6. Ulusal Kıyı Mühendisliği Sempozyumu 271 İSTANBUL BOĞAZI SU SEVİYESİ DEĞİŞİMLERİNİN MODELLENMESİ Burak AYDOĞAN baydogan@yildiz.edu.tr Berna AYAT bayat@yildiz.edu.tr M. Nuri ÖZTÜRK meozturk@yildiz.edu.tr Yalçın, YÜKSEL Prof. Dr. yuksel@yildiz.edu.tr Esin Ö. ÇEVİK Prof. Dr. cevik@yildiz.edu.tr ÖZET İstanbul Boğazı Marmara Denizi ile Karadeniz i birbirine bağlayan dar, kıvrımlı bir su yoludur. Boğaz daki iki tabakalı karmaşık akım yapısı bu iki denizdeki su seviyesi değişimlerinden önemli ölçüde etkilenmektedir. Bu çalışmada Boğaz ın her iki girişindeki su seviyesi ölçümleri ayrı ayrı değerlendirilmiş, gelgit analizi yapılmıştır. Karadeniz ve Marmara Denizi için İstanbul Boğazı nın her iki girişindeki meteorolojik koşullara bağlı su seviyesi değişimleri elde edilmiştir. İstanbul Boğazı nın Karadeniz ve Marmara Denizi girişlerinde yapılan gelgit analizinden su seviyesinin uzun ve kısa dönemli bileşenleri belirlenmiştir. Kısa dönemli bileşenlere ait genlik ve faz değerleri belirlenerek Alpar ve Yüce (1998) tarafından verilen değerlerle karşılaştırılmış ve uygun bulunmuştur. Uzun dönemli bileşenlerin önemli bir kısmının Karadeniz e giren tatlı su kaynaklarından ileri geldiği düşünülerek, Tuna Nehri nin debisi ile karşılaştırılmıştır. Tuna Nehri debisinde meydana gelen mevsimsel değişimin Karadeniz in boğaz girişindeki su seviyesi üzerindeki etkisi ve bu etkinin oluşma süresi (faz) belirlenmiştir. GİRİŞ İstanbul Boğazı sahip olduğu karmaşık akım yapısı nedeniyle oldukça fazla sayıda çalışmaya konu olmuştur. Boğazda görülen karakteristik iki tabakalı akıma ait hidrodinamik ve hidrolik parametrelerin belirlenebilmesi için ölçüm çalışmalarına ve iyi geliştirilmiş modellere ihtiyaç duyulmaktadır. İstanbul Boğazı hidrodinamiğinin etkin olarak modellenmesi için gerekli en önemli verilerden biri Marmara ve Karadeniz girişlerindeki su seviyeleridir. Bu çalışmada 22.9.24 ile 5.1.25 tarihleri arasında Marmara ve Karadeniz girişlerinde yapılmış olan su seviyesi ölçümleri ile her iki deniz için kurulan iki boyutlu hidrodinamik modeller kullanılarak birarada değerlendirilmiştir. 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
272 6. Ulusal Kıyı Mühendisliği Sempozyumu çalışmada Şekil 1 de gösterilen D ve E istasyonlarında 24 ile 26 arasındaki 16 aylık dönemde ölçülen su seviyesi verilerinin değerlendirilmesi amaçlanmıştır. Bu çalışma kapsamında her bir istasyonda ölçüm aralığı ile ölçüm dönemleri Çizelge 1 de gösterilmiştir. Şekil 1 İstanbul Boğazı nda ölçüm çalışmalarının yürütüldüğü istasyonlar ve konumları. Çizelge 1 İstanbul Boğazı nda ölçüm çalışmalarının yürütüldüğü istasyonlar ile ölçüm bilgileri İstasyonlar Konum Ölçüm Dönemi Ölçüm Aralığı Başlangıç Bitiş (saat) D 41º 1 31.4 N 29º 3.3 E 25.9.4 5.1.6 1 E 41º 12 13 N 29º 5 54 E 22.9.4 5.1.6 1 Karadeniz girişinde (E) ve Marmara Denizi girişinde (D) istasyonlarında su seviyesinin zamanla değişimi ölçülmüş ve Şekil 2 de gösterilmiştir. Su seviyesi farkı büyük ölçüde rüzgar kabarması şeklinde olmakla birlikte atmosferik basınç farklılıkları, gel-git ve uzun dönemli hidrolojik değişikliklerden de ileri gelmektedir. Su seviyesinin ölçüm süresi boyunca referans seviyesi etrafında -.2 ile.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 girişinde su seviyesinin artmasına neden olurken, Marmara Denizi nde su seviyesinin azaldığı görülmektedir.
6. Ulusal Kıyı Mühendisliği Sempozyumu 273.8.6 Su Seviyesi Farkı Marmara Su Seviyesi Karadeniz Su Seviyesi.4 (m).2. -.2 -.4 22.9.4 2.1.4 12.1.4 22.1.4 1.11.4 11.11.4 21.11.4 1.12.4 11.12.4 21.12.4 31.12.4 1.1.5 2.1.5 3.1.5 9.2.5 19.2.5 1.3.5 11.3.5 21.3.5 31.3.5.8.6 Su Seviyesi Farkı Marmara Su Seviyesi Karadeniz Su Seviyesi.4 (m).2. -.2 -.4 4.4.5 14.4.5 24.4.5 4.5.5 14.5.5 24.5.5 3.6.5 13.6.5 23.6.5 3.7.5 13.7.5 23.7.5 2.8.5 12.8.5 22.8.5 1.9.5 11.9.5 21.9.5 1.1.5 11.1.5 Şekil 2 Ölçüm dönemi boyunca Karadeniz ve Marmara Denizi ndeki su seviyeleri ile farklarının değişimi UZUN DÖNEMLİ ETKİLER İstanbul Boğazı ndaki su seviyesini etkileyen uzun dönemli başlıca etkiler Karadeniz in önemli tatlı su kaynakları ile gel-gittir. Karadeniz e dökülen başlıca nehirler Tuna, Dinyeper ve Dinyesterdir. Karadeniz deki su seviyesi bu nehirlerin debilerindeki mevsimsel değişimlerden etkilenmektedir. Tuna Nehri Karadeniz e dökülen nehirler arasında en yüksek debiye sahip olan tatlı su kaynağıdır. Şekil 3 te Tuna Nehri nin aylık ortalama debisi ile adı geçen üç nehrin aylık ortalama debilerinin toplamı görülmektedir. Şekilden görüldüğü gibi Tuna Nehri nin debisi toplam debiye oldukça yakındır. Debi,, aylarında en büyük değerleri alırken, en düşük debiler de ve aylarında meydana gelmektedir.
274 6. Ulusal Kıyı Mühendisliği Sempozyumu 12 1 Aylık ortalama debi (m 3 /s) 8 6 4 2 Tuna Toplam Şekil 3 Tuna Nehri aylık ortalama debisi ile toplam aylık ortalama debinin karşılaştırılması Tuna Nehri nin en düşük, ortalama ve en yüksek aylık ortalama debileri Şekil 4 te verilmiştir. Grafik üzerindeki değerler 1921-2 yılları arasındaki 79 yıllık ölçüm sonuçlarından elde edilmiştir. Sözkonusu veriler Almanya Federal Hidroloji Enstitüsü GRDC, 27 (Global Runoff Data Centre) raporlarından alınmıştır. Bu dönem içerisinden en yüksek debi 14518m 3 /s ile ayında oluşmuştur. En düşük debi ise 1889m 3 /s ile ayında oluşmuştur. En büyük debiler 9 m 3 /s ile 15 m 3 /s, ortalama debiler 4 m 3 /s ile 9 m 3 /s ve en düşük debiler 19 m 3 /s ile 5 m 3 /s arasında salınmaktadır. Şekil 5 te Tuna Nehri nde en yüksek ve en düşük debilerin aylara göre oluşma olasılıkları gösterilmiştir. Tuna Nehri aylık ortalama debisi (m 3 / s) 16 14 12 1 8 6 4 2 En düşük Ortalama En yüksek Şekil 4 Tuna Nehri nin en düşük, ortalama ve en yüksek debileri
6. Ulusal Kıyı Mühendisliği Sempozyumu 275 Oluşma olasılıkları, % 35 3 25 2 15 1 5 En düşük debi En büyük debi Şekil 5 Tuna Nehri nin en düşük ve en yüksek debilerinin aylara göre oluşma olasılıkları Su seviyeleri üzerindeki diğer önemli uzun dönemli etki ise gel-git tarafından oluşturulmaktadır. Bu çalışmada başlıca gel-git bileşenleri su seviyelerinin analizinden elde edilmiştir. Bu amaçla su seviyesinin sinüzoidal bileşenleri Fourier Analizi (Mike21 gelgit yazılımı) ile belirlenmiştir. Sonuç olarak 68 gel-git bileşenine ait faz ve genlik değerleri elde edilmiştir. Uzun dönem bileşenleri belirlenmiş ve kısa dönemli ana gel-git bileşenleri tanımlanarak, literatürdekilerle karşılaştırılmıştır. Alpar ve Yüce (1998) yaptıkları çalışmada Türk Boğazlar Sisteminde su seviyesi değişimlerini incelemişlerdir. Araştırmacıların Karadeniz girişinde Anadolukavağı istasyonunda gerçekleştirdikleri ölçümlere dayanarak verdikleri gel-git parametreleri ile bu çalışmada elde edilen sonuçlar Çizelge 2 de karşılaştırılmıştır. Her iki çalışmanın birbirine oldukça yakın sonuçlar verdiği görülmektedir (Şekil 6). Görüldüğü gibi İstanbul Boğazı nın Karadeniz girişinde kısa periyotlu gel-gitten ileri gelen su seviyesi değişimi 6cm mertebesindedir. Çizelge 2 Gel-git analizi sonuçları ve literatürle karşılaştırılması. Gel-git Bileşenleri İstasyon İsmi İstasyon Koordinatı M2 Genliği (m) Fazı (º) İstasyon E Boylam 29 5'54'.15 Anadolukavağı Enlem 41 12' 13' Boylam 29º15' Enlem 41º3' 83.39.126 93 S2 Genliği (m) Fazı (º).63 97.39.52 11 K1 Genliği (m) Fazı (º).91 13.71.1 11 O1 Genliği (m) Fazı (º).6 14.43.63 16 Referans Alpar ve Yüce, 1998
276 6. Ulusal Kıyı Mühendisliği Sempozyumu.4.3 Mike 21 gelgit Alpar ve Yüce, 1998.2 Su Seviyesi (m).1. -.1 -.2 -.3 -.4 3 Haz 1 Tem 2 Tem 3 Tem 4 Tem 5 Tem 6 Tem 7 Tem 8 Tem 9 Tem 1 Tem 11 Tem 12 Tem 13 Tem 14 Tem 15 Tem 16 Tem 17 Tem 18 Tem 19 Tem 2 Tem 21 Tem 22 Tem 23 Tem 24 Tem 25 Tem 26 Tem 27 Tem 28 Tem 29 Tem 3 Tem Şekil 6 Hesaplanan M2, S2, K1, O1 bileşenlerinin literatür ile karşılaştırılması Gel-git analizi sonucunda belirlenen 68 adet bileşen içerisinden yıllık (SA) ve yarım yıllık (SSA) peryoda sahip olan SA ve SSA bileşenlerinin toplamı su seviyesindeki toplam uzun dönemli değişimi ifade ettiği düşünülmüş ve Tuna Nehri nin debisi ile karşılaştırılmıştır. Şekil 7 den görüldüğü gibi sonuçlar birbiriyle uyumlu çıkmıştır. Karadeniz e giren tatlı su debilerindeki mevsimsel artışlar 1.5-2 aylık bir faz farkı ile İstanbul Boğazı Karadeniz girişinde su seviyesinde artışa neden olmaktadır. Su seviyesindeki uzun dönemli değişim incelendiğinde su seviyesinin en düşük ve en yüksek değerleri arasında 2cm lik bir fark olduğu görülmektedir (Şekil 7). İstanbul Boğazı Karadeniz girişinde su seviyesi en yüksek değerini aylarında alırken, en düşük su seviyesi de aylarında oluşmaktadır. Tuna aylık ortalama debisi (m 3 /s) 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Aylık ortalama Tuna debisi Karadeniz uzun dönem su seviyesi.4.35.3.25.2.15.1.5 Karadeniz uzun dönem su seviyesi değişimi (m) Şekil 7 İstanbul Boğazı Karadeniz girişinde su seviyesine karşı aylık ortalama Tuna Nehri debisi Benzer değerlendirmeler İstanbul Boğazının Marmara Denizi girişinde ölçülen su seviyeleri kullanılarak tekrarlanmış ve iki deniz arasındaki mevsimsel ortalama su seviyesi farkları elde edilmiştir. Şekil 8 den görüldüğü gibi mevsimsel ortalama su seviyesi farkları döneminde en büyük değerine ulaşmıştır. Mevsimsel ortalama su seviyesi farkının
6. Ulusal Kıyı Mühendisliği Sempozyumu 277 en büyük değeri 27.5 cm ye ulaşırken ortalama değeri 23.6cm ve en düşük değeri de 21.4 cm olmuştur. h (m).28.27.26.25.24.23.22.21 Şekil 8 İstanbul Boğazı nın Karadeniz ve Marmara Denizi girişleri arasındaki mevsimsel ortalama su seviyesi farkının değişimi KISA DÖNEMLİ SU SEVİYESİ DEĞİŞİMİ Su seviyesindeki kısa dönemli değişimler rüzgardan ve basınç farklılıklarından ileri gelmektedir. Bu etkilerin incelenmesi amacıyla Mike21 hidrodinamik modülü kullanılarak Marmara Denizi ve Karadenizde rüzgar ve basıncın neden olduğu su seviyesi değişimleri hesaplanmıştır. Modelde ECMWF den (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts) alınan rüzgar ve basınç haritaları kullanılmıştır. Kısa ve uzun dönemli etkiler bir arada değerlendirilmiştir. İstanbul Boğazı nın Karadeniz girişinde elde edilen rüzgar kabarması değerlerine uzun dönemli değişimler ve gel-git eklenerek ölçülen su seviyeleriyle Şekil 9 da karşılaştırılmıştır..5.4 Ölçülen su seviyesi (m).3.2.1..1.2.3.4.5 Modellenen su seviyesi (m) Şekil 9 İstanbul Boğazı Karadeniz girişinde ölçülen ve modellenen su seviyelerinin karşılaştırılması
278 6. Ulusal Kıyı Mühendisliği Sempozyumu SONUÇLAR VE ÖNERİLER 1- İstanbul Boğazında su seviyesi değişimleri uzun dönemli ve kısa dönemli etkilerle meydana gelmektedir. Uzun dönemli etkiler Karadenize giren tatlı su kaynaklarından ve gel-gitten meydana gelmektedir. 2- Karadenize giren tatlı su debilerindeki mevsimsel artışlar 1.5-2 aylık bir faz farkı ile İstanbul Boğazı Karadeniz girişinde su seviyesinde artışa neden olmaktadır. 3- İstanbul Boğazı nın Karadeniz ve Marmara Denizi girişleri arasındaki mevsimsel ortalama su seviyesi farkının ölçüm dönemi içerisindeki en büyük değeri 27.5 cm, ortalama değeri 23.6cm ve en düşük değeri de 21.4 cm olmuştur. 4- Bu çalışmada İstanbul Boğazı nın Karadeniz girişinde kısa periyotlu gel-gitten ileri gelen su seviyesi değişiminin 6cm mertebesinde olduğu belirlenmiştir. 5- Çalışmada bir yıllık veriler kullanılarak değerlendirmeler yapılmıştır. Ancak daha sağlıklı sonuçların elde edilebilmesi için daha uzun süreli ölçümlere ihtiyaç vardır. 6- Çalışmada kullanılan hidrodinamik modelin kalibrasyonu yapılmamıştır. Modelin kalibre edilmesiyle daha doğru sonuçlar elde edileceği düşünülmektedir. TEŞEKKÜR Bu çalışma su seviyesi ölçümlerinin değerlendirilmesini sağlayan DLH Genel Müdürlüğü ve Taisei Corp. a teşekkür ederiz. Ayrıca bu araştırma M. Nuri Öztürk ile Berna Ayat ın doktora çalışmalarının bir ürünüdür. Tübitak a Berna Ayat ın doktora çalışmasına verdiği destek için teşekkür ederiz. KAYNAKLAR Alpar, B., Yüce, H., 1998, Sea Level Variations and Their Interactions Between The Black Sea and Aegean Sea, Estuarine, Coastal and Shelf Science, Vol.46, pp.69-619. Guler, I., Yuksel, Y., Yalciner, A.C., Cevik, E. And Ingerslev, C., 26, 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. İNTERNET KAYNAKLARI Federal Institute of Hydrology, Germany, GRDC web sitesi; http://grdc.bafg.de ECMWF, European Centre for Medium-Range Weather Forecasts; http://www.ecmwf.int