Investigation of the Roughness Coefficient Effect on Open Channel Flow

Abstract

With the effect of global warming in our world, rising sea levels, changing seasons and degrading the ecosystem can cause floods. Preventing floods requires good planning and projecting. The effect of roughness coefficient on open channel flow was investigated with this study. The purpose of the study is to examine the flow in the channel depending on the seasonal change of vegetation cover. This study was carried out on the Sarıhan river, which is located within Bayburt province borders. The flow was simulated using different roughness coefficients. In the study, ArcGIS and Hec-GeoRAS software were used to create a numerical model. HEC-RAS software was preferred to simulate open channel flow. The froude number, velocities in the cross section, the water level and the flow area have been seen to differences with the change of the roughness coefficient. In addition, for four different roughness coefficient values calculated in the study, critical flow rates that will cause flooding in any section of Sarıhan river were determined. In this study, the importance of roughness coefficient, which changes as a result of seasonal changes, was emphasized with this model.

Keywords

• Seasonal change
• Flood
• ArcGIS
• HEC-RAS
• Bayburt

Pürüzlülük Katsayısının Açık Kanal Akımına Etkisinin İncelenmesi

Abstract

Dünyamızda küresel ısınmanın etkisi ile deniz seviyesinin yükselmesi, mevsimlerin değişmesi ve ekosistemin bozulması sonucu taşkınlar meydana gelebilmektedir. Taşkınları önlemek için iyi bir planlama ve projelendirme gerekmektedir. Bu çalışma ile pürüzlülük katsayısının açık kanal akımına etkisi araştırılmıştır. Çalışmada amaç, mevsimsel değişim sonucu bitki örtüsünün değişmesine bağlı olarak kanaldaki akımı incelemektir. Bu çalışma, Bayburt il sınırları içerisinde kalan Sarıhan deresi üzerinde gerçekleştirilmiştir. Farklı pürüzlülük katsayıları kullanılarak akım durumları modellenmiştir. Çalışmada, sayısal modeli oluşturabilmek için ArcGIS ve Hec-GeoRAS yazılımları kullanılmıştır. Açık kanal akımını modellemek için ise HEC-RAS yazılımı tercih edilmiştir. Pürüzlülük katsayısının değişmesiyle birlikte kesit için froude sayısı, enkesit hızları ve buna bağlı olarak su seviyesi ve akış alanının değiştiği görülmüştür. Ayrıca çalışmada hesaplanan 4 farklı pürüzlülük katsayısı değeri için, Sarıhan nehrinin herhangi bir kesiminde su baskınına neden olacak kritik akış hızları belirlenmiştir. Çalışmada, mevsimsel değişimler sonucu değişen pürüzlülük katsayısının önemi model ile vurgulanmıştır.

Keywords

• Mevsimsel değişim
• Taşkın
• ArcGIS
• HEC-RAS
• Bayburt

References

1. [1] WWDR, “The United Nations World Water Development Report,” Nature-Based Solutions for Water, Unesco, France, Rap. 7, 2018.
2. [2] M. Üyüklüoğlu, B. Ünal, B. Turan, “HEC-RAS paket programı ile Manavgat ilçesi Ilıca deresi taşkın bölgesinin modellenmesi,” 4. Su Yapıları Sempozyumu, Antalya, Türkiye, 2015.
3. [3] A. Bulu, E. Yılmaz, “Serbest yüzeyli akımlarda pürüzlülük katsayısının belirlenmesi,” Türkiye Mühendislik Haberleri, c. 47, s. 420-422, ss. 79-81, 2002.
4. [4] M.S. Horritt, P.D. Bates, “Evaluation of 1D and 2D numerical models for predicting river flood inundation,” Journal of Hydrolog, c. 268, s. 1-4, ss. 87-99, 2002.
5. [5] H. Özdemir, “Taşkınların haritalanmasında Hec-GeoRAS ve Hec-RAS’ın kullanımı: Havran çayı örneği (Balıkesir),” TMMOB Harita ve Kadastro Mühendisleri Odası Ulusal Coğrafi Bilgi Sistemleri Kongresi, Trabzon, Türkiye, 2007.
6. [6] Ö. Dursun, “Murat nehrinin Elazığ ili palu ilçesi civarındaki taşkın seviyesinin belirlenmesi,” Doğu Anadolu Bölgesi Araştırmaları, c. 7, s. 1, ss. 130-133, 2008.
7. [7] J.D. Bales, C.R.Wagner, “Sources of uncertainty in flood inundation maps,” Journal of Flood Risk Management, c. 2, s. 2, ss. 139-147, 2009.
8. [8] G. Di Baldassarre, A. Castelların, A. Brath, “Analysis on the effects of levee heightening on flood propagation: example of the river Po, Italy,” Hydrological Sciences Journal, c. 54, s. 6, ss. 1007-1017, 2009.

9. [9] O. Özcan, N. Musaoğlu, D.Z. Şeker, “Taşkın alanlarının CBS ve UA yardımıyla belirlenmesi ve risk yönetimi; Sakarya havzası örneği,” TMMOB Harita ve Kadastro Mühendisleri Odası 12. Türkiye Harita Bilimsel ve Teknik Kurultayı, Ankara, Türkiye, 2009.
10. [10] D. Biondi, D.L. De Luca, “Performance assessment of a bayesian forecasting system (BFS) for real-time flood forecasting,” Journal of Hydrology, s. 479, ss. 51-63, 2013.
11. [11] S.S. Nas, E. Nas, “Taşkın alanlarının coğrafi bilgi sistemleri yardımıyla belirlenmesi ve risk analizi: Harşit çayı (Gümüşhane) örneği,” Taşkın ve Heyelan Sempozyumu, Trabzon, Türkiye, 2013, ss 405-419.
12. [12] E. Doğan, O. Sönmez, E. Yapan, K. Othan, S. Özdemir, T. Çitgez, “Aşağı Sakarya nehrinde taşkın yayılım haritalarının elde edilmesi,” SAÜ. Fen Bil. Der., c. 17, s. 3, ss. 363-369, 2013.
13. [13] C. Yerdelen, M. Mertsoy, G. Tayfur, “Rijit gövdeli bitkilerin neden olduğu manning katsayısının araştırılması,” İMO Teknik Dergi, c. 26, s. 2, ss. 7055-7076, 2015.
14. [14] H. Efe, F. Önen, “Batman çayı’nın taşkın analizinin HEC-RAS programıyla yapılması,” Dicle Üniversitesi Mühendislik Fakültesi – Mühendislik Dergisi, c. 6, s. 2, ss. 83-92, 2015.
15. [15] M.M. Ibrahim, N.B. Abdel-Mageed, “Effect of bed roughness on flow characteristics,” International Journal of Academic Research, c. 6, s. 5, ss. 169-78, 2014.
16. [16] B. Ercan, A. E. Yağcı, M. Ünsal, “Kahramanmaraş Domuz (Boğaz) Deresi Kuşaklama Kanalının HEC-RAS Modeli,” Artvin Çoruh Üniversitesi Doğal Afetler Uygulama ve Araştırma Merkezi Doğal Afetler ve Çevre Dergisi, c. 5, s. 1, ss. 58-64, 2019.
17. [17] S. Ogras, F. Onen, “Flood Analysis with HEC-RAS: A Case Study of Tigris River,” Advances in Civil Engineering, c. 2020, 2020, doi: 10.1155/2020/6131982
18. [18] İ. Uçar, “Trabzon değirmendere havzasında coğrafi bilgi sistemleri ve bir hidrolik model yardımıyla taşkın analizi yapılması,” Yüksek lisans tezi, İnşaat Mühendisliği Anabilim Dalı, Fen Bilimleri Enstitüsü, Gazi Üniversitesi, Ankara, Türkiye, 2010.
19. [19] Anonim, “Hec-geoRAS Gıs tools for support of Hec-RAS using Arc-GIS, User’s Manual Version 4.2,” US Army Corps of Engineers, Institute for Water Resources, Amerika, 2009.
20. [20] Anonim, “HEC-RAS River Analysis System” User’s Manual 6.0 Beta,” U.S. Army Corps of Engineers, Institute for Water Resources, Amerika, 2020.
21. [21] İ. Tuncer, “Açık Kanallarda Su Yüzü Profilinin Belirlenmesi, Nakkaş Dere Örneğinde Bir HEC-RAS Uygulaması,” Yüksek lisans tezi, İnşaat Mühendisliği Anabilim Dalı, Fen Bilimleri Enstitüsü, Gazi Üniversitesi, Ankara, Türkiye, 2011.
22. [22] Anonim, “Bayburt ili 2015 yılı çevre durum raporu,” Bayburt Çevre ve Şehircilik İl Müdürlüğü Çed ve Çevre Hizmetleri Şube Müdürlüğü, Türkiye, 2016.
23. [23] Anonim, “Dere yatakları için pürüzlülük katsayısı belirleme kılavuzu,” DSİ, Ankara, Türkiye, 2015.
24. [24] W. L. Cowan, “Estimating hydraulic roughness coefficients,” Agricultural Engineering, c. 37, s. 7, ss. 473-475, 1956.