Taşkın Tehlike ve Taşkın Risk Haritalarının Oluşturulması

Transkript

1 Taşkın Tehlike ve Taşkın Risk Haritalarının Oluşturulması Prof. Dr. Zuhal Akyürek ODTÜ İnşaat Müh Böl. Su Kaynakları Lab. Ankara Taşkın ve Kuraklık Yönetimi Daire Başkanlığı Hizmet İçi Eğitim Programı 2 5 Aralık 2013 AFYON

2 Sel (Taşkın) Sel, normal koşullar altında sularla kaplı olmayan arazilerin geçici olarak sularla kaplanması anlamını taşımaktadır. İstanbul 8-9 Eylül 2009

3 Taşkın Çeşitleri Oluşma süreleri açısından: Yavaş Gelişen Taşkınlar, Hızlı Gelişen Taşkınlar, Ani taşkınlar (AB Sel Direktifi Madde 10) Oluşma yerleri açısından: Dere ve Nehir Taşkınları, Dağlık Alan (Kuru Vadi), Şehir Taşkınları, Kıyı Taşkınları, Baraj Taşkınları (AB Sel Direktifi Madde 10)

4

5 Taşkın Zararları Kalkınmakta olan ülkelerin afetler sonucu ekonomik kayıpları (GSMH % si olarak) gelişmiş ülkelerin 20 mislidir. Avrupada yılları arasında taşkın zararı 100 milyar. (Reducing the social and economic impact of climate change and natural catastrophes insurance solutions and public-privatepartnerships, CEA, Brussels, Belgium, 2007). Türkiye de taşkın zararı yılda ortalama 100 milyon $. Taşkın yatırımı ise yılda ortalama 30 milyon $. DSİ verilerine göre son 20 yılda tüm Türkiye de 300 ü aşkın taşkın meydana gelmiş, bu taşkınlarda yaklaşık 500 kişi hayatını kaybetmiştir.

6 DSI, 2011

7 Taşkın Oluş Sıklığı İklim değişimi nedeniyle son yıllarda gözlenen taşkınların oluş sıklıklarında ve miktarlarında artış olduğu gözlenmektedir. (Milly et al., 2002; Kundzewicz et al., 2007; Kleinen and Petschel-Held, 2007). Bu gözlemler hidrolojik çalışmaların debi ve su seviyelerinde gelecekte gözlenebilecek iklim değişikliği etkisi dikkate alınarak elde edilmesini gerekli kılmaktadır.

8

9

10

11 Taşkın Oluş Sıklığı Son 20 yılda taşkın koruma yönünde yapılan yatırımların sayısı artmasına rağmen ekstrem taşkın olaylarından oluşan kayıplar da artış göstermiştir(munich RE, 2005) Taşkın yataklarında sosyo-ekonomik gelişmelerde artış olmakta ve bu alanlarda mekansal planlama politikaları artış göstermektedir. (Munich RE, 2005; EEA et al., 2008). Bu durum risk tabanlı taşkın yönetim planlarının oluşturulmasını zorunlu kılmaktadır.

12 Taşkın Yönetiminde Risk Tabanlı Yaklaşım Taşkın Riski= Bir olayın olma olasılığı * olayın sonuçları Taşkın olma olasılığı (tehlike), zarar (maruz kalma) ve/veya taşkın olayları ile baş etme ( başa çıkma) (Kron, 2002). Bazı Avrupa ülkeleri risk tabanlı taşkın yönetiminde stratejiler geliştirmişlerdir: Almanya (DKKV, 2004), Hollanda (Vis et al., 2003; Roos and Van der Geer, 2008), İngiltere (Tunstall et al., 2004)).

13 Taşkın Yönetiminde Risk Tabanlı Yaklaşım Avrupa Parlementosu geliştirdikleri Taşkın direktifi ile 23 ekim 2007 yılında risk tabanlı taşkın yönetimini benimsediğini göstermiştir. Bu direktifin esas amacı «Taşkın riskinin ve sonuçlarının Avrupa da belirlenmesi ve yönetiminin sağlanması»dır. Avrupa Birliği direktifi taşkınları nehirlerden, denizden, içsulardan, dağ yamaçlarındaki sağanaktan, ve yağmursuyu şebekelerinden meydana gelen taşkınlar olarak değerlendirmektedir. Taşkın risk yönetimi planlarının 2015 yılına kadar oluşturulması beklenmekte ve taşkın riskinin zaman içinde değişim göstermesi durumu nedeniyle haritaların 6 yılda bir yenilenmesi gerekmektedir.

14 Avrupa Taşkın Direktifi (2007/60/EC) Üye ülkeler direktif doğrultusunda taşkın tehlike ve taşkın risk haritalarını üretmek zorundadırlar. Taşkın tehlike haritaları: olma olasılığı düşük taşkınları, olma olasılığı ortalama taşkınları (dönüş aralığı>100 yıl) ve olma olasılığı yüksek taşkınları (Q10) etki alanlarını göstermelidir. Direktif üye ülkelerin adı geçen dönüş aralıklarındaki taşkın alanlarını elde etmelerini gerekli kılmaktadır. Üye ülkelerin taşkın alanları ve taşkın hızlarını gösteren haritaları üretmeleri gerekmektedir. Direktif tarafından istenen taşkın risk haritalarında etkilenen yerel halkın sayısı, ekonomik aktivite tipi, etkilenen koruma alanları, ve olası kirletici kaynakların olması gerekmektedir.

15 Avrupa Taşkın Direktifi (2007/60/EC) Avrupa nın yaklaşık yarısı, ülkelerinin tamamı için taşkın haritalarını oluşturmuşlardır. Sadece 5 ülkenin taşkın haritaları çok az sayıda bulunmaktadır veya hiç yoktur. Farklı taşkın haritalarından ençok kullanılan taşkın alanları haritasıdır (23 ülkede kullanılmaktadır). Taşkın derinliği haritaları da kullanılmaktadır (7 ülkede) Çok az sayıda ülke taşkın risk haritaları üretmiştir.

16

17 Avrupa Taşkın Direktifi (2007/60/EC)

18 Taşkın Haritaları Taşkın tehlike haritaları: taşkın olma olasılığı ve/veya olayın miktarını içermektedir Taşkın Risk haritaları: olayın sonuçlarını (ekonomik kayıp, etkilenen insan sayısı, vb) içermektedir.

19 (Moel et al., 2009)

20 Taşkın Tehlike ve Risk Haritaları

21 1. Farklı dönüş aralıklarına sahip hidrografların elde edilmesi: Taşkın Analizleri: -İstatistiksel yöntemler Noktasal Frekans Analizi Bölgesel Frekans Analizi -Birim hidrograf, sentetik birim hidrograf Yöntemi -Yağış-Akış modelleri

22 Q (m 3 /s) 2245 Gökçeli Terme Köprüsü Sıra Q Q No Yıllar Değerleri Yıllar Değerleri m 3 /s m 3 /s TERME ÇAYI YİNELENMELİ PROJE TAŞKIN HİDROGRAFLARI Q 500 = 1518,21 m 3 /s V 500 = 126,55 hm 3 Q 100 = 1155,29 m 3 /s V 100 = 97,19 hm 3 Q 50 = 995,53 m 3 /s V 50 = 84,26 hm 3 Q 25 = 843,08 m 3 /s V 25 = 71,93 hm 3 Q 10 = 651,32 m 3 /s V 10 = 56,41 hm 3 Q 5 = 510,91 m 3 /s V 5 = 45,05 hm 3 Q 2 = 320,33 m 3 /s V 2 = 29,63 hm Zaman (Saat)

23 1. Farklı dönüş aralıklarına sahip hidrografların elde edilmesi: Proje Yeri 219,71 350,43 446,74 578,27 682,83 792, ,34 320,33 510,91 651,32 843,08 995, , ,21 Proje alanı Havza alanı

24 1. Farklı dönüş aralıklarına sahip hidrografların elde edilmesi: Noktasal Frekans Analizi Qt ungauged = Qtgauged A ungauged Agauged (n) Group Number Station Drainage Area (km 2 ) Q 2.33 (m 3 /s) Results of Point Flood Frequency Analysis Q 2.33 (m 3 /s) EIE/ EIE/ EIE/ EIE/ EIE/ EIE/ EIE/ DSI/ EIE/ EIE/ DSI/ DSI/ DSI/ DSI/ EIE/ DSI/ DSI/ DSI/

25 Occurence Period of Average Ratio x Q 2.33 (Years) 1. Farklı dönüş aralıklarına sahip hidrografların elde edilmesi: Bölgesel Frekans Analizi 100 EIE/2012 EIE/2007 Ceyhan Basin Stations Adjusted Record Duration (Years) Tu T L

26 Q 2.33 (m 3 /s) Bölgeselleştirme Metodu (Dalyrmple(1960)) y = 1,7284x 0,8076 R² = 0, y = 0,0492x + 39,713 R² = 0, Drainage Area(km 2 )

27 Sınıflandırma Analizi

28 Sınıflandırma Analizi

29 Statistical Measure Nonlinear Analysis For Three Cluster Regions Results Dalyrmple Method - Best Fit Equation Results Dalyrmple Method - Envelope Line Equation Results Point Flood Analysis Results Equation of Ceyhan Basin in Topaloglu (2005) Results Root Mean Square Errors Nash-Sutcliffe Efficiency Stream Gauging Station # Cluster - 3 AREA (km 2 ) Nonlinear Analysis For Three Cluster Regions % Dalyrmple Method - Best Fit Equation % Difference Dalyrmple Method - Envelope Line Equation % Point Flood Analysis % Difference Equation of Ceyhan Basin in Topaloglu (2004) % Difference EIE/ % % % % % EIE/ % 41.84% % 4.07% 32.55% EIE/ % 26.93% % -3.91% 32.36% EIE/ % 92.81% % % 89.33% EIE/ % -2.61% % 30.01% -5.89% EIE/ % % % % % DSI/ % 21.01% % % DSI/ % % % 39.48% % DSI/ % 87.56% % 1.35% DSI/ % 50.75% % 0.93% DSI/ % % 77.67% % DSI/ % % % % DSI/ % % % -6.59% DSI/ % 26.72% % 39.14% % DSI/ % % % % % DSI/ % % % % DSI/ % % 24.01% -7.39% % DSI/ % % 76.29% 7.98% %

30 2.Akım Derinliğinin Elde Edilmesi *Debi-Seviye eğrileri *Hidrodinamik modeller (1B, yalancı 2B veya 2B) yardımı ile farklı dönüş aralıklarına ait hidrografların yaratacağı su seviyelerinin elde edilmesi. Özellikle hidrolik olarak kompleks yapıya sahip alanlar için 2B modellerin kullanılması uygundur. Bu modeller ile farklı taşkın parametreleri de elde edilebilmektedir.

31 1-B model

32 2-B Model

33 TAŞKIN MODELLEMESİ Başla Nehir taşıyor mu? Hayır Taşkın Modeline ihtiyaç yok Evet Taşan alanlar yüksek debi taşıyor mu? Hayır Seddeler var mı?? Evet Hayır Evet Bağlantı Kanallı Taşkın Hücresi Ek Taşkın alanları Taşan su nehre paralel mi taşınmakta? Hayır Evet Seddeler var mı? Hayır Kesitlere bağlı Taşkın alanı 1-D Evet Taşkın alanı akımı, sık sık yollardan ve diğer akımı engelleyen yapılardan etkileniyor mu? Evet Hayır Q 2-D İçbağlı Taşkın hücreleri Kanal Ötelemesi

34 TAŞKIN MODELLEMESİ 1-B and Quasi 2-B Modelleme arasındaki farklar: 1-B: Kanal ve Taşkın alanı birlikte bir kesitte Tek bir su seviyesi ve hız kanala ve taşkın alanına uygulanmaktadır Quasi 2-B: Nehir ve Taşkın alanı akış yönünü ayırmaktadır Doğru ve hassas veriye ihtiyaç vardır. DHI MIKE

35 TAŞKIN MODELLEMESİ Taşkın alanı şematiği FP1: İhmal edilir Nehir Taşkın alanı? FP2: Ek Depolama Nehir Taşkın alanı FP3: kesitin bir bölümü Nehir Taşkın alanı FP4: Nehirden ayrılmakta Nehir Taşkın alanı Bağlantı kanalı

36 TAŞKIN MODELLEMESİ Taşkın alanı şematiği FP1 :?? FP2 : FP3 : FP4 :

37 TAŞKIN MODELLEMESİ FP3: Kesitin bir parçası Taşıma kapasitesini azaltmak için kesitin farklı yerlerine farklı pürüzlülük değeri verilebilir. Orjinal veri tablolarında pürüzlülük değeri tanımlanır

38 Mansap bağlantısı Menba bağlantısı TAŞKIN MODELLEMESİ FP4: Nehirden ayrı Nehir kanalı ve taşkın alanı ayrı ayrı modellenir. Bağlantı kanalları branşlar arasında akım değişimini tanımlar Bağlantı kanallarının depolama özelliği yoktur ve savak gibi davranırlar. Floodplain Nehir branşına bağlantı Menba Taban seviyesi Mansap Taban seviyesi Taşkın alanı hücresine veya branşa bağlantı Nehir

39 Basit 1-B Nehir Modeli RIVER Nehir CROSS-SECTIONS Kesitleri

40 Detaylı şematik (1-D) Döngülü nehir ağı Yan bağlantılar

41

42 Hidrodinamik Modelleme Sabit olmayan akım modellemesi üç ana elemana bağlıdır: -Fizik kurallarının tanımlandığı farklar ilişkisi -Matematik denklem sisteminin tanımlandığı sonlu farklar şeması -Bu denklemlerin çözümlendiği matematik denklemler Fiziksel Sistem Nehir Ağı Taşkın alanı Yapılar Şematize Edilmesi Basit eş sistem ile gösterilmesi Fiziksel Kurallar Kütlenin Korunumu Momentumun Korunumu Kesintili Sonlu Farklar ilişkisi ile tanımlama NUMERİK MODEL

43 Hidrodinamik Modelleme Saint Venant Denklemleri: Genel Kabuller Sıkıştırılmayan ve homojen akışkan Tek yönlü akım (değişmeyen hız ve kesitte su seviyesi) Düşük taban eğimi Geometri boyunca düşük değişim Hidrostatik basınç dağılımı Kütle Korunumu Momentum Korunumu

44 Hidrodinamik Modelleme Kütlenin Korunumu (Süreklilik Denklemi) T1 den T2 ye kütledeki artış= Kontrol hacmine giren net kütle akısı (T1den T2 ye) +Kontrol hacminden çıkan net kütle akısı (T1 den T2 ye)

45 Hidrodinamik Modelleme Momentumun Korunumu (Momentum Denklemi) Momentumdaki net artış (T1 den T2 ye)= Kontrol hacmine giren net momentum akısı (T1 den T2 ye)+aynı zamanda etkili olan diğer kuvvetlerin toplamı

46 Hidrodinamik Modelleme Momentum Denkleminin Elemanları Momentum= Birim uzunluktaki kütle * hız Momentum Akısı= Momentum * hız Basınç Kuvveti=Hidrostatik Basınç Sürtünme Kuvveti= Taban rezistansına karşı kuvvet Yerçekimi Kuvveti= X- yönündeki katkı

47 Hidrodinamik Modelleme Diferansiyel Momentum Denkleminin Çözümü Yaygın Dalga Kinematik Dalga Dinamik Dalga

48 Hidrodinamik Modelleme Kinematik, Yaygın Dalga ve Dinamik Dalga Kinematik Dalga: 1.Taban sürtünme terimi 2.Yerçekimi Terimi Uygulamalar: +Dik Nehirler - Geritepme etkileri dikkate alınmaz - Gel-git akımları dikkate alınmaz Yaygın Dalga: 1.Taban sürtünme terimi 2.Yerçekimi Terimi 3.Hidrostatik gradiant terimi Uygulamalar: +Göreceli zaman bağımsız geritepme etkileri +Yavaş ilerleyen taşkın dalgaları -Gel-git akımları dikkate alınmaz

49 Hidrodinamik Modelleme Kinematik, Diffusive Dalga ve Dinamik Dalga Dinamik Dalga: 1.Taban sürtünme terimi 2.Yerçekimi Terimi 3.Hidrostatik gradient terimi 4.İvmelenme terimi Uygulamalar: +Hızlı geçişler +Gel-git akımları +Hızla değişen geritepme etkileri +Taşkın dalgaları

50 Model Stabilitesi Courant Şartı Verilen: İlk Şartlar ve tutarlı olan sonlu farklar yaklaşımı Sonra: Yaklaşma şartı için stabilite gerekli Courant sayısı < 1 koşulunda stabilite sağlanmaktadır Örnek olarak:

51 2B Model 2 Boyutlu modelin çözmeye çalıştıkları Ref: TUFLOW

52 Fiziksel Yaklaşım 1B~100 hesaplama noktası 2B~ hesaplama noktası

53 3.DEM hesaplanan su derinliği ile birleştirilir Üçüncü aşamada DEM hesaplanan su derinliği haritası ile birleştirilmektedir. Sayısal yükseklik modelinin çözünürlüğünün yüksek önemi vardır.

54

55 3 m 40 m

56 3 m (DSI, 2011) 40 m

57 3.DEM hesaplanan su derinliği ile birleştirilir Pixel size Number of Pixel Model Run Time (Approximetly) 5m 1061 x Hours (75 saatlik hidrograf kullanıldığında) 3m 2350 x Hours (74 saatlik hidrograf kullanıldığında)

58 Sayısal Yükseklik Modeli (DEM) Sayısal Arazi Modeli (DTM) Sayısal Yüzey Modeli (DSM) Taşkın modellenmesinde DEM, DTM ve DSM sıklıkla kullanılmaktadır. DEM: Çıplak dünya yüzeyinde yükseklik verisinin düzenli grid aralıkları ile modellenmesidir.

59 DEM (SYM) Nokta verisinden DEM üretme Münhani verisinden DEM üretme TIN ile üçgen model oluşturma IDW ile modelleme Kriging ile modelleme

60

61

62 TIN: Dağınık Üçgen Modeli Vektör veri yapısı ile yer verisinin tutulması CBS yazılımlarında kullanılmaktadır. Grid yapısından daha esnek bir yapıya sahiptir.

63 TIN: Dağınık Üçgen Modeli

64 TIN: Dağınık Üçgen Modeli Delaunay Üçgenleme -The search for the next neighbour is made by constructing a circle with the base AB diameter and searching to the clockwise to find if any point falls within this circle.

65 TIN: Dağınık Üçgen Modeli Polyhedtral terrain Hangi üçgenleme doğrudur, a ya da b?

66 TIN: Dağınık Üçgen Modeli ab is illegal, edge flip is done

67 TIN: Dağınık Üçgen Modeli

68 DTM, SAM Digital Terrain Model (DTM): Sayısal yükseklik modeline nehir gibi ayrıntıların işlenmiş halidir.

69

70 DSM Digital Surface Model (DSM): Ağaç, bina gibi ayrıntıların yükseklik değerlerinin sayısal yükseklik modeline işlenmiş halidir.

71 DSM

72 Model Kalibrasyonu ve Doğrulama Q Q Q h or Q/h İlgili Akım Denklemlerinin çözümünde önemli olan faktörler: Havza belirleme Nehir ve taşkın alanı topoğrafyası Sınır değerleri için hidrometrik veri Kalibrasyon ve doğrulama için hidrodinamik veri İnsan yapımı engeller

73 Model Kalibrasyonu ve Doğrulama Model parametrelerini su seviyelerini dengeleyerek değiştirmeden önce su dengesinin doğru olduğundan mutlaka emin olunmalı: Havzadan çıkan akımın doğru modellenmesi Yan kollardan katılan akımın doğru modellenmesi endüstriyel katılımlar ve barajdan bırakılan su Taşkın alanının ilk koşulları Denizin etkisinin

74

75

76 Model Kalibrasyonu ve Doğrulama Manning pürüzlülük değerinin kalibrasyonu:

77 Taşkın Harita Tipleri Taşkın alanı haritası

78 Taşkın Harita Tipleri Taşkın Derinliği Haritası

79 Taşkın Harita Tipleri Diğer taşkın parametrelerini gösteren haritalar Hız, suyun ilerleme zamanı

80 Taşkın Harita Tipleri Taşkın Tehlike Haritaları derinlik (hız+0.5)+süprüntü faktörü (van Alphen and Passchier, 2007). Q100

81 Model Altlıkları 1B model için kesitlerin detaylı elde edilmesi önemlidir. Kanal genişliğinin belirlenmesi gereklidir. Kesitler topoğrafik haritalardan ve/veya arazi ölçümlerinden elde edilir.

82 Örnek1: Kocadere Taşkın Analizi

83 1B için Sayısal Yükseklik Modeli

84 Kocadere Boy Kesiti

85 Nehir Ağı tanımlanması Nilüfer Çayı Karadere Simav Çayı Uluabat

86 Q (m 3 /s) Q (m 3 /s) Q (m 3 /s) Taşkın Hidrografları (Q100) Simav t (saat) t (saat) t (saat) Karadere Nilüfer

87

88 Kesitlerin tanımlanması

89 2B için Sayısal Yükseklik Modeli 2B model için Sayısal Yükseklik modeli mekansal çözünürlüğü önemlidir Mekansal çözünürlük hidrolik amaçları sağlamak adına büyük seçilmelidir Modelin çalışma zamanını azaltmak için küçük seçilmelidir Genel olarak kullanılan SYM den daha küçük çözünürlük yeterlidir Sabit grid çözünürlüklü bir model için çözünürlüğün artması işlem zamanını 8 kat arttırmaktadır

90

91

92 3 m 40 m

93 3 m (DSI, 2011) 40 m

94 Taban Direnci Sıklıkla Manning denklemi kullanılmaktadır 2 boyutlu modellemede n değerleri uniform akımdaki n değerleri ile aynı olabilir (yan dirençler olmadığı için biraz büyük olabilir) Taban direnci=f(taban malzemesi, proje alanı geometrisi, nehrin mevsimsel değişimi, debinin değişimi, taban oyulması, vb) (Laggasse et al., 2001) n1: taban malzemesi boyutuna bağlı direnç, nb:kesit değişimine bağlı direnç, n2: kanal geometrisine bağlı direnç, n3:tabandaki ondulasyona bağlı direnç, n4:vejetasyona bağlı direnç, m: sinuositye bağlı direnç

95 Taban malzemesi örneklerinden D50 değerleri dikkate alınarak

96

97

98 ortalama n=0.056

99 1B modelleme sonucu

100

101 2B modelleme sonucu

102 2B

103

104

105

106 Maruz Kalma ve Baş Edebilme Taşkının evlerde, endüstride, altyapıda, tarım arazisinde yarattığı potansiyel zararın belirlenmesi kolaydır. Fakat kültürel, ekolojik hasar gibi zararların belirlenmesi hala çok zordur. Bu zararların belirlenmesi çeşitli indeksler ile mümkün olmaktadır (İtalya, İspanya örneklerinde olduğu gibi). Taşkın sonuçları ve taşkın tehlike haritalarının birleştirilmesi ile taşkın risk haritaları elde edilmektedir.

107 Flood Risk Map Mazur kalma ve baş edebilme genellikle kalitatif değerler olduğu için direk ekonomik hasar dikkate alınarak risk haritaları oluşturulabilir. Direk ekonomik hasarı belirleme yöntemi hasar-seviye eğrilerinin elde edilmesidir. Hasar-seviye eğrilerinin elde edilmesi geçmiş taşkınlardan faydalanıılarak olmakta veya sentetik taşkınların konu uzmanları tarafından değerlendirilmesi ile olmaktadır.

108 Taşkın Tehlike Haritaları Arazi Kullanım Haritaları Nitel Taşkın Tehlike Haritaları Taşkın-Hasar Eğrilerileri Nicel Taşkın Tehlike Haritaları

109 Örnek 2:Baraj Yıkılması Taşkın analizi

110 WEIR STRUCTURE Main Branch RESERVOIR DAM BREAK STRUCTURE

111

112

113 Sonuçlar Hidrodinamik modelleme için gerekli altlıkların doğruluğu ve hassasiyeti model sonuçlarını doğrudan etkilemektedir. 1B taşkın modellemesi -oldukça hızlıdır -kompleks akımların modellemesi zayıftır 2B veya 1B/2B modeller -taşkın modellenmesinde, taşkın risk alanlarının elde edilmesinde önemli kazançlar sunmaktadır -1B modellere göre oldukça yavaştırlar Kullanılan modelin iyi anlaşılması gerekmektedir -Farklı 2B modeller farklı sonuçlar sunabilir -Kullanılan 2B modelin fiziksel işlemleri gerçekleştirdiğinden emin olmak gerekmektedir Kullanılan modellerin mutlaka kalibre edilmesi gerekmektedir - Meydana gelen taşkınların su derinliği, kapladığı alan bilgilerinin elde edilmesi ve arşivlenmesi çok önemlidir.