Nehir-akifer etkileşimlerinin hidrodinamiğini belirleyen entegre yaklaşımlar: Matematiksel ve deneysel modellemeler
Integrated approaches to identify the hydrodynamics of stream-aquifer interactions: Mathematical & experimental modeling
Yazar: UĞUR BOYRAZ
Danışman: PROF. DR. CEVZA MELEK KAZEZYILMAZ ALHAN
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences ; İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Analitik yöntem = Analytical method ; Laboratuvar deneyleri = Laboratory experiments ; Sayısal çözüm yöntemleri = Numerical solution methods ; Yer altı suları = Ground waters

Özet:
Yüzey suyu ve yeraltı suyu, ayrı hidrolojik sistemler olarak düşünülse de birbirine bağlı olan ve birbirini etkileyen sistemlerdir. Yüzey suyu-yeraltı suyu etkileşimlerinin gerçekleştiği hiporeik bölgedeki akım ve diğer dinamikler, başlangıçta ampirik yaklaşımlarla, son yıllarda ise olayın mekanik davranışını açıklayan matematiksel yaklaşımlarla tanımlanmıştır. Bulunduğu havzanın su miktarına ve su kalitesine etki eden hiporeik akım, aynı zamanda ekolojik, biyolojik ve kimyasal süreçler için de büyük öneme sahiptir. Bu nedenle her bir alanda hiporeik akımın etkisini gözlemleyebilmek ve en doğru sonuçlara ulaşabilmek için hiporeik akımı tetikleyen ve etkileyen tüm faktörlerin belirlenmesi ve açıklanması gerekmektedir.  Ekolojik, biyolojik ve kimyasal süreçlerin açıklanabilmesi için ise öncelikle hiporeik akımın miktarının doğru bir şekilde belirlenmesi şarttır. Bu çalışmada yüzey suyu-yeraltı suyu etkileşimlerinin oldukça yoğun ve dinamik olarak gözlendiği nehir-akifer sistemleri ve bu sistemlerde mevcut olan hiporeik akım, analitik, sayısal ve deneysel yöntemlerle incelenmiştir. 
Analitik ve sayısal modellemeler tezin birinci ana parçasını, deneysel çalışmalar ise tezin ikinci ana parçasını oluşturmaktadır. Tezin ilk kısmında, yüzey suyu-yer altı suyu etkileşimini ifade eden matematiksel modeller kurularak analitik çözümler geliştirilmiştir. Bu modeller geliştirilirken nehirdeki hidrolik yük sınır koşulu, bilindiği kadarıyla literatürde ilk defa lineer olarak azalan bir eğim ile tanımlanmıştır. Eğimli su yüzeyine sahip bir nehir ile akifer arasındaki etkileşimler ve bu etkileşimlerin yeraltı suyu dağılımına etkisini gözlemlemek için kararlı ve kararsız akım modelleri oluşturularak analitik yöntemlerle yeraltı suyu denklemi çözülmüştür. Daha sonra bu sisteme bir bataklık tanımlanarak nehir-akifer etkileşimine ilaveten bataklık-akifer etkileşimleri incelenmiştir. Bu modellerde de kararlı ve kararsız akım koşullarında analitik çözümler yapılarak yeraltı suyu dağılımı ve etkileşim debileri belirlenmiş ve sisteme etkiyen ana parametrelerin yeraltı suyunun hidrolojik davranışı üzerindeki etkileri, hassasiyet analizleri ile incelenmiştir. Analitik çözümler sentetik örneklere uygulanmış ve sonuçları, Visual MODular finite difference method (VMOD) programı ve açık sonlu farklar yöntemi kullanılarak geliştirilen "Bataklık Sistemlerinin Sonlu Farklar (BSF) Sayısal Modeli" sonuçları ile karşılaştırılarak doğrulanmıştır.  
Tezin ikinci kısmında yüzey suyu-yer altı suyu etkileşimini gözlemleyebilecek farklı deney düzenekleri oluşturulmuştur. Ana deney düzeneğini tasarlayabilmek için öncelikle küçük düzeneklerde yeraltı suyu modellemeleri yapılmış; sonrasında, farklı nehir planformları yer alan bir akiferde yeraltı suyu dağılımının iki boyutlu olarak gözlenmesine olanak sağlayan "Nehir-Akifer-HipoReik Akım (NAHR) Hazne"si tasarlanmıştır. Bu hazne ile hem analitik modellerde tanımlanmış olan düz planforma sahip nehir-akifer sistemi, hem de menderesli planforma sahip bir nehrin akiferdeki yeraltı suyu dağılımına olan etkisi modellenebilmektedir. Çalışma kapsamında yapılan deneylerde laboratuvar kumu kullanılmış ve zemin özellikleri deneyler ile belirlenmiştir. Deneysel çalışmalarda da eğimli su yüzeyi koşulu oluşturulmuştur. Eğimli su yüzeyini oluşturabilmek için nehir yatağı, çakıl taşları ile düzenlenmiştir. Düz nehir ile yapılan deneyler analitik çözümlerle karşılaştırılmış ve NAHR deney düzeneğinin iyi bir performansla çalıştığı görülmüştür. Menderesli nehir ile yapılan deneyler ise tez kapsamında geliştirilen "Menderesli Nehir Sonlu Farklar (MSF) Sayısal Modeli" ile karşılaştırılmıştır. Yapılan karşılaştırmada yeraltı suyu dağılımını ifade eden yalın temel denklemin nehir kıvrımından dolayı oluşan su geçişini hesaplamada yetersiz kaldığı görülmüştür. Bu sebeple yeraltı suyu denklemine nehrin planformundan ve akım ortamından kaynaklı etkileri temsil eden ve nehir-planform katsayısı olarak adlandırılan bir katsayı ile hidrolik eğimin çarpımından oluşan kaynak/kuyu terimi entegre edilerek MSF modelleri iyileştirilmiştir. Sonuçta deneysel modellerin iyileştirilmiş MSF sayısal çıktıları ile daha iyi örtüştüğü gözlemlenmiştir.

Abstract:
Even though groundwater and surface water systems are treated as separate systems, they are connected in nature and interact with each other. The dynamics within the hyporheic zone, where the interactions occur, are first quantified using empirical formulas. However, in the last decades, mathematical approaches are used to quantify the physical mechanism of interactions, which allow for the determination of the flux between surface water and groundwater. The hyporheic flow, which affects both the water quantity and water quality of the basin, has a great influence on ecological, biological and chemical processes. For this reason, it is important to observe the effect of hyporheic flow and to determine and explain all the factors that drives and affect the hyporheic flow. In this study, stream-aquifer systems, where surface water-groundwater interactions and hyporheic flow are commonly observed, are investigated by analytical, numerical and experimental methods.
First, analytical solutions are developed for the mathematical models which incorporate surface water-groundwater interaction. The interactions are integrated to the governing equation by defining a sloped water surface in a simple stream as a boundary condition. In order to observe the interactions between a simple stream with a sloping water surface and the aquifer and the effect of these interactions on groundwater head distribution, the groundwater equation is solved under steady and unsteady state conditions analytically. Then, by introducing a wetland to this system, wetland-aquifer interactions are investigated in addition to the stream-aquifer interactions. Analytical solutions are developed for stream-aquifer system under steady and unsteady flow conditions. Then,  groundwater head distribution and interaction fluxes are determined and the effects of the fundamental parameters on the hydrological behavior of groundwater are investigated by sensitivity analyses. The analytical solutions are applied to the synthetic examples and the results are verified by comparing them with the results of the numerical models developed using the VMOD (Visual Modular finite difference method) program. For specific cases, a numerical algorithm called as "Wetland Systems Finite Difference (WSF) Numerical Model" is developed by using explicit finite difference method and the corresponding results are compared with the analytical solutions. 
Second, various experimental setups are developed to observe the surface water-groundwater interaction. As the first step, groundwater flow is simulated using small experimental setups to understand and determine the necessary elements and design conditions of the main experimental setup. Then, the main experimental setup, "Stream-Aquifer-Hyporheic Flow (SAHR) Chamber" is designed in order to simulate the groundwater flow and head distribution in stream-aquifer systems with different stream planforms in 2 dimensional horizontal plane.  The groundwater flow in a stream-aquifer system can be simulated not only for streams with simple planform but also for streams with meandering planform with this chamber. A special sand is used in the experiments and soil properties are determined by conducting the relevant tests. Sloped water table conditions in streambed are established during the experiments. Gravels are used in the streambed to form a sloping water surface in the experimental setups. Experimental results forsimple stream are compared with the analytical results and found that the SAHR chamber experimental set-up performs well. Experiments conducted using the meandering stream are compared with the "Meandering Stream Finite Difference (MSF) Numerical Model" results which is developed in this study. The comparison of the numerical results with the experimental observations shows that the fundamental groundwater flow equation does not represent the effect of meandering stream in an aquifer. Therefore, MSF models are improved by integrating a source/sink term into the groundwater flow equation. The term is the multiplication of the hydraulic slope with a coefficient called as stream-planform coefficient, which represents the effects of the stream planform and the flow medium on the groundwater flow. It is observed that the experimental models match better with the improved MSF numerical results.