Tabakalı akımlar ve İstanbul Boğazı'nın hidrodinamiğinin ve sayısal modellenmesi

Abstract

Boğazlar farklı akışkan özelliklerine sahip iki komşu denizi birbirine bağlayan su yollarıdır. Komşu denizler arasındaki yoğunluk (sıcaklık, tuzluluk vs.) ve su seviyesi farkı gibi farklı akışkan özellikleri boğazlarda genellikle iki tabakalı bir akım yapısının oluşmasına yol açmaktadır. Boğaz akımlarının dinamiğinin doğru anlaşılması ulaştırma, çevresel kirlilik, atık su deşarjı ve balıkçılık açısından büyük önem taşımaktadır.Marmara Denizi ile Karadeniz'i birbirine bağlayan 31 km uzunluğundaki dar ve uzun bir su yolu olan İstanbul Boğazı tipik bir tabakalı akım yapısına sahiptir. Tabakalı akım yapısını kontrol eden esas mekanizma Marmara Denizi ve Karadeniz arasındaki yoğunluk ve su seviyesi farklarıdır. Daha yoğun olan Akdeniz suyu ile daha az yoğun olan Karadeniz suyu Boğaz boyunca bir değişim akımı oluşmasına yol açmaktadır.Bu güne kadar İstanbul Boğazı'nın tabakalı akım yapısını modellemeye dönük çok sayıda sayısal model yaklaşımı söz konusu olmuştur. Ancak bu yaklaşımlardan hiç biri üç boyutlu olmadığı gibi elde edilen model sonuçlarının kalitesinin kıyaslanabileceği geniş çaplı ölçüm verilerinden de yoksundu. Bu çalışmada Mike 3 Flow Model FM (HD) paket programı kullanılarak İstanbul Boğazı akımı üç boyutlu olarak modellenmiştir. Sayısal modelin kalibrasyonunda genetik algoritmalar yöntemi kullanılmış ve kalibrasyon parametresi olarak taban pürüzlülük katsayısı (cf), batıklık parametresi (c?3) ve türbülans Prandtl sayısı (?T) dikkate alınmıştır. Kalibre edilen sayısal modelin gerek zamansal gerekse de konumsal olarak doğrulaması (validasyon) yapılmıştır. Zamansal doğrulama için kalibrasyon dönemi dışındaki Eylül 2004 ile 2005 arasındaki dört farklı dönem için Boğaz'ın akıntı yapısı modellenmiştir. Konumsal doğrulama için ise kalibre edilmiş model sonuçları kalibrasyonda kullanılmayan farklı bir akıntı ölçüm istasyonu sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Hem kalibrasyon dönemine ait sonuçlar hem de konumsal ve zamansal doğrulama dönemlerine ait sonuçlar ölçümler ile büyük bir uyum göstermiştir. Kalibre edilen ve doğrulaması yapılan model sonuçlarına ait bileşke akıntı hızı için RMSE (Hataların Kareli Ortalamalarının Karekökü) değerleri cm/s mertebesinde değerler almıştır. Boğazlar farklı akışkan özelliklerine sahip iki komşu denizi birbirine bağlayan su yollarıdır. Komşu denizler arasındaki yoğunluk (sıcaklık, tuzluluk vs.) ve su seviyesi farkı gibi farklı akışkan özellikleri boğazlarda genellikle iki tabakalı bir akım yapısının oluşmasına yol açmaktadır. Boğaz akımlarının dinamiğinin doğru anlaşılması ulaştırma, çevresel kirlilik, atık su deşarjı ve balıkçılık açısından büyük önem taşımaktadır. Marmara Denizi ile Karadeniz'i birbirine bağlayan 31 km uzunluğundaki dar ve uzun bir su yolu olan İstanbul Boğazı tipik bir tabakalı akım yapısına sahiptir. Tabakalı akım yapısını kontrol eden esas mekanizma Marmara Denizi ve Karadeniz arasındaki yoğunluk ve su seviyesi farklarıdır. Daha yoğun olan Akdeniz suyu ile daha az yoğun olan Karadeniz suyu Boğaz boyunca bir değişim akımı oluşmasına yol açmaktadır. Bu güne kadar İstanbul Boğazı'nın tabakalı akım yapısını modellemeye dönük çok sayıda sayısal model yaklaşımı söz konusu olmuştur. Ancak bu yaklaşımlardan hiç biri üç boyutlu olmadığı gibi elde edilen model sonuçlarının kalitesinin kıyaslanabileceği geniş çaplı ölçüm verilerinden de yoksundu. Bu çalışmada Mike 3 Flow Model FM (HD) paket programı kullanılarak İstanbul Boğazı akımı üç boyutlu olarak modellenmiştir. Sayısal modelin kalibrasyonunda genetik algritmalar yöntemi kullanılmış ve kalibrasyon parametresi olarak taban pürüzlülük katsayısı (cf), batıklık parametresi (c?3) ve türbülans Prandtl sayısı (?T) dikkate alınmıştır. Kalibre edilen sayısal modelin gerek zamansal gerekse de konumsal olarak doğrulaması (validasyon) yapılmıştır. Zamansal doğrulama için kalibrasyon dönemi dışındaki Eylül 2004 ile 2005 arasındaki dört farklı dönem için Boğaz'ın akıntı yapısı modellenmiştir. Konumsal doğrulama için ise kalibre edilmiş model sonuçları kalibrasyonda kullanılmayan farklı bir akıntı ölçüm istasyonu sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Hem kalibrasyon dönemine ait sonuçlar hem de konumsal ve zamansal doğrulama dönemlerine ait sonuçlar ölçümler ile büyük bir uyum göstermiştir. Kalibre edilen ve doğrulaması yapılan model sonuçlarına ait bileşke akıntı hızı için RMSE (Hataların Kareli Ortalamalarının Karekökü) değerleri cm/s mertebesinde değerler almıştır