İstatistiksel bir dalga modeli kurulumu ve kıyı boyu katı madde taşınımının modellenmesi
Development of a statistical wave model and modelling of longshore sediment transport
Yazar: HAVVA ANIL ARI
Danışman: PROF. DR. ESİN ÇEVİK ; PROF. DR. YALÇIN YÜKSEL
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2009
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Dalga analizi = Wave analysis ; Dalga iklimi = Wave climatology ; Dalga modeli = Wave model ; Karadeniz = Black Sea ; Kıyı alanları = Coastal areas ; Kıyı morfolojisi = Coastal morphology ; Kıyı mühendisliği = Coastal engineering ; Kıyı profili = Coastal profile ; Kıyı şeridi = Coastal line ; Sayısal modelleme = Numerical modelling

Özet:
Kıyı alanlarında kıyı çizgisi değişimi ve kıyı morfolojisi gelişiminin doğru olarak belirlenmesi ?Bütünleşik Kıyı Alanı Yönetimi? için oldukça önemli bir konudur. Kıyı morfolojisi gelişiminin belirlenmesinde en önemli çevresel etkenler olan rüzgar, dalga gibi birçok kıyı parametresinin bilinmesi gerekmektedir. Ancak bu parametreler, çoğu zaman doğanın karmaşık davranışından dolayı tam ve doğru olarak tespit edilememektedir. Özellikle uzun dönemli dalga verileri her zaman mevcut olmamakta, dolayısıyla kıyı gelişimini izlemede kullanılacak kıyı boyu katı madde taşınım miktarları doğru tespit edilememektedir. Bu sebeple çalışmada katı madde taşınımını yeterince doğru tahmin edecek bir istatistiksel dalga modeli ve tüm dalga koşullarında uygulanabilcek yeni bir kıyı boyu katı madde taşınım modeli kurulması amaçlanmıştır. Bu amaçla, Güneybatı Karadeniz'de bulunan Karaburun kıyı alanı, saha çalışması için örnek bölge olarak seçilmiştir. Saha verilerinin belirlenmesi için bu bölgede rüzgar, dalga, kıyı çizgisi, batimetri, su seviyesi değişimi ve akıntı ölçümleri gerçekleştirilmiş, katı madde özelliklerinin belirlenmesi için bölgeden çeşitli katı madde örnekleri alınarak elek analizi deneyleri yapılmıştır.Hiç bir spektrum modelinin dünyanın her yerinde ve tüm fırtına koşulları için kullanılamayacağı bilinen bir gerçektir. En doğru dalga ikliminin belirlenmesi o bölgede uzun dönemli dalga ölçümü ile gerçekleşebilmektedir. Ancak dalga ölçümü masraflı ve zaman alan bir işlem olduğundan dalga parametrelerinin zaman serisini genişletecek yaklaşımlara ihtiyaç duyulmaktadır. Bu sebeple belirlenen bir bölge için o bölgenin fırtına koşullarına bağlı bir dalga modeli geliştirmek gerçekçi dalga tahminini sağlamaktadır. Çalışmada bu amaçla istatistiksel bir dalga modeli kurulmuştur. Dalga modelinin geliştirilmesi için rüzgar verileri, dalga ölçüm verileri, sayısal ve parametrik yöntemlerden faydalanılmıştır. Bu modelin sonuçları öncelikle dalga ölçüm verileri ile karşılaştırılmış, sonuçların dalga ölçüm verileriyle oldukça uyumlu olduğu belirlenmiştir. Daha sonra bu modelden elde edilen dalga parametreleri kıyı çizgisi değişimini belirleyen sayısal modelde test edilmiştir. Kıyı çizgisi sayısal modelinin sonuçları ise GPS ölçümleri ve sayısallaştırılmış uydu görüntüleri ile doğrulanmıştır. Kıyı çizgisinin belirlenmesinde istatistiksel dalga modelinden elde edilen dalga parametreleri kullanılmış ve bu modelin çalışmada kullanılan diğer dalga modellerine kıyasla doğada gözlenen kıyı çizgisi değişimini en iyi tahmin eden dalga modeli olduğu tespit edilmiştir.Çalışmanın ikinci adımında ise yapay sinir ağları yöntemi kullanılarak yeni bir kıyı boyu katı madde taşınım modeli geliştirilmiştir. Bu modelin sonuçları gerek laboratuar gerekse arazi ölçüm verileri ile karşılaştırıldığında daha küçük RMS (tahminin standart hatası) değerine ve daha yüksek korelasyon katsayısına sahip olduğu belirlenmiştir. Modelin kurulmasında Kamphuis (2008) tarafından verilen ölçüm verilerinden faydalanılmıştır. Ayrıca Kamphuis (1991) yöntemi, CERC (1984) yöntemi, LITDRIFT sayısal modeli ve kıyı çizgisi değişimini belirleyen LITLINE sayısal modellerinden elde edilen sonuçlar geliştirilen modelin kalibrasyonunda kullanılmıştır.Anahtar Kelimeler: İstatistiksel dalga modeli, kıyı boyu katı madde taşınımı, kıyı çizgisi değişimi, LITLINE, LITDRIFT, MIKE 21 SW, yapay sinir ağları.

Abstract:
Determination of the shoreline change and coastal morphology accurately in coastal zones is a very important issue for the ?Integrated Coastal Zone Management?. For the assessment of the coastal morphology and shoreline change, the most important environmental parameters as wind, wave, etc. should be well known. However, these parameters can not be detected accurately and properly due to the complicated behaviour of the nature. Especially long-term accurate wave data is not available always, hence the longshore sediment transport rates used for the monitoring of the shoreline evolution can not be determined accurately. In this work, it is aimed to develop a statistical wave model predicting the longshore sediment transport correctly enough and a longshore sediment transport model applicable for all wave conditions. For this purpose, Karaburun coastal zone located at the Southwest coast of the Blacksea was choosen as the study field. For the determination of the field data; wind, wave, shoreline, bathymetry, water level change and current measurements were carried out. For the sediment properties in the region, sieve analysis was performed.It is well known truth that none of the spectrum models can be used for all storm conditions and is applicable for all regions of the world. The most accurate wave data can be obtained by means of wave measurements. Since the measurement of wave data is expensive and time-consuming, it is necessary to develop approaches to extend time series of wave parameters from the measured wave data. Therefore, the development of a wave model representing the storm conditions of the respective research area should give the realistic wave prediction. For this reason, a statistical wave model representing the local conditions was developed in this study. For the development of the wave model applicable for the study field, wind data, wave measurement data, numerical and parametric wave models were used. The results of this model were compared with the wave measurement data firstly and found very compatible. Secondly the wave parameters obtained from this model were verified in the numerical model determining the shoreline change. Also the results of the shoreline change model were verified with the GPS measurements and digitized satellite images. The parameters obtained from the statistical wave model were used in determination of shoreline change and the model was found to be the best model simulating the change of shoreline in study field compared with the other wave models used in this study.In the second step of the study, a new longshore sediment transport model was developed by means of artificial neural network. When the results of this model were compared with both field and laboratory measurement data, it was found that the model gave the minimum RMS value and the highest correlation coefficient. The measurement data obtained from Kamphuis (2008) was used during the development of the model. Also Kamphuis (1991) method, CERC (1984) method, numerical sediment transport model (LITDRIFT) and numerical shoreline change model (LITLINE) were used for the calibration of the new longshore sediment transport model introduced in this work.Key Words: Statistical wave model, longshore sediment transport, shoreline change, LITLINE, LITDRIFT, MIKE 21 SW, artificial neural network