Earthquake risk evaluation in drinking water systems: Example of Teki̇rdağ Marmaraereğli̇si̇ province
İçme suyu sistemlerinde deprem riski değerlendirmesi: Tekirdağ Marmaraereğlisi ilçesi örneği
- Tez No: 953616
- Danışmanlar: PROF. DR. ALİ FUAT AYDIN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Çevre Bilimleri, Mühendisliği ve Yönetimi Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 91
Özet
Dünya genelindeki kentsel merkezler hızlı nüfus artışı yaşamaktadır ve bu durum, içme suyu gibi temel hizmetleri sağlayacak güçlü altyapılara duyulan ihtiyacı artırmaktadır. İçme suyu temini sağlayan altyapı sistemleri; barajlar, kuyular, terfi istasyonları, içme suyu arıtma tesisleri, dağıtım istasyonları, isale hatları ve şebeke hatları gibi elemanlardan oluşmaktadır. Bu elemanlardan isale hatları ve şebeke hatları su iletim borularından oluşmaktadır. İsale ve şebeke hatları yüksek oranlarda kayıp-kaçakla çalışmakta ve bu hatları oluşturan su iletim boruları eskidikçe zaman içerisinde çevresel faktörlerden etkilenerek kayıp-kaçak oranları artmaktadır. Söz konusu faktörlerin önde gelenlerinden biri de depremlerdir. Depremlerin su iletim hatları üzerindeki etkisi gerek deprem sonrası zeminde zamanla oluşan yer değiştirmeye bağlı olarak yavaş ama sürekli şekilde oluşan hasarlardan kaynaklı, gerekse deprem anında zemin sarsıntısıyla anlık hasarlardan kaynaklı olarak görülmektedir. Zamanla oluşan hasarların farklı zaman aralıklarında tespit edilmesi ve bakım-onarım çalışmalarının gerçekleştirilmesi daha kolay olmaktayken deprem anında aynı anda farklı bölgelerde oluşan hasarların tespiti ve bakım-onarım çalışmalarının gerçekleştirilmesi idareler için zorlayıcı ve uzun süreli bir iş haline gelmektedir. Bu sebeple deprem sonrası erken döneminde yaşanan su kesintileri depremzedelerin içme suyuna erişimini zorlaştırarak günlük yaşamın devam ettirilmesini zorlaştırmakta ve hijyen konusunda eksiklik ve risklere sebep olmaktadır. Deprem sırasında oluşan zemin hareketleri, borular üzerinde ciddi yapısal stresler oluşturabilir. Boruların malzemesi ve çapı gibi faktörler, bu streslerin hasara dönüşüp dönüşmeyeceğini belirler. Örneğin, asbestli çimento borular yüksek kırılganlık gösterirken, yüksek yoğunluklu polietilen borular daha dayanıklıdır. Ayrıca zemin özellikleri de hasar riskini artırabilir; eğimli ve sıvılaşmaya meyilli zeminlerde yer alan boru hatları, sağlam zeminlerdeki muadillerine göre daha fazla risk altındadır. Bu nedenle, altyapı sistemlerinin deprem performansı değerlendirilirken, boru özellikleriyle birlikte jeolojik koşulların da dikkate alınması zorunludur. Türkiye, dünyanın en aktif deprem kuşaklarından biri olan Alp-Himalaya kuşağı üzerinde yer almaktadır ve bu nedenle tarih boyunca birçok yıkıcı depreme sahne olmuştur. Özellikle ülkenin kuzeyini boydan boya kat eden Kuzey Anadolu Fay Hattı, deprem tehlikesinin en büyük olduğu hatlardan biridir. Bu fay hattı, Marmara Denizi'nin altından Tekirdağ, İstanbul ve İzmit kıyısı boyunca çevredeki yerleşim yerleri için ciddi bir tehdit oluşturmaktadır. Bu bölgede beklenen büyük Marmara depremi hem İstanbul hem de çevresindeki Tekirdağ gibi iller için altyapı açısından büyük bir sınav olacaktır. Marmaraereğlisi, Tekirdağ ilinin Marmara Denizi kıyısında yer alan, son yıllarda sanayileşme ve göç etkisiyle hızlı büyüyen bir ilçedir. İlçede içme ve kullanma suyu hizmetleri TESKİ tarafından sağlanmaktadır. Bölgeye sağlanan içme suyu, deprem riski altındaki bir başka ilçe olan Çorlu'da bulunan içme suyu kuyularından sağlanmakta ve 2 ana iletim hattıyla ilçeye iletilmektedir. Bu altyapı sistemleri, özellikle deprem anında ve sonrasında işlevselliğini koruyamadığı takdirde, kamu sağlığı ve afet yönetimi açısından ciddi sorunlar yaratabilir. 2019 ve 2025 yıllarında USGS verilerine göre Marmaraereğlisi ilçesi açıklarında meydana gelen sırasıyla 5,7 Mw ve 6,2 Mw büyüklüklerindeki depremler nedeniyle bölgenin olası bir deprem senaryosu altında detaylı şekilde analiz edilmesi gerekliliği doğmuştur. Çalışmada Marmaraereğlisi'nin seçilmesinin nedenleri, aktif bir fay hattına yakın olması, nüfus ve altyapı yoğunluğunun artması, TESKİ aracılığıyla veri erişiminin mümkün olması ve bölgenin jeolojik çeşitliliğidir. Ayrıca, daha önce benzer analizlerin bölgeye uygulanmamış olması da bu çalışmayı önemli kılmaktadır. Marmaraereğlisi, örnek saha olarak ele alınmakla birlikte, kullanılan metodoloji geçmişte uygulanan örnekleri göz önünde bulundurarak geliştirilmiş ve farklı yerleşim yerlerine de kolayca uyarlanabilir niteliktedir. Bu çalışmanın temel amacı; Marmaraereğlisi'nde yer alan ana iletim hatlarının depremselliğinin incelenmesi, farklı boru türlerinin dayanıklılığının yapı malzemesi ve boru çapı gibi özelliklere bağlı olarak olası bir deprem senaryosunda test edilerek incelenmesi ve deprem öncesi-sonrası su teminine ilişkin planlar oluşturulmasıdır. Çalışmanın kapsamı, uygun PGV verisinin seçinden başlayarak boru şebekesi verileriyle birleştirilmesine, analizlerin GIS ortamında haritalandırılmasına ve risk değerlendirme modellerinin uygulanmasına kadar geniş bir süreci kapsamaktadır. Bu doğrultuda elde edilecek sonuçlar mevcut boru verilerinin harita üzerinde risk faktörlerinin gösterilmesi ve FEMA desteğiyle NIBS tarafından geliştirilen Hizmet Verilebilirlik İndeksi hesabının verilmesini içermektedir. Deprem büyüklüğü ölçülmesinde genellikle kullanılan Richter ölçeği, yer altındaki enerjiyi ifade ettiğinden zemin yüzeyine ve yüzeye yakın olan borulara ulaşan etkileri ölçmekte yetersiz kalmaktadır. Dolayısıyla boru hatları üzerinde yapılan çalışmalarda yoğunlukla PGV ve PGA kavramları kullanılmaktadır. PGV deprem sırasındaki en yüksek yer hızını, PGA ise deprem sırasındaki en yüksek yer ivmesini tanımlamaktadır. Bu bağlamda çalışmada kullanılan formüller farklı kaynaklardan kıyaslanarak seçilmiştir. FEMA'nın oluşturduğu HAZUS modelleme sistemi deprem, sel gibi doğal afetlerin sonuçlarının incelenmesinde kullanılmaktadır. HAZUS modelindeki formülün hesapladığı RR değeri onarım gereksinimi olarak nitelendirilip benzer çalışmalarda kullanılan sonuç verisi olarak literatürde bulunmaktadır. HAZUS modelinde kullanılan ilk formülde yalnızca PGV değeri kullanılmakta olup boru ve zemin özellikleri dikkate alınmamaktadır. Güncellenen HAZUS formülünde boru özelliklerine de belli katsayılar atanmıştır. Isoyama ve diğerleri tarafından 2000 yılında yayınlanan çalışmada geliştirilen formülde ise farklı örnekler üzerinde yapılan çalışmalar neticesinde bu katsayılar ayrıntılandırılmış ve daha hassas şekilde boru malzemesi ve çapına göre ayrılmıştır. Ayrıca formüle zemin sıvılaşma ve yüksek eğim riski faktörleri eklenmiştir. Yoo ve diğerleri tarafından 2013 yılında yayınlanan çalışmada geliştirilen formülde ise Isoyama ve diğerlerinin çalışmasındaki formül geliştirilmiştir. Bu çalışmada yapılan analizlerde Yoo ve diğ.'nin formülü kullanılmıştır. Veri temin sürecinde TESKİ ile iletişime geçilmiş, bölgenin zemininde yüksek eğim açısından ve sıvılaşma açısından risk teşkil eden bölgelerin NetCAD dosyası formatında verileri alınmıştır. TESKİ'den temin edilen bir başka veri de ana iletim hatlarının öznitelik verili olup bu veriler de Shapefile formatında temin edilmiştir. Kullanılan PGA verisi AFAD'ın Marmaraereğlisi yer hızı ölçüm istasyonundan alınmış olup 1999 Gölcük depremi sırasında ölçülen değerdir. Veri hazırlanması sürecinde öncelikle Atkinson ve Boore'un 2006 yılında yaptığı çalışmada elde ettiği formül kullanılarak PGA değeri PGV değerine dönüştürülmüştür. Ardından bölgenin zemininde yüksek eğim açısından ve sıvılaşma açısından risk teşkil eden bölgelerin NetCAD dosyası formatında verileri AutoCAD ve QGIS yardımıyla gerekli işlemler gerçekleştirilerek Shapefile formatına dönüştürülmüş, coğrafi referanslaması yapılmış ve çalışmada altlık olarak kullanılmıştır. Bu altlığa denk gelen boru verileri QGIS kullanılarak maskelenmiş ve Python yardımıyla; Pandas, NumPy ve GeoPandas gibi kütüphaneler kullanılarak, verilere karşılık gelen katsayılar veri setinin özniteliklerine eklenerek çalışmada kullanılan formüller her bir boru verisi için çalıştırılmıştır. Bu işlem büyük veri setlerinin işlenmesini ve harita çıktılarının hızlıca üretilmesini mümkün kılmıştır. Ortaya çıkan boru risk haritası, kilometre boru başına toplam onarım gereksinimi ve Hizmet Verilebilirlik İndeksi (%) sonuçları çalışmada paylaşılmıştır. Analiz sonuçlarında ortaya çıkan 0,037 RR/km verisi NIBS tarafından geliştirilen Hizmet Verilebilirlik İndeksiyle karşılaştırıldığında yaklaşık %85 değerinin elde edildiği gözlemlenmektedir. Bu değer olası deprem senaryosunda çalışmada kullanılan boru hatlarının yaklaşık %85'lık kısmının sorunsuz şekilde kullanılmaya devam edilebileceğini göstermektedir. Sonuç olarak, bu çalışma Marmaraereğlisi özelinde yürütülmüş olmakla birlikte, altyapı sistemlerinin nasıl değerlendirilebileceğini göstermesi açısından genellenebilir bir metodoloji ortaya koymaktadır. Elde edilen bulgular, hem TESKİ gibi altyapı sağlayıcı kurumlara hem de yerel yönetimlere, afet öncesi risk azaltma stratejileri geliştirme konusunda yol gösterici olabilir. İlerleyen süreçte, bu çalışma kapsamında geliştirilen analiz yöntemlerinin kanalizasyon sistemleri, doğal gaz hatları ve elektrik iletim ağları gibi diğer altyapı türlerine de uygulanması önerilmektedir. Böylece, bütüncül bir kentsel afet dayanıklılığı haritası oluşturulması mümkün olabilecektir. Deprem sonrası su iletim hatlarında meydana gelen hasarlar, şehirlerin acil durumlara karşı kırılganlığını artırmakta ve kamu sağlığını tehdit etmektedir. Marmaraereğlisi özelinde yapılan analizlerde, deprem senaryosu altında bazı boru segmentlerinin yüksek risk taşıdığı görülmüştür. Ancak yalnızca risk haritalarının oluşturulması yeterli olmayıp, bu risklerin yönetilmesine yönelik sürdürülebilir bakım-onarım stratejilerinin de geliştirilmesi gerekmektedir. Bu noktada, yakın ölçekte ve benzer şartları sağlayan ilçeler tespit edilip bu ilçelerde yapılan çalışmalar örnek alınarak Marmaraereğlisi gibi küçük yerleşimlerde de uygulanabilecek sistematik yaklaşımlar önerilebilir. Su idarelerinin en büyük operasyonel maliyet kalemlerinden biri bakım faaliyetleridir. Ancak bu maliyetin etkin yönetilmesi, yalnızca ekonomik sürdürülebilirlik değil, aynı zamanda kriz anlarında altyapının fonksiyonunu koruyabilmesi açısından da hayati önemdedir. Bu amaçla, bakım ihtiyacının tespiti, müdahale yönteminin belirlenmesi (yenileme mi değiştirme mi?) ve uygulanacak yöntemin seçimi, sistematik bir karar ağacı modeliyle ele alınmalıdır. Önerilen bir diğer yaklaşım ise, GIS, SCADA ve modelleme yazılımlarının (örneğin EPANET) entegrasyonudur. Bu çalışma, boru hatları dijitalize edilen iletim hattı ve zemin bilgisi verileriyle yapılmıştır. Bahsi geçen verilerin tüm hatlara ve tüm bölgelere genişletilmesi oluşturulacak eylem planının kapsamını genişletecek; su kayıplarının ve müdahale sürelerinin azaltılmasına katkı sağlayacaktır. Örneğin, SCADA sistemleriyle basınç düşüşü tespiti yapılarak, boru hatlarında meydana gelen hasarların anlık tespiti mümkün olabilir.
Özet (Çeviri)
Urban centers around the world are experiencing rapid population growth, which increases the need for strong infrastructure to provide essential services such as potable water. The infrastructure systems that ensure the supply of drinking water consist of elements such as dams, wells, pumping stations, drinking water treatment plants, distribution stations, transmission mains, and distribution networks. Among these elements, transmission and distribution lines are composed of water conveyance pipes. Transmission and distribution lines operate with high rates of water loss, and as the water conveyance pipes that form these lines age, they become increasingly affected by environmental factors, leading to higher leakage rates. Among these factors, earthquakes stand out as a primary concern. The impact of earthquakes on water conveyance lines manifests both as gradual but persistent damage due to ground displacement after an earthquake and as sudden damage caused by ground shaking at the moment of the earthquake. While damage that occurs gradually over time can be detected and repaired more easily, detecting and repairing simultaneous damage in different locations during an earthquake becomes a challenging and long-term task for the authorities. Consequently, water outages experienced in the early period following an earthquake make it difficult for survivors to access drinking water, hindering the continuation of daily life and causing hygiene-related deficiencies. Ground movements during an earthquake can exert serious structural stress on pipelines. Factors such as the pipe material and diameter determine whether these stresses will result in damage. For instance, asbestos cement pipes (ACP) exhibit high fragility, whereas high-density polyethylene pipes are more durable. In addition, soil characteristics can increase the risk of damage; pipelines located in sloped and liquefaction-prone soils are at greater risk compared to those in more stable soil conditions. Therefore, when assessing the seismic performance of infrastructure systems, it is essential to consider geological conditions alongside pipe characteristics. Turkey is located on the Alpine-Himalayan earthquake zone, one of the most active seismic zones in the world and has experienced numerous destructive earthquakes throughout history. The North Anatolian Fault, which runs across the northern part of the country, is among the most hazardous fault lines. This fault line, passing beneath the Sea of Marmara, poses a serious threat to nearby settlements including Tekirdağ, Istanbul, and Izmit. The anticipated major Marmara earthquake will be a significant test for the infrastructure of both Istanbul and nearby provinces such as Tekirdağ. Marmaraereğlisi is a rapidly growing district of Tekirdağ Province, located on the coast of the Sea of Marmara, affected in recent years by industrialization and migration. The drinking and domestic water services in the district are provided by Tekirdağ Water and Sewage Administration (TESKİ). The water supplied to the region comes from drinking water wells in the neighboring earthquake-prone district of Çorlu and is delivered via two main transmission lines. If these infrastructure systems fail to maintain functionality during or after an earthquake, they may lead to serious problems concerning public health and disaster management. According to United States Geological Survey (USGS) data, earthquakes of magnitude 5.7 and 6.2 occurred off the coast of Marmaraereğlisi in 2019 and 2025, respectively. These events highlight the necessity of detailed analysis of the region under a potential earthquake scenario. The reasons for selecting Marmaraereğlisi for this study include its proximity to an active fault line, increasing population and infrastructure density, the availability of data through TESKİ, and the region's geological diversity. Furthermore, the fact that similar analyses have not previously been conducted in the area adds importance to this study. Although Marmaraereğlisi was chosen as the study area, the methodology used was developed by considering previously applied examples and can be easily adapted to other settlements. The primary aim of this study is to assess the seismic vulnerability of the main transmission lines in Marmaraereğlisi, to investigate the durability of different types of pipelines based on characteristics such as material and diameter under a potential earthquake scenario, and to establish pre- and post-earthquake plans regarding water supply. The scope of the study includes selecting suitable Peak Ground Velocity (PGV) data, integrating it with pipeline network data, mapping the analyses in a Geographical Information System (GIS) environment, and applying risk assessment models. The resulting outputs will include visualized risk factors on pipeline maps and the calculation of the Serviceability Index developed by United States National Institute of Building Sciences (NIBS) with the support of United States Federal Emergency Management Agency (FEMA). The Richter scale, commonly used to measure earthquake magnitude, expresses subsurface energy and is insufficient for measuring effects on surface-level or shallowly buried pipelines. Therefore, PGV and Peak Ground Acceleration (PGA) are more commonly used in pipeline studies. PGV represents the highest ground velocity during an earthquake, while PGA represents the highest acceleration. In this context, formulas from various sources were compared and selected for the study. FEMA's HAZUS modeling system, used for analyzing the outcomes of natural disasters such as earthquakes and floods, calculates a Repair Requirement (RR) value that represents repair requirements and is frequently cited in related literature. The initial formula used in HAZUS includes only the PGV value and does not account for pipe or soil characteristics. In the updated HAZUS formula, coefficients are assigned to pipe properties. In the formula developed by Isoyama et al. (2000), these coefficients were refined through case studies and differentiated by pipe material and diameter. The formula also incorporates liquefaction and slope risk factors. Yoo et al. (2013) further developed the formula introduced by Isoyama and colleagues. In this study, Yoo et. al's formula was used in the analysis. During the data collection process, TESKİ was contacted and provided NetCAD-format data identifying areas at risk due to steep slopes or liquefaction. Attribute data on main transmission lines were also obtained in shapefile format. The PGA data used were obtained from the Marmaraereğlisi ground velocity measurement station managed by Turkish Disaster and Emergency Management Presidency (AFAD) and represent values recorded during the 1999 Gölcük earthquake. During data preparation, the PGA value was first converted to PGV using the formula developed by Atkinson and Boore in 2006. Next, NetCAD-format data of high-risk areas were processed using AutoCAD and QGIS, converted into shapefile format, georeferenced, and used as base layers in the study. The pipeline data overlapping with this base layer were masked using QGIS, and with the help of Python—utilizing libraries such as Pandas, NumPy, and GeoPandas—relevant coefficients were added to the attribute table. The selected formulas were then run for each pipeline entry. This enabled the efficient processing of large datasets and rapid generation of map outputs. The resulting pipeline risk map, the total repair requirement per kilometer, and the Serviceability Index (%) were shared within the study. The analysis yielded an RR/km value of 0.037, which corresponds to a Serviceability Index of approximately 85%, as developed by NIBS. This indicates that about 85% of the pipelines used in the study area would remain operational in a potential earthquake scenario. In conclusion, although this study was conducted specifically for Marmaraereğlisi, it presents a generalizable methodology for evaluating infrastructure systems. The findings provide guidance for both infrastructure providers such as TESKİ and local governments in developing risk-reduction strategies before disasters occur. In the future, it is recommended that the analytical methods developed in this study be applied to other infrastructure types such as sewer systems, natural gas lines, and electrical transmission networks. This would enable the creation of a comprehensive urban disaster resilience map. Damage to water transmission lines after an earthquake increases cities' vulnerability to emergencies and poses a threat to public health. The analysis conducted specifically for Marmaraereğlisi revealed that certain pipeline segments are at high risk under an earthquake scenario. At this point, nearby districts with similar conditions should be identified, and their practices can serve as models to propose systematic approaches that can be implemented in smaller settlements like Marmaraereğlisi. One of the largest operational cost items for water administrations is maintenance. Efficient management of this cost is critical not only for economic sustainability but also for maintaining infrastructure functionality during crises. For this purpose, identifying the need for maintenance, deciding on the intervention method (renewal or replacement), and selecting the appropriate technique should be handled within a systematic decision-tree model. Another suggested approach is the integration of GIS, Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA), and modeling software (e.g., EPANET). This study was conducted using digitized transmission line and soil data. Expanding this data coverage to all networks and regions will enhance the scope of future action plans and contribute to reducing water losses and response times.
Benzer Tezler
- Kentsel dereler ve peyzaj onarımı: İstanbul Büyükçekmece örneği
Urban streams and landscape restoration: The case of İstanbul Büyükçekmece
ESRA TEKELİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Peyzaj Mimarlığıİstanbul Teknik ÜniversitesiPeyzaj Mimarlığı Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. FATMA AYÇİM TÜRER BAŞKAYA
PROF. DR. GÖKSEL DEMİR
- Doğal afet kaynaklı yıkıntı atıklarının depolanmasında uygun alanların belirlenmesi: İstanbul örneği
Determination of suitable areas for the disposal of debris waste caused by natural disasters: The case of Istanbul
TÜRKÜ ALTIOK ERBAY
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiBilişim Uygulamaları Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AHMET ÖZGÜR DOĞRU
- Sensitivity analysis for the optimum shelter location model
En uygun barınma alanlarının modeli için duyarlılık analizi
SEYEDALİ HOSSEINI MILANI
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGeomatik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HİMMET KARAMAN
- Baraj yıkılmaları nedeniyle oluşacak su baskınlarının izlenmesi ve CBS yardımıyla analizi
Monitoring and analysis of floods caused by dam breaks by means of GIS
ÖZGÜR BAYRAKTAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2004
Jeodezi ve Fotogrametriİstanbul Teknik ÜniversitesiJeodezi ve Fotogrametri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. DURSUN ZAFER ŞEKER
- Dolgu barajların stabilite analizleri ve bir uygulama
Stability analyses for embankment dams and a case study
HAKAN KILIÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
İnşaat MühendisliğiEskişehir Osmangazi Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HASAN TOSUN