Serbest yüzeyli akımlarda değişkenlik derecesinin hidrolik karakteristikler üzerine etkisinin sayısal modelleme ile belirlenmesi

Son yıllarda, etkileri giderek daha da fazla hissedilen küresel iklim değişikliği ile birlikte, akarsu ve nehir hidrograflarında belirgin değişimler görülmektedir. Değişen akarsu rejimleri ile oluşan değişken akım koşullarında, hidrolik özelliklerin ne derecede değiştiğinin saptanması büyük önem kazanmıştır. Bu çalışmada, açık kanal akımlarında görülen histerik etkilerin, hidrolik özelliklere olan etkilerinin sayısal modelleme yoluyla belirlenmesi amaçlanmıştır. Bu sebeple, herhangi bir cidar pürüzlülüğüne sahip bir prizmatik açık kanal akımı üzerinde permanan olmayan debi zaman serisine sahip tipik bir hidrograf oluşturulmuştur. Daha sonra, bu hidrografın ortaya çıkaracağı akım derinliği, kesitsel ortalama hız ve taban kayma gerilmesi zaman serilerini verecek mansap şartlarına ve hiçbir konvektif terime bağlı olmaksızın parametrik olarak çalışabilen bir hesap modeli ortaya konmuştur. Yapılan çalışma kapsamında, tek boyutlu Saint Vennant denklemleri kullanılarak, belirlenen başlangıç koşulları esas alınarak; derinlik, hız ve taban kayma gerilmesi gibi akım özelliklerinin yanı sıra akıma ait kararsızlık derecesi (histerik özellikler) yürütülen sayısal modelleme çalışması ile belirlenmiştir. Bununla birlikte, yapılan parametrik çalışma ile akıma etki edecek farklı parametrelerin kararsızlık derecesi (histerik özellikler) üzerindeki etkileri incelenmiştir. Yapılan çalışmalara ek olarak, sayısal modelin doğruluğunun tayin edilebilmesi amacıyla, sayısal modellemede kullanılan veriler, Erdog (2013) tarafından İstanbul Teknik Üniversitesi Laboratuarı'nda yapılan deneysel çalışma verileri ile karşılaştırılmış; elde edilen sonuçların deneysel veri ile uyumluluğu, mevcut sayısal modelin değişken akımların fiziğini başarılı bir biçimde yansıtabildiği ortaya konmuştur. Çalışma kapsamında histerik etkilerin ne ölçüde değiştiğini gözlemlemek için histerik etkiler boyutsuzlaştırılmıştır. Bunun için bir döngü şeklinde verilen histerik grafiklerde, su seviyesi ve debi eğrisi içerisinde kalan alan, maksimum su seviyesi ile başlangıç su seviyesi arasındaki fark ile maksimum debi ile başlangıç debisi arasındaki farka bölünmüştür. Bu boyutsuz sayıya göre histerik etki tanımlanmıştır. Bu sayı ne kadar büyük olursa histeri o kadar fazla etkin ve ne kadar küçük olursa histeri o kadar etkisiz olarak değerlendirilmiştir. Geniş diyagrama sahip grafikler dolayısıyla daha büyük histeriye sahip olup, dar diyagramlar etkisiz histeriye sahip olacaktır. Model testleri göstermiştir ki, değişkenlik (kararsızlık) derecesindeki değişim belirli bir değere kadar (yaklaşık Γ=10-4) önemsenmeyecek miktarda iken; belirli bir değerden sonra hızlı bir şekilde artmaktadır. Yapılan analizler sonucunda, değişkenlik parametresinin yaklaşık 10-4 değerine kadar permanan akım koşulları için yapılan kabullerin yanlış olmayacağı; bu değerden daha yüksek değerlerde ise hata payının artacağı ortaya konmuştur. Öte yandan, pürüzlülük etkilerinin de incelendiği çalışmada, taban pürüzlülüğünün kayma gerilmelerini arttırdığı ve bu sebeple akımın daha kararlı özellik gösterdiği belirlenmiştir. Bununla birlikte, daha önceden Nikuradze pürüzlülük katsayısı ile modele tanımlanan taban pürüzlülüğü, Manning pürüzlülük katsayısı cinsinden de ifade edilerek, yapılan analizlere ek olarak ilave sayısal modelleme çalışmaları yürütülmüştür. Manning pürüzlülük katsayısı ile yürütülen sayısal modelleme çalışması neticesinde de, bir önceki çalışma ile örtüşen şekilde pürüzlülük arttıkça histerik etkilerin azaldığı sonucuna varılmıştır. Bu sonuçlardan hareketle, şehirleşme ve dere ıslahı projeleri ile akarsu yataklarındaki pürüzlülüğün azalmasının akımdaki histerik etkileri arttırdığı; bununla paralel olarak permanan akımlar için türetilen direnç formüllerinin pürüzsüz yataklarda, pürüzlü yataklarda olduğu kadar doğru sonuç veremeyebileceği sonucu ortaya çıkmaktadır.