LEE- Hidrolik ve Su Kaynakları Mühendisliği Lisansüstü Programı
Bu topluluk için Kalıcı Uri
Gözat
Çıkarma tarihi ile LEE- Hidrolik ve Su Kaynakları Mühendisliği Lisansüstü Programı'a göz atma
Sayfa başına sonuç
Sıralama Seçenekleri
-
Ögeİstanbul Boğazı su seviyesi salınımlarına Tuna Nehri etkisinin belirlenmesi(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2021) Karsavran, Yavuz ; Erdik, Tarkan ; 695276 ; Hidrolik ve Su Kaynakları MühendisliğiBu çalışmada İstanbul Boğazı su seviyesi salınımları Tuna Nehri etkisi göz önünde bulundurularak araştırılmış ve ilave olarak İstanbul Boğazı'nın Çanakkale Boğazı'na gecikme zamanı ortaya çıkarılmıştır. İstanbul Boğazı, Karadeniz'in açık denizlere tek bağlantı noktası olması sebebiyle önemli bir su kütlesinin etkileşim noktası olmaktadır. Öyle ki, az tuzlu Karadeniz suları üst akım ile Marmara Denizi'ne taşınırken, daha tuzlu Marmara suları alt akım ile Karadeniz'e taşınmaktadır. Bu karışık durum içerisine lokal yağışlar, rüzgar (fırtına) ve atmosfer basıncı gibi yerel etkenler de eklenince İstanbul Boğazı su seviyesi bileşenlerinin tespit edilmesi ve su seviyesinin öngörülebilmesi oldukça zorlaşmaktadır. Boğaz'daki yalı vb. yerleşim alanları, su kirliliği, çevresel faktörler ve yoğun gemi trafiği nedeniyle su seviyesinin öngörülebilirliği önem arz etmektedir. Bunun yanında Boğaz'da sürekli su seviyesi ölçümü için istasyon kurulması ve gözlem yapılması pahalı olduğundan, su seviyesi bileşenlerinin tespit edilmesi ve mümkünse etki derecelerinin belirlenmesi gelecek vizyonu açısından önem arz etmektedir. Çalışmanın birinci aşamasında Karadeniz'e dökülen toplam tatlısu miktarının % 50'sine sahip Tuna Nehri'nin İstanbul Boğazı'na gecikme zamanı (ulaşım süresi) araştırılmıştır. Bu amaçla Tuna Nehri akımının, İstanbul Boğazı'nın Karadeniz girişindeki su seviyesi, sıcaklığı ve tuzluluk değerlerinin Fourier güç spektraları oluşturulmuştur. Güç spektraları üzerinden Tuna Nehri akım parametresi ile İstanbul Boğazı parametrelerinin etkileşimi araştırılmıştır. Burada Tuna Nehri debi ve İstanbul Boğazı parametreleri güç salınımlarının benzer eğilimlerde olduğu gözlemlenmiştir. Bunun yanında aynı parametreler için zaman serileri çizilmiş ve anlık eşleşmelerle iki ayrı zaman için Tuna Nehri'nin İstanbul Boğazı'na gecikme zamanları 67 ve 74 gün olarak hesaplanmıştır. Zaman serilerindeki eşleşmelerin Tuna Nehri kaynaklı olduğunun gösterilmesi açısından, aynı dönem için İstanbul Boğazı atmosfer basıncı, rüzgar ve yağış zaman serileri çizilmiş ve parametrelerdeki değişikliğin yerel meteorolojik nedenlerle gerçekleşmediği gösterilmiştir. Bu kısımda hesaplanan gecikme zamanları sonraki bölümde İstanbul Boğazı su seviyesi modellemelerinde Tuna Nehri verilerinin girdi olarak kullanılması için gereklidir. İkinci aşamada İstanbul Boğazı su seviyesini tahmin edebilen yapay zeka metodları geliştirilmiştir. Bu bağlamda yapay sinir ağları (YSA) ve destek vektör makineleri (DVM) modelleri geliştirilmiş ve başarı performansları karşılaştırılmıştır. Öncelikle mevcut verilerin regresyon tabanlı pareto grafiği ile Boğaz su seviyesine etki düzeyleri belirlenmiştir. Belirlenen etki düzeyleri esas alınarak toplam 11 adet girdi seti oluşturulmuş ve bu girdi setleri tüm YSA ve DVM modellerinde kullanılmıştır. Verilerin %70'i eğitim, %30'u ise test olarak kullanılmıştır. Model performansları korelasyon katsayısı (R) ve ortalama hata kareleri kökü (OHKK) ile değerlendirilmiştir. Sonuçlar Boğaz su seviyesi tahmininde YSA yönteminin DVM yönteminden daha başarılı olduğunu göstermiştir. Daha sonra en başarılı sonucu veren girdi setine Tuna Nehri debi parametreleri eklendiğinde ve YSA model tekrar uygulandığında R değeri kayda değer miktarda artmış ve OHKK değeri azalmıştır. Üçüncü aşamada İstanbul Boğazı ve Çanakkale Boğazı üst akım debi değerleri sürekli dalgacık dönüşümü (SDD) ile alt bileşenlerine ayrılmış ve sonrasında iki akım arasında çapraz dalgacık dönüşümü (ÇDD) uygulandığında 2-128 saatlik veriler arasında kuvvetli bir etkileşim olduğu gözlemlenmiştir. Buradan İstanbul Boğazı üst akımının Çanakkale Boğazı'na gecikme zamanının yaklaşık 5 gün olduğu anlaşılmıştır. Dördüncü aşamada İstanbul Boğazı üst akım debi değerleri kullanılarak dalgacık-yapay sinir ağları (D-YSA) modeli ile Çanakkale Boğazı üst akımı gelecek 3 güne kadar tahmin edilebilmiştir. Bu aşamada öncelikle girdi parametresi sayısı hassasiyeti belirlenmiş ve verilerin %70'i eğitim, %30'u test olarak kullanılmıştır. Model performansları determinasyon katsayısı (R2) ve ortalama hata kareleri kökü (OHKK) ile ölçülmüştür. Sonuçlardan anlaşılmaktadır ki; dalgacık dönüşümü ile veri işlenmesi adımı YSA model ile tahmin başarısını önemli ölçüde artırmaktadır. Bu kısımda yapılan araştırma sonuçları İstanbul ve Çanakkale Boğazları arasındaki dinamik etkileşimin ortaya çıkarılması açısından önem arz etmektedir.
-
ÖgeDisaggregation of future climate projection data to generate future rainfall intensity-duration-frequency curves to assess climate change impacts(Graduate School, 2021-04-03) Tayşi, Hüsamettin ; Özger, Mehmet ; 501171524 ; Hydraulics and Water Resources Engineering ; Hidrolik ve Su Kaynakları MühendisliğiA heavy increase in urbanization, industrialization, and population is causing an increase in emissions of greenhouse gases (GHG). Increment in GHG emissions causes variations in the atmosphere and in climate conditions. Climate change is one of the most serious reasons for extreme climate events such as high global temperature, extremely heavy rainfall events, and high evapotranspiration. According to many studies, climate change impacts will intensify in the future. As a result of this, heavy rainfall events tend to enhance. In our case extreme rainfall events, which are responsible for flooding events, were considered. Since flooding is influencing urban areas acutely, controlling and management of flooding is a major necessity for cities. Intensity-Duration-Frequency (IDF) curves play a huge role in representing rainfall characteristics by linking the intensity, duration, and frequency of rainfall. These curves give the expected rainfall intensity in duration (5, 10, 15, 30 min.; 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 12, 18, and 24 hours) and in a return period (2, 10, 25, 50 and 100 years). Hence, IDF curves are used in many water-related applications such as water management, designing of infrastructure, drainage, culverts, gutters, and also flood forecasting. However, current IDF curves are generated based on historical rainfall events. These IDF curves are considered stationary since they only consider historical events. The increase in GHG leads to variations in climate, especially in rainfall behaviors. Thus, IDF curves must catch the changes in rainfall intensities, in other words, they must be non-stationary and time-varying based. This study updates IDF curves to assess future climate conditions. For the study, six meteorological stations from Istanbul (Florya, Goztepe, Sariyer, Sile, Omerli and Canta) were selected as study areas. As a consequence, cities will be prepared for upcoming extreme events, hence possible damages will be decreased. A Global Climate Model (GCM) HadGEM2-ES generated under RCP4.5 and RCP8.5 scenarios were used in the study to represent future rainfall in daily form. 1-min and hourly rainfall data were provided by the Turkish State Meteorological Service (TSMS). HYETOS disaggregation model was applied to both historical and future rainfall data to obtain sub-hourly data (also hourly for future rainfall). Since GCMs are not suitable to use directly due to biases, the distribution mapping method was selected as a bias-correction method. The Gumbel model was applied to annual maximum rainfall to generate IDF curves. Finally, historical and future IDF curves, IDF curves generated under RCP4.5 and RCP8.5, and also IDF curves generated using disaggregated historical data and observed IDF curves provided by TSMS were compared. The study concluded that rainfall intensities increase under RCP4.5 and RCP8.5 scenarios compared to historical IDF curves. Besides, RCP8.5 has higher rainfall intensities when compared to rainfall intensities of RCP4.5.
-
ÖgeExperimental study on interaction of unsteady flow with bridge piers with different cross sections(Graduate School, 2021-09-16) Gargari, Mehrnoush Kohandel ; Kırca Özgür, Veysel Şadan ; 501152502 ; Hydraulics and Water Resources EngineeringThe problem of interaction between a vertical cylindrical structure (such as a bridge pier or pile) and a gradually varying unsteady flow is addressed in this study. In practice not only circular cylinders, but also various hydraulically streamlined cross-sections are used in bridge piers. The flow structure around these obstacles are significantly altered which leads changes in bed shear stress and amount/geometry of scour that takes place around the bridge pier. In this thesis, the flow-pile interactions under the unsteady flow are investigated, and as such, the similarities and differences in comparison to the case of steady flow are determined. The spatial variations of Reynolds averaged velocity and turbulence characteristics around the cylindrical structures are determined as a useful tool to help us understand how the flow patterns in the wake of the cylinders reacts with change in the cross-sections both in unsteady and steady flows. Although many studies in the literature have dealt with the flow around similar structures, most of these studies are limited to circular cross-sections. Furthermore, due to the complex nature of unsteady flows, there is a gap in the literature regarding studying the effects of local and convective acceleration in the case of gradually-varied unsteady flows. The current experimental study will concentrate on the flow alterations in the wake of cylindrical structures with different cross-sections in the presence of unsteady flow (i.e. during the passage of a hydrograph) in help to fulfil the aforementioned knowledge gap in the literature. Therefore, in this thesis, an experimental study was conducted comprising rigid bed experiments in a 30m long and 1m wide recirculating flume equipped with a variable discharge pump. Circular cylinders with 9 cm diameter (D=9 cm) are used, and elongated cylinders with aspect ratios of L/D=2, 3 and 4 are also investigated. To understand the influence of accelerating and decelerating flow conditions, three unsteady cases with different unsteadiness degrees were tested as well as a reference steady flow case. The spatial and temporal variations of Reynolds-averaged velocity and turbulence characteristics around the pile, as well as undisturbed flow, were analysed. Findings show that there are distinct differences between the tested gradually-varied unsteady flow cases and the reference steady flow case. Three-dimensional velocity measurements were conducted via an Acoustic Doppler velocimeter (ADV) at more than 200 locations for each of the test conditions. Moreover, water level and hydraulics slope values were recorded by use of resistant-type water level sensors. The data were analyzed to obtain spatial and temporal variation of Reynolds-averaged velocities and turbulence characteristics (fluctuating components, Reynolds stresses, turbulent kinetic energy) under steady and unsteady flow case in a comparative manner. Findings show that there are distinct differences between steady and unsteady flow conditions around bridge piers. Considering circular bridge piers, the wake turbulence was observed to get significantly higher during the rising stage of the hydrograph compared to the falling stage, whereas the turbulence due to lateral flow contraction exhibits an inverse behavior. The near bed flow around the bridge pier was seen to react the changing pressure gradient much quicker compared to the main flow region, where the reaction was much delayed, causing a longer recirculation region during the falling stage of the hydrograph. It is concluded that the flow structures foreseen for steady flow becomes noticeably altered in the case of unsteady flow, and these alterations are suggested to be considered in the engineering practices. The Reynolds-averaged velocity vs. Turbulence kinetic Energy plots of undisturbed flow indicated a hysteresis effect, such that larger turbulence is generated during the falling stage of the flow compared to the rising stage. This hysteresis was considerably reduced in the pile wake, and even reversed hysteresis was seen at certain cases. The spatial variation of Reynolds-averaged velocity and turbulence in the peak instant of unsteady flow was qualitatively similar to that of steady flow, but quantitatively, turbulence, flow contraction, and velocity deficit in the near-wake region were smaller in the case of unsteady flow. Contrarily, the unsteady flow generated remarkably higher turbulence levels at further downstream in the pile wake. It is concluded that in the case of unsteady flow the pile behaves as if it has a more streamlined shape. The results were also interpreted from structure-bed interactions perspective, explaining the differences between the pile scour induced by steady and unsteady flow conditions.
-
ÖgeNumerical modelling of wave induced soil liquefaction around buried pipelines and cables(Graduate School, 2022-01-17) Yılmaz, Selahattin Utku ; Kırca, Özgür V. Ş. ; 501181532 ; Hydraulics and Water Resources EngineeringIn this thesis at first, the concept of soil liquefaction is researched in terms of physics, and the reasons & consequences of this phenomenon are investigated. Besides, the conditions (occurrence in which type of loadings, in which type of soils, and so on.) that cause this phenomenon is mentioned. In short, there are two different types of liquefaction failure of soil; residual and momentary liquefaction. Then, both type of liquefaction is mentioned. However, in this thesis, the residual liquefaction of soil is investigated for the design aspects of submarine pipelines and offshore cables. Besides, the effect of this phenomenon on the structures especially buried objects is scrutinized in many ways. Then generally, it is stated that the buried objects heavier than the liquefied soil sink deeper in the soil, while lighter objects float to the surface when the soil is liquefied. These are called sinking and floatation failures too. In addition, numerous articles and research about this failure are reviewed in the literature. In these researches, the mechanism of the marine soil, the liquefaction/compaction process of the soil (life cycle of the soil), the stress-strain relationship of the soil under loadings, and the relevant conditions (wave or earthquake loading, soil type, so on) are stated in this thesis as theoretical (with analytical & numerical models) and experimental works. Particularly, the disturbance effect on the soil by buried objects such as offshore pipelines/cables is scrutinized comprehensively based on the relevant articles.
-
ÖgePompaj depolamalı hidroelektrik santrallerin optimizasyonu(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-01-31) Gürsakal, Hasan ; Uyumaz, Ali ; 501082501 ; Hidrolik ve Su Kaynakları MühendisliğiEnerji, bir materyalde, bir maddede, bir hücrede bulunan iş yapabilme yeteneği ya da ortaya iş çıkarabilme gücüdür. Bir insanda, bir makinede, yüksek bir yerden akan suda her an için belirli bir iş yapabilme gücü, dolayısıyla belirli miktarda enerji vardır. Bir cismin, bir maddenin durumu, konumu, moleküler yapısındaki depolama ile bir potansiyel enerjiye sahiptir. Bu potansiyel enerji bir hareket, bir ivmelenme, kimyasal bir tepkime veya fiziksel bir değişim ile harekete geçerek kinetik enerjiye dönüşür. Dolayısıyla, harekete geçen cisim kitlesiyle ve hızıyla sahip olduğu potansiyel enerjisi kinetik enerjiye dönüşmüş olur ve bu durum da bir iş yapmış olur. Günümüzde enerji, endüstri ve teknolojinin gelişimini ilerletebilmesi için vazgeçilemez araçlardan biri olarak ön plana çıkmakta olup, üretim faaliyetlerinin sürdürülebilmesi için ana unsurların başında gelmektedir. Aynı zamanda toplumların sosyal ve ekonomik olarak kalkınmalarının en önemli gerekliliklerinden biri olan enerjinin artan dünya nüfusuna yetecek şekilde, uygun koşullarda temin edilebilmesi büyük önem arz etmektedir. Evlerde, işyerlerinde, okullarda, fabrika ve sanayi tesislerinde ihtiyaç olan elektrik gücünü temin edebilmek için enerji kaynaklarının elektriğe dönüştürülmesi gerekmektedir. Petrol, doğalgaz, kömür gibi fosil kaynaklar ile rüzgar, güneş, su, jeotermal gibi yenilenebilir enerji kaynakları çeşitli elektrik üretim santralleri sayesinde elektrik enerjisine çevrilerek, insanların günlük ihtiyaçları ve üretim sektöründe kullanılmaktadır. Gelişmekte olan ülkeler arasında bulunan ülkemiz için de gerek toplumsal refahın artırılması gerekse sanayi sektörünün üretim sürekliliği ve gelişimi için en önemli ihtiyaç haline gelen enerjinin, yerinde, zamanında ve güvenilir bir şekilde karşılanması gerekmektedir. Son dönemlerde ülkemizin yakaladığı yüksek büyüme oranları, enerji talebinin de hızla artmasını beraberinde getirmiştir. Önümüzdeki yıllarda da büyüme oranlarıyla birlikte enerji talebinin de artış eğiliminin devam edeceği hesaplanmaktadır. Artan enerji talebinin karşılanması için enerji sektörünün yeniden yapılanmasına yönelik olarak enerji mevzuatları 2000'li yılların başından itibaren yeniden ele alınarak çeşitli düzenleme yapılarak, enerji sektöründe liberalleşme adımları atılmıştır. Mevzuat değişiklikleri, yeni düzenlemeler ve oluşturulan yeni kurumlarla elektriğin yeterli, kaliteli, sürekli, düşük maliyetli ve çevreye uyumlu bir şekilde tüketicilerin kullanımına sunulması için, rekabet ortamında özel hukuk hükümlerine göre faaliyet gösterebilecek, mali açıdan güçlü, istikrarlı ve şeffaf bir elektrik enerjisi piyasasının oluşturulması ve bu piyasada bağımsız bir düzenleme ve denetimin sağlanması amaçlanmıştır. Geçen süre içerisinde, ülkemizde yapılan yeni düzenlemeler, enerji piyasasının liberalleştirilme çalışmaları, yapılan enerji yatırımlarına rağmen artan enerji ihtiyacını ülkenin kendi öz kaynakları ile karşılayamaz durumda olup, enerji açısında dışa bağımlılık devam etmektedir. Enerji kaynakları açısından dışa bağımlı olunması, ülkenin ekonomisini ve stratejik durumunu olumsuz yönde etkilemektedir. Enerji kaynaklarında dışa bağımlı ülkeler, ekonomisinin büyümesinde ve stratejik kararlar almak gibi en önemli konularda başka ülkelere bağımlı hale gelmektedir. Bu nedenlerden dolayı, ülke içerisinde başta yenilenebilir enerji kaynakları olmak üzere, tüm kaynaklarının en optimum şekilde enerjiye dönüştürülerek kullanımının sağlanması ve dışa bağımlılığın azaltılması temel hedef haline gelmesi gerekmektedir. Pompaj depolamalı hidroelektrik santraller (PDHES), pik talebin karşılanmasında rezervuarlı HES'lerin yetersiz kalması durumunda veya baz santrallerin ülkenin enerji sistem içinde dengelenebilmesi için devreye girerek enerji ihtiyacını karşılayan sistemlerdir. PDHES'ler bir çeşit elektrik depolama sistemleridir. Bu santraller, elektrik fiyatlarının düşük olduğu zamanlarda suyu yüksekteki doğal veya yapay bir üst hazneye pompa yardımıyla basarak depolar ve gün içinde veya ay içinde elektrik ihtiyaçlarının meydana geldiği ve dolayısıyla elektrik fiyatlarının yükseldiği zamanlar üst haznede biriktirilen suyu türbinler vasıtasıyla hidroelektrik enerjiye dönüştürür. Başta Amerika Birleşik Devletleri ve Japonya olmak üzere dünyada yaklaşık 100.000 MW pompaj depolamalı hidroelektrik santral işletmede olmasına karşın, ülkemizde işletmede pompaj depolamalı santral bulunmamakla birlikte, bu tesislerin yapılması planlanması durumunda ne şekilde optimize edilmesi gerektiği yönünde yeterince çalışma da yapılmamıştır. Elektrik İşleri Etüt İdaresi Genel Müdürlüğü tarafından ilk etüt aşamasında 11 adet mevcut baraj üzerinde, 5 adet yeni yatırım olmak üzere toplamda 16 adet pompaj depolamalı hidroelektrik santral planlaması yapılmış olup, detaylı çalışmalar da henüz planlama aşamasında bulunmaktadır. Son dönemlerde devletin ilgili kurumlarında, PDHES'lerin yapımı konusunda bazı güncel mevzuat çalışmaları devam etmekle birlikte, henüz resmiyet kazanmış bir durum da söz konusu değildir. Gerçekleştirilen doktora tez çalışması kapsamında, pompaj depolamalı hidroelektrik santrallerin kapasitesinin net faydayı maksimize etmesiyle belirlenen kapasite optimizasyon modeli (KOPMOD) olarak adlandırılacak olup, deterministik bir yaklaşımla çalışılan bu matematik modelde yapı boyutları, kurulu güç ve net faydanın optimizasyonu ele alınacaktır. Bu çalışmayı yaparken öncelikle karar değişkenleri belirlenerek, bu parametrelerin kapasiteyi belirli aralıklar içinde seçerek modelde kullanılması amaç edinilmiştir. Kapasitenin çalışma aralıkları da dünyada tesis edilmiş PDHES'ler ile ülke şartları ve ihtiyaçları dikkate alınarak belirlenmiştir. Elektrik fiyatlarının gün içindeki değişimleri, uzun yıllar oluşan fiyatların analiz edilmesi ve elektrik fiyatlarına etki eden faktörler ele alınarak modellere işlenerek, modellerin oluşturulması sağlanmıştır. Elektrik fiyatlarının analizleri PDHES'lerin çalışma saatlerinin belirlenmesinde etkin rol oynamaktadır. Karar değişkenleri olarak tesisi kurulu güç kapasitesi, çalışma saati ve karlılık oranları, indirgeme oranı, iç verim oranı, tesis süreleri ve yapım birim fiyatları gibi ana unsurlar olarak belirlenmiştir. Net faydanın maksimize edilmesi üzerine kurulu olan sonuç kısmının en önemli sonuç parametreleri tesis yatırım bedeli, tesisin geliri ve giderleri, elektrik üretim ve tüketimleridir. üretim ve güç, maliyetler, gelir ve gider, ekonomik analiz ana başlıkları altında değerlendirilmiştir. Üretim, tüketim ve kurulu güç ana başlığı altında hesaplanan değerler tersinir türbinlerin teknik değerleri ve karar değişkenlerine bağlı olarak değişim göstermektedir. Maliyetler ise, kapasite değişiklikleri sonucu boyutları belirlenen tesislerin birim fiyatları ve piyasa fiyatları dikkate alınarak hesaplanmaktadır. Gelir ve giderler ise, elektrik fiyatları ve işletme aşamasında oluşacak olan giderlerin piyasa koşullarında fiyatlandırılması ile belirlenmektedir. Maliyetler, gelir ve giderlerin belirlenmesi sonucu ekonomik analiz kapsamında hesaplanan net fayda hesaplaması sonucunda hangi seçimin en uygun olduğu model ile ortaya çıkmaktadır. KOPMOD ile oluşturulacak matematik modelde değişkenlerin değişimi ile net faydanın da değişimi izlenebilmektedir. Çalışmalarda YEKDEM sistemi kapsamında devlet tarafından belirlenen elektrik satış fiyatları da ayrıca çalışmalarda dikkate alınmıştır. Karar değişkenleri, sonuç parametreleri, kapasite değişim aralığı, aralarındaki bağlantıları ve değerleme kriterleri belirlendikten sonra, PDHES için oluşturulan KOPMOD'un çalıştırılması ile net faydanın maksimize edildiği kapasite belirlenerek en uygun kurulu güç seçilmektedir. Modelin çalışma saati ve karlılık oranlarının belirlenmesi için KOPMOD öncesi göreceli karlılık analizi yaklaşımı (GÖKAY) modeli kullanılmaktadır. GÖKAY'da Türkiye'de geçmiş yıllarda gerçekleşmiş elektrik satış fiyatları modelin analiz edilecek verileri olarak ele alınmaktadır. PDHES için belirlenen bir iç verim oranı (İVO) esas alınarak gün içindeki en düşük elektrik satış fiyatları ve en yüksek elektrik fiyatları belirlenir. En düşük elektrik fiyatlarına iç verimden kaynaklanan kayıplar da bindirilerek en yüksek fiyatlar arasında PDHES'in elektrik üretim ile tüketiminden gün içinde kar elde ettiği saatlere ulaşılır. Seçilecek her bir iç verim oranı çalışma saatini ve karlılık oranlarını değiştirmektedir. GÖKAY modelinin sonuçları değerlendirildiğinde İVO değeri arttıkça çalışma saati artmasına karşılık, karlılık oranları azalmaktadır. Karlılık oranı ve çalışma saati birlikte ele alındığında ise, İVO değeri arttıkça normalize edilmiş karlılık oranının da arttığı görülmektedir. Sonuç olarak, PDHES'in ilk planlama aşamasında mevcut piyasa şartları, topoğrafyası, yatırımın ekonomik durumu ve piyasa elektrik fiyatları ile KOPMOD çalıştırılarak bulunan kapasitede PDHES'in yapımına karar verilebilmektedir. Kapasite belirlendikten sonra, tesisi yapılarının boyutları, maliyetleri, üretim ve tüketimleri ortaya çıkacağı için PDHES'in ekonomik olarak yapımına karar verilebilecektir.
-
ÖgeDam break induced flood analysis by soft computing techniques(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-06-03) Akdemir, Halid ; Bayındır, Cihan ; 501201513 ; Hydraulics and Water Resources EngineeringWater structures have been one of the basic components that have served the various needs of societies since ancient times. Fresh water resources, which are examples of these structures and have a great impact on the residents in vicinity, are dams. Dams have a variety of purposes such as fresh water supply, waste storage, agricultural irrigation, electricity generation and flood protection. The management of massive structures such as dams is also a critical issue affecting the well-being of societies. The proper management of dams is important not only for the efficient, but also for the safe operation of the water resource. Otherwise, the dams can collapse, as in many examples in the past, causing enormous material and moral damages and losses. The failure of dams can be caused not only by their proper operation, but also by many various reasons such as earthquakes, extreme precipitations, sabotage and aging. Since dams hold large bodies of water, they cause many life losses and material damage in case of their collapse. History has shown this to humanity in a painful way. It is essential that the dams are properly designed and operated in order to prevent them from collapsing. Since these structures are man-made, they can still be demolished, so preparations for this scenario should be done and ready within the scope of risk and disaster management. It is a clear reason that dam operations will become more difficult in rapidly changing climatic conditions. The aging of dams in the coming years is an additional problem to these difficulties. These reasons assurance that dam failure problems will be a hot topic to work on in the years to come. Unfortunately, dam failure problems are inherently complex. The cause of dam failures may not be known because they are very large engineering structures. There can be many different reasons behind a dam collapse. The dam failure process is also difficult to analyze as it involves many variables. Researchers have proposed many different methods and approaches to illuminate this process. As a result of dam failures, a tsunami wave may occur at the downstream, followed by flooding and rising water level over time. In recent years, problems with complex definition and many variables have been analyzed with soft computing methods. Soft computing methods are a very broad field that includes many algorithms and are frequently used in many different branches of science. Their success, especially in the analysis of major nature problems, has been proven by researchers with various studies. Grey relational analysis (GRA), long-short term memory (LSTM) and artificial neural fuzzy inference system (ANFIS), which are used in this study, can be given as example algorithms of soft computing methods. It has been intended to provide a data set to researchers and local governments and aimed to contribute to risk and disaster management in water resources by presenting numerical simulations of some large and aging dams in Turkey and the possible loss of life they will cause. In this context, GRA, LSTM and ANFIS models from soft computing methods were developed and tested for the analysis of dam failure problems and dam break induced flood. In summary, the main purpose of this study is to prove the usability of soft computing techniques in dam break problems and to conduct risk analysis of some aging dams in Turkey within this framework. In the third section titled "Danger level ranking of possible dam failures in Turkey", the 15 aging dams in Turkey which have potential to cause the most dangerous consequences in case of failure were selected intuitively from engineering judgement in order to perform their failure simulation. The selected 15 aging dams are as follows. Seyhan Dam and Hydroelectric Power Plant (HPP), Borçka Dam and HPP, Ürkmez Dam, Eğrekkaya Dam, Tahtalı Dam, Mamasın Dam, Dim Dam and HPP, Kurtboğazı Dam, Atasu Dam, Alibey Dam, Akköprü Dam and HPP, Suat Uğurlu Dam and HPP, Derbent Dam and HPP, Manavgat Dam and HPP, Kirazlıköprü Dam. The failure simulations of the dams were carried out with the worst-case scenario, the sudden collapse failure mode. The simulations performed were made through the HEC-RAS application and the simulation stages were shared step by step. Maximum water depth maps obtained according to the simulation were given for the impact zone of each dam. Using first wave arrival time and affected population values obtained from the simulastions, possible life losses were calculated with the equations of DeKay and Mclelland (1993) and Brown and Graham (1988) and shared for each dam. Accordingly, the collapse of Seyhan Dam and HPP causes the higest life losses among others. The 15 dams were ranked according to the probable loss of life obtained from the DeKay and Mclelland (1993) equation in case of their failure. The GRA model has been developed for the danger level ranking analysis of dams in order to be a more practical solution, since the danger level ranking of dams by numerical analysis is a labor-intensive task that takes a lot of time. The effective attributes of GRA model were chosen as follows. Surrounding population, distance from that population, elevation relative to that population and reservoir size. These selected attributes have been decided from an engineering point of view. The quantitative values of the attributes were determined by engineering evaluation. The output of the model is to rank the dams according to the possible loss of life that may occur in case of failure. According to results produced by the GRA model developed in this frame, the dam that can cause the highest life losses in case of collapse is Adana Dam and HPP. The rankings produced by the GRA model and by the numerical analysis were compared and interpreted. The results indicate that the GRA model and numerical analysis produce similar ordering. Thus, it has been revealed that the GRA method is an effective and useful tool and can produce practical solutions for risk and disaster management studies on water structures. In addition, simulations of failure of 15 aging dams in Turkey and their possible consequences were brought to the literature. The implications of this section will contribute to the risk and disaster management in water structures. In the fourth section titled "Prediction of dam break induced flood parameters by LSTM network and ANFIS", the analysis of the most vital parameters that determine the lethality level of flood disasters caused by dam failure was carried out with LSTM and ANFIS from soft computing methods. Past events don't provide a very adequate data set, as well as experimental studies also remain very fictional. In real situations, every flood event is unique, which has different forces that drive and effect damage level. Therefore, it is necessary to examine such flood events on a case-by-case basis and to carry out special studies for each region. Performing flood simulations of regions with numerical analysis is the most satisfactory method currently available. Data obtained from simulations of sample regions by numerical analysis were selected for feeding and testing LSTM and ANFIS models developed under this title. The main parameters affecting the lethality level of the flood are water depth, flow velocity, wave damping and first wave arrival time. The data set of these parameters was created by simulating the Alibey Dam break and Froehlich (2008) approach from the breach development methods accepted in the literature defined in the HEC-RAS application was chosen as its breach development method. The information about the measurement locations determined in the impact area of Alibey Dam and the data obtained from these points were given in the relevant section. Since flood parameters such as water depth, flow velocity and wave damping are data sets consisting of time and location series, it was preferred to create LSTM models in the analysis of these parameters. On other hand, ANFIS model was found more convenient for the analysis of the first wave arrival time because it was deemed more appropriate to create a multivariate model. Due to the suitability of the data sets of water depth, flow velocity and wave damping, nonlinear autoregressive LSTM models containing the same following structure were created for the analysis of water depth, flow velocity and wave damping parameters, which does not need any external input and takes the previous output as input. The training, validation and testing ratios were chosen as 20%, 5% and 75%, respectively. The training function was selected as bayesian regularization backpropagation and the dataset dividing function was designed as divedeblock so called considering it is prominent to test the last part of the data. In this case, the last 75% of the data set was exposed testing. Coefficient of correlation and root mean squared error values expressing the success of the LSTM models developed for the analysis of water depth in the rezervoir, water depth in downstream, flow velocity and wave damping parameters in the test phase are 0.9988 and 0.5798, 1.0000 and 0.0192, 0.9995 and 0.0018, 0.9986 and 0.1804, respectively. The inputs of the ANFIS model predictor of first wave arrival time were selected as pool elevation at failure, final breach bottom elevation and distance from the dam. The training/testing ratio was determined as 75/25%. The dataset contains 140 samples which was divided as 105 samples for training phase and 35 samples for testing phase. Coefficient of correlation and root mean squared error values expressing the success of the ANFIS model developed for the analysis of first wave arrival time parameter in the test phase are 0.9828 and 3.6216, respectively. The statistical parameters prove that the analysis success of the models are robust. The success of soft computing methods in the analysis of dam failure problem has been shown to be a useful tool in the management of real disaster events. To put it more clearly, some applications that contain algorithms working in real time can be established for such possible disasters. These applications can reduce the extent of the disaster by using them as practical solution tools in such disaster times. It is possible to learn the failure mode of any dam and the mechanism of breach development as soon as the event occurs. However, this is too late for any flood parameters to be analysed. In such events, there are only minutes for the right actions to be taken. For example, when the Manavgat Dam collapses for some reason, how long the first wave will arrive at any location is important for evacuation, or knowing the possible maximum water elavation at any point means the elevation at which people must climb. In such limited times, it takes time to perform numerical analysis according to the emerging flood hydrograph, but algorithms trained before the event according to various scenarios can provide practical solutions at the time of the event and provide information to the relevant people.
-
ÖgeComprehensive flood risk assessment and identification of the potential flood mitigation strategies(Graduate School, 2022-06-09) Ekmekcioğlu, Ömer ; Özger, Mehmet ; 501162501 ; Hydraulics and Water Resources EngineeringFloods are among the natural disasters frequently encountered in our country, i.e. Turkey, and across the globe. Considering some of the conditioning factors, such as geographical location, geological and hydrological structure and even demographic characteristics, that characterize the formation of natural disasters, the most common natural disasters in Turkey are described as floods. A total of 1209 floods occurred in Turkey between 1975 and 2015, resulting in 720 deaths and the inundation of 900,000 hectares. In addition, floods cause an annual average of 100 million dollars of economic loss. The constitution of floods may vary in different types; scuh that coastal floods are frequent in coastal areas, while river floods mostly occur in rural and/or urban areas, and urban flooding poses significant challenges in densely populated regions. In this context, especially in cities with high population densities, urban flood events not only cost human lives but also cause serious property damage. Istanbul is also among the cities that frequently face urban floods across Turkey. The city is the most populated city in Turkey with a population of approximately 16 million (2986 people/km²) and is at serious risk of flooding. Therefore, within the scope of this thesis, it is aimed to determine the regions that may be affected as a result of the floods potentially occur in Istanbul and to reveal the factors that trigger the vulnerability of these regions. In order to ensure the functionality of both data collection procedures and the early diagnosis actions to be determined on an administrative basis, analyzes were carried out on a district basis in this thesis. Through district-based analyzes, both hazard and vulnerability factors, which are the two most critical pillars of the risk concept, were carried taken into account. In line with the hazard cluster, stormwater pipe network, slope, imperviousness (in terms of curve number), number of rainy days and return period of storm event criteria were taken into the consideration. Within the scope of vulnerability cluster, vulnerable structures, population density, vulnerable population, education level, income level, transportation network, number of households and land use criteria were considered. Thus, this thesis not only tried to determine the regions having high susceptibility of flooding but also sought to designate the social environments, i.e., residents and/or buildings, that have the potential to be damaged as a result of floods. In the research articles included in this thesis, multi-criteria decision-making algorithms were used to perform the district-based flood risk mapping of Istanbul. In the first research article published within the scope of the thesis, district-based flood risk maps were generated using the fuzzy analytic hierarchy process, and risky districts and the criteria to be taken into account specific to these districts were identified. In the second research article published within the scope of the thesis, the perception differences on the flood risk of four different stakeholders (i.e., Istanbul Water and Sewerage Administration, Disaster Coordination Center, Istanbul Metropolitan Municipality and Universities) at Istanbul scale were analyzed. For these purpose, the technique for order of preference by the similarity-to-ideal-solution (TOPSIS) method was integrated along with the fuzzy analytical hierarchy process method utilized in the first study. As a result of the model configurations on the basis of expert judgments pertaining to abovementioned four institutions, flood risk, flood hazard and flood vulnerability maps were separately generated. The third research article published within the scope of the thesis focused on the interrelationships of the criteria that were not examined in the previous two studies. On the other hand, for the first time in the literature, analyzes were carried out using two distintictive criteria weighting methods (analytical hierarchy process for the hazard cluster and analytical network process for the vulnerability cluster) together. At this point, another innovation that has been methodically accomplished is the integration of the decision-making trial and evaluation laboratory (DEMATEL) method which was used in the refinement of the analytical network process framework. Visekriterijumska optimizacija i compromisno resenje (VIKOR) method, which is accepted as an improved version of the TOPSIS method, was performed to prioritize the districts in terms of flood risk by combining the outputs obtained from the two different criteria weighting methods and the numerical values of the corresponding criteria. According to the findings obtained in the first of the articles published within the scope of the thesis, land use, population density and the vulnerable structures were determined as the most important vulnerability criteria, while the return period of a storm event, imperviousness and stormwater pipe networks were obtained as the most significant hazard criteria. On the other hand, the comparison between the main clusters, i.e., vulnerability and hazard, indicates that these two classes have almost equal importance in terms of the flood risk concept in Istanbul. In addition, sensitivity analyzes were implemented in order to illustrate the stability and robustness of the fuzzy analytic hierarchy process applications. According to the district-based analyzes, Bayrampasa, Bagcilar and Esenler were found to be the three most risky districts with the significant effect of their dense populations. While Uskudar, Bayrampasa and Bagcilar districts stand out according to the hazard cluster representing the probability of flood events, it was concluded that special precautions should be taken for Gaziosmanpasa, Gungoren and Beyoglu districts according to the analyzes made within the generic of vulnerability cluster. According to the findings obtained in the second of the articles published within the scope of the thesis, disaster management and coordination authorities and local municipalities have point out that hazard and vulnerability clusters have almost similar importance in terms of flood risk. On the other hand, water and sewerage administrations take the hazard class into consideration, while universities consider vulnerability more important than the other. Once the produced flood risk maps and correlation analyzes are examined, one can conclude that there are high perception differences between the judgments of the experts from universities and water and sewerage administration, while perception similarities can be seen among other stakeholders. Therefore, this study highlighted that the inclusion of only one type of stakeholder in the flood risk management system is not sufficient to evaluate the overall flood risk criteria. Instead, it was concluded that the participation of various stakeholders from different disciplines is required to make more reliable flood risk analyzes. Hence, the results of this study not only provide a flood risk maps showing the most flood-prone districts of Istanbul, but also reveal the perception differences among various stakeholders who are responsible for taking the necessary measures to reduce, prevent and manage the flood risk. According to the findings obtained in the third of the articles published within the scope of the thesis, the income level, which is one of the criteria evaluated in the vulnerability class, not only affects all the vulnerability criteria, but also has been affected by the others (vulnerable structures, population density, vulnerable population, and education level). In addition, although the education level criterion affects all other criteria, it is only affected by the income level. Also, the population density criterion is almost as important as the education level according to the results of the study. The insight gained from the DEMATEL analysis has indicated that the population density is highly correlated with the education level and income level. Furthermore, the analyzes performed for the hazard cluster showed that the return period of a storm event is the most important criterion. Hence, especially considering extreme rainfall events where climate change has a great impact, district management authorities should take special measures such as flood-retardant structures and rainwater harvesting on their agenda to deal with the floods. In addition, storm water pipe networks and imperviousness criteria, which are among the other hazard related criteria, have been found to have very close importance to each other. At this point, the fact that districts with old or insufficient storm water drainage systems focus on these investments, increase the amount of green areas in districts where the land use includes urbanization intensively, or implement sustainable measures such as green roofs on existing buildings will make significant contributions to reducing the flood risk in the relevant regions and/or districts. In general, within the scope of this thesis, comprehensive flood risk analyzes were carried out for Istanbul. In addition, not only flood risk mapping, but also the ways to be followed for strategies to reduce the flood risk in risky areas are pointed out. In this context, it is believed that the publications contained in this thesis will be useful for not only Istanbul but also entire country and will play a guiding role in taking the necessary actions.
-
ÖgeHidrolojik model yapısının ve kalibrasyon algoritmasının debi simülasyon performansına etkisi(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-06-22) Alp, Harun ; Demirel, Mehmet Cüneyd ; Aşıkoğlu, Ömer Levend ; 501191507 ; Hidrolik ve Su Kaynakları MühendisliğiDünya genelinde gerek tüketimin artması, gerek küresel ısınma gibi etkenlerden ötürü su kaynaklarının korunması gün geçtikçe önem kazanmaktadır. Bu bağlamda yapılacak her müdahale, alınacak her önlem öncesinde bir hazırlık ve planlama süreci gerektirir. Günümüzde su yönetimi stratejilerine yön veren hidrolojik modeller, farklı yöntemlerle kurdukları yağış-akış ilişkisi ile başta debi olmak üzere hidroloji bilimine katkıda bulunan ve doğal döngüye dahil olan bir çok kavrama dair çıktılar sunmaktadır. Bu çalışmada hidrolojik döngünün devam edebilmesinde en önemli etkenlerden olan DSİ ve EİE kontrolündeki 523 no'lu akım gözlem istasyonuna ait debi değerleri referans alınarak, bu süreçleri üç farklı yapıda işleyen Génie Rural à 4 paramètres Journalier (GR4J), Soil Water Asesessment Tool Plus (SWAT+) ve mesoscale Hydrological Model (mHM) modellerinin ve bu modellere ait parametrelerin kalibrasyonunda kullanılan Levenberg-Marquardt (LM), Shuffled Complex Evolution (SCE) ve Covariance Matrix Adoption Evolution Strategy (CMAES) algoritmalarının performansı Gediz Havzası'nın doğduğu bölge olan Acısu Havzası için değerlendirilmiştir. Hidrolojik modeller kullanım amaçlarına göre farklı parametreler ve farklı mekansal çözünürlükler kullanarak verileri işlemektedir. Temeli bir performans karşılaştırmasına dayanan bu çalışmada modellerin ve algoritmaların birleşiminden çıkacak sonuçların tarafsız bir şekilde değerlendirilebilmesi amacıyla, üç hidrolojik modelde de ortak olan girdiler için (yağış, sıcaklık, potansiyel evapotranspirasyon) European Center for Medium-Range Weather Forecast (ECMWF) ERA5 kaynağından elde edilen veri setleri kullanılmıştır. 30 km x 30 km çözünürlüğe sahip olan ERA5 verisi, toplu model olan GR4J için tek bir zaman serisi olarak tüm havza ölçeğine, yarı dağılı model olan SWAT+ için alt havzaları temsil edecek ölçeğe ağırlıklı ortalama yöntemi ile indirgenmiştir. mHM modeline ise noktasal veri olarak varsayılan ölçeği ile tanımlanmıştır. Sonrasında modellerin ihtiyaç duyduğu diğer girdiler tanımlanmış (DEM, Arazi Kullanımı, Toprak Haritası vb.) ve kurulum aşaması tamamlanmıştır. Çalışmanın devamında, hidrolojik modellerin kalibrasyonu yapılmıştır. Bu aşamada kalibrasyon aracı olarak Parameter Estimation Tool (PEST) kullanılmıştır. Kurulan hidrolojik model dosyalarının PEST ile entegrasyonu gerçekleştirilmiştir ve kalibre edilecek parametrelerin belirlenmesi için otomatik hassasiyet analizi yapılmıştır. GR4J modelinin 4 parametresinden 3'ü, SWAT+ modelinin debi üzerinde etkili olan 20 parametresinden 10'u ve mHM modelinin 66 parametresinden 15'i belirlenen eşik değer üzerinde kalibrasyon aşamasında kullanılmıştır. Kalibrasyon için PEST'in içerdiği 1 lokal (LM), 2 global (SCE ve CMAES) yöntem kullanılırken, kalibrasyon periyodu için 1991-2000 yılları, validasyon periyodu için ise 2002-2005 yılları arasındaki veriler kullanılmıştır. Bu kapsamda üç farklı mekansal çözünürlüğe sahip hidrolojik model yapısının, bir lokal ve iki farklı global yöntem ile kalibre edilerek karşılaştırıldığı ilk çalışma olma özelliği taşımaktadır. Çalışma sonucunda elde edilen bulgular çerçevesinde hidrolojik model yapılarının ve kalibrasyon algoritmalarının debi çıktısı üzerindeki etkisi incelenmiştir. Dokuz farklı model-algoritma kombinasyonuna ait debi çıktıları 7 farklı istatistiksel gösterge ile değerlendirilmiştir (NSE, KSE, R2, RSR, MSE, RMSE). Amaç fonksiyonu olarak Nash-Sutcliffe Efficiency (NSE) değeri ile kalibre edilen kombinasyonlara ait çıktıların, gözlenmiş değerler ile aralarındaki ilişki incelendiğinde, dağılı model olan mHM modeli ile global yöntemlerden CMAES algoritmasının en yüksek debi performansı gösteren entegrasyon olduğu sonucuna ulaşılmıştır. Ulaşılan sonuçların çalışma alanı kapsamında geçerli olduğu ve genelleştirilebilmesi için farklı özelliklere sahip havzalarda da benzer çalışmanın uygulanması gerektiği belirtilmiştir.
-
ÖgeTabakalı akımların hidrodinamiği, akım ve karışım parametrelerinin matematik modeli(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-07-21) Bayram, Selahattin ; Kırca, Veysel Şadan Özgür ; 501181513 ; Hidrolik ve Su Kaynakları Mühendisligiİnsanlık tarihi boyunca boğazlar önemli bir odak noktası olmuştur. Bu ilginin temel nedeni boğazların okyanuslara, denizlere, göllere kıyasla çok farklı bir yapıya sahip olmasıdır. Boğazlar kabaca iki denizi birbirine bağlayan dar kanallar olarak tanımlanabilir. Tüm bunlara ek olarak boğazların sahip olduğu iki tabakalı akım yapısı, boğazlara karşı olan merak ve ilgiyi daha da arttırmaktadır. Boğaz yapılarındaki tabakalaşma birbirine zıt yönlü akımlardan oluşmaktadır. Boğazlardaki bu zıt yönlü akımı ise boğazın birbirine bağladığı iki büyük su kütlesinin su seviyesi farkı ve yoğunluk farkı oluşturmaktadır. Su seviyesi farkının neden olduğu yüksek potansiyelden düşük potansiyele doğru oluşan, yoğunluk farkından kaynaklanan yüksek yoğunluğa sahip kısımdan düşük yoğunluğa sahip kısıma doğru akan zıt yönlü ikinci bir akım mevcuttur. Aktarılan bu tabakalı sistemin hidrodinamiğinin ve akım koşullarının incelenmesi ve daha iyi anlaşılabilmesi için gerek saha ölçümleri gerekse matematiksel ve sayısal modeller uzun bir süredir kullanılmaktadır. Öncelikle literatürde tabakalı akımların hidrodinamiği ve akım koşulları için yapılan çalışmalar incelenmiştir. Yapılan bu kapsamlı çalışmalar sayesinde tabakalı akımlar derinlemesine incelenmiş ve tabakalı akımların akım mekanizması bu tez kapsamında özetlenmiştir. Özellikle yapılan saha ölçümleri ve matematiksel modellerin birbiri ile kıyaslanması bu konunun ne kadar ilgi çekici ve bir o kadar önemli olduğunun en önemli göstergelerindendir. Yapılan çalışmalar gösteriyor ki oluşan tabakalaşmanın stabilitesinin ölçütü olarak boyutsuz Richardson sayısı kullanılmaktadır. Tabakalar arası karışım Richardson sayısına bağlı bir fonksiyon olarak ifade edilebilmektedir. Farklı akım koşullarına göre, Richardson sayının değerine göre, bu fonksiyon için farklı kasayılar da tercih edilmekte olup bu durum akımın Reynolds sayısı ile ilişkilendirilmektedir. Özellikle Richardson sayısının çarpanı ve üssü olan sabitlerin belirlenebilmesi için birçok farklı yaklaşım söz konusudur. Bu yaklaşım için karışımın Richardson sayısı ile ters orantılı olacağı genellemesini yapmak yanlış olmayacaktır. Yani Richardson sayısı arttıkça ara yüzeydeki karışım miktarı azalırken Richardson sayısı azaldıkça ara yüzeydeki karışım miktarı artmaktadır. Bir diğer önemli nokta ise tabakalar arası hızların zıt yönlü olmasından dolayı hız değerlerinin toplamıyla işlem yapmak gerektiğidir. Tabakalı akımların hidrodinamiği ve akım koşullarını inceleyen disiplininde yapılan birçok çalışmada genellikle tabakalar arası karışım ihmal edilip çözüm mekanizması geliştirilmiştir. Tabakalar arası karışımın ihmal edilmediği çalışmalarda ise çok daha karmaşık sistemlerin çözülmesi zorluluğu ortaya çıkmaktadır. Bu tez kapsamında da tabakalar arası karışım göz ardı edilmeden ve boğazın hidrodinamik koşulları yansıtılarak daha etkin bir çözüme ulaşmak hedeflenmiştir. Bu etkin matematiksel çözümün girdi parametreleri değiştirilerek istenilen herhangi bir boğaz için çözüme ulaşabilmek bu tezin ortaya çıkışında temel yapı taşı olmuştur. Amaçlanan bu hedef doğrultusunda, modelin uygulanması için en uygun boğaz sisteminin ülkemizde bulunan ve Avrupanın da en önemli boğaz sistemlerinden biri olan İstanbul ve Çanakkale Boğazları (Türk Boğazlar Sistemi) olduğu su götürmez bir gerçektir. Gerek tarih boyunca taşıdıkları önem gerekse fiziki özelliklerinden dolayı bir çok kapsamlı çalışmaya konu olan bu boğaz sistemi bu tez kapsamında da incelenmiş ve karışım mekanizması ortaya konulmaya çalışılmıştır. Modelde amaçlanan bir diğer nokta ise girdi parametrelerinin değiştirilerek farklı akım koşulları için sonuçların elde edilebilmesidir. Alt ve üst tabakaların akım debileri ve tabaka derinlikleri daha önce yapılmış olan çalışmalar ışığında alınan ortalama girdi parametreleri değerleri ile hesaplanmıştır. Özellikle boğazlardaki yoğunluk farkına neden olan tuzluluk oranın farklı değerler alması halinde model sonuçlarının nasıl değişeceğinin belirlenmesi amaçlanmıştır. Daha sonra farklı tuzluluk değerlerinin alt ve üst akımın debi ve derinlik değerlerine etkisinin daha iyi anlaşılabilmesi için model tuzluluk farkına göre parametrik olarak çalıştırılmıştır. Bu aşamada üst ve alt tabaka akımlarının baskılanıp durma seviyesine geldikleri limit su seviyesi farkı değerleri de hem İstanbul Boğazı hem de Çanakkale Boğazı için tuzluluk farkı bir fonksiyonu olarak elde edilmiştir. Bu sonuçlardan açıkça görülmektedir ki, üst ve alt tabakadaki tuzluluk farkı arttıkça akımı durma noktasına getiren limit su seviyesi farkı da hem üst hem de alt tabaka için artmaktadır. Bu matematik model sonuçları, daha önce yapılan çalışmasında elde edilen üst ve alt akım debileri ve net debi farkı değerleri ile karşılaştırıldığında uyumlu sonuçlar elde edilmiştir. Bu yüksek lisans tezi kapsamında uygulanan matematik model ile daha önce ortaya konulmuş olan dört bilinmeyenli dört denklem takımı esas alınarak, bunlara ek olarak dört bilinmeyen ve dört denklem takımı daha eklenerek tabakalı akımların hidrodinamiği ve akım koşulları göz önünde bulundurularak karışım mekanizması çözülmeye çalışılmıştır. İlk denklem takımında bilinmeyenler alt ve üst tabaka debileri ve boğaz yapısının iki ucundaki su seviyesi yükseklikleridir. Bu bilinmeyenlerin çözümünde kullanılan denklem takımları ise iki adet enerji denklemi ve iki adet su kütlesi korunumu denklemi ve Froude Şartı denklemidir. Bu tez kapsamında karışım mekanizmasının da çözümlenebilmesi için eklenen dört bilinmeyen ise alt tabakadan üst tabakaya ve üst tabakadan alt tabakaya geçen karışım debileri ve boğaz yapısının giriş-çıkısındaki tuzluluk değerleridir. Çözüm için kullanılan ek denklemler ise iki adet karışım hızı denklemi ve iki adet tuz kütlesi sürekliliği denklemleridir. Hazırlanan bu denklem takımları neticesinde alt tabakadan üst tabakaya, üst tabakadan alt tabakaya geçen karışım debileri ve tuzluluk değişimleri ortaya konulmaya çalışılmıştır. Çanakkale Boğazı'nın ortalama su seviyesi için karışım içeren matematiksel modelden elde edilen matris incelendiğinde, üretilen bulguların literatürdeki değerlerle örtüşmediği ortaya çıkmaktadır. Bu farklılığın olası nedenini belirlemek için kullanılan denklem setlerinin sonuçları dikkatlice incelenmiştir. Modelde kullanılan Froude durum denklemlerinin Çanakkale Boğazı için istenen sonucu veremeyebileceği, çünkü Çanakkale Boğazı'nın geometrisinin neden olduğu su seviyesi ve akış rejimindeki kademeli değişimin durumu yansıtamayacağı sonucuna varılmıştır. Sonuç olarak İstanbul Boğazı için elde edilen karışım debileri ve tuzluluk değerleri bu güne kadar yapılmış olan modellerle ve saha ölçümleri ile karşılaştırıldığında tutarlı sonuçlar elde edilmiştir. Özellikle oluşturulan modelin tüm tabakalı akımlar için girdi parametrelerini belirleyerek sonuç vermesi ve diğer matematiksel modellere kıyasla işlem yükünün daha az olması bu modelin avantajlarıdır. Unutulmamalıdır ki bu tür matematik model yaklaşımları hem saha ölçümlerine hem de laboratuvar deneylerine ek olarak bu tarz mekanizmaların incelenmesinde ve anlaşılmasında çok önemli rol oynamaktadır. Tüm bunlara ek olarak, modeldeki karışım mekanizmasının daha hassas temsil edilebilmesi için, karışım denklemleri Boğaz boyunca her 100 m aralık için çözülmüş ve matematik modele toplam karışım debisi olarak yansıtılmıştır. Ancak bu yaklaşımla da elde edilen sonuçlarda İstanbul ve Çanakkale Boğazı için aynı sonuçlar elde edilmiş ve işlem yükü çok daha üst seviyelere gelmiştir. Yani bu yüksek lisans tezinin çıkış noktası olan boğazdaki karışım debilerinin etkili ve pratik bir şekilde hesaplanabilmesi ilkesinin dışına çıkılmış olmaktadır.
-
ÖgeHysterical effects in flow characteristics in the wake region of group of cylinders during the passage of gradually varying unsteady flow(Graduate School, 2022-09-06) Erdog, Eryılmaz ; Yağcı, Oral ; 501142501 ; Hydraulics and Water Resources EngineeringIn recent studies, it has been witnessed that a group of cylinders offer some distinct advantages compared to mono-pile when applied as a support structure in marine and riverine environments. It is well established that an array of cylinders presents a viable option to a single solid cylinder with lower cost, lower scour and contraction effects. Donghai Bridge offshore wind farm in China is a practical real-world example where this type of structures are of significant importance as an offshore wind turbine support structure. In the pertinent literature, an overwhelming majority of flow-body interaction investigations are studied under steady flow conditions. Furthermore, researchers mainly focus on oscillatory flow when dealing with unsteady flow and using steady state approximation for gradually varying unsteady flows. Yet, several flow conditions observed in nature such as tsunamis, meteorology driven flows, tidal currents and river hydrographs fall into the category of gradually varying unsteady flow. In this thesis, the influence of gradually varying unsteady flow around a group of cylinders (Hexagonal arrays of Circular Cylinders, HACCs) was investigated by flume experiments. The experiments are carried out in a rectangular flume with dimension 30 m in length, 1 m in width and 1.25 in depth. The bed was smooth concrete and the sides were plexiglass walls. A honey-comb pattern was used at the inlet to ensure smooth inlet conditions. The water was recirculated through a monobloc pump and the water depth was kept constant at 30 cm through entire experiments. The flow discharge is controlled via an inverter system. By entering the desired input through the pump's control unit, unsteady and steady flow conditions are repeatedly and reliably produced. Two unsteady flow cases generated with same minimum and maximum velocities, but different durations in order to investigate the effect of unsteadiness degree. The flow velocity started at 0.04 m/s and increased to a peak of 0.23 m/s. One steady case had the duration of 90 seconds, the other had 120 seconds. Same experiments also carried out under steady flow conditions for benchmarking purposes. Velocity and water depth measurements were taken with a frequency of 100 Hz. Two resistance type level meters are used, one located 2.5 meters upstream the other downstream with the same distance. Instantaneous recording of water depth and water surface are carried out. Simultaneously, velocity measurements are collected with the help of an Acoustic Doppler Velocimeter. Velocity measurements are taken at both horizontal and vertical planes. In total, 290 measurement points were utilized, 140 points at horizontal plan and 150 points at vertical plan. The resolution of the measurement grid is increased near the obstacle in order to capture turbulence characteristics. The obstacle, HACC, consisted of 7 circular cylinders with a diameter of 3.4 cm. The circumambient diameter of the HACC was 16 cm and the solid volume fraction was 0.32. The HACC placed 12 m from the inlet to ensure fully developed flow conditions. Two arrangements of HACC, namely staggered and regular arrangement, in order to investigate the effect of obstacle orientation. In brief, three flow cases (steady, unsteady 90 seconds, unsteady 120 cases) and two HACC configurations are used. In total, 6 experimental runs are performed. Each experimental run consisted of 290 velocity measurement points. The analysis of collected data is started with the despiking of the raw data. The spikes in the velocity measurements are removed with a method widely used in the literature. Then the synchronization procedure is carried out. Velocity and water depth measurements are synchronized through their computer time recording. 290 velocity measurements that are recorded at different times are synchronized by the help of water surface slope measurements. Since water depth measurements are kept constant through all experiments, they are used as a benchmarking point. Finally, turbulence decomposition is done, turbulent and mean flow recordings are obtained to carry out post-processing. Experimental findings resulted in several significant conclusions. It is found that velocity deficit between wake and contraction region exhibits a hysterical character between rising and falling stages. The negative water surface slope is observed during the falling stage of the unsteady flow. This adverse pressure gradient causes earlier boundary layer separation and broader wake region. This leads to a stark shear layer rear the obstacle and higher lateral momentum transfer. During the passage of unsteady flow, counter-clockwise hysteresis is observed between depth-averaged velocity and turbulence kinetic energy. This means that for a given velocity, the falling stage produces higher turbulence compared to the rising stage. This effect was observable irrespective of the HACC arrangement. Furthermore, it was also observed that this hysterical relationship becomes more evident further downstream. The arrangement of HACC is also observed to be of importance in terms of hysteresis. It is observed that hysterical loops are less dramatic for the regular HACC. The hysteresis is mitigated by the strong bleed jets that occur in the wake region of regular HACC. It is known that due to the particular geometry of regular HACC, a significant amount of flow can go through the obstacle and create bleed flow which highly influences wake characteristics in terms of stabilizing the wake and controlling mixing process. It was concluded that the amplified bleed jets are the primary reason behind the suppressed hysterical behaviour. Another critical point that is outlined is the effect of unsteadiness on pile behaviour in terms of flow-body interaction. The pile is observed to render the pile to behave in a more streamlined manner. For a given velocity, the unsteady cases produced smaller recirculation compared to the steady case. The recirculation zone is also observed to be larger during the falling stage compared to the rising stage. Yet, this effect also seems to be less pronounced for the regular arrangement of HACC. The strong bleed jets are presumed to weaken this behaviour.
-
ÖgeSu dağıtım şebekelerinde en uygun basınç yönetimi metodunun belirlenmesi(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-09-15) Koşucu, Mehmet Melih ; Demirel, Mehmet Cüneyd ; 501162505 ; Hidrolik ve Su Kaynakları MühendisliğiSu dağıtım şebekelerinde meydana gelen yüksek basınçlar, hem su kayıplarını, hem de boru arızalarının meydana gelme sıklığını arttırmaktadır. Su kayıplarını ve boru arızalarının miktarını azaltmak, ve su dağıtım şebekelerinin faydalı ömrünü uzatmak için yüksek olan basıncı düşürmek gerekmektedir. Fakat şebekeden su alan tüketicilerin tamamının basınçlı su kaynağından istifade edebilmesi için basıncın şebekede izin verilen minimum değerden daha düşük olmaması gerekmektedir. Bu sebeple basıncın hassas bir şekilde yönetilip su kayıpları ve boru arızalarının azaltılması, ve abonelerin suya erişiminin aksamaması önemlidir. Pratikte dört farklı basınç yönetimi metodunun var olduğu bilinmektedir. Bunlar Sabit Çıkışlı, Zaman Ayarlı, Debi Ayarlı ve Kritik Nokta Ayarlı Basınç Yönetimi metodlarıdır. Sabit Çıkışlı Basınç Yönetimi'nde şebekenin girişindeki PRV'nin (Pressure Reducing Valve = Basınç Düşürücü Vana) sabit bir çıkış basıncı vardır ve bu basıncın değeri zamana veya debiye göre değişmez. Zaman Ayarlı Basınç Yönetimi tatbik edilirken PRV çıkışında, gece saatlerinde gündüz saatlerine göre daha düşük çıkış basıncı verilmektedir. Böylece su tüketiminin az ve basıncın yüksek olduğu gece saatlerinde meydana gelen su kayıpları azaltılmış olur. Debi Ayarlı Basınç Yönetimi'nde PRV'nin çıkış basıncı, PRV'den geçen debiye göre sürekli güncellenir. Bu yöntemde debi arttığında çıkış basıncı artar, debi azaldığında da PRV'de yük kaybı arttırılır ve böylece çıkış basıncı azalır. Kritik Nokta Ayarlı Basınç Yönetimi'nde ise su dağıtım şebekesindeki kritik nokta basıncının şebekede izin verilen minimum değerde sabit tutulması hedeflenir. Burada kritik nokta, şebekedeki en düşük basınçların meydana geldiği noktadır. Bir su dağıtım şebekesinde en uygun basınç yönetimi metodunun belirlenebilmesi için hidrolik olarak modellenmesi gerekmektedir. Dört farklı basınç yönetiminin hidrolik olarak modellenmesi EPANET 3 adlı açık kaynak kodlu yazılımda gerçekleştirilmiştir. EPANET 3'ün mevcut versiyonu hidrolik çözücü olarak yarı-kararlı akımların hidroliğini esas alan Küresel Gradyan Algoritması'nı (GGA) kullanmaktadır. Bu çalışma kapsamında basınç yönetimi yapılırken ise sıkıştırılamaz değişken akımların hidroliğini esas alan Rijit Su Sütunu Küresel Gradyan Algoritması (RWC-GGA) kullanılmıştır. Büyüklüğü, tüketim paterni ve su kaybı miktarı farklı olan 18 su dağıtım şebekesi üzerinde yapılan basınç yönetimi hidrolik simülasyonları sonucunda hangi basınç yönetimi metodunun hangi tip şebekede ve hangi birim su maliyetinde en uygulanabilir olduğu belirlenmiştir. Bu analizlere göre birim su maliyetinin yüksek olduğu durumlarda Kritik Nokta Ayarlı, düşük olduğu durumlarda da Sabit Çıkışlı veya Zaman Ayarlı Basınç Yönetimi metodlarının malî açıdan en avantajlı seçenekler olduğu anlaşılmıştır.
-
ÖgeAssessing the performance of gridded precipitation products – a comparative analysis of the Black Sea and East Africa regions(Graduate School, 2022-11-04) Swalih, Sead Ahmed ; Kahya, Ercan ; 501122502 ; Hydraulics and Water Resources EngineeringHydrological and climatological studies require a good quality of precipitation data. It is difficult to assess the spatial and temporal variability of precipitation for a basin without sufficient gauging stations. Recently, several high-resolution public-domain reanalysis and gridded precipitation products (GPPs) have been produced. The performance of four GPPs in estimating the spatio-temporal distribution of precipitation was examined in this study. The chosen regions are the Rize province (Black Sea region) and the Blue Nile basin (East Africa region). Both basins have similar topograpy and high precipitation. In this study, the observed precipitation data were compared with the GPP datasets using statistical metrics and time-series plots. Then, the performance of these products was evaluated by assessing their capacity in estimating river flow with a calibrated physically based hydrological model- SWAT. On top of that, we have assessed the performance of the multi gauge calibration (MGC) technique to improve the SWAT model efficiency. We assessed four calibration methods to improve the model simulation outcome. The temporal and seasonal data performance of the GPPs was, then, assessed before testing the quality of prediction with various statistical analysis metrics. Finally, the climate change impact on the hydroclimatology of both basins was studied using GCM scenario for future climate predictions. Estimating the parameters that represent the various hydrological processes is one of the main issue hydrologists need to solve since it is impossible to measure all the hydrological parameters. We tested four methods where calibration was done using flow data: only from upstream area (US), only from downstream area (DC), using both upstream and downstream areas of the basin (MGC), and using first the upstream then downstream flow data (UCDC). The results showed that model calibration using the MGC and UCDC techniques proved to have improved the model performance, unlike the single gauge calibrations. The reason is the model obtains much wider information on the basin characteristics to adjust its parameters when more than one gauging station is used simultaneously for calibration. Our study has contributed to the validation of gridded precipitation products for the mountainous regions of the Black Sea and East Africa regions which have scarcity in weather gauging station. In addition to statistical and visual map assessment, we adopted a hydrological model (SWAT) parameterized for these basins to make original assessments on the hydrological responses for each GPP dataset precipitation inputs. The resulting graph showed that the annual cyclic behavior of all data is quite consistent with each other, like having a peak on May. The result for the Ikizdere basin indicated that the peak water yield magnitude estimattion in May is significantly greater than the observed water yield for CFSR and MSWEP datasets. However, the water yield value was lower for APHRODITE. Moreover, water yields were highly overestimated during the periods May-December by the MSWEP simulation, which is due to overestimated precipitation in the first four months (January-April) when most of the precipitation falls in the form of snow. The most comparable simulated flow regime with the observation was that of the ECMWF simulation flow. When we come to the Blue Nile basin, it is considered the most important river basin for the Nile River as it generated much of the annual flow. Hence, having a good accuracy of summer precipitation (rainfall) estimate is essential for Blue Nile basin since much of the annual rainfall falls in the highland region during the summer season (Jun – Sep). The MSWEP precipitation dataset has overestimated the peak flows which is obviously caused by the overestimation of rainfall in the summer season (Jun-Sep). The CFSR dataset performance was poor with negative deviations specifically for the wet season of the year (Jun-Sep). It resulted in underestimation of flow, especially for the peak flows which could be explained by the underestimation of precipitation over the study area. Among the GPPs, ECMWF captures the annual cycle of the measured flow cycle with little deviations. Like the Ikizdere basin, it has proved to perform better for the Blue Nile basin, where both the total water yield and surface flows for the wet has been estimated with good accuracy. The results allign with the previous studies outcomes which concluded that the ECMWF weather data could not only be successfully used in place of surface weather observation records, but also improve hydrological modelling performance. For both study areas, the ECMWF gridded precipitation estimates have been proven to be the most comparable with the observed precipitation suggesting that the dataset could be implimented for mountaneous areas of the world with very scarce ground weather observation stations. Finally, the seasonal average simulated flow of Ikizdere basin was forced with the GCM climate change scenarios and compared with the observed flow at basin outlet. There is consist trend in the forecasted flow for the various GCM projections. There is a dipole of climate projection underperformance in the sense of underestimation for winter & autumn seasons, whereas, overestimating for the spring season. For winter (Dec – Feb) and autumn (Sep-Nov), all the climate models forecast decrease in flow for the river, whereas for the spring season (Mar-May) all the GCMs forecasted an increase in flow. Hence, towards the end of the century, the climate projections indicate a decreasing trend for the winter season and an increasing trend for spring season. This finding agrees with the previous study results where the long-term historical precipitation data analysis demonstrated a decreasing trend in winter season for the Black Sea region. The case is difference for summer season where the GCM scenarios didn't agree on the precipitation projection trend. Generally, the impact of climate change on the seasonal precipitation of the Rize province project a decreasing trend for the winter season and increasing trend for spring season towards the end of the century. When we come to the Blue Nile basin, the GCM scenarios did not agree on the future climate projections. An increase in precipitation as well as river flow from Rosieres is projected by some of the emission scenarios (MIMR and INCM3) throughout the year except in March and April, which increases outflow in the river. Contrary to that, the other scenarios (BCM2 and CSMK3) estimate a decrease in precipitation and outflow. When we have a closer look into the emission scenarios, the A1B scenarios generally predict increased river flow for the Blue Nile river, while B1 predicts decrease in flow. A low flow, especially in summer (Jul-Sep) mean significant reduction in the heads of reservoirs in Ethiopia, Sudan and Egypt which will have a severe impact on the livelihood of people.
-
ÖgeYağmur suyu ızgaralarının hidrolik verimliliğinin makine öğrenmesi yöntemleriyle modellenmesi(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023-01-30) Bayhan, Kayhan ; Özger, Mehmet ; 501191508 ; Hidrolik ve Su Kaynakları MühendisliğiKentler geçmişten günümüze insanlığın gelişimi ile paralel bir şekilde gelişmiş bu gelişmeler kentlere dair yeni inovasyonları getirmiştir. Bu inovatif süreçte kentlerin inşasında düşük geçirimli malzeme kullanımının da artması zamanla yoğun yağış durumlarının daha da sorunlu hale gelmesine sebep olmuş, yağış durumlarında gelen su muhtevasının sel gibi sorunlara sebebiyet vermeden daha kontrol edilebilir alanlara aktarılması için kentsel drenaj sistemlerinin tasarımındaki kullanılan ızgara tipinden, kanalizasyon borularına kadar her ayrıntı önemli hale gelmiştir. Yolda bulunan enine ve boyuna eğimlerden, bölgenin iklim ve zemin şartlarına, bölgedeki nüfus yoğunluğundan, kent planlamasındaki ayrıntılara kadar birçok koşul drenaj sisteminin tasarımında önemle dikkate alınır. Bu çalışmada bu ayrıntılar göz önünde bulundurularak yapılan deney çalışmasında drenaj sisteminde kullanılan birbirinden farklı 6 adet ızgara tipinin yakaladığı su muhtevası verilerini elde etmek ve bu verileri Makine öğrenmesi regresyonu ile değerlendirmek amaçlanmıştır. Öncelikle kentsel drenaj sistemleriyle ilgili geçmişten günümüze yapılan tüm deneysel çalışmalar incelenmiş ve bu çalışmaların ayrıntısı hakkında bilgi verecek özetler çıkarılmıştır aynı zamanda bu ayrıntılara daha kolay vakıf olunabilmesi adına bir tablo oluşturulmuş ve tabloda çalışmaların kim veya kimler tarafından ne zaman yapıldığı, teste tabi tutulan giriş tipi, kullanılan ızgara veya konfigürasyon sayısı, oluşturulan deney düzeneği özellikleri, formülasyon tipleri ve önerilen denklemler hakkında bilgiler verilmiştir. Daha sonra kentsel drenaj sistemleriyle ilgili ayrıntılı bir araştırma yapılmış sistemlerin tasarımında önemli olan ayrıntılar incelenmiştir. Kentsel drenaj sistemlerinin tüm bileşenleri hakkında bilgiler verilmiş gerekli olabilecek denklemlerden bahsedilmiştir. Çalışmanın üçüncü kısmında ise deney çalışması için yapılan deney platformu hakkında ayrıntılar verilmiş ve platformun yapımında dikkat edilen noktalara önemle değinilmiştir. Deney platformu, İstanbul Teknik Üniversitesi Hidrolik ve Su Kaynakları Mühendisliği laboratuvarında oluşturulmuştur. 1,2 m genişliğinde, 6,75 uzunluğunda metal platform kullanılmıştır. Suyun yolun içerisinde kalması için platform kenarları da yine metal plaka ile çevrilmiştir. Yolun enine eğimi, şehir içi yollar için bazı geometrik tasarım kılavuzlarının izin verdiği maksimum enine eğim olan %0 ila %5 arasında değişebilir. Aynı şekilde, dağlık bölgelerdeki yüksek eğimli yolları temsil eden boyuna eğim ise %0 ila %10 arasında değişebilir. Çalışmada da bu kriterleri dikkate alarak %1 ila %5 arasında %1 artarak değişen enine eğim, %1 ila %10 arasında %1 artarak değişen boyuna eğim konfigürasyonları kullanılarak her bir ızgara ve debi koşulu için 50 farklı veri alınmıştır. Deney çalışmasında 6 farklı ızgara girişi için test yapılmıştır. Çalışmada her bir ızgara için 6 farklı debi, 5 farklı enine eğim, 10 farklı boyuna eğim olmak üzere toplamda 300 farklı konfigürasyonda; ızgara girişi başlangıcı akış derinliği (d), ızgara tarafından yakalanan akışın boşaldığı plastik haznenin çıkışında bulunan V çentik savaktaki su yüksekliği (h) ve sisteme bırakılan tüm suyun boşaldığı büyük haznenin çıkışında bulunan V çentik savaktaki su yüksekliği (H) ölçülmüştür. Çalışmanın dördüncü kısmında ise elde edilen verilerin değerlendirilmesi için izlenecek süreçlere değinilmiş ve kullanılan yöntemler hakkında ayrıntılı bilgiler verilmiştir. Bu araştırma kapsamında makine öğrenmesi uygulamasına tabi tutulmak üzere toplam 1800 deneysel veri elde edilmiştir. Elde edilen veriler makine öğrenmesi tekniği ile regresyon uygulamasına tabii tutulmuştur. Makine öğrenmesi için çeşitli algoritmalar geliştirilmiş ve bu algoritmalar birçok parametreye bağlıdır. Bu parametrelerin ayarı doğru sonuçları elde edebilmek adına mühim bir noktadır. Parametrelerin ayarı için optimizasyon algoritmaları kullanılmıştır. Makine öğrenmesi modellerini eğitmek için tüm veri kümesi eğitim (%70) ve test (%30) olmak üzere iki ana bölüme ayırılmıştır; eğitimde ise makine öğrenmesinde yaygın olarak karşılaşılan sıkıntı olan Aşırı Öğrenmeyi (Overfitting) önlemek için 5 kat çapraz doğrulama gerçekleştirilmiştir. Orijinal veri seti sayısal değerler içerdiğinden, bu çalışma K-En Yakın Komşu algoritması (KNN), Rastgele Orman algoritması (RF), Destek Vektör Makinesi algoritması (SVM), Yapay Sinir Ağı (ANN) regresyon uygulamalarını ele almıştır. Ek olarak, bu algoritmaların hiperparametre ayarını gerçekleştirmek için bu algoritmaların modelleri, gelişmiş teknoloji ürünü meta-sezgisel optimizasyon algoritmaları olan Yapay Arı Kolonisi algoritması (ABC), Yerçekimsel Arama algoritması (GSA), Guguk Kuşu Arama (CS) algoritması, Parçacık Sürüsü algoritması (PSO) ve Genetik algoritma (GA) ile hibritleştirilmiştir. Optimizasyon sürecinde parametre aralıkları tanımlanmış ve optimum model parametrelerine ulaşmak için toplam 1.000 konfigürasyon taranmıştır. Son olarak sonuç ve öneriler kısmında elde edilen sonuçların değerlendirilmesi yapılmıştır. Sonuçların değerlendirilmesiyle birlikte gerekli görülen yeni önerilerde sırasıyla ifade edilmiştir.
-
ÖgeFizik tabanlı tam yayılı hidrolojik modellerin kalibrasyonunda uydu tabanlı verilerin kullanılması(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023-01-31) Avcuoğlu, Muhammet Bahattin ; Demirel, Mehmet Cüneyd ; 501072503 ; Hidrolik ve Su Kaynakları MühendisliğiHidrolojik model parametreleri geleneksel yaklaşımda havza çıkışında gözlenen günlük nehir akım verileriyle tahmin edilmeye çalışılır. Modern yaklaşımda ise akım verileri yanında herkese açık uydu tabanlı uzaktan algılama verilerinden de azami istifade edilmeye çalışılır. Uzaktan algılama verilerinin kullanıldığı yöntem ile ulaşılan alansal model çıktıları, sadece akım verisiyle elde edilen noktasal iyileştirme sonuçlarına göre daha tutarlı ve güvenilirdir. Bu nedenle fizik tabanlı sonlu elemanlar yöntemiyle çalışan matematiksel havza modellerinin uydu verileriyle kalibrasyonu dünyada giderek yaygınlaşmaktadır. Bu çalışmamızın amacı uzaktan algılama yöntemleriyle elde edilmiş buharlaşma ve terleme verilerinin hidrolojik model kalibrasyonuna etkilerini araştırmaktır. Bunun için veri kalitesi yüksek Fransa'nın Vienne havzasında fizik tabanlı tam yayılı mHM modeli kurulmuş ve 11 senaryolu kalibrasyon deneyleri yapılmıştır. 2002-2014 kalibrasyon dönemindeki modelin akım benzeşim performansı modelin günlük akım çıktıları ile gözlenen akım değerleri arasında hesaplanan KGE, modelin alana yayılı fiziksel performansı ise mHM'in uzun dönem (2002-2014) aylık buharlaşma ve terleme (AET) raster çıktı haritaları ile referans MODIS-AET raster haritaları arasında üçer aylık üç dönemde (1. dönem: Mart, Nisan, Mayıs, 2. dönem: Haziran, Temmuz, Ağustos 3. dönem: Eylül, Ekim, Kasım için) hesaplanan SPAEF değerleri ile ortaya konmuştur. 1998-2001 arası 4 yıl ön koşturma (spin-up) dönemi olduğundan performans hesaplarına dahil edilmemiştir. Model parametreleri Ostrich yazılımı içerisinde bulunan 750 iterasyonlu paralel pareto-DDS (PARA-PADDS) yöntemi kullanarak kalibre edilmiştir. Sonuçlara göre, sadece havza çıkışında konumlandırılan bir tek akım gözlem istasyonundan elde edilen akım verilerinin kullanıldığı kalibrasyonda (senaryo 1) modelin akım performansı beklendiği gibi çok yüksek (KGE 0.91, maksimum değeri 1); modelin AET performansı ise üç dönemde de çok düşüktür (SPAEF -0.16, -0.21, -0.26). Havza çıkışındaki AGİ ve nehrin farklı alt kollarında konuşlu 3 AGİ'den alınan akım verileriyle 4 AGİ'li kalibrasyonda (senaryo 2) ortalama KGE 0.91'den 0.37'ye düşerken ve üç dönemin SPAEF değerleri -0.72, 0.76, 0.55 olmuştur. Tek AGİ ve uydu verili kalibrasyonda (senaryo 3) akım performansında 0.91'den düşme çok sınırlı olmuş (KGE 0.90), bunun yanında AET performansı üç dönemde de önemli oranda iyileşmiştir (SPAEF 0.64, 0.77, 0.74). Akım ölçümü hiç olmayan sadece uydu verili kalibrasyonda (4. senaryo) su dengesi sağlanamamış (KGE -0.24), üç dönemde SPAEF 0.39, 0.69, 0.67 değerlerini almıştır. Veri eksikliği yaşanan havzalar için iki senaryo (5 ve 6) kurgulanmıştır. Bir yılda ve sadece her ayın ortasında tek ölçüm, toplamda 12 adet akım verisi ve MODIS-AET uydu verisiyle kalibrasyonda (senaryo 5) su dengesi ve AET performansının iyileştiği gözlemlenmiştir (KGE 0.67 ve üç dönemde SPAEF 0.65, 0.82, 0.76). MODIS-AET yanında sadece bir yıllık günlük akım verileri kullanılan 6. senaryoda KGE 0.72 ve üç dönemde SPAEF 0.64, 0.80, 0,79 değerlerini almıştır. Kurgulanan diğer 5 farklı senaryoda karasal gözlemler yerine global akış verilerinden elde edilen zaman serileri kullanılmıştır. Bu diğerlerinden farklı 5 senaryoda bilhassa hiçbir ölçüm verisinin olmadığı havzalarda çok amaçlı çoklu kalibrasyon yaklaşımının karasal gözlemlerden tamamen bağımsız olarak yürütülüp yürütülemeyeceği sorusuna cevap aranmıştır. ERA5_LAND ve GLDAS akış verilerinin kullanıldığı senaryolarda uydu verisi MODIS-AET kullanılmıştır. Bu senaryolar içinde S11`de GLDAS ve MODIS-AET aylık ortalamalar ile yapılan çok amaçlı çoklu kalibrasyonda su dengesi önemli ölçüde sağlanmıştır. Bu senaryo kurgusunda diğerlerinde olduğu gibi karasal gözlemlerin bulunmadığı kabulünden yola çıkarak akış verisi ve AET verisi ücretsiz olarak uydu ve uydu bazlı yeniden analiz ürünü olarak temin edilmiştir. GLDAS global yeniden analiz ürünü yayılı akış verileri uzun yıllar ortalması 12 aylık zaman serilerine dönüştürülerek MODIS`den alınan yayılı AET verileri ile birlikte kalibrasyonda kullanılmıştır. KGE değerinin 0,37`ye çıkmasına rağmen SPAEF değerlerinin sırası ile 0,63; 0,78 ve 0,75 değerlerini alması diğerleri ile kıyaslandığında su dengesini önemli ölçüde sağlamıştır. S7 senaryosunda 2002-2014 yılları arası ERA5_LAND akış verisinin zaman serileri kullanılırken MODIS AET verileri patern yönünden hedeflenmiştir. Bu kurguda KGE değerleri sıfıra yakın çok küçük değerler alırken SPAEF okumaları HTA ve EEK dönemlerinde yüksek okumalar vermiştir. Fakat su dengesi sağlanamamıştır. S8 kurgusunda ERA5_LAND için 2002-2014 arası uzun dönem aylık veriler kalibrasyonda kullanılmıştır. MODIS AET veriside çok amaçlı çoklu kalibrasyonun diğer amaç fonksiyonuna konu edilen alansal girdisi olmuştur. Bu kurguda SPAEF değerlerinin yüksek değerler alması (0,64; 0,78; 0,73) yanında KGE okumaları sınırlı bir iyileşme göstermiştir (0,18). Her ne kadar havzanın fiziki temsili iyileşmiş olsada su dengesi sınırlı kalmıştır. 9 numaralı senaryoda akış verisi uzun yılların ortalaması alınarak aylık toplamlar şeklinde akış serilerine sokulurken kalibrasyon için bir diğer girdi yine MODIS AET olmuştur. Bu kurguda SPAEF değerleri önemli ölçüde yükselme gösterirken (0,63; 0,77; 0,80) KGE değeri eksi değerler alarak (-0,18) su dengesinden uzaklaşılmıştır. S10 için yapılan kurguda hatanın amaçlandığı akış serileri ve patern yönünden amaçlanan AET verileri ERA5_LAND ürünü olarak temin edilmiş ve kalibrasyonda başka bir veri kullanılmamıştır. ERA5_LAND akış ve AET verileri uzun yıllar aylık ortalamalar şeklinde kalibrasyonda kullanılmıştır. Bu kalibrasyon neticesinde elde edilen debi ve AET simülasyonlarına ait benzeşim başarısı KGE için -0,23 değerini alırken SPAEF değerleri sırası ile 0,02; 0,29 ve 0,37 değerlerini almıştır. Su dengesinin en fazla bozulduğu ve performansı en düşük olan senaryo kurgusu burada ortaya çıkmıştır. Global ürünlerle yapılan kalibrasyonda en iyi performansı S11 senaryosu sağlarken en kötüsünü S10 sağlamıştır. Sonuçlarımız akım ölçümleri eksik ve yetersiz havzalar için ümit vericidir. Bu çalışma, fizik tabanlı modellerin uydu verileri ve uygun amaç fonksiyonları ile kalibre edildiklerinde havzanın fiziğiyle uyumlu, su dengesini de bozmayan optimum parametre setine ulaşılabildiğini göstermiştir. Bir diğer önemli çıktı ise karasal gözlemlerin hiç olmadığı bir havzada dahi ücretsiz uydu verileri ve global ürünler kullanılarak kalibrasyon başarısı sağlanabilmektedir.
-
ÖgeThe influence of instream formations on hydraulic characteristics in natural lowland rivers( 2023-05-24) Heidari, Naghmeh ; Yağcı, Oral ; Aksel, Murat ; 501162508 ; Hydraulics and Water Resources EngineeringMidchannel islands are ubiquitous geomorphic units in lowland rivers running through forest biomes. These self-forming natural obstacles exposed to flow regulate the river morphodynamics and bring about ecological productivity. The trilateral interactions between flow, sediment, and vegetation render the key dynamics behind the emergence of midchannel islands. Islands and bars can be erosion-based or accretion-based formations. Erosion-based islands are detached from a continuous floodplain. On the other hand, depositional islands form due to the aggradation of sediment and woody debris where the circumstance and flow regime are suitable for development of the pioneer entities. As a common form of the midchannel island, this study focuses on the latter case. During the high flow period, riparian vegetation can be uprooted and carried by flow. Once this vegetation is situated downstream, the root system resists erosion, and fluvial sediments start accumulating. The interaction between resisting factors and the consequent flow disturbance leads to island stabilization and further expansion. The emergence of midchannel islands in river corridors modifies the flow structures. As a result, the secondary flow patterns influence the river eco-geomorphology. These in-stream landforms were conventionally considered the source of unpleasant hydraulic resistance. However, island removal could cause negative environmental consequences and channel degradation. The purpose of this thesis was to unveil the key eco-geomorphological outcomes of midchannel islands by evaluating the flow structures around them. Accordingly, the different analyses were conducted on the individual scale, reach scale, and basin scale. The synthesis of the achieved results and the pertinent literature revealed valuable outcomes of island presence in lowland rivers. Obtained knowledge from this study can be useful in river restoration projects where deforestation, urbanization, and simplifying the natural channels brought about the degradation of the riverine environment. For the first part of the study, three major rivers in Turkey were chosen. The GIS tools helped to identify midchannel islands in these rivers. The basin-scale analysis showed the comparability of the midchannel islands due to the similarity in the basin characteristics. Since the development of the depositional islands experiences the same procedure in different rivers, a characteristic one was arbitrarily chosen among the islands of the three examined rivers. Afterward, its geometry was utilized for numerical models. The individual-scale and reach-scale analyses were carried out based on the Reynolds-averaged Navier–Stokes model. In the numerical flume, the planform of the characteristic midchannel island was scaled up and scaled down to mimic the island expansion from the pioneer to the mature one. The simulations included two types of channels with rectangular and trapezoidal cross-sections. The results showed that the presence of a midchannel island alters the flow patterns in the channel. This modification leads to channel adjustment which was observed by Landsat imagery. The significant outcome of the island presence is channel incision in its downstream zone. The channel incision in the river bottom induces a deeper and narrower cross-section, which provides the channel stability. In addition, the velocity fluctuations in the side channels and large-scale counter-rotating streamwise vortices in the wake zone make remarkable morphological changes. The asymmetrical distribution of flow patterns due to the asymmetry of island geometry triggers the meandering process, which is very advantageous for the river. Moreover, the water depth increase in the upstream side of the island enhances the base flow. All these positive outcomes demonstrate that preserving midchannel islands is vital in river corridors. Investigating the flow structures around a midchannel island was conducted from another perspective in the second part of the numerical studies. The self-streamlining mechanism of a natural obstacle against the flow alters the geometrical characteristics of the body over time. To perform the precise analysis of the streamlining effect, the circular cylinder was modeled first due to the availability of the experimental dataset for model validation. Subsequently, the circular planform was modified to a streamlined island which is a well-known hydrodynamic form. By keeping the same initial and boundary conditions, the planform of the characteristic island extracted from satellite views was imposed on the model. Since the realistic geometry of the midchannel island is not two-dimensional like the above-mentioned obstacles, the three-dimensional island by adding the slopes was modeled as the last scenario. This comparative analysis between four scenarios helped to understand the role of the island's three-dimensionality in the generated flow patterns. The comparison between flow patterns in the wake region of different obstacles shows that the realistic midchannel island gains more hydrodynamic form towards the channel bed. Therefore, the three-dimensional obstacle has highly variable flow structures along the depth of the body. Furthermore, the lee-wake vortices have a disorganized pattern due to the asymmetrical geometry of the natural body. Besides, the streamlining process weakens the strength of secondary flows, which leads to their gradual recovery in the downstream area. This condition brings about ecological heterogeneity and benefits aquatic life. Providing the dissolved oxygen for microorganisms of the hyporheic zone through vertical exchange of water, fulfilling the fish spawning criteria, enhancing the swimming speed of the fish species by turbulence, providing the wide range of flow velocities that favor the invertebrates, and many other ecological services by midchannel islands cannot be overlooked. The basin-scale analysis was conducted to find the relationship between midchannel islands and the river basin characteristics. The occurrence and distribution of midchannel islands in different rivers of the world were investigated utilizing GIS tools. The studied rivers belong to specific ecoregions, in which the vegetated islands are abundant in their major rivers. The morphometric and hydrological characteristics of the river basins were determined for the aim of this study. Finally, the morphometric analysis of the individual midchannel islands and their temporal evolution were investigated. Midchannel islands are abundant in the ecoregions with high vegetation cover. Accordingly, the major rivers from tropical/subtropical forests, temperate broadleaf/grassland, and boreal forests were examined. The results revealed the relationship between basin elevation and the distribution of midchannel islands. As the relief thus the mean slope is lower in a basin, the midchannel islands start appearing earlier in the river. Furthermore, the midchannel islands' density has a relationship with sediment yield. The basins with higher sediment yield have more midchannel islands in their existing length.
-
ÖgeHidrolojik sapan değer tespitine yeni bir yaklaşım(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023-05-26) Dede, Ahu ; Ağıralioğlu, Necati ; 501082504 ; Hidrolik ve Su Kaynakları MühendisliğiBu çalışmada hidrolojik verilerde sapan değer tespiti için 1926 – 2012 arası Türkiye genelinde 129 istasyonda aylık ortalama sıcaklık (°C), bağıl nem (%) ve toplam yağış (mm) kullanılmıştır. Sapan değer tespiti, geliştirilen grafiksel OSMA (olmayan sapma miktarlarının adetleri) yöntemiyle yapılmış, grafiksel histogram ve kutu grafiği yöntemleriyle kıyaslanmıştır. OSMA yönteminde verilerin sapma miktarlarından olmayanlarının adetleri incelenir.