Bitkili kuru yağmur hendeğinin performansının deneysel ve matematiksel modelleme ile değerlendirilmesi
Evaluation of vegetative swale performance via experimental and mathematical modeling
Yazar: KEBİR EMRE SARAÇOĞLU
Danışman: PROF. DR. CEVZA MELEK KAZEZYILMAZ ALHAN
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / İnşaat Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Hidrolojik özellikler = Hydrological properties ; Kentleşme = Urbanization ; Matematiksel modeller = Mathematical models ; Yeşil alt yapı = Green infrastructure

Özet:
Yaşanan hızlı kentleşme süreçleri yaşam alanlarında ve havzalarda değişimler meydana getirmektedir. Bu değişimler havza alanlarında olumsuz etkilere neden olmaktadır. Havza alanlarında inşa edilen bina, yol ve park alanları gibi yapılar geçirimsiz yüzeylerin artmasına neden olmaktadır. Geçirimsiz yüzey alanlarının artmasıyla yağışlar hızla akışa dönüşmektedir. Kentleşmenin beraberinde getirdiği hidrolojik olumsuzluklara ilaveten küresel iklim değişikliğiyle birlikte kentsel bölgelerde karşılaşılan problemler oldukça farklı bir boyut kazanmıştır. Taşkın olaylarının hem görülme hem de yıkıcı etkileri günden güne artmaktadır. Küresel iklim değişikliğinin alınacak tedbirlere rağmen etkilerini uzun süreler daha sürdüreceği açıktır. Olası doğal afetlere hazırlıkta, kentsel bölgelerin çevre dostu ve sürdürülebilir çözüm yöntemleriyle bu yıkıcı etkilere karşı daha dirençli bir yapıya dönüştürülmeleri gerekmektedir. Bu bağlamda, geleneksel altyapı sistemleri tek başına yetersiz kalmış ve bu sistemlere entegre edilebilen birçok yöntem geliştirilmiştir. Biyotutma, yağmur bahçesi, yeşil çatı, sızdırma hendeği, geçirgen kaldırım, yağmur tankı ve bitkili yağmur hendekleri, Düşük Etkili Kentleşme (DEK) En İyi Yönetim Uygulamaları (EİYU) olup yeşil alt yapı olarak da bilinmekte ve su miktarı ile kalitesini kontrol edebilen doğa tabanlı yöntemler arasında yer almaktadır. Özellikle gelişmiş ülkelerde bu tip yağmur suyu yönetim stratejilerine verilen önem son 10 yılda artmıştır. Bu öneme istinaden, Düşük Etkili Kentleşmelere (DEK) ilişkin birçok çalışma yürütülmektedir. Bu çalışmaların büyük bir bölümünün su kalitesi performansının belirlenmesine yönelik oldukları görülmüştür. Ancak bitkili yağmur hendeklerinin hidrolojik performansını ortaya koymak amacıyla yürütülen az sayıda çalışma mevcuttur. Bu çalışma kapsamında literatürdeki bu boşluğun doldurulması amaçlanmıştır. 
Bu tez çalışması kapsamında bitkili yağmur hendeğinin hidrolojik performansı büyük ölçekli laboratuvar deneyleri ve modelleme çalışmalarıyla ortaya konmuştur. Bu kapsamda yürütülen çalışma 3 ana başlık altında toplanmaktadır: 
(i) Deneysel çalışmalar için bitkili yağmur hendeği modülü tasarlanmış ve Yağış-Havza-Biyotutma (YHB) deney sistemine entegre edilmiştir. Yağış-Havza-Yağmur Hendeği (YHY) olarak adlandırılan deney sistemi oluşturulmuştur. Bitkili yağmur hendeğinin hidrolojik davranışını belirlemek amacıyla 6 farklı hendek konfigürasyonundan yararlanılmıştır. Deneylerde bitkili yağmur hendeği davranışında etkin olduğu düşünülen yağış şiddeti, yağış süresi, alansal yağış senaryosu, toprak tipi ve farklı hendek yüzeylerin etkileri test edilmiştir. Deneyler esnasında havza yüzey akışı, hendek yüzey akışı ve hendek drenaj akışına ait hidrograflar elde edilmiştir. 
(ii) Literatürde DEK modellemesi için sıklıkla kullanılan Çevre Koruma Ajansı Yağmursuyu Yönetim Modelinin (Environmental Protection Agency Storm Water Management Model/EPA SWMM) bitkili yağmur hendeğini modelleme kapasitesi test edilmiştir. Bu bağlamda, deneysel çalışmalardan elde edilen ölçüm sonuçları kullanılmıştır. Havza ve hendek yüzeysel akış değerleri ile model sonuçları kıyaslanmış ve belirtme katsayısı değerleri hesaplanmıştır. Yapılan değerlendirmeler sonucunda, model ile ölçüm sonuçlarının oldukça uyumlu oldukları görülmüştür. Böylece EPA SWMM programının bitkili yağmur hendeği performansını modellemek için kullanılabilirliği ortaya konmuştur. Diğer yandan EPA SWMM modelinin hendek drenaj akışını hesaplayamaması, modelin bir eksikliği olarak tespit edilmiştir. 
(iii) Son olarak, bitkili yağmur hendeğinin hidrolojik davranışını bütüncül olarak ortaya koymak amacıyla matematiksel bir model geliştirilmiştir. Bu model, Hendek Yüzeysel Akış Modeli ile Hendek Drenaj Akış Modelinden meydana gelmektedir. Geliştirilen matematiksel modelin doğruluğu ölçüm sonuçları kullanılarak ortaya konmuştur. Modelin hem hendek yüzeysel akışı hem de hendek drenaj akışını hesaplamada oldukça yeterli olduğu sonucuna varılmıştır.

Abstract:
Rapid urbanization has led to dramatic changes in living areas, and watersheds. These changes cause adverse effects in the watersheds. Structures such as buildings, roads and parking lots built in watersheds cause an increase in impermeable surfaces. Rainfall turns rapidly into surface flows with the increase of impermeable surfaces. In addition to the hydrological problems due to the urbanization, problems encountered in urban areas increase also with the growing severity of global climate change. Both the frequency and the damage level caused by floods are increasing day by day. It is clear that the effects of global climate change will continue despite the measures currently being taken. In order to reduce the negative effects of the potential natural disasters, urban areas should be transformed into resilient structures with environmentally friendly and sustainable methods. In this context, traditional infrastructure systems have become insufficient, and many methods have been developed that can be integrated into traditional infrastructure systems. 
Bioretention, rain garden, green roof, infiltration trench, permeable pavement, rain barrel, and grass swale are Low Impact Development Best Management Practices and are also known as green infrastructure. They are among the nature-based solutions that can control the quantity and quality of water. These stormwater management strategies have gained attention in the last decade, especially in developed countries. Many studies have been conducted on LIDs in order to ensure their effectiveness. Most of these studies are aimed at determining their water quality performance. However, few studies have focused on the hydrological performance of grass swale. This study aims to fill this gap in the literature. 
Within the scope of this thesis, the hydrological performance of the grass swale was demonstrated through field-scale laboratory experiments and modeling studies. The study carried out in this context is presented in three main parts:
(iv) The Swale Module was designed for experiments and integrated into the Rainfall-Watershed-Bioretention (RWB) system. The experimental setup called Rainfall-Watershed-Swale (RWS) was developed. Six different swale configurations were used to determine the hydrological behavior of the grass swale. The effects of rainfall intensity, rainfall duration, areal rainfall scenarios, soil type, and different swale surfaces were tested which are potentially effective in grass swale hydrological behavior. During the experiments, hydrographs of overland flow, overflow, and drainage flow were obtained.
(v) The grass swale modeling capacity of Environmental Protection Agency Storm Water Management Model (EPA SWMM), which is commonly used for modeling of LIDs in the literature, was tested. In this context, the measurements obtained from the experimental studies were used. The model results were compared with the measurements of overland flow, overflow, and the coefficient of determination was calculated. Based on the evaluations, the model results were quite compatible with the measured data. Therefore, it was demonstrated that the EPA SWMM can be used to model the performance of grass swale. On the other hand, the lack of drainage flow calculation of the EPA SWMM was identified as a drawback of the model.
(vi) Finally, an intergrated mathematical model was developed in order to simulate the hydrological behavior of the grass swale. This model couples the Swale Overflow Model and the Swale Drainage Model. The developed mathematical model was validated with the measurements. It was concluded that the mathematical model simulates both swale overflow and drainage flow behavior quite well.