ÇED RAPORU. EK-12 ÜÇ BOYUTLU SU ALMA VE DEġARJ MODELLEMESĠ

Transkript

1 SOCAR POWER ENERJĠ YATIRIMLARI A.ġ. SOCAR POWER TERMĠK SANTRALĠ-II ENTEGRE PROJESĠ ÇED RAPORU EK-12 ÜÇ BOYUTLU SU ALMA VE DEġARJ MODELLEMESĠ

2 GAZĠ ÜNĠVERSĠTESĠ İZMİR ALİAĞA STEP ENERJI TESİSİ ÜÇ BOYUTLU SU ALMA & DEŞARJ MODELLEMESİ Prof. Dr. Lale BALAS Deniz ve Su Bilimleri Uygulama ve AraĢtırma Merkezi Kasım 2013, Ankara

3 i İÇİNDEKİLER 1. GĠRĠġ ÇALIġMA BÖLGESĠNĠN COĞRAFĠ KONUMU ÜÇ BOYUTLU HĠDRODĠNAMĠK TAġINIM MODELĠ: HYDROTAM- 3D Hidrodinamik ve Türbülans Alt Modelleri Rüzgar ve Dalga Ġklimi Alt Modelleri Dalga Ġlerleme Alt Modeli HYDROTAM-3D MODELĠNĠN UYGULAMASI Rüzgar Ġklimi Dalga Ġklimi Model Uygulaması SONUÇ... 48

4 1 1. GĠRĠġ Bu çalıģma, Ġzmir ili, Aliağa mevkiinde yapımı planlanan SOCAR POWER firmasının enerji santrali entegrasyon projesi kapsamında STEP 1 ( 2 Adet MWe ) ve STEP 2 ( 1 Adet 660 MWe) enerji santrallerinin soğutma suyu ihtiyacını karģılamak üzere gerekli denizden su alma ve denize deģarj sistemi sıcak su dağılımı modelleme çalıģmaları yapılmıģtır. Denizden soğutma suyu alma ve denize boģaltım sisteminin (denizde hangi derinliğe ve nereye konumlandırılacağının) belirlenmesi amacıyla yapılmıģtır. Bu doğrultuda, geliģtirilen 3 Boyutlu Hidrodinamik TaĢınım Modeli (HYDROTAM-3D) ile deģarj edilen sıcak suyun dağılım simülasyonları gerçekleģtirilmiģtir. ÇalıĢmanın baģlıca aģamaları Ģöyledir: Proje bölgesindeki oģinografik ve meteorolojik koģulların incelenmesi, Meteorolojik veriler ve oģinografik ölçümler kullanılarak proje bölgesindeki dalga, akıntı ve rüzgar özelliklerinin belirlenmesi, Ön bir çalıģma olması nedeniyle, proje alanının, 1/100 ölçekli batimetri haritası verilerinin sayısallaģtırılarak, model için su derinlik değerlerinin elde edilmesi, model çözüm ağının oluģturulması, HYDROTAM-3D sayısal modeli ile simülasyonların gerçekleģtirilmesi GeliĢtirilen 3-Boyutlu hidrodinamik taģınım modellemesi (HYDROTAM-3D) için, önemli girdilerden birisi olan genel batimetri verileri, 215 nolu 1/ ölçekli Çandarlı Körfezi- Dikili Körfezi Seyir ve Hidrografi Dairesi BaĢkanlığı deniz haritası kullanılarak hazırlanmıģ, iģveren tarafından sağlanan 1/100 ölçekli soğutma suyu yakın denizel alanı batimetri haritası ile güncellenmiģtir. Modellemede deģarj borusu tasarımı yapılmamıģtır. Deniz ortamına bırakılan soğutma suyunun yakın alan ve uzak alan seyrelmeleri benzeģtirilerek, yönetmelikler çerçevesinde olası olabilecek su alım ve denize soğutma suyu boģaltım konumları incelenmiģtir.

5 2 2. ÇALIġMA BÖLGESĠNĠN COĞRAFĠ KONUMU Yapımı planlanan su alma ve deģarj sistemi ünitesi Ġzmir ili, Aliağa mevkiinde E N ile E N koordinatları arasında yer almaktadır (Harita 1- Harita 2). Harita 1. ÇalıĢma alanı (Google,2012) Harita 2. ÇalıĢma denizel alanı (Google, 2012)

6 3 3. ÜÇ BOYUTLU HĠDRODĠNAMĠK TAġINIM MODELĠ: HYDROTAM- 3D Üç boyutlu modellerin kullanımı, yoğunluk dağılımının göz ardı edilemeyeceği ve/veya rüzgarların oluģturduğu akıntıların önemli olduğu kıyısal su alanlarında kaçınılmazdır. Bu tip akıntılar derinlik boyunca ve alanda yön değiģtirirler, bu nedenle iki ve tek boyutlu modellerle benzeģtirilmeleri önemli hatalar doğurur. HYDROTAM-3D, bilimsel kaynaklarda yayınlanan analitik ve deneysel sonuçlarla ve saha çalıģmaları ile karģılaģtırılarak gerçeklenen, Türkiye de birçok kıyı alanına uyarlanmıģ bir üç boyutlu hidrodinamik ve taģınım modelidir (Balas, 1998; Balas, 2001,2004; Balas ve Özhan, 2000,2001,2002,2003; Balas ve Ġnan 2005;Balas vd, 2006; Balas ve Küçükosmanoğlu 2006;Balas ve Ġnan,2010; Balas vd.2011; Balas vd.2012; Ġnan vd. 2012). HYDROTAM-3D, 1990 yılından bugüne dek sürekli olarak kalibre edilerek (saha çalıģmaları ile doğrulanarak) geliģtirilmiģ sayısal model çalıģmasının; güncel IT standartları ve teknolojilerini kullanarak modernize edilmesini, güncel gereksinimleri içerecek ek modüllerin oluģturulmasını, iliģkisel veri tabanı, Coğrafi Bilgi Sistem entegrasyonunu, üç boyutlu, görsel "Karar Destek" sisteminin oluģturulmasını içermekte olup web arayüzü sayesinde yaygın kullanım imkanına sahiptir. HYDROTAM-3D yazılımı bulut biliģim mimarisini kullanmaktadır. Bulut BiliĢim, bilgi teknolojisi (BT) kaynaklarına Internet üzerinden eriģim ve paylaģım ortamının tesis edilmesi olarak özetlenebilir. Sistemin kullanıcısının tek ihtiyacı internet eriģimi ve internet tarayıcısıdır. Kullanıcı önyüzü sadece web tarayıcı üzerinde bulunan model yazılımın kullanıcı veri tanımlamaları CBS üzerinden yapılmakta ve karar destek sistemi CBS temelli olup üç boyutlu analiz yapılabilmektedir. Kıyısal alanlarda rüzgar iklimi, dalga iklimi, akıntı, kirlilik taģınımı, sediman taģınımı gibi kıyısal taģınım olaylarının benzeģtirilmesi amacıyla geliģtirilmiģ yazılım olan HYDROTAM-3D, aynı zamanda dünyada da ilk çevre temelli bulut biliģim yazılımıdır. Yazılımının baģlıca özellikleri Ģunlardır: Üç boyutlu, alansal ve derinlik boyunca sayısal modelleme yapar. Tüm değiģkenlerin, zamana göre değiģimlerini içerir. Kullanıcının belirttiği herhangi bir zaman dilimi için sonuç üretebilir. Bulut biliģim mimarisinde olup herhangi bir donanım, yazılım yatırımı ve sistem bakım/yönetimi gerektirmez. Çoklu çekirdek ortamını kullanabildiği için hızlıdır.

7 4 Modelin çıktıları coğrafi bilgi sistem temellidir, kolayca yorumlanabilir, anlaģılabilir özelliktedir. Model küresel koordinat sistemini kullanır. Sonlu hacimler ve sonlu farklar metodu ile çözüm oluģturur. Modele noktasal yoğunluk tanımlanabilir. Model yoğunluk farklılaģmasını dikkate alarak iģlem yapar. Baroklinik bir modeldir. Modele noktasal su sıcaklıkları, su tuzlulukları tanımlanabilir. Modelde Coriolis faktör bileģeni mevcuttur. Model kullanıcı için aylık, yıllık ve/veya mevsimsel rüzgar gülleri ve dalga gülleri oluģturur. Model veri tabanında Türkiye Kıyıları Meteoroloji Ġstasyonları nın kuruluģlarından bu yana saatlik rüzgar verileri yer almakta ve bunlara dayalı rüzgar iklimi hesaplamaktadır (RÜZGAR ĠKLĠMĠ ALT MODELĠ). Kullanıcı istenildiğinde farklı hız ve yönlerde bir çok rüzgar verisi tanımlayabilir. Model batimetri verilerinin sisteme yüklenmesine izin verir. Model, batimetri verisi olmayan yerler için kendisi CBS çözümlemesi yapar. Model "çoklu nokta seçimine" izin verir, çözümlemeyi ve raporlamayı seçilen noktalar için gerçekleģtirir. Model, rüzgar, gelgit ya da yoğunluk farklılaģması etkenli akıntıları, su düzeyi değiģimlerini, rüzgar kabarmasını 3-boyutlu olarak benzeģtirir (HĠDRODĠNAMĠK ALT MODELĠ). Üç boyutlu k- türbülans modeli içerir (TÜRBÜLANS ALT MODELĠ). Korunan ya da korunmayan bir kirleticinin kıyısal su ortamına karıģması durumunda, yayılım ve dağılımını üç boyutlu olarak çözümler. Deniz deģarjlarında yakın alan ve uzak alan dağılımlarını benzeģtirir (KĠRLETĠCĠ TAġINIM ALT MODELĠ). Model, derin deniz belirgin dalga yüksekliklerini ve belirgin dalga dönemlerini, uzun dönem dalga istatistiği ve en yüksek dalga istatistiği kullanarak hesaplar (DALGA ĠKLĠMĠ ALT MODELĠ). Model yumuģak eğim eģitliklerini çözerek, açık denizde tahmin edilen dalga yüksekliğini kıyısal alanlara taģır. Dalga ilerlemesinde, sığlaģma, sapma, dönme, sürtünme, kırılma ve dalga kabarması etkileri hesaplanır. Dalga etkenli kıyısal akıntılar modellenir (DALGA ĠLERLEMESĠ ALT MODELĠ). Model kırılan dalgalar etkisiyle kıyı boyu sediman taģınımını içerir (KIYI BOYU SEDĠMAN TAġINIM MODELĠ). Model kıyısal deniz, haliç, lagün ve göl ortamlarına uygulanabilir.

8 Hidrodinamik ve Türbülans Alt Modelleri Kıyı sistemlerinde görülen büyük ölçekli su akıntılarının en önemli özelliği, yatay ve düģey yönlerdeki akım büyüklüklerinin çok farklı olmasıdır. Büyük ölçekli su akıntıları, özellikle lagün, haliç, göl ve körfez gibi, yüzey alanı/ortalama su derinliği oranı büyük olan kıyı sistemlerinde oluģmaktadır. Bu akıntılar çok çeģitli hidrodinamik kuvvetlerin etkisiyle oluģabilmektedir. Yerçekimi, ay ve güneģin çekim etkisiyle oluģan gel-git kuvveti ve su yüzeyini etkileyen rüzgar kuvveti, büyük ölçekli akıntıları oluģturan dıģ etkenli kuvvetlerdendir. Ayrıca, büyük ölçekli su akıntılarının matematiksel modellenmesinde, dünyanın dönüģ etkisini ifade eden sanal Coriolis kuvveti de kullanılmaktadır. Kıyı sistemlerinin su alanı yüzeyinde çekme gerilmesi yaratan rüzgar kuvveti, yüzey tabakasını sürükleyerek, rüzgar yönündeki kıyı kenarında su seviyesinin yükselmesine, karģı yöndeki kıyıda ise seviyenin düģmesine neden olur. Rüzgar yönünde oluģan bu su düzeyi eğimi, barotropik basınç değiģimi meydana getirerek, su tabanına yakın tabakalarda, yüzey tabakasının sürüklenme yönüne karģıt yönde bir akıntı oluģturur. Sonuç olarak, yüzeydeki su tabakasını sürükleyerek alt tabakaların sürtünmeden dolayı ters yönde akmasına yol açan rüzgar kuvveti, düģeyde güçlü bir su çevrintisi yaratır. Bu çevrinti hareketi, düģeydeki momentum değiģimini artırarak, derinlik boyunca yoğunluk farklılaģmasından kaynaklanan akıntıların azalmasına ve bu sayede, yatay düzlemdeki karıģmanın artmasına neden olur. Kararlı katmanlardan oluģan bir su kütlesinin, serbest yüzeyine etkiyen rüzgar kuvveti, yoğunluğu daha fazla olan homojen tabakalardaki suyun geçiģiyle zamanla derinleģen türbülanslı bir yüzey tabakası oluģturur. Bu tabakaların arasında, türbülansın, yoğunluk farklılaģması ve yatay hız değiģimleri ile sönümlendiği ve karıģım uzunluğunun azalarak düģey yöndeki taģınımın önemli ölçüde etkilendiği ince bir geçiģ tabakası da yer alır. Böylece türbülans kinetik enerjisinin bir bölümü karıģım süreci ile potansiyel enerjiye dönüģür ve düģey türbülans yayınımı da azalır. Kıyı sistemlerindeki su hareketleri, su alanı yüzeyine etkiyen rüzgar kuvveti ve sıcaklıktuzluluk farklılıkları sonucu oluģan su yoğunluğu değiģimlerine neden olan günlük ve mevsimlik iklim değiģikliklerinden etkilenmektedir. Bu değiģiklikler, düģey eksende derinlik boyunca belirli sıcaklık tabakaları oluģturur: GüneĢ enerjisinin emilmesi ile oluģan sıcak yüzey tabakası; derinliğe bağlı olarak ani sıcaklık düģüģü görülen ısı değiģim tabakası

9 6 (thermocline) ve sıcaklık değiģiminin çok yavaģ gerçekleģtiği derin tabaka. Ancak, kıyı sistemleri bu oluģumun gerçekleģmesi için gereken derinliğe genelde sahip değildirler. Bu sistemlerde, mevsimlik ve günlük ısı değiģim tabakaları oluģmaktadır. Belirli mevsimlerdeki su-hava etkileģimleri sonucunda, karıģım Ģeklindeki yüzey tabakası ile asıl değiģim tabakası arasındaki bölgede meydana gelen ani sıcaklık düģüģleri, mevsimlik ısı değiģim tabakasını (seasonal thermocline) oluģturur. Su-hava sınır tabakasında gün içerisinde oluģan ısı değiģim olayları da günlük ısı değiģim tabakasını (diurnal thermocline) meydana getirir. Bu tabakalarda, sıcaklığa ve tuzluluğa bağlı olarak suyun yoğunluğu değiģmekte ve kıyı sistemlerindeki yoğunluğa dayalı su çevrintileri oluģmaktadır. Su alanı yüzeyindeki yoğunluk; buharlaģma ve soğuma ile artmakta; ısınma, su buharı yoğunlaģması, yağıģ ve kaynak suyu akıģları ile azalmaktadır. GüneĢ ıģınlarının su yüzeyini ısıtması ile azalan yoğunluk, düģey yönde dengeli bir tabakalaģma oluģturur ve düģey karıģımı azaltır. Su yüzeyinin gece soğuması veya buharlaģma ile yoğunluğun artması, dengesiz yoğunluk farklılaģması oluģturur. Sonuç olarak, su yüzeyindeki yüksek yoğunluklu tabaka derine doğru batma eğilimi gösterir. Bu su yoğunluğu hareketi düģey çevrintilere (thermohaline convection) sebep olur. Böylece, farklı derinliklerdeki, ısınma ve karıģma farklılıklarının neden olduğu yatay yoğunluk değiģimleri, büyük ölçekli su çevrintilerine yol açar. HYDROTAM-3D, rüzgar ve gelgit kuvvetlerini, sıcaklık ve tuzluluk farklılıklarından kaynaklanan yoğunluk değiģimlerini ve su tabanı sürtünmesini de benzeģtirebilen bir modeldir. Bu çalıģmada rüzgar iklimi, dalga iklimi, dalga ilerlemesi, hidrodinamik, türbülans, kıyı boyu sediman taģınımı alt modellerini içeren HYDROTAM-3D (Üç Boyutlu Hidrodinamik TaĢınım Modeli) kullanılmıģtır. Modelde kullanılan temel hidrodinamik denklemler, Çizim 1 de verilen üç boyutlu kartezyen koordinat sisteminde aģağıdaki gibidir: Süreklilik denklemi; u v w 0 [1] x y z

10 7 Yatayda birbirine dik konumdaki x ve y yönleri için momentum denklemleri; x w z u v z x v y u v y x u v x x p fv z u w y u v x u u t u z y x [2] y w z v v z y v v y y u x v v x y p fu z v w y v v x v u t v z y x [3] DüĢeyde z yönü için momentum denklemi; w t u w x v w y w w z 1 0 p z gz x v x w x u z y v y w y v z 2 z v z w z [4] Bu eģitliklerde; x ve y: Yatay koordinatlar; z: DüĢey koordinat; t: Zaman; u, v, w: Herhangi bir çözüm ağı noktasında x, y ve z yönlerindeki hız bileģenleri; v x, v y, v z : Sırasıyla x,y ve z yönlerindeki eddy viskozitesi; f: Corriolis katsayısı; ρ(x,y,z,t): Su yoğunluğu; ρ o : Referans yoğunluk; g: Yerçekimi ivmesi; p: Basınçtır. Su yoğunluğu; sıcaklık, tuzluluk ve bunlara göre çok az etkili olan basınç ile değiģen bir değerdir. Deniz suyunun ortalama yoğunluğu yaklaģık g/cm 3 değerindedir. Diğer su yoğunlukları göz önüne alındığında bu değerin önemli olan kısmı noktadan sonra üç haneye kadardır. Bu nedenle gerçek su yoğunluğu, yerine deniz suyunun yoğunluğu t ile gösterilirse: t [5] EĢitlikte; : Yoğunluktur (gr/cm 3 ). Yoğunluk hesabında, tuzluluk ve sıcaklığın fonksiyonu olan Riley and Skirrow (1975) tarafından önerilmiģ formül kullanılmaktadır: S Cl 1, [6]

11 8 1 A t B t o 0,1324 t o 0,1324 t [7] o 6, ,4708Cl1, Cl 2 3, Cl 3 [8] A t 4, T 9, T 2 1, T 3 [9] B t 1, T 8, T 2 1, T 3 [10] t T 3,98 2 T ,57 T 67,26 1 [11] EĢitliklerde; S: Tuzluluk (%); Cl: Klor (gr/kg); T: Sıcaklıktır ( o C). Her bir noktadaki yoğunluk değerlerinin bulunması için, o noktadaki sıcaklık ve tuzluluk değerlerinin hesaplanması gerekmektedir. Bu değerler için üç boyutlu taģınım-dağılım denklemi çözülmektedir: Q t Q Q Q +u +v +w x y z = x D Q x x + D Q y x y + D Q z z z [12] Bu eģitlikte; D x, D y ve D z : Sırasıyla x, y ve z yönlerindeki türbülansın difüzyon katsayıları; Q: Su sıcaklığı (T) veya tuzluluğudur (S). Su alanında, ortama bırakılan bir kirleticinin zamanla nasıl değiģtiğini gözlemleyebilmek için kirletici sakınım denklemi kullanılmaktadır: C t C C C +u +v +w x y z = x D C x x + D C y x y + D C z z z +k p CS s [13] Bu eģitlikte; C: Kirleticinin deriģimi; k p : Kirleticinin yok olma hızı; D x, D y ve D z : Sırasıyla, x, y ve z yönlerindeki türbülansın difüzyon katsayıları; S s : Kirletici kaynağıdır.

12 9 Yüzeydeki kinematik sınır koģulu Ģöyledir: u t s v x s w y s 0 [14] EĢitlikte; u s ve v s : Yüzeydeki su parçacığının yatay hızları; w s : Yüzeydeki su parçacığının düģey hızı; : Su seviyesini göstermektedir. (x,y,t) H h(x,y) Çizim 1. Üç boyutlu kartezyen koordinat sisteminde su yüzeyi ve su derinliğinin tanımı Süreklilik denkleminin derinlik boyunca integrali alınıp, yüzeydeki kinematik sınır koģulu kullanılırsa, derinlik eklenmiģ süreklilik denklemi bulunur: t x h u dz y h v dz 0 [15] EĢitlikte; h(x,y): Sakin su yüzeyinden ölçülen su derinliğidir. H(x,y,t): Toplam su derinliğidir ve H(x,y,t)=h(x,y)+ (x,y,t). Su alanında basınç sabit değildir ve yoğunlukla değiģmektedir:

13 10 p(x, y,z,t) g(x, y,z,t) dz [16] z Eğer Leibniz Kuralı uygulanır ve bağımsız olan değiģkenler yok edilirse: p x x z g dz z g dz g s x x [17] EĢitlikte; s yüzeydeki yoğunluktur. Benzer bir eģitlikte p / y için yazılabilir. Türbülans alt modelinde iki eģitlikli k-ε türbülans modeli kullanılmaktadır. Türbülans modelindeki kinetik enerji ve kinetik enerjinin sönümlenme hızı için aģağıdaki denklemler kullanılmaktadır. k t u k x v k y w k z v z k z k z P B x D k x x y D k y y [18] t u x v y w z v z z z C 1 k (P C 2 3 B) C 2 k x D x x y D y y [19] Bu eģitliklerde; k: Kinetik enerji; : Kinetik enerjinin dağılma oranı; v z : DüĢey eddy viskozitesi; D x ve D y : Sırasıyla x ve y yönündeki türbülansın difüzyon katsayıları; P: Kinetik enerjinin gerilme çarpımı; B: Kinetik enerjinin kaldırma çarpımıdır ve aģağıda tanımlanmaktadır. B g 0 vz Pr z [20] Bu eģitlikte; Pr: Prandtl ya da Schmidt türbülans sayısıdır. Deneyler Prandtl ya da Schmidt türbülans sayısının bir akımdan, baģka bir akıma çok az değiģtiğini göstermektedir. Bu nedenle Pr = 0,7 kabul edilmektedir. Kinetik enerjinin gerilme çarpımı ise aģağıdaki eģitlikle tanımlanmaktadır.

14 11 P v h 2 u x 2 2 v y 2 u y v x 2 v u z z 2 v z 2 [21] Bu eģitlikte; v h : Yatay eddy viskozitesi; u ve v: Sırasıyla x ve y yönündeki yatay su zerreciklerinin hızlarıdır. DüĢey eddy viskozitesi aģağıdaki eģitlikle hesaplanmaktadır. 2 k v z C [22] EĢitliklerde; B>0 (değiģen katmanlaģma) olduğunda 1,92, C 3 = 1 ve B<0 (sabit katmanlaģma) olduğunda ise kullanılmaktadır. C = 0,09, = 1,3, C 1 = 1,44, C 2 = C 3 = 0,2, evrensel ampirik sabitleri Standart k modeli, türbülansın yerel izotropik olduğunu, baģka bir deyiģle yatay eddy viskozitesinin düģey eddy viskozitesine eģit olduğunu kabul etmektedir. Ancak yatay hareketin düģey harekete göre baskın ve yatay uzunluğun fazla olduğu yerlerde; örneğin sığ su alanlarında standart k türbülans modeli yatay eddy viskozitesini gerçek değerine kıyasla daha az tahmin etmektedir. Bu nedenle yatay kesme kuvveti etkisi ile oluģan geniģ ölçekteki türbülansı hesaplayabilmek için, yatay eddy viskozitesi matematiksel Smagorinsky türbülans modeli ile benzeģtirilmektedir ,01 u v u v v h xy [23] 2 x y y y 1/ 2 KatmanlaĢmıĢ akıntı durumunda, türbülansın katmanlaģmaya etkisi yatay yönde ihmal edilebilecek düzeydedir. Bu nedenle yatay türbülansın difüzyon katsayısı, yatay eddy viskozitesine yaklaģık olarak eģittir. DüĢey türbülansın difüzyon katsayısı, D z ise aģağıdaki gibidir: v D z [24] z Pr

15 12 v z : DüĢey eddy viskozitesidir. Model için dört farklı sınır koģulu vardır. Bunlar; serbest yüzey, deniz tabanı, açık deniz ve kıyı sınır koģullarıdır. Serbest Yüzey Sınır Koşulu Serbest yüzeydeki rüzgar nedenli kesme kuvveti aģağıdaki Denklemde tanımlanmıģtır: wx, wy ac d u w,v w u 2 2 w v w [25] Bu eģitlikte; wx, wy : Rüzgar kuvvetinin bileģenleri; u w ve v w : Sırasıyla x ve y yönünde rüzgar hızının (m/s) bileģenleri; a : Havanın yoğunluğu; C d : Havanın sürükleme katsayısıdır. Literatürde, rüzgar sürükleme katsayısının belirlenmesinde, bütün rüzgar hızları için sabit bir değerden baģlayıp, rüzgar hızını, yönünü ve deniz yüzeyinin pürüzlüğünü göz önüne alan karmaģık formüllere kadar bir çok eģitlik sunulmuģtur. Modelde, aģağıdaki rüzgar sürükleme katsayısı eģitliği kullanılmaktadır. 1.2 * 10 3 W < 11 m/s C d = (0,49 + 0,065 W) * m/s < W < 25 m/s [26] W: Rüzgar hızıdır. Yüzeydeki rüzgar nedenli kesme kuvveti, yüzeyin altında su hızının değiģmesine neden olur. u wx v z ; z v wy v z [27] z Yüzeyde kirletici ve tuzluluk değeri sıfır alınmaktadır, ancak sıcaklık Ģöyledir:

16 13 D z T z K T s T e [28] C p Bu eģitlikte; K: Yüzey ısı transferi katsayısı; : Suyun yoğunluğu; C p : Suyun özgül ısısı; T s : Yüzeydeki su sıcaklığı; T e : Dengedeki su sıcaklığıdır. Kinetik enerjinin ve dağılım oranının sınır koģulları da rüzgarın kuvvetine bağlıdır. Eğer bir rüzgar kuvveti varsa: k s 2 u s ; c 3 s u s z s [29] Yoksa, k s ; C z 0 k s 3/ 2 s [30] 0,07H Bu eģitlikte; u s : Yüzey kesme hızı; c : Değeri 0,09 olan evrensel ampirik sabit; zs : Yüzey ile yüzeyin hemen altındaki çözüm ağının ilk noktası arasındaki mesafe; : Değeri 0,42 olan Karman sabiti; H: Toplam su derinliğidir. Deniz Tabanı Sınır Koşulu Deniz tabanındaki taban kesme kuvveti, hızların logaritmik duvar kanunu ile eģleģtirilmesi olarak tanımlanmıģtır: u ; 2 2 b x v z 0C f ub ub vb z b v [31] 2 2 b y v z 0C f v b u b v b z b Bu eģitlikte; bx, by : Taban kesme kuvvetinin bileģenleri; u b, v b : Tabana en yakın çözüm ağı noktasındaki yatay hız bileģenleri; o : Ortalama su yoğunluğu; C f : Taban sürtünmesi için

17 deneysel bir katsayıdır. Eğer taban yakınında yeterli derecede hassas bir çözüm ağı sağlanabilirse, C f logaritmik duvar kanunu ile tahmin edilebilir: 14 C f 1 z ln z0 b 2 [32] Bu eģitlikte; zb : Taban ile üzerindeki çözüm ağının ilk noktası arasındaki mesafe; z 0 : 1 cm olarak alınabilen ve yerel tabandaki pürüzlülüğe bağlı bir parametre; Eğer taban sınırındaki tabaka yeterince hassas değilse, C f değeri genelde 0,002 ile 0,003 arasında değiģen bir sabit olarak alınmaktadır. Duvar bölgesi olarak kabul yapılabilmesi için 30 < z + <100 olmadır. DüĢeydeki çözüm ağında, çözüm ağının ilk noktası bu aralığa denk gelmelidir. z + Ģu eģitlik ile hesaplanmaktadır: z z u [33] v b b EĢitlikte; u b : Taban sürtünme hızıdır. Tabandaki kinematik sınır koģulu Ģöyledir: h w b u b x v h b y [34] Tabandaki kinetik enerji kb ve dağılımı b Ģu eģitlikle tanımlanmıģtır: k b 2 u b ; C b 3 u b z b [35] Tabandaki sıcaklık, tuzluluk ve kirletici değerlerinin değiģimi sıfır alınmaktadır. Deniz tabanının içine dağılım ve akıntı olmadığı düģünülmektedir.

18 15 Açık Deniz Sınır Koşulu Açık deniz sınırı yatay bir sınırdır ve su alanının içine ya da dıģına doğru akıntı olabilmektedir. Gel-git hareketi olmadığında sınıra dik hızlar, su derinliğinin bilindiği hücre ortasında hesaplanmaktadır. Yatay hızın değiģim terimleri ve daha detaylı bilgi Balas and Özhan (2000) tarafından verilmiģtir. Açık deniz sınırında gel-git akıntısı için Ģu eģitlikler kullanılmaktadır: t a T s i 2n [36] Tw V n 2 n 2 1/2 1 gh a H t T c o s Lw 2 Tw [37] EĢitlikte; T w ve L w : Sırasıyla gel-git dalga dönemi ve dalga boyu; H: Toplam su derinliği; V n : Sınıra dik olan derinlik boyunca ortalanmıģ hız; mesafesi; a T : Gel-git genliğidir. n : Yatay çözüm ağının yatay sınıra dik Kıyı Sınır Koşulu Haliç, lagün gibi kıyı sistemlerinde su hacmi mevsimsel değiģmeler göstermektedir. Bu değiģim de, bazı alanların kurumasına ya da bazı alanların su altında kalmasına neden olmaktadır. Bu kuruma ve ıslanma olayını benzeģtirebilmek için suyun sınırı hareketli olarak tanımlanmaktadır. Bütün su alanındaki yeni hızlar ve serbest su yüzeyi hesaplandıktan sonra, diğer zaman adımına geçmeden önce, toplam su derinliği ve düģey çözüm ağı aralıkları yeniden hesaplanmaktadır. Her zaman adımında su yüzeyinin eğimi bulunmaktadır. Eğer su yüzeyinin eğimi pozitif ise, su yüzeyindeki bu eğim ile su, kıyıyı kestiği noktaya kadar uzatılmaktadır. Kıyıda yatayda gidilen mesafenin bir hareket olarak kabul edilmesi için, yatay çözüm ağındaki aralığın 1/50 si kadar değiģmiģ olması gerekmektedir. Daha sonra, yatay çözüm ağı aralığı modifiye edilir ve çözüm ağının orta noktasındaki su derinliği hesaplanır. Su derinliği H için negatif bir değerin fiziksel olarak bir anlamı yoktur. Bu nedenle toplam su derinliği H i,j Ģöyle tanımlanmaktadır:

19 16 H i, j max0,h i, j i, j [38] EĢitlikte; h(x,y): Sakin durumdaki su seviyesinden ölçülmüģ su derinliği; ( x, y, t) : Su yüzeyinin seviyesidir. Çözüm ağının ortasındaki su derinliği, taban pürüzlülüğünün uzunluğu L b ile kıyaslanmaktadır. Eğer hesaplanan su derinliği, L b değerinden küçükse ya da sıfırsa, o hücrenin kuruduğu kabul edilmektedir. Daha sonraki bir zamanda su derinliği pozitif olursa, o hücre yeniden ıslanacaktır. Kuru bir hücrede u ya da v hız bileģenleri yok olmaya zorlanmakta, böylece akımın hücrenin duvarlarından geçmesine izin verilmemektedir. Kuruma ve ıslanma olayının sonucunda zamanla değiģen kıyı sınırı, sınıra dik yönde akıntının geçmediği durum için tanımlanmaktadır. Kıyı boyunca kıyıya dik yöndeki sıcaklık, tuzluluk ve kirletici değerlerinin değiģimi sıfır kabul edilmektedir, baģka bir değiģle kıyının içine doğru yayılma ve difüzyon yoktur. Kıyı sınırı boyunca akıntı girdisinin ve çıktısının olduğu yerlerde, k ve tam geliģmiģ kanal akıntısı verilerinden Ģöyle tanımlanmaktadır. k 0,004u d 2 3/2 3/4 k c [39] 0,09 b k EĢitlikte; u d : Giren akıntının hızı; b k : Giren akıntının giriģ geniģliğidir. EĢitlikler ĢaĢırtmacalı sonlu farklar çözüm ağı kullanılarak sayısal olarak çözülmektedir. DüĢey düzlemde Galerkin sonlu elemanlar metodu kullanılmaktadır. Su derinliği taban topoğrafyasını takip eden eģit sayıda katmana ayrılmaktadır. Çözüm ağının her noktasında katman kalınlığının oradaki su derinliğine oranı sabittir. Sonlu elemanlar yaklaģımı izlenerek, hız değerleri, u, v, w; eddy viskoziteleri, v x, v y, v z ; sıcaklık, T; tuzluluk, S; kirletici konsantrasyonu, C; türbülansın difüzyon katsayıları, D x, D y, D z ; kinetik enerji, k; kinetik enerjinin dağılım oranı, ; basınç, p; su derinliği üzerindeki her noktada düģeydeki çözüm ağı noktaları arasında lineer çizim fonksiyonu kullanılarak sonlu değerlerin terimleri cinsinden tekrar yazılmaktadır.

20 17 ~ [40] k k G N1G1 N 2G2 N z z 2 ; 1 l k N 2 z z1 ; l k z 2 z1 [41] l k EĢitlikte; G ~ çizim fonksiyonu ya da yaklaģımıdır ve değiģkenlerden herhangi biridir, k eleman sayısıdır, N 1 ve N 2 enterpolasyon fonksiyonlarıdır, l k k ıncı elementin uzunluğudur, z 1 ve z 2 k elemanının baģlangıç ve bitiģ seviyeleridir, z bir elemanda z 1 den z 2 ye değerler alan dönüģtürülmüģ değiģkendir. DeğiĢkenlerin yaklaģım eģitlikleri korunum denklemlerine yerleģtirilmekte ve kalan hatalar Galerkin yöntemi kullanılarak minimize edilmektedir. DüĢey çözünürlüğü artırmak için, gerektiği yerde, düģey düzlemde sıklaģtırma uygulanabilmektedir. Çözüm ağı tabanda, yüzeyde ya da orta katmanlarda sıklaģtırılabilmektedir. Galerkin metodu uygulandıktan sonra, eģitliklerde görülen; yatay koordinatlardaki türev terimleri merkezi sonlu farklar yaklaģımı ile değiģtirilmektedir. Yataydaki çözüm ağı aralığı değiģtirilebilmektedir. Yatay düzlemdeki herhangi bir çözüm ağı noktasında, düģey bir çizgideki bütün elemanların yerel eleman matrisleri, zamana bağlı türev değiģken terimlerini belirlemek için, bir arada gruplanarak global matris eģitliği oluģturulmaktadır. Global matris su derinliği boyunca oluģturulurken, deniz yüzeyindeki ve tabanındaki sınır koģulları da hesaba katılmaktadır. Matris elemanlarının türetilmesi ile ilgili detaylı bilgi, Balas and Özhan (2000) tarafından verilmiģtir. Lineer olmayan eģitlik sistemleri, zamanda ikinci dereceden hassas olan Crank-Nicholson metodu ile çözülmektedir. Bu hassaslığı sağlayabilmek için sonlu farklar yaklaģımları zaman adımının ortasında geliģtirilmektedir. Geçici ilk türev terimine (t + 1/2) zamanında yaklaģılmaktadır ve o andaki diğer değiģkenler ile türev terimleri zaman adımının baģlangıç (t) ve bitiģindeki (t + 1) sonlu farklar yaklaģımlarının ortalaması alınarak tanımlanmaktadır. Sonuçta çıkan dolaylı zaman adımlı eģitlikler, hızlandırma etkili yaklaģtırma yöntemi kullanılarak çözülmektedir. Bu yöntem, genelde sonuca yaklaģmayan bir sistemi yaklaģtırmak ya da salınımlara engel olarak yaklaģımı hızlandırmak için kullanılmaktadır.

21 18 Yatay hızların tahmininden sonra, düģey hızlar, w, her zaman adımı için süreklilik denklemi kullanılarak hesaplanmaktadır. Yatay hızlar u ve v için, yaklaģım eģitlikleri süreklilik denkleminde yerine konmaktadır: u v w 0 [42] x y z Daha sonra, kalan hatalar Galerkin metodu kullanılarak azaltılmaktadır. Yatay hızlar bilindiği için, düģey hızın hesaplanacağı eģitlik Ģu hale gelir: w k 2 w k 1 1 l k 2 x u 1 k k u 2 k u l 1 k x u k 2 x l k y v 1 k k k v v 2 l 1 k y v k 2 y z 2 l k u k k 1 u 2 l k 2 z 1 x z 1 l k 2 z 2 x z 2 v 1 k k v 2 l k 2 z 1 y z 1 l k 2 z 2 y [43] EĢitlikte; k = 1, 2,...,m katman numarasını göstermektedir ve l k k elemanının uzunluğudur. Süreklilik denklemini sağlamak için, her noktadaki düģey hızlar, tabandaki tabakadan baģlayarak yüzeydeki tabakaya doğru hesaplanmaktadır Rüzgar ve Dalga Ġklimi Alt Modelleri Bir kıyı bölgesini etkileyen rüzgar özelliklerini belirten rüzgar iklimi, hemen hemen tüm kıyı ve deniz etkinlikleri için göz önüne alınması gereken temel unsurdur. HYDROTAM-3D, veri tabanında, Türkiye kıyılarının tüm Meteoroloji Ġstasyonlarının kuruluģlarından günümüze saatlik rüzgar (yaklaģık olarak ) verilerini içermektedir. Tüm istasyonların yerleri, Türkiye haritası üzerinde CBS ortamında gösterilmektedir. ÇalıĢılmak istenen denizel alan, harita üzerinde iģaretlenebilmekte, ve alana en yakın meteoroloji istasyonları harita üzerinde gösterilmektedir. Kullanıcı çalıģmak istediği istasyonu harita üzerinden seçebilmektedir. Seçilen istasyona ait saatlik rüzgar verileri analiz edilmekte, aylık, yıllık ve mevsimlik rüzgar gülleri sunulmaktadır. Yıllık rüzgar gülü, meteoroloji istasyonlarındaki ölçüm süresi boyunca, farklı yönlerden farklı hızlar ile esen rüzgarların oluģma oranlarını göstermektedir. Rüzgarın hangi yönden hangi yöne doğru esmekte olduğunu gösteren yön dilimleri, coğrafik yönlerle aynı seçilmiģtir. Bu

22 19 yönler Kuzey (N) yönünden baģlayarak saat yönünde, N (Kuzey), NNE (KuzeyKuzeyDoğu), NE(KuzeyDoğu), ENE (DoğuKuzeyDoğu), E(Doğu), ESE (DoğuGüneyDoğu), SE (GüneyDoğu), SSE (GüneyGüneyDoğu), S (Güney), SSW (GüneyGüneyBatı), SW (GüneyBatı), WSW (BatıGüneyBatı), W (Batı), WNW (BatıKuzeyBatı), NW (KuzeyBatı), NNW (KuzeyKuzeyBatı) olarak sıralanmaktadır. Rüzgar hızları, rüzgar gülünün yanında ölçek olarak sunulmaktadır. Rüzgarın herhangi bir yönden oluģma sayıları rüzgar gülünde gösterilmektedir. Mevsimsel rüzgar gülleri, kıģ, sonbahar, ilkbahar ve yaz mevsimi aylarının rüzgar verilerini gruplandırarak, yıllık rüzgar gülüyle benzer Ģekilde sunmaktadır. KıĢ mevsimi, Aralık, Ocak, ġubat, ayları saatlik rüzgar verilerini; Ġlkbahar mevsimi Mart, Nisan, Mayıs ayları saatlik rüzgar verilerini; Yaz mevsimi Haziran, Temmuz, Ağustos ayları saatlik rüzgar verilerini; Sonbahar mevsimi ise Eylül, Ekim, Kasım saatlik rüzgar verilerini kapsamaktadır. Aylık ortalama ve en yüksek değer rüzgar hızları da bir grafik olarak sunulmaktadır. Rüzgar hızlarının aylık ortalamaları, meteoroloji istasyonlarının kurulduğu tarihten 2011 yılına kadar, o ay içindeki tüm rüzgar hızlarının aritmetik ortalaması alınarak hesaplanmıģtır. Aylık en yüksek değerler olarak, aynı sürelerde o ay içerisinde gözlenen en yüksek, en düģük ve ortalama en büyük değerler (herhangi bir ay için, her yılın en yüksek değerlerinin ortalaması) verilmektedir. Tüm Kıyı istasyonlarının, aylık ortalama ve en yüksek değer rüzgar hızları da bir grafik olarak sunulmaktadır. Rüzgar hızlarının aylık ortalamaları, meteoroloji istasyonlarının kurulduğu tarihten 2011 yılına kadar, o ay içindeki tüm rüzgar hızlarının aritmetik ortalaması alınarak hesaplanmıģtır. Aylık en yüksek değerler olarak, aynı sürelerde o ay içerisinde gözlenen en yüksek, en düģük ve ortalama en büyük değerler (herhangi bir ay için, her yılın en yüksek değerlerinin ortalaması) verilmiģtir. Rüzgar istatistiği olarak, uzun dönem ve en büyük değer (ekstrem) olmak üzere iki tür istatistiksel dağılım kullanılmıģtır. Uzun dönem istatistik zamansal olarak süreklilik gösteren verileri yani meteoroloji istasyonlarının kurulduğu tarihten 2011 yılına dek ölçülen tüm saatlik verileri kullanmaktadır. Uzun dönem rüzgar hızı, log-normal dağılım istatistiği ile incelenmiģtir. Tüm saatlik rüzgar verilerinin, yönlere göre aģılma olasılıkları sunulmaktadır. Ġstenen yönden istenilen rüzgar hızının yılda kaç saat aģtığı hesaplanabilmektedir. En büyük değer istatistiğinde ise, meteoroloji istasyonlarının kurulduğu tarihten 2011 yılına dek ölçülen tüm saatlik verilerin içinden yıllık en büyük rüzgar hızları kullanılmıģtır. Yıllık

23 20 en büyük rüzgar hızları Gumbel olasılık dağılımı ile incelenmiģ, ve Gumbel dağılım kağıdına yerleģtirilerek sunulmuģtur. Noktalara en iyi uyan doğru çizilmiģ ve verilerin kapsadığı süre dıģına da uzatılmıģtır. Herhangi bir yineleme dönemiyle oluģması beklenen rüzgar hızları, çizimin üst yatay ekseninde gösterilmektedir. Türkiye Kıyılarında dalga iklimi çalıģmalarında kullanılabilecek ölçülmüģ dalga verisi bulunmamaktadır. Bugün dünyada olduğu gibi, Türkiye de de dalga tahminleri, rüzgar ölçümlerine ya da modellerine dayanmaktadır. Rüzgar dalgalarının modellenmesinde, iki türlü yaklaģım bulunmaktadır; ampirik modeller ve sayısal modeller. Birçok sayısal model, batimetrik, topografik ve çözümleme ağı uzunluğu ve kara sınırları problemleri nedeni ile kıyısal alanlarda doğru sonuçlar üretememektedir. Özellikle, Türkiye nin Ege Denizi ve Marmara Denizi kıyılarında sayısal modellerin çözüm ağları ve kara sınırı uyarlamalarında hata oranları yükselmektedir. Birçok kıyı mühendisliği tasarımlarında, doğruluğu kanıtlanmıģ ampirik modeller kullanımı tercih edilmektedir. Dünyada en çok kullanılan, ölçümlerle test edilmiģ ampirik modeller SMB (Bretschneider,1970), JONSWAP (Hasselmann vd. 1976), SPM (US Army, 1984), CEM (US Army, 2006). Bu çalıģmada, dünyada da yaygın olarak kullanılan, CEM ampirik modeli kullanılmıģtır. Rüzgar hızları deniz yüzeyinden 10 m. yükseklikteki rüzgar hızlarına dönüģtürülmektedir. Seçilen denizel noktadan, tüm yönlerde, noktanın karģısındaki karayı kesen dikmenin uzunluğu, o yöndeki dalga kabarma mesafesi(feç) dir Tüm yönlerdeki etkin dalga kabarma uzunluğunun (etkin feç uzunluğu) belirlenmesi için cosinüs ortalama metodu uygulanmıģtır. Tüm ana yönler için ±22.5 derece aralığında, θ=7.5 derecelik açılarla dalga kabarma uzunluklarının ortalamaları alınmaktadır; X 2 i cos i X ef (44) cos i burada X dalga kabarma uzunluğu, X ef etkin dalga kabarma uzunluğudur. Hesaplanan derin deniz belirgin dalga yüksekliklerinin uzun dönem ve en yüksek değer istatistikleri çalıģılmıģtır. Uzun-dönem dalga istatistiği zamansal olarak süreklilik gösteren verileri içermektedir. Bir denizel alanda oluģan dalga yüksekliklerinin istatistiksel değerlendirilmesi için değiģik olasılık dağılımları üretilmiģtir. Bu dağılımlardan en çok uygulanmakta olanı tüm fırtınalarda yaratılan belirgin dalga yükseklikleri ile bunların oluģma olasılıkları arasındaki iliģkiyi gösteren Log-lineer dağılım dır. Uzun dönem dalga istatistiği

24 21 log-lineer dağılım ile incelenmiģtir. Böylelikle, iskele ya da yanaģma yerlerinde ya da limanlarda dalgaların yol açtığı çalkantıların ne sürelerde olduğu bulunabilmektedir. Loglineer olasılık dağılım denklemi; Q(H 1/3 )=e 2,3(H1/3-B)/A dir (45) Denklemde; Q(H 1/3 ) fırtınalarda oluģan belirgin dalga yüksekliğinin H 1/3 değerine eģit ya da daha büyük olma olasılığı, H 1/3 belirgin dalga yüksekliğinin değeri, A ve B dağılım parametreleridir. Log-lineer olasılık dağılım denklemi aģağıdaki Ģekilde de yazılabilir: H 1/3 =A*LogQ(H 1/3 )+B (46) Seçilen denizel alanın uzun dönem dalga istatistikleri yönlere göre sunulmakta, istenilen dalga yüksekliğinin yılda kaç saat aģılma olasılığı olduğu hesaplanabilmektedir. Hesaplanan derin deniz belirgin dalga yükseklikleri ve dalga periyotları kullanılarak yıllık ve mevsimlik dalga gülleri hazırlanmaktadır. Yıllık dalga gülleri, belirgin dalga yüksekliğinin tüm yıl boyunca değiģik yönlerden oluģma oranlarını göstermektedir. Dalgaların nereden geldiğini gösteren yön dilimleri, coğrafik yönlerle aynı seçilmiģtir. Dalga yüksekliği 0.5 metreden küçükse, denizin durumu sakin olarak kabul edilmektedir. Bu durumda herhangi bir dalga yönü belirtilmemekte ve oluģma oranı gülün ortasındaki çember içinde verilmektedir. Belirgin dalga yükseklikleri için en büyük değer istatistiği uygulanmıģtır. Belirgin dalga yüksekliğinin yıllık en büyük değerleri, Gumbel dağılımına uydukları varsayımıyla, Gumbel çizim kağıdına yerleģtirilmiģtir. Noktalara en iyi uyan doğru da çizilmiģ ve verilerin kapsadığı sürenin dıģına da uzatılmıģtır. Herhangi bir yenileme dönemiyle oluģması beklenen belirgin dalga yükseklikleri, çizimin üst yatay ekseni yardımıyla elde edilebilir. Denizel alanda en yüksek dalga yüksekliklerinin genellikle oluģtuğu etken ve eğer bulunuyorsa ikincil yön dilimleri de verilmektedir Dalga Ġlerleme Alt Modeli GeliĢtirilen dalga ilerlemesi sayısal modelinde, geniģ ve düzensiz batimetriye sahip alanlarda açık denizden eğik açıyla yaklaģan dalgaların ilerlerken uğrayacakları değiģimleri ve bunların sonucunda dalgaların sahip olacakları dalga yüksekliklerini benzeģtirmek amacıyla, geliģtirilmiģ yumuģak eğim denklemleri çözülmektedir. Açık deniz dalgaları, rüzgar etkisiyle

25 22 oluģan dalgalardır. Düzensiz taban topoğrafyasına ve değiģen su derinliklerine bağlı olan sığlaģma, sapma, dönme, yansıma, taban sürtünmesi ve kırılma etkileri benzeģtirilmektedir (Ġnan, 2007; Ġnan ve Balas,2010,2009,2008,2007,2002). Dalga ilerlemesini tanımlayan, yumuģak eğim eģitliği; (CCg x x ) (CCg y y ) C 2 g C 0 (47) Burada, x ve y :Yatay koordinatlar; (x,y): Kompleks hız potansiyeli; :Açısal frekans; C(x,y): Dalga yayılma hızı; C g (x,y): Grup hızı; h(x,y): Durgun su yüksekliği; k(x,y): Dalga numarası; g: Yer çekimi ivmesidir. Eğer dalga ilerleme yönündeki dönme etkilerinin zayıf olduğu kabul edilirse (47) nolu eģitlik Ģu Ģekli alır; x ik 1 2kCC g x (kcc g ) i 2kCC g y (CC g y ) ; i 1 (48) Burada potansiyel fonksiyonu aģağıdaki gibi alınmaktadır, is ae (49) Potansiyel fonksiyonu (48) nolu eģitliğe yerleģtirilirse ve dönme etkisi gözönüne alınırsa aģağıdaki eģitlik real ve imajiner olmak üzere iki parçaya ayrılarak çözülür. 2 a 1 2 a a x 2 y 2 1 a CC g CC g 2 a CC s 0 g k 2 s 2 0 (50) Burada, a(x,y): Dalga büyüklüğü; H(x,y): Dalga yüksekliği; s(x,y): Dalganın faz fonksiyonu; :Yatay koordinatlar türev operatörü. (51) Ġrrotasyon özelliği dikkate alındığında, (s) 0 (52) s s cos i r s sin i r (53) Burada, i,j: x ve y yönündeki birim vektörler; (x,y): Lokal dalga açısıdır. (x,y) aģağıdaki denklemle çözülür.

26 ( s si n ) ( s cos ) 0 x y x a2 CC g s cos y a2 CC g s sin 0 (55) Eğer lokal dalga açısı ve faz fonksiyonundaki değiģimin büyüklüğü biliniyorsa bu enerji eģitliği dalga büyüklüğünü bulmak için de kullanılabilir. ( ks i) n ( kc o s) 0 x y (56) a 2 CC g k 0 (57) (54) 23 Bu iki eģitlik, sadece sapmadan dolayı dalgaların uğradıkları değiģimleri ifade eder. Dalga büyüklüğü a değerinin yerine dalganın yüksekliğinin yarısı H/2 yerleģtirilirse, dalga parametreleri H,, s değerlerini ifade edecek üç denklemle çözülür. 2 H s 2 k H H x 2 y 2 1 CC g H x CC g x H y CC g y (58) x H2 CC g s cos y H2 CC g s sin 0 (59) x y s sin s cos 0 (60) OluĢan denklem takımları sonlu farklar metoduyla çözülmekte, x yönündeki parçasal türevler geri olarak, y yönündeki parçasal türevler ise merkezi olarak açılmaktadır. Yapılan kabuller Ģu Ģekilde sıralanabilir: Taban eğimi küçüktür, dalgalar irrotasyoneldir. Modelin girdileri, derin deniz parametresi olan dalga yüksekliği (H 0 ), dalganın geliģ açısı ( 0 ) ve dalga periyodudur (T). Ġlk yaklaģtırmada, çözüm ağı üzerindeki her noktada lokal dalga yüksekliği, derin denizdeki dalga yüksekliği ile sığlaģma ve sapma katsayılarının çarpımına eģit alınmaktadır. Modelde her derinlikte dalgaların kırılma kontrolü de yapılmaktadır. GeliĢtirilen model sonuçları literatürde yayınlanan deneysel ve ölçümsel verilerle karģılaģtırılarak gerçeklenmiģtir.

27 24 Dalga ilerleme alt modeli kullanılarak, rüzgar etkisiyle derin denizde oluģan dalgalar kıyı bölgesine taģınmakta ve kıyı boyu dalga kırılma bölgesi belirlenerek bu bölgede sediman taģınımına etken olan gerilme akısı dağılımı hesaplanmaktadır. Dalga ilerleme alt modelinden elde edilen kıyı bölgesi dalga yükseklikleri, yaklaģım açıları ve gerilme akıları, dalga etkisiyle oluģan akıntı düzeninin benzeģtirilmesinde girdi olarak kullanılmaktadır (Balas vd, 2006), Yıldız vd 2005). 4. HYDROTAM-3D MODELĠNĠN UYGULAMASI HYDROTAM-3D sayısal modeli kullanılarak çalıģma denizel alanında rüzgar ve dalga iklimi belirlenmiģtir Rüzgar Ġklimi Bölgede hakim rüzgar yönlerini ve Ģiddetini belirlemek amacıyla, Devlet Meteoroloji ĠĢleri (DMI) Genel Müdürlüğü nden alınan, Ġzmir Meteoroloji Ġstasyonuna ait 42 yıllık ( ) saatlik rüzgar verisi kullanılarak; bölgenin rüzgar gülü elde edilmiģtir (Çizim 2). Mevsimsel rüzgar gülleri de Çizim 3-6 da sunulmuģtur. Çizim 2. Ġzmir meteoroloji istasyonuna ait 42 yıllık ( ) rüzgar gülü

28 25 Çizim 3. Ġzmir meteoroloji istasyonuna ait 42 yıllık ( ) kıģ mevsimi rüzgar gülü Çizim 4. Ġzmir meteoroloji istasyonuna ait 42 yıllık( ) ilkbahar mevsimi rüzgar gülü

29 26 Çizim 5. Ġzmir meteoroloji istasyonuna ait 42 yıllık ( ) yaz mevsimi rüzgar gülü Çizim 6. Ġzmir meteoroloji istasyonuna ait 42 yıllık( ) sonbahar mevsimi rüzgar gülü Aylık ortalama ve en uç değer rüzgar hızları da bir grafik olarak sunulmaktadır (Çizim 7). Rüzgar hızlarının aylık ortalamaları, meteoroloji istasyonlarının kurulduğu tarihten 2011 yılına dek, o ay içindeki tüm rüzgar hızlarının aritmetik ortalaması alınarak hesaplanmıģtır. Aylık en yüksek değerler olarak, aynı sürelerde o ay içerisinde gözlenen en yüksek, en düģük

30 ve ortalama en büyük değerler (herhangi bir ay için, her yılın en yüksek değerlerinin ortalaması) verilmektedir (Çizim 8). 27 Çizim 7. Aylık ortalama ve en uç değer rüzgar hızları Çizim 8. Yıllara ( ) göre en yüksek rüzgar hızları ve esme yönleri ÇalıĢma alanı açık denizle en kuvvetli su alıģveriģini sağlayan Batıkuzeybatı yönlerine açık olup, bu yönlerden esen rüzgarlar en kuvvetli çevrinti düzenini oluģtururlar. Rüzgar güllerinden de anlaģılacağı üzere, yaz aylarında, yüzey suları sıklıkla BatıKuzeyBatı rüzgarları etkisinde, yaklaģık 7 m/s maksimum ve 4 m/s ortalama rüzgar hızları ile

31 sürüklenmektedirler. Diğer mevsimlerde, BatıKuzeyBatı yanı sıra yüzey sularının sıklıkla GüneyGüneyDoğu rüzgarları etkisinde olduğu görülmektedir Dalga Ġklimi Dalga istatistikleri için gereken etkin dalga kabarma mesafeleri ( fetch ; rüzgarın estiği doğrultuda, bir karadan diğer karaya uzanan deniz alanının uzunluğu) (Harita 3) belirlenmiģ ve Çizelge 1 de sunulmuģtur. Bu çalıģmada, dünyada da yaygın olarak kullanılan, CEM (Coastal Engineering Manual) ampirik modeli kullanılmıģtır. Rüzgar hızları deniz yüzeyinden 10 m. yükseklikteki rüzgar hızlarına dönüģtürülmektedir. Tüm yönlerdeki etkin dalga kabarma uzunluğunun (etkin feç uzunluğu) belirlenmesi için cosinüs ortalama metodu uygulanmıģtır. ÇalıĢma denizel alanı konumu itibarıyla en fazla dalga kabarmasına yol açabilecek dalga kabarma mesafeleri Batı (W) - DoğuKuzeyDoğu (ENE) yönleri aralığındadır (Harita 3 ve Çizelge 1). Harita 3. Yönlere göre dalga kabarma mesafeleri (feç) Çizelge 1. Etkin Dalga Kabarma Mesafeleri (feç) (km) Yön Mesafe(Km) Yön Mesafe (Km) Batı(W) Kuzey(N) 13.8 BatıKuzeyBatı(WNW) KuzeyKuzeyDoğu(NNE) 16.1 KuzeyBatı (NW) 21.7 KuzeyDoğu(NE) 18.7 KuzeyKuzeyBatı (NNW) 6.9 DoğuKuzeyDoğu(ENE) 12.8

32 29 Bu çalıģma kapsamında, yörenin log-normal uzun dönem dalga istatistiği ( long term wave statistics ) çalıģılmıģtır. ÇalıĢma sahası denizel alanında, konum olarak en çok Batı (W) ve DoğuKuzeyDoğu (ENE) yönleri aralığından gelecek dalgalar etkili olan dalgalardır. Batı, BatıKuzeyBatı, KuzeyDoğu ve DoğuKuzeyDoğu aralıkları için uzun dönem dalga istatistikleri Çizim 9 Çizim 12 de sunulmaktadır. Belirgin dalga yükseklikleri aģılma süreleri ve olasılık dağılımları Çizelge 2 de verilmektedir. Diğer yönler için etkin dalga kabarma mesafeleri 3 km den azdır. Çizim 9. Batı (W) yönü için uzun dönem belirgin dalga istatistiği

33 30 Çizim 10. BatıKuzeyBatı (WNW) yönü için uzun dönem belirgin dalga istatistiği Çizim 8. Çizim 11. KuzeyDoğu (NE) yönü için uzun dönem belirgin dalga istatistiği

34 31 Çizim 9. Çizim 12. DoğuKuzeyDoğu (ENE) yönü için uzun dönem belirgin dalga istatistiği Çizelge 2. Belirgin Dalga Yükseklikleri AĢılma Süreleri ve Olasılık Dağılımları Yön Dağılım Denklemi 1 saat/yıl 5 saat/yıl 10 saat/yıl H s (m) Hs (m) H s (m) W H s = ln(p(h)) WNW H s = ln(p(h)) NW H s = ln(p(h)) NNW H s = ln(p(h)) N H s = ln(p(h)) NNE H s = ln(p(h)) NE H s = ln(p(h)) ENE H s = ln(p(h)) Uzun dönem dalga istatistiği belirgin derin deniz dalga yüksekliği H s ile dalga periyodu T s iliģkisi Çizim 13 de, Dalga Gülü Çizim 14 de sunulmaktadır.

35 Çizim 13. Uzun dönem dalga istatistiği H s T s grafiği 32

36 Çizim 14.Dalga Gülü 33

37 34 Yıllara göre elde edilen en yüksek dalga yüksekliklerinden belirli yinelenme süreleri için elde edilen ekstrem(en yüksek değer) tasarım dalgası değerleri ve aģılmama olasılıkları Çizim 15 de verilmiģ ve Çizelge 3 de özetlenmiģtir. Çizim 15. Ekstrem(En yüksek değer) Dalga Ġstatistiği (Gumbel Dağılımı) Çizelge 3.Yineleme Sürelerine Göre Belirgin Dalga yüksekliği Yineleme Süresi (yıl) H s (m) T s (sn)

38 35 Yapılan dalga iklimi çalıģmalarından, birincil etken dalga yönünün Batı W, ikincil etken dalga yönünün KuzeyDoğu (NE) olduğunu göstermektedir. Elde edilen uzun dönem derin deniz belirgin dalga yüksekliği istatistiği çalıģmasının sonucunda, yöre için kritik yön olan Batı W yönünden yılda 1 saat olasılıkla 3 m den yüksek dalgalar gelmektedir. Batı (W) DoğuKuzeyDoğu (ENE) yön aralığı düģünüldüğünde yılda yaklaģık 2 gün 2 m den yüksek dalgalar, yaklaģık 200 gün ise 0.5 m den yüksek dalgalar oluģmaktadır Model Uygulaması Üç boyutlu sayısal model HYDROTAM-3D, çalıģma denizel alanına uyarlanmıģtır. Seyir ve Hidrografi Dairesi BaĢkanlığı nın 215 nolu 1/ ölçekli Çandarlı Körfezi-Dikili Körfezi deniz haritası, iģveren tarafından sağlanan 1/100 ölçekli soğutma suyu yakın denizel alanı batimetri haritası ile güncellenmiģ ve bölgenin batimetrisi modele girilmiģtir (Çizim 16) Çizim 16. Su alanı derinlikleri (m), 1 nolu bölge su alıģ, 2 nolu bölge su deģarj 35

39 36 Soğutma sularının, 31 Aralık 2004 tarihli, sayılı Su Kirliliği Kontrolü Yönetmeliği gereği, endüstriyel atıksu kaynakları için belirlenen atıksu deģarj standartları çerçevesinde deģarj edilmesi gerekmektedir. Soğutma amaçlı olarak deniz suyu kullanılması durumunda Çizelge 4-6 da sunulan, Yönetmelik Tablo 23 deki sıcaklık kriteri, derin deniz deģarjına izin verilebilecek atıksuların özellikleri (Yönetmelik Madde 34), derin deniz deģarj kriterleri (Yönetmelik Madde 35) ve Yönetmelik Tablo 24 dikkate alınmalıdır. Bu çalıģmada deniz deģarjı sistemi için hidrodinamik tasarım yapılmamıģtır. Soğutma suyu deniz deģarjı sistemi için kullanılan hidrodinamik ve taģınım modeli için gerekli olan tasarım değerleri iģveren tarafından sağlanmıģ olup Çizelge 7 de verilmektedir. Çizelge 4. Derin Deniz DeĢarjları Ġçin Uygulanacak Kriterler (Tablo 23) PARAMETRE LIMIT Deniz ortamının seyreltme kapasitesi ne olursa olsun, denize deģarj edilecek suların sıcaklığı 35 C yi aģamaz. Sıcak su deģarjları difüzörün fiziksel olarak sağladığı birinci seyrelme (S 1 ) sonucun da Sıcaklık karıģtığı deniz suyunun sıcaklığını Haziran-Eylül aylarını kapsayan yaz döneminde 1 C den, diğer aylarda ise 2 C den fazla arttıramaz. Ancak, deniz suyu sıcaklığının 28 0 C nin üzerinde olduğu durumlarda, soğutma amaçlı olarak kullanılan deniz suyunun deģarj sıçaklığına herhangi bir sınırlama getirilmeksizin alıcı ortam sıcaklığını 3 0 C den fazla artırmayacak Ģekilde deģarjına izin verilebilir. En muhtemel Derin deniz deģarjıyla sağlanacak olan toplam seyrelme sonucunda sayı (EMS) insan teması olan koruma bölgesinde, zamanın % 90 ında, EMS olarak toplam olarak toplam koliform seviyesi 1000 TC/100 ml ve fekal koliform ve fekal seviyesi 200 FC/100 ml den az olmalıdır. koliformlar Katı ve yüzen maddeler Difüzör çıkıģı üzerinde, toplam geniģliği o noktadaki deniz suyu derinliğine eģit olan bir Ģerit dıģında gözle izlenebilecek katı ve yüzer maddeler bulunmayacaktır. Diğer parametreler Tablo 4 te verilen limitlere uyulacaktır. 36

40 37 Çizelge 5. Atıksu Debilerine Göre Minimum DeĢarj Boru Boyu (Tablo 24) NÜFUS DEBI MINIMUM DEġARJ BORU BOYU < m 3 /gün 500 m m 3 /gün 1300 m Çizelge 6. Derin Deniz DeĢarjına Ġzin Verilebilecek Atıksuların Özellikleri (Madde 34) ve Derin Deniz DeĢarj Kriterleri (Madde 35) Madde 34 - Derin deniz deģarjından önce sadece sınırlı düzeyde bir arıtma yapıldığı için, deniz ortamının korunabilmesi amacıyla, derin deniz deģarjıyla alıcı ortama verilebilecek atıksu özellikleri sınırlandırılmıģtır. Bu sınırlandırmalar aģağıda belirtilmektedir; a) (DeğiĢik:RG-13/2/ ) Alıcı sulara derin deniz deģarjının yapılabilmesi için atıksuların Tehlikeli Maddelerin Su ve Çevresinde Neden Olduğu Kirliliğin Kontrolü Yönetmeliğinde belirtilen sınır değerleri sağlaması gerekmektedirr. b) Derin deniz deģarjına 33 üncü madde uyarınca izin verilebilecek atıksuların özellikleri Tablo 22 de verilmiģtir. Bu tablodaki sınır değerlerden fazla kirletici özellikler ihtiva eden suların denize boģaltımına izin verilmez. Madde 35 - Atıksuların derin deniz deģarjlarıyla bertaraf edilmesi durumunda, alıcı ortamlar için uygulanacak olan derin deniz deģarj kriterleri Tablo 23 te düzenlenmiģtir. DeĢarj sistemlerinin tasarımında ayrıca aģağıdaki hususlar dikkate alınmalıdır; a) Denize bu Yönetmelikle verilebileceği kabul edilen atıksuların deģarj edilebilmesi için projedeki ilk seyrelme S1 değeri 40 ın altında bulunmamalı, tercihen S1 = 100 olmalıdır. Bu seyrelmelerin tesbiti Su Kirliliği Kontrolü Yönetmeliği Teknik Usuller Tebliğine göre yapılır. b) (DeğiĢik:RG-13/2/ ) Minimum deģarj derinliği 20 metre olmalı, eğer 20 metre derinliğe inmek ekonomik olarak mümkün değilse, difüzör hariç deģarj boru boyu ortalama kıyı çizgisinden itibaren bu Yönetmeliğin ekinde yer alan Tablo 24 te gösterilenden az olmamalıdır. Tablodaki nüfus değerlerinden daha büyük yerleģim yerleri, "önemli kirletici kaynak" sınıfına giren faaliyetler ve sanayi kuruluģları için deģarj boru boyu, ön veya tam arıtma alternatifleri ile birlikte ele alınarak belirlenir. Soğutma suyu deniz deģarjı tasarım değerleri Çizelge 7 de verilmektedir. 37

41 38 PARAMETRE Çizelge 7.Soğutma suyu deniz deģarjı tasarım değerleri Q (m 3 /saat) DeĢarj olacak su miktarı DeĢarj su sıcaklığı ĠĢletme Ģartlarında deģarj edilecek suyun sıcaklığı, alınan deniz suyu sıcaklığından maksimum 10 C o fazla olacaktır. Çizim 13 de verilen 1 nolu bölge denizden su alma ve 2 nolu bölge denize su deģarj bölgeleri olarak modellenmiģtir. Su alım bölgesinden m3/h deniz suyu 8 adet 2,3 m. çaplı boru hattından alınacaktır. Suyun alınacağı bölgede su derinliği -17/-18 metre olup, SOCAR Power firmasının planladığı 660 MW STEP 2 santralinin ÇED olumlu belgesinin onaylanması sonrası bu bölgede tarama iģlemi yapılarak su derinliği -21/-22 metre derinliğe ulaģacaktır. BenzeĢtirmelerde, su deģarj yapısının denizde 6 adet 2,8 m. çaplı boru sisteminden oluģacağı, bu hatlardan iki tanesinin yedek hat olarak görev yapacağı düģünülmüģtür. Bu nedenle, her bir hattın kapasitesi m 3 /saat dir. 2 adet 2.8 m çapa sahip borudan oluģtuğu, ve her bir deģarj borusundan ayrılan difüzörlerde minimum n=30 delik (riser) olduğu, delikler arası yatay mesafenin minimum 5 m olduğu varsayılmıģtır. Difuzor boru çapı tasarımında minimum akıģ hızının 0.6 m/s ve aģırı basınç kaybına yol açmamak için de maksimum hızın 1.5 m/s olabileceği göz önüne alınmalıdır. BenzeĢtirmelerde, deģarj diffüzörlerinin m su derinliğinde olduğu düģünülmüģtür. DeĢarj edilebilecek maksimum debi olarak m 3 /saat (55.6 m 3 /sn) ve maksimum baģlangıç kirletici yükü olarak T=+10 o C düģünüldüğünde, değiģik rüzgar hızlarında (W) yapılan benzeģtirmeler sonunda elde edilen yakın alan seyrelme değerleri (tabandan bırakılan T soğutma suyunun yüzeye ulaģana dek seyrelme değeri, S o ) Çizelge 6 da T göstermektedir. Çizelge 8. DeğiĢen difüzör borusu delik sayısı, delik çapları, ve rüzgar hızlarına göre yakın alan seyrelme(s) model sonuçları Difüzör delik sayısı n=30 Difüzor delik sayısı n=40 Difüzör Delik çapı (m) W(m/s) >10 W(m/s) 7 W(m/s) 4 W(m/s) <1 W(m/s) >10 W(m/s) 7 W(m/s) 4 W(m/s) <1 38