Göl-akifer etkileşimlerinin sayısal ve deneysel yöntemlerle incelenmesi
Investigation of lake-aquifer interactions with numerical and experimental methods
Yazar: İNCİ YALÇIN
Danışman: PROF. DR. CEVZA MELEK KAZEZYILMAZ ALHAN
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / İnşaat Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Su kaynaklarının kısıtlı olduğu günümüzde yeraltı suları, en büyük tatlı su rezervlerinden biri durumundadır. İçme suyu, tarımsal sulama ve diğer sektörlerde kullanımı göz önüne alındığında yeraltı suyunun korunması ve geliştirilmesi gereken başlıca su kaynaklarından olduğu görülmektedir. Özellikle serbest yüzeyli akiferde bulunan yeraltı suyu, yüzey suyuyla sürekli etkileşim içerisindedir. Bu etkileşimin su temini ve su kalitesi üzerinde etkili olduğu bilinmekte olup yüzey suyu-yeraltı suyu etkileşimleri içeren sistemlerin hidrolojik davranışlarının incelenmesi ve anlaşılması gerekmektedir. Bu çalışmada yüzey suyu-yeraltı suyu etkileşiminin yoğun olarak gözlendiği göl-akifer sistemi deneysel ve sayısal yöntemlerle incelenmiştir. İlk olarak hidroloji deney düzeneğinde göl-akifer sistemi oluşturularak sabit yük sınır koşulu ve yağış olduğu durum için yeraltı suyu hareketi iki boyutlu olarak gözlemlenmiştir. Yapılan deneylerde zaman içerisinde akifer ve göl içerisinde su seviyesi değişimi ve farklı noktalarda piyezometrik yükseklikler okunarak ortaya konulmuştur. Sonra, yeraltı suyu akımını 3 boyutlu olarak modelleme imkanı sunan MODFLOW programı ile kurulu deney düzeneğinin sayısal modeli oluşturulmuştur. Sayısal ve deneysel yöntemlerden elde edilen sonuçlar karşılaştırılarak MODFLOW ile kurulmuş olan modelin kalibrasyonu sağlanmıştır. Son olarak, MODFLOW ile büyük ölçekli kavramsal bir göl-akifer sistemi modeli oluşturularak yüzey suyu-yeraltı suyu etkileşiminin havza büyüklüğündeki bölgeler için hidrolojik davranışı ve farklı koşulların göl-akifer sistemine etkisi simülasyonlarla gösterilmiştir. Deneysel çalışmalar kendi içinde karşılaştırıldığında hidrolik yük farkının, yağışın ve göl yatağının göl-akifer etkileşimi üzerinde önemli etkiye sahip olduğu görülmüştür. Bu etkilerin zamana ve konuma bağlı olduğu anlaşılmıştır. Göl çevresinde etkiler daha yoğun gözlemlenirken akifer sınırlarına doğru azalmaktadır. Deney sonuçları ile sayısal model sonuçları birbirine yakın çıkmıştır. Sonuç olarak MODFLOW'un hidroloji deney düzeneğini yeterli ölçüde temsil edebildiği görülmüştür. Sayısal modellemede en önemli parametrenin özgül verimlilik olduğu anlaşılmıştır. Sayısal modellemeler her durumda göl ve akiferin karşılıklı birbirini beslediğini göstermiştir. Kavramsal modellerde alan boyutunun etkisi ve özellikle göl yatağının etkileşimi yavaşlatma etkisi daha net bir şekilde görülmüştür.

Abstract:
Groundwater is one of the largest freshwater reserves on earth and plays a crucial role within limited water resources. Considering its use in drinking water, agricultural irrigation and other sectors, protection and improvement of groundwater is utmost importance. Especially the groundwater in the uncofined aquifer is in constant interaction with the surface water. This interaction is particularly effective on water supply and water quality, and it is necessary to examine and understand the hydrological behavior of the systems subject to surface water-groundwater interactions. In this study, the lake-aquifer system, where the surface water-groundwater interaction is, was investigated by experimental and numerical methods. First, a lake-aquifer system was formed in the hydrology apparatus, and groundwater movement was observed in two dimensions under constant head boundary conditions and precipitation. During the experiments, the water level changes in the aquifer and the lake in time were recorded by reading the piezometric levels at different points. Then, a numerical model of the hydrology apparatus was generated with the MODFLOW program, which offers the opportunity to model the 3 dimensional groundwater flow. The model generated with MODFLOW was calibrated by comparing the numerical and experimental results. Finally, a large-scale conceptual lake-aquifer system model was generated with MODFLOW, and the hydrological behavior of surface water-groundwater interaction for wateshed scale regions and the effects of different conditions on the lake-aquifer system were shown with simulations. Based on the comparison among the experimental studies, it is observed that the hydraulic head difference, precipitation and lake bed have a significant effect on the lake-aquifer interaction. These effects are time and space dependent. While the effects are observed more intense around the lake, they decrease towards the aquifer boundaries. The experimental and numerical model results are in good agreement. As a result, it is observed that MODFLOW can represent the hydrology apparatus fairly well. It is understood that the most important parameter in numerical modeling is specific yield. Numerical models have shown that in all cases, the lake discharges the aquifer or vice versa. In conceptual models, the effect of field size and especially the effect of the lake bed on slowdown the interaction become clear.