Su korunumu açısından yerleşme tasarımında yüzeysel akış miktarının değerlendirilmesi
Evaluation of the effects of settlement design on stormwater runoff in terms of water conservation
Yazar: HALİME FİRDEVS TAŞKIN
Danışman: DOÇ. DR. GÜLTEN MANİOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Mimarlık Ana Bilim Dalı / Çevre Kontrolü ve Yapı Teknoloji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Mimarlık = Architecture
Dizin: Kentsel arazi kullanımı = Urban land use ; Yağış-akış modelleri = Rainfall-runoff models ; Çevresel sürdürülebilirlik = Sustainable environment

Özet:
Su, canlıların hayatını sürdürmesi için gerekli olan ve hayati önem taşıyan bir kaynaktır. Yeryüzündeki su kaynakları, döngüsü sayesinde sabit miktarda kalan yenilenebilir kaynaklar olarak görünse de, iklim değişikliği, küresel ısınma, hızlı kentleşme, bilinçsiz tüketim gibi sebeplerle içilebilir su miktarı gün geçtikçe azalmaktadır. Hava sıcaklığının, iklim değişikliği ve küresel ısınma ile su kaynaklarının hızlı biçimde buharlaşmasına sebep olurken, bilinçsiz ve hızlı kentleşme ile yeşil alanların yok edilip geçirimsiz yüzeylerin artması da yerleşme ölçeğinde çeşitli su sorunları yaşanmasına sebep olmaktadır. Geçirimsiz yüzeyler sebebiyle yer altına süzülemeden kanalizasyon sistemleri ile uzaklaştırılan yağmur suyu, yer altı su kaynaklarının yeterince beslenememesine ve dolayısıyla su kıtlığı, kuraklık gibi sorunlara sebep olmaktadır. Özellikle şiddetli yağışların ardından yer altına süzülemeden akışa geçen yağmur suyu, kentsel alanlarda sel, taşkın, erozyon gibi felaketlerle sonuçlanmaktadır. Ayrıca, buharlaşarak temizlenmiş bir şekilde yeryüzüne geri dönen yağmur suyu, yüzeysel akışa geçtiği için tekrar kirlenmekte ve temiz olan diğer yer yüzü su kaynaklarının da kirlenmesine yol açmaktadır. Bu nedenle, olası risk ve felaketlerin azaltılabilmesi açısından mevcut su kaynaklarının korunduğu, su temini ve su döngüsüne katkı sağlayan, bilinçli su tüketiminin ve suyun yeniden kullanımının mümkün olduğu, yerleşme ölçeğinde su korunumu sağlayan yaklaşım ve stratejilere ihtiyaç duyulmaktadır.
Bu tez çalışması kapsamında, yerleşme tasarımının bir sonucu olan arazi kullanım oranı ve yüzey örtü malzemelerinin yüzeysel akış miktarını nasıl ve ne derecede etkilediği incelenmiştir. Arazi kullanım oranları farklı olacak şekilde tasarlanan 9 farklı yerleşme ve bu yerleşmelerde yüzey örtü malzemesi olarak kullanılabilecek 336 farklı malzeme kombinasyonu ile her senaryoda oluşabilecek yüzeysel akış miktarı Rasyonel Yöntem kullanılarak hesaplanmıştır. Yerleşmelerde su korunumu sağlama hedefine yönelik yapılan bu tez çalışması, altı ana bölümden oluşmaktadır.
Çalışmanın birinci bölümünde; artan su talebine karşın su kaynaklarının giderek azalmasına dikkat çekilmiş, yerleşme tasarımının su korunumu üzerindeki önemi vurgulanarak çalışmanın amacı özetlenmiştir. 
İkinci bölümde; suyun önemi ve neden korunması gerektiği detaylı olarak açıklanmıştır. Dünya üzerinde su döngüsü sayesinde temiz ve sabit kalan suyun, iklim değişikliği ve küresel ısınma sebebiyle karşı karşıya olduğu tehlikeler vurgulanmıştır. İklimsel faktörlerin yanı sıra, bilinçsiz ve hızlı kentleşmenin su üzerindeki olumsuz etkilerine değinilerek yüzeysel akışın kentsel alanlarda bıraktığı tahribatlardan bahsedilmiştir. Sonrasında ise suyun yerleşme içindeki önemine dikkat çekebilmek için Türkiye'de hazırlanan sertifikasyon çalışmaları hakkında bilgi verilmiştir.
Üçüncü bölümde; yerleşmelerde su korunumu açısından meydana gelebilecek olumsuz etkilerin azaltılabilmesi ve gerekli önlemlerin alınabilmesi için geliştirilen çeşitli yağmur suyu yönetim modellerinden bahsedilmiştir. Ayrıca kentsel alanlarda yüzeysel akışın sebep olduğu olumsuz etkileri azaltmak için uygulanan konvansiyonel ve sürdürülebilir yağmur suyu yönetim yaklaşımları kapsamlı bir biçimde ele alınmıştır.
Dördüncü bölümde; yüzeysel akış miktarının belirlenmesinde kullanılan çeşitli yöntemler ve bu yöntemlere ait hesap bileşenleri detaylı olarak açıklanmıştır.
Beşinci bölümde; yerleşme tasarımının yüzeysel akış miktarına etkisini belirleyebilmek için öncelikle, kentleşme oranı yüksek İstanbul ilinde nüfus yoğunluğunun aynı olduğu farklı arazi kullanım oranlarına sahip yerleşmeler kurgulanmıştır. Yüzeysel akış miktarları değerlendirilecek bu yerleşmelerde çatı, kaldırım, otopark, taşıt yolu alanı ve yeşil alan olmak üzere çeşitli alanların bulunduğu varsayılmıştır. Böylece; yerleşmedeki arazi kullanım alanlarına ve bu alanların oranlarına bağlı olarak her yerleşmede oluşabilecek yüzeysel akış miktarı ayrı ayrı değerlendirilmiştir. Arazi kullanım oranlarının yanı sıra, söz konusu alanlar için farklı malzeme alternatifleri dikkate alınarak çeşitli malzeme kombinasyonları oluşturulmuştur. Böylece kurgulanan yerleşmelerde çatı, kaldırım, otopark, taşıt yolu alanı ve yeşil alan için tanımlanabilecek farklı yüzey örtü malzemelerinin de yüzeysel akış miktarına etkisi incelenmiştir.
Arazi kullanım oranları ve yüzey örtü malzemeleri farklılık gösteren yerleşmelerde yüzeysel akışın hesaplanabilmesi için Rasyonel Yöntem kullanılmıştır. Elde edilen sonuçlar doğrultusunda, kurgulanan yerleşmeler hem kendi içinde hem de kendi aralarında karşılaştırılarak en iyi ve en kötü senaryolar belirlenmiştir.
Altıncı bölümde; tez çalışması kapsamında elde edilen sonuçlar derlenmiştir. Sonuç olarak, yüzeysel akış miktarının, yerleşme tasarımına bağlı olarak farklılaşan arazi kullanım oranı ve yüzey örtü malzemelerine göre önemli ölçüde değişkenlik gösterdiği görülmüştür. 
Yapılan tez çalışmasının, elde edilen hesaplama sonuçları ile birlikte, yeni tasarlanacak yerleşmelerin yanı sıra mevcut yerleşmelerde de su korunumu açısından optimum fayda sağlayan kararların alınması noktasında yararlanılabilecek bir kaynak olması hedeflenmiştir.

Abstract:
Water is a vital resource that is necessary for all living creatures on earth. Although the volume of water resources in the world is constant by the water cycle, potable water resources are decreasing day by day due to climate change, global warming, rapid urbanization and so on. While the increase in air temperatures cause rapid evaporation of water resources because of the climate change and global warming; the rapid urbanization and the increase of impervious surfaces cause various water problems at the settlement scale also. Begin with, stormwater runoff is generated from rain that flows over impervious surfaces, such as paved streets, parking lots, and building rooftops, and does not soak into the ground. The rain water that cannot infiltrate to the ground is removed by sewer systems and ground water resources could not recharge adequately. Thus, some problems such as water scarcity and drought can occur due to impervious surfaces. Particularly after heavy rains, stormwater runoff results in disasters such as floods, overflows and erosion in urban areas. In addition, the rain water that returns to the earth in a cleaned form by evaporation is polluted again because of the surface flow and causes the pollution of other clean water resources. In order to reduce possible risks and disasters, some approaches and strategies that provide water conservation at the settlement scale are needed to protect existing water resources, contribute to water supply and water cycle, enable conscious water consumption and reuse when necessary.
Specifically, this study sought to answer the following key questions in order to reduce the negative effects of stormwater runoff even in the densest urban environments, and to ensure water conservation at the settlement scale.
- to what extent are the land use ratios such as roofs, pavements, parking lots, paved streets and green areas varying depending on settlement design effective on the stormwater runoff?
- to what extent are the surface cover materials used in roofs, pavements, parking lots, paved streets and green areas varying depending on settlement design effective on the stormwater runoff?
For this purpose, 9 different settlements with different land use ratios were designed for the province of Istanbul. Afterwards, 336 different material combinations that can be used as surface cover material were created. The volume of stormwater runoff due to different material combinations was calculated by the Rational Method and this calculation was repeated for each settlement designed.
According to the results obtained from this study, it is aimed to
- raise and increase awareness about water sensitive urban designs,
- determine the importance of land use ratios and surface cover materials on stormwater runoff generation,
- draw attention to what decisions can be taken in order to reduce the volume of stormwater runoff and to ensure water conservation at the settlement scale,
- guide designers about water conservation strategies.
The study consists of six main sections.
In the first chapter of the study; attention was drawn to the gradual decrease of water resources despite the increasing water demand. Because, increasing water demand due to population growth and expansion of urban areas has started to cause water stress and even water scarcity in many regions. Also, the aim of the study is summarized by emphasizing the importance of the settlement design on water conservation.
In the second chapter; the importance of water is explained. Water is a vital resource that is necessary for all living creatures. Therefore, the fact that water resources are in danger of extinction have made water a more important resource that needs to be protected. The threats posed by climate change and global warming on clean and potable water resources in the world are emphasized. In addition to climatic factors, the negative effects of unconscious and rapid urbanization on water, moreover, the damage caused by stormwater runoff in urban areas were highlighted in second chapter. The fact that there are many negative effects on water in both environmental and economic terms also reveals how important it is to protect existing water resources, conscious consumption and reuse when necessary. In line with this purpose, in Turkey the certification studies are also prepared in order to draw attention to the importance of water in the settlements and this studies are explained in detail in the second chapter.
In the third chapter; several design approaches and strategies about stormwater management are introduced. In order to reduce the negative effects that may occur in the settlements in terms of water conservation and to take the necessary precautions, sustainable stormwater management approaches have been developed such as Water Sensitive Urban Design, Sustainable Urban Drainage Systems, Low Impact Development and Sponge City. It is aimed to include water conservation in urban design processes and to give the due consideration to the subject by these approaches (Wong, 2006). In other words; it is aimed to ensure environmental control in urban design, contribute to the water cycle and water supply by integrating with groundwater, wastewater and stormwater management. In this section, conventional stormwater management systems, which are frequently applied in urban areas, and sustainable stormwater management strategies, which reduce the negative effects caused by stormwater runoff are also explained in detail.
In the fourth chapter; SCS Curve Number Method and Rational Method used in determining the volume of stormwater runoff and the calculation principles of these methods are explained in detail. The SCS Curve Number Method, developed by the US Soil Conservation Service, is one of the methods in rainfall-runoff modeling. With this method, the groundwater recharge can be estimated as well as the volume of stormwater runoff that passes into the surface flow can be calculated. The Rational Method, developed by Emil Kuichling in 1889 depending on the rainfall intensity, is a method frequently used in the estimation of the peak runoff flow. This method usually gives accurate results for areas smaller than 25 km2, as it is assumed that the rain is homogeneously distributed over the entire land. The important thing when determinig the calculation method is that the method should be suitable for both the settlement characteristics and the purpose of the study.
The fifth chapter of the study, includes the method of the study. In order to determine the effect of the settlement design on the stormwater runoff generation, firstly, settlements with the same population density and different land use ratios in the province of Istanbul were designed. It was assumed that there are various areas such as roof, pavement, parking lot, paved street and green area in these settlements. Thus, stormwater runoff calculations was able to made for different settlements with different land ratios. In addition to the land use ratios, various material combinations that can be used as surface cover material were created considering different material alternatives for the mentioned areas. In this way, the effect of different surface cover materials that can be defined for the roof, pavement, parking lot, paved street and green area on stormwater runoff was able to investigated. The Rational Method was used to calculate stormwater runoff in settlements with different land use ratios and surface cover materials. In the direction of the results obtained, the best and worst scenarios were determined by comparing the settlements both within and among themselves.
In the sixth chapter of the study; the results of the study were compiled. As a result, it has been observed that the volume of stormwater runoff varies considerably depending on the land use ratios and surface cover materials that differ depending on the settlement design.
Even if it is not possible to eliminate negative impacts of stormwater runoff completely, it is seen that each improvement to reduce the volume of stormwater runoff will provide positive changes in settlements. Since the improvements to be made in the existing settlements will be more costly, it is very important that the decisions to reduce stormwater runoff in the settlements should be taken at the preliminary design phase. In existing settlements where it is not possible to make changes in terms of surface cover material and land use, various sustainable stormwater management strategies can be applied to reduce the amount of stormwater runoff. It is aimed that this thesis study, with the results obtained, can guide for designers on taking decisions that provide optimum benefit in terms of water conservation in both existing and new settlements.