Batman Barajı’nın Yıkılması Durumunda Mansapta Taşkın Riskinin İki Boyutlu Hidrolik Modelleme ve Uydu Verileri ile Analizi

Abstract

Baraj yıkılmalarına bağlı taşkınların mansap bölgesine etkilerinin belirlenmesi afete hazırlık çalışmaları için önem arz etmektedir. Bu çalışmada, Batman Barajı’nın yıkılması durumunda mansabındaki yerleşim yerlerinin taşkın risk durumu incelenmiştir. Çalışma, HEC-RAS modeli içerisinde bütünleşik çalışan iki aşamadan oluşmaktadır. İlk aşamada, trapez gediklenerek baraj yıkılması sonucu oluşacak taşkın hidrografı elde edilmiştir. İkinci aşamada, taşkının Batman Nehri ve civarında yayılım simülasyonu 2 Boyutlu hidrodinamik modeli ile yapılmıştır. Modelin en önemli girdisi olan arazi bilgisi, 30 m mekânsal çözünürlüklü SRTM ve 12,5 m mekânsal çözünürlüklü ALOS-PALSAR uydu ürünü Sayısal Yükseklik Modeli (SYM) verilerinden temin edilmiştir. Elde edilen sonuçlar (su derinliği, su hızı, varış süresi ve tehlike haritaları) Harita Genel Müdürlüğünden sağlanan 5 m mekânsal çözünürlüklü Sayısal Arazi Modeli (SAM) tabanlı referans model sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Taşkın debisi 3-4 saat içerisinde Batman Havaalanı’na varmakta ve nehir yatağında su hızları 5 -10 m/s arasında değişmektedir. Uydu ürünü SYM tabanlı modeller referans modele yakın (R2=0.79) sonuçlar üretebilmektedir. Maksimum su seviyesi F-indeks performansına göre referans model ile aralarındaki uyum %92 mertebesindedir. SRTM uydusu düşük mekânsal çözünürlüğüne rağmen ALOS-PALSAR’a göre düşük/benzer hata değerine (RMSE ve MAE) sahiptir. Taşkın debisinin şehre ulaşmadığı, fakat Atıksu Arıtma tesisi ile Batman Havaalanına kısmi etki edebileceği; kırsal bölgede 10.985 kişinin taşkın riski altında olacağı öngörülmektedir.

Keywords

• Taşkın
• Baraj Yıkılması
• 2-Boyutlu Hidrolik Modelleme
• Batman Şehri
• Afet

Analysis of Downstream Flood Risk in the Failure of Batman Dam with Two-Dimensional Hydraulic Modeling and Satellite Data

Abstract

It is important to determine the flood effects due to dam break on the downstream region for disaster preparedness studies. In this work, the flood risk potential of the residential area located downstream of Batman Dam was investigated. The study consists of two phases which are integrated within the HEC-RAS model. In the first stage, the flood hydrograph as a result of the dam break was obtained considering a trapezoidal breaching of the dam body. In the second stage, the propagation of the flood was simulated in the Batman River and its nearby area using a 2-Dimensional hydrodynamic model. Terrain information, which is the most important input of the model, was obtained from Digital Elevation Model (DEM) based satellite product data using SRTM with 30 m spatial resolution and ALOS-PALSAR with 12.5 m spatial resolution. The results (water depth, water speed, arrival time and hazard maps) were compared with the 5 m spatial resolution Digital Surface Model (DSM) based reference model results provided by the General Directorate of Maps. The flood reaches Batman Airport within 3-4 hours and the water velocities in the river bed vary between 5-10 m/s. Satellite DEM-based models can produce results close to the reference model (R2=0.79). According to the maximum water level F index performance, the similarity between the reference model is around 92%. Despite its low spatial resolution, SRTM satellite has lower/similar error values (RMSE and MAE) compared to ALOS-PALSAR. The flood does not reach the city, but it may have a partial effect on the Wastewater Treatment plant and Batman Airport. Also, it is predicted that 10,985 people in rural areas will be affected by the flooding risk.

Keywords

• Flood
• Dam Break
• 2-Dimentional Hydraulic Modeling
• Batman City
• Disaster

References

1. Arnell N. W., Goslin, S. N., (2016), The impacts of climate change on river flood risk at the global scale. Climatic Change, 134(3), 387-401.
2. Azizian A., Brocca L., (2020), Determining the best remotely sensed DEM for flood inundation mapping in data sparse regions, International Journal of Remote Sensing, 41(5), 1884-1906.
3. Bates P. D., De Roo A. P. J., (2000), A simple raster-based model for flood inundation Simulation, Journal of Hydrology, 236(1-2), 54-77.
4. Cook A., Merwade V., (2009), Effect of topographic data, geometric configuration and modeling approach on flood inundation mapping, Journal of Hydrology, 377(1-2), 131-142.
5. Çeliker M., Koçer N. N., Yıldız O., (2020), Bingöl il merkezinde taşkın yayılım alanlarının coğrafi bilgi sistemleri ve HEC-RAS ile belirlenmesi, Doğal Afetler ve Çevre Dergisi, 6(2), 354-365.
6. de Moel H., van Alphen J., Aerts J., (2009), Flood maps in Europe-methods, availability and use, Natural Hazards and Earth System Sciences, 9(2), 289-301.
7. DSİ, (2016), Türkiye’nin hidroelektrik santralleri, Uluslararası Büyük Barajlar Komisyonu Milli Kongresi, ss.136.
8. Duvan A., Yıldız O., (2020), Kapulukaya barajı olası yıkılma sonrası taşkın etkilerinin araştırılması, Mühendislik Bilimleri ve Araştırmaları Dergisi, 2(2), 1-10.

9. Efe H., Önen F., (2015), Batman Çayı’nın taşkın analizinin HEC-RAS programıyla yapılması, Mühendislik Dergisi, 6(2), 83-92.
10. Elçi Ş., Tayfur G., Haltaş İ., Kocaman B., (2017), Baraj yıkılması sonrası iki boyutlu taşkın yayılımının yerleşim bölgeleri için modellenmesi, Teknik Dergi, 28(3), 7955-7975.
11. Ercanoğlu P. D., (2016), Yenice ve Karabük arasındaki alanın taşkın ve heyelan potansiyelinin değerlendirilmesi ve bölgesel tehlike haritalarının üretilmesi, Final Raporu, TÜBİTAK 1001, Proje No: 113Y455, Ankara.
12. Froehlich, D. C., (2008), Embankment dam breach parameters and their uncertainties, Journal of Hydraulic Engineering, 134(12), 1708-1721.
13. Güney M. S., Tayfur G., Bombar G., Elci S., (2014), Distorted physical model to study sudden partial dam break flows in an urban area, Journal of Hydraulic Engineering, 140(11), 05014006. doi:10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0000926.
14. Haltas I., Tayfur G., Elci S., (2016a), Two-dimensional numerical modeling of flood wave propagation in an urban area due to Ürkmez dam-break, İzmir, Turkey, Natural Hazards, 81(3), 2103-2119.
15. Haltas I., Elçi S., Tayfur G., (2016b), Numerical simulation of flood wave propagation in two-dimensions in densely populated urban areas due to dam break, Water Resources Management, 30(15), 5699-5721.
16. Karim I. R., Hassan Z. F., Abdullah H. H., Alwan I. A., (2021), 2D-HEC-RAS modeling of flood wave propagation in a Semi-Arid Area due to dam overtopping failure, Civil Engineering Journal, 7(9), 1501-1514.
17. Kim D. E., Liong S. Y., Gourbesville P., Andres L., Liu J., (2020), Simple-yet-effective SRTM DEM improvement scheme for dense urban cities using ANN and remote sensing data: application to flood modeling. Water, 12(3), 816. doi: 10.3390/w12030816.
18. Khojeh S., Ataie-Ashtiani B., Hosseini S. M., (2022), Effect of DEM resolution in flood modeling: a case study of Gorganrood River, Northeastern Iran, Natural Hazards, 2022(112), 2673-2693.
19. Liu Z., Merwade V., Jafarzadegan K., (2019), Investigating the role of model structure and surface roughness in generating flood inundation extents using one‐and two‐dimensional hydraulic models, Journal of Flood Risk Management, 12(1), doi: 10.1111/jfr3.12347.
20. Mukolwe M. M., Yan K., Di Baldassarre G., Solomatine D. P., (2016), Testing new sources of topographic data for flood propagation modelling under structural, parameter and observation uncertainty, Hydrological Sciences Journal, 61(9), 1707-1715.
21. Muthusamy M., Casado M. R., Butler D., Leinster P., (2021), Understanding the effects of Digital Elevation Model resolution in urban fluvial flood modelling, Journal of Hydrology, 596, 126088. doi: 10.1016/j.jhydrol.2021.126088.
22. Oğuz K., Oğuz E., Coşkun M., (2016), Coğrafi bilgi sistemleri ile taşkın risk alanlarının belirlenmesi: Artvin ili örneği, 4. Ulusal Taşkın Sempozyumu, Rize, ss.1-24.
23. Özgenç-Aksoy A., (2019), Baraj yıkılması durumunda mansap bölgesi bitki örtüsünden kaynaklı pürüzlülüğün taşkın dalgası yayılımı üzerine etkisinin deneysel ve sayısal olarak araştırılması, Final Raporu TÜBİTAK 1001, Proje No: 116M217, İzmir.
24. Patro S., Chatterjee C., Mohanty S., Singh R., Raghuwanshi N. S., (2009), Flood inundation modeling using MIKE FLOOD and remote sensing data, Journal of the Indian Society of Remote Sensing, 37(1), 107-118.
25. Papaioannou G., Efstratiadis A., Vasiliades L., Loukas A., Papalexiou S. M., Koukouvinos A., Tsoukalas, I., Kossieris P., (2018), An operational method for flood directive implementation in ungauged urban areas, Hydrology, 5(2), 24. doi: 10.3390/hydrology5020024.
26. Psomiadis E., Tomanis L., Kavvadias A., Soulis K. X., Charizopoulos N., Michas S., (2021), Potential dam breach analysis and flood wave risk assessment using HEC-RAS and remote sensing data: A multicriteria approach, Water, 13(3), 364. doi: 10.3390/w13030364.
27. Qi H., Altinakar M. S., (2012), GIS-based decision support system for dam break flood management under uncertainty with two-dimensional numerical simulations, Journal of Water Resources Planning and Management, 138(4), 334-341.
28. Quirogaa V. M., Kurea S., Udoa K., Manoa A., (2016), Application of 2D numerical simulation for the analysis of the February 2014 Bolivian Amazonia flood: Application of the new HEC-RAS version 5, Ribagua, 3(1), 25-33.
29. Spence A., Poortinga W., Butler C., Pidgeon N. F., (2011), Perceptions of climate change and willingness to save energy related to flood experienc, Nature Climate Change, 1(1), 46-49.
30. Şensoy A., Uysal G., Şorman A. A., (2018), Developing a decision support framework for real‐time flood management using integrated models, Journal of Flood Risk Management, 11, 866-883.
31. Tayfur G., (2013), Baraj Yıkılması sonucu oluşan taşkının deneysel ve nümerik metodlar ile araştırılması-gerçek barajlara CBS ortamında uygulanması, Final Raporu, TÜBİTAK 1001, Proje No: 110M240, İzmir.
32. Tayefi V., Lane S. N., Hardy R. J., Yu D., (2007), A comparison of one‐and two‐dimensional approaches to modelling flood inundation over complex upland floodplains, Hydrological Processes: An International Journal, 21(23), 3190-3202.
33. Taş E., (2022), Coğrafi bilgi sistemleri ve uzaktan algılama yardımıyla hidrolojik ve taşkın modellemesi karar destek sistemi, Doktora Tezi, Afyon Kocatepe Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Afyon.
34. Tedla M. G., Cho Y., Jun K., (2021), Flood mapping from dam break due to peak inflow: a coupled rainfall-runoff and hydraulic models approach, Hydrology, 8(2), 89. doi: 10.3390/hydrology8020089.
35. URL-1, (2021), Türkiye’nin ilkim değişikliği uyum stratejisi ve eylem planı, T. C. Çevre ve Şehircilik Bakanlığı, https://webdosya.csb.gov.tr/db/iklim/editordosya/file/eylem%20planlari/uyum_stratejisi_eylem_plani_TR.pdf, [Erişim 16 Mayıs 2021].
36. URL-2, (2021), Google Earth, https://earth.google.com/web/@38.1080977,41.21042536,587.67602142a,3938.96032624d,35y,-2.00463976h,74.08192465t,0r/data=CjwaOhI0CiUweDQwMGI0ZmMwZDdlZmRmZTU6MHg2MDU1ODFlZmQ5ODM2ZjU4KgtCxLHDp2Frw6fEsRgBIAE, [Erişim 20 Ekim 2021].
37. URL-3, (2021), Yükseklik verileri (GRİD), T. C. Milli Savunma Bakanlığı, Harita Genel Müdürlüğü, https://www.harita.gov.tr/urun/ sayisal-yuzey-modeli-sym-5-m/1, [Erişim 20 Ekim 2021].
38. URL-4, (2021), NASA Earth Data, ASF data search. https://search.asf.alaska.edu/#/?zoom=5.463¢er=35.490,36.970, [Erişim 20 Ekim 2021].
39. URL-5, (2021), USGS Earth Explorer, https://earthexplorer.usgs.gov/, [Erişim 20 Ekim 2021].
40. URL-6, (2021), ESA. ESA world cover project 2021. https://viewer.esa-worldcover.org/worldcover/?language=en&bbox= 39.774614472282515,37.44782692969076,42.00440783770242,38.66990010042235&overlay=false&bgLayer=MapBox_Satellite&date=20220418&layer=WORLDCOVER_2020_MAP, [Erişim 2 Ekim 2021].
41. USACE, (2014), Using HEC-RAS for Dam-Break studies, Report No: TD-39, USACE, pp. 1-74. https://www.hec.usace.army.mil/ publications/TrainingDocuments/TD-39.pdf, [Erişim 16 Mayıs 2021].
42. USACE HEC, (2021), HEC-RAS River Analysis System User's Manual, Version 6.0, https://www.hec.usace.army.mil/confluence/ rasdocs/rasum/6.0, [Erişim 16 Mayıs 2021].
43. Wilby R. L., Beven K. J., and Reynard N., (2008), Climate change and fluvial flood risk in the UK: more of the same?, Hydrological Processes, 22(14), 2511-2523. doi:10.1002/hyp.v22:14.
44. Zhang L. M., Xu Y., Jia J. S., (2009), Analysis of earth dam failures: A database approach, Georisk, 3(3), 184-189.