İstanbul'daki su isale hatlarının deprem risk analizi
Earthquake risk analysis of water transmission lines in İstanbul
- Tez No: 953714
- Danışmanlar: PROF. DR. HİMMET KARAMAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Jeodezi ve Fotogrametri, Geodesy and Photogrammetry
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Geomatik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Geomatik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 99
Özet
İstanbul, tarihsel, demografik ve jeolojik özellikleri açısından Türkiye'nin ve dünyanın en riskli metropollerinden biridir. Kuzey Anadolu Fay Hattı'nın kuzey segmentine yakın konumu, yüksek nüfus yoğunluğu ve karmaşık kentsel dokusu ile İstanbul, büyük bir deprem karşısında ciddi hasar görme potansiyeline sahiptir. Bu potansiyel zarar yalnızca yapı stoğu ile sınırlı kalmayıp, kritik altyapı sistemlerini de doğrudan tehdit etmektedir. Bu kapsamda, çalışmanın ana odağını oluşturan içmesuyu isale hatları, kentsel yaşamın sürekliliği açısından vazgeçilmez önemde altyapı unsurlarıdır. Bu hatların bir deprem durumunda maruz kalabileceği fiziksel hasarlar, su temininde kesintilere, yangınlara müdahale kapasitesinde düşüşe ve genel halk sağlığının olumsuz etkilenmesine neden olabilecektir. Bu bağlamda bu çalışmada, İstanbul'daki içmesuyu isale hatlarının deprem riski karşısındaki kırılganlığı analiz edilerek, mevcut durumun değerlendirilmesi ve riskli bölgelerin önceliklendirilmesi hedeflenmiştir. Bu kapsamda çalışma, Coğrafi Bilgi Sistemleri (CBS) teknolojisi ile HAZTURK yazılımının entegre kullanımıyla gerçekleştirilmiştir. CBS, isale hatlarının konumsal verilerinin analizine ve görselleştirilmesine olanak tanırken; HAZTURK, senaryo bazlı deprem tehlike ve kayıp analizlerini yürütmeyi mümkün kılmıştır. CBS teknolojisi, isale hatlarının konumsal verilerinin işlenmesine, analiz edilmesine ve görselleştirilmesine olanak tanırken; HAZTURK yazılımı ise farklı senaryolara dayalı deprem tehlike ve kayıp analizlerinin gerçekleştirilmesini mümkün kılmıştır. Özellikle, Türkiye'nin deprem parametrelerine uyarlanmış olan HAZTURK modeli, yerel özelliklerin değerlendirilmesine imkan sağlayarak daha güvenilir sonuçların elde edilmesini sağlamaktadır. Yöntemsel olarak ilk aşamada, İstanbul il sınırları içerisindeki içmesuyu isale hatları CBS ortamına aktarılmış, hatlara ait uzunluk, çap, malzeme türü gibi öznitelik bilgileri düzenlenmiştir. Daha sonra, Marmara bölgesinde tarihsel olarak kaydedilmiş depremler ve yapılan bilimsel çalışmalar temel alınarak en olası senaryo belirlenmiş ve yazılıma tanımlanmıştır. Bu senaryo altında sismik tehlike analizleri gerçekleştirilmiştir. Elde edilen tehlike haritaları üzerinden HAZTURK kullanılarak boru hatlarının kırılganlığı değerlendirilmiş ve risk analizleri yapılmıştır. Bu analizlerde kullanılan ana bileşenler; zemin yapısı, topoğrafik özellikler, yapı malzemesi, boru hattının geometrik özellikleri ve bölgenin deprem tehlike seviyesi olmuştur. Analiz sonuçları, İstanbul'un özellikle sıvılaşma riski yüksek zeminlere sahip bölgelerinde ve fay zonlarına yakın alanlarında bulunan isale hatlarının diğerlerine kıyasla daha yüksek kırılganlık taşıdığını ortaya koymuştur. Zayıf zemin özellikleri, eski tip dökme demir boruların kullanımı ve yüzey dalgalarının yoğun hissedildiği alanlarda, potansiyel hasar düzeyinin önemli oranda arttığı tespit edilmiştir. Özellikle Avrupa yakasında yer alan bazı büyük çaplı isale hatlarının geçmiş depremlerde meydana gelen hasarlara benzer şekilde yüksek risk taşıdığı değerlendirilmiştir. Söz konusu risk, özellikle zayıf zemin yapısına sahip eğimli bölgelerde daha da artmaktadır. Ayrıca boru çapı ve malzeme türü de kırılganlık üzerinde belirleyici rol oynamaktadır. Çalışmada ayrıca gömülü boru hatlarının deprem sonrası karşılaşabileceği tipik hasar türleri detaylandırılmıştır. Eksenel gerilme ve eğilme deformasyonları, toprak kayması ve sıvılaşma kaynaklı yer değiştirmeler, bağlantı noktalarında kırılmalar ve yüzeye çıkmalar gibi hasar türleri örnek saha olaylarıyla açıklanmıştır. Northridge, Loma Prietta, Kobe ve Kocaeli depremleri gibi önemli olaylarda gözlemlenen altyapı hasarları, İstanbul için öngörülen risklerin somut örnekleri olarak değerlendirilmiştir. Bu olaylar, özellikle boru hatlarının geçtiği zayıf zeminlerde ve eğimli bölgelerde hasar oranının belirgin şekilde arttığını göstermektedir. Çalışmanın ileri aşamalarında, sıvılaşma olgusu da analiz sürecine entegre edilmiş ve bu zemin kaynaklı etki altında isale hatlarının risk profili yeniden değerlendirilmiştir. Gevşek yapılı, suya doygun ve alüvyal zeminlerin bulunduğu bölgelerde sıvılaşma etkisiyle kırılganlık düzeylerinde anlamlı artışlar gözlenmiş; bu durum zemin davranışının deprem hasarları üzerinde ne denli belirleyici olduğunu ortaya koymuştur. Bu yönüyle çalışma, mekânsal ve jeoteknik bileşenleri bütüncül bir yaklaşımla değerlendirerek, risk analizinin yalnızca sismik değil, zemin kaynaklı tehlikeleri de içerecek şekilde genişlemesine katkı sunmuştur. Bu tez, literatürde altyapı sistemlerinin sismik risk analizine dair sınırlı sayıdaki çalışmalardan biri olup, bu alandaki bilgi açığına katkıda bulunmayı hedeflemektedir. Çoğu deprem çalışması yapı stoğu üzerine yoğunlaşmışken, bu çalışmada gömülü boru hatlarının riskleri mekânsal tabanlı analizlerle ortaya konmuştur. Özellikle CBS destekli modelleme yaklaşımı, karar vericilere yönelik güçlü ve somut çıktılar sunmakta; afet öncesi risk azaltma politikalarının belirlenmesinde bilimsel bir altyapı sağlamaktadır. Çalışmanın ortaya koyduğu bulgular, hem İstanbul Büyükşehir Belediyesi hem de İSKİ gibi uygulayıcı kurumların altyapı planlamasında göz önünde bulundurması gereken kritik veriler sunmaktadır. Çalışma kapsamında oluşturulan senaryo temelli deprem tehlike haritaları ve bu haritalar üzerinden yürütülen kırılganlık analizleri sonucunda, İstanbul'daki isale hatlarının risk düzeyi mekânsal olarak haritalandırılmıştır. Özellikle Marmara kıyılarına yakın, zayıf zemin yapısına sahip bölgelerde boru hatlarının daha yüksek kırılganlık taşıdığı tespit edilmiştir. Sıvılaşma etkisinin de dahil edildiği ileri analizlerde, gevşek ve suya doygun zeminlerin bulunduğu alanlarda risk seviyelerinde belirgin artış gözlemlenmiş, zemin kaynaklı etkilerin deprem hasarı üzerinde önemli rol oynadığı ortaya konmuştur. Beylikdüzü ilçesinde yapılan örneklem analiz, bu kırılganlık artışını açıkça ortaya koymuş ve sahadaki kurumsal güçlendirme uygulamaları ile uyumlu sonuçlar vermiştir. Elde edilen harita çıktıları, afet öncesi planlamada öncelikli müdahale bölgelerinin belirlenmesine katkı sağlamaktadır. Ayrıca bu çalışma, gelecekte benzer riskleri taşıyan diğer metropollerde de uygulanabilir yöntemsel bir çerçeve sunmaktadır. CBS ve HAZTURK yazılımının entegre kullanımı, hem ulusal hem de uluslararası düzeyde mekânsal afet analizlerinin etkin biçimde gerçekleştirilmesi için örnek teşkil etmektedir. Sonuç olarak, bu tez çalışması İstanbul gibi büyük ve karmaşık bir metropolde, içmesuyu altyapı sistemlerinin deprem riski açısından ne denli kırılgan olduğunu ortaya koyarak, hem bilimsel literatüre hem de uygulamalı afet yönetimi politikalarına katkı sağlamaktadır. Elde edilen bulgular, hem mevcut altyapının rehabilitasyon planlaması hem de yeni altyapı yatırımlarında deprem riskinin mutlaka göz önünde bulundurulması gerektiğini vurgulamaktadır. Bu yönüyle tez, İstanbul'un afetlere dirençli bir kent olma hedefi doğrultusunda somut öneriler sunmakta ve karar vericiler için mekânsal verilere dayanan güvenilir bir yol haritası oluşturmaktadır.
Özet (Çeviri)
Istanbul ranks among the most seismically vulnerable metropolitan cities globally due to its historical, demographic, and geological characteristics. Situated near the northern segment of the North Anatolian Fault Zone (NAFZ), the city faces a high risk of severe earthquake-induced damage. This risk extends beyond the building stock, posing a direct threat to critical infrastructure systems, especially water transmission lines. Disruptions to these lines during an earthquake could lead to severe water supply shortages, diminished firefighting capacity, and widespread public health issues. Accordingly, this study analyzes the seismic vulnerability of Istanbul's water transmission lines and identifies high-risk areas to support disaster preparedness and planning. To achieve this, Geographic Information Systems (GIS) were integrated with HAZTURK, a software tailored to Turkey's seismic parameters. GIS facilitated the processing and visualization of spatial data, while HAZTURK enabled scenario-based seismic hazard and loss assessments. Pipeline attributes such as length, diameter, and material type were compiled and analyzed alongside geological, topographical, and fault proximity data. Based on historical seismicity in the Marmara Region, a likely earthquake scenario was defined. Seismic hazard maps generated under this scenario were used to evaluate pipeline vulnerability by incorporating factors such as ground type, pipe geometry, and seismic intensity. The results indicated elevated vulnerability in areas with high liquefaction potential and near active fault lines, particularly on the European side of the city. Older cast iron pipelines in weak soils and regions exposed to surface wave amplification were found to be especially at risk. Potential damage to these lines could significantly impede emergency response and urban resilience. In the advanced phases of the study, liquefaction effects were incorporated to enhance the accuracy of the vulnerability assessments. Pipelines located in loose, saturated, alluvial soils showed markedly higher fragility scores, underlining the combined risks of seismic shaking and ground failure. This dual-hazard approach provided more realistic risk maps and improved prioritization for infrastructure reinforcement. The study also categorized typical earthquake-induced pipeline failures, including axial stress, bending, joint ruptures, and ground-induced displacements. Past events such as the Northridge, Loma Prieta, Kobe, and Kocaeli earthquakes were examined to illustrate the relevance of these hazards for Istanbul. Factors such as pipe material, diameter, and the presence of flexible joints were found to significantly influence performance, with ductile steel pipes showing better seismic behavior than brittle materials. Beyond its technical outcomes, this thesis contributes to a relatively underexplored area of infrastructure risk research. While many earthquake studies focus on buildings, this work emphasizes buried lifelines through spatial modeling. The findings provide actionable guidance for municipal authorities like ISKI (Istanbul Water and Sewerage Administration) and the Istanbul Metropolitan Municipality, offering data-driven support for resilience planning. Detailed seismic risk maps generated using Peak Ground Velocity (PGV) parameters allowed for district-level vulnerability assessments. Notably, the Beylikdüzü district case study demonstrated a clear increase in risk when liquefaction was considered, consistent with current ISKI efforts to implement seismic-resistant components in high-risk areas. These spatial insights serve as valuable tools for infrastructure investment and prioritization. Additionally, this research promotes the use of GIS and scenario-based tools like HAZTURK in disaster risk modeling. The proposed methodology offers a framework adaptable to other cities facing similar risks, both nationally and internationally. Emphasizing the interconnected nature of urban infrastructure, the study advocates for holistic, cross-sectoral planning to mitigate cascading failures across water, energy, and health systems during major disasters. In conclusion, this thesis underscores the vulnerability of water infrastructure in a major urban center and offers scientific guidance for enhancing earthquake resilience. Its interdisciplinary and scalable approach contributes to broader efforts in sustainable urban risk reduction in the face of increasing seismic and climate-related challenges. Istanbul is one of the most seismically vulnerable metropolitan cities in both Turkey and the world due to its historical, demographic, and geological characteristics. The city lies in close proximity to the northern segment of the NAFZ, and with its high population density and complex urban fabric, it faces the risk of severe damage in the event of a major earthquake. The potential damage is not limited to the building stock but also directly threatens critical infrastructure systems. Among these, water transmission lines are of paramount importance for the continuity of urban life. Physical damage to these lines during an earthquake may lead to severe water supply interruptions, reduced capacity for firefighting, and adverse impacts on public health. Therefore, this study focuses on analyzing the seismic vulnerability of Istanbul's water transmission lines, assessing the current conditions, and identifying high-risk zones for prioritization in disaster preparedness planning. The primary objective of the study is to spatially analyze the earthquake-related risks to Istanbul's water transmission lines and to provide a scientific basis for pre-disaster planning by identifying areas of high vulnerability. To achieve this, GIS technology was integrated with the HAZTURK software. GIS enables the processing, analysis, and visualization of the spatial data associated with the pipelines, while HAZTURK facilitates scenario-based seismic hazard and loss analyses. As software adapted to Turkey's seismic parameters, HAZTURK provides more reliable results by taking into account local characteristics. Methodologically, the study began by transferring the pipeline data within the boundaries of Istanbul Province into the GIS environment. Attribute data such as pipeline length, diameter, and material type were organized and enriched with additional spatial information, including topography, geological structure, and proximity to fault lines. This helped contextualize the physical parameters of the pipelines within the broader geospatial landscape of the city. Subsequently, the most probable earthquake scenario was defined based on historical seismic events in the Marmara Region and relevant scientific studies. Under this scenario, seismic hazard analyses were conducted using ground motion prediction equations and attenuation models suitable for the region. Using the resulting hazard maps, HAZTURK was employed to evaluate the vulnerability of the pipelines and perform risk assessments. The main components used in these analyses included soil characteristics, topographic features, pipe materials, pipeline geometry, and the region's seismic hazard level. The results revealed that water transmission lines located in areas with high liquefaction potential and those near fault zones exhibit significantly higher vulnerability. Weak soil conditions, the use of older cast iron pipes, and the intense effect of surface waves contribute to elevated damage potential. Particularly on the European side of Istanbul, several large-diameter pipelines were found to be at high risk, mirroring damage patterns observed in previous earthquakes. Failure of these lines during a seismic event could lead to prolonged water outages and severely hinder firefighting capabilities. Such secondary disasters may significantly disrupt emergency response and add stress to already vulnerable urban populations. In the advanced stages of the study, liquefaction effects were incorporated into the risk analysis to account for ground-induced hazards. Transmission lines located in loose, water-saturated, and alluvial soil zones exhibited higher vulnerability scores under liquefaction scenarios. The resulting risk maps provided a more realistic vulnerability profile, emphasizing the dual threat posed by seismic shaking and soil instability. This comprehensive approach strengthened the spatial risk assessment by incorporating geotechnical factors alongside seismic hazard metrics. The study also examined typical damage mechanisms affecting underground pipelines during earthquakes. These include axial stress, bending deformation, ground displacement from landslides and liquefaction, joint failures, and uplift—each illustrated through real-world case studies. Infrastructure damage observed during major seismic events such as the Northridge, Loma Prieta, Kobe, and Kocaeli earthquakes provided tangible examples of the risks anticipated for Istanbul. These events demonstrated that damage rates escalate in areas with poor soil conditions and steep slopes. Furthermore, pipe diameter and material type are critical determinants of vulnerability; ductile steel pipes generally outperform cast iron pipes. The presence or absence of flexible joints also significantly affects the seismic performance of buried pipeline networks. This thesis is one of the few studies in the literature addressing the seismic vulnerability of infrastructure systems. While most earthquake research emphasizes building stock, this study brings attention to the risks faced by buried pipeline systems using spatial-based analyses. The GIS-based modeling approach delivers actionable insights for decision-makers and provides a scientific basis for formulating risk mitigation policies. The study's findings offer critical data for infrastructure planning by institutions such as the Istanbul Metropolitan Municipality and ISKI. Beyond the general findings, the study produced scenario-based seismic risk maps using PGV parameters, allowing for the spatial evaluation of vulnerability across the city's transmission network. Areas near the Marmara coastline, especially those with weak soil conditions, displayed markedly higher seismic risk. Incorporating liquefaction into the analysis revealed a substantial increase in vulnerability in zones with loose, water-saturated, and alluvial soils. These refined maps provided a comprehensive fragility profile. A case study in the Beylikdüzü district confirmed that liquefaction-prone areas demonstrated heightened predicted damage levels. These spatially explicit findings are consistent with recent ISKI field interventions, such as the installation of seismic-resistant pipeline components in high-risk districts. The risk maps and analysis outcomes presented in this thesis offer valuable tools for prioritizing infrastructure resilience in vulnerable urban regions. In practical terms, this research demonstrates how spatial technologies can be effectively used in disaster risk modeling. The integration of GIS and HAZTURK shows how modern spatial tools enable scenario-based assessments that are both theoretically robust and operationally relevant. The methodology allows for modeling various hazard intensities and their interactions with vulnerability indicators, resulting in a more nuanced understanding of risk. Future research can build on these advances by incorporating real-time data, AI-based predictive models, and simulations of dynamic infrastructure performance. The methodology developed in this study can also be adapted to other metropolitan areas facing similar risks. The integrated use of GIS and HAZTURK offers a scalable model for spatial disaster analysis at national and international levels. By customizing these tools to local conditions, more accurate and region-specific risk assessments can be achieved. This adaptability enhances the broader applicability of the study to urban infrastructure resilience planning in seismic zones. Another key aspect of this study is its emphasis on the interdependence of urban infrastructure systems. Damage to a single component, such as a water transmission line, can trigger cascading effects across other services like energy supply, sanitation, and healthcare. Thus, the study addresses not only direct physical damage but also systemic vulnerabilities that may emerge during a major earthquake. Urban planning efforts must adopt a holistic approach to resilience, accounting for these interdependencies in both preparedness and response strategies. Finally, this study underscores the importance of interdisciplinary collaboration in disaster risk reduction. Engineers, urban planners, geographers, emergency managers, and data scientists must work together to convert technical risk assessments into actionable policies. Only through integrated efforts can cities like Istanbul develop the capacity to withstand, adapt to, and recover from the complex impacts of major seismic events. In conclusion, this thesis reveals the considerable seismic vulnerability of water infrastructure systems in a densely populated and complex city like Istanbul. It contributes to both academic literature and practical disaster management. The findings emphasize the necessity of incorporating seismic risk considerations in both the rehabilitation of existing infrastructure and the planning of new investments. Ultimately, the study offers concrete recommendations for enhancing Istanbul's urban resilience and provides a scientifically grounded roadmap for decision-makers committed to risk reduction and sustainable urban development.
Benzer Tezler
- İsale hatlarında deprem riski: yöntem geliştirme ve istanbul için bir uygulama
Seismic risk of water mains : method development and application to istanbul
GÖKHAN ÇALIM
Doktora
Türkçe
2019
Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FATMA GÜLTEN GÜLAY
YRD. DOÇ. DR. İHSAN ENGİN BAL
- Tarihi yüzer köprü için bakım onarım metodu ve maliyet değerlendirmesi
Maintenance and repair method and cost assessment for historical floating bridge
CİHAT KOÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ZÜBEYDE ÖZTÜRK
- Tarihi Atik Valide su yolunun hidrolojik ve hidrojeolojik açıdan incelenmesi
Hydrologic and hydrogeological analysis of Historic Atik Valide water way
YENER KAYA
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
İnşaat MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AHMET DOĞAN
- Türk inşaat sektöründe ihale sürecine yönelik risk yönetimi kapsamında alan çalışması
A case study of Turkish construction firms-risk analysis and their behaviour risk management
PELİN KARAÇAR
- Çeviri dersinde yapılaşma (uygulama sorunları-yöntem önerileri)
Strukturierung im übersetzungsunterricht (probleme der praxis-vorschlage zur methodik)
A. TURGAY KURULTAY
Doktora
Türkçe
1989
Eğitim ve Öğretimİstanbul ÜniversitesiAlman Dili ve Edebiyatı Bilim Dalı
PROF.DR. ŞARA SAYIN