Steady Flow Analysis Using HEC-RAS Hydrodynamic Model: Case of Nevşehir Province, Turkey

Abstract

The stream bottom topography and flow measurement data at seven different sampling point on the Kızılırmak River in the Nevsehir province are obtained within the scope of the project titled “Analysis of Sediment Transport and Accumulation in the Kızılırmak Basin using Field Studies and Numerical Models”, completed in 2017 which was supported by the Nevsehir Haci Bektas Veli University Scientific Research Projects Unit. The project area compromises a 32.472km long path with an irregular cross section, from Gülşehir, to Sarıhdır Village on Kızılırmak River. A hydrodynamic model was created by using US Army Corps of Engineers, Hydrologic Engineering Center's (CEIWR-HEC) River Analysis System (HEC-RAS v.6.0) in order to perform one-dimensional steady flow surface profile computations. The route, elevations and cross sections of irregular main channel was derived from digital elevation maps (DEM) accomplished in the HEC-RAS Mapper portion of the software. The model calculates water depths based on the solution of the one-dimensional energy equation. Energy losses were evaluated by Manning's equation and contraction/expansion coefficient multiplied by the change in velocity head. The water depths calculated with HEC-RAS model were compared with the field measurements.

Keywords

• DEM
• Kizilirmak
• HEC-RAS
• Water surface profile

HEC-RAS Hidrodinamik Model Kullanılarak Kararlı Akım Analizi: Nevşehir, Türkiye Örneği

Öz

Nevşehir Hacı Bektaş Veli Üniversitesi, Bilimsel Araştırma Projeleri Birimi tarafından desteklenen ve 2017 yılında tamamlanan “Saha Çalışmaları ve Nümerik Modeller Kullanılarak Kızılırmak Havzasında Sediment Taşınımı ve Birikiminin Analizi” başlıklı proje kapsamında Nevşehir ili sınırları içerisinde Kızılırmak nehri üzerinde yedi farklı ölçüm noktasında akarsu taban topoğrafyası ve akım ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Proje alanı Kızılırmak nehri üzerinde Gülşehir ilçesinden Sarıhıdır köyüne kadar olan 32.472km’lik bir güzergahı kapsamaktadır. Bir boyutlu kararlı akım koşullarında su yüzü profil hesaplarını gerçekleştirmek amacıyla ABD Ordusu Mühendisler Birliği, Hidrolojik Mühendislik Merkezi (CEIWR-HEC) tarafından geliştirilmiş olan Akarsu Analiz Sistemi (HEC-RAS v.6.0) yazılımı kullanılarak bir hidrodinamik model oluşturulmuştur. Sayısal yükseklik haritaları (SYM/DEM) kullanılarak HEC-RAS yazılımının Mapper alt bileşeni ile nehrin ana kanalına ait güzergah belirlenmiş, taban kotları ve düzensiz ana kanal kesitleri modele uygulanmıştır. Model, bir boyutlu kütle korunum ve momentum eşitliklerini kullanarak kararlı akım koşullarında su derinliklerini hesaplamaktadır. Modelde, enerji kayıpları Manning eşitliği, kesit değişimlerinde ise hız yüksekliği daralma/genişleme katsayıları ile çarpılarak hesaplanmaktadır. HEC-RAS modeli ile hesaplanan su derinlikleri, ölçüm sonuçları ile karşılaştırılmıştır.

Anahtar Kelimeler

• SYM
• Kızılırmak
• HEC-RAS
• Su yüzü profili

Kaynakça

1. Acarlar, M., Acarlar, S., Adır, M., Akpınar, A., Akarsu, B. ve diğ., (2002). 1:500.000 Ölçekli Türkiye jeoloji haritası Kayseri paftası. Türkiye 1/500.000 Ölçekli Jeoloji Haritaları, No: 9, M. Şenel (Ed.), Maden Tetkik ve Arama Genel Müdürlüğü, Ankara.
2. Balas, L. & Özhan, E. (2000). An implicit three dimensional numerical model to simulate transport processes in coastal water bodies. International Journal for Numerical Methods in Fluids, 34, 307-339. Retrieved from https://doi.org/10.1002/1097-0363(20001030)34:4%3C307:: AID-FLD63%3E3.0.CO;2-T
3. Balas, L. & Cebe, K. (2021). Hydrodynamic modelling using HIDROTURK model. Turkish Journal of Water Science & Management, 5 (1), 80-107. Retrieved from https://dergipark.org.tr/tr/pub/tjwsm/issue/59870/736066
4. Bilhan, Ö. (2017). Saha Çalışmaları ve Nümerik Modeller Kullanılarak Kızılırmak Havzasında Sediment Taşınımı ve Birikiminin Analizi. Nevşehir Hacı Bektaş T.C. Veli Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinasyon Birimi Projesi, NEÜBAP14F4 numaralı BAP, 56s, Nevşehir.
5. Brunner, G. W. (2021). HEC-RAS river analysis system hydraulic reference manual. Davis: US Army Corps of Engineers, Hydrologic Engineering Center. Retrieved from https://www.hec.usace.army.mil/software/hec-ras/ documentation/HEC-RAS_6.0_Reference_Manual.pdf
6. Brunner, G. W. & CEIWR-HEC. (2021). HEC-RAS user's manual. Davis: US Army Corps of Engineers Hydrologic Engineering Center. Retrieved from https:// www.hec.usace.army.mil/software/hec-ras/documentation/ HEC-RAS%205.0%20Users%20Manual.pdf
7. Cameron, T. & Ackerman, P.E. (2012). HEC-GeoRAS, GIS Tools for Support of HEC-RAS using Arc-GIS 10, User’s Manual, version 10. Davis: US Army Corps of Engineers Hydrologic Engineering Center. Retrieved from https:// www.hec.usace.army.mil/software/hec_georas/documentation/HEC-GeoRAS_43_Users_Manual.pdf
8. Cebe, K. & Balas, L. (2016). Water quality modelling in Kaş Bay. Applied Mathematical Modelling, 40(3), 1887-1913. DOI: 10.1016/j.apm.2015.09.037

9. Chow, V. T. (1959). Open Channel Hydraulics. McGraw-Hill Book Company, NY.
10. Deltares. (2021). Delft3D-FLOW, Simulation of multi-dimensional hydrodynamic flows and transport phenomena, including sediments, User Manual, Hydro-Morphodynamics. Version 3.15. Delft.
11. DHI. (2017). A modelling system for rivers and channels. reference manual. Horsholm, Denmark. Retrieved from https://manuals.mikepoweredbydhi.help/2017/Water_Resources/Mike_11_ref.pdf
12. Doğu, A. & Yıldız, O. (2019). Kırıkkale Çoruhözü Deresi’nde Bir Boyutlu Taşkın Modellemesi. K.Ü. Uluslararası Mühendislik Araştırma ve Geliştirme Dergisi. 11. cilt (2), 748-758.
13. ESRI. (2011). ArcGIS Desktop: Release 10.2. Redlands, CA: Environmental Systems Research Institute.
14. Maharjan, L.B. & Shakya, N. M. (2016). Comparative Study of One Dimensional and Two Dimensional Steady Surface Flow Analysis. Journal of Advanced College of Engineering and Management, vol. 2.
15. NASA JPL (2013). NASA Shuttle Radar Topography Mission Global 1 arc second [Data set]. NASA EOSDIS Land Processes DAAC. Accessed 2021-11-19 from https://doi.org/10.5067/MEaSUREs/SRTM/SRTMGL1.003
16. Önal, S. (2009). Yapay Sinir Ağları Metodu ile Kızılırmak Nehri ‘nin Akım Tahmini. Yüksek Lisans Tezi, Süleyman Demirel Üniversitesi, Isparta.
17. Rossman, L. A. (2006). Storm Water Management Model Qualıty Assurance Report: Dynamic Wave Flow Routing, (Report No. EPA/600/R-06/097). U.S.E.P.A., Office of Research and Development, National Risk Management Research Laboratory, Cincinnati, OH.
18. Rossman, L. A. (2017). Stormwater Management Model Reference Manual, Volume-I Hydrology, (Report No. EPA/600/R-17/111). U.S. U.S.E.P.A., Office of Research and Development, Washington DC.
19. Tektaş, Y. & Polat, N. (2021). HEC-RAS İle Taşkın Modelleme ve Sentinel-2 Uzaktan Algılama Görüntüsünden Taşkın Hasar Analizi: Diyarbakır İli Çakmak Deresi Çınar Bölgesi Örneği. Türkiye Uzaktan Algılama Dergisi, 3 (1), 28-35. DOI: 10.51489/tuzal.924926
20. Wang, C. H. (2014). Application of HEC-RAS Model in Simulation of Water Surface Profile of River. Applied Mechanics and Materials, 641-642, 232–235. DOI:10.4028/www.scientific.net/amm.641-642.232
21. Yılmaz, C. (2005). Kızılırmak Deltasında Meydana Gelen Erozyonun Coğrafi Analizi. Türkiye Kuvaterner Sempozyumu, 2-5 Haziran 2005. İTÜ Avrasya Yer Bilimleri Enstitüsü, İstanbul.
22. Yılmaz, N., Bozkurt, H. & Bayazıt, Y. (2020). Akarsu Köprülerinin HEC-RAS Programı ile Hidrolik Analizi: Fidanlık Köprüsü Örneği. Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, 7 (2), 896-910. DOI: 10.35193/bseufbd.715657.