PARADISE ADASI (DUBAI) HİDRODİNAMİK, DALGA YAYILIMI ve KIYI ÇİZGİSİ DEĞİŞİM MODELİNİN KURULMASI

Transkript

1 PARADISE ADASI (DUBAI) HİDRODİNAMİK, DALGA YAYILIMI ve KIYI ÇİZGİSİ DEĞİŞİM MODELİNİN KURULMASI Tarkan Erdik* 1, Olgay Şen*, Şehriban Saçu* * Faculty of Civil Engineering, Hydraulics Division, Istanbul Technical Univ., Maslak 34469, Istanbul, Turkey. (corresponding author). 1 Corresponding author: erdik@itu.edu.tr ÖZET Dubai açıklarında bulunan Paradise adasının (24 26'33.92"K ve 54 15'33.70"D) kuzey ve güney kıyıları şiddetli erozyona maruz kalmaktadır. Bu çalışmada, Paradise adası için çeşitli yapısal düzenlemelerde bulunarak dalga etkilerinin azaltılmasına çalışılmıştır. Bunun için hidrodinamik, dalga yayılımı ve kıyı çizgisi değişim modeli kurulmuştur. Dalga yayılımı modeli için StWave yazılımından faydalanılmıştır. Dalga yayılım modeli sapma/dönme, derin ve sığ denizlerdeki dalga etkileşimlerini ve dalga kırılması ve taban pürüzlülüğü gibi etkilerle enerji kayıplarını içermektedir. Hidrodinamik model için Adcirc yazılımı kullanılmıştır. Hidrodinamik model, gelgit ve rüzgar etkisiyle akıntı hızlarını tahmin etmede kullanılmıştır. Kıyı çizgisi değişimi için GenCade yazılımından yararlanılmıştır. Kıyı çizgisi değişimi için 20 yıllık periyod dikkate alınarak dalga büyüklükleri modelde tanımlanmıştır. Anahtar Kelimeler: Paradise adası, Dalga yayılımı modeli, Hidrodinamik model, Kıyı Çizgisi değişimi modeli ABSTRACT In this study, hydrodynamic, wave propagation and shoreline change modeling is performed for Paradise Island, which is located just offshore of Dubai. Geographical coordinates of the island are 24 26'33.92"N and 54 15'33.70"E. In this study, StWave is employed to evaluate wave growth and propagation, wave transformation including reflection/diffraction near structures. The hydrodynamic model of Adcirc is applied for current determination due to tidal waves. Finally, GenCade model is applied to simulate long term shoreline change (20 years). Keywords: Paradise island, Wave transformation, Hydrodynamic modelling, Shoreline change model 829

2 GİRİŞ Paradise adası (Dubai) 24 26'33.92"K-54 15'33.70"D koordinatlarında bulunmaktadır. Proje bölgesi (South Paradise Island) Şekil 1 de sunulmuştur. Adanın kuzey ve güney kıyılarında şiddetli erozyon meydana gelmektedir. Bu erozyona bağlı olarak sahil kesimi yok olma tehlikesi ile karşı karşıya kalmıştır. Gerçekleşen erozyona ait görüntüler Şekil 2 de verilmiştir. Burada, (a) kıyı çizgisi, (b) ise kıyı koruma yapısı erozyonunu göstermektedir. Gerçekleştirilen incelemelerde anlaşılmıştır ki, bölge üzerindeki erozyona dalga hareketleri neden olmaktadır. Akıntı kaynaklı erozyonun etkisi ihmal edilebilir boyuttadır. Bu yüzden, gerçekleştirilen bu çalışmada dalga hareketlerinin tespiti üzerine yoğunlaşılmıştır. Bu çalışmada, StWave (STeady-state spectral WAVE) yazılımı kullanılarak ekstrem ve uzun dönem senaryolar için proje bölgesi üzerindeki dalga büyüklükleri tespit edilmiştir. Stwave, U.S. Army Engineer Research and Development Center (ERDC) tarafından geliştirilmiş bir yazılım olup, dalga hareketi denge denklemlerini sonlu farklar yaklaşımı ile çözerek rüzgar dalgası gelişimi, yayılımı ve dönüşümünü simüle etmektedir. Stwave yazılımı batimetri kaynaklı dalga sapması, sığlaşma ve dalga kırılması gibi dalga olaylarını da dikkate almaktadır (Massey, v.d., 2011). Bu çalışmada ekstrem ve uzun dönem dalga hareketlerini belirlemeye yönelik birçok senaryo geliştirilmiştir. Ayrıca, çeşitli yapısal senaryolar ile dalga büyüklüklerinin etkisi azaltılmaya çalışılmıştır. Gerçekleştirilen analizler neticesinde, dereceden yaklaşan dalgaların proje bölgesi içerisinde en yüksek dalga büyüklüğüne sebebiyet verdiği tespit edilmiştir. Kuzey sahilinde planlanan açık deniz dalgakıran yapısının diğer yapı alternatiflerine göre en etkili sonucu verdiği anlaşılmıştır. 830

3 Şekil 1 Paradise adası (Dubai) (a) (b) Şekil 2 (a) Kıyı erozyonu (b) koruma yapısı erozyonu 831

4 DALGA YAYILIM MODELİ Uluslararası literatürde, dalga yayılımı modelleri yaygın olarak SWAN (Booij v.d., 1999), MIKE 21 SW (DHI, 2008), StWave (Massey, v.d., 2011) yazılımları ile gerçekleştirilmektedir. Bunlardan, SWAN modeli en çok tercih edilen yazılımdır. SWAN modelinin en önemli avantajlarından birisi yazılımın ücretsiz olmasıdır. Ayrıca, kartezyen ve küresel koordinat sistemi içinde tanımlanması, okyanus benzeri ve yakın kıyı bölgelerinde çalışabilmesi, detaylı kalibrasyon parametreleri ile eğrisel (curvilinear) meş sistemine sahip olması diğer önemli avantajlarıdır (Gonçalves, 2012). MIKE 21 SW yazılımının esnek (flexible) meş sistemine sahip olması çok önemli bir avantaj olmasına rağmen oldukça pahalı olması diğer benzerlerine göre tercih nedenlerini azaltmaktadır. StWave yazılımının pahalı olmaması, kolay ve çözüm adımlarının hızlı olması önemli avantajlarıdır. Ayrıca, SWAN yazılımının aksine, sınır şartından kaynaklı hiçbir negatif etkinin sistem içerisinde bulunmaması sebebiyle dünyada yaygın olarak kullanılmaktadır (Gonçalves, 2015). Yukarıda bahsi geçen yazılımlar dönme (diffraction) ve yansıma (reflection) etkilerini yaklaşık yöntemlerle belirlemektedir. Kıyı yapısı ve batimetri etkilerinin önem kazandığı projelerde Boussinesq modellerinin kullanılması tavsiye edilmektedir. Bu çalışmada, hesap adımlarının hızlı olması sebebiyle StWave yazılımı tercih edilmiştir. Bunun için iki farklı çözünürlükteki meş sisteminden faydalanılmıştır. Bunlardan ilki, 50m x 50m çözünürlüğündeki düşük çözünürlüklü meş (a coarse structured mesh), diğeri ise 1m x 1m çözünürlüğündeki yüksek çözünürlüklü meştir (a fine structured mesh). Düşük çözünürlüklü meş ile üretilen dalgalar, yüksek çözünürlüklü meş sistemine sınır şartı olarak etki ettirilmiştir. Bunun için, iki sistem birbirine iç içe geçme (nested grid) tekniği ile bağlanmıştır. Yüksek ve düşük çözünürlüklü meş alanları Şekil 3 te sunulmuştur. Model içerisinde 3 farklı sınır şartı bulunmaktadır. Kuzey sınırından 3 boyutlu dalga spektrumu (frekans, yön, enerji) tanımlanırken, kenarlardan sıfır-gradyant (zero-gradient) sınır şartı etki ettirilmiştir (Şekil 4). Böylece yatay sınırlarda dalga enerjisinin ilerlemesine imkan tanınmıştır. Çalışmada gerçekleştirilen senaryolar, ekstrem ve uzun dönem koşullar altında ikiye ayrılmıştır. Ekstrem dalga senaryolarında, Grilli ve diğ., (2010) yaklaşımı tercih edilmiştir. Bu yaklaşıma göre, sınır koşullarındaki dalga büyüklükleri ile hesaplama meşine etki eden rüzgar kuvvetleri aynı tekerrür aralıklarında meydana gelmektedir. Geliştirilen senaryolar, Tablo 1 de verilmiştir. Bölge içerisinde gerçekleştirilen çalışmalar incelendiğinde, dalga ve rüzgarların ağırlıklı olarak kuzey batı bandından yaklaştıkları anlaşılmıştır. Bu yüzden, kuzey batı yönünden gelen dalgalar 3 farklı yön (310 0, 320 0, ) için gerçekleştirilmiştir. Burada amaç, en riskli dalga geliş açısını belirlemek ve açık deniz dalgakıran yapısını bu yöne karşı planlamaktır. Senaryolarda, ekstrem koşullar için belirgin dalga yüksekliği (H mo) 3m, ekstrem rüzgar hızı ise 20 m/s hesaplanmıştır. Uzun dönem koşullar için H mo değeri 1m hesaplanmıştır. Hesaplamalarda ihtiyatlı olmak adına, uzun dönem rüzgar hızları ile ekstrem koşullarda hesaplanan rüzgar hızları aynı alınmıştır. Bütün senaryolarda dalga geliş açısıyla, rüzgar esme yönü aynı kabul edilmiştir. 832

5 Ekstrem ve uzun dönem koşullarında, kuzey doğu bandından gelen dalgaların (30 0 ) etkisini belirlemeye yönelik senaryo da geliştirilmiştir (Tablo 1 Senaryo 4 ve 8). (a) (b) Şekil 3 (a) Düşük çözünürlüklü (50m x 50m) ve (b) yüksek çözünürlüklü (1m x 1m) meş alanları Şekil 4 Çalışma alanı sınır şartları ve batimetri. 833

6 Uzun dönem Ekstrem durum 9. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu Tablo 1 Senaryolar Dalga yönü (derece) H mo (m) T p (s) Rüzgar yönü (derece) Rüzgar şiddeti (m/s) Ekstrem ve uzun dönem dalga senaryoları Gerçekleştirilen senaryolar sonucunda hesaplanan dalga yönü, yüksekliği ve periyodu Şekil 5 te gösterilen 3 gözlem noktası için Tablo 2 de sunulmuştur. Buradan, senaryo 1 yani dereceden yaklaşan dalgaların proje bölgesi içerisinde en yüksek dalga büyüklüğünü verdiği görülmüştür. Proje bölgesinin güney kıyıları (M3 noktası) korunaklı bölge içerisinde kaldığından önemli mertebede dalga yüksekliklerine rastlanmamıştır. Şekil 5 Gözlem noktaları 834

7 Tablo 2 Gözlem noktalarında hesaplanan dalga büyüklükleri M1 M2 M3 Yön H Senaryolar mo T p Yön H mo T p Yön H mo T p (derece) (m) (s) (derece) (m) (s) (derece) (m) (s) Dalga kontur haritaları, Tablo 1 de gerçekleştirilen ekstrem senaryolar için Şekil 6, uzun dönem senaryolar için ise Şekil 7 de sunulmuştur. Buradaki şekiller yüksek çözünürlüklü (1m x 1m) meş alanları ile üretilmiştir. Gerçekleştirilen modelleme çalışmaları ile proje bölgesinde batimetri etkisiyle sapma ve Kuzey Paradise adası (Şekil 1) etkisiyle de dönme hareketlerinin baskın olduğu anlaşılmıştır. Şekil 6 Ekstrem dalga senaryoları için dalga kontur haritaları 835

8 Şekil 7 Uzun dönem dalga senaryoları için dalga kontur haritaları DALGA ETKİSİNİ AZALTICI YAPISAL SENARYOLAR Bu kısımda, kıyıda meydana gelen erozyonu azaltmak için proje planında birtakım yapısal senaryolar geliştirilmiştir. Bu senaryolara, çalışma bölgesinden sorumlu yerel otoriteler ve projenin yürütülmesinden sorumlu diğer uluslararası firmalar katkı sağlamıştır. Gerçekleştirilen yapısal senaryolar, en olumsuz dalga yönüne göre (310 0 ) ekstrem ve uzun dönem için ayrı ayrı analiz edilmiştir (Tablo 1, senaryo 1 ve 5). Yapısal senaryolar, Şekil 8-10 da verilmiştir. Senaryo 1 de kuzey sahil, dalga yönüne dik yerleştirilmiştir (Şekil 8). Senaryo 2 de kuzey sahili için açık deniz dalgakıran yapısı, dalgaların geliş yönünün karşısında planlanmıştır (Şekil 9). Senaryo 3, kuzey sahilindeki mahmuzların boyunun etkisini incelemektedir (Şekil 10). Gerçekleştirilen yapısal senaryolar için gözlem noktalarında elde edilen (Şekil 5) dalga büyüklükleri Tablo 3 te verilmiştir. Analizler neticesinde, en etkili senaryonun kuzey sahilinde planlanan açık deniz dalgakıran yapısı için (Şekil 9) meydana geldiği görülmüştür. 836

9 Şekil 8 Senaryo 1 (Kuzey sahil dalga yönüne dik yerleştirilmiştir). Şekil 9 Senaryo 2 (Ayrık dalgakıran kuzey sahili için planlanmıştır) 837

10 Mild 310 Extreme Kıyı Mühendisliği Sempozyumu Şekil 10 Senaryo 3 (Mahmuzların boyu kısaltılmıştır) Tablo 3 Yapısal senaryolar için gözlem noktalarındaki dalga büyüklükleri M1 M2 M3 Senaryolar Yön H mo T p Yön H mo T p Yön H mo T p (derece) (m) (s) (derece) (m) (s) (derece) (m) (s) HİDRODİNAMİK MODELLEME Bu çalışmada, proje bölgesi içerisindeki akıntı hızları ve su derinliklerini belirlemek için iki boyutlu AdCirc (Advanced Circulation) yazılımı kullanılmıştır. AdCirc yazılımı, sirkülasyon ve taşınım problemlerini sonlu elemanlar metoduyla zamana bağlı olarak çözebilen, 2 veya 3 boyutlu esnek (flexible) hidrodinamik modelleme yazılımıdır (Xie ve Zou, 2017). Modellemede kullanılan sınır şartları Şekil 11 de, meş yapısı ise Şekil 12 de verilmiştir. Kuzey sınırından tanımlanan gelgit sınır şartı ana kuvvet olarak hidrodinamik modele etki ettirilmiştir. Pous ve diğ., (2012) proje bölgesinin 4 ana gelgit büyüklüğünün (K1, O1, S2, M2) bileşenlerini tanımlamıştır. Defant (1958) yarı günlük (semidiurnal) S2, M2 ve günlük (diurnal) K1,O1 gelgit bileşenlerinin toplam gelgit zaman serisinin %70 ine karşılık geldiğini belirtmiştir. Bu yüzden, bu çalışmada, Pous ve diğ., (2012) tarafından verilen 4 ana gelgit bileşeni kullanılmıştır. Simülasyon süresi 838

11 1 ay kabul edilmiştir. Böylece, 1 aylık zaman zarfında 2 spring ve 2 neap gelgit dalgasının oluşması sağlanmıştır. Kuzey sınırından modele tanımlanan gelgit büyüklüğü Şekil 13 de verilmiştir. Gelgit yükseklikleri 1.5m arasında değişmektedir. Yatay sınırlarda ise Normal Wave Radiation sınır şartı tanımlanmıştır. Bu sınır şartında, dalgaların yatay sınırlardan serbestçe ilerlemesine imkan tanımaktadır. Proje bölgesinin kuzeyi (Şekil 12 P 1 noktası) ile güneyinde (Şekil 12 P 2 noktası) meydana gelen su seviyesi değişimleri Şekil 14 de sunulmuştur. Burada görüldüğü üzere, açık deniz sınır şartı olarak tanımlanan 1.5m arasında değişen su seviyeleri proje bölgesinde yaklaşık yarı yarıya azalmaktadır. Hesaplamalar neticesinde proje bölgesinde maksimum 25cm/s mertebesinde hızların meydana geldiği anlaşılmıştır. Şekil 11 Hidrodinamik modelleme sınır şartları P 1 Şekil 12 Hidrodinamik modelde kullanılan meş yapısı P 2 839

12 Şekil 13 Gelgit sınır şartı Şekil 14 Proje bölgesinin a) kuzeyi (P 1 noktası) ve b) güneyinde (P 2 noktası) meydana gelen su seviyesi KIYI ÇİZGİSİ DEĞİŞİM MODELİ Bu bölümde, proje bölgesi içerisinde 20 yıllık zaman periyodunu kapsayan kıyı çizgisi değişim modeli GenCade yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. GenCade yazılımında kullanılan dalga büyüklükleri yapay olarak üretilmiştir. Bunun için, Boussinesq modeli kurularak dalga hareketleri simüle edilmiş ve elde edilen çıktıların istatiksel dağılımı belirlenmiştir. Bu dağılıma bağlı olarak 20 yıllık dalga veri serisi üretilmiştir. Kıyı çizgisi değişim modeli, ada etrafında 840

13 yapılması düşünülen kıyı koruma yapıları ile birlikte gerçekleştirilmiştir. Projeden sorumlu yerel otoriteler ve uluslararası yetkili firmalarla gerçekleştirdiğimiz görüşmeler neticesinde Şekil 15 de görülen plan üzerinde projenin yapılmasına karar verilmiştir. Proje bölgesi mahmuzlar ve kıyı duvarları ile desteklenmiştir. Uzun dönem kıyı çizgisi değişimleri, bu kıyı yapıları dikkate alınarak gerçekleştirilmiştir. Hesaplamalar neticesinde, adanın kuzeyinde meydana gelen kıyı çizgisi değişimi Şekil 16 da verilmiştir. Bu şekillerden görüldüğü üzere, planlanan kıyı koruma yapıları ile birlikte erozyon önemli miktarlarda azaltılmıştır. Şekil 15 Proje bölgesinde planlanan kıyı yapıları 841

14 Şekil 16 Kıyı çizgisi değişiminin uzun dönem grafikleri 842

15 SONUÇ ve ÖNERİLER Bu çalışmada, Paradise adası (Dubai) için dalga yayılımı, hidrodinamik ve kıyı çizgisi değişim modeli gerçekleştirilmiştir. Proje bölgesinin kuzey ve güney kıyıları ciddi bir erozyon altındadır. Gerçekleştirilen incelemelerde, dalga hareketlerinin akıntı hareketlerine göre erozyonu daha fazla etkilediği belirlenmiştir. Kuzey batı dan gelen dalgaların bölgeyi etkilediği görülmüştür. Erozyonu azaltıcı koruma tedbirleri üzerinde araştırmalarda bulunulmuştur. Kuzey bölgesinde açık deniz dalgakıran yapılmasının erozyonu önemli ölçüde azaltacağı sonucuna varılmıştır. KAYNAKLAR Pous, S, Carton, X., Lazure, P., (2012) A Process Study of the Tidal Circulation in the Persian Gulf Massey, T.C., Anderson, M.E., Smith, J. M., Gomez, J., Jones, R. (2011). STWAVE: Steady-State Spectral Wave Model User s Manual for STWAVE, Version 6.0. US Army Corps of Eng. ERDC. Xie, D., & Zou, Q. (2017). Effect of Wave-Current Interaction on Waves and Circulation Over Georges Bank During Storm Events. Coastal Engineering Proceedings, 1(35), 18. Defant, A. (1958). Ebb and flow; the tides of earth, air, and water. Ann Arbor, University of Michigan Press. Booij, N. R. R. C., Ris, R. C., & Holthuijsen, L. H. (1999). A third generation wave model for coastal regions: 1. Model description and validation. Journal of geophysical research: Oceans, 104(C4), DHI (2008) Mike 21 SW scientific background. Denmark. Gonçalves, M., Rusu, E., & Soares, C. G. (2012). Evaluation of the wave models SWAN and STWAVE in shallow water using nested schemes. Maritime Engineering and Technology, 481. Gonçalves, M., Rusu, E., & Guedes Soares, C. (2015). Evaluation of two spectral wave models in coastal areas. Journal of Coastal Research, 31(2), Grilli, A.R., Asher, T.G., Grilli, S.T., and Spaulding, M.L., 2010, Analysis of extreme wave climates in Rhode Island waters south of Block Island, in Ocean Special Area Management Plan: University of Rhode Island Technical Report 8, 43 p. 843