- 137 - KIYIYA DİK PROFİL GELİŞİMİNİN FİZİKSEL MODELLENMESİ VE TANE SINIFLANMASI Chatchawin SRISUWAN 1, Murat İhsan KÖMÜRCÜ 2, Paul A. WORK 3, Servet KARASU 4, İsmail H. ÖZÖLÇER 5 1 School of Civil and Env. Eng. Georgia Institute of Technology, Savannah, Georgia, USA chatchawin.srisuwan@gatech.edu 2 KTÜ Müh. Fak. İnş. Müh. Böl. Trabzon, Türkiye 0 462 377 2633 mkomurcu@ktu.edu.tr 3 School of Civil and Env. Eng. Georgia Institute of Technology, Savannah, Georgia, USA paul.work@gatech.edu 4 Rize Üniversitesi Meslek Yük. Okulu Rize, Türkiye 0 464 228 0032 skarasu@rize.edu.tr 5 ZKÜ Müh.Fak. İnş. Müh. Böl. Zonguldak, Türkiye 0 372 257 4010 ozolcer@hotmail.com ÖZET Bu çalışmada, kıyıya dik profil gelişiminin tahminine odaklanılmış ve tane boyutlu katı madde hareketi üzerine laboratuar ve sayısal model çalışması yapılmıştır. Farklı kumsal geometrileri ve katı madde karışımları, Karadeniz Teknik Üniversitesi Hidrolik Laboratuarında bulunan dalga kanalında düzensiz dalgalara maruz bırakılarak kıyı profilinin dengeye ulaşırken geçirdiği değişim evrimi icelenmiştir. Fiziksel model çalışmaları, yarı denge durumlarında, kıyıya dik profil boyunca ortalama tane çapının, başlangıç durumuna göre %20 ye kadar değiştiğini göstermiştir. Kullanılan çaplardan ince olanın, kıyı çizgisinde ve açık denize yakın bölgede bulunduğu belirlenmiştir. Bar tepesinde, çukurundan daha kalın çapta katı maddeler bulunmuştur. Bu tür tane boyutu değişimleri için modeller, başlangıçta bir bütün içerisindeki bireysel tane çapı gözlemleriyle tanımlanmıştır. Ancak daha iyi bir tanım için dalga ve hidrodinamik şartları da ilişkilendirmek gereklidir. Çalışmanın sonraki aşamasında olayda etkili tüm mekanizmaların dahil edildiği sayısal model çalışmaları yapılacaktır. Bu tür bir sayısal model, tane sınıflanmasını ve tane boyutu taşınımını yeteri kadar açıklayarak, kıyıya dik profil gelişiminin daha doğru tahmin edilmesini sağlayacaktır. Physical Modeling of Cross-Shore Beach Profile Evolution and Grain Sorting A combined laboratory and numerical modeling study is described, focused on accurate prediction of cross-shore beach profile evolution, with emphasis on size-selective sediment transport. Various beach geometries and sediment mixtures were subjected to random waves in the flume at Karadeniz Technical University to evaluate profile and sediment matrix evolution as the beach profiles equilibrated. Under quasi-equilibrium states, the mean sediment grain sizes along the cross-shore profile varied by up to 20% of the initial value. The finest mean sizes were found at the waterline and at a nearby location offshore. The bar crests in each case featured coarser materials than at the bar troughs. Such grain size changes were initially described by observing
- 138-7. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu individual size fractions in the mixture but a better description is still needed to relate such changes to the wave/hydrodynamic conditions. The next phase of the study will involve the use of process-based numerical models to simulate relevant mechanisms thus providing sufficient explanation on the size-selective transport, the grain sorting phenomena, and ultimately a more accurate tool for predicting the cross-shore profile evolution. Anahtar Kelimeler: Kumsal profil gelişimi, Tane sınıflanması, Dalga kanalı deneyleri, Suni Besleme GİRİŞ Yakın kıyı bölgesinde; dalgalar, akıntılar ve bunların birbiriyle etkileşimleri kıyıya dik profilin gelişimine neden olur. Profillerin mevsimsel değişimleri, dalga şartlarının yıllık döngü içinde değişimlerinin bir sonucudur. Kompleks profil modelleri, işlem tabanlı modeller olarak adlandırılır ve dalgaların, hidrodinamiğin, katı madde taşınımının fiziksel verilerini dikkate alırlar (De Vried ve Stive 1987). Birçok katı madde taşınım mekanizması, özellikle kıyıyla ilgili olanlar, daha büyük zaman ölçeklerinde halen daha doğru tanımlamaları beklemektedir. Bu çalışmada, kıyıya dik profil üzerinde tane sınıflanması ve zamana bağlı katı madde çapının etkisinin araştırılması hedeflenmiştir. Katı madde taşınım modellerine, tane çapının etkisi oldukça büyük olmasına rağmen, genelde ortalama tane çapı (d 50 ) basitleştirilmiş bir yolla dahil edilmektedir. Bu yaklaşım katı madde yatağında taşınan parçacıklardaki tane dağılımının aynı olduğunu ifade etmektedir. Bireysel katı madde tane sınıfları ayrı ayrı hareket ettikleri için, katı madde taşınımı gerçekte tam olarak başlangıç tane dağılımına bağlı değildir (Van Rijn 2007). Kıyıya dik tane sınıflanması ile ilgili birçok arazi çalışması, gerçekte tane çapına özel bir taşınımın olduğunu göstermiştir. Sonu (1972) ve Richmond ile Sallenger (1984), bir fırtına olayından sonra tırmanma bölgesinde kötü bir şekilde sınıflanan katı maddenin sonrasındaki küçük dalga şartlarında düzeldiğini vurgulamışlardır. Sakin dalga şartlarında, kaba ve ince katı maddeler sırasıyla bar tepesi ve çukurunda bulunmaktadırlar (Moutzouris 1991; Katoh ve Yanagishima 1995). Ancak, bir fırtına durumunda ince katı madde bar çukurundan erozyona uğrar ve tane sınıflanma eğilimi bozulur (Guillen 1995; Stauble ve Cialone 1996). Tane sınıflanması indeksine göre, ince çaplı katı maddeler genellikle daha iyi bir sınıflama yapısına sahip bulunmaktadır (Edwards 2001). Tane sınıflamasıyla ilgili çelişkiler, birçok arazi çalışmasında bulunmaktadır (Medina vd. 1994). Bu gerçek, halen sınırlı sayıda olmasına rağmen laboratuar çalışmalarının yapılmasını teşvik etmiştir. Çelikoğlu vd. (2006) düzenli dalgalarla kıyıya dik profil üzerinde tane sınıflanmasını araştırmışlardır. İnce katı maddenin bar tepesinde, kaba katı maddenin ise bar çukurunda olduğunu göstermişlerdir. İnce katı maddenin daha iyi sınıflanma eğiliminde olduğu sonucunu doğrulamışlardır. Ayrıca kıyıya dik profil denge şartının, tane sınıflanmasından etkilendiği hipotezini ortaya çıkarmışlardır. Bu hipotez Work ve Dean (1991) tarafından yapılan analitik çalışmayla da hem fikirdir. Work ve Dean (1991), kıyıya dik profil özelliklerinin tane çapıyla lineer veya üstel olarak değiştiğini gösteren denge profili çözümünü sunmuşlardır. Bu çalışma, kıyı profilindeki tane sınıflanmasını ve tane çapının kıyıya dik profil gelişimi üzerindeki etkilerini ortaya çıkarmak için yapılan laboratuar deneylerini ve bu deney sonuçlarının tartışmasını içermektedir. Takip eden bölümlerde, yapılan deneylerin tanımı ve deney sonuçlarının analizi ile tartışması sunulmuştur. Sonuçlar kısmında deneyler özetlenerek, mevcut verilerin gelecekte kullanımı ile daha sonraki çalışma hedefleri anlatılmıştır. YÖNTEM Laboratuar Deneyleri ve Verilerin Toplanması Deneyler, Karadeniz Teknik Üniversitesi Hidrolik Laboratuarında bulunan 32,5x1,4x1,2 m boyutlarında düzensiz dalga üretilebilen kanalda yapılmıştır (Şekil 1). Dalga pedalının hareketi, istenilen dalga spektrumunu üreten hidrolik bir sistem tarafından kontrol edilmektedir. Kanaldaki su derinliği, tüm deneylerde 0,8 m alınmıştır. İnce, kaba ve karışık olmak üzere üç farklı
- 139 - çapta katı madde kullanılmıştır. Karışık olarak nitelendirilen katı madde, ince ve kaba malzemenin eşit miktarda karıştırılmasından elde edilmiştir. Kullanılan katı maddelere ait tane çapı dağılımları Şekil 2A da görülmektedir. Şekil 1: Dalga kanalının boykesiti Üç farklı kıyıya dik profil üzerinde deneyler yapılmıştır. İlk durumda, 1/6 eğiminde kaba ve karışık katı madde ile düz bir profil oluşturulmuştur. Daha sonra ince ve karışık katı madde üzerinde kaba malzeme ile besleme yapılan iki farklı senaryo söz konusudur (Şekil 2C). Düzensiz dalga düzeneği üç farklı dalga spektrumunu oluşturacak biçimde programlanmıştır (Şekil 2B). Bu üç dalga şartı, erozyona sebep olacak yoğun fırtınayı ve yığılmayı (geri dönüşümü) oluşturacak nispeten sakin dalga durumunu temsil etmek üzere planlanmıştır. Şekil 2: Deneylerde kullanılan katı maddeler ve başlangıç şartları (A)Üç tip katı madde 1) İnce d 50 = 176 μm, σ g =1.29 2)Kaba d 50 = 366 μm, σ g =1.23 3)Karışık d 50 =254 μm, σ g =1.29, σ g =(d 84 /d 16 ) 1/2 B) Üç farklı dalga spektrumu: 1) H mo 10cm, T p 1,25s, 2) H mo 18cm, T p 1,25s 3) H mo 10cm, T p 1,85s C)Üç değişik model eğimi: 1) Düz eğim (1:6) kaba ve karışık katı madde ile, 2) İnce katı madde üzerinde kaba malzeme ile yapay besleme 3)Karışık katı madde üzerinde kaba malzeme ile yapay besleme)
- 140-7. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu Deneylerde, su parçacıklarının anlık hızlarını (u(t), v(t) ve w(t)) ölçmek için Akustik Doppler Hız ölçer (ADV) kullanılmıştır. Kanalın üzerinde ADV nin istenilen yere hareketini sağlayan raylı bir düzenek kurulmuştur. Anlık su yüzeyi değişimini (η(t)) kaydetmek için iki adet dalga ölçer kullanılmıştır. Dalga ölçerlerden birisi (WG1) açık denizde (x=17 m) sabit bir noktaya monte edilmiştir. Diğer dalga ölçer ise (WG2) deney süresince (profilin gelişimi esnasında) sabit bir yerde veya profilin belli noktalarında dalga yüksekliğini belirlemek için değişik yerlerde konumlandırılmıştır. Kıyıya dik profil gelişiminde tane sınıflanmasını araştırmak ve başlangıç katı madde özelliklerini belirlemek için malzeme örnekleri alınmıştır. Numuneler, üç farklı dalga şartında ve denge durumlarında alınmıştır. Katı madde örnekleri, bar tepesi ve çukuru, tırmanma bölgesi ve profil topuğu olmak üzere profili temsil eden 4 önemli noktadan alınmıştır. Ayrıca bar tepesinde yüzeyin altından da numune alınmıştır. Yüzeyden alınan tüm katı madde örnekleri yüzeyden itibaren 2 cm kalınlığında alınmış ve tane sınıflanmasını belirlemek için elek analizi yapılmıştır. Laboratuar Sonuçları ve Veri Analizi Şekil 3A düz eğimde karışık kumla, Şekil 3B ise ince kum üzerinde kaba kumla besleme senaryosu sonucu profil gelişimlerini göstermektedir. Yarı denge durumunda küçük dalga şartlarında (10 cm/1,25 s) ölçülen profiller küçük bar yapılarıyla birbirine benzerdir. Büyük dalga şartlarına geçildiğinde ise (18 cm/1,25 s) gelişen barlar büyümektedir. Daha uzun periyotlu dalga şartları kullanıldığında katı madde taşınımının önemli miktarının kıyıya doğru olduğu ve barın şeklinin değiştiği görülmektedir. Bu hareket de, barın kıyıya doğru taşınmasına ve profilin daha düz hale gelmesine neden olmaktadır. Bu dalga silsilesi ve gelişen profil şekli, zamanla artarak gelen dalgaların fırtına profilini oluşturmasına ve daha sonra azalan dalga şarlarının bu durumu ortadan kaldırarak kumsalın eski haline gelmesine benzetilebilir. Şekil 3A ve B deki profil gelişimine bağlı olarak meydana gelen tane sınıflanması sırasıyla, Şekil 3C ve D de görülmektedir. Başlangıç şartında, kıyıya dik profil boyunca ortalama tane çapı, profilin her yerinde homojen dağılmıştır. Profil geliştikçe tırmanma ve açık deniz bölgesi hariç diğer üç bölgede ortalama tane çapı büyümektedir. Tane çapındaki bu büyüme daha büyük dalga şartlarında artma eğilimindedir. Bar yapısı katı madde yığılması ile ilgili olduğu için, kaba katı maddenin şiddetli erozyona maruz kalan tırmanma bölgesinden geldiği muhtemeldir. Büyük dalgadan sonraki daha uzun periyotlu küçük dalga etkisinde, bar kıyıya doğru, yapısındaki kaba katı maddelerle birlikte hareket etmektedir. Bu hareket esnasında bar çukuru kaba malzemelerle dolmaya başlamakta ve bu bölgede bar tepesinden daha kaba katı maddeler birikmektedir. Daha sonra, tekrar büyük dalgalar uygulandığında, kaba katı madde açık denize doğru taşınarak önceki tane sınıflanmasına yaklaşmaktadır. Aynı eğilim kumsal besleme senaryosunda da görülmüştür. Şekil 3D de incelendiğinde, profilin aşağı taraflarından (ince malzeme bölgesi) ince katı maddenin kıyıya doğru taşındığı söylenebilir. Bu taşınma oranı kaynağın yakınlığı ile doğru orantılıdır. Bu nedenle bar tepesi ile çukurunda benzer tane sınıflanması olmuştur. Profil gelişiminde tane çapı etkisi ve sonucunda tane sınıflanması, kaba ve karışık katı madde durumları için Şekil 4 te karşılaştırılmıştır. İki farklı katı madde (kaba ve karışık) aynı profil ve dalga şartlarına maruz bırakılmışlardır. Genel olarak, karışık katı madde durumunda oluşan profil gelişimi daha büyük ve açık deniz barı, kıyıdan daha uzakta oluşmuştur. Bu olay, karışık malzemede taşınımın kaba malzemeye oranla daha yoğun olduğu anlamına gelmektedir. Karışık kumda, tane çapı dağılımı daha geniş aralıktayken, kaba kumda daha küçüktür. Bu bulgular, daha büyük tanelerin dalga etkilerine karşı daha az etkilenir teorisiyle bağdaşmaktadır. Doğadaki katı madde taşınımı, malzeme yapısındaki dağılımla (tane boyutu dağılımı) yakından ilişkilidir.
- 141 - Şekil 3: Profil gelişimi ve tane dağılımı sonuçları (A) ve C)Düz eğim üzerinde karışık kum; B)ve D) İnce kum üzerinde kaba kumla yapay besleme durumu) Şekil 4: Aynı başlangıç şartı altında yarı denge durumunda (18 cm/1,25s) karışık ve kaba kumun karşılaştırılması (A) profil gelişimi B) tane sınıflanması) Tartışma ve Verilerin Gelecekte Kullanımı Bu çalışmanın asıl amacı, kıyıya dik profil boyunca tane sınıflanmasına yol açan tane boyutlu taşınımı, laboratuar deney sonuçlarına dayandırarak tanımlamaktır. Örneğin, verilen bir noktada yatak katı maddesinin kalınlaşması, ya ince katı madde miktarının azalması veya kaba katı madde miktarının artması ile başlayabilir. Bu tür mekanizmaları anlamanın bir yolu, belli noktalardaki değişiklikleri ve tane dağılımlarını karşılaştırmak ve gözlemlemektir. Şekil 5, kıyıya dik profile ait başlangıç, kıyı çizgisi ve bar tepesindeki bu tür bilgileri göstermektedir. Her iki bölgede, özellikle bar tepesinde daha büyük bir düşüş ile birlikte ince katı madde miktarında
- 142-7. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu azalma gözlemlenmiştir. Kaba katı maddede neredeyse hiçbir değişiklik olmamakla birlikte, kaba parçacıklar bar tepesinde artmış kıyı çizgisinde ise azalmıştır. Şekil 5: Kıyı çizgisi ve bar tepesinden alınan karışım örneklerindeki tane boyutlarının başlangıçtaki karışımla karşılaştırılması (karşılaştırmalar ortalama tane çapına göre yapılmıştır) Şekil 5 ten elde edilen bilgiler, daha önceki ortalama tane çapı sınıflanması verilerini desteklemektedir. Bununla birlikte, profil gelişimi ile ortalama tane çapı ve tane sınıflanmasındaki değişiklikleri açıklamak oldukça karmaşıktır. Bu tür çalışmalarda, bir veya iki proses gerçekleşirken diğerlerinin değişmediği kabulü yapılır. Bu nedenlerle, gerçek mekanizmalar daha büyük konumsal çözümlerle detaylı olarak tanımlanmalıdır. Bu çalışmanın ileriki aşamalarında, deney verilerini kullanarak problemleri açıklamak için sayısal modellerin geliştirilmesi amaçlanmaktadır. Sayısal model çalışmaları; dalgaları, yakın kıyı akıntılarını, katı madde taşınımını ve batimetrik değişiklikleri simule etmek için bazı alt modelleri de içerecektir. Şekil 6 profil üzerinde dalga ve akıntı ölçüm sonuçlarını göstermektedir. Bu sonuçlar, sayısal modelin oluşturulmasında önemli veriler olacaktır. Katı madde taşınımı, doğrudan ölçüm yapılamamasına rağmen, profil gelişimine dayandırılarak hesaplanabilir. Tane çapı dağılımı mevcut olduğu için, taşınım miktarı her bir farklı tane çapı için tahmin edilebilir. Sayısal model çalışmaları, yeni katı madde taşınım modeliyle birlikte iki önemli katkı sağlayacaktır. Bunlardan biri, tane boyutuna bağlı katı madde taşınım miktarının hesabı, diğeri ise yeni bir morfolojik modellle, kıyıya dik profil üzerinde tane çapı sınıflanmasının belirlenmesi olacaktır. Şekil 6: Ölçülen ortalama su seviyeleri (ζ), dalga yükseklikleri (H mo ) ve kıyıya dik akıntılar (V x ) (Karışık katı madde, 18 cm/1,25 s dalga şartı, düz eğimli başlangıç profili ve yarı denge durumu)
- 143 - SONUÇ VE ÖNERİLER Kıyıya dik profil gelişimine tane çapının etkisini ve sonucundaki tane sınıflanmasını araştırmayı konu alan bu çalışmada, Karadeniz Teknik Üniversitesi Hidrolik Laboratuarında yapılan deneylerin ön sonuçları sunulmuştur. Fiziksel modelde, üç farklı katı madde çapı, üç faklı eğim ve üç farklı dalga şartı kullanılmıştır. Profil gelişimi ile ilişkili olarak ortalama tane çapında, başlangıca göre %20 ye varan belirgin bir sınıflanma olmuştur. Bu tane sınıflanması, profil gelişiminin tahmininde önemli rol oynadığı varsayılan tane boyutuna bağlı katı madde taşınım mekanizması tarafından başlatılmıştır. Profilde belirlenen bölgeler tane sınıflanması açısından incelendiğinde, katı madde örneklerinden en ince olan ikisi her zaman sırasıyla açık denizde ve kıyı çizgisinde olmuştur. Bar tepesinde, bar çukurundan daha kaba katı maddeler bulunmuştur. Bar tepesinin yüzeyinden ve yüzey alt bölgelerinden alınan katı madde örnekleri arasında büyük farklılıklar gözlenmemiştir. Yapay besleme senaryolarında, karışım malzemesinin belirgin bir etkisini görülmüştür. Karışım malzemesi içersinden ince çaplar kıyıya taşınmıştır ve böylece, profilde belirlenen bölgelerdeki tane çapı temel iki çapın arasında kalmıştır. Bu aşamada, deney sonuçları tane çapının önemini doğrulamaktadır. Ancak, deneylerdeki zaman ve yer ölçeği, başlangıç koşulları gibi sınırlandırmalardan dolayı konuyla ilgili kesin bir yorum yapmak mümkün olmamıştır. Bundan dolayı, çalışmanın sonraki aşamasında problemi simule etmek için sayısal bir model sistemi geliştirilecek ve deney sonuçları, modeli doğrulama amaçlı kullanılacaktır. Sayısal model sistemi, mevcut dalga ve hidrodinamik modellerle yeni katı madde taşınım ve morfolojik modelleri bir araya getirecektir. Bu iki yeni modelin kullanılmasıyla, profil gelişiminin daha doğru tahmini ve kıyıya dik profil boyunca tane sınıflanmasıyla ilgili bilgilerin daha doğru bir şekilde elde edilmesi beklenmektedir. KAYNAKLAR Celi koğlu, Y., Y. Yüksel, et al. (2006). «Cross-Shore Sorting on a Beach under Wave Action.» J. Coastal Res. 22(3): 487-501. De V riend, H. J. and M. J. F. Stive (1987). «Quasi-3D modelling of nearshore currents.» Coastal Eng. 11(5-6): 565-601. Edwa rds, A. C. (2001). «Grain Size and Sorting in Modern Beach Sands.» J. Coastal Res. 17(1): 38-52. Guil len, J. (1995). Sediment response in a littoral system, Island of Terschelling, The Netherlands. Report 95-20 Dep. Of Phys. Geography. Utrecht Univ. of Utrecht, The Netherlands Kato h, K. and S. Yanagishima (1995). Changes of sand grain distribution in the surf zone. Coastal Dynamics, ASCE. Medi na, R., M. A. Losada, et al. (1994). «Temporal and spatial relationship between sediment grain size and beach profile.» Marine Geology 118(3-4): 195-206. Mout zouris, C. I. (1991). Beach profiles vs. cross-shore distributions of sediment grain sizes. Coastal Sediments, ASCE. Rich mond, B. and A. Sallenger (1984). «Cross-shore transport of bimodal sands.» Proc. of The 19th Int. Conf. on Coastal Eng.: 1997-2008. Sonu, C. J. (1972). «Bimodal composition and cyclic characteristics of beach sediment in continuously changing profiles.» J. Sedimentary Res. 42(4): 852-857. Stau ble, D. K. and M. A. Cialone (1996). Sediment dynamics and profile interactions: Duck94. 25th ICCE, Orlando, USA, ASCE. Van Rijn, L. C. (2007). «Unified View of Sediment Transport by Currents and Waves. III: Graded Beds.» J. of Hydraulic Eng. 133(7): 761-775. Work, P. and R. Dean (1991). «Effect of Varying Sediment Size on Equilibrium Beach Profiles.» Coastal Sediments: 890-904.