Upload
doduong
View
249
Download
2
Embed Size (px)
Citation preview
Hafzullah Aksoy
İTÜ İnşaat Fakültesi
16 Mart 2015
DSİ 14. Bölge Müdürlüğü
İSTANBUL
HİDROLOJİK MODELLEME ÇALIŞMALARI
TÜRKİYE SU BÜTÇESİNİN BELİRLENMESİ ÇALIŞTAYI
&
TUHK TOPLANTISI
İstatistiksel Hidroloji
Çalışma Grubu
Hafzullah Aksoy - Miktat Yavuz Ebru Eriş – Deniz Özdemir
Şubat 2014, ANKARA
Öneriler
DEĞĠġĠMĠ ESAS ALAN ÇALIġMALAR
• Türkiye’nin su potansiyeli
• ……..
• ……..
Yapılacak çalışmaların belli aralıklarla
güncellenmesi
HİDROLOJİK MODELLEME ÇALIŞMALARI
Anahtar Sözcükler
• Hidroloji
• Model
Sunum
• Hidrolojinin Önemi
• Hidrolojik Döngü / Çevrim
• Temel Denklemler
• (İklim) Değişim(i) / Değişkenlik(ği)
• Hidrolojideki Değişim
• Değişim altında hidrolojik çalışmalar?
• Örnek modelleme çalışmaları
Hidroloji nedir?
Hidroloji (Hydro = su + logos = bilim):
Yer küresinde (yer yüzünde, yer altında ve atmosferde) suyun çevrimini, dağılımını, fiziksel ve kimyasal özelliklerini, çevreyle ve canlılarla karşılıklı ilişkilerini inceleyen temel ve uygulamalı bir bilimdir.
– Suyun kullanılması • Sulama
• Hidroelektrik
• Akarsularda ulaĢım
- Su miktarının kontrolü • TaĢkın kontrolü
• Kurutma tesisleri
– Su kalitesinin kontrolü • Kanalizasyon ve Yağmur suyu toplama kanalları
• Su kirliliğinin önlenmesi ve Suyun arıtılması
Hidrolojinin Önemi
Hidroloji’nin Anahtar Sözcükleri
• Suyun çevrimi (döngüsü) = Hidrolojik çevrim
• Suyun dağılımı (zamansal ve mekansal)
• Suyun fiziksel ve kimyasal özellikleri
• Su, çevre ve canlılar
• Temel bilim & Uygulamalı bilim
Hidrolojik Çevrim
Mühendislik Hidrolojisi Açısından Hidrolojik Çevrim
Hidrolojinin Görevi
Belli bir maksatla yapılan yapının / projenin tüm aşamalarında suyun miktarı ve özellikleri ile ilgili verileri sağlamak
HİDROLOJİ MÜHENDİSE VERİ SAĞLAR.
Ekonomik ve güvenilir çözümler için veri doğru olmalıdır.
Hidrolojik çalışmalar zordur. Çünkü, yağış belirsizlikler içerir.
Buna bağlı olarak hidrolojik çevrimin diğer elemanları da belirsiz kalır.
Hidrolojinin Yöntemleri
• Gözlem (Ölçüm)
• Kayıt
• Veri
• Model Gözlem Veri Bankası Maliyet Kayıt
Hidrolojik Olay
Olayın fiziği
Veri
Hidrolojik Veri = fonk (Konum, Zaman) • Hızlı değişen bir bağımlılık / fonksiyon • Sık ölçüm ağı • Sık ölçüm zamanı • Uzun süre boyunca ölçüm
Veriler • Saklanmalı (ancak GİZLENMEMELİ !) • Kolay ulaşılabilir / erişilebilir olmalı
Bilgisayar desteği
Hidrolojik Model
Sistem Kavramı
Girdiler Çıktılar Hidrolojik Sistem
(Akarsu havzası)
Sınır (Su ayırım çizgisi)
Su Fiziksel Su
Enerji Kimyasal Enerji
Biyolojik
: Dönüşüm fonksiyonu
DÖNÜŞÜM FONKSİYONU
GİRDİ ÇIKTI
DOĞA Sistem A
Sistem B
Hidrolojik sistem
Model A
Model B
Hidrolojik model
Sistem Model
Veri
Doğru model
Yanlış model
Hidrolojinin Konuları
• Yağış
• Buharlaşma
• Sızma
• Yeraltı suyu
• Yüzeysel akış
Yağış • Yağış nasıl meydana gelir? • Yağış nasıl ölçülür?
• Yağmur nasıl ölçülür? • Kar nasıl ölçülür?
• Yağış kayıtları nasıl analiz edilir? • Toplam yağış eğrisi • Hiyetograf • Kayıtların Homojen hale getirilmesi • Eksik verilerin tamamlanması • Kayıtların uzatılması • Bölgesel ortalama yağış yüksekliği
• Aritmetik ortalama • Thiessen yöntemi • İzohiyet yöntemi • Yüzde Ağırlıklı Poligon yöntemi (Zekai Şen, 1998)
• Muhtemel maksimum yağış Havzada fiziksel olarak mümkün olabilecek en büyük yağış Aşılması olasılığı = 0
Buharlaşma
• Buharlaşma (evaporasyon) • Su dengesi yöntemi • Enerji dengesi yöntemi • Kütle transferi yöntemi • Ampirik yöntemler
• Terleme (transpirasyon) ve Tutma • Evapotranspirasyon (Buharlaşma + Terleme)
• Lowry-Johnson formülü • Blaney-Criddle formülü • Hargreaves formülü • Coutagne formülü • Turc formülü
• Evapotranspirasyon • Potansiyel ET • Gerçek ET
Sızma ve Sızma Modelleri • Sızma kapasitesi
• Sızma hızı
• Sızma indisleri
...
• Green & Ampt modeli (1911)
• Horton modeli (1933)
• Philip modeli (1957)
Yeraltı Suyu Akımı
• Yeraltındaki suyun bölgeleri
• Doymamış bölge
• Doymuş bölge
• Yeraltı suyu akımı
• Yeraltı suyunun kuyularla çekilmesi • Serbest yüzeyli akifer
• Basınçlı akifer
Yeraltı suyu
100 125 75
50 Edirne
G R E E C E
Water level from the aquifer base
(1967)
60
55
50
45 40
Water level from the aquifer base
(~2004)
Yeraltı suyu
Yüzeysel Akış
Yüzeysel akışı etkileyen faktörler - Havza özellikleri - Zemin özellikleri - Akarsu özellikleri
• Akışın kısımlara ayrılması
• Yüzeysel akış • Yüzeyaltı akışı • Yeraltı akışı
• Rasyonel metot • Yağış-Akış bağıntıları
•Dolaysız akış •Yüzeysel akış •Gecikmesiz yüzey altı akışı
•Taban akışı •Gecikmeli yüzey altı akışı •Yer altı suyu akışı
Yüzeysel Akış Havza Karakteristikleri • Havza (drenaj) alanı • Havza uzunluğu • Havza eğimi • Havza hipsometrik eğrisi • Havza biçimi • Bitki örtüsü • Arazi kullanımı • Yüzey pürüzlülüğü
Zemin Karakteristikleri • Zemin profili (düşeyde) • Zemin granülometrisi (kil, silt, kum, ...) • Zemin yapısı (topaklanma / tanelenme) • Hacımsal yapısı (zemin + su + hava
oranları) • Zemin nemi
Akarsu (Kanal) Karakteristikleri • Kanal uzunluğu • Kanal eğimi • Drenaj yoğunluğu • Horton kanunları
• Akarsu kolu numarası • Akarsu kolu uzunluğu • Akarsu kolu alanı • Akarsu kolu eğimi
• Kanal enine kesiti • Kanal pürüzlülüğü
Yüzeysel Akış
• Yağış – akış bağıntıları
• Rasyonel metot
(Rasyonel değil ampirik)
Qp = C I A
Horton Modeli
Değişken kaynak alanları
Değişken kaynak alanları
Hidrograf Analizi Taban Akışının Ayrılması
Birim Hidrograf (Sherman, 1932)
Parametrik modeller
Topografya esaslı hidrolojik model
S Evaporation Rainfall
Rtf
Zi=0 Zi>0
Zi<0
Zi
Rdr
Cs
SRZi
0 2
4
6
8
10 12
Qsat
Qb
Saturated Contributing
Areas
Rs
at Rsrz
Esrz
Ec
ai
qi
PMAC Qv
SUZi
Watershed Erosion Models
EMPIRICAL CONCEPTUAL PHYSICALLY-BASED
MODEL
Ampirik (Veri-tabanlı) Parametrik (Kavramsal) Fiziksel-tabanlı
Model
• Toplu / Yayılı • Stokastik / Deterministik • 1- boyutlu / 2-boyutlu / 3-boyutlu • Kararlı (permanan) / Zamanla değişen • Olay tabanlı / Sürekli • Makrotopografya / Mikrotopografya • Kısa süreli tahmin / Uzun süreli tahmin
Modeller nasıl kurulur? Ampirik denklemler / modeller • Gözlem yapılması
– Veri toplama
• Kuram oluşturma – Denklem uydurma
• Kontrol
Rasyonel mekanik denklemleri / fiziksel-tabanlı modeller • Gözlem yapılması
– Veri toplama
• Kuram oluşturma – Diferansiyel denklem yazma
• Entegrasyon • Entegral sabitleri
– Başlangıç koşulları – Sınır koşulları
• Kontrol Not: Ampirik modeller gözlemle sınırlıdır.
Ekstrapolasyona izin vermez.
Modelin Kalibrasyonu / Kalibrajı / Ayarlanması
UYARI
Conclusions and Challenges for Session 6.4.1
Data Needs and Data Acquisition
What data should we put in the treasure chest?
Convener : Arthur Askew (P, IAHS) Chair : Gordon Young (PE, IAHS) Rapporteur : Hafzullah Aksoy (VP, ICSW-IAHS)
21 March 2009
Veri Toplama
Gözlem Veri Bankası Para Kayıt
(Değişen) Hidrolojik Çevrim
Değişen Dünya • Hızlı / Yavaş • Geçici / Kalıcı • Yavaş yavaş / Ani • Doğal / Yapay • …
Kab
aty
, W
ars
aw
, 1995 t
o 2
008
Co
urt
esy b
y A
. S
iko
rska
Shangai, Bund, from 1990 to 2010 UNEP Atlas of environmental change
Disappearance of glaciers in Uganda's Rwenzori Mountains to the loss of
Cape Town's “fynbos” from 1974 to 2000
D. Koutsoyiannis, Hydrology and Change
İklim Değişimi / Değişkenliği
İklim Değişimi / Değişkenliği Ergene
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Month
Pre
cip
itation (
%)
2025
2050
2100
Echam4 İklim değişim senaryosu (Referans dönem: 1961-1990)
Ergene
0
1
2
3
4
5
6
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Month
Tem
pera
ture
(°c)
2025
2050
2100
(Değişen) Dünya Su Bütçesi
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/58/Earth%27s_water_distribution.svg
Akarsulardaki tatlı su kaynağı 0.03 x 0.003 x 0.02 = 0.0000018 = 1.8 E-6 (milyonda 2’den az)
• Modelling non-steady behaviours. • Humans as part of the system. • Interaction with society and stakeholders. • Hydrological change is the interface of
environmental change with humans and society. • Integrated treatment of understanding and
uncertainty for improved prediction.
The Targets of Panta Rhei (Courtesy by Eva Boegh)
- 30 co-authors that significantly contributed to the preliminary discussion, paper preparation and revision.
- Presenting a comprehensive summary of the problem and the Science Plan - Another successful community experience.
1. Transdisciplinarity - Proposer: Tobias Krueger 2. Mountain hydrology - Proposer: Shreedhar Maskey 3. Large scale water projects and society - Proposer: Bellie Sivakumar 4. Physics of changes - Proposer: Alexander Gelfan 5. Water fooprint assessment - Proposer: Saket Pande 6. Water and energy fluxes in a changing environment - Proposer: Maria J. Polo 7. Epistemic uncertainties - Proposer: Paul Smith 8. Hydro-meteorological extremes: Decision making in an uncertain environment - Proposer: Adrián Pedrozo Acuña 9. Global Change in Hydrology and Society - Proposer: Jos Timmermans 10.Reservoirs impact - Proposer: Aleksandr Tskhai 11.Water scarcity assessment - Proposer: Junguo Liu
1. Hydro-meteorological extremes: Decision making in an uncertain environment - Chair: Adrián Pedrozo-Acuña 2. Large dams, society, and environment - Chair: Bellie Sivakumar 3. Thirsty future: energy and food impacts on water - Chair: Ana Mijic 4. Changing biogeochemistry of aquatic systems in the Anthropocene – Chair: Hong-Yi Li 5. Transdisciplinarity - Chair: Tobias Krueger 6. Natural and man-made control systems in water resources - Chair: Ronald van Nooijen 7. Water and energy fluxes in a changing environment - Chair: Maria J. Polo 8. Epistemic uncertainties - Chair: Paul Smith 9. Comparative water footprint studies - Chair: Arjen Y. Hoekstra 10. Hydrologic services and hazards in multiple ungauged basins - Chair: Hilary McMillan 11. Understanding flood changes - Chair: Alberto Viglione 12. Physics of hydrological predictability - Chair: Alexander Gelfan 13. Mountain hydrology - Chair: Shreedhar Maskey 14. Large sample hydrology - Chair: Vazkén Andreassian 15. Socio-hydrologic modeling and synthesis - Chair: Veena Srinivasan 16. Sustainable water supply in a urban change - Chair: Tatiana Bibikova 17. Water footprint of cities - Chair: Alfonso Mejia 18. Evolving urban water systems - Chair: Alfonso Mejia 19. Changes in flood risk - Chair: Heidi Kreibich 20. Anthropogenic and climatic controls on water availability (ACCuRAcY) - Chair: Attilio Castellarin 21. Floods in historical cities - Chair: Alberto Montanari 22. Prediction under Change (PUC) - Chair: Hafzullah Aksoy 23. Data-driven Hydrology - Chair: Elena Toth 24. Modeling Hydrological Processes and Changes - Chair: Yangbo Chen 25. Resilience-based management of natural resources: the fundamental role of water and soil in functional ecosystems - Chair: David Finger 26. Integrating history, social conflicts and hydrology: From semi pristine to highly modified hydrological systems - Chair: Victor Rosales Sierra 27. Drought in the Anthropocene - Chair: Anne Van Loon
Örnek Modeller
• Erozyon
• Kanalizasyona sızan su
• Taşkın riski
1 EROZYON MODELİ Mikrotopografik (havza yamaç ölçeğinde) yağış-akış-katı madde hareketi
İTÜ Yağış Simülatörü & Erozyon Kanalı
Matematik
Model
IR,sR
s
ss qEx
QC
t
AC
1
sRcR
sRcRsRcRRR
QT
QTQTE
0
GT sc
aIn
aD.bVG * 1
16350
c**
c**
c*
*
FF
FFF
F
0
1
060.F c*
40
50
452.
.c*
s
F.a IR,sc
s
sssIR qT
x
CQ
t
CACQqbfr
1
İTÜ Yağış Simülatörü
Nozzle
type
Spacing between
the nozzles
Rainfall
intensity
Christiansen
Uniformity
Coefficient
VeeJet (cm) (mm/h) (%)
8070 125 105 87.3
8060 125 85 83.0
8050 145 65 82.2
8030 145 45 80.0
CuC (%) Classification
≥90 Very good
80-89 good
70-79 low
≤69 very low
S.r..CZ 217600129045415
S.r..CZR 2505001960401911
S.r.. 3841480060770586
S.r.. 002600004014730
Hidrograf & Sedigraf
Validasyon
2 KANALİZASYONA SIZAN SU Doğrusal olmayan çekilme eğrisi modeli
tQb
b
tab
10
0
1b-
1
1 + 1
Doğrusal olmayan hazne
S = a Qb
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1 6 11 16
days
Q/Q
1
Feb 70 a1=29.1
Jul 60 a1=12.1
S = a1 * Q0.5
mm
a1 in (mm d)0.5
Feb 79 a1 = 27.2
Şeytan Deresi
Jul 77 a1 = 3.9
0
1
2
3
O N D J F M A M J J A S O
Flo
ws (m
m/d
)
-10
0
10
20
30
a1 (
mm
d)0
.5
a1
Q
QB
ET
I
II
Şeytan Deresi 1975
Groundwater “pirate water“ intrudes through leaky joints, connections and drains into
the sewer systems
Almanya’da
Günlük debi ~ 3400 m3/s
Sızan su > 143 m3/s (%4)
10
30
6.5 7 7.5 8 8.5
QB
km
m+NN Ilmenau bei Bienenbüttel
Grundwasser
Rain P
Infiltration
Germany
schematic cross section
groundwater
10
30
6.5 7 7.5 8 8.5
QB
km
m+NN Ilmenau bei Bienenbüttel
Grundwasser
Infiltration
GwN
Rain P
Variations of the groundwater level determine baseflow in the river and groundwater intrusion in the sewers
groundwater
0
5
10
15
20
25
30
Jan. 99 Mai. 99 Sep. 99 Jan. 00 Mai. 00 Sep. 00 Jan. 01
Q m
3/s
Peg
el
Bie
nen
bü
ttel
10
20
30
40
50
Qz
l/s
Klä
ran
lag
e,
Ilm
en
au
R = 0.85
Abwasser Ilmenau
Ilmenau, Pegel Bienenbüttel
There is a high correlation between daily flows in the Ilmenau river and
wastewater effluents of the community of Ilmenau.
Ilmenau River, gauging
station Bienenbüttel
waste water Ilmenau
Separation of baseflow / intruded groundwater / pirate water flows
Wittenberg & Aksoy, 2009
0
5
10
15
20
25
30
J 99 M 99 S 99 J 00 M 00 S 00 J 01
Q l/s
Ilmenau
Qtotal - Qsewage
QGw
Qsewage
Qrain
maps.google.com
Istanbul
Terkos – Durusu, separate system Wittenberg & Aksoy, 2010
0
5
10
15
20
J F M A M J J A S O N D J
Q
l/s
Terkos, Turkey, 2008
waste water
baseflow
total effluents
0
20
40
60
80
100
120
J F M A M J J A S O N D
P m
m
Monthly Precipitation 2008
3 TAŞKIN RİSKİ Hidrolojik ve Hidrolik Model A Scientific Network for Earthquake, Landslide and Flood Hazard Prevention - SciNetNatHazPrev
SciNetNatHazPrev Projesi Meteorolojik Veri
Girişi
Hidrolojik ( Havza)
Modeli
• Sızma
• Buharlaşma
• Yüzeysel depolama
• Akış
Hidrolik ( Akış)
Modeli
• 1 boyutlu akış
• Akım hızları
• Su seviyeleri
Taşkın Çıktısı
• Taşkından etkilenen alan
• Kentleşme / yerleĢim
• Taşıma tesisleri
• Endüstri tesisleri
• Zirai tesisler
Topografik Veri
Girişi
REGIONAL
LOCAL
SciNetNatHazPrev Projesi
QGIS içerisinde işlem aşamaları
Topografya esaslı ıslaklık indisleri hesaplanmaktadır.
Sayısal Yükseklik Modeli (DEM) / HGK
Serres Bölgesi, Yunanistan
Hidrolojik model
Topografya esaslı ıslaklık indisleri hesaplanmaktadır.
Sayısal Yükseklik Modeli (DEM) / HGK
Hidrolik model
Taşkına meyilli bölgelerde hidrolik hesaplar yapılmaktadır.
Uygulama Alanı (Tekirdağ)
Son sözler 1 Modellemede hidrolojideki değişim hesaba
katılmalıdır.
2 Modellemede veri önemli ve gereklidir.
3 Modelleme uygun tasarım için kaçınılmazdır.
4 Uygun tasarım ekonomi, çevre ve topluma ait değerleri korur.
5 Su mühendisliği uygulamalarında toplumsal boyut göz ardı edilmemelidir.