Geri Dön

Comprehensive assessment of decentralized stormwater systems in urbanized areas under climate change and watershed characteristics

Şehirleşmiş bölgelerde iklim değişikliği ve havza özellikleri altında merkezi olmayan yağmur suyu sistemlerinin kapsamlı değerlendirmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 918832
  2. Yazar: SİNA SAM
  3. Danışmanlar: PROF. DR. MEHMET ÖZGER
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  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: 143

Özet

Bu doktora tezi çalışmasında, İstanbul'un yoğun kentleşmiş ve taşkın riski yüksek olan bir havzası için merkezi olmayan yağmur suyu yönetim sistemlerinin kapsamlı bir değerlendirmesi ele alınmıştır. Merkezi olmayan sistemler, tüm havza alanına dağılarak, nispeten küçük boyutlardaki mekanizmalar yardımıyla taşkını kaynağında kontrol altına almak için tasarlanmış olup farklı türlerde birçok sistemi içermektedir. Bu sistemler genellikle yağmur suyunun toplanması, biriktirilmesi, sızdırılması veya buharlaştırılmasına yardımcı olarak taşkın riskini azaltmayı hedeflemektedir. Ancak, bu sistemlerin gerçekte ne derece etkili olduğu henüz tam olarak anlaşılamamış olup halen dünya çapında bir araştırma konusudur. Bu araştırmada, merkezi olmayan yağmur suyu sistemlerinden olan Yağmur Varilleri, Sarnıçlar ve Drenaj Kuyularının taşkın kontrolündeki etkileri, iklim değişikliği ve havza özelliklerine bağlı olarak incelenmiştir. Sırasıyla uluslararası bilimsel literatürde Rain Barrel, Cistern ve Drywell olarak da bilinen bu sistemler, bu tez çalışmasında kısaca (RB), (CI) ve (DW) olarak anılmıştır. Bu çalışma iki ana aşamadan oluşmaktadır: iklim değerlendirmesi ve model geliştirme. İklim değerlendirmesi, bu tez çalışmasının birinci aşamasını oluşturmaktadır. Bu aşamada, İstanbul'da yağış ve sıcaklık eğilimleri, çalışma alanına yakın mesafede bulunan bir yerel meteoroloji istasyonundan alınan veriler ile MERRA-2 sıcaklık modeli sonuçları ve IMERG yağış tahminleri kullanılarak analiz edilmiştir. Eğilimlerin büyüklüğünü ve yönünü belirlemek için Mann-Kendall (MK) testi, Sen's Slope Estimator ve Innovative Trend Analysis (ITA) yöntemleri dahil olmak üzere üç farklı parametrik olmayan istatistiksel yöntem kullanılmıştır. Farklı veri kaynakları ve yöntemlerin kullanılmasının temel amacı, istasyon tabanlı veriler ile uzay tabanlı hava gözlem verileri arasındaki farkların kapsamlı bir şekilde karşılaştırılmasını sağlamaktır. Ayrıca, hidro-meteorolojik değişkenlerin eğilim analizinde kullanılan yöntemler arasındaki farklılıkları anlamak ve bu alanda gelenekselden yenilikçi veri kaynaklarına ve yöntemlere geçiş sürecine katkıda bulunmaktır. İlk aşamanın sonuçları, sıcaklıkta mevsimsel ve yıllık ölçeklerde önemli artış eğilimlerini ortaya koymuştur. Özellikle yaz mevsiminde en güçlü artışlar gözlemlenmiştir. Sıcaklık artış oranında yaz mevsimini sırasıyla ilkbahar, sonbahar ve kış mevsimleri takip etmiştir. Ayrıca, ITA yöntemi kullanılarak yapılan 20 yıllık analizler, 1980-1999 yılları arasında azalma eğilimleri olduğunu göstermiş, ancak yaz mevsimi bu durumun istisnası olmuştur. 2000-2019 dönemi arasında ise belirgin bir artış eğilimi yeniden gözlemlenmiştir. Sıcaklığa kıyasla, yağış eğilimleri daha az tutarlılık göstermiştir. Uzun süreli analizler, sonbahar ve yaz mevsimlerinde önemli artışlar, kış ve ilkbahar mevsimlerinde ise önemsiz azalmalar olduğunu ortaya koymuştur. Uzun dönemli yıllık bazda yapılan analizler, yağış eğiliminde önemli artışlar olduğunu göstermiştir. Ancak, 20 yıllık analizler, uzun vadede önemsiz eğilimlere sahip olan kış ve ilkbahar mevsimlerinin, 20 yıllık bazda önemli düşüş eğilimlerine sahip olduğunu ortaya koymuştur. 20 yıllık analizler, MERRA-2 verilerinin, IMERG'e kıyasla istasyon tabanlı verilere daha iyi uyum sağladığını göstermiştir. Özellikle, IMERG verilerine dayalı olarak ilkbahar mevsimindeki yağış eğilim analizlerinde ve sonbaharın yüksek değer grubunda zayıf sonuçlar gözlemlendiği tespit edilmiştir. Ek olarak, ITA yöntemi, sıcaklık ve yağış verilerindeki alt eğilimleri tespit etmek için özellikle etkili bulunmuş ve grafiksel avantajlar sağlamıştır. Bu özellik, İstanbul gibi yoğun nüfuslu mega kentlerde kısa süreli değişimleri ve hidro-meteorolojik aşırılıkları analiz etmek açısından kritik bir öneme sahiptir. Model geliştirme aşamasında, 2009 yılında meydana gelen yıkıcı sel felaketi ile bilinen, yoğun kentleşmiş Ayamama Havzası çalışma alanı olarak seçilmiştir. Bu aşamada, iklim değerlendirmesi bulgularına dayanarak, yağmur varilleri (RB), sarnıçlar (CI) ve drenaj kuyuları (DW), su tutma ve sızdırma kapasiteleri nedeniyle çalışma alanının hidrolojik modeline taşkın kontrolü amacıyla uygulanmak üzere seçilmiştir. Bu sistemler, artan sıcaklık ve buharlaşma nedeniyle daha sık yaşanan su kıtlığı ile mücadelede yardımcı olabilir ve aynı zamanda, çalışmanın birinci aşama sonuçlarına göre İstanbul'da artan yağışlar nedeniyle oluşan yüzey akışını azaltmak için etkili bir araç olarak işlev görebilir. Bu çalışmanın ikinci aşamasında, merkezi olmayan yağmur suyu yönetim sistemlerinin tasarımı, uygulanması ve simülasyonu için kapsamlı bir çerçeve geliştirilmiştir. Çalışma, coğrafi veri analizleri, hidrolojik-hidrolik modelleme ve uzman bilgisine dayalı karar verme süreçlerinin entegrasyonunu içermektedir. İlk olarak, çalışma alanı için fiziksel tabanlı bir model, Storm Water Management Model (SWMM) yazılımı kullanılarak oluşturulmuştur. Model, daha sonra Optimization Software Tool for Research Involving Computational Heuristics (OSTRICH) optimizasyon yazılımı ile gerçekleştirilen otomatik kalibrasyon süreci aracılığıyla kalibre edilmiş ve doğrulanmıştır. Kalibrasyon için, çalışma alanında bulunan ana drenaj kanalındaki su seviye verileri, farklı yağış olayları için İstanbul Büyükşehir Belediyesi (İBB)'nden temin edilmiş ve aynı yağış olaylarının SWMM modelinde simülasyon sonucu oluşturduğu kanal su seviyeleri ile karşılaştırılmıştır. Yapılan otomatik kalibrasyon işlemi, simülasyon sonucu elde edilen su seviyesi ile gerçekte kanalda ölçülmüş olan su seviyesi arasındaki farkı en aza indirmiş ve dolayısıyla modelin doğruluğunu önemli ölçüde artırmıştır. Bu süreç tamamen otomatik olarak ve OSTRICH optimizasyon yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Kalibrasyon sonucunda Nash-Sutcliffe Efficiency Katsayısı (NSE), sırasıyla kalibre edilmiş ve doğrulanmış modeller için 0.77 ve 0.67 olarak elde edilmiştir. Bu yüksek değerler, modelin çalışma alanındaki farklı hidrolojik koşulları doğru bir şekilde temsil etme kapasitesini göstermektedir. Daha sonra, RB, CI ve DW sistemlerinin Ayamama Havzası SWMM modeli içinde uygulama yerlerini belirlemek için uzman görüşlerinin yer aldığı bir anketle Analytic Hierarchy Process (AHP) yöntemi kullanılmıştır. Bu çok kriterli karar analizi yöntemi, mekansal, hidrolojik ve çevresel kısıtlamaları dikkate alarak pratik eşik değerler oluşturmuştur. Farklı disiplinlerden 10 uzman katılımıyla gerçekleşen ankette, belirlenen kriterler arasında alt havza yüzey akışı (SWMM model sonucu), meskun ve sanayi alanları tarafından kaplanan alanlar, alt tabaka toprak geçirgenliği ve denize (tuzlu suya) olan mesafe gibi faktörler öne çıkmıştır. Bu yaklaşımla, önceden önerilen maksimum RB, CI ve DW birimlerinin sayısı sırasıyla %30,4, %20 ve %57,2 oranında azaltılmıştır. Bu azalma, sistemlerin işlevselliğinin optimize edilmesini ve saha koşullarıyla son derece uyumlu hale getirilmesini sağlamıştır. Simülasyon ve sistem performans değerlendirmesi sonucu, merkezi olmayan sistemlerin uygulanmasının Ayamama Havzası'nda dikkate değer etkiler sağladığı tespit edilmiştir. İlk başta uygulanan RB, CI ve DW sistemleri, 5 farklı tasarlanmış yağış olayı altında test edilmiştir. Toplam süreleri 2 saat olan ve dönüş aralıkları 2, 5, 10, 25 ve 50 yıl olan bahse konu tasarlanmış yağış olaylarında, pik akışta %23,63 ila %54,03 arasında ve toplam akış hacminde ise %11,17 ila %27,43 arasında azalmalar sağlanmıştır. Ayrıca, 70 dakika toplam konsantrasyon süresi olan Ayamama Havzası'nda, pik akış süresinde 50 dakikaya kadar artışlar gözlemlenmiştir; bu da havzanın şiddetli yağış olaylarına karşı tepkisinde iyileşmeler olduğunu göstermektedir. Ancak, yağış şiddeti veya geri dönüş aralığı arttıkça, yüzey akışındaki azalma oranlarının ters orantılı bir şekilde düştüğü görülmüştür. Bu durum, yoğun yağışlar sırasında RB, CI ve DW sistemlerinin depolama kapasitesinin sınırlı olduğunu ve bu tür olaylar için daha büyük depolama hacimlerine veya düzenli bakım ve boşaltmaya ihtiyaç duyulduğunu ortaya koymuştur. Tasarlanmış kısa süreli yağış olaylarına ek olarak, geliştirilen model ve uygulanan sistemlerin performansı, uzun süreli yağışlar ve gerçekte yaşanan taşkın olaylarına karşı da test edilmiştir. Elde edilen sonuçlara göre, Ayamama Havzası'nda, Eylül 2009'da yaşandığı gibi uzun süreli veya aralıklı yağışlarda, RB, CI ve DW sistemlerinin performansında belirgin bir düşüş gözlemlenmiştir. Bunun temel nedenleri arasında, depolama kapasitelerinin sınırlı olması ve zemin doygunluğu nedeniyle DW sistemlerinde infiltrasyonun yavaşlaması yer almaktadır. Bu sonuçlar, depolama birimlerinin periyodik olarak yenilenmesinin veya daha büyük hacimlerde birimler tasarlanmasının gerekliliğini vurgulamaktadır. Yağmur suyu hasadı potansiyeli göz önünde bulundurulduğunda, 2018 yılı meteorolojik verileri kullanılarak gerçekleştirilen bir yıllık simülasyon, uygulanan RB ve CI birimlerinin toplamda 12 milyon m³'ten fazla yağmur suyunu yakalayabileceğini göstermiştir. Bu miktar, İstanbul'un en büyük iki barajı olan Ömerli ve Terkos barajlarının depolama kapasitelerinin sırasıyla %5,15 ve %7,46'sına denk gelmektedir. Buna ek olarak uygulanan DW sistemleri yağmur suyunu toprağa sızdırmakla yer altı su kaynaklarını zenginleştirecek. Bu sonuçlar, merkezi olmayan sistemlerin, iklim değişikliği ve nüfus artışı nedeniyle yoğunlaşan su krizi gibi sorunların çözülmesinde iyi bir potansiyele sahip olduğunu açıkça ortaya koymaktadır. Bu çalışma, merkezi olmayan yağmur suyu yönetim sistemlerinden RB, CI ve DW sistemlerinin, özellikle sınırlı yeraltı suyu kaynaklarına ve kısıtlı alanlara sahip bölgelerde etkili bir taşkın kontrolü ve yağmur suyu hasadı aracı olduğunu göstermektedir. İstanbul gibi hızlı kentleşme ve iklim değişikliği gibi çifte tehditlerle karşı karşıya kalan megakentlerde, bu sistemler şehir planlamacılarına ve karar verme makamında bulunanlara rehberlik ederek pratik ve sürdürülebilir çözümler sunabilmektedir.

Özet (Çeviri)

This PhD thesis comprehensively assesses decentralized stormwater management systems within a highly urbanized and flood-prone watershed in Istanbul. Although decentralized systems occupy a vast range of measures in different types, this research focuses on the performance of three kinds of these systems including Rain Barrels, Cisterns, and Drywells in urban runoff mitigation under the climate change and physical characteristics of the subjected watershed. The aforementioned systems are denoted in this thesis with capital initial letters as RB, CI and DW respectively. The study is structured into two main phases: climate assessment and model development, each contributing vital insights into sustainable urban water management. The climate assessment phase analyzed precipitation and temperature trends in Istanbul using data from a ground-based meteorological station, MERRA-2 temperature reanalysis, and IMERG precipitation estimations. Three non-parametric methods including the Mann-Kendall (MK) test, Sen's slope estimator, and Innovative Trend Analysis (ITA) were employed to identify the magnitude and direction of the possible trends. The reason for using different data sources and methods is to provide a comprehensive comparison between ground-based meteorological data with space-based weather observatory products and different methods that are used in trend analysis of hydrometeorological variables. This comparison is believed to provide valuable insights toward trend analysis of hydrometeorological variables and assist the transition process from traditional toward more novel data sources and methods in this field of study. Results of the first phase of the study revealed significant upward trends in temperature on seasonal and annual scales, with summer exhibiting the strongest increase followed by the spring, fall, and winter seasons. Conversely, multi-duration analysis using the ITA method identified intervals of decreasing trends, particularly between 1980 and 1999, except during summer. A distinctive upward trend re-emerged in the 2000–2019 interval. Precipitation trends were less consistent compared to the temperature, with single-duration analysis indicating significant increases during fall and summer but insignificant decreases during winter and spring. Annual analysis also resulted in significant increases in the precipitation trend. The multi-duration analysis uncovered more nuanced trends, including significant seasonal variations in specific intervals. The compliance against ground-based data was at a higher level in MERRA-2 data compared to the IMERG data. Especially weak results were observed in the trend analysis of precipitation in the spring season and high-value group of the fall season based on the IMERG data. In the same vein, the ITA method proved to be particularly effective for detecting sub-trends in temperature and precipitation data across different value groups, offering a graphical advantage over MK and Sen's slope methods. This capacity is critical for analyzing short-term variations and hydrometeorological extremes in densely populated megacities like Istanbul. In the model development phase, the highly urbanized Ayamama watershed in Istanbul which is known for its dreadful flood history in 2009, was selected as the study area. In this phase of the study, based on the climate assessment findings, Rain Barrel (RB), Cistern (CI), and Drywell (DW) units were selected for implementation in the hydrologic model of the study area due to their retention and infiltration capabilities. These systems can assist in addressing the water shortage due to increasing temperature and evaporation and also act as an auxiliary tool for mitigating runoff due to increasing precipitations in the city. A robust framework then was developed to integrate the design, implementation, and simulation of the aforementioned decentralized stormwater management units in the Ayamama watershed, using a combination of geospatial data, hydrologic-hydraulic modeling, and expert-driven decision-making. First, a physically based model was constructed using the Storm Water Management Model (SWMM), calibrated and validated through an auto-calibration process with OSTRICH optimization software. For calibration, water level data from the main drainage channel in the study area for different rainfall events were obtained from the Istanbul Metropolitan Municipality (IBB). These data were compared with the channel water levels generated by the simulation of the same rainfall events in the SWMM model. The automatic calibration process minimized the difference between the water level obtained from the simulation and the actual water level measured in the channel, thereby significantly improving the model's accuracy. This process was fully automated and carried out using the OSTRICH optimization software. As a result of the calibration, the Nash-Sutcliffe Efficiency Coefficient (NSE) values of 0.77 and 0.67 were achieved for the calibrated and validated models respectively, indicating a good agreement between the simulated and measured water depth in the channel. In this study, blind implementations without any logical reason are avoided. This means that a strict strategy is employed to determine the number, location, and type of decentralized stormwater management units to be implemented in the study area. To identify suitable locations for RB, CI, and DW implementation, a multi-criteria decision analysis was conducted by using the Analytical Hierarchy Process (AHP). In this process a survey was conducted with 10 participating experts to fill out three pairwise comparison matrices for RB, CI, and DW units based on a 1-9 Likert scale. This approach established practical thresholds for the number of units, balancing spatial, hydrological, and environmental constraints. Consequently, the initially defined maximum number of units to be implemented in the study area which was calculated only based on the available residential and industrial areas was reduced by 30.4%, 20%, and 57.2%, respectively for RB, CI, and DW units, ensuring optimal functionality and alignment with site conditions. The key findings of the second phase of this study can be summarized below: In the sensitivity analysis, model calibration, and validation stage, the most five sensitive parameters were found to be %imperviousness, conduit roughness, width of the subcatchment, N-imperviousness, and slope of the subcatchment. Which were introduced to the OSTRICH along with 5 other sensitive parameters to be calibrated automatically. The integration of SWMM and OSTRICH demonstrated a strong capability for handling large, complex models with numerous parameters, affirming OSTRICH's utility in calibration and optimization tasks. In decision making process about determining the location and number of RB, CI, and DW units to be implemented in the study area, amoung various criteria, subcatchment runoff, occupied area by residential and industrial areas, sub-soil permeability, and proximity to seawater were identified as the most critical factors influencing the suitability. The obtained results at this stage highlight the importance of initial hydrologic modeling in prioritizing subcatchments for the implementation of decentralized stormwater management units. In the assessment of the hydrologic response of the watershed under various designed storm events, implementing RB, CI, and DW units resulted in significant reductions in peak runoff (23.63%–54.03%) and runoff volume (11.17%–27.43%) under storm events with 2-hour durations and return periods ranging from 2 to 50 years. The time to peak also increased, indicating improved watershed response. However, it is noteworthy to mention that the reduction rate in urban runoff was inversely related to the storm's intensity or return interval. The developed model also was assessed under a real case long-duration storm event as well. For prolonged or intermittent storms, such as the storm event experienced in September 2009 in the Ayamama watershed, the performance of RB, CI, and DW units in runoff reduction declined due to limited storage capacities and slow infiltration because of saturation of DW units, emphasizing the need for periodic recovery mechanisms or bigger storage volume of the units. Finally, the water harvesting potential of the implemented decentralized stormwater management units was assessed. A year-long simulation using 2018 meteorological data showed that implemented RB and CI units could capture over 12 million m³ of rainwater, equivalent to 5.15% and 7.46% of the storage capacities of the Ömerli and Terkos dams, respectively which are the first two biggest dams of Istanbul. This underscores their potential to address water scarcity challenges in the city which is intensified due to climate change and population growth. This study contributes significantly to the body of knowledge in urban water management, offering scalable solutions for mitigating the dual threats of urbanization and climate change in megacities like Istanbul. The findings of this research provide valuable guidance for urban planners and decision-makers in designing sustainable runoff mitigation strategies tailored to local climate conditions. The proposed framework demonstrates how decentralized stormwater systems can be effectively integrated into urban environments, particularly in areas with limited groundwater resources and available space for large-scale implementations. Future research should focus on evaluating the impacts of evolving climate conditions on the performance of LID systems and optimizing their implementation strategies under constraints such as budget, space, and competing land-use priorities. Expanding the application of advanced calibration tools and exploring hybrid approaches that combine centralized and decentralized stormwater solutions could further enhance urban resilience against climate-induced challenges.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    71798

    Hizmet sektöründe toplam kalite yönetimi

    Başlık çevirisi yok

    HÜNKAR ŞERİF

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1998

    İşletmeMarmara Üniversitesi

    Bankacılık Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İ. METE DOĞRUER

  2. Tez No

    599604

    Avrupa ülkelerinde ve Türkiye'de ilkokullarda uygulanan yabancı dil öğretim programlarının karşılaştırılması

    A comparative study of European and Turkish primary school foreign language education programs

    HÜLYA ŞAHİN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Eğitim ve ÖğretimMuğla Sıtkı Koçman Üniversitesi

    Eğitim Bilimleri Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. NECDET AYKAÇ

  3. Tez No

    932251

    Digital twin-driven building information modeling (BİM) for sustainable design practices in design offices

    Tasarım ofislerinde sürdürülebilir tasarım uygulamaları için dijital ikiz odaklı yapı bilgi modelleri (BİM)

    YOUSIF O K NASSER YOUSIF O K NASSER

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2025

    Mimarlıkİstanbul Teknik Üniversitesi

    Mimarlık Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HÜSNÜ MURAT GÜNAYDIN

  4. Tez No

    887328

    Privacy and security enhancements of federated learning

    Federe öğrenme uygulamalarında mahremiyet ve güvenlik geliştirmeleri

    ŞÜKRÜ ERDAL

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    Bilişim Uygulamaları Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ENVER ÖZDEMİR

    DR. FERHAT KARAKOÇ

  5. Tez No

    342479

    A:B:D (New York), Finlandiya, Singapur ve Türkiye'de öğretmen eğitimindeki dönüşümler (2000-2010)

    Transformation in teacher education in USA (New York), Finland, Singapore and Turkey (2000-2010)

    ERDEM AKSOY

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2013

    Eğitim ve ÖğretimAnkara Üniversitesi

    Eğitim Programları Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FATMA DİLEK GÖZÜTOK

Geri Dön