PARADISE ADASI (DUBAI) HİDRODİNAMİK, DALGA

YAYILIMI ve KIYI ÇİZGİSİ DEĞİŞİM MODELİNİN KURULMASI

Tarkan Erdik*1, Olgay Şen*, Şehriban Saçu*

* Faculty of Civil Engineering, Hydraulics Division, Istanbul Technical

Univ., Maslak 34469, Istanbul, Turkey. (corresponding author). 1 Corresponding author: erdik@itu.edu.tr

ÖZET

Dubai açıklarında bulunan Paradise adasının (24°26'33.92"K ve 54°15'33.70"D) kuzey ve güney kıyıları şiddetli erozyona maruz kalmaktadır.

Bu çalışmada, Paradise adası için çeşitli yapısal düzenlemelerde bulunarak dalga etkilerinin azaltılmasına çalışılmıştır. Bunun için hidrodinamik, dalga yayılımı ve kıyı çizgisi değişim modeli kurulmuştur. Dalga yayılımı modeli için StWave yazılımından faydalanılmıştır. Dalga yayılım modeli sapma/dönme, derin ve sığ denizlerdeki dalga etkileşimlerini ve dalga kırılması ve taban pürüzlülüğü gibi etkilerle enerji kayıplarını içermektedir. Hidrodinamik model için Adcirc yazılımı kullanılmıştır. Hidrodinamik model, gelgit ve rüzgar etkisiyle akıntı hızlarını tahmin etmede kullanılmıştır. Kıyı çizgisi değişimi için GenCade yazılımından yararlanılmıştır. Kıyı çizgisi değişimi için 20 yıllık periyod dikkate alınarak dalga büyüklükleri modelde tanımlanmıştır.

Anahtar Kelimeler: Paradise adası, Dalga yayılımı modeli, Hidrodinamik

model, Kıyı Çizgisi değişimi modeli

ABSTRACT

In this study, hydrodynamic, wave propagation and shoreline change modeling is performed for Paradise Island, which is located just offshore of Dubai. Geographical coordinates of the island are 24°26'33.92"N and 54°15'33.70"E. In this study, StWave is employed to evaluate wave growth and propagation, wave transformation including reflection/diffraction near structures. The hydrodynamic model of Adcirc is applied for current determination due to tidal waves. Finally, GenCade model is applied to simulate long term shoreline change (20 years).

Keywords: Paradise island, Wave transformation, Hydrodynamic modelling,

Shoreline change model

9. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu

829

mailto:erdik@itu.edu.tr

GİRİŞ

Paradise adası (Dubai) 24°26'33.92"K-54°15'33.70"D koordinatlarında bulunmaktadır. Proje bölgesi (South Paradise Island) Şekil 1’de sunulmuştur. Adanın kuzey ve güney kıyılarında şiddetli erozyon meydana gelmektedir. Bu erozyona bağlı olarak sahil kesimi yok olma tehlikesi ile karşı karşıya kalmıştır. Gerçekleşen erozyona ait görüntüler Şekil 2’de verilmiştir. Burada, (a) kıyı çizgisi, (b) ise kıyı koruma yapısı erozyonunu göstermektedir. Gerçekleştirilen incelemelerde anlaşılmıştır ki, bölge üzerindeki erozyona dalga hareketleri neden olmaktadır. Akıntı kaynaklı erozyonun etkisi ihmal edilebilir boyuttadır. Bu yüzden, gerçekleştirilen bu çalışmada dalga hareketlerinin tespiti üzerine yoğunlaşılmıştır. Bu çalışmada, StWave (STeady-state spectral WAVE) yazılımı kullanılarak ekstrem ve uzun dönem senaryolar için proje bölgesi üzerindeki dalga büyüklükleri tespit edilmiştir. Stwave, U.S. Army Engineer Research and Development Center (ERDC) tarafından geliştirilmiş bir yazılım olup, dalga hareketi denge denklemlerini sonlu farklar yaklaşımı ile çözerek rüzgar dalgası gelişimi, yayılımı ve dönüşümünü simüle etmektedir. Stwave yazılımı batimetri kaynaklı dalga sapması, sığlaşma ve dalga kırılması gibi dalga olaylarını da dikkate almaktadır (Massey, v.d., 2011).

Bu çalışmada ekstrem ve uzun dönem dalga hareketlerini belirlemeye yönelik birçok senaryo geliştirilmiştir. Ayrıca, çeşitli yapısal senaryolar ile dalga büyüklüklerinin etkisi azaltılmaya çalışılmıştır. Gerçekleştirilen analizler neticesinde, 3100 dereceden yaklaşan dalgaların proje bölgesi içerisinde en yüksek dalga büyüklüğüne sebebiyet verdiği tespit edilmiştir. Kuzey sahilinde planlanan açık deniz dalgakıran yapısının diğer yapı alternatiflerine göre en etkili sonucu verdiği anlaşılmıştır.

9. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu

830

Şekil 1 Paradise adası (Dubai)

(a) (b)

Şekil 2 (a) Kıyı erozyonu (b) koruma yapısı erozyonu

9. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu

831

DALGA YAYILIM MODELİ

Uluslararası literatürde, dalga yayılımı modelleri yaygın olarak SWAN (Booij v.d., 1999), MIKE 21 SW (DHI, 2008), StWave (Massey, v.d., 2011) yazılımları ile gerçekleştirilmektedir. Bunlardan, SWAN modeli en çok tercih edilen yazılımdır. SWAN modelinin en önemli avantajlarından birisi yazılımın ücretsiz olmasıdır. Ayrıca, kartezyen ve küresel koordinat sistemi içinde tanımlanması, okyanus benzeri ve yakın kıyı bölgelerinde çalışabilmesi, detaylı kalibrasyon parametreleri ile eğrisel (curvilinear) meş sistemine sahip olması diğer önemli avantajlarıdır (Gonçalves, 2012). MIKE 21 SW yazılımının esnek (flexible) meş sistemine sahip olması çok önemli bir avantaj olmasına rağmen oldukça pahalı olması diğer benzerlerine göre tercih nedenlerini azaltmaktadır. StWave yazılımının pahalı olmaması, kolay ve çözüm adımlarının hızlı olması önemli avantajlarıdır. Ayrıca, SWAN yazılımının aksine, sınır şartından kaynaklı hiçbir negatif etkinin sistem içerisinde bulunmaması sebebiyle dünyada yaygın olarak kullanılmaktadır (Gonçalves,

2015). Yukarıda bahsi geçen yazılımlar dönme (diffraction) ve yansıma (reflection) etkilerini yaklaşık yöntemlerle belirlemektedir. Kıyı yapısı ve batimetri etkilerinin önem kazandığı projelerde Boussinesq modellerinin kullanılması tavsiye edilmektedir.

Bu çalışmada, hesap adımlarının hızlı olması sebebiyle StWave yazılımı tercih edilmiştir. Bunun için iki farklı çözünürlükteki meş sisteminden faydalanılmıştır. Bunlardan ilki, 50m x 50m çözünürlüğündeki düşük çözünürlüklü meş (a coarse structured mesh), diğeri ise 1m x 1m çözünürlüğündeki yüksek çözünürlüklü meştir (a fine structured mesh). Düşük çözünürlüklü meş ile üretilen dalgalar, yüksek çözünürlüklü meş sistemine sınır şartı olarak etki ettirilmiştir. Bunun için, iki sistem birbirine iç içe geçme (nested grid) tekniği ile bağlanmıştır. Yüksek ve düşük çözünürlüklü meş alanları Şekil 3’te sunulmuştur. Model içerisinde 3 farklı sınır şartı bulunmaktadır. Kuzey sınırından 3 boyutlu dalga spektrumu (frekans, yön, enerji) tanımlanırken, kenarlardan sıfır-gradyant (zero-gradient) sınır şartı etki ettirilmiştir (Şekil 4). Böylece yatay sınırlarda dalga enerjisinin ilerlemesine imkan tanınmıştır. Çalışmada gerçekleştirilen senaryolar, ekstrem ve uzun dönem koşullar altında ikiye ayrılmıştır. Ekstrem dalga senaryolarında, Grilli ve diğ., (2010) yaklaşımı tercih edilmiştir. Bu yaklaşıma göre, sınır koşullarındaki dalga büyüklükleri ile hesaplama meşine etki eden

rüzgar kuvvetleri aynı tekerrür aralıklarında meydana gelmektedir. Geliştirilen senaryolar, Tablo 1’de verilmiştir. Bölge içerisinde gerçekleştirilen çalışmalar incelendiğinde, dalga ve rüzgarların ağırlıklı olarak kuzey batı bandından yaklaştıkları anlaşılmıştır. Bu yüzden, kuzey batı yönünden gelen dalgalar 3 farklı yön (3100, 3200, 3300) için gerçekleştirilmiştir. Burada amaç, en riskli dalga geliş açısını belirlemek ve açık deniz dalgakıran yapısını bu yöne karşı planlamaktır. Senaryolarda, ekstrem koşullar için belirgin dalga yüksekliği (Hmo) 3m, ekstrem rüzgar hızı ise 20 m/s hesaplanmıştır. Uzun dönem koşullar için Hmo değeri 1m hesaplanmıştır. Hesaplamalarda ihtiyatlı olmak adına, uzun dönem rüzgar hızları ile ekstrem koşullarda hesaplanan rüzgar hızları aynı alınmıştır. Bütün senaryolarda dalga geliş açısıyla, rüzgar esme yönü aynı kabul edilmiştir.

9. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu

832

Ekstrem ve uzun dönem koşullarında, kuzey doğu bandından gelen dalgaların

(300) etkisini belirlemeye yönelik senaryo da geliştirilmiştir (Tablo 1 Senaryo 4 ve 8).

(a) (b) Şekil 3 (a) Düşük çözünürlüklü (50m x 50m) ve (b) yüksek çözünürlüklü (1m x 1m) meş alanları

Şekil 4 Çalışma alanı sınır şartları ve batimetri.

9. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu

833

Tablo 1

Ekstrem ve uzun dönem dalga senaryoları

Gerçekleştirilen senaryolar sonucunda hesaplanan dalga yönü, yüksekliği ve periyodu Şekil 5’te gösterilen 3 gözlem noktası için Tablo 2’de sunulmuştur. Buradan, senaryo 1 yani 3100 dereceden yaklaşan dalgaların proje bölgesi içerisinde en yüksek dalga büyüklüğünü verdiği görülmüştür. Proje bölgesinin güney kıyıları (M3 noktası) korunaklı bölge içerisinde kaldığından önemli mertebede dalga yüksekliklerine rastlanmamıştır.

Şekil 5 Gözlem noktaları

Senaryolar

Dalga yönü

(derece)

Hmo

(m)

Tp

(s)

Rüzgar yönü

(derece)

Rüzgar şiddeti

(m/s)

Ek

stre

m

du

ru

m 1 310 3 8 310 20

2 320 3 8 320 20

3 330 3 8 330 20

4 30 3 8 30 15

Uzu

n d

ön

em

5 310 1 6 310 20

6 320 1 6 320 20

7 330 1 6 330 20

8 30 1 6 30 15

9. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu

834

Tablo 2 Gözlem noktalarında hesaplanan dalga büyüklükleri

Dalga kontur haritaları, Tablo 1’de gerçekleştirilen ekstrem senaryolar için Şekil 6, uzun dönem senaryolar için ise Şekil 7’de sunulmuştur. Buradaki şekiller yüksek çözünürlüklü (1m x 1m) meş alanları ile üretilmiştir. Gerçekleştirilen modelleme çalışmaları ile proje bölgesinde batimetri etkisiyle sapma ve Kuzey Paradise adası (Şekil 1) etkisiyle de dönme hareketlerinin baskın olduğu anlaşılmıştır.

Şekil 6 Ekstrem dalga senaryoları için dalga kontur haritaları

M1 M2 M3

Senaryolar Yön

(derece)

Hmo

(m)

Tp

(s)

Yön

(derece)

Hmo

(m)

Tp

(s)

Yön

(derece)

Hmo (m)

Tp

(s)

1 293.30 1.12 6.97 286.18 1.16 7.21 254.48 0.24 7.13

2 296.09 1.07 7.03 289.42 1.12 7.27 254.86 0.21 7.27

3 298.08 1.01 7.16 293.25 1.09 7.34 255.27 0.20 7.31

4 347.30 0.62 7.14 358.93 0.80 7.27 297.92 0.08 6.31

5 293.79 1.14 5.73 286.03 1.13 5.90 255.45 0.20 5.96

6 296.96 1.07 5.75 289.42 1.07 5.93 256.25 0.17 5.95

7 299.21 0.99 5.84 293.28 1.01 5.97 257.14 0.15 5.86

8 353.20 0.42 5.96 7.28 0.55 6.05 295.99 0.07 5.34

9. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu

835

Şekil 7 Uzun dönem dalga senaryoları için dalga kontur haritaları

DALGA ETKİSİNİ AZALTICI YAPISAL SENARYOLAR

Bu kısımda, kıyıda meydana gelen erozyonu azaltmak için proje planında birtakım yapısal senaryolar geliştirilmiştir. Bu senaryolara, çalışma bölgesinden sorumlu yerel otoriteler ve projenin yürütülmesinden sorumlu diğer uluslararası firmalar katkı sağlamıştır. Gerçekleştirilen yapısal senaryolar, en olumsuz dalga yönüne göre (3100) ekstrem ve uzun dönem için ayrı ayrı analiz edilmiştir (Tablo 1, senaryo 1 ve 5). Yapısal senaryolar, Şekil 8-10’da verilmiştir. Senaryo 1’de kuzey sahil, dalga yönüne dik yerleştirilmiştir (Şekil 8). Senaryo 2’de kuzey sahili için açık deniz dalgakıran yapısı, dalgaların geliş yönünün karşısında planlanmıştır (Şekil 9). Senaryo 3, kuzey sahilindeki mahmuzların boyunun etkisini incelemektedir (Şekil 10). Gerçekleştirilen yapısal senaryolar için gözlem noktalarında elde edilen (Şekil

5) dalga büyüklükleri Tablo 3’te verilmiştir. Analizler neticesinde, en etkili senaryonun kuzey sahilinde planlanan açık deniz dalgakıran yapısı için (Şekil 9) meydana geldiği görülmüştür.

9. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu

836

Şekil 8 Senaryo 1 (Kuzey sahil dalga yönüne dik yerleştirilmiştir).

Şekil 9 Senaryo 2 (Ayrık dalgakıran kuzey sahili için planlanmıştır)

9. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu

837

Şekil 10 Senaryo 3 (Mahmuzların boyu kısaltılmıştır)

Tablo 3 Yapısal senaryolar için gözlem noktalarındaki dalga büyüklükleri

M1 M2 M3

Senaryolar

Yön

(derece)

Hmo

(m)

Tp

(s)

Yön

(derece)

Hmo

(m)

Tp (s)

Yön

(derece)

Hmo

(m)

Tp

(s)

Ex

trem

e

31

0 1 293.30 1.12 6.97 286.25 1.16 7.21 254.41 0.24 7.14

2 313.79 0.79 6.87 292.27 1.07 7.20 254.42 0.24 7.14

3 293.30 1.12 6.97 286.18 1.16 7.21 254.46 0.24 7.13

Mil

d

31

0 1 293.79 1.14 5.73 286.09 1.13 5.90 255.36 0.20 5.96

2 312.64 0.81 5.62 291.73 1.04 5.87 255.35 0.20 5.96

3 293.79 1.14 5.73 286.03 1.13 5.90 255.46 0.20 5.96

HİDRODİNAMİK MODELLEME

Bu çalışmada, proje bölgesi içerisindeki akıntı hızları ve su derinliklerini belirlemek

için iki boyutlu AdCirc (Advanced Circulation) yazılımı kullanılmıştır. AdCirc yazılımı,

sirkülasyon ve taşınım problemlerini sonlu elemanlar metoduyla zamana bağlı olarak

çözebilen, 2 veya 3 boyutlu esnek (flexible) hidrodinamik modelleme yazılımıdır (Xie

ve Zou, 2017). Modellemede kullanılan sınır şartları Şekil 11’de, meş yapısı ise Şekil

12’de verilmiştir. Kuzey sınırından tanımlanan gelgit sınır şartı ana kuvvet olarak

hidrodinamik modele etki ettirilmiştir. Pous ve diğ., (2012) proje bölgesinin 4 ana gelgit

büyüklüğünün (K1, O1, S2, M2) bileşenlerini tanımlamıştır. Defant (1958) yarı günlük

(semidiurnal) S2, M2 ve günlük (diurnal) K1,O1 gelgit bileşenlerinin toplam gelgit

zaman serisinin %70’ine karşılık geldiğini belirtmiştir. Bu yüzden, bu çalışmada, Pous

ve diğ., (2012) tarafından verilen 4 ana gelgit bileşeni kullanılmıştır. Simülasyon süresi

9. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu

838

1 ay kabul edilmiştir. Böylece, 1 aylık zaman zarfında 2 spring ve 2 neap gelgit

dalgasının oluşması sağlanmıştır. Kuzey sınırından modele tanımlanan gelgit büyüklüğü

Şekil 13’de verilmiştir. Gelgit yükseklikleri 1.5m arasında değişmektedir. Yatay sınırlarda ise “Normal Wave Radiation” sınır şartı tanımlanmıştır. Bu sınır şartında,

dalgaların yatay sınırlardan serbestçe ilerlemesine imkan tanımaktadır. Proje bölgesinin

kuzeyi (Şekil 12 P1 noktası) ile güneyinde (Şekil 12 P2 noktası) meydana gelen su

seviyesi değişimleri Şekil 14’de sunulmuştur. Burada görüldüğü üzere, açık deniz sınır

şartı olarak tanımlanan 1.5m arasında değişen su seviyeleri proje bölgesinde yaklaşık yarı yarıya azalmaktadır. Hesaplamalar neticesinde proje bölgesinde maksimum 25cm/s

mertebesinde hızların meydana geldiği anlaşılmıştır.

Şekil 11 Hidrodinamik modelleme sınır şartları

Şekil 12 Hidrodinamik modelde kullanılan meş yapısı

P1

P2

9. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu

839

Şekil 13 Gelgit sınır şartı

Şekil 14 Proje bölgesinin a) kuzeyi (P1 noktası) ve b) güneyinde (P2 noktası) meydana

gelen su seviyesi

KIYI ÇİZGİSİ DEĞİŞİM MODELİ

Bu bölümde, proje bölgesi içerisinde 20 yıllık zaman periyodunu kapsayan kıyı çizgisi değişim

modeli GenCade yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. GenCade yazılımında kullanılan dalga büyüklükleri yapay olarak üretilmiştir. Bunun için, Boussinesq modeli kurularak dalga

hareketleri simüle edilmiş ve elde edilen çıktıların istatiksel dağılımı belirlenmiştir. Bu dağılıma

bağlı olarak 20 yıllık dalga veri serisi üretilmiştir. Kıyı çizgisi değişim modeli, ada etrafında

9. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu

840

yapılması düşünülen kıyı koruma yapıları ile birlikte gerçekleştirilmiştir. Projeden sorumlu yerel

otoriteler ve uluslararası yetkili firmalarla gerçekleştirdiğimiz görüşmeler neticesinde Şekil

15’de görülen plan üzerinde projenin yapılmasına karar verilmiştir. Proje bölgesi mahmuzlar ve

kıyı duvarları ile desteklenmiştir. Uzun dönem kıyı çizgisi değişimleri, bu kıyı yapıları dikkate alınarak gerçekleştirilmiştir. Hesaplamalar neticesinde, adanın kuzeyinde meydana gelen kıyı

çizgisi değişimi Şekil 16’da verilmiştir. Bu şekillerden görüldüğü üzere, planlanan kıyı koruma

yapıları ile birlikte erozyon önemli miktarlarda azaltılmıştır.

Şekil 15 Proje bölgesinde planlanan kıyı yapıları

9. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu

841

Şekil 16 Kıyı çizgisi değişiminin uzun dönem grafikleri

9. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu

842

SONUÇ ve ÖNERİLER

Bu çalışmada, Paradise adası (Dubai) için dalga yayılımı, hidrodinamik ve kıyı çizgisi

değişim modeli gerçekleştirilmiştir. Proje bölgesinin kuzey ve güney kıyıları ciddi bir

erozyon altındadır. Gerçekleştirilen incelemelerde, dalga hareketlerinin akıntı

hareketlerine göre erozyonu daha fazla etkilediği belirlenmiştir. Kuzey batı’dan gelen

dalgaların bölgeyi etkilediği görülmüştür. Erozyonu azaltıcı koruma tedbirleri üzerinde

araştırmalarda bulunulmuştur. Kuzey bölgesinde açık deniz dalgakıran yapılmasının

erozyonu önemli ölçüde azaltacağı sonucuna varılmıştır.

KAYNAKLAR

Pous, S, Carton, X., Lazure, P., (2012) A Process Study of the Tidal Circulation in the

Persian Gulf

Massey, T.C., Anderson, M.E., Smith, J. M., Gomez, J., Jones, R. (2011). STWAVE:

Steady-State Spectral Wave Model User’s Manual for STWAVE, Version 6.0. US Army

Corps of Eng. ERDC.

Xie, D., & Zou, Q. (2017). Effect of Wave-Current Interaction on Waves and

Circulation Over Georges Bank During Storm Events. Coastal Engineering

Proceedings, 1(35), 18.

Defant, A. (1958). Ebb and flow; the tides of earth, air, and water. Ann Arbor,

University of Michigan Press.

Booij, N. R. R. C., Ris, R. C., & Holthuijsen, L. H. (1999). A third‐generation wave model for coastal regions: 1. Model description and validation. Journal of geophysical

research: Oceans, 104(C4), 7649-7666.

DHI (2008) Mike 21 SW scientific background. Denmark.

Gonçalves, M., Rusu, E., & Soares, C. G. (2012). Evaluation of the wave models

SWAN and STWAVE in shallow water using nested schemes. Maritime Engineering

and Technology, 481.

Gonçalves, M., Rusu, E., & Guedes Soares, C. (2015). Evaluation of two spectral wave

models in coastal areas. Journal of Coastal Research, 31(2), 326-339.

Grilli, A.R., Asher, T.G., Grilli, S.T., and Spaulding, M.L., 2010, Analysis of extreme

wave climates in Rhode Island waters south of Block Island, in Ocean Special Area

Management Plan: University of Rhode Island Technical Report 8, 43 p.

9. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu

843