Kıyı yapılarının tasarımında rüzgâr ve dalga iklimi modellemesi

Mühendislik mesleğinin özel bir alanı olan Kıyı Mühendisliği, İnşaat Mühendisliğinin anabilim dallarından biri olarak tanımlanmaktadır. Kıyı Mühendisliği dalga, akıntı gibi doğal süreçler ile kıyı alanlarında inşa edilen yapıların çalışıldığı ve ağırlıklı olarak oşinografi, meteoroloji, akışkanlar mekaniği, yapı mekaniği, jeoloji, jeomorfoloji, sayısal ve istatistiksel analiz, kimya ve malzeme bilimine dayanan bir alandır ⁽¹⁾.

Kıyı Mühendisleri, kıyısal alanda hem insan kaynaklı hem de doğal olarak oluşan aşınma sorununa karşı yapısal ve doğal koruma araçlarını kullanarak çözüm yöntemleri önerirler. Bunun yanında liman, navigasyon kanalı ve deniz deşarj sistemlerinin tasarım ve yapımı da kıyı mühendislerinin sorumluluğu altındadır ⁽²⁾.

Kıyı alanlarının rüzgâr iklimi ve dalga ikliminin belirlenmesi, yapılacak herhangi bir kıyı yapısının tasarımının ilk aşamasını oluşturmaktadır. Böylece bu veriler kullanılarak su seviyesi değişimleri, akıntı, kıyı boyu sediman taşınımı ve dalga yükleri hakkında çalışmalar yürütülebilir.

Yapılan tasarımın başarısı, rüzgâr iklimi ve dalga ikliminin doğru olarak belirlenmesine bağlıdır. Rüzgâr iklimi ve dalga iklimini doğru olarak belirleyebilmek için ise öncelikle uzun dönem ölçülmüş rüzgâr ve dalga verisine ihtiyaç vardır.

Ülkemizde rüzgâr ölçümleri

Ülkemizde uzun dönemli rüzgâr ölçümleri Meteoroloji Genel Müdürlüğü (MGM) tarafından kurulmuş bulunan meteoroloji istasyonlarında yapılmaktadır. MGM veri tabanından yaklaşık 45 yıllık saatlik rüzgâr verisine ulaşmak mümkündür. Bunun yanı sıra 2012 yılından bu yana şamandıra ve fenerlere kurulmakta bulunan 75 adet Deniz Otomatik Meteoroloji Gözlem İstasyonlarından (D-OMGİ) beş adedinde dalga yüksekliği ölçümü alınmaktadır ⁽³⁾. Bu istasyonlardan elde edilen veriler dalga iklimi çalışmalarında faydalı olmakla birlikte, ölçüm süresinin kısa olması nedeniyle yeterli değildir. Bu nedenle dalga iklimi çalışmalarında uzun dönem rüzgâr ölçümleri kullanılmaktadır.

Dalga iklimi çalışmaları için bir diğer kaynak da ECMWF (European Centre for Medium-Ranged Weather Forecasts – Avrupa Orta Vadeli Hava Tahminleri Merkezi)’in ürettiği analiz rüzgâr alanları veri tabanıdır. Halen 34 Avrupa ülkesi ile birlikte Türkiye’nin de desteklediği ve MGM’nin iş birliği içerisinde olduğu ECMWF’in ürettiği analiz rüzgâr alanları sürekli geliştirilen sayısal meteorolojik modeliyle Doğu Akdeniz, Ege Denizi ve Karadeniz için gerek rüzgâr gerekse dalga tahminlerinde kullanılabilir kaliteye ulaşmıştır. Uzun dönem rüzgâr verisinin mevcut olması ve uzun dönem ölçülmüş dalga yüksekliği verisinin şu an için mevcut olmaması nedeni ile Türkiye’de dalga iklimi çalışmaları, rüzgâr ölçümlerine ve modellerine dayanmaktadır.

Doğruluğu test edilmiş modeller

Rüzgar dalga modelleri ampirik ve sayısal modeller olarak iki gruba ayrılabilir. Genellikle çoğu Kıyı Mühendisliği uygulamalarında doğruluğu kanıtlanmış ampirik modeller tercih edilmektedir. Dünyada en çok kullanılan, ölçümlerle test edilmiş ampirik modeller SMB, JONSWAP, SPM ve CEM modelleri olarak sıralanabilir ⁽⁴⁾. Sayısal modellerin geliştirilmesi 1990’ın başında hızlanmış ve  “üçüncü nesil dalga modelleri” olarak anılan modeller geliştirilmiştir.

Bir üçüncü nesil dalga modeli olan WAM, tüm dünyada en yaygın kullanılan modellerdendir. Bu model, fiziksel kurallara dayalı bir dalga tahmin aracı elde etmek amacıyla, WAMDI (WAve Model Development and Implementation-Dalga Modeli Geliştirilmesi ve Uygulanması) kısa adıyla anılan gruptaki araştırmacılar ve bilim adamları tarafından ortak geliştirilmiştir.

WAM modeli operasyonel olarak ECMWF’de çalışmaktadır ⁽⁵⁾. Bir diğer model de DHI (Danish Hydraulic Institute-Danimarka Hidrolik Enstitüsü) tarafından tarafından denizel alanlar için geliştirilmiş olan ve 2 boyutlu çalışan MIKE 21’dir. MIKE 21 modüler bir yazılımdır ve SW (Spectral Wave) modülü rüzgâr dalgalarını modelleyen üçüncü nesil bir modeldir ⁽⁶⁾.

Kıyılarımızda 50 cm

Bahsedilmeye değer bir diğer model de özellikle Türkiye kıyılarını odak noktası alan HYDROTAM-3D’dir. HYDROTAM-3D bulut bilişim mimarisini kullanan üç boyutlu hidrodinamik taşınım modelidir.

Türkiye kıyılarında denizel akıntılar, rüzgâr, gelgit ve yoğunluk değişmesi etkenli  olarak oluşmaktadır. Kıyılarımızda gel-git dalgasının yüksekliği genellikle 50 cm’yi geçmediği için, gelgit akıntıları düşük sürükleme etkisine sahiptirler.

Rüzgârla oluşan kıyısal çevrintiler, gelgit ve yoğunluk değişimi etkenlilerden çok daha kuvvetlidirler. Hâlbuki okyanus kıyısında bulunan ülkelerde üretilen hidrodinamik benzeşim programları bu ülkelerde gel-git daha baskın bir  parametre olduğundan temelde gel-git ağırlıklı programlar olup, Türkiye'de gelgit yüksekliği az olduğundan uygulanabilirlikleri açısından çok ciddi dezavantajlara sahiptirler. Bu ihtiyaçtan dolayı geliştirilen HYDROTAM-3D birçok proje ve akademik çalışmalar ile Türkiye kıyılarına uyarlanmış ve model tahminleri çok sayıda (1990-günümüz) saha ve laboratuvar ölçümleri ile doğrulanmıştır ^{(4,7, 8, 9)}.

HYDROTAM-3D veri tabanında Türkiye Kıyıları Meteoroloji İstasyonları’nın kuruluşlarından bu yana saatlik rüzgâr verileri yer almakta ve bunlara dayalı rüzgâr iklimi hesaplanmaktadır. Bunu yanı sıra Türkiye denizel alanını kapsayan ve ECMWF’in sayısal meteorolojik modeliyle üretilen her altı saatlik, 2000-2014 yılları arası analiz rüzgârları da HYDROTAM-3D veri tabanında bulunmaktadır. HYDROTAM-3D dalga iklimi modülü CEM ampirik modelini kullanarak derin deniz belirgin dalga yüksekliklerini hesaplamaktadır.

Hesaplanan derin deniz dalga yükseklikleri ve dalga dönemleri kullanılarak yıllık ve mevsimlik dalga gülleri program çıktısı olarak hazırlanmaktadır. Yıllık dalga gülleri, belirgin dalga yüksekliğinin tüm yıl boyunca değişik yönlerden oluşma oranlarını göstermektedir. Modelde belirgin dalga yükseklikleri için uzun dönem ve en büyük değer istatistiği uygulanabilmektedir. Böylelikle tasarımı yapılacak kıyı yapısının yerleşimi ve tasarım değerleri elde edilmektedir.

HYDROTAM-3D 2016 yılı itibarı ile Orman Su İşleri Bakanlığı, Su Yönetimi Dairesi tarafından Türkiye havza yönetimi projesinde kullanılmakta ve halen devam etmekte olan ölçümlerle doğrulanmaktadır. Ayrıca Ulaştırma, Denizcilik ve Haberleşme Bakanlığı, Altyapılar Genel Müdürlüğü tarafından da çeşitli projeler ile Türkiye kıyı alanlarına uyarlanmaktadır. Türkiye’de Kıyı Mühendisliği alanında bu tarz sayısal modellerin artması, kıyısal ve denizel alanlarda yapılan kıyı mühendisliği tasarım ve uygulamalarının daha güvenilir ve daha dirençli olmasını sağlayacaktır.

Yrd. Doç. Dr. Aslı Numanoğlu Genç / Atılım Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi

Kaynak:

1. Sorensen, R.M. Basic Coastal Engineering, Springer, 2006.
2. Kamphuis, J. William. Introduction to Coastal Engineering and Management. New Jersey: World Scientific, 2010.
3. MGM, Meteoroloji İşleri Genel Müdürlüğü Ölçüm İstasyonları. Erişim tarihi: 12 Ağustos 2016. http://www.mgm.gov.tr/FILES/Haberler/2015/samsunsamandira.pdf
4. Balas, L., Numanoğlu Genç, A., ve İnan, A., "Liman Yapılarının Tasarımı için Dalga Tahmini", 1. Ulusal Liman Kongresi Bildiriler Kitabı, s. 245-264, İzmir, 1-3 Kasım 2013.
5. WAMDI Group, "The WAM model - A third generation ocean wave prediction model", Journal of Physical Oceanography, 18, s: 1775-1810, 1988.
6. MIKE 21, MIKE 21 Wave Modeling-Spectral Wave Model FM. Erişim tarihi: 2 Ağustos 2016, http://www.mikepoweredbydhi.com/products/mike-21.
7. HYDROTAM-3D, Kıyısal su alanlarında üç boyutlu hidrodinamik ve taşınım modellemesi. Erişim tarihi, 05.08.2016. http://www.hydrotam3d.com
8. Balas L., Numanoğlu Genç A. ve İnan A., “HYDROTAM-3D Model for Hydrodynamic and Transport Processes in Coastal Waters”, Proceeedings of International Environmental Modelling and Software Society (IEMSS) International Congress on Environmental Modelling and Software Leipzig, 1439-1446, 1-5 July, 2012, Leipzig, Almanya.
9. Balas L. ve İnan, A., “Three dimensional modelling of turbulence”, Advances in Computational Methods in Sciences and Engineering, Vol. 4A-4B(48-51), 2005.