Tez Arşivi

Hakkımızda

Tez aramanızı kolaylaştıracak arama motoru. Yazar, danışman, başlık ve özete göre tezleri arayabilirsiniz.


İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Anabilim Dalı / Hidrolik ve Su Kaynakları Mühendisliği Bilim Dalı

Developing of a groundwater flow model for the area between Terkos lake and Canal Istanbul using GIS, remote sensing and numeric groundwater modelling

Terkos gölü ile Kanal İstanbul arasındaki bölge için CBS, uzaktan algılama ve sayısal yöntemlerle yeraltı suyu akış modelinin geliştirilmesi

Teze Git (tez.yok.gov.tr)

Bu tezin tam metni bu sitede bulunmamaktadır. Teze erişmek için tıklayın. Eğer tez bulunamazsa, YÖK Tez Merkezi tarama bölümünde 637742 tez numarasıyla arayabilirsiniz.

Özet:

Artificial canals are man-made waterways constructed for many purposes such as navigation, water diversion, irrigation and water power generation. Republic of Turkey has planned to construct a 43150 meters (m) long, 145-150 m wide and 25 m deep massive navigational canal to connect the Black Sea to Marmara Sea in the European part of Istanbul. The canal is planned to be completedon the centenary of Turkey Republic, 2023. Canal Istanbul is a part of a series of mega projects including the new Istanbul airport and many additional bridges and large-scale infrastructure renewal. Expected cost of these projects are estimated to be $10 billion. This project is claimed to be a unique multi purposes projectwhich is beneficial for transportation, urbanization, energy supplying and constituting recreational areas. The project will serve marine navigation in order to reduce the pressure of the traffic in the Bosporu, 42,553 vessels in a year, the canal is designed to have capacity for 160 vessels a day, a total of 58,000 vessels a year. One other aim of materializing this canal is to reduce the accidents in Bosphorous strait with the newly built canal, maritime accidents in Bosphorus strait are expected to be decreased. Experts highlighted that the construction of the newly proposed canal may have adverse effects on the nearby fresh water resources in terms of enhancing seepage and saltwater intrusion. The excavation will increase the seepage amount towards the canal and may leadto the destruction of an important fresh water source for Istanbul city (TERKOS Lake) and the aquifer that connects the canal to the lake, which is at a distance of 1-1000-1200 m away from the Canal. This study quantifies the long term seepage interaction, seepage losses and the expected saltwater intrusion between Terkos Lake and Canal Istanbul. The study focused on the numerical modelling of groundwater flow in the aquifer system that links Canal istanbul with Terkos lake, which is considered as one of the most essentional fresh water resources of the city. Remote sensing data and GIS geodatabase are integrated in a groundwater flow modeling (MODFLOW) environment using GMS Groundwater Modeling System 10.3.6 graphical user interface to develop a long term groundwater flow model in order to simulate seepage flow in the aquifer system near Terkos Lake. The simulation is implemented for the present situation, during excavation and after a long time of Canal Istanbul operation to assess the possible saltwater intrusion in the aquifer system. A geodatabase is built using ARC GIS 10.2 for the purposes of preparing data for the developing model. Conceptual model, elevation data, boundary conditions, surface water bodies and other thematic maps were delineated by the Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) Digital Elevetion Model (DEM) and satellite Images. Aquifer properties are assigned based on the analysis of boreholes' data. Model is calibrated via an average hydraulic head observation for 27 pre-drilled boreholes in the study area, trail and error process is performed using automated parameter estimation (PEST) in GMS to calibrate the model until the root mean square error reaches 0.97 in order to obtain the hydraulic conductivity and recharge rate values of the aquifer system. In order to stand on the groundwater aquifer system in the area before Canal construction and calculate the current seepage amount from the lake, water budget approach is implemented. In order to estimate the ground-water exchange for the present time (before canal excavation), water budget approach computes net groundwater flow (groundwater inflow minus outflow) as the residual of the monthly water budget equation. Water budget approach is computed monthly for the study period, January 2000 through September 2015. Simplified analytical solution for seepage quantity is also developed for both during excavation and the canal is fully operational.Analytical solutions showed that the seepage amount totally depends on the piezometric head between the lake and canal. Groundwater seepage flowrate also quantified numerically, using Finite Differences Analysis (FDA) method by MODFLOW. Steady state conceptual model is developed for two scenarios; Empty canal and full operational canal. Results of this study show that the numerical model values are more accurate than those of the analytical model in terms of the quantity of seepage flow.It is not surprising since analytical solutions involve serious assumption and therefore, results either overestimated or underestimated values in quantifying groundwater seepage flow. During the canal full operation, saltwater intrusion in the aquifer system is going to take a place due to inevitable intrusion of the saltwater way in a freshwater aquifer system. In order to assess the aquifer condition, analytical solutions of Ghyben-Herzberg and Glover analysis are appliedand concluded that the saltwater intrusion will cause a series problem in the aquifer system when the water level in the lake reduced to the mean sea level. Numerically; SEAWAT model is conducted in this study in order to monitor the dynamics of the intrusion of saline water into groundwater aquifer. Long term spatial variation of groundwater salinity concentration evaluated is in terms of seawater level rise and canal effect. 2D grid model is developed for the most critical section that connects the Canal to the Lake, 3D conceptual numerical model is further developed based on Finite Difference Analysis, the model quantified the affected area by seawater under multi-scenarios of water head differences of the lake and sea-level rise. Results show that the saltwater intrusion will indeed take place in the aquifer system and it is highly sensitive to the sea-level rise and lake water level because there are no pumping wells in the construction area, decrease the lake level 1.0 m. The analytical solution in Ghyben-Herzberg indicates that the saltwater intrusion extend from canal side towards the lake does not match with that obtained via Glover analysis and numerical SEAWAT sloution. The length of intrusion in the aquifer is largely depends on the freshwater levels in the aquifer and the water level in the lake in addition to the sea level rise. If water levels increase in the freshwater part of the aquifer or source, the saltwater wedge can move towerds sea; however, if freshwater levels decrease, the saltwater wedge may move inland and cause a potential threat to aquifer. Movement of the saltwater wedge is not instantaneous; months, years, or even decades may be required before the saltwater wedge reaches equilibrium with the surrounding water levels.From the different scenarios, it is found that the Terkos Lake levels decreaseand for instance when the Terkos Lake level is approximately 0.5 ma significant displacement of the salt water interface would occur with a maximum extent of 1000 m. This means that the saltwater will almost reach Terkos lake. Hence, operation of Terkos lake should not allow the lake level to descend such low levels. The results of this study suggests constructing a subsurface physical barrier (subsurface dam) near the canal to control the seepage flow rate from the lake towards the canal and prevent saltwater intrusion. Even though the construction installment and operation of the subsurface physical barriers may be costly the effectiveness it provides in preventing the intrusion may protect the one of the most important fresh in the city of Istanbıl water resources. Construction of the canal Istanbul near Terkos Lake could encourage the seepage from the lake towards the canal because of the head difference that will be created during excavation and after implementation. Regardless of the seepage amount from the lake to Terkos, diffusion of saltwater through the area may cause a seawater intrusion problems. Contamination of the aquifer and possibility of loosing the lake is the finding of this study. The saltwater wedge location obtained from the numerical solution is presented for the steady state conditions with different lake levels. According to the model results, it is found that the Terkos Lake water levels decrease, a significant movement of the saltwater wedge would occur with a maximum extent of 1000 m, for example,when the level is approximately 0.5 m which means that the saltwater will almost reach Terkos Lake bottom. Hence, operation of Terkos reservoir does not allow this condition especially in the dry seasons when the recharge rate minimum values. Solutions have to be considered in this project before starting excavation, since the Lake is considered an essential water source of domestic use for a large densly populated area in Istanbul. Fully and partially penetrating subsurface physical barriers is modeled in the aquifer using the Horizontal Flow Barrier (HFB) Package in GMS and results revealed an effective improvement in term of controling the intrusion length in the aquifer system is achieved even when the lake level was minimum. The study concluded that even the canal has a minor effect on the aquifer system in terms of seepage from Terkos Lake, while canal has a significant influence with respect tosaltwater intrusion to aquifer and. Inappropriate management of the Terkos reservoir may lead to its destruction as a source for freshwater much earlier than other aquifers which have no access to the sea.

Summary:

Yapay kanallar, derivasyon, sulama ve enerji üretimi gibi birçok amaç için inşa edilmektedir. Türkiye Cumhuriyeti, Karadeniz'i Marmara Denizi'ne bağlayan toplam uzunluğu 43.150m olan, 145-150m genişliğinde ve 25m derinliğinde çok büyük ölçek bir kanal inşa etmeyi planlamaktadır. Kanal İstanbul olarak adlandırılan bu projenin maliyeti 10 milyar dolar olarak tahmin edilmiştir. Bu proje enerji, ulaşım, kentselleşme ve doğayı koruma amaçları doğrultusunda planlanmıştır. Bu proje öncelikli olarak 42553 geminin geçiş yaptığı boğazdaki trafiği hafifletmek amacıyla düşünülmüş bir suyolu olarak hizmet verecektir. Günlük 160 geminin geçmesi beklenen bu yeni inşaa edilecek suyolu ile beraber boğazda yaşanan deniz kaza sayasının azalması hedeflenmektedir. Uzmanların beklentisine göre, tasarlanan bu suyolunun civarındaki tatlı su kaynaklarından kanala doğru sızma veya kanaldan yeraltı suyuna ve yüzeysel tatlı su kayanklarına doğrutuzlu su girişimi bakımından olumsuz etkileri olabilir. Su kanal inşaası için yapılacak kazılar tatlı su kaynaklarından kanala doğru sızmayı arttıracaktır. Kanal İstanbul'un, özellikle kanaldan 1000-1.200m uzaklıkta bulunan İstanbul için önemli temiz bir su kaynağı olarak kullanılmakta olan Terkos Gölünün kirlenmesine ve dolayısıyla yok olmasına neden olabileceği düşünülmektedir. Bu çalışma, uzun vadeli sızıntı etkileşimini, su kayıplarını ve Terkos Gölü ile Kanal İstanbul arasında beklenen tuzlu su girişimini araştırmaktadır. Kanal İstanbulu Terkos Gölü'ne bağlayan akifer sistemindeki yeraltı suyu akımı bu çalışma bünyesinde modellenmiştir. Terkos Gölü İstanbul'un avrupa yakası için en hayati temiz su kaynaklarından biridir. Mevcut durum için Terkos Göl'ü yakınındaki akifer sisteminde oluşan akım modellenmiş ve devamında uzun vadeli bir yeraltı suyu akım modeli geliştirebilmek için yeraltı suyu model sistemi (GMS), uzaktan algılama ve geografik bilgi sistemi (CBS), yeraltı suyu akım modeline (MODFLOW) entegre edilmiştir. Geliştirilen model için veri hazırlamak amacıyla bir jeoveritabanı, ARC GIS 10.2 kullanılarak oluşturulmuştur. Kavramsal model, yükseklik verisi, sınır koşulları, dijital yükseklik modelini, tematik haritalar, akifer özellikleri ve sondaj kuyusu verilerinin analizi baz alınarak geliştirilmiştir. Akifer parametreleri, önceden kazılan 27 sondaj kuyusunu ortalama hidrolik yük değerleri kullanılarak kalibre edilmiştir. Kalibrasyon işlemi GMS'te Automated Parameter Estimation (PEST) deneme yanılma yöntemi kullanılarak, ortalama hata kareleri kare kökü değeri, 0.97'e ulaşana kadar gerçekleştirilmiştir. Başka bir ifadeyle, hidrolik iletkenlik ve akiferin beslenme debisi değerlerini elde etmek için ortalama hata kareleri kare kökü değeri, 0.97 olana kadar modelin kalibrasyonuna devem edilmiştir. Terkos Gölünden gelen şu anki sızma miktarını hesaplayabilmek için su bütçe denklemi kullanılmıştır. Su bütçe yöntemi net yeraltı suyu akımını (akiferin içine giren su miktarı eksi dışarıya çıkan su mikarı) hesaplamaktadır. Su bütçesi yaklaşımı kullanılarak, çalışma süresi boyunca aylık olarak Ocak 2000'den Eylül 2015'e kadar sızma miktarlar hesaplanmıştır. Sızma miktarını hesaplamak için basitleştirilmiş analitik model kanal tamamen boş (inşaa sürecinde) ve kanal tamamaen dolu (işletme sürecinde) olması şartları dikkate alınarak geliştirilmiştir. Analitik modelin sonuçları sızma miktarının tamamen göl ile kanal arasındaki piezometrik seviyeye bağlı olduğunu göstermiştir. Ayrıca, yeraltı suyu akımı nümerik model MODFLOW yazılımı yardımıyla simüle edilmiş olup modelin çözümünde sonlu farklar yöntemi kullanılmıştır. Aynı şekilde nümerik modelde durağan akım ve kanal tam boş ve dolu olması şartları altında gerçekleştirilmiştir. Geliştirilmiş olan model sonuçları karşılaştırıldığında nümerik modelin analitik yaklaşımdan daha doğru ve güvenilir sonuçlar verdiği görülmüştüt. Üstelik analitik yaklaşımın sonuçları ya gözlem değerlerinin altında veya üstünde kalmiştır. Başka bir ifadeyle, analitik model öngörülenin altında veya üstinde tahim değerleri üretmiştir. Bu nedenlesızma debisinin hesaplanmasında nümerik modelin kullanılması uygun olacaktır. Kanalın işletme sürecinde, tuzlu suyun akifer sisteminde bulunan tatlı suya karışması nedeniyle tuzlu su girişimi gerçekleşecektir. Akiferin tatlı-tuzlu su girişim miktarını değerlendirmek için, Ghyben-Herzberg analitik yaklaşımı ve Glover analizi uygulanmıştır. Göldeki su seviyesi ortalama deniz seviyesine indiğinde, tuzlu su girişimi akifer sisteminde bir dizi kirlenme problemine yol açacaktır. NümerikSEWAT modeli kullanılarak tuzlu suyun akiferdeki yeraltı suyuna girişimini tahmin edilmiştir. Kanalı göle bağlayan en kritik bölge için 2D ızgara modeli, kavramsal nümerik model ise sonlu fark yöntemi baz alınarak geliştirilmiştir. Deniz seviyesi yükselmesine ve göl suyu kütle farklılıklarına göre nümerik simülasyonlar vasıtasıyla etkilenen alan belirlemiştir. Bu çalışmanın sonuçlarına göre, akifer sistemde tuzlu su girişimi meydana gelecektir ve bu girişim miktarıdeniz ve göl seviyelerinin değerlerine bağlı olarak hayli değişiklik göstermektedir. Göl suyu seviyesini 1.0 m aşağı seviyeye inmesi durumunda akifere tuzlu su girişiminin yüksek bir seviyede olmasına neden olacaktır. Bu çalışmada, gölden kanala veya kanaldan göle doğru olan su akım miktarını azaltmak ve tuzlu su girişimini önlemek için kanalın yakınına yeraltı bariyeri yerleşim (yeraltı barajı) modeli geliştirilerek değişik seneryolar altında analizler yapılmıştır. GMS'de Yatay Akım Bariyer Paket programı kullanılarak geliştirilen yeraltı bariyer modelinin sonuçlarına göre akifer sistemindeki tatlı-tuzlu su girişimini önlemek bakmından etkili neticeler elde edilmiştir. Bu çalışmanın sonuçlarına göre, , kanalın Terkos Gölünün sızma yoluyla su kütlesini kaybetme noktasında etkisinin az olacağı görülmüştür. Ancak Terkos gölünün ve çalışma alanında bulunan akiferin uygunsuz işletim ve yönetimi, diğer akiferlerden çok daha erken bir vakitte kanalın tuzlu suyunun tatlı su kaynağına girişimde bulunarak kirlenmesine ve dolayısıyla yok olmasına yol açabilir. Nümerik modellemeyle oluşturulan tuzlu su arayüzü, Ghyben-Herzberg veya Glover prensibinin öngördüğü konumla örtüşmemektedir. Tuzlu su girişimi , ya da tuzlu su arayüzünün akifer içindekikonumu, Terkos Gölünün su seviyesine bağlıdır. Akiferin tatlı su kısmında su seviyesi artarsa, girişim arayüzü tuzlu su kaynağına doğru ilerleyebilir; ancak, tatlı su seviyeleri düşerse, arayüz akifere yakın bölgelere hareket edebilir ve tatlı su kaynakları alanları için potansiyel bir tehdit oluşturabilir. Arayüzün hareketi anlık değildir, çevredeki su seviyeleri ile dengeye ulaşması için için aylar,yıllar gerekebilir. Farklı senaryolar altında, Terkos Gölü seviyesi azaldıkça, örneğin Terkos Gölü su seviyesi 0.5 m iken tuzlu su arayüzünün tuzlu su kaynağından en fazla 1000 m'lik bir mesefade olacağı görülmüştür. Bu da tuzlu suyun neredeyse Terkos Gölü'ne ulaşacağı anlamına gelir. Bu nedenle Terkos Gölü'nün işletme seviyesinin 1 m'nin altındaki seviyelere ulaşmasına müsaade edilmemelidir. Bu çalışmaların sonuçlarına göre yeraltı bariyerleri inşaa edilmesinin tuzlu su girişinini azaltıcı ve engeleyici yönde katkı sağladığı gözlenmiştir. Ancak yeraltı bariyerlerinin (yeraltı barajı) kurulum maliyeti kanalın toplam inşaa maliyetlini aşırı derecede artırabilir. Terkos Gölü yakınlarındaki alanda Kanal İstanbul'un inşası, kazı sırasında ve işletme sürecinde aralarında oluşacak su yükü farkı nedeniyle gölden kanala doğru bir su akımı oluşturacaktır Terkos Gölü'nden gelen su miktarı ne olursa olsun, kanalın varlığı bölgede bir tuzlu su yolunun oluşmasına ve tatlı suyun ve kanal suyunun deniz suyuyla girişim yaparak bir takım sorunların ortaya çıkması, akifer ve gölün kirlenmesine sebeb olması muhtemeldir. Bu tez çalışmasında nümerik modelin ürettiği arayüz konumları, farklı göl seviyeleri için ve kanalın su seviyesinin sabit olması koşulları altında detaylı olaraksunulmuştur. Model sonuçlarına göre, Terkos Gölü su seviyesi azaldıkça, tuzlu su arayüzünün önemli bir yer değiştirmesi oluşacak, örneğin Terkos göl seviyesinin 0,5m olması durumunda, arayüzü konumu tuzlu su kaynağından maksimum 1000 m (1 km) de uzağında oluşacaktır. Bu da tuzlu suyun neredeyse Terkos Gölü'nün dib nokatasına kadar ulaşacağı anlamına gelir. Bu nedenle Terkos Gölü'nün işletilme seviyesinin, özellikle akiferin beslenme (şarj) miktarının minimum değerlerde olduğu kurak mevsimlerde göl seviyesinin bu kadar düşük seviyelere ulaşmasına izin verilmemelidir. Terkos Gölü, İstanbul ve dolayısıyla avrupa yakası için hayati bir su kaynağı olup, kanalın inşaasına başlamadan önce akiferin ve Terkos Gölünün korunması için detaylı araştırma yapılmalı ve bu araştırmalrın olumsuz etkilerinin bertaraf edici önlemler alınmalıdır.