldukça seyrek olarak zamanın ancak %3.7 sinde meydana gelebilmiştir. Kanal'ın Marmara Denizi çıkışında derinlik boyunca ortalama tuzluluk 19.5 ppt hesaplanmıştır. Marmara Denizi'nin tuzlu suları Kanal'ın ilk 7 km'si boyunca ilerleyebilmiştir. Kanal derinliğinin 25 m gibi düşük bir değerde olması, pürüzlülüğün baskın bir rol almasına neden olmuş ve baroklinik kuvvetin alt tabaka akımını oluşturmasına engel olmuştur. Kanal'ın Boğaz ve kuzey Marmara Denizi üzerindeki etkileri mevcut ve Kanal eklendikten sonraki durumun karşılaştırılması yoluyla değerlendirilmiştir. Kanal'ın eklenmesiyle İstanbul Boğazı akım yapısında ve tuzluluk değerlerinde kayda değer bir değişim görülmemiştir. Marmara Denizi'nde ise birtakım önemli etkilere yol açtığı bulunmuştur. Kanal'ın etki alanı altında kalan Marmara Denizi'nin kuzey kısmında tuzluluk değişimleri elde edilmiştir. Simülasyon süresi boyunca bu bölgede ortalama 0.4 ppt değerinde tuzlulukta düşüş meydana gelmiştir. Ekstrem durumlarda ise tuzluluk farkı 2 ppt değerlerine kadar çıkmıştır. Mevcut ve Kanal eklenmesi durumunda meydana gelen bu tuzluluk farkı derinlikle beraber kademeli olarak azalmış ve yaklaşık olarak Kanal derinliğine tekabül eden 25 m'lik bir derinlikten sonra kaybolmuştur. Kanal'ın tuzluluğa etkilerinin yanısıra bu bölgede hız vektörleri üzerinde de önemli farklılıklar görülmüştür. Kanal, Marmara Denizi'nin kuzeyinde meydana gelen çevrinti hareketlerinin yönlerini ve şekillerini bozarak yeni bir yapı kazanmalarına yol açmıştır. Bu durum biyojeokimyasal döngüler ve nütrientlerin yayılmasında değişiklikler yaşanmasına yol açabilmektedir. Tuzluluk ve çevrintilerdeki bu değişimler bölge ekosistemi açısından olumsuz sonuçlara yol açabilir. Bu nedenle Kanal'ın açılmasıyla meydana gelecek biyokimyasal değişimlerin ve nütrientlerin yayılımı su kalitesi çalışmalarıyla detaylı bir şekilde çalışılmalı ve deniz canlıları üzerindeki etkisi ele alınmalıdır.
Özet (Çeviri)
The Bosphorus is a narrow and shallow strait that connects the Black Sea and the Marmara Sea. It is the only way for the exchange of water, energy, and material between the Black Sea and the Marmara Sea. Bosphorus has a two-layer current structure where the upper layer flows from the Black Sea to the Marmara Sea and the lower layer flows from the Marmara Sea to the Black Sea. The water level of the Black Sea is higher than the Marmara Sea which generates a barotropic force and leads an upper layer flow to the Marmara Sea. The salinity of the Marmara Sea is higher than the Black Sea and this difference between two ends of the Bosphorus causes a baroclinic pressure gradient which resulted in lower layer flow to the Black Sea. The Bosphorus displays challenging geometrical features with complex bottom topography in addition to rapid changes in the channel shape and width which makes hydrodynamic of the Bosphorus very complicated. The Bosphorus is the only waterway for maritime transportation for the Black Sea states. Being the only exit point from the Black Sea to open seas make Bosphorus one of the most crowded waterways that accommodate international shipping transportation. The Canal Istanbul project is announced by the Republic of Turkey to decrease shipping traffic in Bosphorus and to be an alternative to the natural channel. It is an artificial waterway that considered to bisect the European side of Istanbul. Its environmental effects on the adjacent seas and Bosphorus is one of the main anxiety since the project is announced however there is no study about possible effects of the Canal on Bosphorus and the Marmara Sea. The most important concern is that the Canal can change the two-layer flow structure of Bosphorus and reduce or block lower layer flow which carries a huge amount of wastewater of Istanbul city. Such a situation might affect the ecosystem of the Marmara Sea irreversibly. In this study, a 3D hydrodynamic model is developt to analyze the possible effects of Canal on hydrodynamics of the Bosphorus and the northern Marmara Sea which is considered to be the most affected area from the Canal. In modeling studies, the recent route with a constant depth of 25 m and a width of 300 m is used for the Canal design. The calibration of the numerical model is carried out by a model with only Bosphorus. The calibration study is consists of three-step which are calibration of the horizontal domain, vertical domain, and physical parameters. After the calibration is concluded the Canal is added to the model domain and simulations are concurently performed to investigate the hydrodynamics of the Canal and its possible impacts on the Bosphorus and the northern Marmara Sea. Modeling studies demonstrate that Canal generally has a one layer flow from the Black Sea to the Marmara Sea, unlike Bosphorus. Moreover, hydrodynamics of the Canal is strongly related to the water depth. One layered flow to the Marmara Sea is observed at 68.8 %of the 13-months simulation period. Two-layer flow occurs at the 27.5% of the time with a weak lower layer flow. One-layer flow from the Marmara Sea to the Black Sea rarely appears with 3.7% of the time under forcing of the strong meteorological conditions. The addition of the Canal has not a pronounced effect on the hydrodynamic and salinity of Bosphorus while it leads to some significant changes on the hydrodynamics of the northern Marmara Sea. During the simulation period, salinity at the northern Marmara Sea has decreased an average of 0.4 ppt at the surface and the decrease reaches 2 ppt under extreme weather conditions. The salinity difference before and after the Canal decreases gradually with the depth and it diminishes after the water depth of 25 m which is the depth of the Canal at the same time. The addition of Canal also influences the location and size of the eddy in the northern Marmara Sea which has important effects on biogeochemical cycles and nutrient distributions.
Benzer Tezler
- Kanal ı̇stanbul'da debı̇ azaltıcı yöntemlerı̇n belı̇rlenmesı̇
Determination of flow reducing methods in Channel İstanbul
MEHMET FATİH SAVCI
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKıyı Bilimleri ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. TARKAN ERDİK
- Modelling flooding risk under urbanization andclimate change in Istanbul, Turkey
İstanbul'da şehirleşme ve iklim değişikliği tesirleri altında taşkın riskinin modellenmesi
TEWODROS ASSEFA NIGUSSIE
Doktora
İngilizce
2017
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ABDÜSSELAM ALTUNKAYNAK
- Göllerdeki hidrodinamik dengeye sismik salınımların etkisinin araştırılması
Investigation of the effects of seismic waves on hydrodynamic regime of lakes
MURAT AKSEL
Doktora
Türkçe
2017
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiKıyı Bilimleri ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET SEDAT KABDAŞLI
- Lagünlerde tatlı su-tuzlu su girişim yüzeyi özelliklerinin belirlenmesi
Determination of characteristic properties of salt water-fresh water interface in coastal lagoons
İLKER FER
Yüksek Lisans
Türkçe
1997
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiHidrolik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. M. SEDAT KAPDAŞLI