Deniz Mühendisliği Araştırma Merkezi

Transkript

1 Orta Doğu Teknik Üniversitesi İnşaat Mühendisliği Bölümü Kıyı ve Deniz Mühendisliği Laboratuvarı Deniz Mühendisliği Araştırma Merkezi Tam ve Yarı Zamanlı Öğretim Üyeleri Prof.Dr. Ayşen Ergin Prof.Dr. Ahmet Cevdet Yalçıner Yrd.Doç., Yrd.Doç. Dr. Cüneyt Baykal Dr. Işıkhan Güler, Okan Taktak Araştırma Görevlileri: Gökhan Güler Proje Asistanları: Nilay Doğulu, Bora Yalçıner, Ezgi Çınar, Özge Çabuk, Emrecan Işık İdari Personel: Nuray Sefa Teknisyenler: Arif Kayışlı ve Yusuf Korkut

2 Teşekkür Bu sunumda ODTÜ Deniz Mühendisliği Araştırma Merkezi nde tamamlanan çeşitli yüksek lisans tezleri ile proje çalışmaları kullanılmıştır. Bu sunumda kullanılan çalışmalar: Dr. Mustafa Esen Yük.Müh. Hasan Gökhan Güler Yük.Müh. Çağıl Kirezci Yük.Müh. Çağrı Polat Yük.Müh. Onur Erol Emrecan Işık Hazal Ak Ezgi Çınar Merve Bilgin

3 OKYANUSLAR - DENİZLER hem özgürlük ve keşif heyecanı hem de korku kaynağı BİLİNMEZLİK VE BELİRSİZLİK Dinamik koşullar Atmosfer-deniz-kara etkileşimi Doğa-insan çekişmesi

4 KIYI VE DENİZ MÜHENDİSLİĞİ UYGULAMALARINDA VERİ KULLANIMI: BELİRSİZLİKLER, DİKKATSİZLİKLER VE SONUÇLARI 25 Mayıs 2017 Yrd. Doç.

5 Rüzgar, dalga, tahmin modelleri, akıntı, gel-git Dalga-yapı etkileşimi Lagünler Nehir ağızları Kum taşınımı, aşınma, birikim Kıyı çizgisi değişimi Deniz kirliliği Tsunami Küresel ısınma Deniz seviyesi değişimi Saha Ölçümleri

6 Kıyı ve Derin Deniz Yapıları Planlaması, Tasarımı, Uygulaması Kıyı koruma yapıları Limanlar Denizaltı boru hatları Tüp geçiş (Marmaray) Açık deniz yapıları Deniz Deşarjları

7 TASARIMDA: *RÜZGAR, DALGA, AKINTI, DEPREM KUVVETLERİNİ VE BUNLARIN KARMAŞIK ETKİLENMESİNİ *ÇOK ÖZEL ÇEVRE KOŞULLARINI YAPIMINDA: *ÇOK SAYIDA FARKLI VE BİRLİKTE YÜRÜTÜLMESİ GEREKEN İŞ KATEGORİLİERİNİ VE İŞ AKIŞINI İÇEREN ÇOK YÜKSEK MALİYETLİ YAPILARDIR.

8 KIYI MÜHENDİSLERİNİN HEDEFİ YAPI EKONOMİK ÖMRÜ (SERVİS SÜRESİ) İÇİNDE TASARIM YÜKLERİ VE YAPISAL DAYANIM ETKİLEŞİMİ ALTINDA DÜŞÜK HASAR, OPTİMUM MALİYET VE ZAMAN AKIŞINA SAHİP BİR TASARIM ORTAYA KOYMAKTIR. T.C. ULAŞTIRMA, DENİZCİLİK ve HABERLEŞME BAKANLIĞI ALTYAPI YATIRIMLARI GENEL MÜDÜRLÜĞÜ (AYGM) KIYI YAPILARI PLANLAMA ve TASARIM TEKNİK ESASLARI ŞARTNAMESİ

9 Dalga Yapı Etkileşimi Koşulları (Tasarım dalgası) Kırılmayan Dalgalar Kırılan Dalgalar Kırılmış Dalgalar Yüzen Yapılar Batık Yapılar Taş Dolgu Yapılar Dik Yüzeyli Yapılar Kazıklı Yapılar

10 TAŞ DOLGU YAPILAR Hudson Equation, (1974) H D n50 K cot 1/ 3 D Van der Meer, (1988) Plunging Kırılma (Kıvrılarak Kırılan Dalga) H D s n50 6.2S 0.2 P 0.18 N 0.1 z 0.5 m Surging Kırılma (Sönümlenerek Kırılan Dalga) H D s n50 1.0S 0.2 P 0.13 N 0.1 z P cot 0. 5 m

11 TEMEL TASARIM PARAMETRELERİ Rüzgar İklimi Uzun Dönem Önemli Fırtınalar Dalga İklimi Uzun Dönem Uç Değer Su Seviyesi Gel-git Kabarma Değişimler Dalga Taşınımı Sığlaşma Sapma Kırınım Kırılma Yansıma Sönümlenme Kıyı Ölçütleri Profil Değişimleri Kum Özellikleri Taban Topografyası Zemin Ölçütleri Akıntılar Kum Taşınımı Kıyı Boyu Kıyıya Dik Dalga-Yapı Etkileşimi Yayılma ve Dağılma Çevresel Etkiler

12 RÜZGAR VERİLERİ Proje alanında yapılan uzun süreli ölçümler Kıyı alanlarındaki meteorolojik rüzgar ölçüm istasyonları Sinoptik haritalar Orta Menzilli Hava Tahminleri Avrupa Merkezi - European Centre for Medium Range Weather Forecasts (ECMWF) veya Amerika daki The National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) gibi uluslararası hava tahmin kurumları

13 METEOROLOJİK ÖLÇÜM İSTASYONLARI 30 yıldan uzun 100 adet Genel olarak denizden 20km içerideki alanda ve kent merkezlerinde Deniz Otomatik Meteoroloji Gözlem İstasyonu (DOMGİ) adet (14 şamandıra, 64 deniz feneri)

14 HAVA TAHMİN KURUMLARI VERİLERİ ECMWF: Farklı veri setleri den günümüze kadar Altı saatlik zaman aralıkları (3 saatlik aralıklar da bazı veri setlerinde mevcut) 0.1 derece ve üzeri uzamsal çözünürlük 10 metre NOAA: Farklı veri setleri günümüz Saatlik zaman aralığı derece uzamsal çözünürlük 10 metre

15 DİKKAT!! HANGİ RÜZGAR VERİSİ? KARADAKİ MGM İSTASYONUNUN LOKASYONU KARADAN DENİZE RÜZGAR VERİSİNİN TAŞINMASI 10 METRE YÜKSEKLİK! DÜZELTME GEREKEBİLİR!! HAVA TAHMİN SİSTEMLERİ DOĞRU KOORDİNAT SEÇİMİ Akçakoca Akcakoca (ECMWF) Akcakoca (MGM)

16 KARADENİZ MGM ve ECMWF Akcaabat (ECMWF) Akcaabat (MGM) Akcakoca (ECMWF) Akcakoca (MGM) Giresun (ECMWF) Giresun (MGM)

17 AKDENİZ MGM VE ECMWF Mersin-Anamur Adana-Yumurtalık MGM ECMWF MGM ECMWF

18 ZAMAN SERİLERİ ANAMUR & YUMURTALIK

19 MGM & ECMWF & NOAA - ALANYA MGM ECMWF NOAA

20 Türkiye Açık Deniz Rüzgar Enerjisi Potansiyeli Hangi Rüzgar? METU-OERC No Location ECMWF East North Velocity WPD East North Velocity WPD 1 Bozcaada Gökçeada Gökçeada Kumburun Bozcaada Gökçeada Farmakonisi Çeşme Çeşme Kumkale Kumburun Bozcaada Gülpınar Bodrum Didim Sahilköy Riva Çeşme Durugöl İğneada Bandırma Özdere Dr Gülizar Özyurt Tarakcıoğlu CFSR

21 DALGA VERİLERİ ŞAMANDIRA ÖLÇÜMLERİ ALTİMETRE (UYDU) ÖLÇÜMLERİ RÜZGAR VERİSİ KULLANILARAK DALGA TAHMİNLERİ SPEKTRAL YÖNTEMLER 3. NESİL DALGA MODELLERİ: SWAN, WAVEWATCHIII FIRTINA ANALİZLERİ, KISA SÜRELİ ANALİZLER BELİRGİN DALGA YÖNTEMİ SMB YÖNTEMİ DALGA İKLİMİ ÇALIŞMALARI TASARIM İÇİN: BELİRGİN DALGA YÜKSEKLİĞİ, DALGA PERİYODU, UZUN DÖNEM VE EN BÜYÜK DEĞER DALGA İSTATİSTİKLERİ

22 DALGA ÖLÇÜMLERİ NATO-TU WAVES projesi MGM Dalga Şamandıraları (6 adet) KISA SÜRELİ VE BOŞLUKLU EKSTREM ANALİZLER: VERİ SETİNİN 2-3 KATI SÜRE

23 TASARIM DALGASI - GİRDİ BELİRSİZLİKLERİ HANGİ RÜZGAR VERİSİ? Alanya, Antalya: 100 YIL YİNELEME DÖNEMİ MGM Hs: 3.54m Ts: 7.20s ECMWF Hs: 5.84m Ts: 9.57s CFSR..Hs: 7.83m Ts: 10.8s RÜZGAR VERİSİNİN UZUNLUĞU DAĞILIM MODELİ ETKİSİ ZAMANSAL VE UZAMSAL ÇÖZÜNÜRLÜK DALGA TAHMİN MODELİ

24 TASARIM DALGASI HANGİ RÜZGAR VERİSİ? ORDU ECMWF ECMWF ORDU GIRESUN GIRESUN

25 TASARIM DALGASI HANGİ RÜZGAR VERİSİ? MERSİN-Anamur Meteorology ECMWF H50 Differences H100 Differences Best Distribution Best Distribution H50 H100 H50 H100 (%) (%) All Direction Gumbel1(old) Weibull (k4=2.0) WSW LogNormal LogNormal Mersin-Anamur Wave Atlas Meteorology ECMWF Gumbel Gumbel(old) Gumbel Weibull(k4=2.0) Gumbel Hs50 (m) Hs100 (m) Adana-Yumurtalık All Direction SSW Meteorology ECMWF H50 Differences H100 Differences Best Distribution Best Distribution (%) (%) LogNormal Weibull (k3=1.4) LogNormal FT 2 (k4=10.0) H50 H100 H50 H100 Adana-Yumurtalık Wave Atlas Meteorology ECMWF Gumbel(old) LogNormal Gumbel(old) Weibull(k3=1.4) Gumbel(old) Hs50 (m) Hs100 (m) Mersin-Anamur Gumbel Best Distribution Hs50 Hs100 Hs50 Hs100 Wind Data Synoptic Map Meteorology ECMWF

26 TASARIM DALGASI HANGİ RÜZGAR VERİSİ? İstanbul Kilyos Wave Atlas Meteorology ECMWF Gumbel Best Distribution Gumbel Best Distribution Gumbel Hs 50 (m) Hs 100 (m) Düzce Akçakoca Wave Atlas Meteorology ECMWF Gumbel Best Distribution Best Distribution Hs 50 (m) Hs 100 (m) Bartın Amasra Wave Atlas Meteorology ECMWF Gumbel Best Distribution Gumbel Best Distribution Gumbel Hs 50 (m) Hs 100 (m) Gumbel Log-Normal Gumbel Log-Normal Gumbel Weibull, k=2.0 Manavgat İstasyonu Yineleme Periyodu 5 yıl 10 yıl 20 yıl 50 yıl 100 yıl 1000 yıl Hs (m) Ts (sn) Hs (m) Ts (sn) ECMWF verileri Yineleme Periyodu 5 yıl 10 yıl 20 yıl 50 yıl 100 yıl 1000 yıl Hs (m) Ts (sn) Hs (m) Ts (sn) Yineleme Periyodu NCEP verileri 5 yıl 10 yıl 20 yıl 50 yıl 100 yıl 1000 yıl Hs (m) Ts (sn) Hs (m) Ts (sn)

27 KOORDİNAT SEÇİMİ VERİ UZUNLUĞU Antalya-Gazipaşa Best H50 Differences H100 Differences Best H50 H100 Distribution (%) (%) H50 H100 Distribution Meteorology Weibull (k4=2.0) ECMWF(36.20N-32.30E) LogNormal LogNormal GP FT 2 (k4=10.0) LogNormal GP LogNormal LogNormal GP LogNormal LogNormal H50 Differences H100 Differences (%) (%) Antalya - Gazipaşa Differences Major Wave Height (10 Major Wave Height (10 (%) Direction hours/year ) Direction hours/year ) Meteorology WNW ECMWF (36.20N-32.30E) ESE SSW 2.87 GP-34 WSW WSW 3.35 GP-26 ESE SSW 3.01 GP-14 SE SSW 2.78 Differences (%)

28 DAĞILIM MODELİ ETKİSİ 11 FARKLI DAĞILIM MODELİ EN SIK KULLANILAN GUMBEL 70 NOKTADA YAPILAN ÇALIŞMA SONUCUNDA: 26 NOKTA GUMBEL 30 NOKTA LOG NORMAL 8 NOKTA WEIBULL (K4=2.0) 6 NOKTA DIGERLERI DAHA IYI UYAN DAGILIM MODELLERI H 100 DALGASINI ORTALAMA %8,5 DAHA DÜŞÜK HESAPLAMAKTADIR! Kilyos Dağılım Modeli Etkisi Return Period Distribution Type Hs r Gumbel FT 2 (k1=2.5) FT 2 (k2=3.33) FT 2 (k3=5.0) FT 2 (k4=10.0) Weibull (k1=0.75) Weibull (k2=1.0) Weibull (k3=1.4) Weibull (k4=2.0) Best Dis LogNormal

29 ZAMANSAL ÇÖZÜNÜRLÜK - Rüzgar Rüzgar verisi ECMWF, NCEP gibi çeşitli kurumlar tarafından verilmektedir. Zamansal Çözünürlük: 24 saat, 6 saat, 1 saat Daha yüksek çözünürlüklü veri (ör. dalga tahmini) Zamansal çözünürlüğün arttırılması için basit interpolasyon tekniklerinin kullanılması

30 ZAMANSAL ÇÖZÜNÜRLÜK İnterpolasyon Teknikleri 1- w 0 İnterpolasyonu (Sol Sabit) 2- w 6 İnterpolasyonu (Sağ Sabit) 3- Lineer İnterpolasyon 4- Ortalama Basak Fonksiyonu İnterpolasyonu 5-1-Boyutlu Hızlı Fourier Dönüşümü İnterpolasyonu 6-2. Derece Lagrange Polinomu İnterpolasyonu 7-3. Derece Lagrange Polinomu İnterpolasyonu 8- Kubik Spline Eğrisi İnterpolasyonu 9- Parçalı Kubik Hermite İnterpolasyon Polinomu

31 Veri Seti: Ege Denizi ve Karadeniz National Centers for Environmental Prediction (NCEP) The Climate Forecast System Reanalysis (CFSR) 10m rüzgar hızı veri seti Uzamsal Çözünürlük: yaklaşık 0.3 derece 227 veri noktası Ege 522 veri noktası - Karadeniz Zamansal Çözünürlük: Saatlik

32 Metot Mevcut verinin zamansal çözünürlüğü: 1 saat Verinin zamansal çözünürlük 6 saat (???) olacak şekilde örneklenmesi Boşlukların seçilen interpolasyon teknikleri ile doldurulması Hesaplanan veri seti ile orjinal veri setinin istatistiksel karşılaştırılması

33 KARŞILAŞTIRMA Üç istatistiksel parametreye bağlı olarak seçilmiştir. Varyasyon Katsayısı Kök Ortalama Kare Hatası (VKKOKH) m 2 wölçüm,t wtahmin,t m KOKH VKKOKH w Normalize Ortalama Mutlak mhata (NOMH) wölçüm,t wtahmin,t m OMH t1 NOMH wölçüm wölçüm ölçüm t1 w ölçüm Tahmin Kabiliyeti (TK) TK 1 2 w ölçüm 2 w w ölçüm tahmin

34 Rüzgar Hızı Verisinin Zamansal Çözünürlüğünün Arttırılması Metodlarının Performansı İstatistiksel Parametreler Ege Denizi Düşük VKKOKH ve NOMH değerleri ile yüksek TK değerleri daha iyi tahminleri göstermektedir. Norm. Yanlılık Bias m ölçüm,t tahmin,t t1 w w m w ölçüm Metot/İsta. Ort (VKKOKH) Ort (NOMH) Ort (TK) Ort (Norm. Yanlılık) w w Lineer Ortalama Basamak Fonk D FFT Der. Lagrange Der. Lagrange Kübik Spline PKHİP

35 Rüzgar Hızı Verisinin Zamansal Çözünürlüğünün Arttırılması Metodlarının Performansı Birinci Metot - Rüzgar

36 İstatistiksel Parametreler Karadeniz Metot/İsta. Ort (VKKOKH) Ort (NOMH) Ort (TK) Ort (Norm. Yanlılık) Düşük VKKOKH ve NOMH değerleri ile yüksek TK değerleri daha iyi tahminleri göstermektedir. w w Lineer Ortalama Basamak Fonk D FFT Der. Lagrange Der. Lagrange Kübik Spline PKHİP

37 Birinci Metot - Rüzgar

38 Rüzgar Enerjisi Uygulamaları P 1 N 2N i 1 hava u 3 i Ege ve Karadeniz deki her grid noktasına uygulanmıştır. Karşılaştırmalar göreceli farklara odaklanarak yapılmıştır.

39 Rüzgar Enerjisi Birinci Metot

40 Rüzgar Enerjisi - Ege İstatistiksel Parametreler Metot/İsta. VKKOKH NOMH w w Lineer Ort. Basamak D FFT Der. Lagrange Der. Lagrange Kübik Spline PKHİP Göreceli Farklar, Birinci En Kötü VKKOKH: 177.2% NOMH: 257.5%

41 Rüzgar Enerjisi Birinci Metot 41 41

42 Rüzgar Enerjisi - Karadeniz İstatistiksel Parametreler Metot/İsta. CVRMSE NMAE w w Lineer Ort. Basamak D FFT Der. Lagrange Der. Lagrange Kübik Spline PKHİP

43 Dalga Tahmini Uygulamaları Ege: 3 nokta Karadeniz: 28 nokta Orjinal, en iyi, ikinci ve en kötü rüzgar veri setleri ODTÜ Deniz Müh. Araş. Merkezi tarafından geliştirilen Derin Deniz Dalga Tahmin Matematik Modeli kullanılmıştır. Karşılaştırmalar Uzun Dönem ve En Büyük Değer Dalga İstatistiklerine odaklanarak yapılmıştır.

44 Dalga Tahmini Uygulamaları Uzun Dönem Dalga İstatistiği N E Exceeded Hours (hours / year) Original First - PCHP Second - Spline Worst - w 6 SSE WSW SW SSE WSW SW SSE WSW SW SSE WSW SW H s0 (m) T s (sec) H s0 (m) T s (sec) H s0 (m) T s (sec) H s0 (m) T s (sec) H s0 (m) T s (sec) H s0 (m) T s (sec)

45 Uzun Dönem Dalga İstatistiği

46 Dalga Tahmini Uygulamaları En Büyük Değer Dalga İstatistiği N E Original First - PCHP Second - Spline Worst - w 6 Return Period (years) H s0 (m) T s (sec) H s0 (m) T s (sec) H s0 (m) T s (sec) H s0 (m) T s (sec)

47 En Büyük Değer Dalga İstatistiği

48 Uygulama Sonuçlarındaki Farklılıklar Neden daha doğru bir veri seti uygulama çalışmalarında daha kötü performans gösteriyor? DOĞRULUK = KESİNLİK + YANLILIK Accuracy Precision Bias Parametreler: KOKH, OMH,... Parametreler: Standart sapma, varyans,... Parametreler: Gerçek hata,...

49 SCJD Dalga Modelleri SWAN & WAVEWATCH III Modellerin ölçüm verileri ile kalibrasyonunun yapılması ÇOK önemlidir. Kalibrasyon sırasında Modellerin kullandığı parametrelerin iyi anlaşılması ve yöreye uygun şekilde tanımlanması modeller arasındaki farklılıkları oldukça azaltmaktadır. WCST3NL1 vs SCJD WCST3NL

50 ORTALAMA SU SEVİYESİ BATİMETRE İLİŞKİSİ Yükseklik derinlik ölçümlerinde kullanılan TUDKA99 düşey referans sistemi Düşey Datum olarak Antalya mareograf istasyonu, dönemi ortalama deniz seviyesini kullanmaktadır. Özellikle Karadeniz ve Akdeniz arasında ortalama deniz seviyesi arasında fark bulunmaktadır. Bu düzeltmenin yapılması önerilmektedir cm aralığında batimetreyi etkileyebilen bu düzeltme derin deniz dalga analizlerinde değil ancak sığ su koşullarında dalga yüksekliklerinde artış ya da azalmaya neden olmaktadır. Aynı bölge için yapılmış 3 ayrı batimetre (eski veri - düşey datum düzeltmeli düzeltmesiz) değerlerinde sığ su koşullarında 2.66m, 3.04m ve 3.16m olarak modellenmiştir.

51 Gelecekteki Belirsizlikler 9 Max Dalga Yüksekliği Değişimi ( ) Akcakoca Zonguldak Amasra Sinop Kilyos Sile Samsun Ordu Trabzon Rize

52 Deniz Seviyesi (mm) Deniz Seviyesi (mm) Deniz Seviyesi (mm) Gelecekteki Belirsizlikler Bölge Ortalama Su Seviyesinde Değişim Referans Karadeniz mm/yıl Belokopytov and Goryachkin (1999) Karadeniz mm/yıl Shuisky (2000) Karadeniz mm/yıl Tsimplis et al. (2004) Marmara mm/yıl Yildiz and Demir (2002) Ege mm/yıl Yildiz and Demir (2002) Akdeniz 3.6 mm/yıl Alpar et al. (1995) Akdeniz mm/yıl Yildiz and Demir (2002) y = x Trabzon Zaman (yıl) yılları arası: y = x yılları arası: y = x Zaman (yıl) yılları arası: y = x yılları arası: y = x Poti Batum Zaman (yıl)

53 TAŞ DOLGU YAPILAR Hudson Equation, (1974) H D n50 K cot 1/ 3 D Van der Meer, (1988) Plunging Kırılma (Kıvrılarak Kırılan Dalga) H D s n50 6.2S 0.2 P 0.18 N 0.1 z 0.5 m Surging Kırılma (Sönümlenerek Kırılan Dalga) H D s n50 1.0S 0.2 P 0.13 N 0.1 z P cot 0. 5 m

54 TÜM MÜHENDİSLİK PROBLEMLERİ RİSK İÇERİR AMAÇ BU RİSKLERİN TÜM AŞAMALARDA EN AZA İNDİRGENMESİDİR Bilimsel Çalışma + Deneyim + Saha Verisi Ön Tasarım Modelleme Tasarım Uygulama Denetim Gözlem