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

Investigating the effects of low impact developments on urban runoff reduction

Düşük etkili gelişme yöntemlerinin şehir taşkınlarını azaltma etkilerinin incelemesi

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 558255 tez numarasıyla arayabilirsiniz.

Özet:

In this thesis project the effects of several low impact development (LID) types including green roof, permeable pavement and bio-retention cell on urban flood peak runoff and runoff volume reduction were investigated at Istanbul Technical University main campus using EPA SWMM program. After literature review in related topics, required data collected and prepared for simulations. These data include university infrastructure data which contains essential information about drainage and sewer systems, the locations of manholes and pipelines and system outfall points, topographical data for the study area with resolution of Δx = Δy = 5 m, soil type and parameters data of the study area, meteorological data which contains the hourly, daily and annual precipitation amounts and the predicted values for 5 storm events with return periods of 2, 5, 10, 25 and 50 years and also the daily temperature data for the period of November 2017 to November 2018. The land cover map of the study area prepared in Arc GIS program by using the Auto CAD file of the university and also aerial photo of the campus. The land cover map consists of 10 different layers and founded the base of sub catchment parameters calculations, like pervious and impervious %, Manning's roughness and etc. By using the topographical data, the study area first divided into 5 catchments and after, according to the location of the drainage system inlets and also topography of the area and land cover map, the study area divided to 77 sub catchments. Also the drainage system consists of 196 manholes and 197 conduits and 4 outfall nodes in total. The main scenario of this study is to replace 5%, 10%, 15% and 20% of the impervious surfaces in the university campus with LID components which mentioned above and investigate the reduction amount in peak runoff and runoff volume. And also by modeling a long term rain fall data (one year), yearly discharge amount from the outfall points of the system will be achieved and in case of constructing a suitable pond, this amount can be use in irrigation and similar purposes. Dynamic wave routing method for flow routing, and modified Green-Ampt method for infiltration calculations were used in model simulations. The rain data belonging to the storm events were inputted to the model according to normal distribution function and with 10 minutes intervals. The long term rainfall data were inputted as hourly rainfall data for the November 2017 to November 2018 period. And also daily temperature data for the same period were used as an input to the model for evaporation calculations in the model. For model calibration and validation one rain gauge and meter used for the precipitation and water depth measurements in a manhole located at the outlet of the study area. The measured and simulated values for the water depth compared with RMSD method and then tried to reduce the difference between measured and simulated values by modifying some parameters of the soil and Manning's roughness. The final accepted parameters were used in the model for simulations. In this thesis project it is revealed that by replacing 5%, 10%, 15% and 20% of the impervious surfaces of the study area the peak runoff and runoff volume will decrease significantly. For example the maximum peak runoff reduction obtained 38% in simulation with a rain storm with 50 years return period and in case there is 20% LID replacement in the model. Also maximum runoff volume reduction obtained about 35% in the simulation with a rain storm with 50 years return period and in case there is 20% LID replacement implemented in the model. Also the annual discharge volume for the drainage system obtained as 914,544 m^3 for the period of November 2017 to November 2018 which in case of constructing a suitable pond can be use in irrigation or similar purposes.

Summary:

Su! Hayatın belki en önemli faktörüdür ama bazen biz insanlar adımız dan da belli olduğu gibi bu nimetin nekadar önemli olduğunu unuturuz, yer küresindeki su kaynaklarını boşa harcar uzaydaki başka kürelerde su ararız! Insanların su ve doğayla olan ilişkisi hernekadar da kitaplarda ve bilim merkezlerinde vurgulanıp doğrusu öğretilsede ne yazıkki gerçek hayatta bir çok yanlışlıklara maruz kalmıştır ve bu nedenle şimdi veya gelecekte bir çok sorunlar yaşayacaktır. Insan toplumlarının zamanla büyümesi ve dolaysıyla ihtiyaçlarının artması, köylerden büyük şehirlere göç etme veya köylerde kentleşmeye yol açmıştır. Kentleşmenin temel faktörlerinden olan zemin değişmesi doğanın yeşil ve canlı örtüsünü aradan kaldırıp yerine sert ve cansız metal ve asfalt gibi örtüleri yerleştirmiştir bu nedenle yağmura karşı zeminin su ğeçirimliliğini azaltmış ve hatta engellemiştir. Alt tabaka toprağa geçiş yolu bulamayan yağmur, yüzeysel akışlara çevirilip ve şiddetli yağmur zamanlarında su baskınlarına yol açıyor. LID veya Low Impact Development adıyla tanımlanan yöntemler günümüzde Amerika Kanada ve Avropanın gelişmiş olduğu ülkelerin çoğunda uygulanmakta olup ve doğayı daha az etkileyerek kentleşme teknikleri sunmaktadır. Türkiye gibi gelişmekte olan ülkeler, gelişmiş olan ülkelerden daha hızlı büyüme yaptıkları için LID stratejilerinin uygulanmasına daha çok ihtiyaç duymaktadırlar. Buna ilaveten sürdürebilir büyüme gelecekteki refah ve kalkınmanın hızlı ve güvenilir geçişi için önemli rol oynamaktadır. Bu tez projesi kapsamında kentleşmiş bir bölge örneği olarak Istanbul Teknik Üniversitesi farklı LID denemeleri için kullanılmıştır. Ayrica üniversite yetkililerinin dediklerine göre 2009 ve 2011 yıllarında kampüsün güney bölgesinde şiddetli yağmurlardan dolayı bir kaç binayı su basmış ve bu nedenle maddi hasarlar meydana gelmiştir. Bu yüzden LID stratejileri kullanılarak üniversite kampüsünde farklı dönüş aralıkları olan 5 fırtına için yağış akış modeli yapılıp pik debi ve akış hacmi azalması incelenmiştir. Söz konusu olan LID denemeleri bu projede 3 bileşenden oluşmaktadır: 1- Yeşil Çatı 2- Su Geçirebilir Zemin ve 3- Bio Biriktirme Bahçesi. Bu tez çalışmasında, araştırma alanı olan Istanbul Teknik Üniversitesine ait su geçirmeyen yüzeylerinin, 5%, 10%, 15% ve 20% si, adı geçen LID bileşenlerile değiştirilerek pik debi ve akış hacmi azalması farklı fırtınalar için test edilmiş ve sonuçları rapor edilmiştir. Bu projede US EPA, "American Environment Protection Agency" nin SWMM, "Storm Water Management Model" uygulaması kullanılmıştır. Ayrıca GIS le ilgili olan hesaplamalar Arc GIS programıyla hazırlanmıştır. Model oluşturmak için öncelikle literatür araştırması yapılmış ve sonra araştırma bölgesi olan Istanbul Teknik Üniversitesine ayit datalar toplanmıştır. Yağmur suyu drenaj hatları ve detayları, binalar ve fakültelere ayit olan detaylar, otoparklar ve yolları gösteren harita Auto CAD file halinde Üniversite Yapı İşleri Müdürlüğinden temin edilimiştir. Ayrıca data ların ve su rogarlarının konumlarının doğru olduğundan emin olmak ve bazı kayıp rogarları tespit etmek için saha kontrolleri yapılmıştır. Üniversite kampüsünün sadece batı kısmının Altyapı dataları mevcut olduğundan model yapımında toplam da 1,08 〖km〗^2 alana sahip olan batı kısmı hesaba alınmıştır. Bu harita alt katman olarak land cover haritası oluşturmak için kullanılmıştır. Mevcut yeşil alanlar ve diğer belirsiz olan alanlar Arc GIS programıyla uydu görüntüsü kullanarak tesbit edilip land cover haritasına eklenilmiştir. Toplam 10 katman dan oluşan bitki örtüsü haritasında asfalt alanlar, binalar, havuzlar, otoparklar, çimenlikler, taşlı yüzeyler, ağaçlık alanlar, taş döşeme alanlar, orta ağaçlık alanlar ve gölete ayrıca yer verilmiştir ve her birinin fiziksel özellikleri tek tek hesaplanmıştır. Meteorolojik datalar ise gözlenen saatlik, aylık ve yıllık bazda yağmur şiddeti ve hacmi, günlük maksimum ve minimum hava sıcaklığı ve beklenen en büyük yağışlar 2, 5, 10, 25 ve 50 yıllık dönüş aralığı için Meteoroloji Genel Müdürlüğü' nden Sarıyer istasyonu için talep edilerek temin edilmiştir. Sarıyer istasyonu araştırma bölgesine en yakın istasyon olduğu için seçilmiştir. Bu modelde vaka bazlı 2, 5, 10, 25 ve 50 yıllık dönüş aralığı olan fırtınalar için 5 simülasyon yapılmıştır ve pik debi ve akış hacmi değerleri LID uyguladıktan sonra ve LID uygulamaksızın elde edilip karşılaştırılmıştır. Ayrıca drenaj hattının, bir yıl içinde tahliye ettiği su miktarını elde etmek için Kasım 2017 den Kasım 2018 e kadar bir yıllık saatlik yağmur datası modele girilerek uzun zamanlı model yapılmıştır ve değerleri elde edilmiştir. Sonuç kısmında açıklanmış olan bu su miktarı drenaj ana çıkış noktasında uygun bir biriktirme havuzu yapılarak tasarruf edilip sulama gibi amaçlarda kullanıla bilir. Bu projede topografi datası araştırma bölgesi için Δx = Δy = 5 m çözünebilirliği ile temin edilmiştir böyle yüksek bir çözünebilirliği olan data kullanmakla daha doğru ve gerçeğe yakın sonuçlar almak amaçlanmıştır. Toprak datası için önceki araştırmalardan elde edilen değerleri referans vererek kullanılmıştır. Araştırma alanı Arc GIS programı ve topografik data kullanılarak önce 5 havzaya bölünmüştür ve sonra her bir havza su giriş rogarlarının konumu, topografik data ve yüzey türünü göz önünde bulundurarak toplam da 77 althavzaya bölünmüştür. Ayrıca araştırma alanına ayit olan 196 manhole ve 197 boru drenaj systemi modelini oluşturmak için hesaba alınmıştır. Bu çalışmada yapılmış olan yağış-akış modeli SWMM programının Dynamic Wave Routing seçeneğile incelenmiştir bu nedenle bacaların dolması ve taşması, borulardaki basınçlı akış ve ters yönlu akışlar da hesaba alınmıştır. Ayrıca zemine sızma hesaplama yöntemi olarak Modified Green-Ampt yöntemi kullanılmıştır bu yöntem, önce hafif başlayan ve sonra şiddetlenen fırtınalarda toprağın yüzeyindeki rutubet boşluğunu çabuk tüketmiyor kabulü ile ve ilk aşaması uzun süren ve yağış şiddeti toprağın doygun koşullardaki hidrolik iletkenlik değerinden daha az olan fırtınalarda gerçeğe daha yakın bir sonuç almak için kullanılmaktadır. LID control bileşenlerini yerleştirmek için önce yağış akış modeli incelenmiştir. Fırtına esnasında su baskınlarına uğrayan ve durumu daha kritik olan alt havzalar belirlenmiştir sonra alt havzanın hangi LID bileşenine uygun olması incelenerek yerlerine karar verilmiştir. Toplamda kampüsün su geçirmez zeminlerinin 5%, 10%, 15% ve 20% si kademeli olarak LID bileşenlerile değiştirilerek model terkar incelenmiştir ve pik debi ve akış hacmindeki azalma oranları elde edilmiştir. Bu proje çalışmasında bir yağmur ölçer aleti kullanılarak bir yağmur yağışı kalibrasyon ve validasyon amacı için 15 dakika aralıklarla ölçülmüştür. Aynı zaman da kampüsün güneyinde yer alan bir birleşim noktasından (baca) su seiyesi ölçülmüştür. Aynı nokta için model de çıkan su seviyesi elde edilerek ölçülen seviye ile karşılaştırılmıştır. RMSD yöntemile aradaki fark elde edilmiştir ve bu farkı azaltmak için zemin parametrelerinde modifikasyon yapılmıştır. Sonuç olarak en iyi RMSD değeri 10,35 mm elde edilmiş ve kalibre olunmuş parametreler simülasyon da kullanılmak üzere modele girilmiştir. Elde edilen sonuçlara göre kampüsteki su geçirmez yüzeylerin 5%, 10%, 15% ve 20% si 4 kademede bahsetmiş olduğumuz 3 LID bileşeni olan: 1- Yeşil Çatı 2- Su Geçirebilir Zemin ve 3- Bio Biriktirme Bahçesi ile değiştirdiğimizde pik debi ve akış hacmin de önemli azalmalar meydana gelmiştir. Sonuçlar arasında runoff peak flow ya ayit en çok azalma 38% ile 50 yıllık dönüş aralığı olan fırtına ve 20% LID uygulaması durumunda kayd edilmiştir. Aynı şekilde akış hacmi azalmasına ait olan sonuçlarda ise en büyük azalma 34.93% ile 50 yıllık dönüş aralığı olan fırtına ve 20% LID uygulaması durumunda kaydedilmiştir. Ayrıca drenaj hatlarının bir yıl içinde nekadar yağmur suyu tahliye ettiğini elde etmek için kasım 2017 den kasım 2018 e kadar olan saatlik yağmur verisi ve aynı zaman dilimi için buharlaşmanı hesaba katmak için günlük sıcaklık verisi modele girildi. Bir yıllık simülasyon sonun da drenaj hatlarından toplam 914,544 m^3 su çıkış yaptığı elde edildi. Bu miktar su drenaj sisteminin ana çıkış noktasında uygun bir birikyirme havuzu yapılarak tasarruf edilip ve sulama gibi amaçlar için kullanılabilir.