Taşkın modellemelerinde ve taşkın haritalarının oluşturulmasında kullanılan programların karşılaştırılması
Comparison of programs used in flood modeling and flood maps development
Yazar: ABDÜLBAKİ HACI
Danışman: DOÇ. DR. SEZAR GÜLBAZ ; DR. ÖĞR. ÜYESİ YASİN PAŞA
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / İnşaat Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Taşkınlar, doğal afetler arasında en sık karşılaşılan aynı zamanda hem sosyal hayatı hem de ekonomik hayatı etkileyen bir doğal afettir. Esasında taşkınların sebep olabileceği sonuçları öngörmek ve bunlara karşı önlem almak mümkündür. Bu amaç ile taşkın modellemesi yapan birçok yazılım geliştirilmiştir. Bu tez kapsamında, literatürde sıkça kullanılan MIKE programının MIKE 21 HD modülü, HEC-RAS 6.3.1 programı ve SMS-TUFLOW (Classic) programlarının farklı mesh boyutlarına (10 x 10 metre, 25 x 25 metre, 50 x 50 metre) sahip iki boyutlu hesaplama alanlarında hesapladıkları pik su yüksekliği değerleri, pik su yüksekliğine ulaşma süreleri ve programların ürettiği taşkın yayılım alanları temel alınarak karşılaştırma yapılmıştır. Ayrıca, programlar simülasyonları gerçekleştirme süreleri, modellerin boyut sayıları, sayısal yükseklik verisi formatları, hidrolik modele yağış ve sızmayı dahil edebilme özellikleri, kullanılabilen denklem takımlarına, sayısal yükseklik verisi üzerinde değişim yapabilme kapasitesine, uydu görüntülerini model altlığı olarak kullabilme kabiliyetine, çıktı olarak sunabildiği farklı harita sayısına, sonuçların üç boyutlu olarak görselleştirebilme yeteneğine ve açık kaynak kodlu mu yoksa ücretli yazılım olma  açısından da karşılaştırması yapılmıştır. Program karşılaştırmaları için taşkın yatağı genişlikleri ve alansal büyüklükleri farklı olan iki çalışma sahası belirlenmiştir. Birinci çalışma alanı olarak Elmalı -1 barajının mansap bölgesi (Çalışma Alanı – 1), ikinci çalışma alanı olarak da daha büyük alana sahip Ömerli Barajı'nın mansap bölgesi (Çalışma Alanı – 2) çalışma alanı olarak seçilmiştir. Programların kapasitelerini analiz edebilmek için çok yüksek pik debiye sahip hidrograflar kullanılmıştır. Bu kapsamda, her iki çalışma alanında yer alan baraja ait baraj yıkılması senaryosu ayrı ayrı oluşturulmuştur. Baraj yıkılma senaryoları her iki çalışma alanı için HEC-RAS 6.3.1 programında yapılmıştır. Daha sonra, en yüksek pik debi değerine sahip hidrograflar karşılaştırılması yapılacak olan programlara hidrograf girdisi olarak tanımlanmıştır. Bu kapsamda, alansal olarak daha küçük ve dar taşkın yatağına sahip Çalışma Alanı – 1'de mesh boyutu değişiminden en çok etkilenen programın MIKE 21 HD olduğu, en az etkilenen programın ise HEC-RAS 6.3.1 olduğu görülmüştür. En yüksek pik su yüksekliği değerlerinin MIKE 21 HD tarafından hesapladığı görülmüştür. En yüksek farkların MIKE 21 HD ile HEC-RAS 6.3.1 arasında olduğu görülmüştür. Ayrıca SMS-TUFLOW (Classic) programının sonuçların elde edildiği noktaların büyük çoğunluğunda en geç pik su yüksekliği değerine ulaştığı görülmüştür. Buna rağmen pik su yüksekliğine ulaşma sürelerine bakıldığında, Çalışma Alanı – 1'de mesh boyutu değişiminin programların hesapladığı pik su yüksekliğine ulaşma süreleri üzerindeki etkisinin düşük olduğu sonucuna varılmıştır. Taşkın yayılım alanları irdelediğinde ise Çalışma Alanı – 1 için her mesh boyutunda elde edilen taşkın yayılım haritalarında MIKE 21 HD programının diğer programlara kıyasla daha fazla taşkın yayılım alanı hesapladığı görülmüştür. Programlar arasında en düşük taşkın yayılım alanını veren program ise HEC-RAS 6.3.1 olmuştur. Çalışma Alanı – 1'e kıyasla daha geniş taşkın yataklarına ve daha büyük bir alana sahip Çalışma Alanı – 2'de de MIKE 21 HD'nin mesh boyutu değişiminden en çok etkilenen program olduğu görülmüştür. Yine en yüksek pik su yüksekliği değerleri MIKE 21 HD tarafından hesaplanmıştır. SMS-TUFLOW (Classic)'in sonuçlarının mesh boyutu değişiminden etkilense de bu çalışma alanında HEC-RAS 6.3.1'e yakın sonuçlar ürettiği görülmüştür. Çalışma Alanı – 2 özelinde sonuçlar arasındaki en büyük farklar MIKE 21 HD ve HEC-RAS 6.3.1 programları arasında oluşmuştur. Çalışma Alanı – 2'de mesh boyutu değişiminin pik su yüksekliğine ulaşma süreleri üzerindeki etkisinin arttığı gözlemlenmiştir. Çalışma Alanı – 2'de MIKE 21 HD programının sonuç noktalarının çoğunda pik su yüksekliği değerlerine en geç ulaşan program olduğu gözlemlenmiştir. Bu bölgedeki taşkın yayılım alanları karşılaştırıldığında ise MIKE-21 HD programının en büyük taşkın yayılım alanlarını, 10 x 10 metre modeli dışındaki diğer modellerde ise SMS-TUFLOW (Classic) programının en küçük taşkın yayılım alanlarını hesapladığı görülmüştür. Yapılan bu çalışma ile taşkın yayılım alanlarının modellenmesinde bilgisayar kullanacak olan araştırmacılara yol gösterici bir doküman hazırlanmıştır. Ayrıca, mevcut durumda programları kullananlar için programların üstünlükleri ve kısıtları ortaya konularak dikkat edilmesi gereken hususlar vurgulanmıştır.

Abstract:
Floods are one of the most common natural disasters that affect both social and economic life. In fact, it is possible to predict the consequences of floods and take precautions against them. For this purpose, many flood modeling software have been developed. Within the scope of this thesis, the peak water height values calculated by the MIKE 21 HD module of the MIKE program, HEC-RAS 6.3.1 program and SMS-TUFLOW (Classic) programs, which are frequently used in the literature, in two-dimensional calculation areas with different mesh sizes (10 x 10 meters, 25 x 25 meters, 50 x 50 meters), the times to reach the peak water height and the flood extents produced by the programs were compared. In addition, the programs were also compared in terms of the time it takes to perform the simulations, the number of dimensions of the models, the digital elevation data formats, the ability to include precipitation and infiltration in the hydraulic model, the sets of equations that can be used, the ability to make changes on the digital elevation data, the ability to use satellite images as a model background, the number of different maps that can be presented as output, the ability to visualize the results in three dimensions, and whether they are open source or paid software. For the program comparisons, two study areas with different floodplain widths and areal sizes were determined. The first study area was downstream of the Elmalı - 1 Dam (Study Area - 1) and the second study area was downstream of the Ömerli Dam (Study Area - 2), which has a larger area. Hydrographs with very high peak flow rates were used to analyze the capacities of the programs. In this context, the dam failure scenario for the dam located in both study areas was created separately. Dam failure scenarios were made in HEC-RAS 6.3.1 program for both study areas. Then, the hydrographs with the highest peak flow values were defined as hydrograph inputs to the programs to be compared. In this context, in Study Area - 1, which has an areally smaller and narrower floodplain, it was observed that the program most affected by the mesh size change was MIKE 21 HD and the least affected program was HEC-RAS 6.3.1. The highest peak water height values were calculated by MIKE 21 HD. The highest differences were observed between MIKE 21 HD and HEC-RAS 6.3.1. It was also observed that SMS-TUFLOW (Classic) program reached the peak water height value at the latest in most of the points where the results were obtained. Nevertheless, when the times to reach the peak water height are considered, it is concluded that the effect of the mesh size change on the times to reach the peak water height calculated by the programs is low in Study Area - 1. When the flood extent areas were examined, it was observed that the MIKE 21 HD program calculated more flood extent areas compared to the other programs in the flood extent maps obtained at each mesh size for Study Area - 1. HEC-RAS 6.3.1 gave the lowest flood extent area among the programs. In Study Area 2, which has wider floodplains and a larger area compared to Study Area 1, MIKE 21 HD was found to be the program most affected by the mesh size change. Again, the highest peak water height values were calculated by MIKE 21 HD. Although the results of SMS-TUFLOW (Classic) were affected by the mesh size variation, it was observed that it produced results close to HEC-RAS 6.3.1 in this study area. In the case of Study Area - 2, the biggest differences between the results were between MIKE 21 HD and HEC-RAS 6.3.1. In Study Area - 2, it was observed that the effect of mesh size variation on the time to reach peak water height increased. In Study Area - 2, it was observed that the MIKE 21 HD program was the latest to reach the peak water height values in most of the result points. When the flood extent areas in this region were compared, it was observed that the MIKE-21 HD program calculated the largest flood extent areas, while the SMS-TUFLOW (Classic) program calculated the smallest flood extent areas for all models except the 10 x 10 meter model. With this study, a guiding document has been prepared for researchers who will use computers in modeling flood extent areas. In addition, the advantages and limitations of the programs for those who are currently using the programs are presented and the issues to be considered are emphasized.