İSTANBUL BOĞAZI NDA AKINTI İKLİMİ ÇALIŞMASI Yalçın, YÜKSEL Prof. Dr. yuksel@yildiz.edu.tr Berna AYAT bayat@yildiz.edu.tr M. Nuri ÖZTÜRK meozturk@yildiz.edu.tr Burak AYDOĞAN baydogan@yildiz.edu.tr Işıkhan GÜLER Dr. Ankara, Türkiye iguler@yukselproje.com.tr Esin Ö. ÇEVİK Prof. Dr. cevik@yildiz.edu.tr A. Cevdet YALÇINER Doç. Dr. Ankara, Türkiye yalciner@metu.edu.tr ÖZET Oşinografik açıdan oldukça karmaşık bir akım yapısına sahip olan İstanbul Boğazı nda Eylül 2004 den bu yana yapılmakta olan ölçüm çalışmalarının sunulması ve elde edilen verilerin değerlendirilmesi amaçlanmıştır. İstanbul Boğazı Üsküdar Sarayburnu arasındaki tüp geçiş güzergahı üzerinde belirlenen üç istasyonda ADCP kullanılarak, birer saatlik aralıklarla akıntı hızları ve yönleri ölçülmüştür. Üç istasyonda gerçekleştirilen 15 aylık akıntı ölçümleri değerlendirilmiştir. Farklı derinliklerde akıntı gülleri çıkartılmıştır. Ölçümlerden çıkartılan akıntı profilleri akıntı hızının ara tabakaya kadar derinlikle azaldığını ve ara tabakaya ulaştıktan sonra ters doğrultuda yeniden arttığını göstermektedir. Bununla birlikte ölçüm süresince iki tabakalı yapının her zaman korunmadığı, kimi zaman akımın Karadeniz den Marmara Denizi ne doğru tek bir tabaka halinde oluştuğu görülmektedir. Güney yönündeki üst tabaka akımının hızı 2 m/s ye ulaşabilmekte, hatta ekstrem meteorolojik koşullar altında 2.5 m/s değerine ulaşabilmektedir. Kuzey doğrultusundaki alt tabaka akımının hızı ise 1 m/s ye ulaşabilmekte ve ekstrem meteorolojik koşullar altında 1.5 m/s değerine ulaşabilmektedir. GİRİŞ İstanbul Boğazı, Marmara ve Karadeniz i birbirine bağlayan genişliği 0.7 ile 3.5 km arasında, ortalama 1.3 km olan, derinliği 30 ile 100 m arasında değişen dar kıvrımlı bir kanaldır. Oşinografik açıdan oldukça karmaşık bir akım yapısına sahip olan İstanbul Boğazı nda tuzluluğu ~37 psu olan Marmara Denizi suyu alt tabaka akımı ile kuzey doğrultusunda ve tuzluluğu yaklaşık ~18 psu olan Karadeniz suyu ise üst tabaka akımı ile güney doğrultusunda akmaktadır. Genellikle iki tabakalı bir karakter gösteren akım yapısı üzerinde Marmara ve Karadeniz deki mevsimsel değişimler, atmosferik basınç ve rüzgar kuvvetleri etkili olmaktadır. Bu kuvvetlerin etkisiyle İstanbul Boğazı ndaki tabakalar zaman zaman bloke olabildiği gibi, zaman zaman çok tabakalı akım yapısı oluşabilmektedir. Bu çalışmada İstanbul Boğazı nda Eylül 2004 den bu yana yapılmakta olan ölçüm çalışmalarının sunulması ve elde edilen verilerin değerlendirilmesi amaçlanmıştır.
ÖLÇÜM YÖNTEMİ VE KONUMU İstanbul Boğazı nda Ulaştırma Bakanlığı Marmaray Bölge Müdürlüğü ile Taisei Corp. tarafından oluşturulan izleme sistemi ile akıntı hızı ve doğrultusu, rüzgar hızı ve doğrultusu, atmosferik basınç değişimleri, su seviyesi, sıcaklık ve tuzluluk değerleri ölçülmektedir. Bu çalışmada Şekil 1 de gösterilen A, B, C, D, E, F ve G istasyonlarında Eylül 2004 ile Ocak 2006 arasındaki 16 aylık dönemde ölçülen verilerin değerlendirilmesi amaçlanmıştır. Bu çalışma kapsamında herbir istasyonda ölçülen parametreler ve ölçüm periyodu ile ölçüm süreleri Tablo 1 de gösterilmiştir. Ölçüm çalışmalarında AANDREA markalı akıntı ölçer, iletkenlik, sıcaklık ve derinlik sensörü, rüzgar yön sensörü, rüzgar hızı sensörü, hava basıncı sensörü ve veri toplayıcısı kullanılmıştır. Akıntı ölçerin yatay hız doğruluğu 0.5 cm/s düşey hız doğruluğu ise 1.0 cm/s dir. Şekil 1 İstanbul Boğazı nda ölçüm çalışmalarının yürütüldüğü istasyonlar ve konumları.
Tablo 1 İstanbul Boğazı nda ölçüm çalışmalarının yürütüldüğü istasyonlar ile ölçülen parametreler ve ölçüm periyotları. İstasyonlar Konum Ölçüm Dönemi Ölçülen Parametreler Ölçüm Aralığı Başlangıç Bitiş A 41º 05 26.7 N 24.09.04 03.01.06 Akıntı hızı, doğrultusu 1 Saat 28º 59 20.9 E B 41º 00 52.4 N 24.09.04 03.01.06 Akıntı hızı, doğrultusu 1 Saat 28º 59 53.6 E C 41º 01 35.1 N 24.09.04 03.01.06 Akıntı hızı, doğrultusu 1 Saat 29º 00 30.1 E D 41º 01 31.4 N 25.09.04 05.01.06 Su Seviyesi 1 Saat 29º 00 30.3 E E 41º 12 13 N 22.09.04 05.01.06 Su Seviyesi 1 Saat 29º 05 54 E F 41º 00 32.2 N 18.11.04 04.01.06 Rüzgar hızı, yönü, 10 dakika 29º 00 07.2 E hava basıncı G 41º 24 N 19.11.04 05.01.06 Rüzgar hızı, yönü, 10 dakika 29º 06 E hava basıncı AKINTI İKLİMİ İstanbul Boğazı ndaki tabakalı akıntı yapısı önemli ölçüde iki etkin mekanizma tarafından kontrol edilmektedir. Bunlar Marmara Denizi ve Karadeniz arasındaki tuzluluk ve su seviyesi farkıdır. Karadeniz in Marmara Denizi nden 20 ile 40 cm arasında değişen bir mertebede daha yüksek su seviyesine sahip olduğu bilinmektedir. Bu su seviyesi farkı Boğaz daki üst akımı oluşturmaktadır. Alt tabaka akımını ise iki deniz arasındaki tuzluluk farkı oluşturmaktadır. Bu iki tabaka birbirinden türbülanslı bir arakesit ile ayrılmaktadır. Bu arakesitin kalınlığı genellikle Boğaz ın Marmara Denizi girişinde 10 m, Karadeniz girişinde ise 2 m civarındadır (Guler ve diğ., 2006). Geçmişten bu yana boğazda yapılan akıntı ölçümleri İstanbul Boğazı nda kısa dönemli ve uzun dönemli değişimlerin sözkonusu olduğunu göstermiştir. Uzun dönemli değişimler, Karadeniz e boşalan başlıcaları Tuna, Dinyeper, Dinyester olan nehirlerin debilerindeki değişimlerden ileri gelmektedir. Kısa dönemli değişimler ise atmosferik basınç farklılıkları ve rüzgar etkisiyle oluşmaktadır (Özsoy ve diğ., 1996). İstanbul Boğazı ndaki akıntı yapısını kontrol eden diğer önemli bir etki de boğazın jeolojik yapısıdır. İstanbul Boğazı boyunca genişlik ve derinlik değişmektedir. Boğazın her iki girişinde de akıntı yapısını önemli biçimde etkileyen birer eşik bulunmaktadır. Ayrıca Boğaz ın her iki yakasında Emirgan ve Kanlıca ile Arnavutköy ve Vaniköy arasında küçük koylar ve daralma kesitleri mevcuttur. Şekil 2 de B istasyonunda farklı derinliklerde ölçülmüş kuzey ve güney yönündeki akıntı hızları gösterilmiştir. Şekilde güney doğrultusundaki hızlar (-) işaretli ve kuzey doğrultusundaki hızlar ise (+) işaretlidir. En yüksek hızlar yüzeyde (-1m derinlikte) gözlemlenmiştir. Üst tabakadaki akıntı hızları zaman zaman 2.5m/s ye kadar çıkabilmektedir. Alt tabaka akıntı hızları ise 1.5 m/s ye ulaşabilmektedir. Boğaza özgü çift tabakalı akım yapısının hakim olduğu durumlarda akıntı hızı üst tabakadan başlayarak ara tabakaya kadar derinlikle azalmakta ve ara tabakadan itibaren tabana kadar aksi doğrultuda yeniden artmaktadır. Bunun dışında boğazda belirli koşullar altında tek tabakalı ve üç tabakalı (tek
yönlü ve 3 yönlü) akım yapıları da gözlemlenmiştir. Bu akım profillerine ait örnekler şekil 3 te verilmiştir. 1.50 1.00 Akıntı Hızı (m/s). 0.50 0.00-0.50-1.00-1.50-2.00-2.50-3.00 04.12.04 24.12.04-1m -5m -10m -15m -20m -25m 13.01.05 02.02.05 22.02.05 14.03.05 03.04.05 23.04.05 13.05.05 02.06.05 22.06.05 12.07.05 01.08.05 21.08.05 10.09.05 30.09.05 20.10.05 09.11.05 29.11.05 19.12.05 Şekil 2 B istasyonunda farklı derinliklerde ölçülmüş kuzey ve güney yönündeki akıntı hızları Derinlik, h (m) Derinlik, h (m) 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25-2.50-2.00-1.50-1.00-0.50 0.00 0.50 1.00 1 3 5 7 9 11 Akıntı Hızı, u (m/s) Akıntı Hızı, u (m/s) Derinlik, h (m) 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25-2.50-2.00-1.50-1.00-0.50 0.00 0.50 1.00 1 3 5 7 9 11 Akıntı Hızı, u (m/s) 13 13 15 15 17 17 19 19 21 21 23 23 25-2.50-2.00-1.50-1.00-0.50 0.00 0.50 1.00-2.50-2.00-1.50-1.00-0.50 0.00 0.50 1.00 Derinlik, h (m) Akıntı Hızı, u (m/s) Şekil 3 İstanbul Boğazı nda oluşan farklı akıntı profilleri. Yine E (Karadeniz girişinde) ve D ( Marmara Denizi girişinde) istasyonlarında su seviyesinin zamanla değişimi ölçülmüş ve Şekil 4 de gösterilmiştir. Su seviyesi farkı büyük ölçüde rüzgar kabarması şeklinde olmakla birlikte atmosferik basınç farklılıkları, gelgit ve uzun dönemli hidrolojik değişikliklerden de ileri gelmektedir. Su seviyesinin ölçüm süresi boyunca referans seviyesi etrafında -0.2 ile 0.6 m arasında salındığı gözlenmiştir. Yine bu verilerden Karadeniz su seviyesinin Marmara Denizi ne göre genellikle daha yüksek olduğu görülmektedir. Su
seviyesindeki ani değişimler meteorolojik etkiler ile oluşmaktadır. Şiddetli kuzeyli rüzgarlar boğazın Karadeniz girşinde su seviyesinin artmasına neden olurken, Marmara Denizi nde su seviyesinin azaldığı görülmektedir. 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0-0.1-0.2-0.3 22.09.04 02.10.04 12.10.04 22.10.04 01.11.04 11.11.04 21.11.04 01.12.04 11.12.04 21.12.04 31.12.04 10.01.05 20.01.05 30.01.05 09.02.05 19.02.05 01.03.05 11.03.05 21.03.05 31.03.05 h (m) Şekil 4 Marmara Denizi ile Karadeniz arasındaki su seviyesi farkının zamanla değişimi. 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0-0.1-0.2-0.3 04.04.05 14.04.05 24.04.05 04.05.05 14.05.05 24.05.05 03.06.05 13.06.05 23.06.05 03.07.05 13.07.05 23.07.05 02.08.05 12.08.05 22.08.05 01.09.05 11.09.05 21.09.05 01.10.05 11.10.05 h (m) Şekil 4 Devamı İstanbul Boğazı nda sözü edilen ölçüm verileri değerlendirilerek akıntı gülleri çıkartılmıştır. B istasyonunda ölçülen akıntı verilerinden elde edilen akıntı gülleri Şekil 5 de verilmiştir.
Şekil 5 B istasyonunda sırasıyla yüzeyden -1, -5, -10, -15, -18, -20, -23 ve -25 m derinliklerde elde edilmiş akıntı gülleri.
Şekil 5 Devamı Şekil 5 de verilen akıntı gülleri her derinlikteki doğrultusal oluşma frekanslarını göstermektedir. Şekillerden de görüldüğü gibi -20 m derinliğe kadar üst tabaka hakimiyetini korumaktadır. Ara tabakayı temsil eden bu derinliğe kadar akım kuzeyden güneye iken bu derinlikten itibaren SSE yönünde dönmekte ve alt tabakanın hakim olmaya başlamasıyla birlikte akıntı NNW-N doğrultusunda oluşmaktadır. Ölçüm dönemi içerisinde yüzeyde (-1 m derinlikte) akıntı %19 SSW, %58 S ve %10 SSE yönünde oluşmuştur. -5 m derinlikte akıntı %80 S, %10 SSE ve %5 SW yönünden oluşmuştur. -10 m derinlikte akıntı yönü %42 S ve %45 SSE yönlerindedir. Şekilden de görüldüğü gibi -5m derinlikten -15 m derinliğe inerken hakim akıntı yönü S den SSE yönüne dönmekte ve yılın % 50 sinde bu derinlikte etkin yön SSE olmaktadır. Derinlik arttıkça tabakalı akım yapısına uygun olarak, akıntı yönleri de değişmektedir. -18 m de akıntı %20 S, %38 SSE ve %19 N yönünde olurken, -20 m de %28 N ve %10 NNW yönlerinde olmaktadır. -22 m derinlikte kuzeyli yönlerin hakimiyeti artmaya devam etmekte ve akıntı %30 N ve %20 NNW yönlerinde olmaktadır. Ancak bu derinlikte halen S yönünde akıntı oluştuğu da görülmektedir. -25 m derinliğinde akıntıların %70 i kuzeyli yönlerde gerçekleşmiştir. Akıntı güllerindeki değişim incelendiğinde ara tabakanın yıl boyunca değişmekle birlikte B istasyonunda gerçekleştirilen ölçüm döneminde çoğunlukla -15/-20 m derinliklerde oluştuğu görülmektedir. SONUÇLAR 1. Ölçüm dönemi boyunca Marmara ve Karadeniz girişlerinde su seviyesi değişimleri referans seviye etrafında -0.2 m ile 0.6 m arasında gerçekleşmiştir. 2. İstanbul Boğazı nda üst tabaka akıntı hızı yüzeyden ara tabakaya kadar derinlikle azalmakta ve ara tabakadan itibaren aksi doğrultuda yeniden artmaktadır. 3. Üst tabakada hakim akıntı yönü SSE ve S iken, alt tabakada N ve NNW yönleri hakim olmaktadır. Yüzeyde güney doğrultusunda olan akıntının derinlikle birlikte değişerek tabanda N yönüne dönmesiyle boğazın Marmara Denizi girişinde saat yönünün tersi doğrultusunda ikincil bir akım meydana gelmektedir. İstanbul Boğazı nın geometrisi
ikincil akım sistemlerinin oluşmasına ve geri dönüş akımlarının meydana gelmesine neden olmaktadır. 4. Ölçümler üst tabaka akıntı hızının yüzeyde yılın 183 gününde 1 m/s yi aştığını göstermiştir. Tabanda hem kuzey hem de güney yönündeki akıntı hızları yine ölçüm dönemi içerisinde sadece 14.6 gün için 0.5 m/s nin üzerine çıkmıştır. Ancak değerlendirilen veriler sadece B istasyonunda ölçülen akıntı hızlarıdır ve boğazdaki akıntı yapısının boğaz geometrisinden ve taban topoğrafyasından önemli ölçüde etkilendiği düşünülmektedir. TEŞEKKÜR Bu çalışmanın yapılmasında destek veren Ulaştırma Bakanlığı DLH Genel Müdürlüğü, Marmaray Bölge Müdürlüğü, Taisei Corp ve Avrasya İnternational Coop a teşekkür ederiz. KAYNAKLAR Guler, I., Yuksel, Y., Yalciner, A.C., Cevik, E. And Ingerslev, C., 2006, Measurement and Evaluation of the Hydrodynamics and Secondary Currents in and near a Strait Connecting Large Water Bodies-A Field Study, Journal of Ocean Engineering, Vol.33, pp1718-1748. Özsoy, E., Latif, M.A., Sur, H.I., and Goryachkin, 1996, A Review of the Exchange Flow Regime and Mixing in the Bosphorus Strait, Bulletin de 1 Institut Oceanographique, Monaco, nº2, pp187-204.