Modeling of hydrodynamics and sedimentation in a stratified reservoir: Tahtali reservoir, Izmir

Abstract

Bu çalışmada, yaz aylarında hava sıcaklıklarındaki artış ile birlikte yoğun tabakalaşmaya maruz kalmış bir baraj gölünün hidrodinamiği, nümerik model kullanarak incelenmiştir. Su çekilme etkileri ve beklenen iklim değişikliklerinin tabakalaşma üzerindeki etkisi araştırılmış ve parçacıkların taşınımı ile birikme yerleri de modellenmiştir. Nümerik model olarak, 3 boyutlu bir program olan EFDC (Çevresel Akışkanlar Dinamiği Kodu) kullanılmıştır. Çalışma alanı olarak, İzmir ilinin % 40'ının içme suyunun karşılayan Tahtalı Baraj Gölü seçilmiştir. Uygulanan nümerik model, aylık akım hızı ve su sıcaklığı ölçümleri ile doğrulanmıştır.Arazi ölçümleri, Temmuz 2006 ile Eylül 2007 tarihleri arasında yapılmıştır. Akım hızı, sıcaklık profili ve derinlik ölçümlerinde, akustik metot ile çalışan aletler tercih edilmiştir. Çalışmada kullanılacak olan meteorolojik veriyi toplamak üzere, göl kenarına meteoroloji istasyonu kurulmuştur. Kullanılan nümerik model, akım ve sıcaklık profillerini başarılı bir şekilde tahmin etmiştir. Oluşan farklılıkların sebepleri de araştırılmıştır. Çıkan nümerik model sonuçları, akım hızlarının rüzgâr şiddetinden önemli ölçüde etkilendiğine ve hassas rüzgâr ölçümlerinin model sonuçlarını çok daha doğru bir noktaya taşıyacağına işaret etmiştir. Su çekilme etkisinin araştırılması sonucunda, en alttaki kapaktan su çekilmesinin, su sütununda en fazla karışımı yarattığı saptanmıştır. Olası iklim değişikliği modellenerek, hava sıcaklıklarındaki artışın su sütunundaki tabakalaşmayı arttıracağı ve sonuç olarak göl su kalitesini düşüreceği saptanmıştır. Parçacık taşınımı ve birikme yerleri, nümerik model yardımi ile araştırılmış ve havzada uzun dönemde oluşan erozyon miktarı da USLE metodu ile hesaplanmıştır.Yapılan bu çalışma, ileride yapılacak olan su kalitesi ile ilgili modelleme çalışmalarına ışık tutacaktır ve sürdürülebilir havza yönetimi için rehber oluşturacaktır.

The main goal of this study was to investigate the hydrodynamics of a stratified reservoir for different flow and weather conditions through numerical modeling. This study also investigated the effects of selective withdrawal, climate change, and sediment deposition on hydrodynamics. A three-dimensional numerical model, Environmental Fluid Dynamics Code (EFDC) has been selected in the present study to model the hydrodynamics in the lake. The study site was selected as the main pool of Tahtali Reservoir providing 40% of the water used in the city of İzmir (Population: 3.4 million by 2000). Applied numerical model was validated by monthly observations of water velocity and temperature profiles.Field measurements were performed from July 2006 to September 2007 in the lake and in two rivers (Şaşal and Tahtali). The water velocity measurements in the lake were made using a 1.5-MHz acoustic Doppler current profiler. For water temperature and quality measurements, a hand-held water quality meter with a depth sensor were used for both lake and river measurements. Furthermore, a weather station was set up by the lake in order to collect accurate data for wind conditions in the study site.The numerical model predicted the observed velocity profiles and temperature time series satisfactorily. Possible reasons for discrepancies were investigated. Numerical model results indicated that water velocities were strongly dominated by the wind data and correct measurement of wind stress on the lake surface is necessary for accurate prediction of velocities in the water column. Withdrawal of the water at the bottom outlet was found to be the most effective choice encouraging the mixing of the water column. Possible climate change impacts modeled numerically indicated that the thermocline depths were lowered in the water column causing the deterioration of water quality. Sedimentation thickness was estimated via numerical modeling and the long term erosion rate was calculated by USLE method. Modeling the sedimentation zones provided valuable information on the capacity of the reservoir. The results of this study can be used to guide the further investigations in the lake including modeling of water quality for better management practices.