-
PARADISE ADASI (DUBAI) HİDRODİNAMİK, DALGA
YAYILIMI ve KIYI ÇİZGİSİ DEĞİŞİM MODELİNİN KURULMASI
Tarkan Erdik*1, Olgay Şen*, Şehriban Saçu*
* Faculty of Civil Engineering, Hydraulics Division, Istanbul
Technical
Univ., Maslak 34469, Istanbul, Turkey. (corresponding author). 1
Corresponding author: [email protected]
ÖZET
Dubai açıklarında bulunan Paradise adasının (24°26'33.92"K ve
54°15'33.70"D) kuzey ve güney kıyıları şiddetli erozyona maruz
kalmaktadır.
Bu çalışmada, Paradise adası için çeşitli yapısal düzenlemelerde
bulunarak dalga etkilerinin azaltılmasına çalışılmıştır. Bunun için
hidrodinamik, dalga yayılımı ve kıyı çizgisi değişim modeli
kurulmuştur. Dalga yayılımı modeli için StWave yazılımından
faydalanılmıştır. Dalga yayılım modeli sapma/dönme, derin ve sığ
denizlerdeki dalga etkileşimlerini ve dalga kırılması ve taban
pürüzlülüğü gibi etkilerle enerji kayıplarını içermektedir.
Hidrodinamik model için Adcirc yazılımı kullanılmıştır.
Hidrodinamik model, gelgit ve rüzgar etkisiyle akıntı hızlarını
tahmin etmede kullanılmıştır. Kıyı çizgisi değişimi için GenCade
yazılımından yararlanılmıştır. Kıyı çizgisi değişimi için 20 yıllık
periyod dikkate alınarak dalga büyüklükleri modelde
tanımlanmıştır.
Anahtar Kelimeler: Paradise adası, Dalga yayılımı modeli,
Hidrodinamik
model, Kıyı Çizgisi değişimi modeli
ABSTRACT
In this study, hydrodynamic, wave propagation and shoreline
change modeling is performed for Paradise Island, which is located
just offshore of Dubai. Geographical coordinates of the island are
24°26'33.92"N and 54°15'33.70"E. In this study, StWave is employed
to evaluate wave growth and propagation, wave transformation
including reflection/diffraction near structures. The hydrodynamic
model of Adcirc is applied for current determination due to tidal
waves. Finally, GenCade model is applied to simulate long term
shoreline change (20 years).
Keywords: Paradise island, Wave transformation, Hydrodynamic
modelling,
Shoreline change model
9. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu
829
mailto:[email protected]
-
GİRİŞ
Paradise adası (Dubai) 24°26'33.92"K-54°15'33.70"D
koordinatlarında bulunmaktadır. Proje bölgesi (South Paradise
Island) Şekil 1’de sunulmuştur. Adanın kuzey ve güney kıyılarında
şiddetli erozyon meydana gelmektedir. Bu erozyona bağlı olarak
sahil kesimi yok olma tehlikesi ile karşı karşıya kalmıştır.
Gerçekleşen erozyona ait görüntüler Şekil 2’de verilmiştir. Burada,
(a) kıyı çizgisi, (b) ise kıyı koruma yapısı erozyonunu
göstermektedir. Gerçekleştirilen incelemelerde anlaşılmıştır ki,
bölge üzerindeki erozyona dalga hareketleri neden olmaktadır.
Akıntı kaynaklı erozyonun etkisi ihmal edilebilir boyuttadır. Bu
yüzden, gerçekleştirilen bu çalışmada dalga hareketlerinin tespiti
üzerine yoğunlaşılmıştır. Bu çalışmada, StWave (STeady-state
spectral WAVE) yazılımı kullanılarak ekstrem ve uzun dönem
senaryolar için proje bölgesi üzerindeki dalga büyüklükleri tespit
edilmiştir. Stwave, U.S. Army Engineer Research and Development
Center (ERDC) tarafından geliştirilmiş bir yazılım olup, dalga
hareketi denge denklemlerini sonlu farklar yaklaşımı ile çözerek
rüzgar dalgası gelişimi, yayılımı ve dönüşümünü simüle etmektedir.
Stwave yazılımı batimetri kaynaklı dalga sapması, sığlaşma ve dalga
kırılması gibi dalga olaylarını da dikkate almaktadır (Massey,
v.d., 2011).
Bu çalışmada ekstrem ve uzun dönem dalga hareketlerini
belirlemeye yönelik birçok senaryo geliştirilmiştir. Ayrıca,
çeşitli yapısal senaryolar ile dalga büyüklüklerinin etkisi
azaltılmaya çalışılmıştır. Gerçekleştirilen analizler neticesinde,
3100 dereceden yaklaşan dalgaların proje bölgesi içerisinde en
yüksek dalga büyüklüğüne sebebiyet verdiği tespit edilmiştir. Kuzey
sahilinde planlanan açık deniz dalgakıran yapısının diğer yapı
alternatiflerine göre en etkili sonucu verdiği anlaşılmıştır.
9. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu
830
-
Şekil 1 Paradise adası (Dubai)
(a) (b)
Şekil 2 (a) Kıyı erozyonu (b) koruma yapısı erozyonu
9. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu
831
-
DALGA YAYILIM MODELİ
Uluslararası literatürde, dalga yayılımı modelleri yaygın olarak
SWAN (Booij v.d., 1999), MIKE 21 SW (DHI, 2008), StWave (Massey,
v.d., 2011) yazılımları ile gerçekleştirilmektedir. Bunlardan, SWAN
modeli en çok tercih edilen yazılımdır. SWAN modelinin en önemli
avantajlarından birisi yazılımın ücretsiz olmasıdır. Ayrıca,
kartezyen ve küresel koordinat sistemi içinde tanımlanması, okyanus
benzeri ve yakın kıyı bölgelerinde çalışabilmesi, detaylı
kalibrasyon parametreleri ile eğrisel (curvilinear) meş sistemine
sahip olması diğer önemli avantajlarıdır (Gonçalves, 2012). MIKE 21
SW yazılımının esnek (flexible) meş sistemine sahip olması çok
önemli bir avantaj olmasına rağmen oldukça pahalı olması diğer
benzerlerine göre tercih nedenlerini azaltmaktadır. StWave
yazılımının pahalı olmaması, kolay ve çözüm adımlarının hızlı
olması önemli avantajlarıdır. Ayrıca, SWAN yazılımının aksine,
sınır şartından kaynaklı hiçbir negatif etkinin sistem içerisinde
bulunmaması sebebiyle dünyada yaygın olarak kullanılmaktadır
(Gonçalves,
2015). Yukarıda bahsi geçen yazılımlar dönme (diffraction) ve
yansıma (reflection) etkilerini yaklaşık yöntemlerle
belirlemektedir. Kıyı yapısı ve batimetri etkilerinin önem
kazandığı projelerde Boussinesq modellerinin kullanılması tavsiye
edilmektedir.
Bu çalışmada, hesap adımlarının hızlı olması sebebiyle StWave
yazılımı tercih edilmiştir. Bunun için iki farklı çözünürlükteki
meş sisteminden faydalanılmıştır. Bunlardan ilki, 50m x 50m
çözünürlüğündeki düşük çözünürlüklü meş (a coarse structured mesh),
diğeri ise 1m x 1m çözünürlüğündeki yüksek çözünürlüklü meştir (a
fine structured mesh). Düşük çözünürlüklü meş ile üretilen
dalgalar, yüksek çözünürlüklü meş sistemine sınır şartı olarak etki
ettirilmiştir. Bunun için, iki sistem birbirine iç içe geçme
(nested grid) tekniği ile bağlanmıştır. Yüksek ve düşük
çözünürlüklü meş alanları Şekil 3’te sunulmuştur. Model içerisinde
3 farklı sınır şartı bulunmaktadır. Kuzey sınırından 3 boyutlu
dalga spektrumu (frekans, yön, enerji) tanımlanırken, kenarlardan
sıfır-gradyant (zero-gradient) sınır şartı etki ettirilmiştir
(Şekil 4). Böylece yatay sınırlarda dalga enerjisinin ilerlemesine
imkan tanınmıştır. Çalışmada gerçekleştirilen senaryolar, ekstrem
ve uzun dönem koşullar altında ikiye ayrılmıştır. Ekstrem dalga
senaryolarında, Grilli ve diğ., (2010) yaklaşımı tercih edilmiştir.
Bu yaklaşıma göre, sınır koşullarındaki dalga büyüklükleri ile
hesaplama meşine etki eden
rüzgar kuvvetleri aynı tekerrür aralıklarında meydana
gelmektedir. Geliştirilen senaryolar, Tablo 1’de verilmiştir. Bölge
içerisinde gerçekleştirilen çalışmalar incelendiğinde, dalga ve
rüzgarların ağırlıklı olarak kuzey batı bandından yaklaştıkları
anlaşılmıştır. Bu yüzden, kuzey batı yönünden gelen dalgalar 3
farklı yön (3100, 3200, 3300) için gerçekleştirilmiştir. Burada
amaç, en riskli dalga geliş açısını belirlemek ve açık deniz
dalgakıran yapısını bu yöne karşı planlamaktır. Senaryolarda,
ekstrem koşullar için belirgin dalga yüksekliği (Hmo) 3m, ekstrem
rüzgar hızı ise 20 m/s hesaplanmıştır. Uzun dönem koşullar için Hmo
değeri 1m hesaplanmıştır. Hesaplamalarda ihtiyatlı olmak adına,
uzun dönem rüzgar hızları ile ekstrem koşullarda hesaplanan rüzgar
hızları aynı alınmıştır. Bütün senaryolarda dalga geliş açısıyla,
rüzgar esme yönü aynı kabul edilmiştir.
9. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu
832
-
Ekstrem ve uzun dönem koşullarında, kuzey doğu bandından gelen
dalgaların
(300) etkisini belirlemeye yönelik senaryo da geliştirilmiştir
(Tablo 1 Senaryo 4 ve 8).
(a) (b) Şekil 3 (a) Düşük çözünürlüklü (50m x 50m) ve (b) yüksek
çözünürlüklü (1m x 1m) meş alanları
Şekil 4 Çalışma alanı sınır şartları ve batimetri.
9. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu
833
-
Tablo 1
Ekstrem ve uzun dönem dalga senaryoları
Gerçekleştirilen senaryolar sonucunda hesaplanan dalga yönü,
yüksekliği ve periyodu Şekil 5’te gösterilen 3 gözlem noktası için
Tablo 2’de sunulmuştur. Buradan, senaryo 1 yani 3100 dereceden
yaklaşan dalgaların proje bölgesi içerisinde en yüksek dalga
büyüklüğünü verdiği görülmüştür. Proje bölgesinin güney kıyıları
(M3 noktası) korunaklı bölge içerisinde kaldığından önemli
mertebede dalga yüksekliklerine rastlanmamıştır.
Şekil 5 Gözlem noktaları
Senaryolar
Dalga yönü
(derece)
Hmo
(m)
Tp
(s)
Rüzgar yönü
(derece)
Rüzgar şiddeti
(m/s)
Ek
stre
m
du
ru
m 1 310 3 8 310 20
2 320 3 8 320 20
3 330 3 8 330 20
4 30 3 8 30 15
Uzu
n d
ön
em
5 310 1 6 310 20
6 320 1 6 320 20
7 330 1 6 330 20
8 30 1 6 30 15
9. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu
834
-
Tablo 2 Gözlem noktalarında hesaplanan dalga büyüklükleri
Dalga kontur haritaları, Tablo 1’de gerçekleştirilen ekstrem
senaryolar için Şekil 6, uzun dönem senaryolar için ise Şekil 7’de
sunulmuştur. Buradaki şekiller yüksek çözünürlüklü (1m x 1m) meş
alanları ile üretilmiştir. Gerçekleştirilen modelleme çalışmaları
ile proje bölgesinde batimetri etkisiyle sapma ve Kuzey Paradise
adası (Şekil 1) etkisiyle de dönme hareketlerinin baskın olduğu
anlaşılmıştır.
Şekil 6 Ekstrem dalga senaryoları için dalga kontur
haritaları
M1 M2 M3
Senaryolar Yön
(derece)
Hmo
(m)
Tp
(s)
Yön
(derece)
Hmo
(m)
Tp
(s)
Yön
(derece)
Hmo (m)
Tp
(s)
1 293.30 1.12 6.97 286.18 1.16 7.21 254.48 0.24 7.13
2 296.09 1.07 7.03 289.42 1.12 7.27 254.86 0.21 7.27
3 298.08 1.01 7.16 293.25 1.09 7.34 255.27 0.20 7.31
4 347.30 0.62 7.14 358.93 0.80 7.27 297.92 0.08 6.31
5 293.79 1.14 5.73 286.03 1.13 5.90 255.45 0.20 5.96
6 296.96 1.07 5.75 289.42 1.07 5.93 256.25 0.17 5.95
7 299.21 0.99 5.84 293.28 1.01 5.97 257.14 0.15 5.86
8 353.20 0.42 5.96 7.28 0.55 6.05 295.99 0.07 5.34
9. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu
835
-
Şekil 7 Uzun dönem dalga senaryoları için dalga kontur
haritaları
DALGA ETKİSİNİ AZALTICI YAPISAL SENARYOLAR
Bu kısımda, kıyıda meydana gelen erozyonu azaltmak için proje
planında birtakım yapısal senaryolar geliştirilmiştir. Bu
senaryolara, çalışma bölgesinden sorumlu yerel otoriteler ve
projenin yürütülmesinden sorumlu diğer uluslararası firmalar katkı
sağlamıştır. Gerçekleştirilen yapısal senaryolar, en olumsuz dalga
yönüne göre (3100) ekstrem ve uzun dönem için ayrı ayrı analiz
edilmiştir (Tablo 1, senaryo 1 ve 5). Yapısal senaryolar, Şekil
8-10’da verilmiştir. Senaryo 1’de kuzey sahil, dalga yönüne dik
yerleştirilmiştir (Şekil 8). Senaryo 2’de kuzey sahili için açık
deniz dalgakıran yapısı, dalgaların geliş yönünün karşısında
planlanmıştır (Şekil 9). Senaryo 3, kuzey sahilindeki mahmuzların
boyunun etkisini incelemektedir (Şekil 10). Gerçekleştirilen
yapısal senaryolar için gözlem noktalarında elde edilen (Şekil
5) dalga büyüklükleri Tablo 3’te verilmiştir. Analizler
neticesinde, en etkili senaryonun kuzey sahilinde planlanan açık
deniz dalgakıran yapısı için (Şekil 9) meydana geldiği
görülmüştür.
9. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu
836
-
Şekil 8 Senaryo 1 (Kuzey sahil dalga yönüne dik
yerleştirilmiştir).
Şekil 9 Senaryo 2 (Ayrık dalgakıran kuzey sahili için
planlanmıştır)
9. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu
837
-
Şekil 10 Senaryo 3 (Mahmuzların boyu kısaltılmıştır)
Tablo 3 Yapısal senaryolar için gözlem noktalarındaki dalga
büyüklükleri
M1 M2 M3
Senaryolar
Yön
(derece)
Hmo
(m)
Tp
(s)
Yön
(derece)
Hmo
(m)
Tp (s)
Yön
(derece)
Hmo
(m)
Tp
(s)
Ex
trem
e
31
0 1 293.30 1.12 6.97 286.25 1.16 7.21 254.41 0.24 7.14
2 313.79 0.79 6.87 292.27 1.07 7.20 254.42 0.24 7.14
3 293.30 1.12 6.97 286.18 1.16 7.21 254.46 0.24 7.13
Mil
d
31
0 1 293.79 1.14 5.73 286.09 1.13 5.90 255.36 0.20 5.96
2 312.64 0.81 5.62 291.73 1.04 5.87 255.35 0.20 5.96
3 293.79 1.14 5.73 286.03 1.13 5.90 255.46 0.20 5.96
HİDRODİNAMİK MODELLEME
Bu çalışmada, proje bölgesi içerisindeki akıntı hızları ve su
derinliklerini belirlemek
için iki boyutlu AdCirc (Advanced Circulation) yazılımı
kullanılmıştır. AdCirc yazılımı,
sirkülasyon ve taşınım problemlerini sonlu elemanlar metoduyla
zamana bağlı olarak
çözebilen, 2 veya 3 boyutlu esnek (flexible) hidrodinamik
modelleme yazılımıdır (Xie
ve Zou, 2017). Modellemede kullanılan sınır şartları Şekil
11’de, meş yapısı ise Şekil
12’de verilmiştir. Kuzey sınırından tanımlanan gelgit sınır
şartı ana kuvvet olarak
hidrodinamik modele etki ettirilmiştir. Pous ve diğ., (2012)
proje bölgesinin 4 ana gelgit
büyüklüğünün (K1, O1, S2, M2) bileşenlerini tanımlamıştır.
Defant (1958) yarı günlük
(semidiurnal) S2, M2 ve günlük (diurnal) K1,O1 gelgit
bileşenlerinin toplam gelgit
zaman serisinin %70’ine karşılık geldiğini belirtmiştir. Bu
yüzden, bu çalışmada, Pous
ve diğ., (2012) tarafından verilen 4 ana gelgit bileşeni
kullanılmıştır. Simülasyon süresi
9. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu
838
-
1 ay kabul edilmiştir. Böylece, 1 aylık zaman zarfında 2 spring
ve 2 neap gelgit
dalgasının oluşması sağlanmıştır. Kuzey sınırından modele
tanımlanan gelgit büyüklüğü
Şekil 13’de verilmiştir. Gelgit yükseklikleri 1.5m arasında
değişmektedir. Yatay sınırlarda ise “Normal Wave Radiation” sınır
şartı tanımlanmıştır. Bu sınır şartında,
dalgaların yatay sınırlardan serbestçe ilerlemesine imkan
tanımaktadır. Proje bölgesinin
kuzeyi (Şekil 12 P1 noktası) ile güneyinde (Şekil 12 P2 noktası)
meydana gelen su
seviyesi değişimleri Şekil 14’de sunulmuştur. Burada görüldüğü
üzere, açık deniz sınır
şartı olarak tanımlanan 1.5m arasında değişen su seviyeleri
proje bölgesinde yaklaşık yarı yarıya azalmaktadır. Hesaplamalar
neticesinde proje bölgesinde maksimum 25cm/s
mertebesinde hızların meydana geldiği anlaşılmıştır.
Şekil 11 Hidrodinamik modelleme sınır şartları
Şekil 12 Hidrodinamik modelde kullanılan meş yapısı
P1
P2
9. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu
839
-
Şekil 13 Gelgit sınır şartı
Şekil 14 Proje bölgesinin a) kuzeyi (P1 noktası) ve b) güneyinde
(P2 noktası) meydana
gelen su seviyesi
KIYI ÇİZGİSİ DEĞİŞİM MODELİ
Bu bölümde, proje bölgesi içerisinde 20 yıllık zaman periyodunu
kapsayan kıyı çizgisi değişim
modeli GenCade yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir.
GenCade yazılımında kullanılan dalga büyüklükleri yapay olarak
üretilmiştir. Bunun için, Boussinesq modeli kurularak dalga
hareketleri simüle edilmiş ve elde edilen çıktıların istatiksel
dağılımı belirlenmiştir. Bu dağılıma
bağlı olarak 20 yıllık dalga veri serisi üretilmiştir. Kıyı
çizgisi değişim modeli, ada etrafında
9. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu
840
-
yapılması düşünülen kıyı koruma yapıları ile birlikte
gerçekleştirilmiştir. Projeden sorumlu yerel
otoriteler ve uluslararası yetkili firmalarla
gerçekleştirdiğimiz görüşmeler neticesinde Şekil
15’de görülen plan üzerinde projenin yapılmasına karar
verilmiştir. Proje bölgesi mahmuzlar ve
kıyı duvarları ile desteklenmiştir. Uzun dönem kıyı çizgisi
değişimleri, bu kıyı yapıları dikkate alınarak
gerçekleştirilmiştir. Hesaplamalar neticesinde, adanın kuzeyinde
meydana gelen kıyı
çizgisi değişimi Şekil 16’da verilmiştir. Bu şekillerden
görüldüğü üzere, planlanan kıyı koruma
yapıları ile birlikte erozyon önemli miktarlarda
azaltılmıştır.
Şekil 15 Proje bölgesinde planlanan kıyı yapıları
9. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu
841
-
Şekil 16 Kıyı çizgisi değişiminin uzun dönem grafikleri
9. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu
842
-
SONUÇ ve ÖNERİLER
Bu çalışmada, Paradise adası (Dubai) için dalga yayılımı,
hidrodinamik ve kıyı çizgisi
değişim modeli gerçekleştirilmiştir. Proje bölgesinin kuzey ve
güney kıyıları ciddi bir
erozyon altındadır. Gerçekleştirilen incelemelerde, dalga
hareketlerinin akıntı
hareketlerine göre erozyonu daha fazla etkilediği
belirlenmiştir. Kuzey batı’dan gelen
dalgaların bölgeyi etkilediği görülmüştür. Erozyonu azaltıcı
koruma tedbirleri üzerinde
araştırmalarda bulunulmuştur. Kuzey bölgesinde açık deniz
dalgakıran yapılmasının
erozyonu önemli ölçüde azaltacağı sonucuna varılmıştır.
KAYNAKLAR
Pous, S, Carton, X., Lazure, P., (2012) A Process Study of the
Tidal Circulation in the
Persian Gulf
Massey, T.C., Anderson, M.E., Smith, J. M., Gomez, J., Jones, R.
(2011). STWAVE:
Steady-State Spectral Wave Model User’s Manual for STWAVE,
Version 6.0. US Army
Corps of Eng. ERDC.
Xie, D., & Zou, Q. (2017). Effect of Wave-Current
Interaction on Waves and
Circulation Over Georges Bank During Storm Events. Coastal
Engineering
Proceedings, 1(35), 18.
Defant, A. (1958). Ebb and flow; the tides of earth, air, and
water. Ann Arbor,
University of Michigan Press.
Booij, N. R. R. C., Ris, R. C., & Holthuijsen, L. H. (1999).
A third‐generation wave model for coastal regions: 1. Model
description and validation. Journal of geophysical
research: Oceans, 104(C4), 7649-7666.
DHI (2008) Mike 21 SW scientific background. Denmark.
Gonçalves, M., Rusu, E., & Soares, C. G. (2012). Evaluation
of the wave models
SWAN and STWAVE in shallow water using nested schemes. Maritime
Engineering
and Technology, 481.
Gonçalves, M., Rusu, E., & Guedes Soares, C. (2015).
Evaluation of two spectral wave
models in coastal areas. Journal of Coastal Research, 31(2),
326-339.
Grilli, A.R., Asher, T.G., Grilli, S.T., and Spaulding, M.L.,
2010, Analysis of extreme
wave climates in Rhode Island waters south of Block Island, in
Ocean Special Area
Management Plan: University of Rhode Island Technical Report 8,
43 p.
9. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu
843