Tabakalı istanbul boğazı akımının hidrodinamik bileşenlerinin analizi
Analysis of the hydrodynamic components of the stratified bosphorus flow
Yazar: FURKAN ALTAŞ
Danışman: DOÇ. DR. MEHMET ÖZTÜRK
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kıyı ve Liman Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Akdeniz = Mediterranean ; Ege Denizi = Aegean Sea ; Karadeniz = Black Sea

Özet:
İstanbul Boğazı, Karadeniz'i Akdeniz'e bağlayan Türk Boğazları Sistemi'nin (TBS) hidrodinamik davranışını belirleyen en önemli unsurdur. İki tabakalı bir akım yapısına sahiptir ve birçok açıdan (ulaşım, balıkçılık vb.) büyük önem taşıyan söz konusu akım yapısı meteorolojik, morfolojik ve hidrodinamik etkilere bağlı olarak zamana ve konuma göre değişimler gösterebilmektedir.

Bu çalışmada, İstanbul Boğazı akımının hidrodinamik bileşenleri, Boğaz'ın her iki girişindeki su seviyesi ölçümleri, meteorolojik ölçümler (rüzgar hızı ve atmosfer basıncı) ve tuzluluk-sıcaklık ölçümleri, Boğaz'ın güneyindeki uzun ve kısa dönemli akıntı hızı ölçümleri, 42 yıllık (1979-2021) Avrupa Orta Menzilli Hava Tahminleri Merkezi'ne (ECMWF) ait meteorolojik model sonuçları ve ek olarak Tuna Nehri'nin 79 yıllık (1931-2010) günlük ortalama deşarjları doğrultusunda kapsamlı bir şekilde analiz edilmiştir. Analizlerin sonuçları, akıntı hızlarının hem zamana hem de konuma göre farklılıklar gösterdiğini ve tipik iki tabakalı akım yapısının Boğaz'ın her iki girişi arasında ≈0<Δη<0.45 m su seviyesi farkı koşullarında sürdürülebileceğini göstermektedir. Şiddetli meteorolojik koşullar nedeniyle oluşan güneye veya kuzeye doğru tek tabakalı akım durumu ise genellikle sonbahar ve kış aylarında akım yapısına hakim olmaktadır. Bahar aylarında ise Boğaz'ın su seviyesinde -dolayısıyla da Boğaz'ın akıntı yapısında- Karadeniz'e nehir deşarjları belirleyici olmaktadır ve pik nehir deşarjları ile Boğaz'ın su seviyesindeki artış arasında yaklaşık olarak bir aylık (32 gün) bir faz farkı olduğu görülmüştür. Bununla beraber, meteorolojik ve hidrolojik analizler, akarsu debisi ve fırtına karakteristiklerindeki davranışın mevsimlik ve yıllık ölçekte oldukça düzensiz ve değişken olduğunu ve Boğazı'nın akıntı hızlarında dramatik değişimler yaratma potansiyeli taşıdıklarını göstermektedir.

Bu çalışmanın kapsamında, Boğaz'ın her iki girişi arasındaki söz konusu su seviyesi farkı (Δη) ile enkesit hattında gerçekleştirilen akıntı ölçümlerinden elde edilen üst tabaka ve alt tabaka akımına ait tabaka debileri ve tabaka kalınlıkları arasındaki ilişki de analiz edilmiştir. Ayrıca boyutsuz tabaka debileri ve kalınlıkları, mevcut çalışmanın bulgularının benzer su yollarına uygulanabilirliğini artırmak amacıyla boyutsuz bir parametre olan Kompozit Froude Sayısı'nın (G²) bir fonksiyonu olarak değerlendirilmiştir.

Abstract:
The Bosphorus is the most important component determining the hydrodynamic behavior of the Turkish Straits System (TSS) which connects the Black Sea to the Mediterranean. It presents a two-layer flow structure that may vary temporally and spatially due to meteorological, morphological, and hydrodynamic effects.

In this study, the hydrodynamic components of the Bosphorus flow were analyzed using water level measurements, meteorological measurements, and salinity-temprature measurements at both entrances of the Bosphorus, long and short term current velocity measurements at the south entrance of the Bosphorus, meteorological model data of the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) for 42 years (1979-2021), plus the daily average discharges of the Danube River for 79 years (1931-2010). The results of the analyzes show that current velocities vary both temporally and spatially, and the typical two-layered current structure could sustain for ≈0<Δη<0.45 m water level difference conditions between both entrances of the Bosphorus. However, due to severe meteorological conditions, one-layered northward or southward flow mostly dominates the current structure in Fall and Winter. On the other hand, during the springtime, the river inflow to the Black Sea is decisive on the water level of the Bosphorus and there is around one-month phase lag (32 days) between the peak river discharges and the water level increase of the Bosphorus. The meteorological and hydrological analyzes, however, indicated that both the seasonal and interannual variations showed dramatic variations, which shows the high potential of variability in hydrodynamic behaviors of the strait.

The relationship between Δη and the flow properties (thickness and flowrate of both layers) obtained from cross-sectional current measurements was also analyzed. In addition, non-dimensional layer properties were evaluated as a function of the Composite Froude Number (G²), which is a non-dimensional parameter, to increase the applicability of the findings of the present study to similar waterways.