Geri Dön

The influence of instream formations on hydraulic characteristics in natural lowland rivers

Doğal ova nehirlerinde akım ortamındaki oluşumların hidrolik özellikler üzerindeki etkisi

PDF İndir

  1. Tez No: 828641
  2. Yazar: NAGHMEH HEIDARI
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ORAL YAĞCI, DR. ÖĞR. ÜYESİ MURAT AKSEL
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Hidrolik ve Su Kaynakları Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 163

Özet

Kanal ortasındaki adalar, ormanlık alanlardan geçen ova nehirlerinde ve her yerde bulunan jeomorfik birimlerdir. Akıma maruz kalan ve bu kendiliğinden oluşan doğal engeller, nehir morfodinamiğini düzenlemekte ve ekolojik üretkenliğe de katkı sağlamaktadır. Akım, sediment ve bitki örtüsü arasındaki üçlü etkileşimler, kanal ortasındaki adalarının ortaya çıkmasının arkasındaki temel dinamikleri oluşturur. Adalar ve barlar, aşınmaya (erozyon) veya yığılmaya dayalı oluşumlar olabilir. Erozyona dayalı adalar, sürekli bir taşkın yatağından ayrılmıştır. Öte yandan, çökelme adaları, durum ve akım rejiminin öncü varlıkların gelişimi için uygun olduğu yerlerde, sediment ve odunsu döküntülerin birikmesi nedeniyle oluşur. Bu çalışma kanal ortası adasının yaygın bir biçimi olarak ikinci duruma odaklanmaktadır. Taşkın döneminde, nehir kenarındaki bitki örtüsü sökülebilir ve akımla taşınabilir. Bu bitki örtüsü nehrin mansabına yerleştiğinde, kökleri sayesinde erozyona direnir ve akarsu çökeltilerini biriktirmeye başlar. Direnç faktörleri ile bunun sonucunda ortaya çıkan akım bozukluğu arasındaki etkileşim, ada stabilizasyonuna ve daha fazla genişlemeye yol açar. Nehir yataklarında adaların ortaya çıkışı akım karakterini değiştirir. Sonuç olarak, ikincil akımlar nehir eko-jeomorfolojisini etkiler. Bu nehir içi yer şekilleri, geleneksel hidrolik mühendiliğinde istenmeyen hidrolik direncin kaynağı olarak kabul edilmektedir. Ancak, akarsu yatağındaki adaların kaldırılması olumsuz çevresel sonuçlara ve kanal bozulmasına neden olabilir. Bu tezin amacı, akarsu adalarının etraflarındaki akım karakterini değerlendirerek bu adaların temel eko-jeomorfolojik etkilerini ortaya çıkarmaktı. Buna göre tekil ada ölçeğinde, yakın ölçekte ve havza ölçeğinde farklı analizler yapılmıştır. Elde edilen sonuçların ve ilgili literatürün sentezi, ova nehirlerinde ada varlığının değerli sonuçlarını ortaya çıkarmıştır. Bu çalışmadan elde edilen bilgiler, ormansızlaşma, kentleşme ve doğal kanalların basitleştirilmesinin nehir ortamının bozulmasına neden olduğu nehir restorasyon projelerinin hazırlanmasında faydalı olabilir. Çalışmanın ilk bölümü için Türkiye'deki üç büyük nehir seçilmiştir. Coğrafi Bilgi Sistemi (CBS) araçları, seçilen nehirlerdeki adalarını belirlenmesine yardımcı olmuştur. Havza ölçeğindeki analiz, havza özelliklerindeki benzerlikten dolayı adaların karşılaştırılabilirliğini göstermiştir. Birikme adalarının gelişimi farklı nehirlerde aynı süreci yaşadığından, incelenen üç nehirdeki adalar arasından rastgele biri seçilmiştir. Daha sonra üç boyutlu hidrodinamik sayısal modelleme için bu seçilen adanın geometrisinden yararlanılmıştır. Tekil ve yakın ölçekteki analizler, Reynolds ortalamalı Navier-Stokes denklemlerinin çözümlenmesiyle gerçekleştirilmiştir. Sayısal modelde, adanın karakterinin plan formu, adanın öncül halinden olgun olana doğru genişlemesini taklit etmek için yapılan senaryo çalışmalarında büyütülmüş ve küçültülmüştür. Simülasyonlar, dikdörtgen ve trapez kesitli iki tip kanal içermektedir. Sonuçlar, bir akarsu adasının varlığının kanaldaki akım özelliklerini değiştirdiğini göstermeştir. Bu değişiklik, uydu görüntüleri tarafından gözlemlenen kanal ayarına yol açmaktadır. Ada varlığının önemli sonucu, mansap bölgesindeki kanal genişlemesidir. Nehir tabanındaki genişleme daha derin ve daha dar bir kesit meydana getirerek kanal stabilitesini sağlar. Ek olarak, yan kanallardaki hızdaki çalkantılar ve iz bölgesindeki büyük ölçekli ters yönde dönen akıntı yönünde girdaplar dikkate değer morfolojik değişiklikler yapar. Ada geometrisinin asimetrisinden kaynaklanan akım özelliklerinin asimetrik dağılımı, nehir için çok avantajlı olan kıvrımlı süreci tetikler. Ayrıca, adanın memba tarafındaki su derinliği artışı taban akışını arttırır. Tüm bu olumlu sonuçlar, akarsulardaki adaların korunmasının hayati önem taşıdığını göstermektedir. Sayısal çalışmaların ikinci bölümünde, orta kanal adası etrafındaki akım yapılarının başka bir perspektiften incelenmesi yapılmıştır. Akışa karşı doğal bir engelin kendi kendini düzene sokma mekanizması, zamanla vücudun geometrik özelliklerini değiştirir. Düzene sokma etkisinin kesin analizini yapmak için, model doğrulama için deneysel veri setinin mevcudiyeti nedeniyle ilk olarak dairesel silindir modellenmiştir. Daha sonra, dairesel plan formu, iyi bilinen bir hidrodinamik form olan aerodinamik bir adaya dönüştürülmüştür. Aynı başlangıç ve sınır koşulu korunarak, uydu görüntülerinden çıkarılan karakter adasının plan formu modele empoze edilmiştir. Adanın gerçekçi geometrisi yukarıda bahsedilen engeller gibi iki boyutlu olmadığı için son senaryo olarak eğimler eklenerek üç boyutlu ada modellenmiştir. Dört senaryo arasındaki bu karşılaştırmalı analiz, adanın üç boyutluluğunun üretilen akış modellerindeki rolünü anlamaya yardımcı oldu. Farklı engellerin iz bölgesindeki akış modellerinin karşılaştırılması, gerçekçi orta kanal adasının kanal yatağına doğru daha hidrodinamik bir şekil kazandığını göstermektedir. Bu nedenle, üç boyutlu engel, adanın derinliği boyunca oldukça değişken akım yapılarına sahiptir. Ayrıca, rüzgar altı girdapları, doğal yapının asimetrik geometrisinden dolayı düzensiz bir modele sahiptir. Ayrıca, düzene sokma işlemi ikincil akışların gücünü zayıflatır, bu da onların mansap bölgesinde kademeli olarak toparlanmasına neden olur. Bu durum ekolojik heterojenliği beraberinde getirmekte ve su yaşamına fayda sağlamaktadır. Akarsu adalarının dikey su değişimi ile hiporeik bölgedeki mikroorganizmalar için çözünmüş oksijenin sağlanması, balıkların yumurtlama kriterlerinin karşılanması, türbülans ile balık türlerinin yüzme hızlarının arttırılması, omurgasızların lehine yeterli akım hızlarının sağlanması ve daha birçok ekolojik faydası göz ardı edilemez. Kanal ortası adaları ile nehir havzası özellikleri arasındaki ilişkiyi bulmak için havza ölçeğinde analiz yapılmıştır. Akarsu adalarının dünyanın farklı nehirlerindeki oluşumu ve dağılımı CBS araçları kullanılarak incelenmiştir. İncelenen nehirler, bitki örtüsü adalarının ana nehirlerinde bol miktarda bulunduğu belirli ekolojik bölgelere aittir. Bu çalışmanın amacına yönelik olarak nehir havzalarının morfometrik ve hidrolojik özellikleri belirlenmiştir. Son olarak, tek tek adaların morfometrik analizi ve bunların zamansal evrimi incelenmiştir. Akarsu adaları, yüksek bitki örtüsüne sahip ekolojik bölgelerde bol miktarda bulunur. Buna göre, tropikal/subtropikal ormanlardan, ılıman geniş yapraklı/otlaklardan ve kuzey ormanlarından gelen başlıca nehirler incelenmiştir. Sonuçlar, havza yüksekliği ile adaların dağılımı arasındaki ilişkiyi ortaya koymaktadır. Ortalama eğim bir havzada daha düşük olduğunda, adalar nehirde daha erken görünmeye başlar. Ayrıca, adaların yoğunluğunun akarsuyun sediment yükü ile de ilişkisi vardır. Sediment verimi yüksek olan havzaların akarsu adacıklarının sayısı sediment yükü düşük olan havzalardan daha fazladır.

Özet (Çeviri)

Midchannel islands are ubiquitous geomorphic units in lowland rivers running through forest biomes. These self-forming natural obstacles exposed to flow regulate the river morphodynamics and bring about ecological productivity. The trilateral interactions between flow, sediment, and vegetation render the key dynamics behind the emergence of midchannel islands. Islands and bars can be erosion-based or accretion-based formations. Erosion-based islands are detached from a continuous floodplain. On the other hand, depositional islands form due to the aggradation of sediment and woody debris where the circumstance and flow regime are suitable for development of the pioneer entities. As a common form of the midchannel island, this study focuses on the latter case. During the high flow period, riparian vegetation can be uprooted and carried by flow. Once this vegetation is situated downstream, the root system resists erosion, and fluvial sediments start accumulating. The interaction between resisting factors and the consequent flow disturbance leads to island stabilization and further expansion. The emergence of midchannel islands in river corridors modifies the flow structures. As a result, the secondary flow patterns influence the river eco-geomorphology. These in-stream landforms were conventionally considered the source of unpleasant hydraulic resistance. However, island removal could cause negative environmental consequences and channel degradation. The purpose of this thesis was to unveil the key eco-geomorphological outcomes of midchannel islands by evaluating the flow structures around them. Accordingly, the different analyses were conducted on the individual scale, reach scale, and basin scale. The synthesis of the achieved results and the pertinent literature revealed valuable outcomes of island presence in lowland rivers. Obtained knowledge from this study can be useful in river restoration projects where deforestation, urbanization, and simplifying the natural channels brought about the degradation of the riverine environment. For the first part of the study, three major rivers in Turkey were chosen. The GIS tools helped to identify midchannel islands in these rivers. The basin-scale analysis showed the comparability of the midchannel islands due to the similarity in the basin characteristics. Since the development of the depositional islands experiences the same procedure in different rivers, a characteristic one was arbitrarily chosen among the islands of the three examined rivers. Afterward, its geometry was utilized for numerical models. The individual-scale and reach-scale analyses were carried out based on the Reynolds-averaged Navier–Stokes model. In the numerical flume, the planform of the characteristic midchannel island was scaled up and scaled down to mimic the island expansion from the pioneer to the mature one. The simulations included two types of channels with rectangular and trapezoidal cross-sections. The results showed that the presence of a midchannel island alters the flow patterns in the channel. This modification leads to channel adjustment which was observed by Landsat imagery. The significant outcome of the island presence is channel incision in its downstream zone. The channel incision in the river bottom induces a deeper and narrower cross-section, which provides the channel stability. In addition, the velocity fluctuations in the side channels and large-scale counter-rotating streamwise vortices in the wake zone make remarkable morphological changes. The asymmetrical distribution of flow patterns due to the asymmetry of island geometry triggers the meandering process, which is very advantageous for the river. Moreover, the water depth increase in the upstream side of the island enhances the base flow. All these positive outcomes demonstrate that preserving midchannel islands is vital in river corridors. Investigating the flow structures around a midchannel island was conducted from another perspective in the second part of the numerical studies. The self-streamlining mechanism of a natural obstacle against the flow alters the geometrical characteristics of the body over time. To perform the precise analysis of the streamlining effect, the circular cylinder was modeled first due to the availability of the experimental dataset for model validation. Subsequently, the circular planform was modified to a streamlined island which is a well-known hydrodynamic form. By keeping the same initial and boundary conditions, the planform of the characteristic island extracted from satellite views was imposed on the model. Since the realistic geometry of the midchannel island is not two-dimensional like the above-mentioned obstacles, the three-dimensional island by adding the slopes was modeled as the last scenario. This comparative analysis between four scenarios helped to understand the role of the island's three-dimensionality in the generated flow patterns. The comparison between flow patterns in the wake region of different obstacles shows that the realistic midchannel island gains more hydrodynamic form towards the channel bed. Therefore, the three-dimensional obstacle has highly variable flow structures along the depth of the body. Furthermore, the lee-wake vortices have a disorganized pattern due to the asymmetrical geometry of the natural body. Besides, the streamlining process weakens the strength of secondary flows, which leads to their gradual recovery in the downstream area. This condition brings about ecological heterogeneity and benefits aquatic life. Providing the dissolved oxygen for microorganisms of the hyporheic zone through vertical exchange of water, fulfilling the fish spawning criteria, enhancing the swimming speed of the fish species by turbulence, providing the wide range of flow velocities that favor the invertebrates, and many other ecological services by midchannel islands cannot be overlooked. The basin-scale analysis was conducted to find the relationship between midchannel islands and the river basin characteristics. The occurrence and distribution of midchannel islands in different rivers of the world were investigated utilizing GIS tools. The studied rivers belong to specific ecoregions, in which the vegetated islands are abundant in their major rivers. The morphometric and hydrological characteristics of the river basins were determined for the aim of this study. Finally, the morphometric analysis of the individual midchannel islands and their temporal evolution were investigated. Midchannel islands are abundant in the ecoregions with high vegetation cover. Accordingly, the major rivers from tropical/subtropical forests, temperate broadleaf/grassland, and boreal forests were examined. The results revealed the relationship between basin elevation and the distribution of midchannel islands. As the relief thus the mean slope is lower in a basin, the midchannel islands start appearing earlier in the river. Furthermore, the midchannel islands' density has a relationship with sediment yield. The basins with higher sediment yield have more midchannel islands in their existing length.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    703347

    Ortaköy (Kumluca, Antalya) bölgesinde gözlenen hidrotermal alterasyonlar ile cevherleşmelerin, jeolojik, jeokimyasal, kökensel ve altın potansiyeli açısından incelenmesi

    Investigation of the geological, geochemical origin and gold potential of mineralizations and hydrothermal alterations in the ortakoy (Kumluca, Antalya) region

    NYAMSARI DANIEL GANYI

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Jeoloji MühendisliğiAkdeniz Üniversitesi

    Jeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUSTAFA GÜRHAN YALÇIN

  2. Tez No

    465274

    Doğu Karadeniz bölgesi Trichoptera (Insecta) faunası üzerine su çerçeve direktifi ile ilişkili olarak ekolojik araştırmalar

    Ecological researches on trichoptera (Insecta) fauna of Eastern Black Sea region in relation to water framework directive

    PINAR EKİNGEN ABDİK

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    BiyolojiHacettepe Üniversitesi

    Biyoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. GÜLSERAP NİLGÜN KAZANCI

  3. Tez No

    436298

    Terbüzek Deresi yağış havzasının SWMM (storm water management model) programı kullanılarak modellenmesi

    Modeling terbuzek stream watershed using SWMM (storm water management model) software

    HUREM DUTAL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    Ormancılık ve Orman MühendisliğiKahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi

    Orman Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. MAHMUT REİS

  4. Tez No

    480581

    Nehir-akifer etkileşimlerinin hidrodinamiğini belirleyen entegre yaklaşımlar: Matematiksel ve deneysel modellemeler

    Integrated approaches to identify the hydrodynamics of stream-aquifer interactions: Mathematical & experimental modeling

    UĞUR BOYRAZ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Mühendislik Bilimleriİstanbul Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. CEVZA MELEK KAZEZYILMAZ ALHAN

  5. Tez No

    352001

    FEM solutions of magnetohydrodynamic and biomagnetic fluid flows in channels

    Magnetohidrodinamik ve biyomanyetik akışkan kanal akımlarının sonlu elemanlar yöntemi ile çözümü

    ÖNDER TÜRK

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2014

    Bilim ve TeknolojiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Bilimsel Hesaplama Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MÜNEVVER TEZER-SEZGİN

Geri Dön