Geri Dön

The influence of hydro-meteorological factors on the bosphorus flow

Hı̇dro-meteorolojı̇k faktörlerı̇n boğaz akışı üzerı̇ndekı̇ etkı̇sı̇

PDF İndir

  1. Tez No: 919733
  2. Yazar: EFE ÇİLTAŞ
  3. Danışmanlar: PROF. DR. VEYSEL ŞADAN ÖZGÜR KIRCA
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  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: 83

Özet

Boğazlar, yalnızca çeşitli türlere ev sahipliği yapmakla kalmayıp aynı zamanda kent sakinleri için rekreasyonel alanlar sunan kentsel peyzaja da hizmet eden kıyı ekosistemlerinin temel unsurlarıdır. Boğazların hidroliği hassas ve genellikle karmaşıktır; gelgitler, rüzgarlar, dalgalar, nehir akışları ve yağışlar gibi birçok meteorolojik ve oşinografik faktör tarafından kontrol edilir. Her bir faktörün boğazların hidrodinamiği üzerindeki etkisini anlamak, boğazları yönetmek ve korumak, ayrıca iklim değişikliği senaryolarına başarılı bir şekilde uyum sağlamak için hayati önem taşımaktadır. Bu çalışmada, İstanbul Boğazı'ndaki akış dinamikleri, çeşitli hidro-meteorolojik akış etkenlerinin etkisi altında incelenmiştir. İstanbul Boğazı'nın hidrodinamiği temel olarak Karadeniz ve Marmara Denizi arasındaki su seviyesi farkı ve yoğunluk farkı ile karakterize edilmektedir. İstanbul Boğazı'nın hidrodinamiği literatürde farklı araştırmacılar tarafından çalışılmış olmasına rağmen, her bir hidro-meteorolojik faktörün, özellikle de İstanbul Boğazı'nın feçi üzerinden esen rüzgarın spesifik etkisi parametrik olarak ayrıntılı bir şekilde araştırılmamıştır. Bu motivasyonla, mevcut çalışma hidro-meteorolojik akış etkenlerinin İstanbul Boğazı üzerindeki etkisine ayrı ayrı odaklanmaktadır. Akış etkenleri genel olarak şunlardır: (1) İstanbul Boğazı'nın Kuzey ve Güney uçları arasındaki su seviyesi farkı (2) İstanbul Boğazı'nın Kuzey ve Güney uçları arasındaki yoğunluk (özgül ağırlık) farkı (3) Karadeniz'e akan nehirler, (4) Karadeniz havzasında yağış (5) İstanbul Boğazı'nın kıyı şeridinde esen rüzgar (hız ve yön), (6) Karadeniz'in kıyılarında esen rüzgâr, (7) Marmara Denizi'nin körfezi üzerinden esen rüzgar, (8) İstanbul Boğazı üzerindeki atmosferik basınç farkı, (9) Marmara ve Karadeniz'deki gelgit değişimleri. Çalışmanın ilk bölümünde hidro-meteorolojik veriler zaman serileri halinde uluslararası veri tabanlarından elde edilmiştir. Rüzgar verisi için İstanbul Boğazı'nın Karadeniz ve Marmara Denizi çıkışlarında ölçüm ızgaralarındaki değerler incelenmiş, bu iki veri arasındaki ilişkiye bakılmıştır. Bunun sonucunda İstanbul Boğazı'nın hem Marmara Denizi hem de Karadeniz çıkışındaki rüzgar verilerinin benzer özelliklere sahip olduğuna karar verilmiştir. Korelasyon katsayısı R2=0.93'tür ve dağılım grafiği paterni uyumludur. İstanbul Boğazı'nın Karadeniz çıkışındaki rüzgar verilerinin ölçüm ızgaralarının kara etkisinden daha az etkilendiği ve iki veri arasındaki benzerliğin yüksek olması göz önünde bulundurularak çalışmada İstanbul Boğazı'nın Karadeniz çıkışındaki veriler kullanılmıştır. İstanbul Boğazı'nın su seviyesi farkı ve debi verileri İstanbul Boğazı'nın güney ve kuzey çıkışlarındaki su seviyeleri ve hız ölçümlerinin 1 yıllık zaman serileri kullanılmıştır. Hız ölçümlerinden üst akım debisi elde edilmiştir. Akıntı hızı, İstanbul Boğazı'nın Marmara Denizi çıkışı yakınında (Sarayburnu önünde) 23 m derinliğe kadar 1 m aralıklarla ölçülmüştür. Üst tabaka akım debisini bulmak için (1) İstanbul Boğazı'nın detaylı batimetrisi kullanılarak 1 m'den 23 m'ye kadar 1 m'lik derinlik dilimlerindeki akıntı kesit genişlikleri belirlenmiştir. (2) Her bir derinlik kutusunda ölçülen hız değerleri o derinlik kutusunun kesit genişliği ile çarpılarak o kutunun deşarjı elde edilmiştir. (3) Her bir derinlik kutusundaki deşarjlar toplanarak toplam deşarj elde edilmiştir. (4) Bu prosedür sadece su yüzeyinden hızın ters yönde olduğu konuma kadar gerçekleştirilmiştir. Rüzgar verileri ile su seviyesi farkı ve debi verileri arasındaki ilişki korelasyon analizleriyle belirlenecektir ama öncesinde rüzgarın hangi yöndeki bileşeninin kullanılacağına karar verilecektir. Bunun için odaklanılan eksen İstanbul Boğazı yönüdür. Böylece u ve v hızları yönün döndürülmesiyle elde edilir. İstanbul Boğazı eksenine paralel olan rüzgar hızı bileşeni u hızı, İstanbul Boğazı eksenine dik olan rüzgarı hızı bileşeni ise v hızı olarak adlandırılmıştır. Rüzgar hızı u, kuzeyden saat yönünde 30 derece döndürülerek elde edilmiştir. Pozitif u yönü Boğaz ekseni boyunca Karadeniz'den Marmara Denizi'ne doğrudur. Rüzgar verisinin bileşke hızı, Boğaz eksenine dik olan bileşeni (v hızı) ve Boğaz eksenine paralel olan bileşeni (u hızı) 1 yıllık zaman serisi şeklinde çıkartılmıştır. Bu 1 yıllık rüzgar hızları ile su seviyesi farkı verileri 1 yıllık zaman serisi dağılım grafikleriyle incelenmiştir. Su seviyesi farkı ile anlamlı ilişkiye sahip dağılım paterni bir tek Boğaz eksenine paralel olan u hızı ile su seviyesi farkı dağılım grafiğinde gözlemlenmiştir. Bu sebeple sonraki korelasyon analizlerinde u hızı bileşeni kullanılmıştır. Elde edilen zaman serileri ile korelasyon çalışmaları yapılmıştır. Su seviyesi farkı ile İstanbul Boğazı eksenine paralel rüzgar hızı bileşeni olan u-yönündeki hız arasındaki ilişki farklı bir yöntemle incelenmiştir. Korelasyon katsayısı R'yi hesaplamak için farklı pencere aralıkları kullanılır. Pencere, zaman serisi üzerinde baştan sona doğru hareket eden çerçeveyi belirtir ve korelasyonun kaç saatlik veri üzerine uygulanacağını ifade etmektedir. Her bir pencere için korelasyon analizi uygulanmıştır. Her bir pencere için u-yönündeki hız penceresi sabittir. Su seviyesi farkı penceresi hareketlidir. Aynı boyuttaki pencereler için su seviyesi farkı, u-yönü rüzgar hızı penceresinin başlangıç zamanına göre 40 saat önceki veriden 150 saat sonraki veriye kadar korelasyon analizine bakılır. Her bir pencere için R katsayısı bulunur ve maksimum R katsayısı işaretlenir. Maksimum veri pozitif ise, bu gecikme süresine bakılarak rüzgarın su seviyesi farkının nedenlerinden biri olduğu söylenebilir. Bu şekilde 50, 100, 200, 300, 500, 1000, 2000, 3000 ve 5000 saatlik pencerelerde korelasyon analizleri yapılmıştır. Korelasyon analizine göre İstanbul Boğazı eksenine paralel rüzgar hızı bileşeni ve su seviyesi farkı arasındaki ilişkinin güçlü olduğu görülmektedir. Pencere küçükse, çok küçük verilerle bir ilişki yakalamak zor olduğundan korelasyon sonuçlarındaki dalgalanmalar yüksektir. Daha büyük pencere boyutlarında korelasyon paterni daha kararlıdır, ancak korelasyon daha küçük pencere boyutlarındaki analizlere göre daha düşük değerlere ulaşabilir. Tüm pencere boyutu analizleri için veriler Haziran ayından sonra ise tutarsız regresyon sonuçları elde edilmektedir. Bunun nedenlerinden biri, ilk 8 ayda Boğaz eksenine paralel olan rüzgar hızı bileşeninin aralığı yüksektir. Son 4 ay, Haziran-Eylül, rüzgar hızı aralığı küçüktür ve çok dalgalanmaktadır. Bir diğer neden ise ilkbaharda eriyen karlar Karadeniz'e dökülen nehirlerin debisini artırdıktan sonra su seviyesi farkını artırır. Su seviyesi farkının baskın nedenlerinden olan Karadeniz'e dökülen nehirlerin debisi nedeniyle rüzgar etkisi azalmaktadır. Bu da yaz aylarında korelasyonu azaltan nedenlerdendir. Korelasyon analizleri sonucunda gecikme süresinin farkı pencere boyutlarına göre ortalama 10-15 saat olduğu görülmüştür ve bu durum su seviyesi farkının nedenlerinden birinin İstanbul Boğazı eksenine paralel yöndeki rüzgarlar olduğunu doğrulamaktadır. Daha sonra üst akım debisi ile u yönündeki rüzgarın arasındaki korelasyon analizi su seviyesi farkı ile u yönündeki rüzgar arasındaki korelasyon metoduyla uygulanmıştır. Yine benzer sonuçlar elde edilmiş ve yüksek bir ilişki elde edilmiştir. Ancak yine su seviyesi farkı ile olan analiz gibi aynı sebeplerde dolayı yaz aylarındaki verinin olduğu korelasyonlarda tutarsız değerler gözlemlenmiştir. Daha sonra u yönü rüzgarlarının Şen'in ITA metoduyla trendine bakılmıştır. Karadeniz'den Marmara Denizi'ne doğru esen rüzgar, pozitif büyük değerlerde küçük bir artış eğilimine sahiptir. Rüzgar ile su seviyesi arasında güçlü bir ilişki olduğu korelasyon analizleriyle belirlenmiştir. Bu durum ilerleyen yıllarda su seviyesi farkı değerini arttırabileceğinden dolayı gelecek çalışmalarda bu durumun incelenebileceği görülmüştür. Çalışmanın ikinci bölümünde, bu hidro-meteorolojik etkenlerin her birinin etkisini parametrik olarak incelemek için TELEMAC 3D'de kurulan sayısal bir İstanbul Boğazı modeli kullanılmıştır. Su seviyesi farkı sınır şartının Δh = (0, 10, 33, 40, 50) değerleri için bir çalışma yapılmıştır. Δh = 33 cm ortalama su seviyesi değeridir. Δh = 0 cm, Δh = 10 cm, Δh = 33 cm, Δh = 40 cm ve Δh = 50 cm koşulları için rüzgar hızları seçilmiştir. 1 yıllık Δh ve u yönü rüzgar hızlarına göre u yönü rüzgar hızlarının histogramları ve olasılık yoğunluk fonksiyonları oluşturulmuş ve olasılık yoğunluk fonksiyonları üzerinde σ, σ + μ, σ - μ değerleri işaretlenmiştir. Bu olasılık yoğunluk fonksiyonları her bir Δh değerinin rüzgar veri sayısına göre oluşturulur. Olasılık yoğunluk fonksiyonunu oluşturmak için yeterli veri varsa, rüzgar verileri Δh-0.5, Δh+0.5'e göre seçilir. Yetersiz veri varsa, aralık Δh-2,5, Δh+2,5 olur. Bu analiz sonucunda 5 farklı su seviyesi durumu için rüzgarsız ve 3 tane rüzgarlı durum için sayısal model kurulmuş ve 15 farklı senaryo incelenmiştir. Rüzgarlı durumlarda alt tabaka ve üst tabaka debilerinin çok değişmediği ve su seviyesi farkı sınır şartının içinde rüzgar verilerini barındırdığı görülmüştür. Zaman serisi analizi sonuçları, beklendiği gibi su seviyesi farkı (Boğaz'ın Kuzey ve Güney uçları arasındaki) ile rüzgar özellikleri arasında anlamlı bir korelasyon olduğunu göstermiştir. Parametrik çalışma, İstanbul Boğazı'nın üst ve alt tabaka hidrodinamiği üzerinde en etkili değişkenin, yoğunluk farkı ve İstanbul Boğazı'nın feçi üzerinden esen rüzgar değil, yukarıda belirtilen tüm faktörleri doğal olarak içeren, İstanbul Boğazı'nın Kuzey ve Güney uçları arasındaki su seviyesi farkı olduğunu göstermiştir. İstanbul Boğazı'nın feçi üzerinden esen rüzgarın etkisi sınırlıdır ve genel olarak rüzgar kaynaklı su seviyesi farkı çoğunlukla rüzgar ve su seviyesi farkı (İstanbul Boğazı'nın Kuzey ve Güney uçları arasındaki) değişkenleri arasındaki korelasyondan kaynaklanmaktadır.

Özet (Çeviri)

Straits are essential elements of coastal ecosystems, which not only host diverse kinds of species, but also serve the urban landscape offering recreational hotspots for the inhabitants. The hydraulics of straits are delicate and often complex, controlled by many meteorological and oceanographical factors such as tides, winds, waves, river runoffs and precipitation. Understanding the influence of each factor on the hydrodynamics of straits are vital for managing and protecting them, and also successfully adapting to the climate change scenarios. In this study, the flow dynamics in a strait, the Bosphorus, is studied under the influence of various hydro-meteorological flow drivers. Hydrodynamics of the Bosphorus is mainly characterized by the water level difference and density difference between the Black Sea and the Marmara Sea. Although the hydrodynamics of the Bosphorus has been studied by different researchers in the literature, the specific influence of each individual hydro-meteorological factors, especially wind blowing over the fetch of the Bosphorus, has not been investigated parametrically in detail. With this motivation, the present study focuses on the influence of hydro-meteorological flow drivers on the Bosphorus separately. The flow drivers, in general, are: (1) the water level difference between the North and South ends of Bosphorus (2) the density (specific gravity) difference between the North and South ends of Bosphorus (3) river runoffs into the Black Sea, (4) precipitation at Black Sea basin (5) the wind (velocity and direction) that blows over the fetch of the Bosphorus, (6) the wind that blows over the fetch of the Black Sea, (7) the wind that blows over the fetch of the Marmara Sea, (8) the atmospheric pressure differential over the Bosphorus, (9) tidal variations in the Marmara and Black Sea. In the first part of the study, the hydro-meteorological data time series, and the relationship/correlation between different variables are studied. The correlation and physical dependence between these variables are determined. In the second part of the study, a numerical model of the Bosphorus set in TELEMAC 3D is utilized to parametrically study the influence of the major ones of these hydro-meteorological drivers. Results on the timeseries analysis showed that there is a meaningful correlation between the water level difference (between the North and South ends of Bosphorus) and the wind characteristics, as expected. The parametric study indicated that most influential variable on the upper- and lower-layer hydrodynamics of the Bosphorus is the water level difference between the North and South ends of Bosphorus, which inherently includes all of the above-mentioned factors, except the density difference and the wind that blows over the fetch of the Bosphorus. The influence of wind that blows over the fetch of the Bosphorus is limited, and wind-generated water level difference in general is mostly inherited from the correlation between the wind and the water level difference (between the North and South ends of Bosphorus) variables.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    695276

    İstanbul Boğazı su seviyesi salınımlarına Tuna Nehri etkisinin belirlenmesi

    Determination of the Tuna River effect on the Bosphorus strait water level oscillations

    YAVUZ KARSAVRAN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Deniz Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. TARKAN ERDİK

  2. Tez No

    906103

    Küresel hidro-meteorolojik veri setleri ile aylık akışların yayılı modellenmesi

    Distributed monthly runoff modeling using global hydro-meteorological datasets

    DESTİNA DİLAN EKİNCİ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Mühendislik BilimleriDokuz Eylül Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. OKAN FISTIKOĞLU

  3. Tez No

    803860

    Future changes in hourly extreme precipitation, return levels, and non-stationary impacts in Türkiye

    Türkı̇ye'de saatlı̇k aşırı yağışlarda gelecektekı̇ değı̇şı̇mler, tekerrür miktarı ve durağan olmayan etkı̇ler

    KUTAY DÖNMEZ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Meteorolojiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Meteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. YURDANUR ÜNAL

  4. Tez No

    630338

    Ölçümü olmayan akarsu havzalarında akım tahminlerinin iyileştirilmesi

    Improvement of streamflow estimation in ungauged basins

    MUSTAFA UTKU YILMAZ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. BİHRAT ÖNÖZ

  5. Tez No

    838696

    İklim değişikliğine mekansal uyumda toprak ekosistem servislerinin rolü: Nilüfer çayı havzası

    The role of soil ecosystem services in spatial adaptation to climate change: Nilüfer stream basin

    MERVE YILMAZ MUTLU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Şehircilik ve Bölge Planlamaİstanbul Teknik Üniversitesi

    Şehir ve Bölge Planlama Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AZİME TEZER

Geri Dön