Investigation of stormwater collection system problems in Istanbul

Abstract

İstanbul, yaklaşık 3 bin yıldır insanların yerleşimde bulunduğu bir şehirdir. İstanbul ilk olarak milattan önce 13. yüzyıl civarında Trakyalıların kurduğu, sonrasında Yunan kolonilerinin yerleştiği, sırasıyla Bizans, Roma ve Osmanlı İmparatorluklarının eline geçen ve sonuçta Türkiye Cumhuriyeti'nin bir parçası haline gelen bir şehirdir. O tarihlerden itibaren İstanbul, tarihte bir başkent ve şimdilerde de bir metropol olarak hep önemli bir yere sahip olmuştur. Bilinen en eski yerleşimlerden biri olan bu şehirde nüfus günden güne artmış ve yapılaşma da gittikçe hızlanmıştır.İstanbul'da yerleşimle birlikte altyapı sistemleri de oldukça eskiye dayanmaktadır. Endüstri gelişene dek el yapımı toprak künklerle su iletimi sağlanırken, sanayileşmeyle birlikte beton borular ve sonrasında diğer boru tipleri gelişerek su iletimi gerçekleştirilmiştir.Özellikle son zamanlarda insan nüfusunun hızla yükselmesi, yapılaşma ve sanayileşmedeki artış çevre üzerinde bir baskı oluşturmaktadır. Plansız ve sürdürülebilir olmayan yerleşimler, yanlış arazi kullanımı çevredeki doğal akışı bozmakta ve çözümü gittikçe zorlaşan sorunlar doğurmaktadır. Çevredeki bu bozulmalar, küresel ısınma ve beraberinde sel felaketlerinde de çoğalmaya sebep olmaktadır. Bu da insanların yaşam standardını olumsuz etkilemekte ve hatta can kayıplarına sebep olabilmektedir.Bu yaklaşımla İstanbul'da sıklıkla sel olaylarının yaşandığı 3 farklı özelliklere sahip bölge (Üsküdar, Kadıköy ve Ümraniye) ve geçmişte büyük sel felaketlerinin yaşandığı Dresden'de bir bölge (Lockwitz) belirlenerek, bu bölgelerin mevcut yağmur suyu toplama sistemleri SWMM üzerinde modellenmiştir. Modeller için ihtiyaç duyulan meteorolojik veriler İstanbul için Meteoroloji 1. Bölge Müdürlüğü'nden ve Dresden için Alman Hava Servisi'nin resmi internet sitesinden; altyapı verileri İstanbul için İSKİ'den ve Almanya için de enstitüden elde edilmiştir. SWMM üzerinde modelleme yapılabilmesi için İSKİ'den Microstation formatında alınan veriler, Civil 3D ve Urbano programları kullanılarak SWMM formatına dönüştürülmüştür. Çünkü .dgn formatındaki bir verinin doğrudan .inp formatına dönüşümü mümkün değildir. Bu dönüşümler esnasında verilerde meydana gelen bozulmalar ve aynı şekilde ham veride yer alan eksiklik ve yanlışlıklar (bazı kotlar, eğimler ve çaplardaki belirsizlikler, herhangi bir hatta veya çıkış noktasına bağlantısı olmayan borular vb.) çevrimiçi haritalardan da yararlanılarak manuel olarak düzeltilmiştir. Modellerin simüle edilmesi sonucu bu sistemlerde hangi bacalarda taşma gerçekleştiği, taşan bacaların yüzdesi, taşma miktarları ve bunların sebepleri araştırılmıştır. Simülasyonlarda, altyapı verilerinin yanı sıra, 1-Saat, 10-Dakika ve 1-Dakika çözünürlüklü yağış verisi kullanılarak modellerin farklı çözünürlüklere nasıl tepki verdiği gözlemlenmiş, ayrıca İstanbul ve Almanya'daki bölgelerin bu farklı çözünürlüklere nasıl yanıt verdiği karşılaştırılmıştır. 1-Saat çözünürlüklü veri 01.01.2014 ile 31.12.2017 tarih aralığındaki 4 yıllık zaman periyodunu, 10-Dakika çözünürlüklü veri 01.01.2018 ile 20.09.2018 tarih aralığındaki 9 aylık zaman periyodunu ve 1-Dakika çözünürlüklü veri 01.12.2018 ile 31.12.2018 aralığındaki 1 aylık zaman periyodunu kapsamaktadır. Bu çalışma kapsamında meteorolojik veri olarak yalnızca direkt yüzeysel akışa geçen yağmur yağışı verileri kullanılmış olup kar erimesi, buharlaşma, yer altı suyu gibi parametreler göz ardı edilmiştir. Bölgelerin mevcut yağış verileri ile durumlarının gözlemlenmesinin ardından modellere bazı yağış senaryoları uygulanmıştır. İlk senaryoda, Türkiye'deki bölgelere Almanya'nın yağış verisi ve Almanya'daki bölgeye de Türkiye'nin yağış verisi uygulanmıştır. Türkiye'de yağış miktarı Almanya'dakinden daha fazladır ancak Almanya'da da yağışlı gün sayısı, yani yağış yoğunluğu Türkiye'dekinden daha fazladır. Bu yolla bölgelerin pik yağışlara ve kümülatif yağışlara nasıl tepki verdikleri incelenmiştir. Bir sonraki adımda, bölgelerin 1-Dakika çözünürlüklü verileri onar onar ve altmışar altmışar toplanarak aynı zaman aralığında 10-Dakika ve 1-Saat'lik yeni yağış verileri elde edilmiştir. Bu yolla da bölgelerin, yağış verilerine aynı zaman diliminde nasıl yanıt verdiği gözlemlenmiştir. Son olarak, tüm meteorolojik senaryoların ardından, bölgelerin altyapı ağlarında bazı fiziksel modifikasyonlar uygulanmıştır. Urbano programının yardımıyla bazı boruların çaplarında, kotlarında veya eğimlerinde bazı değişiklikler yapılarak sistemlerde iyileştirmenin mümkün olduğu gözlemlenmiştir.Çalışmanın sonucunda, 1-Saat çözünürlüklü verinin taşma modellemesinde yetersiz kaldığı ve 1-Dakika çözünürlüklü verinin de sonuçları net bir şekilde inceleyebilmek için çok küçük bir çözünürlük olduğu gözlemlenmiştir. Söz konusu boyutlardaki bölgeler için en doğru sonuçların 10-Dakika çözünürlüklü veriyle elde edilebileceğine karar verilmiştir. Simülasyonlar sonucu elde edilen grafiklerle reelde gerçekleşen taşma olaylarının uyumlu bir tutum sergilediği görülmüş ve böylelikle bu karar doğrulanmıştır. Böylelikle projelendirme esnasında seçilen meteorolojik verinin çözünürlüğünün bu hususta oldukça önemli bir yeri olduğu, kullanılacak verinin seçiminde çok dikkatli olunması gerektiği görülmüştür. Diğer taraftan, İstanbul'daki bölgelere Dresden'in yağış verisi uygulandığında, bu bölgelerin kümülatif yağışları daha iyi karşılayabildiği görülmüştür. Orijinal durum ve senaryo verisi ile yapılan simülasyonların sonuçları arasındaki fark oldukça büyüktür. Bununla birlikte, Dresden'deki bölgeye İstanbul'un yağış verisi uygulandığında, orijinal durum ve senaryo verisi ile yapılan simülasyon sonuçları arasındaki fark, o kadar da büyük olmamıştır. Daha az yağış miktarına göre projelendirilmesine rağmen Dresden'deki bölge, İstanbul'un pik yağışlarını da iyi bir şekilde karşılayabilmiştir. Bu sonuçlara bakılarak yeşil alanın sebep olduğu geçirimlilik düzeyinin ne kadar önemli olduğu anlaşılabilmektedir. Şehirleşmede akış katsayısı dikkate alınarak projelendirme yapılması gerekmektedir. Yerleşim kapasitesi, çevresel etki, yeşil alan vb. dikkate alınarak bir katsayı limiti belirlenip, bu limitin aşılmaması sağlanmalıdır, zira zemin geçirgenliğinin yüksek olması, havzanın daha yüksek miktardaki yağışlara bile karşılık verebilmesini sağlamaktadır. Diğer taraftan, projelendirmede debi hesabı yapılırken yalnızca kümülatif yağışlar değil, pik yağışlar da dikkate alınarak daha dayanıklı bir yağmur suyu toplamı sisteminin oluşturulabileceği sonucuna varılabilir.1-Dakika çözünürlüklü verilerin 10-Dakika ve 1-Saat çözünürlüğe genişletilmesi ile elde edilen yeni yağış verilerinin modellere uygulanmasıyla, zaman periyodundan bağımsız olarak, en iyi sonuçların yine 10-Dakika çözünürlüklü veri ile elde edilebileceği görülmüştür. Bu durumda, zaman aralığının veya simülasyon yapılan tarihin bu kapsamda bir etkisinin olmadığı sonucuna varılmıştır.Son olarak, Urbano programı ile yapılan modifikasyonlar sonucunda, mevcut durumda bile sistemlerin iyileştirilmesinin mümkün olduğu gösterilmiştir. Sistemdeki zayıf kısımlar, örneğin ağırlıklı olarak hangi bacalarda taşma oluştuğu, taşmaların miktarları, hangi şiddette yağışlarda meydana geldikleri, hangi boruların iletimde yetersiz kaldığı gibi bilgiler bu tür programlarla tespit edilerek gerekli düzeltmeler sağlanabilmektedir. Belediyeler, bu programlar yardımıyla altyapı sistemlerinde iyileştirici bazı çalışmalar yürüterek şehirdeki hayatı daha kaliteli ve konforlu hale getirmelidir.Bunların dışında, kullanılan verilerin doğruluğu, en önemli husus olarak belirtilebilir. Özellikle altyapı verilerindeki yanlışlıklar ve eksiklikler çalışmanın güvenilirliğini doğrudan etkilemekle birlikte, sonuçların olması gerekenden farklı çıkmasına yol açabilir. İlgili birimler tüm verileri doğru, eksiksiz ve de güncel olarak bulundurmak zorundadır.Yapılan çalışma sonucunda, şehirde artan nüfus ve yapılaşmayla birlikte altyapı sistemlerine yapılan eklemelerin, geçici olarak bir çözüm sağlamış olsalar da, daha geniş bir perspektiften bakıldığında sistemleri daha da karmaşıklaştırarak kalıcı sorunlara yol açtıkları görülmüştür. Karmaşıklaşan sistemler, gün geçtikçe düzeltilemeyecek boyutlara ulaşmakta ve daha büyük problemlerin oluşmasına sebep olmaktadır. Bunun yanı sıra yeşil alanların tahrip edilerek geçirimli yüzeylerin yok edilmesi, bu sistemlere binen yükü arttırmakta ve yağış rejiminde oluşabilecek herhangi bir değişikliğe karşı toleransı azaltmaktadır. Şehrin geleceği için planlamaların daha ileri görüşlü, çevre korumacı ve sürdürülebilir bir yaklaşımla ele alınması gerekmektedir.

Recently, the rapid rise of the human population, the increase in construction and industrialization put pressure on the environment. Unplanned and unsustainable settlements, improper land use disrupt the natural flow of the environment and create increasingly difficult problems. This deterioration in the environment causes global warming and also flood disasters. This has a negative impact on people's standard of living and may even lead to casualties.With this approach, three regions (Uskudar, Kadikoy and Umraniye) where frequent floodings occur in Istanbul and a region in Dresden (Lockwitz) where big flooding disasters occurred in the past were identified and the existing rainwater collection systems of these regions were modeled on SWMM. In order to make modeling on SWMM, the data obtained in Microstation format were converted to SWMM format by using Civil 3D and Urbano programs. Because it was not possible to convert the data in .dgn format to .inp format. The corruption in the data during these transformations as well as the deficiencies and inaccuracies in the raw data were corrected manually. As a result of simulating the models, it was aimed to investigate at which points especially the overflows occurred in these systems and what the reasons are. In the simulations, besides the infrastructural data, the rainfall data in 1-Hour, 10-Minutes and 1-Minute resolutions has been used and it was observed how the models react to different resolutions of rainfall data and also the responses of the models in the regions of Istanbul and Germany were compared. 1-Hour resolution data covers 4 years period between 01.01.2014 and 31.12.2017, 10-Minutes resolution data covers 9 months period between 01.01.2018 and 20.09.2018 and 1-Minute resolution data covers 1 month period between 01.12.2018 and 31.12.2018. After seeing the present situation, some rainfall scenarios have been applied to the models. The first scenario was applying the rainfall data of Germany to the regions in Turkey and applying the rainfall data of Turkey to the region in Germany. In Turkey, the rainfall amount is higher than in Germany, however, the number of rainy days is higher in Germany than in Turkey. In this wise, it was aimed to see how to react the regions to the peak amount of rainfalls and cumulative rainfalls. On the next step, numbers in each minute in 1-Minute resolution data were summed up in tens and sixties, thus it was obtained 10-Minutes and 1-Hour resolution data in the same time period. In this wise, it was aimed to see how the models react at the same time range. Finally, after all the meteorological scenarios, some physical modifications were made on the networks. With Urbano software, some of the pipes' diameters, elevations or slopes have been changed and some optimizations could be possible. As a result of the study, it was observed that 1-Hour resolution rainfall data was insufficient for flooding modeling, and 1-Minute resolution is a very small resolution to investigate the results clearly. The most optimistic results could be obtained by 10-Minutes resolution data and it was determined that this resolution type is the most proper one for the regions that have these sizes.On the other hand, when the rainfall data of Dresden was applied in the regions in Istanbul, it was seen that the networks in these regions could respond better to cumulative rainfall. Between the simulation results in the original case and in scenario case, there was a big difference. Besides that, when the rainfall data of Istanbul was applied in the region in Dresden, there was not a that big difference between these cases. The region in Dresden could respond well to the peak rainfall amounts of Istanbul even though the network was planned for less amount of rainfall. After these results, it could be considered how important the green area is. With more permeable grounds, it is more possible to respond to more amount of rainfall. When the 1-Minute resolution data was expanded as 10-Minutes and 1-Hour resolution data and applied to the models, it was seen that regardlessly of the time period, the most optimistic results can be obtained with 10-Minutes resolution data again. It is not important how the time range is or the dates. At last, after the physical modifications by Urbano software, it was demonstrated that even in the current situation, it is possible to optimize the systems. To make life in the city more qualified and comfortable, municipalities can carry some works on the infrastructural systems.The most important of these issues is the accuracy of the data used. Especially, inaccuracies and deficiencies in infrastructure data directly affect the reliability of the study, at the same time the results may be different from what supposed to be. Administrations should keep all the data accurate, consummate and also actual.