LEE- Hidrolik ve Su Kaynakları Mühendisliği Lisansüstü Programı

Bu topluluk için Kalıcı Uri

http://hdl.handle.net/11527/19298

Gözat

Assessing 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 Engineering

Hydrological 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.
Comprehensive 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 Engineering

Floods 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.
Dağılı bir hidrolojik model kullanarak Konya kapalı havzasında eksik akım verilerini doldurma ve çoklu istasyon kalibrasyonu

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023-05-05) Ergün, Enes ; Demirel, Mehmet Cüneyd ; 501201508 ; Hidrolik ve Su Kaynakları Mühendisliği

Nehirler üzerindeki yapıları tasarlamak, planlamak ve işletmek için su kaynakları mühendislerinin eksiksiz akım verilerine ihtiyaçları vardır. İstatistiksel olarak anlamlı sonuçları ortaya çıkarmak için eksik veri içermeyen, yeterli uzunlukta gözlemler olmalıdır. Yıllar içinde ise bu veriler gerekli aletler ile kayıt altına alınmaya çalışılmıştır. Ancak, Manuel kayıt sırasında gösterge aletinin arızalanması, hava koşullarının değişmesi gibi farklı nedenlerle ölçümlerde eksik kısımlar olabilir. Eksik verilerin bulunması modellerde istenmeyen sonuçlar ortaya çıkarabileceğinden bu eksik veriler çeşitli yollarla doldurulmaya çalışılmıştır. Eksik verilerin doldurulması için ise zaman içerisinde farklı metotlar geliştirilmiştir. \\Bu çalışmada, Moselle Havzası ve Konya Kapalı Havzası (KKH) gibi yağış yönünden farklı iki havza için bir yıllık veri açığını tamamlamak üzere uzaktan algılanan yaprak alan indeksi (YAİ) verileriyle birlikte dağılmış bir hidrolojik model kullanmanın etkinliği değerlendirilmiştir. Veri kalitesinin ve uzunluğunun sonuçlar üzerindeki etkisini göstermek için Moselle Havzası'ndan Cochem istasyonu ve Konya Kapalı Havzası (KKH)'dan D16A100-Küçükmuhsine akım gözlem istasyonu (AGİ) kullanılmıştır. Modelin sonuçlarının tüm havzada değerlendirilebilmesi için dağılmış model tüm KKH için simüle edilmiştir. Modelin tamamının KKH'ya uyarlanmasında ise havza içerisinde bulunan 70 den fazla AGİ'nin verisi kullanılmıştır. İstasyon verilerde yıllar içerisine yayılmış küçük boşluklar için istatistiksel boşluk doldurma yöntemleri geliştirilmiş olduğundan, boşluk zamanının modele etkisi, yani akım zaman serisinin başından, ortasından veya sonundan rastgele seçilen bir yıllık boşluğun model kullanılarak analizi ile modelin veri doldurma verimi test edilmiştir. Nash–Sutcliffe Verimliliği (NSE), Kling-Gupta Verimliliği (KGE) ve Alansal Verimlilik (SPAEF), boşluk doldurmada hidrolojik model (mHM) performansını değerlendirmek için kullanılmıştır. Modelde her istasyon için baştaki 1 yıllık eksik veri simülasyonu yapmak amacı ile sonraki 1 yıl ısınma periyodu olarak, kalan akım verilerinin yarısını kalibrasyon diğer yarısı ise validasyon verisi olarak kullanılmıştır. Ortadaki 1 yıllık eksik veri simülasyonu yapmak için ise en baştaki 1 yıl ısınma periyodu olarak, kalan akım verilerinin boşluğa kadar olan yarısını kalibrasyon boşluktan sonraki yarısı ise validasyon verisi olarak kullanılmıştır. Sondaki 1 yıllık eksik veri simülasyonu yapmak için ise en baştaki 1 yıl ısınma periyodu olarak, kalan akım verilerinin yarısı kalibrasyon, diğer yarısı ise validasyon verisi olarak kullanılmıştır. Bu simülasyon haricinde GR4J modeli ile Cochem istasyonunda simülasyonlar da yapılmıştır. Bu simülasyon da dağılmış model olan mHM ile karşılaştırılmış, iki modelin performans değerlendirmesi yapılmıştır. Modelde ayrıca debi değerleri haricinde havzanın diğer model çıktıları dağılmış hidrolojik model ile elde edilmiş, bu hidrolojik bulgular da yağış verileri ile kıyaslanmıştır. Sonuçlar, mHM'nin sürekli meteorolojik girdiler kullanarak kalibrasyon periyodu boyunca her iki havzadaki (KGE 0.88'in üzerinde) akış dinamiklerini simüle edebildiğini göstermektedir. Ayrıca, kaliteli girdiler ve yeterli uzunlukta kalibrasyona sahip olmanın, bir yıllık uzun veya daha kısa ancak sık boşlukları başarılı bir şekilde doldurmanın anahtarı olduğu gösterilmiştir. Sonuçlar ayrıca mHM'nin Cochem (Moselle)'deki eksik verileri Küçükmuhsine (KKH) istasyonundan alınan verilerden daha iyi tahmin ettiğini göstermektedir. Bu sadece Cochem'in kaliteli ve uzun verileri nedeniyle değil, aynı zamanda Moselle'deki yağmurla beslenen akış rejiminin aralıklı nehirlere kıyasla tahmin edilmesinin daha kolay olmasından kaynaklanmaktadır.
Dam break induced flood analysis by soft computing techniques

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-06-03) Akdemir, Halid ; Bayındır, Cihan ; 501201513 ; Hydraulics and Water Resources Engineering

Water 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.
Development of drought intensity-duration-frequency curves based on standardized climatic indices using physical variables, deficit in precipitation and deficit in streamflow

(Graduate School, 2023-11-13) Çavuş, Yonca ; Aksoy, Hafzullah ; Stahl, Kerstin ; 501192503 ; Hydraulics and Water Resources Engineering

Drought is a natural disaster that causes water scarcity and affects the population seriously in many ways such as economic, social and environmental impacts. These effects have been further aggravated by rising demands for agricultural, municipal and industrial water, etc. due to the growing population coupled with rising life standards and increasing industrialization in the world. Compared to other natural hazards, drought is among the most damaging disasters as it develops slowly over a considerable period of time that may linger for several years even after the drought has terminated. How important the drought is in the sustainability of water resources requires an extra effort to understand and explain. Domestic use, agriculture, industry, energy, tourism and many more sectors are exposed to drought, which has a direct impact on ecology, economy and society. As one of the least understood hydrological phenomena, drought stands as both a technical and social problem. This is a great motivation to explore drought concepts and methodologies in this thesis by extending them from their quantitative technical context to qualitative social context. Case studies were performed in two river basins with different climatic characteristics. One is Seyhan River Basin in the south of Turkey with a Mediterranean climate, and another is the Kocher catchment in the southwestern corner of Germany with a humid subtropical climate. In the literature, the drought is commonly analyzed by the use of available hydroclimatic or hydrologic data with little in-depth consideration of specific major dry periods experienced over a region. Also, it is not a common practice to assess the probability of drought categories with a rolling time series and hence the changing knowledge for operational drought monitoring. A combination of such quantitative analysis with a comprehensive qualitative assessment of drought as a human-water relation aimed to fill this gap by performing a case study in the Seyhan River Basin, Turkey. Therefore, the first part of this thesis focuses on non-stationary rolling time series analysis together with the stationary full-record time series analysis and the individual major dry period analysis. Six major dry periods were identified from the precipitation time series of 19 meteorological stations. Dry periods extended over 1970-1974, 2002-2008, and 2013-2015, known also as droughts of 1974, 2008, and 2014, respectively, should particularly be noted among all as they affected several sectors in the river basin with the long-lasting deficit in water. Major dry periods were analyzed by rolling time series and full time series, and they were also analyzed individually. The results show that significantly higher probabilities were calculated for extreme droughts with the use of individual major dry periods. An important outcome of the study is that drought is underestimated in practice with the sole use of the whole data record. Also, a major dry period could be important in terms of its duration while another in terms of its severity or intensity. Each major dry period has its own impact on human-water relations that can be influential on drought mitigation, management and governance. The second part of the thesis investigates the statistical properties of drought characteristics for a better understanding of drought to mitigate its negative impacts and improve drought management strategies. Differently from the common approach based on the run theory, the hypothesis is that drought is different from the dry period and dry periods identify droughts of different durations. Up to now, no attention has been paid in this sense to the statistical properties of dry periods versus those of more severe and impactful droughts as separate phenomena. The study shows how different the statistical properties of dry periods and droughts are by quantifying them with the Standardized Precipitation Index (SPI) together with the total probability theorem-coupled frequency analysis. The study tests four concepts in this context: (1) Dry period, (2) Critical drought for a dry period, (3) Critical drought for a year. The results uncover the high number of droughts, which are not addressed in the run theory, and reveal more intense droughts that are masked within the dry periods. Specifically, the drought impact is more often related to drought intensity than severity and duration. In addition, the dry period is less intense than other concepts. Among the droughts newly proposed, critical droughts are the most intense concepts. This demonstrates that drought characteristics calculated for the drought concepts are different from the common approach of the dry period. The difference among the concepts is large enough to carry potential implications for local or regional scale drought management planning. In the third study, drought intensity-duration-frequency (IDF) curves were developed by using the critical drought identified in the second study. The drought IDF curves are based on precipitation and streamflow deficits because drought estimates in terms of physically measurable variables are key knowledge for effective water management. However, how these deficits vary with the drought event severity indicated by commonly used standardized indices is often unclear. Drought characteristics assigned the same value in the index are not necessarily the same in different regions, and in different months of the same region. The study investigates drought to remove this disadvantage of the index-based drought IDF curves and develop intensity-duration-frequency (IDF) curves in terms of the associated deficit. In order to study the variation of deficits, the link between precipitation and streamflow was used, and the associated indices, standardized precipitation index (SPI) and standardized streamflow index (SSI). More specifically, the analysis relies on frequency analysis combined with the total probability theorem applied to the critical drought severity. The critical drought has varying durations and it is extracted from dry periods. IDF curves in terms of precipitation and streamflow deficits for the most severe drought of each drought duration in each year are then subject to the comparison of statistical characteristics of droughts for different return periods. Precipitation and streamflow data from two catchments, the Seyhan River (Turkey) and the Kocher River (Germany) provide examples of two climatically and hydrologically different cases. A comparison of the two cases allows to test a similar method in different hydrological conditions. The results show that precipitation and streamflow deficits vary systematically reflecting seasonality and the magnitude of precipitation and streamflow characteristics of the catchments. Deficits change from one month to another at a given station. Higher precipitation deficits were observed in winter months compared to summer months. Additionally, major droughts experienced in both catchments on the IDF curves show that the major droughts have return periods at the order of years at short durations. This coincides with the observation in the catchments and shows the applicability of the IDF curves. The IDF curves can be considered a tool for the use in a range of specific activities of agriculture, ecology, industry, energy, water supply, etc. This is particularly important to end-users and decision-makers to act against the drought quickly and precisely in a more physically understandable manner. Other than quantitative methodologies, drought was also analyzed by a qualitative approach. Using the causal loop diagram, the drought event of 2008 observed in the Seyhan River Basin was taken as an example to focus on the identification of bidirectional feedback between humans and water under drought conditions. This particular drought is short but severe as it coincided with the least amount of precipitation ever recorded in the river basin. It is an important example because it gave an impetus to the governmental water authorities to initiate basin-scale drought management plans. The quantitative and qualitative data collected for this drought were used in the causal loop analysis. The causal loop diagram shows that short-term measures under economic, structural and conservation frameworks can only provide temporary solutions which may aggravate drought impact. A sustainable water availability under drought conditions can only be achieved by long-term reactions such as drought management plans. In summary, the thesis contributes to drought analysis research by proposing new methodologies and drought concepts. The outcomes of the study underline the need for such drought analyses. The analysis of the conceptualization reveals strong differences among the statistical properties of the drought characteristics. Moreover, the thesis emphasizes the region-specific characteristics of drought that need to be considered for drought management strategies.
Disaggregation 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 Mühendisliği

A 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.
Dolusavak plaka boşlukları boyunca akım ve türbülans karakteristiği

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2024-07-19) Özün, Muhammed Fatih ; Çokgör, Şevket ; 501211506 ; Hidrolik ve Su Kaynakları Mühendisliği

Bu çalışma, akım özelliklerini, özellikle de boşluklu düz tabana yakın türbülans özelliklerini kapsamaktadır. Dolu savaklar ve düşüm havuzları gibi su yapıları, doğaları gereği yüksek akım koşulları altında çalışırlar. Bu yapılar, taşkına bağlı olarak yüksek deşarjları mansaba güvenli bir şekilde göndermek için tasarlanmıştır. Geçmişte bu tür yapılarda bazı yapısal arızalar gözlemlenmiştir. Dickinson Barajı'nda 1954'te, Big Sandy Barajı'nda 1983'te, Keban Barajı'nda 1974'te, Malpaso Barajı'nda 1973'te (Meksika), Bhakra Barajı'nda 1967'de (Hindistan), Bratsk, Boutcharninsk, Pavlovsk, Krasnoiarsk and Sayano - Sushenskoe Barajlarında 1975'te (Sovyet Birliği), Tarbela Barajı'nda 1979'da (Pakistan) ve son olarak Oroville Barajı'nda 2017'de meydana gelen dolu savak şutu arızaları, şut beton plakalarının hidrolik kaldırmasından kaynaklanmıştır. Örneğin, Malpaso Barajı'ndaki düşü havuzunu (100x50x26 m) korumak için koyulan beton tabakaların (12x12x2 m) 3000 m3/s'lik deşarj sonunda tamamının gittiği (10.000 m3'lük beton) ve tabanın oturduğu ana kayanın da 6 m oyulduğu görülmüştür. Hidrolik jacking, yukarı kaldırma kuvvetleri tabakanın ağırlığını, ankrajların kapasitesini ve plakanın üstündeki su basıncını aştığında meydana gelir. Bu dolu savakların inşası sırasında, düşüm havuzlarının beton tabanı belirli boyutlardaki plaklarla değiştirilmiş ve plakların yukarı kaldırma kuvvetlerine karşı stabilitesi kendi ağırlıkları ve gerektiğinde ankrajlarla sağlanmıştır. Gözlemler, bu tür yapıların arızalarının plakaların birleşme kısımlarından (plakalar arasındaki boşluk) başladığını göstermektedir. Göçük mekanizmasının daha iyi anlaşılması ve fiziksel temelli bir modelin geliştirilmesi, dolu savakların, sediment baypas tünellerinin ve tabaka göçüğüne eğilimli diğer hidrolik yapıların güvenli tasarımı ve sürdürülebilir kullanımı için kilit öneme sahiptir. Düşüm havuzları ve dalma havuzlarında kaya bloklarının veya beton plakaların yukarı kalkması üzerine yapılan çok sayıda çalışmaya rağmen, dolu savak şutlarında yükselme üzerine çok az çalışma yapılmıştır. Türbülanslı akım ile plakalar ve bağlantılar etrafındaki dinamik basınç dalgalanmalarının yüksek sel rejimi akımlarda plakanın yukarı kalkmasına neden olacak şekilde nasıl etkileşime girdiği konusunda hala bilgi eksikliği bulunmaktadır. Sunulan çalışma, sistematik bir laboratuvar araştırması yürüterek bu araştırma boşluklarını doldurmayı amaçlamaktadır. Bu nedenle, laboratuvarda tabana yakın devir daim kanalında ayrıntılı hız ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Sunulan makalenin ana araştırması, ana akım (kanaldaki akım) ve levhalar arasındaki boşluktaki akımın etkileşimidir. Deneyler, 12x0.5x0.5 m boyutlarındaki laboratuvar kanalında, 10 mm pleksiglas tabanın gerçek tabanla değiştirildiği ve farklı boşlukların bırakıldığı, aynı seviyede tutulan memba ve mansap levhaları arasındaki boşluğun simüle edildiği bir ortamda gerçekleştirilmiştir. Savak kapağı, akımı kritik üstü akım koşullarının yanı sıra kritik altı akım rejimleri boyunca zorlamak için yukarı yönde değiştirilmiştir. Deşarj ölçümleri dik açılı v-çentikli savak kullanılarak yapılmış, su derinliği nokta ölçerlerle belirlenmiştir. Hız ölçümleri 2D parçacık görüntülü hız ölçümü (Particle Image Velocimetry – PIV) kullanılarak oluşturulmuş, türbülans yoğunlukları ve türbülans kayma gerilmesi değerleri bu hız ölçümleri kullanılarak belirlenmiştir. Kritik altı ve kritik üstü akım koşulları için çeşitli Froude sayısı ölçümleri incelenmiştir. Deneysel sonuçlar, plakalar arasındaki boşluk üzerindeki akımın kararlı olmadığını ve plakalar arasındaki boşluk genişlediğinde, boşluktaki akım-ana akım etkileşiminin önemli hale geldiğini göstermiştir. Boşlukta vorteks oluşmuş ve plakalar arasında emilmiş ve mansap plakalarının memba kenarı üzerinde belirsiz akış koşulları oluşmuştur.
Effect of dynamic pet scaling with LAI and aspect on the spatial performance of a distributed hydrologic model

(Graduate School, 2023-01-23) Demirci, Utku ; Demirel, Mehmet Cüneyd ; 501191520 ; Hydraulic and Water Resources Engineering

There are many valuable materials in world but non of them is as vital as water. Humankind has wanted to control water throughout history. First calendars were invented to predict dry and wet seasons. Floods of rivers were calculated, and irrigation systems designed. Astronomy was used to monitor the movements of Sun, Moon, and Earth to predict tides. Therefore, desire to control water is important reason to lead people to build megastructures. Today, huge dams were built for irrigation, flood control, water supply and energy production for cities. With the advancement of technology, opportinutities and development in observation system are increased. For example, Global Navigation Satellite Sysytem (GNSS), photogrammetry, Light Detection and Ranging (LIDAR) and Radio Detecting and Ranging (RADAR), Geographic Information System (GIS), and remote sensing. Additionally, surveying, and geological techniques are developed. Therefore, to improve model many different parameters are taken consideration. For example, temperature, humidity, soil type parameters, vegetation, aspect etc. In this thesis, we examine the effect of leaf-area-index (LAI) and aspect together on the model simulated actual evapotranspiration (AET) and water balance. Evapotranspiration covers both water evaporation and transpiration. The mesoscale Hydrological Model (mHM) which is fully distributed model process calibration the cycle for five different cases. PET correction driven by neither LAI nor aspect in Case 0. The purpose of adding this case to see the vegetation and aspect effect by comparing other cases. Aspect driven results have been checked in Case 1. Aspect defines direction of slope faces. Aspect is a degree that takes values from 0 to 360. LAI driven results have been checked in Case 2. LAI is the ratio between the vegetation area and the total area. Therefore, LAI is a unitless parameter. LAI, and aspect driven by the weight number results have been checked in Case 3. LAI, and aspect correction numbers are multiplied for PET correction and the results were checked in Case 4. Study area was selected as Main Basin where is part of the Middle Rhine in Germany. Main Basin was selected because gauge station of basin has longterm discharge data without missing values. Static maps (DEM, land use, soil maps etc.), temperature, and precipitation inputs between 2002 and 2014 are added to mHM. Flow values are taken from Global Runoff Data Center (GRDC). Spatial maps are referenced from datasets of moderate resolution imaging spectroradiometer (MODIS), European observation (E-OBS), and The Shuttle Radar Topography Mission (SRTM). To improve water balance and spatial pattern of AET simulations, Kling-Gupta Metric (KGE) and Spatial Efficiency Metric SPAEF are used. For water balance simulation, one outlet gauge is used for calculations with objective function of KGE. For spatial pattern of AET, objective function of SPAEF is used. Best solutions and sensitivity of parameters were selected by sum of objective functions of KGE and SPAEF. In the continuation of study, the Parameter Estimation Tool (PEST) was used for sensitivity analysis and twenty-six parameters were selected. These sensitive parameters selected according to objective functions. Accoording to result, sensitive parameters contain especially LAI, aspect, and soil parameters. Selected parameters calibrated for each case by using Optimization Software Toolkit (OSTRICH) with Pareto Archived Dynamically Dimensioned Search (PADDS) algorithm. According to best result of each case, Case 3, and Case 4 show better performance than other cases both on water balance and spatial pattern of AET. This result show that using both LAI and aspect increase simulation performance of mHM. Case 2 also show better performance than Case 1 and Case 0. In this way, LAI corrected PET made simulation on streamflow and spatial pattern of AET better than aspect corrected case, and not corrected case. Raw PET water balance result is better than aspect corrected one. Best result of Case 3 is closer to the theoretical best sum of SPAEF and KGE than Case 4. That result show that using weight parameter (alphax) exhibited slightly better result than multiplied LAI and aspect corrected case. However, except best solutions Case 4 has better solution than Case 3 for only SPAEF. Additionally, validation with six gauges was done. Case 3 and Case 4 showed better KGE performance than other case. Especially Case 3 similarity with observed discharge is much higher than other cases with six gauges validation. Although the thesis is based on one basin study area, the findings suggest validating and calibrate AET and discharge by using both LAI and aspect.
Ege ve Batı Akdeniz Bölgesi'nde düşük akımların analizi ve mevsimselliğinin belirlenmesi

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023) Sönmez Ünlü, Dilan ; Önöz, Birhat ; 501181503 ; Hidrolik ve Su Kaynakları Mühendisliği Bilim Dalı

Akarsuların rejimleri üzerinde klimatolojik, hidrojeolojik, morfolojik, morfometrik ve insan unsuruna bağlı etkenler vardır. Bu etkenler sonucunda akarsuda çeşitli bilimsel tanımları olan düşük akımlar meydana gelebilir. Düşük akımlar; hidroelektrik tesislerini, atıkların arıtılmasını, şehirlere su sağlanmasını, sulama sistemlerini, akarsu ulaşımını ve su kaynakları sistemlerinin işletilmesini etkiler. Düşük akım dönemlerinde akarsudaki debi, hız, derinliğin azalması ve bu dönemde suyun ne şekilde kullanılacağına karar verilmesinin güçleşmesi düşük akımlar hakkında bilgi edinilmesini oldukça önemli kılar. Bu çalışmada Gediz, Küçük Menderes, Büyük Menderes ve Batı Akdeniz Havzalarında düşük akımlar incelenerek düşük akımların mevsimselliği araştırılmıştır. Öncelikle Gediz Havzası'na ait 8, Küçük Menderes Havzası'na ait 1, Büyük Menderes Havzası'na ait 7 ve Batı Akdeniz Havzası'na ait 5 istasyon olmak üzere toplamda 21 adet istasyona ait veriler DSİ'nin internet sayfasından elde edilmiştir. Veriler 1981-2011 yılları arasındaki günlük debi verileridir. Bu veriler su yılı dikkate alınarak işlenmiştir. Karışıklığı önlemek adına 1 Ekim'de başlayan su yılında yılın değiştiği kabul edilmiştir. Örneğin 1981 yılının verileri 1 Ekim 1980'den başlamaktadır.1982 yılının verileri 1 Ekim 1981'den devam etmektedir. Eksik olan birkaç yılın verisi regresyon analizi ile tamamlanmıştır. Çalışılan 21 istasyon için 1981'den 2011 yılına kadar olan günlük debi değerleri ile akım grafikleri oluşturulmuş ve bazı yıllarda akımlardaki düşüşün diğer istasyonlarla paralellik gösterdiği görülmüştür. Çalışılan her istasyon için, düşük akım karakteristiklerini iyi ifade eden ve genellikle düşey eksende debi yatay eksende aşılma yüzdesi olacak şekilde debi-süreklilik çizgileri çizildi. Ayrıca istasyonların debi-süreklilik çizgilerinin karşılaştırılabilmesi için istasyon akım debilerinin alana bölünmesi ile elde edilen birim debi kullanılarak her havza için bir grafik üzerinde debi-süreklilik çizgileri çizilmiştir. Düşük akımların daha iyi tanımlanması için yapılan bu çalışmada, düşük akımları karakterize edebilmemizi sağlayan indeksler içinde, debi süreklilik çizgisinden de okunabilen zamanın %95'inde akarsuda aşılan debi olan Q_95 ve bu değerin havza alanına bölünmesi ile elde edilen q_95 debi değerleri seçilmiştir. Bu çalışmada kış debi serisi 1 Ekim-29 Şubat aralığını kapsarken, yaz debi serisi 1 Mart-30 Eylül aralığını kapsamaktadır. Her istasyon için yaz veya kış düşük akım baskınlığını gösteren mevsimsellik oranı (SR) sayısı bulunmuş ve istasyonların büyük bir kısmının yaz düşük akım etkisinde bulunduğu görülmüştür Q_95 debi değerine eşit veya altında olduğu gözlemlerle hesaplanılan θ ve r parametrelerine dayanan mevsimsellik indeksi (SI) ile her istasyon için her yılın ortalama düşük akım günü (ODAG) ve mevsimselliğin derecesini anlamak adına her yılın ortalama r parametresi hesaplanmıştır. Her istasyonun 31 yıllık ortalama düşük akım günleri ve istasyonların ortalama r parametrelerinin de ortalaması hesaplanarak havzalara ait birim çember üzerinde gösterilmiştir. Çalışılan 4 havzadan her biri için, 1981-2011 yılları boyunca Q_95'den küçük debiye sahip günlerin sayısı en fazla olan 4 istasyon seçilmiştir. Bu istasyonlarda çalışılan her yıl için Q_95'den küçük günlerin hangi ayda olduğu sayılmış ve bu günlerin aylık yüzdelikleri bulunarak mevsimsellik histogramları (SH'ları) çizilmiştir. Böylelikle düşük akım olarak varsaydığımız, Q_95'den küçük debiye sahip günlerin herhangi bir yılda hangi aylarda yoğunlaştığı görülebilmektedir. Çalışılan 21 istasyonda 1981-2011 yılları boyunca Q_95'den küçük günler her ay için sayılarak toplanmış ve istasyonların 31 yıllık düşük akım günleri tablosu oluşturulmuştur. Aylara göre sayılmış bu günlerin aylara göre yüzdelikleri bulunarak düşük akım günlerinin dağılımı pasta grafiği şeklinde gösterilmiştir. Bu grafikler incelendiğinde çoğu istasyonda düşük akım günlerinin Ağustos ve Eylül aylarında daha büyük yüzdeliklere sahip olduğu görülse de Ekim, Kasım ve Aralık aylarında da görülen büyük yüzdelikler, önemli bir kış düşük akım bilgisine ulaşıldığının göstergesidir. Bütün istasyonlarda çalışılan her yıl için bulunan q_95 değerlerine, her yılın yaz serisinin q_95'i ile kış serisinin q_95'i ve bütün istasyonların yıllık q_95'lerine bölgesel olacak şekilde trend analizi yapılarak Mann Kendall testiyle trend olup olmadığı araştırılmıştır. Trend bulunanlarda azalan trend bulunmuş ve iç bağımlılığın etkisinin giderilmesi sonucu var olan trendler kaybolmuştur. Mann Kendall testinde iç bağımlılığın etkisinin önemi anlaşılmıştır. Bu çalışma ile Ege Bölgesi'ndeki 4 havzada düşük akımlar, düşük akımların mevsimselliği incelenmiş ve önemli bir düşük akım indeksi olan q_95 değerlerinde trend araştırılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre Akdeniz ikliminin görüldüğü bölgede bilinen yaz kuraklığını yanı sıra kış kuraklığının görülme oranının yüksekliği oldukça dikkat çekicidir. Ülke genelindeki havzalarda, son yılların da verileri elde edinilerek düşük akımların araştırılması ve özellikle kış kuraklığının incelenmesi faydalı olacaktır.
Experimental 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 Engineering

The 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.
Fizik 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 Mühendisliği

Hidrolojik 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.
GR6J hidrolojik modelindeki artık yağış ayrıştırma sabitinin model kalibrasyonuna etkisi

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2024-05-30) Demir, Halil İbrahim ; Demirel, Mehmet Cüneyd ; 501211505 ; Hidrolik ve Su Kaynakları Mühendisliği

Su, yaşamın kaynağı ve dünyamızın en değerli kaynaklarından biridir. İnsanlık, suyun anlamını ve önemini binlerce yıl boyunca keşfetmiş ve bu kaynağı yönetmek için çeşitli yollar aramıştır. Su, sadece içme suyu olarak değil, tarımda, sanayide, enerji üretiminde ve çevrenin korunmasında da hayati bir rol oynamaktadır. Nehirler, göller ve yeraltı su kaynakları gibi su kaynakları, suyun verimli kullanımını ve sürdürülebilirliğini sağlamak için özenle yönetilmelidir. Bu nedenle, su kaynaklarının tahmini, yönetimi ve korunması giderek daha karmaşık hale gelmiştir. Bu karmaşıklıkla başa çıkmak için, hidrolojik modeller gibi bilgisayar destekli araçlar geliştirilmiştir. Bu modeller, yağış, akış, su tutma ve su kullanımı gibi su döngüsü süreçlerini simüle ederek su kaynakları yönetiminde karar alıcılarına ve uzmanlara değerli bilgiler sağlamaktadır. Hidrolojik modeller, su kaynakları yönetimi ve tahmininin karmaşık doğasında vazgeçilmez araçlar olarak durmaktadır. Ancak bu modellerin etkinliği ve güvenilirliği, kullandıkları parametrelerin hassas bir şekilde kalibre edilmesine bağlıdır. Model kalibrasyonu, bu parametrelerin mantıklı bir şekilde belirlenmesini ve böylece modelin tahmin yeteneklerinin ince ayarını sağlamayı amaçlayan kritik bir süreç olarak ortaya çıkmaktadır. Doğru parametre değerlerinin elde edilmesi, hidrolojik modelin yağış dinamiklerinden yüzey akışı oluşumuna ve su depolama mekanizmalarına kadar uzanan karmaşık doğal süreçleri aslına uygun bir şekilde kopyalamasını kolaylaştıran temel unsurdur. Parametrelerin hassas kalibrasyonu sayesinde hidrolojik modeller, hidrolojik olayların incelikli etkileşimini daha iyi yakalayabilir ve kullanıcılara su kaynağı dinamikleri hakkında daha güvenilir tahminler ve içgörüler sağlayabilir. Özünde, model optimizasyonu, sürdürülebilir su kaynakları yönetimi arayışında vazgeçilmez bir dayanak noktasıdır ve hidrolojik modelleme çabalarının doğruluğunu ve etkinliğini artırmak için bir katalizör görevi görmektedir. Model optimizasyonunun hayati rolünün altını çizen bu çalışma, daha kesin tahminlerin elde edilmesi ve daha etkili su kaynakları yönetim stratejilerinin kolaylaştırılması yönünde önemli bir yol çizmektedir. Bu çalışmada, hidrolojik modelin performansını iyileştirmek için güvenilir bir kalibrasyon aracı olan PEST aracı kullanılmıştır. PEST, simüle edilen çıktılar ile gözlemlenen hidrolojik veriler arasında mümkün olan en yakın eşleşmeyi elde etmek için model parametrelerini verimli bir şekilde ayarlamak üzere tasarlanmış, yaygın olarak tanınan bir optimizasyon aracıdır. Model tahminleri ve gerçek ölçümler arasındaki farkları en aza indirmek için parametre değerlerini yinelemeli olarak iyileştiren bir ters modelleme aracı olarak çalışır. PEST aracı içerisinde kalibrasyon algoritması olarak su dengesini optimize eden parametre setinin belirlenmesi için hidrolojide yaygın olarak kabul gören The Shuffled Complex Evolutionary Algorithm University of Arizone (SCE-UA) algoritması kullanılmıştır. Bu çalışmada, havza modellemesinde yine yaygın olarak kullanılan Génie Rural à 6 paramètres Journalier (GR6J) hidrolojik modelinin, üretim ve yönlendirme katmanları arasındaki su transferini etkileyen artık yağış ayrıştırma sabitinin modele etkisi araştırılmıştır. GR6J modeli, hidrolojik süreçleri günlük zaman ölçeğinde simüle etmek için tasarlanmıştır ve genellikle yağış-akış ilişkilerini ve akış yolu boyunca suyun hareketini dikkate alır. Model, havza özellikleri ve iklim verileri kullanılarak yağışı akışa dönüştürmek için parametrelendirilmiştir. Kar erimesinin yağıştan ziyade akışa dönüştürülmesi, toplam yıllık akış için hidrolojik mekanizmada önemlidir. Bu bağlamda GR6J'nin ayırt edici bir özelliği, mevsimsel kar birikimi olan bölgeler için çok önemli olan bir kar erimesi modülüne (CemaNeigre) sahip olmasıdır. Bu modül, kar erimesi nedeniyle suyun kademeli olarak salınmasını ustalıkla yakalayarak modelin çeşitli iklim koşullarına uygunluğunu sağlar. Modeldeki yönlendirme süreçleri, suyun nehir ağı boyunca hareketini simüle ederek yüzey akışının mekansal dağılımına ilişkin bilgiler sağlar. Ayrıca, GR6J toprak nem dinamiklerini hesaba katarak yağışların akış ve infiltrasyona bölünmesi üzerindeki önceki koşulların etkisini kabul eder. Ancak, model parametrelerinden biri olan artık yağış ayrıştırma sabiti modelde 0.1 ve 0.9 olarak sabitlenmiştir. Bu çalışmada, optimizasyon sürecinde bu sabit serbest bırakılmış ve model performansı üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Bu amaçla, bu sabiti serbest bırakmak için modele ek bir parametre (X7) eklenmiştir. Artık yağış ayrıştırma sabitinin serbest bırakılmasının model performansı üzerindeki etkisini değerlendirmek için Amerika, Güney Amerika, Avrupa, Anadolu ve Avustralya dahil olmak üzere dünyanın çeşitli bölgelerinde bulunan on farklı havzada modeller çalıştırılmıştır. Model performansını değerlendirmek için, hidrolojik modellemede yaygın olarak kullanılan ve model tarafından üretilen simüle edilmiş değerleri, gözlemlenen verilerle karşılaştırarak modelin performansının nicel bir değerlendirmesini sağlayan Nash-Sutcliffe Verimliliğini (NSE) amaç fonksiyonu olarak kullanılmıştır. Testler literatürde de önerilen 1000 maksimum iterasyon ile tasarlanmıştır. Model sonuçlarına göre Avusturya, Türkiye, Fransa, Avustralya ve Brezilya'da bulunan 5 havzada artık yağış ayrıştırma sabitinin (X7) serbest bırakılması ile NSE değerlerinde kayda değer artışlar gözlemlenmiştir. Bununla birlikte Amerika, Şili, İngiltere ve Avusturya'da bulunan 5 havzada ise herhangi bir iyileşme gözlemlenmemiştir. NSE değerindeki en büyük iyileşme 0.1953'lük bir artışla gerçekleşmiştir. Buna göre 10 yıllık (1997-2007) kalibrasyon periyodunda 0.9 sabit ile yapılan en iyi NSE değeri 0.5523 gelirken, serbest bırakıldığında, X7= 0.9809 değerini alırken buna karşılık NSE değeri iyileşerek 0.7576 olmuştur. Sonuç olarak, bu çalışma hidrolojik modellerin doğruluğunu ve güvenilirliğini artırmada model optimizasyonunun önemini vurgular ve farklı özelliklere (iklim, sıcaklık, yağış, buharlaşma, vb.) sahip yüzlerce havza varken, tahmin yapmak için kullandığımız hidrolojik modellerde sabit parametrelerden kaçınmamız gerektiğini belirtir. Sabit parametrelerin serbest bırakılarak modelin esnekliğini ve farklı hidrolojik koşullara uyarlanabilirliğini test edilmiş ve bazı havzaların model sonuçlarında küçük iyileşmeler gözlemlenmiştir. Bu iyileşmelerin genelleştirilerek kesin bir sonuca ulaşılması ve değişen iklimde su kaynakları yönetimi için güvenilir stratejiler geliştirilmesi için farklı özelliklere sahip daha fazla havzada araştırma ve analiz yapılmasına ihtiyaç vardır.
Hidrolojik 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 Mühendisliği

Dünya 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.
Hidrolojik sapan değer tespitine yeni bir yaklaşım

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023-05-26) Dede, Ahu ; Ağıralioğlu, Necati ; 501082504 ; Hidrolik ve Su Kaynakları Mühendisliği

Bu 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.
High flow, low flow and drought characteristics of Küçük Menderes river basin

(Graduate School, 2022) Sarıgil, Gökhan ; Aksoy, Hafzullah ; 706922 ; Hydraulics and Water Resources Engineering Programme

Water plays an important role in all living life. The importance of water in many areas such as the ecosystem, agriculture, livestock or industrial production has not changed from the past to the present, despite technological advances. Unfortunately, climate change, which is a natural occurrence in the world, and its consequences have accelerated due to anthropogenic activities, which has led to stress on water resources. Today, climate change and the resulting water deficit pose a great risk to societies, especially to those living in arid and semi-arid regions. In addition, due to the rapid growth of the world's population, the available water for human consumption is decreasing both in terms of resources and quality. According to the United Nations World Bank High Level Panel on Water (HLPW) final report, it is predicted that half of the world's population will be affected by the stress caused by water scarcity as of 2050, and 700 million people will be displaced by 2030 due to water scarcity. In light of all these considerations, climate change, drought, changes in river regimes and the consequences of drought on the ecosystem have been investigated under various disciplines. The increasing risks of water scarcity have also led to the development of new research methods and an increasing number of research papers. This study aims to examine critical dry periods and determine the high- and low-flow characteristics of the Küçük Menderes River Basin in western Turkey by using a variety of tools such as the Standardized Precipitation Index (SPI), flow duration curves, percentiles obtained from the flow duration curves, and the D-day low flows. In addition, the study uses frequency analysis to derive frequency curves for the percentiles and the D-day low flows. In the study, precipitation and streamflow data obtained from 13 meteorological stations and 5 gauging stations, respectively, were analyzed. Also, the Mann-Kendall trend test was applied on the SPI, percentiles, and D-day low flow time series to check the existence of a trend. Drought analysis was carried out using the SPI time series obtained from 13 meteorological stations in the river basin and its surroundings. SPI was calculated for k = 1, 3, 6, 9, 12, and 24-month time scales, and the calculated SPIk time series were visualized in graphs. To make the graphs easier to interpret, the thresholds at the levels of the moderate, severe, and extreme drought were plotted on the graphs. In addition, the longest dry periods were determined for each station and time scale. It was found that the determined dry periods were compatible between stations. Since the SPI values at the 12- and 24-month time scales represent hydrological drought, the informations obtained by SPI12 and SPI24 were also used to interpret the results of the streamflow analysis. The Mann-Kendall trend test was used on each time scale of SPI series to determine their trends. However, due to the differences in the record periods of the meteorological stations, both positive and negative trends were seen as a result of the Mann-Kendall trend test in the river basin. It is thought that the reason for this situation is the noncommon recording period of the gauges. The indices calculated using the streamflow or the precipitation data with common record periods demonstrate the same direction of a trend. This helped us to interpret the flow indices despite the limited length of the data. For the flow analysis, annual flow duration curves (FDC) were obtained from the daily streamflow data of 5 gauging stations. FDCs are practical tool to visualize the characteristics of rivers such as the relationship between the magnitude and frequency of streamflow discharges, the high- and low-flow values, or to understand morphometric characteristics of the region. Q1, Q5, Q10, Q50 Q90, Q95, and Q99 percentiles corresponding to the 1%, 5%, 10%, 50%, 90%, 95% and 99% exceedance percentages of time, respectively, were determined from FDCs, and the time series for each percentiles were obtained. The best-fit probabilty distribution functions among the Generalized Extreme Value (GEV), Log-Pearson Type III (LP3), 2-and 3-parameter Gamma (G2, G3), 2-and 3-parameter log-normal (LN2, LN3), 2-parameter Weibull (W2), and Gumbel (G) were choosen by using the Anderson-Darling test for the frequency analysis to calculate 2, 5, 10, 25, 50, and 100-year return period of each percentile. Some low-flow percentiles series such as Q90, Q95, and Q99 contain zero values. Frequency analysis was carried out for these series according to the total probability theorem by discarding zero values but taking their presence into account. It was seen that the LP3 was the most common probability distribution function that best-fit the data. After the calculation of the return periods, the percentiles-frequency curves were derived. By the consideration of the percentiles-frequency curves, the risks that may occur due to high- or low-flow can be predicted in the river basin and measures to be taken can be decided. Low-flow analysis has a substantial importance in water resources management, especially in a region where agricultural activities are important and water reserves are limited. Due to the complexity of drought effects on low flows, this study examined low flow analysis using the D-day low flow method in addition to the low-flow percentiles. Low-flow time series were derived for D = 1, 7, 14, 30, 90, and 273-day minimum discharges, and frequency analysis was performed for the minimum of the D-day average discharges. Since the low-flow time series contain many zero flows, the total probabilty theorem was applied for the frequency analysis. Using the Anderson-Darling method, LP3 was found the most common best-fit distribution function to the D-day low flow disharges. The Mann-Kendall trend test was applied to the percentiles and minimum of the D-day low flow discharges to examine whether the data tend to increase or decrease over time. According to the results obtained, in 2 stations, downward trends were observed in both the percentiles and the minimum of the D-day average discharges. In addition, a positive trend was observed in one station at high-flow percentiles. Since the record periods of this station and some meteorological stations are similar, the positive trends of the high-flow indices, and SPI12 and SPI24 were evaluated together, and it is thought that the reason for the positive trend was related to the length of the record period. It was concluded that the Küçük Menderes River Basin is moving towards a drier climatological character for which precautionary measures should be taken.
Hysterical 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 Engineering

In 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.
Investigation of Küçüksu wastewater collection using smart and sustainable applications

(Graduate School, 2022) Özsoy, Emirhan ; Demirel, Mehmet Cüneyd ; 733544 ; Hydraulics and Water Resources Engineering Programme

Infrastructure is one of the biggest problems of today. Irregular investments, inaccurate population estimates, and unplanned infrastructure are one of the leading problems, especially in developing countries. Although ISKI has focused on infrastructure investments in Istanbul in recent years, all infrastructure constructions are carried out by international standards. Istanbul is an ancient city. There are areas where sewer lines are insufficient, compound, and defected. Istanbul has been exposed to a wave of immigration since the 1960s, and all population projections for the city have been mostly inadequate. This situation has spread to the city's infrastructure, and there are problems with wastewater lines in various regions. In this context, a hydraulic investigation was carried out for the 2021 population of the wastewater collector line, which serves 5527.8 hectares of land going to the Küçüksu pre-treatment plant. As a result of the investigation, it was determined that the line was insufficient, and a new wastewater collector line was designed, which is planned to serve until 2071. For the design, four population estimation methods were examined, and hydraulic design was made by Province Bank method since it performed best in the historical period. A new hydraulic design has been made using Urbano software. The designed collector line was also added to the designed online map using ArcGIS and classified according to fullness rates. The designed online map can be used as a template for decision makers for their city development plans since pipe size and capacity calculations are based on estimated populations at certain years. Moreover, the online system can be opened for public and real estate sector for their planning, assessment and feedback. In addition, the design for the year 2071 was designed to adapt to the requirements of the modern world. In this context, BIM and GIS integration was made for the line, and all the line details were revealed. A base has been created for future studies. Wastewater design was also examined within the scope of the sustainable goals of the United Nations, and intersecting targets were determined within the 17 targets. In many aspects, the hydraulically designed collector line in our study directly coincides with the SDG 3 Good Health and Well – Being, SDG 6 Clean Water and Sanitation, SDG 9 Industry, Innovation and Infrastructure, SDG 11 Sustainable Cities and Communities. This study for the Küçüksu wastewater collector line basin can be strengthened with SCADA systems in the future to provide instant data display. At the same time, this study can be applied to other basins in the future so that more participatory, smart, and sustainable lines can be designed.
Investigation of new type wave energy converter systems

(Graduate School, 2024-02-09) Mandev, Murat Barış ; Altunkaynak, Abdüsselam ; 501202503 ; Hydraulics and Water Resources Engineering

In consideration of the evolving global economy and increasing population, energy is increasingly occupying a more important place in our lives. As commonly understood, energy sources can be categorized into two groups: non-renewable and renewable. A renewable energy source is defined as an energy source that can exist the next day within the natural order of the Earth. The most significant features of renewable energy sources include reducing carbon dioxide emissions to help protect the environment, decreasing dependence on foreign energy sources due to being local resources, contributing to increased employment, and receiving widespread and strong support from the public. In other words, renewable energy sources possess characteristics of accessibility, availability, and acceptability. Among renewable energy sources, wave energy, despite being approximately 10 times more intense than solar energy per square meter and 5 to 10 times more intense than wind energy, has a very low utilization rate compared to others. Efforts to harness wave energy are rapidly increasing worldwide. It is a predictable fact that our country, surrounded by seas on three sides, has significant potential for wave energy, and the use of this energy type will reduce external dependence. Wave energy converters are used to convert wave energy in the seas into electrical energy. Among these converters, oscillating water column (OWC) type converters are the most efficient. The oscillating water column is a system consisting of two phases: water and air flow. Moving according to the periodic structure of the wave, the water converter compresses the air inside, allowing it to exit at a certain speed from the outlet. Therefore, the parameters affecting this system are the periodic movement of the wave, the dimensions of the converter, and the dimensions of the outlet. Until now, studies have been conducted on OWC energy converters, and prototypes have been developed by testing various models. However, due to the complexity of the energy conversion mechanism, commercial production has not achieved the desired efficiency from these studies. This thesis is composed of three separate articles, each written by designing new oscillating water column-type wave energy converters, calculating their efficiencies, and compiling the results into articles. In the first article, a new tank design is proposed for an oscillating water column (OWC) with an inclined wall to improve performance. Physical experiments were conducted for different orifice damping levels and sea conditions to calculate hydrodynamic performance. The results were compared with the results of a classic OWC design. According to the comparison, it was observed that the new chamber design had a significant impact on OWC efficiency. The proposed chamber design geometry increased OWC performance by up to 31% for wave parameters where the OWC operates effectively. Additionally, the results show that the optimal orifice damping level for the highest efficiency increase is dependent on the chamber design. The aerodynamic geometry of the chamber increased OWC efficiency by 54% maximum and 44% average even when there is internal slosihng in the tank. The second article focuses on optimizing the diameter of the cylindrical front wall entry of the OWC. Specifically, 240 physical experiments were conducted for five different diameter values, various orifice dampings, dimensionless wave frequencies (Kh), and wave heights. It was found that the cylindrical front wall entry geometry consistently improved OWC efficiency under all conditions. Maximum and average efficiency improvements were calculated as 45% and 25%, respectively. The simplicity of the modification at the front entrance makes this improvement even more interesting. A negative correlation was observed between the size of the diameter and Kh. Optimal sizes for the diameter were identified as 12 cm, 7 cm, and 5 cm for low, medium, and large Kh values, respectively. The diameter maximizing efficiency in a specific frequency band was determined based on wave height and orifice ratio. To validate the effectiveness of cylindrical geometry, experiments in free decay were conducted, demonstrating that modifying the front entrance mitigated or reduced flow separation caused by the sharp lower cut. Consequently, the utilization of a cylindrical front wall underlip geometry proved beneficial in reducing shear stresses on both sides of the front wall and enhancing the structural integrity of the OWC model. In the third article, hydrodynamic features evaluating the wave energy collection potential of a double-chambered OWC structure were examined through a series of experiments. The study used efficiency as a measure to quantitatively assess the performance of the OWC system by changing front wall designs, power orifice dampings, and wave conditions. The findings show that the double-chambered configuration consistently exhibited improved performance for the studied orifice ratios, opening heights, and incoming wave frequencies combinations. Increasing the opening height of the second chamber improved the performance of the OWC, as expected. Interestingly, the effect of applied orifice damping on efficiency was found to be relatively insensitive. The most significant improvements in efficiency values were observed for larger wave frequency values. For example, for dimensionless wave frequency (Kh) values of 1.43 and 1.68, efficiency increased from 0.47 to 0.72 and from 0.26 to 0.52, respectively, with the orifice ratio combination of τ1, 0.015 and τ2, 0.018. While the single-chambered OWC effectively operated in the resonance frequency range of 0.94-1.23, the double-chambered design expanded this frequency range, allowing effective wave energy collection over a wider spectrum of wave conditions. The double-chambered configuration offers significant advantages by increasing the effective frequency bandwidth for efficient energy conversion in wave energy conversion applications. Research findings have shown that this innovative design has the potential to significantly increase the efficiency and adaptability of wave energy converters. The results indicate that improvements and innovations in wave energy technologies will make it possible to use this energy source more efficiently and reliably. However, overcoming challenges at the application scale and economic barriers will require further work and investment. This thesis seeks to establish a comprehensive framework for both research and industrial applications within the wave energy field, highlighting the considerable potential of wave energy. In summary, the goal of this investigation is to enhance our understanding, make progress in wave energy technology, and play a role in shaping a sustainable energy future.
İstanbul Boğazı su seviyesi salınımlarına Tuna Nehri etkisinin belirlenmesi

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2021) Karsavran, Yavuz ; Erdik, Tarkan ; 695276 ; Hidrolik ve Su Kaynakları Mühendisliği

Bu 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.
Kazıklı rıhtım yapıları etrafında dalga etkisi ile oluşan oyulmaların deneysel olarak incelenmesi

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-12-16) Çolakoğlu, Erem Can ; Çokgör, Şevket ; 501181507 ; Hidrolik ve Su Kaynakları Mühendisliği

Mevcut kıyı ve liman alanlarının tarih boyunca yüksek bir hızla artan deniz taşımacılığı için yetersiz kalması insanları farklı çözümlere yönlendirmiştir. Bunlardan biri deniz alanının kullanılarak dolgu limanlar inşa edilmesidir. Genellikle bitişik nizam kazık veya kazık-tabaka-kazık şeklinde inşa edilen bu deniz yapıları kuruldukları çevredeki akımı, dalga ve sediment hareketlerini değiştirmektedir. Kazık tabanı çevresindeki sediment hareketi nedeniyle oyulmalar oluşabilmekte ve bunun sonucunda yapıda kusurlar ve hatta çökmeler meydana gelebilmektedir. Literatür incelendiğinde daha önce oyulmalar için birçok çalışma yapıldığı görülmesine rağmen dolgu limanlar gibi projelerde görülen bitişik nizam kazık sistemi ile ilgili çalışmalara rastlanmamıştır. Genellikle yapılan çalışmalar köprü ayakları ve açık deniz rüzgâr tribünleri gibi yapıları temsil etmek amacıyla tekil narin, geniş kazıklarla ve aralıklı yerleştirilen grup kazıklar ile yapılmıştır. Bu çalışmada bitişik nizam kazık sistemi ile kurulan deniz yapılarının etrafındaki akış ve oyulma mekanizmalarını incelemek, oyulma bölgelerini ve derinliklerini tespit etmek amacıyla İstanbul Teknik Üniversitesi Hidrolik Laboratuvarı'nda seri deneyler yapılmıştır. Deneylerin uygulandığı dalga kanalı 22,5 m uzunluğunda, bir metre genişliğinde ve 0,50 m yüksekliğindedir. Canlı yatak oluşturmak için kanalın ortasına üç metre uzunluğunda ve bir metre genişliğinde bir sediment havuzu yerleştirilmiştir. Bu havuzda kullanılan malzemenin ortalama tane çapı 0,72 mm'dir. Düzenli dalga üreten bir palet kullanılan kanalda yapılan deneylerde önce farklı dalga özellikleri ile deneyler yapılmış daha sonra ise sabit dalga koşullarında kazıkların farklı açılarla yerleştirilmesiyle seri deneyler yapılmaya devam edilmiştir. Deneylerde kazıkları temsilen 75 mm çapında ve 50 cm yüksekliğinde, hidrolik olarak pürüzsüz kabul edilebilecek PVC borular kullanılmıştır. Kazık grubu kanal duvarına bitişik olarak konumlandırılmıştır. Deneylerde kanaldaki su yüksekliği 35 cm olarak sabit tutulmuştur. Deneylerde dalga boyu 1,90 m, dalga yüksekliği 7 cm ve periyod 1,28 saniyedir. Keulegan Carpenter katsayısı 2,56 olarak hesaplanmıştır. Deneyler düzenli dalga altında altı saat süreyle yapılmıştır. Deney süresi boyunca oyulma alanı çevresindeki akım ve çevrintiler tanecikler yardımıyla gözlemlenmiştir ve kamera ile kayıt altına alınmıştır. Gözlemlenen oyulma alanı ve hareketi kararlı hale geldikten sonra ADV yardımıyla hız ölçümleri yapılmıştır. Ölçümler 3 cm aralıklarla oyulmanın etkin olduğu tüm alanda birçok noktada alınmıştır. Karşılaştırma yapabilmek için tabanda bozulmanın olmadığı bölgelerde de hız ölçümü yapılmıştır. Ölçümlerden elde edilen verilerle yapılan hesaplamalarda Shields parametresinin kritik değerden oyulma bölgelerinde büyük olduğu saptanmıştır. Bu durum da yatakta sediment hareketi olduğunu teorik olarak göstermektedir. Deney süresi sonunda kanaldaki su boşaltılırken yatağın bozulmaması için sediment havuzunun altına oyulma bölgesini etkilemeyecek şekilde drenaj boruları yerleştirilmiştir. Deney bitiminde kanaldaki su yavaşça boşaltılmış ve oyulma alanının bozulmaması sağlanmıştır. Oyulma bölgesi kuruduktan sonra tarama işlemi gerçekleştirilmiş ve cetvel ile derinlik ölçümleri yapılmıştır. Bu ölçümler eşyükselti haritaları çıkarabilmek için sık aralıklarla ve oyulma-birikme alanları dikkate alınarak yapılmıştır. Yapılan ilk deneylerde 6 adet kazık birleştirilerek bir liman yapısının köşesini temsil edecek şekilde kanal duvarının kenarına konumlandırılmıştır. Farklı dalga özellikleri ile birkaç deney yapılmış ve oyulma alanları ve derinlikleri gözlemlenmiştir ancak hız ölçümleri alınmamıştır. Daha sonra sabit dalga özellikleri altında, birleştirilen kazık yapısı ile kanal duvarı arasındaki açı olan alfa açısı 0, 30, 60, 90 derece olacak şekilde kazık yapısı yeniden konumlandırılarak bir seri deney daha yapılmıştır. Bu deneylerde kıyı yapısına farklı açılarla gelecek dalgaların farklı olabilecek etkilerini incelemek amaçlanmıştır. Deneylerde kullanılan kazık çapının dalga boyuna oranı (D/L) 0,1'den küçük olduğu için yapı narin kazık statüsünde yer almaktadır. Kamera kayıtlarının incelemesi ve hareketlerin takip edilmesi ile gözlemlenen at nalı çevrintisi benzeri hareketler bunu doğrulamaktadır. Çevrintinin periyodu 0,55 s olarak ölçülmüştür. Deneylerden alınan hız verileri ile oyulma bölgelerinde yatak kayma gerilmesi ve Shields parametresi hesaplanmıştır. Hesaplanan yatak kayma gerilmeleri ve Shields parametresi değerleri eşyükselti eğrileri grafiği ile verilmiştir. Yatak kayma gerilmesinin oyulma bölgelerinde kritik değerin yaklaşık 6 katına kadar, Shields parametresinin ise kritik değerin yaklaşık 5 katına kadar arttığı hesaplanmıştır. Hem çevrintilerin gözlemlendiği hem de yatak kayma gerilmesinin ve Shields parametresinin maksimuma ulaştığı bölgelerde oyulmanın maksimum değere ulaştığı görülmüştür. Maksimum oyulmanın kazık çapına oranı (S/D) 0,13 olarak hesaplanmıştır. Maksimum oyulmalar genelde dalganın geliş yönündeki ilk temas eden köşe kazık çevresinde ve oyulma-birikme-oyulma örgüsünün devamında üçüncü kazık çevresinde tespit edilmiştir. Bu durum da bitişik nizam kazık sistemi uygulanacak yapılarda oyulma problemine sadece köşe kazık çevresinde değil yapı boyunca dikkat edilmesi gerekliliğini göstermiştir. Deneylerin sonucunda oyulma miktarının yanı sıra oyulmanın ne kadar mesafede etkili olduğu da ölçülmüştür. Etki mesafesinin kazık çapına oranı (Xs/D) maksimum 1,64 olarak ölçülmüştür. Bu durum geçmişte yapılan çalışmalarda koruma alanı için önerilen 3-4D mesafesinden kısa olduğu için bitişik nizam kazık sistemiyle yapılan yapılarda fazladan önlem almayı gerektirecek bir duruma rastlanmamıştır.

Gözat

Başlık ile LEE- Hidrolik ve Su Kaynakları Mühendisliği Lisansüstü Programı'a göz atma

Sayfa başına sonuç

Sıralama Seçenekleri