FBE- Hidrolik ve Su Kaynakları Mühendisliği Lisansüstü Programı - Doktora

Bu koleksiyon için kalıcı URI

http://hdl.handle.net/11527/50

Gözat

Yazar "Altunkaynak, Abdüsselam" ile FBE- Hidrolik ve Su Kaynakları Mühendisliği Lisansüstü Programı - Doktora'a göz atma
  • Öge
    Developing of a groundwater flow model for the area between Terkos lake and Canal Istanbul using GIS, remote sensing and numeric groundwater modelling
    ( 2020) Khansaa Abdulelah Ahmed, Ahmed ; Altunkaynak, Abdüsselam ; 637742 ; Hidrolik ve Su Kaynakları Mühendisliği Bilim Dalı
    Artificial canals are man-made waterways constructed for many purposes such as navigation, water diversion, irrigation and water power generation. Republic of Turkey has planned to construct a 43150 meters (m) long, 145-150 m wide and 25 m deep massive navigational canal to connect the Black Sea to Marmara Sea in the European part of Istanbul. The canal is planned to be completedon the centenary of Turkey Republic, 2023. Canal Istanbul is a part of a series of mega projects including the new Istanbul airport and many additional bridges and large-scale infrastructure renewal. Expected cost of these projects are estimated to be $10 billion. This project is claimed to be a unique multi purposes projectwhich is beneficial for transportation, urbanization, energy supplying and constituting recreational areas. The project will serve marine navigation in order to reduce the pressure of the traffic in the Bosporu, 42,553 vessels in a year, the canal is designed to have capacity for 160 vessels a day, a total of 58,000 vessels a year. One other aim of materializing this canal is to reduce the accidents in Bosphorous strait with the newly built canal, maritime accidents in Bosphorus strait are expected to be decreased. Experts highlighted that the construction of the newly proposed canal may have adverse effects on the nearby fresh water resources in terms of enhancing seepage and saltwater intrusion. The excavation will increase the seepage amount towards the canal and may leadto the destruction of an important fresh water source for Istanbul city (TERKOS Lake) and the aquifer that connects the canal to the lake, which is at a distance of 1-1000-1200 m away from the Canal. This study quantifies the long term seepage interaction, seepage losses and the expected saltwater intrusion between Terkos Lake and Canal Istanbul. The study focused on the numerical modelling of groundwater flow in the aquifer system that links Canal istanbul with Terkos lake, which is considered as one of the most essentional fresh water resources of the city. Remote sensing data and GIS geodatabase are integrated in a groundwater flow modeling (MODFLOW) environment using GMS Groundwater Modeling System 10.3.6 graphical user interface to develop a long term groundwater flow model in order to simulate seepage flow in the aquifer system near Terkos Lake. The simulation is implemented for the present situation, during excavation and after a long time of Canal Istanbul operation to assess the possible saltwater intrusion in the aquifer system. A geodatabase is built using ARC GIS 10.2 for the purposes of preparing data for the developing model. Conceptual model, elevation data, boundary conditions, surface water bodies and other thematic maps were delineated by the Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) Digital Elevetion Model (DEM) and satellite Images. Aquifer properties are assigned based on the analysis of boreholes' data. Model is calibrated via an average hydraulic head observation for 27 pre-drilled boreholes in the study area, trail and error process is performed using automated parameter estimation (PEST) in GMS to calibrate the model until the root mean square error reaches 0.97 in order to obtain the hydraulic conductivity and recharge rate values of the aquifer system. In order to stand on the groundwater aquifer system in the area before Canal construction and calculate the current seepage amount from the lake, water budget approach is implemented. In order to estimate the ground-water exchange for the present time (before canal excavation), water budget approach computes net groundwater flow (groundwater inflow minus outflow) as the residual of the monthly water budget equation. Water budget approach is computed monthly for the study period, January 2000 through September 2015. Simplified analytical solution for seepage quantity is also developed for both during excavation and the canal is fully operational.Analytical solutions showed that the seepage amount totally depends on the piezometric head between the lake and canal. Groundwater seepage flowrate also quantified numerically, using Finite Differences Analysis (FDA) method by MODFLOW. Steady state conceptual model is developed for two scenarios; Empty canal and full operational canal. Results of this study show that the numerical model values are more accurate than those of the analytical model in terms of the quantity of seepage flow.It is not surprising since analytical solutions involve serious assumption and therefore, results either overestimated or underestimated values in quantifying groundwater seepage flow. During the canal full operation, saltwater intrusion in the aquifer system is going to take a place due to inevitable intrusion of the saltwater way in a freshwater aquifer system. In order to assess the aquifer condition, analytical solutions of Ghyben-Herzberg and Glover analysis are appliedand concluded that the saltwater intrusion will cause a series problem in the aquifer system when the water level in the lake reduced to the mean sea level. Numerically; SEAWAT model is conducted in this study in order to monitor the dynamics of the intrusion of saline water into groundwater aquifer. Long term spatial variation of groundwater salinity concentration evaluated is in terms of seawater level rise and canal effect. 2D grid model is developed for the most critical section that connects the Canal to the Lake, 3D conceptual numerical model is further developed based on Finite Difference Analysis, the model quantified the affected area by seawater under multi-scenarios of water head differences of the lake and sea-level rise. Results show that the saltwater intrusion will indeed take place in the aquifer system and it is highly sensitive to the sea-level rise and lake water level because there are no pumping wells in the construction area, decrease the lake level 1.0 m. The analytical solution in Ghyben-Herzberg indicates that the saltwater intrusion extend from canal side towards the lake does not match with that obtained via Glover analysis and numerical SEAWAT sloution. The length of intrusion in the aquifer is largely depends on the freshwater levels in the aquifer and the water level in the lake in addition to the sea level rise. If water levels increase in the freshwater part of the aquifer or source, the saltwater wedge can move towerds sea; however, if freshwater levels decrease, the saltwater wedge may move inland and cause a potential threat to aquifer. Movement of the saltwater wedge is not instantaneous; months, years, or even decades may be required before the saltwater wedge reaches equilibrium with the surrounding water levels.From the different scenarios, it is found that the Terkos Lake levels decreaseand for instance when the Terkos Lake level is approximately 0.5 ma significant displacement of the salt water interface would occur with a maximum extent of 1000 m. This means that the saltwater will almost reach Terkos lake. Hence, operation of Terkos lake should not allow the lake level to descend such low levels. The results of this study suggests constructing a subsurface physical barrier (subsurface dam) near the canal to control the seepage flow rate from the lake towards the canal and prevent saltwater intrusion. Even though the construction installment and operation of the subsurface physical barriers may be costly the effectiveness it provides in preventing the intrusion may protect the one of the most important fresh in the city of Istanbıl water resources. Construction of the canal Istanbul near Terkos Lake could encourage the seepage from the lake towards the canal because of the head difference that will be created during excavation and after implementation. Regardless of the seepage amount from the lake to Terkos, diffusion of saltwater through the area may cause a seawater intrusion problems. Contamination of the aquifer and possibility of loosing the lake is the finding of this study. The saltwater wedge location obtained from the numerical solution is presented for the steady state conditions with different lake levels. According to the model results, it is found that the Terkos Lake water levels decrease, a significant movement of the saltwater wedge would occur with a maximum extent of 1000 m, for example,when the level is approximately 0.5 m which means that the saltwater will almost reach Terkos Lake bottom. Hence, operation of Terkos reservoir does not allow this condition especially in the dry seasons when the recharge rate minimum values. Solutions have to be considered in this project before starting excavation, since the Lake is considered an essential water source of domestic use for a large densly populated area in Istanbul. Fully and partially penetrating subsurface physical barriers is modeled in the aquifer using the Horizontal Flow Barrier (HFB) Package in GMS and results revealed an effective improvement in term of controling the intrusion length in the aquifer system is achieved even when the lake level was minimum. The study concluded that even the canal has a minor effect on the aquifer system in terms of seepage from Terkos Lake, while canal has a significant influence with respect tosaltwater intrusion to aquifer and. Inappropriate management of the Terkos reservoir may lead to its destruction as a source for freshwater much earlier than other aquifers which have no access to the sea.
  • Öge
    Kıyı Üzerinde Dalga Enerjisi Dönüşüm Sisteminin Tasarımı Ve Optimize Edilmesi
    (Fen Bilimleri Enstitüsü, 2017-01-19) Mahnamfar, Farrokh ; Altunkaynak, Abdüsselam ; 10135837 ; Hidrolik ve Su Kaynakları Mühendisliği ; Hydraulics and Water Resources Engineering
    Enerji gün geçtikçe hayatımızda önemli bir rol oynamaktadır ve yaşadığımız bu çağda, enerji hayatın çok önemli bir unsurudur. Günümüzde sanayileşme ve refah seviyesi arttıkça, enerji talebi de artmaktadır. Enerji kaynakları yenilenemeyen ve yenilenebilen kaynaklar olarak iki gruba ayrılmaktadır. Enerji kaynaklarının önemli bir kısmı Kömür, petrol ve doğalgaz gibi yakıtlar oluşturmaktadır ve bu tür kaynaklar yenilenmeyen kaynaklar gurubunda yer alır. Yenilenebilen enerji kaynakları ise güneş, rüzgâr, dalga, biokütle, jeotermal, hidrolik ve hidrojen enerjilerinden oluşmaktadır ve kendi kendilerini yenileyebilen kaynaklardır. Yenilenebilir enerjiye ihtiyaç duymanın sebeplerinden, fosil yakıtlarının hızlı şekilde tükenmesi, fosil yakıtların kullanılmasından dolayı dünya ortalama sıcaklığın artması ve ayrıca fosil yakıtlarının kullanımından meydana gelen zararlı gazların artması söylenebilir. Yenilenebilir enerji formları birbirleriyle karşılaştırıldığı zaman; dalga enerjisi m2’de güneş enerjisinden yaklaşık 10, rüzgâr enerjisinden ise yaklaşık 5 kat daha yoğundur. Bu oranlar göz önüne alındığında dalga enerjisi formunda yapılacak en ufak bir verimlilik artışı diğer yenilenebilir enerji formlarından 5-10 kat misliyle enerji artışına neden olacaktır. Dalgalar güçlü ve doğal bir enerji kaynağıdır. Dünyada birçok araştırmacı tarafından deniz dalga enerjisinin elektrik enerjisine dönüştürülmesi araştırılmıştır ve birçok dalga enerjisi dönüştürücüleri tasarlanmıştır. Dalga enerjisi dönüşüm sistemleri 3 guruba ayrılmaktadır. Bunlar kıyı boyunca, kıyıya yakın ve kıyıdan uzak. Kıyı şeridi uygulamalarında, enerji dönüşüm sistemleri kıyıda inşa edilir ve gömülü şekilde olmaktadır. Diğer uygulamalarla karşılaştırıldığı zaman bakım ve inşası daha kolaydır. Örnek olarak Salınımlı Su Sütunu (SSS) sistemleri, daralan kanal sistemleri ve pendular sistemleri söylenebilir. Kıyıya yakın sistemler, SSS sistemlerine değişik tasarımları olarak tanınmaktadır. Bu tür sistemlerden örnek olarak OSPREY, WOSP ve Oceanlinx sistemleri söylenebilir. Kıyıdan uzak sistemler, yüksek dalga rejimleri ve kıyıdan uzak bir yerde kullanılmaktadır (40 m den derin sularda). OPT dalga enerji dönüştürücüsü,  Pelamis,  Archimades Dalga Salınımı,  Floating Wave Power, Vessel, Wave Dragon ve Point Absorber Wave Energy Converter sistemi, bu sistemlerden birkaç örneğidir. Bu çalışmada, SSS sistemi incelenmiştir. Bu sistemler, su seviyesinin altında bulunan denize açılan beton veya çelik,  çukur olarak inşa edilmektedir. Bu sistemler bir su sütunu ve onun üzerinde bir de hava sütunu bulunmaktadır. Dalgaların salınımından dolayı, sisteminin içindeki sıkışan hava türbine doğru hareket ederek türbinin dönmesine ve dolaysıyla türbine kazandırılan mekanik enerji elektrik enerjisine dönüşür.   Bu tezde, 4 farklı model tasarlanmıştır, her biri için fiziksel deneyler ve nümerik modellemeler geliştirilmiştir. Söz konusu modeller FLOW-3D yazılımıyla simüle edilerek çıkış hava hızları elde edilmiştir. Nümerik olarak optimize edilen modellerin laboratuvar ortamın da fiziksel modelleri gerçekleştirilmiştir. Bu deneyler İTÜ hidrolik laboratuvarında yapılmıştır.  Fiziksel modeller bir piston tipi dalga üretici kanalda deneyleri gerçekleştirilmiştir ve dalga karakteristiklerinin, su derinliklerinin ve kıyı yapılarının geometrisinin etkisi araştırılmıştır. Enerji verimi açısından deney sonuçlarına bakıldığında, SSS sistemin geometrisi ve ön açıklığı ve dalga türünün önemli olduğu görülmüştür. Üretilen dalga enerjisi ile dalga dönüşüm sisteminden ölçülen hava akımının enerjileri hesaplanarak karşılaştırılmıştır ve optimize edilen dört farklı dalga enerjisi dönüşüm sisteminin verimlilikleri birbirleriyle karşılaştırılmıştır.  Çalışma sonuçlarına göre, birinci ve üçüncü yapının hava hacmi oranı sabit tutulduğunda, eğimli yapıda verimin daha yüksek olduğu gözlenmiştir. Böylece, yapının geometrisinin ve ön plakasının eğimi enerji verimi üzerinde önemli etkisi olduğu görülmüştür. Birinci, dördüncü yapıların sonuçları karşılaştırıldığında, dördüncü yapının verimi birinci yapıdan yüksek olduğu görülüştür.   Bu çalışma sonucunda daha önce de belirtildiği gibi, en yüksek verim çok hücreli yapıda elde edilmiştir. Sonuçlara göre tüm yapılarda, yapının en yüksek verimi yaklaşık (y≈e+H/2) su derinliğinde elde edilmiştir. Böylece tüm yapılarda, açıklık yüksekliği (y-H/2) değerine eşitlenerek sonuçlar teyit edilmiştir.