Körfezlerde kirlilik kontrolü
Pollution control in estuaries
Yazar: TARKAN ERDİK
Danışman: PROF. DR. EMİN SAVCI
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Hidrolik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2004
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Körfezler biyolojik olarak verimli su kütleleridir. Onlar birçok balığın yumurtlama alanıdır. Böylece, körfezler ticari ve eğlenme amaçlı balıkçılığı destekler. Birçoğu yatçılık için önemlidir ve estetik kaynaklar olarak değerlendirilir. Aynı zamanda, dünyadaki çoğu liman körfezlerde bulunur. Bu narin ekosistemler için tehlikeyi artıran fabrikalar da körfezlerde bulunma eğilimindedir. Körfezlerin birçok kullanımı, talepler ve bu taleplerin su kalitesi üzerine körfezdeki taşınma kapasitesi açısından birbirleriyle çekişirler. Matematik modeller bu çekişen taleplerin etkilerini değerlendirmede yardımcı olur ve koruyucu yönetim stratejileri geliştirirler. Bu çalışma, körfezlerdeki iki ve üç boyutlu difüzyon denklemlerine değinmektedir. Bu çalışmada, olayı tanımlayan iki ve üç boyutlu matematik modeller dikkate alınmıştır. İlkönce, Zobi (1989) nin bir boyutlu nümerik çözümünün sonucu ile iki ve üç boyutlu nümerik sonuçlar karşılaştırılarak, yatay ve dikey türbülans katsayılarının kirliliğin dağılımındaki etkisi araştırılmıştır. Sonra, körfezin üç boyutlu matematik modelinin noktasal kaynağı (3,2,2) noktasından (3,2,9) noktasına kadar sırasıyla değiştirilerek, matematik model herbir noktasal kaynağın kirliliğin dağılımı üzerindeki etkisini incelemek için çözülmüştür. Bunun yanında, noktasal kaynağı üç nokta kaynak ile değiştirerek ve deşarjı (3,2,2) noktasından (3,2,9) noktasına kadar sırasıyla vererek, herbir üç nokta kaynağın kirliliğin dağılımı üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Ayrıca, yanal "K" ekseninin kirliliğin dağılımındaki etkisi araştırılmıştır. Birinci bölümde dalga mekaniği üzerine bilgi verilmiştir. Bu bölümde, dalgaların özellikleri, tanımlar ve dalga hareketiyle ilgili teoriler sunulmuştur. Dalga haraketlerinin hidrodinamik modellerde kritik etkisi vardır. İkinci bölüm, adveksiyon, difüzyon ve advektif-difüzyon işlemleriyle ilgilidir ve su ve kirlilik hareketinin modellenmesiyle ilgili birtakım yaklaşımlar vermektedir. Bu yaklaşımlar hidrodinamik ve su kalitesi modellerini içermektedir. Hidrodinamik modeller su hareketleri ile ilgilenirken, su kalitesi modelleri kirliliğin yayılımı ile ilgilenir. Üçüncü bölümde, sonlu farklar metodu incelenmiştir. Modern teknik problemler karmaşık denklemlere yol açtığından sonlu farklar metodu son zamanlarda popüler olmaktadır. Ek olarak, bu bölümde hidrolikte sıkça karşılaşılan kısmi diferansiyel denklemler hakkında ek bilgi de verilmiştir. Dördüncü bölümde, iki ve üç boyutlu difüzyon denklemleri sonlu farklar denklemleri formunda verilmiş ve stabilite kriterleri Von Neumann stabilite analizi kullanılarak elde edilmiştir. Görülmüştür ki, körfezlerin matematik modelimin boyut sayısı artıkça zaman aralığı azalmıştır. XVBeşinci bölüm nümerik uygulamaları içerir, iki boyutlu ve üç boyutlu başlangıç ve sınır şartlan, Zobi (1989) nin bir boyutlu modellemesinde kullandığı gibi kullanılmıştır. Çözümler açık metod arayıcılığıyla yapılmıştır. Aynı zamanda, bu bölümde bazı hesap adımları daha iyi anlamak için gösterilmiştir. Altıncı bölümde, iki ve üç boyutlu denklemler kullanılarak elde edilen çözümler, Zobi (1989) ve diğer araştırmacıların sonuçlarıyla karşılaştınlrmştır. Üç boyutlu çözümün en gerçekçi çözüm olduğu sonucuna varılmıştır. Çözülen nümerik modeller sonucunda, en uygun deşarj yeri, su derinliği ile yanal uzunluğun % 50 si olarak bulunmuştur. Bu sonuç, çeşitli araştırmacıların çalışmalarıyla uyum içindedir. Limit konsantrasyon değerinin altında kalmak için üç nokta kaynağın kullanılması gerektiği sonucuna varılmıştır. Nümerik modelin boyutlarının sayısı artıkça konsantrasyon değerleri azalmıştır.

Abstract:
Estuaries are biologically productive bodies of water. They are spawning grounds for many coastal fish. Thus, estuaries support commercial and recreational fishing. Many are valuable for recreational boating and are prized aesthetic resources. At the same time, many of the world's seaports are located on estuaries. Industries whose presence often increases the hazard to these fragile ecosystems also tend to locate in these seaports. The various uses of an estuary place conflict demands and burdens on water quality. Mathematical models serve as an aid in assessing the effects of these conflicting demands and in developing protective management strategies. This study deals with two and three dimensional diffusion equations in estuaries. In the study, two and three dimensional mathematical models characterizing the phenomenon are taken into consideration. At first, comparing the result of one- dimensional numerical solution of Zobi (1989) with two and three dimensional numeric solutions, the effects of lateral and vertical turbulent coefficients on spreading waste are investigated. Later, changing the point source of the three- dimensional mathematical model of the estuary from point (3,2,2) to point (3,2,9) respectively, mathematical model is solved for investigating the effects of each point source on spreading of waste. Besides, changing the point source to three point source and giving discharge from point (3,2,2) to (3,2,9) respectively, the effects of each three point source are investigated on spreading of waste. Also, the effects of lateral "K" axis on spreading waste are investigated. In the first section, information on the wave mechanics is given. In this section characteristics of the waves, definitions and theories associated with wave motions are presented. Wave motions have critical effect in hyrdrodynamic models. The second section is concerned with about advection, diffusion and advective-diffusion processes and gives several approaches to the modelling of movement of water and waste. These approaches are consist of hydrodynamic and water quality modelling. Whilst hydrodynamic models deal with water movements water quality models deal with spreading of waste. In the third section, the finite differences method has been reviewed. Since modern technical problems lead to complicated equations finite differences method has become popular in recent years. In addition, in this section was also presented additional knowledge about partial differantial equations frequently appearing in hydraulics. In the fourth section, two and three dimensional diffusion equations were given in the form of finite differences equations and their stability criterions were obtained by using Von Neumann stability analysis. It is seen that, as the number of dimensions of mathematical model of the estuary are increased the time increment is decreased. XVllThe fifth section is concerned with about numerical applications. Two-dimensional and three-dimensional initial and boundary conditions are used as Zobi (1989) used in his one dimensional modelling. The solutions are made by means of the explicit method. Also, in this chapter some of the calculation steps are showed for understanding clearly. In the sixth section, solutions obtained in the study by using two and three dimensional equations are compared by results of Zobi (1989) and other investigators. It has been concluded that three-dimensional solution is the most realistic solution. With regards to numerical models solved; the most suitable discharge place was found to be 50 % of the water depth and lateral length. This result was found to be in harmony with the studies of various investigators. It has been concluded that, three point source is to be used in order to stay under limit concentration value. Increasing the number of dimensions of the numerical model has resulted in a decrease in concentrations.