hidrolojik modelleme Çalışmaları

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

QQ

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.