T.C. HARRAN ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ İNŞAAT MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
0501410 HİDROLOJİ DERS NOTLARI
YRD. DOÇ. DR. KASIM YENİGÜN ARŞ. GÖR VEYSEL GÜMÜŞ
ŞANLIURFA 2009 1
1. GİRİŞ Hidroloji ve Hidrolik’in temeli sudur. Hidroloji suyun özelliklerini, suyun hareketini ve dünya üzerindeki döngüsünü inceler. Yeryüzündeki yaşam kaynaklarının temelini su oluşturur. Bu nedenle kısaca söylemek gerekirse su hayattır; dolayısıyla su ile toplum kalkınması birbirine bağlıdır. Bu yüzden su kaynaklarının doğru kullanımı kalkınmanın temeli ve toplumun en öncelikli sorunudur. Çünkü su kaynakları sınırsız olmadığı gibi kirlenme ve yanlış kullanma ile kolayca elden çıkarılabilir. Su, bir zamanlar sonsuz kere yenilenebilir ve bol bir kaynak olarak görüldü ama bugün su dünyanın bir çok yerinde kıt bulunan bir kaynaktır. Bugün için yeterli tatlı su kaynaklarına sahip olan ülkelerde bile, artan ihtiyaç, kirlenme ve aşırı kullanma su teminini riske sokmaktadır. Kalkınmakta olan ülkelerde tatlı su ihtiyacı, tarım, endüstri ve kentsel gelişmedeki hızlı büyümeye bağlı olarak kararlı bir şekilde artmaktadır. Küresel ısınma ve dünya su döngüsündeki iklimsel değişimlerin potansiyel etkileri ile sorunlar katlanmakta, kullanmaya hazır tatlı suyun gelecekteki varlığının daha önce hiç olmadığı kadar riskli olacağı görülmektedir. Fakat bu tehditlerin yanı sıra birlikte çalışma ve somut çözümler bulma fırsatları da ortaya çıkmaktadır. Birleşmiş Milletler Genel Kurulu, her yılın 22 Mart gününün, "Dünya Su Günü" olarak anılmasını kararlaştırmıştır. Yaşamın başlangıcından bugüne kadar insanlar daima ihtiyaçları doğrultusunda dünyanın birçok farklı alanlarına yerleşmiştir. Ve yaşam yıllar boyunca insanlığın gelişmesi ve ilerlemesiyle birlikte akışını sürdürmüştür. Bu akış genellikle insanların ihtiyaçları doğrultusunda yönlenmiştir. Bunlardan en önemlisi ise yaşamını sürdürebilmesi için gerekli olanları sağlamaktır. Yaşam kaynağı olarak gösterilen su her zaman canlılar için birinci sırayı almıştır. Bu nedenle insanlar temel ihtiyaçlarından dolayı genel olarak suya yakın bölgeleri tercih etmişler ve bu bölgelerde yaşamlarını sürdürmüşlerdir. Dünya genelinde bu konuyu ele alacak olursak görülüyor ki en büyük kentler ve yerleşim alanları akarsu, göl, deniz vb. su potansiyelinin fazla olduğu yerlerde kurulmuş ve gelişmiştir. Bunun en güzel örneği İstanbul, NewYork, Paris, Venedik vb. büyük şehirler sayılabilir. Hidrolojinin Tanımı Yer kürede (yani yeryüzünde, yer altında ve atmosferde) suyun çevrimini, dağılımını, fiziksel ve kimyasal özelliklerini, çevreyle, insanlar ve canlılarla karşılıklı ilişkilerini inceleyen temel ve uygulamalı bilime Hidroloji adı verilir. Suyun hareketini inceleyen hidroloji biliminin teknikteki uygulamasına Hidrolik denir. Suyun sadece hareketini ve hareketi ile ilgili kanunları inceleyen bilime ise Hidromekanik denir. Bu tanımıyla hidroloji diğer birçok bilimlerin alanlarına da girmektedir. Disiplinler arası bir niteliği olan Hidroloji bilimi Matematik, Fizik ve Kimya gibi bilimlerle yakın bir ilişki içindedir. Hidrolojiyle diğer bilimler arasındaki sınırları kesin olarak çizmek çok güçtür. Ancak atmosferdeki suyu inceleyen ana bilim dalı Meteoroloji, denizlerdeki suyu inceleyen ana bilim dalı Oşinografi, yerin derinliklerindeki suyu inceleyen ana bilim dalı Jeoloji ve Zemin Fiziği olarak söylenebilir. 1.2 Hidrolojinin İnşaat Mühendisliğindeki Yeri Ve Önemi Bugün suyun kontrolü ve kullanılması ile ilgili olarak yapılan mühendislik çalışmaları su kaynaklarının geliştirilmesi adı altında toplanmaktadır. Bu çalışmaların amaçları şu şekilde sınıflandırılabilir:
2
1. Suyun kullanılması amacıyla yapılan çalışmalar:su getirme,sulama,hidroelektrik, akarsularda ulaşım gibi. 2. Su miktarının kontrolü amacıyla yapılan çalışmalar:taşkınların önlenmesi,kurutma tesisleri, kanalizasyon tesisleri gibi. 3. Su kalitesini kontrolü amacıyla yapılan çalışmalar: Suyun kirlenmesinin önlenmesi. Suyun korunması, arıtılması ve tasfiye işlemleri vb. 1.3 Suyun Değişik Fiziksel Halleri Saf su lezzetsiz, kokusuz ve renksizdir. Kalın tabakalar halindeyken mavimsi görülür. Ayrıca Demir iyonları [Fe+3] ve Kalsiyum bikarbonat [ Ca(HCO3)2] yeşil, humus maddeleri ise suya sarı esmer renk verirler. Su bir atmosfer basınçta ve 0 °C de donar, 100 °C de kaynar. Bir çok fiziksel sabitler suya göre tarif ve tespit edilmişlerdir. Örneğin +4 °C de 1 cm3 suyun kütlesi 1 gram olarak alınmıştır ve 1 g suyun sıcaklığını 14.5 °C’ dan 15.5 °C’ a çıkarmak için gerekli ısı miktarı 1 kalori olarak kabul edilmiştir. +4 °C’ da suyun yoğunluğu 1 kabul edilerek diğer maddelerin yoğunlukları buna göre tespit edilmiştir. Su 0 °C de donarken, yoğunluğu azalır ve hacmi artar. Bu artış %10 kadardır. Eğer böyle olmasaydı soğuk su göllerin ve denizlerin dibine inerek buz haline gelirdi. Buz, yüzeyde daha sıcak su bulunduğundan çözülmezdi. Bu durumda bir kaç sene içinde yeryüzünde bulunan suyun büyük bölümü buz haline dönüşürdü. Oysa +4 °C’nin altında yoğunluk azalacağından hacim artar. Buz üste çıkarak toplanır ve suyun daha fazla soğumasını önler. Suyun bu özelliği şu sonuçlan doğurur. Ilıman
bölgelerde göl sularının sonbahar ve ilkbahardaki sirkülasyonunu sağlar. Kışın don olayları sırasında suyun kıyılar üzerindeki parçalayıcı etkisi oluşur. Soğutma suyu ile çalışan taşıtlarda antifriz kullanılmadığı zamanlarda radyatörlerde meydana gelen çatlamalara neden olur. (d)
1,00005 1,00003 1,00000 0,99998 0,99995 0,99993 0,99990 0,99988 0,99985
(t ºC)Sıcaklık
0,99983 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Grafik 1.1 Suyun Yoğunluğunun (d) Sıcaklıkla (t ºC) Değişimi
Suyun buharlaşma noktası büyük ölçüde basınca bağlıdır. Suyun buhar basıncı temperatürün artması ile yükselir ve dış basınca eşit olunca su kaynar. Suyun kaynama noktasının basınç ile değişimi Grafik 1.1’de verilmiştir. Tablo 1.1 Suyun kaynama noktasının basınç ile değişimi
Basınç (kN/m2) Kaynama Noktası (t °C)
1 7
10 46
100 100 3
1000 180
10000 311
22100 3742
Grafik 1.2’de görüldüğü gibi su her sıcaklıkta bir buharlaşma basıncına sahiptir. 0°C’nin altında da buharlaşır. Örneğin -30 °C’ de suyun buhar basıncı 0,288 mmHg, -10 °C’ de 1.950 mmHg, 0 °C’ de ise 4.6 mmHg' dır. (Karın kendiliğinden erimesi olayı.) P mm Hg
800 700 600 500 400 300 200 100 0 -10
(t C)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Grafik 1.2 Suyun Buhar Basıncının (P) Sıcaklıkla (t °C) Değişimi
Su, hidrojen (H2) ile oksijen (02) arasındaki reaksiyonun ürünüdür. Gaz halindeki iki element, H ve O 300 °C’nin altında hissedilir derecede birleşmez, yani reaksiyon hızları düşüktür. Temperatür yükselince reaksiyon hızı da artar ve 500 °C’ den itibaren birleşme meydana gelir. 1.4 Suyun Dolaşımı Suyun hareketini inceleyen bilime hidromekanik, bu bilimin teknikteki uygulaması hidrolik olarak bilinmektedir. Hidroloji ise suyun yerküredeki dağılımını, çevrimini ve özelliklerini inceler. Hidrolojinin en geniş bir şekilde tanımını şu şekilde yapabiliriz. "Hidroloji, yer küresinde (yani yeryüzünde, yer altında ve atmosferde) suyun çevrimini, dağılımını, fiziksel ve kimyasal özelliklerini, çevreyle ve canlılarla karşılıklı ilişkilerini inceleyen temel ve uygulamalı bir bilimdir". (A.H.D. Bilim ve Teknoloji Federal Konseyi tarafından 1562 yılında önerilen tanım). Bu tanımıyla hidroloji diğer birçok bilim alanlarına da girmektedir. Gerçekten bugün hidrolojiyle diğer bilimler arasındaki sınırları kesin olarak çizmek çok güçtür. Atmosferdeki su ile meteorolojinin, denizlerdeki su ile Oşinografinin, yerin derinliklerindeki su ile de jeoloji ve zemin fiziğinin uğraştıkları söylenebilir. Bugün suyun kontrolü ve kullanılması ile ilgili olarak yapılan mühendislik çalışmaları su kaynaklarının geliştirilmesi adı altında toplanmaktadır. Bu çalışmaların amaçları şu şekilde sınıflandırılabilir; Suyun kullanılması amacıyla yapılan çalışmalar, su getirme, sulama, su kuvveti tesisleri, akarsularda ulaşım gibi... Yerküre üzerinde suyun dağılımını, hareketini ve özelliklerini inceleyen hidroloji bilimi, insanın çevresi ile olan ilişkisi arttıkça daha büyük önem kazanmaya başlamıştır. İnsanın çevresini düzenleyip kontrol altına alma çabalarının bir parçası olan su kaynaklarının geliştirilmesi çalışmalarında, hidrolojik veriler önemli bir yer tutmaktadır. Bu alanda su işletim sistemleri, su biriktirme yapıları, su alma yapıları, akarsu geçişleri (köprü ve menfezler) ve drenaj projelerinin en ekonomik biçimde boyutlandırılmasında hidroloji biliminin önemli bir yeri bulunmaktadır. Söz konusu olan su yapımlarının planlanması, proje, inşaat ve işletme çalışmaları için gerekli olan suyun miktarı ve 4
özellikleri ile ilgili çeşitli bilgiler, hidroloji biliminin uygulamaları ile elde edilir. Uygulamalı bir bilim olan hidrolojinin su yapılarına rahatlıkla uygulanabilmesi ve tüm hidrolojik kuralların iyi araştırıp doğru kullanılması için bu yöntemlerin uygulamasını gösteren örneklerin incelenmesinde yarar vardır. Su miktarının kontrolü amacıyla yapılan çalışmalar: Taşkınların önlenmesi, kurutma tesisleri, kanalizasyon tesisleri; su kalitesinin kontrolü amacıyla yapılan çalışmalar ise su kirliliğinin önlenmesidir. Bütün bu amaçlarla yapılacak tesislerin planlama, proje, inşaat ve işletme safhalarında suyun miktarı ve özellikleri ile ilgili bazı sorunların karşılıklarının bilinmesi istenir. Örneğin taşkınlardan korunma amacıyla yapılacak bir barajın veya gölletin hesabında, göz önüne alınan (100, 500, 1000 yıl) gibi belli bir süre içinde meydana gelmesi muhtemel en büyük taşkının tahmini gerekir. Öte yandan bir su kuvveti tesisinin güvenilir gücünün belirlenmesi için de akarsuda yılda (180 gün gibi) belli bir süre mevcut debi tahmin edilmelidir. Bu gibi örneklerin sayısı çoğaltılabilir. Su kaynaklarının geliştirilmesi ile ilgili mühendislik çalışmalarının hemen hepsinde karşımıza çıkan bu gibi sorunları hidroloji bilimi cevaplandırır. Bu cevapların yeterli bir doğrulukla bilinmesi büyük önem taşır. Zira ekonomik nedenlerle hidrolojik hesaplarda, diğer mühendislik hesaplarında olduğu kadar büyük emniyet katsayıları kullanılmasına izin verilmez. Bu bakımdan tahmin edilenden büyük bir taşkının gelmesi barajın yıkılmasına yol açabilir, öte yandan bir su kuvveti tesisinde mevcut debi için fazla büyük bir tahmin yapılması beklenen gücün elde edilememesine yol açar. Nihayetinde bazı hallerde tehlikeli, bazı hallerde de ekonomik yönden sakıncalı sonuçlar ortaya çıkabilir. Taşıdığı önemin daha iyi anlaşılmasıyla son yollarda hidroloji bilimi ile ilgili çalışma ve araştırmalar yoğunlaştırılmıştır. Ancak hidrolojik olaylara karışan etkenlerin sayısının pek çok oluşu incelemeyi güçleştirmektedir. 1.5 Dolaşımda Akış Ve Depo Değişkenleri Hidrolojik çevrimin yağış, yüzeysel akış, sızma, perkolasyon, yer altı su kütleleri, yer altı suyu akışı, yüzeysel su yolarındaki akımlar, buharlaşma, biriktirme alanları vb. elemanlardan oluştuğundan bahsetmiştik. Bu döngünün en hızlı, en hareketli, en etkili ve en önemli parçası akış ve depo değişkenleridir. Akış ve depo değişkenleri diğer çevrim elemanlarına bağlı olarak sürekli farklılık göstermektedir. Bu nedenle bu iki etkeni incelerken, döngü içerisindeki hareketleri birbirine bağlı değişimler zinciri kurarak düşünmek gerekmektedir. Çevrimin başlangıç noktası olarak buharlaşmayı ele alalım. Bölgedeki mevcut yüzeysel suların fazla olması, zemin neminin fazla olması, hava neminin az olması, atmosfer basıncının düşük olması, bölge ikliminin ılık ve sıcak olması, buharlaşma miktarını arttıran özellikler olarak bahsedilebilir. Bunun aksi durumlarda da buharlaşma miktarının azalması söz konusudur. Buharlaşmaya paralel olarak süre gelen çevrim elemanı yağış buharlaşma miktarına, rüzgar hareketlerine ve bununla beraber yoğunlaşma için gerekli şartların sağlanmasına bağlı olarak değişmektedir. Yağıştan sonra su, döngü içerisinde sızma olarak hareket etmektedir. Zeminin suya doygun hale gelmesiyle, yağıştan sonra akışa geçerek yüzeysel su yollarına karışır. İşte bu noktadan itibaren akış miktarlarında önemli artışlar gözlenmektedir. Akış ve yağışın birlikte incelenmesi durumunda bu iki değişken arasında periyodik olarak bir etkileşimden söz edilebilir. Döngü içerinde ise birikimin gerçekleştiği yerler olarak; göller, göletler, denizler, okyanuslar, barajlar, bağlamalar vb. depolama alanları sayılabilir. Genel çerçevede dünyanın tamamı düşünülerek bir sistem kurulacak olunursa, denizler ve okyanusları bir biriktirme alanı kabul edelim ve bu alan içerinde mevcut bir su potansiyelinin olduğunu düşünelim. Bu 5
biriktirme alanına akarsulardan, derelerden, çaylardan yani kısaca karalardan sisteme (denizlere) akan suların tamamı girdi olarak alınır. Ayrıca diğer bir girdi denizlerde meydana yağışlardır. Sistemde biriktirme alanından uzaklaşan suların buharlaşması nedeniyle meydana gelen kayıplar ve sızmalar çıktı olarak alınacaktır. Mevcut su potansiyelinde girdiler ve çıktılar nedeniyle bir değişim meydana gelir. Bu değişimi azalma veya artma olarak görmek mümkündür 1.6 Hidrolojinin Metotları 1.Ölçmeler:Bütün hidrolojik çalışmalarda ilk adım gerekli doğal verilerin toplanması için ölçmeler yapılmasıdır.(Yağış,Buharlaşma,Akım ölçüleri gibi) Hidrolojik olayları laboratuarda benzeştirmek bugün için mümkün olmadığından ölçmelerin doğrudan doğruya tabiatta yapılması gerekmektedir.Bunun için yeter sıklıkta bir ölçme ağının kurulması,bu ağdaki istasyonların yeterli prezisyonu olan araçlarla donatılması ve bu ölçeklerin itinalı bir şekilde okunması gerekir. 2.Verilerin İşlenmesi: Ölçmeler sonunda elde edilen bilgiler çok sayıda dağınıktır.Bu verilerin insan eliyle kaydedilmesi yerine otomatik olarak kartlara,şeritlere geçirilmesi ve veri tabanları halinde saklanması uygundur. 3.Matematik Modeller Kurulması: Fizik kanunları esas alınarak kurulan bu modeller doğadaki hidrolojik sistemlerin soyutlanmış benzerleri olarak düşünülebilir.Bu modellerin kurulmasında sistem analizi metotları önem kazanmaktadır.Hidrolojik modeller insanların doğada yapacakları değişikliklerin sonunda hidrolojik büyüklüklerde oluşacak değişmelerin tahmininde de kullanılır. 4.Olasılık hesabı ve İstatistik Metotların Kullanılması: Örneğin elde bulunan 30 yıllık ölçme sonuçlarını kullanarak bir akarsuda gelecek 100 yıl içinde görülecek en büyük taşkını kesin olarak belirlemek mümkün değildir.Bu bakımdan olasılık teorisi ve istatistik hidrolojide kullanılması büyük önem taşır.Ancak bu bilimler yardımıyla 100 yıllık taşkın debisi için tahminler yapmak mümkün olabilir. 1.7 Hidrolojik Çevrim Su doğada çeşitli yerlerde ve çeşitli hallerde (sıvı, katı, gaz) bulunmakta ve yer küresinin çeşitli kısımları arasında durmadan dönüp durmaktadır. Suyun doğada dönüp durduğu yolların tümüne birden hidrolojik çevrim denir. Hidrolojik çevrimi gözden geçirmeye herhangi bir noktasından başlaya biliriz. Atmosferden başlayacak olursak, atmosferde buhar halinde bulunan su yoğunlaşarak yağış şeklinde yeryüzüne düşer. Karalar üzerine düşen suyun büyük bir kısmı (%60-75 kadarı )zeminden ve su yüzeylerinden buharlaşma ve bitkilerden terleme yoluyla denizlere erişmeden atmosfere geri döner, bir kısmı bitkiler tarafından alı konur (tutma), bir kısmı zeminden süzülerek yeraltına geçer (sızma). Geriye kalan su ise yerçekimi etkisiyle hareket ederek akarsulara ve onlar yoluyla denizlere ulaşır (yüzeysel akış). Yeraltına sızan su ise yer altı akışı yoluyla sonunda yeryüzüne çıkarak yüzeysel akışa katılır. Denizlere ulaşan su da buharlaşarak atmosfere geri döner. Görüldüğü gibi su katı, sıvı ve gaz hallerinde doğanın çeşitli kısımları arasında ve çeşitli yollar izleyerek dönüp durmaktadır. Bu çevrim için gerekli enerji güneşten ve yerçekiminden sağlanır. Yerküresinin iklim sistemi ile yakından ilişkili olan hidrolojik çevrim günlük ve yıllık periyotları olan bir süreçtir.
6
Şekil 1.1 Mühendislik Gözüyle Hidrolojik Çevrim
Y(t)=f(x(t)
Şekil 1.2 Sistem Kavramı
Hidrolojik çevrimin mühendislik hidrolojisi bakımından daha anlamlı ve daha ayrıntılı bir diyagramı Şekil 1.1’de görülmektedir. Bu diyagramda hidrolojik çevrim doğadaki çeşitli biriktirme sistemleri arasındaki ilişkiler şeklinde gösterilmiştir. Atmosfer biriktirme sisteminden, yüzeysel biriktirme sistemine düşen yağışın bir kısmı sızma yoluyla zemin nemi biriktirme sistemine, oradan da Perkolasyon yoluyla yeraltı biriktirme sistemine geçmektedir. 7
Her üç sistemin de buharlaşma ve terleme yoluyla atmosfer ile ilişkileri bulunduğu gibi yüzeysel biriktirme sistemi yüzeysel akış, zemin nemi biriktirme sistemi yüzey altı akışı ve yeraltı biriktirme sistemi de yeraltı akışı şeklinde sularının bir kısmını akarsu biriktirme sistemine göndermektedir. Bunlara akarsu biriktirme sistemine düşen yağış eklenip buharlaşma kayıpları çıktıktan sonra geriye kalan su akarsulardan akış şeklinde denizlere veya göllere ulaşmakta, oradan buharlaşma ile atmosfere geri dönmektedir.
Şekil 1.3 Mühendislik Gözüyle Hidrolojik Çevrim
Hidrolojik çevrim sırasında su aynı zamanda yer yüzeyinden söktüğü katı taneleri akarsular yoluyla göl ve denizlere taşıyarak yerkabuğunun biçim değiştirmesine neden olur. Şekil l.2’ deki diyagramda kullanılan sistem kavramı hidrolojik çalışmalarda önem taşır. Sistem, düzenli bir şekilde birbirleriyle ilişkili olan ve çevresinden belli bir sınırla ayrılan bileşenler takımı olarak tanımlanır. 1.8 Kütlenin Korunumu: Kütlenin korunumu ilkesi hidrolojik çevrimin herhangi bir parçasında suyun ne yok olduğunu,ne de yoktan var olduğunu gösteren süreklilik denklemine götürür ( su dengesi, su bütçesi ). Bu denklemde X göz önüne alınan hidrolojik sisteme birim zamanda giren su miktarı, Y birim zamanda sistemden çıkan su miktarı, S ise sistemde birikmiş su miktarıdır. Bu denklem herhangi sonlu bir Δt zaman aralığındaki değerler (X,Y) göz önüne alınarak da yazılabilir: X – Y = dS / dt ⇒
X-Y=ΔS
1.9 Yerküresinin Su Dengesi Doğa su miktarı bakımından dinamik denge halindedir. Su tükenmez bir doğal kaynak olup yer küresindeki toplam su miktarı zamanla değişmez. Uzun bir süre göz önüne alındığında hidrolojik çevrimin herhangi bir parçasına giren ve çıkan su miktarları birbirine 8
eşittir. Örneğin yeryüzünde bir yılda düşen yağış, o yıl içinde buharlaşarak havaya geri dönen su miktarına eşittir. Bu miktar ortalama olarak yılda 100 cm kadardır. (Türkiye’de ise yıllık yağış ortalaması 65 cm’dir.) Karalar üzerinde yıllık yağış 75 cm, buharlaşma 48 cm, denizler üzerinde ise yağış 107 cm, buharlaşma 118 cm’dir. Ancak kısa bir zaman aralığında bakılırsa çevrimdeki su miktarında büyük değişmeler olduğu görülür, örneğin bir yağış ölçeğinde kaydedilen yağış miktarları günden güne büyük farklar gösterir. Nitelikleri ve nicelikleri iyi belirlenemeyen çok sayıda etkin meydana getirdiği bu düzensizlikler hidrolojik olayların incelenmesini güçleştirir. Tablo1.2 Yağış İstatistikleri
Konum Türkiye'de yağış Karalar üzerinde yağış Denizler üzerinde yağış Karalarda buharlaşma Denizlerde buharlaşma
Yağış Yüksekliği 65 cm 75 cm 107 cm 48 cm 118 cm
Herhangi bir anda suyun yerküresinin çeşitli kısımları arasında dağılımına bakarsak çok büyük kısmının (%97.4) denizlerde (hidrosfer) bulunduğunu görürüz. Karalarda (litosfer) ve havada (atmosfer) bulunan 36 milyon km3 tatlı suyun kendi içinde dağılımı ise şöyledir: %77.2 kutup buzlarında, %12.3 derin yer altı suyu halinde, %10’a yakın bir kısmı yüzeye yakın yer altı suyu halinde, %0.35 göllerde, %0.17 zemin nemi halinde, %0.04 atmosferde, %0.003 akarsularda görüldüğü gibi herhangi bir anda akarsularda ve atmosferde bulunan su yüzdeleri gayet azdır. Ancak, gerek atmosferden gerekse akarsulardan çok miktarda su gelip geçer (akarsuların her yıl denize taşıdıkları suyun hacmi 40000 km3 kadardır.) Bunun sonunda yeryüzünde yılda ortalama 100 cm yağış düşer ve karalara düşen yağışın üçte bir kadarı akarsular yoluyla yüzeysel akış halinde denizlere iletilir. Tablo1.3 Yer Kürede Suyun Dağılımı
Yerküredeki Suyun Konum Denizler Buzullar Yer altı Suyu Göller, Akarsular Atmosfer Toplam
Hacim (106 km3) 1348 27,82 8,062 0,225 0,013 1348,12
% (Hacimsel Yüzdelik Oranı) 97,39 2,010 0,580 0,020 0,001 100,0
Tablo 1.4 Yer Kürede Tatlı Suyun Dağılımı
Yer Küredeki Tatlı Suların Konumu Buzullar Yüzeye yakın yer altı suyu Derin yer altı suyu Zemin nemi Göller Akarsular Canlılar Atmosfer
%(Hacimsel Yüzdelik Oranı) 77.23 9,860 12,35 0.170 0.350 0.003 0.003 0.040 9
Türkiye ye yılda yağış halinde düşen ortalama 509⋅109 m3 suyun %38 i (186.5⋅109 m3) akarsularda akış haline geçer. Türkiye’nin kullanılabilir yer altı suyu potansiyelinin ise yılda 9.5⋅109 m3 olduğu tahmin edilmektedir. 1.10 Yerkürenin Isı Dengesi Yanma sıcaklığı katalizör ile düşürülür. 1 kg buz 0 °C’ de solid halden likid hale geçerken yaklaşık 80 Kcal ısı yayar. Buna buzun gizli erime ısısı denir. 1 kg su 100 ºC’de sıvı halinden buhar haline geçerken 54 Kcal ısı alır ki buna suyun Gizli Buharlaşma Isısı denir. Suyun kritik sıcaklığı 374 ºC, kritik basıncı 217.5 atmosferdir. Kritik sıcaklık öyle bir sıcaklıktır ki bu sıcaklığın üstünde bulunan bir gaz yada buhar en yüksek basınçlarda bile sıvılaştırılamaz. Örneğin su buharı 374 ºC’nin altında basınçla sıvılaştırılabilir. Suyun Sıcaklığı arttıkça kinematik viskozitesi düşer. Bunu sebebi bütün sıvılarda viskozitenin sıcaklıkla ters orantılı olarak değişmesidir. Sıcaklık arttıkça sıvı molekülleri arasındaki çekim kuvveti azalmakta ve viskozite düşmektedir. Kapiler bir borudan geçen sıvının akış süresini tayin etmek suretiyle, sıvının viskozitesi bulunur. Bu ölçüm viskozimetre ile yapılmaktadır. Viskozite hareket halindeki akışkan yatakları arasındaki sürtünme direncine denir. Bu direnç arttıkça viskozite artar ve hareket yavaşlar. Çünkü bu direnç hareketi engelleyici yani ters yöndedir.
Şekil 1.4 Yerkürenin Isı Dengesi
10
Örnek Problem 1: Demir köprü baraj gölünde 1971 yılı haziran ayı başında 495.5 milyon m3 su bulunmaktadır.Bu ay boyunca gediz nehrinin baraj gölüne getirdiği ortalama debi 15.8 m3/s dir.Haziran ayında gölden 8.5 milyon m3 su buharlaşmıştır,göl üzerine yağış düşmemiştir.Enerji üretimi için bu ay baraj gölünden 50.5 milyon m3 su çekilmiştir.Haziran ayı sonunda gölde 476.4 milyon m3 su bulunduğu bilindiğine göre baraj gölünden 1 ay boyunca ne kadar sızıntı olmuştur.? Çözüm: Haziran ayı için baraj gölüne süreklilik denklemi uygulanırsa: X-Y=ΔS Göldeki hacim değişimi:
ΔS=476.4-495.5= -19.1⋅106 m3
Göle giren su hacmi:
X=30⋅86400⋅15.8=41⋅106 m3
Gölden çıkan su hacmi:
Y=8.5⋅106+50.5⋅106+F
Bu değerleri süreklilik denklemine yerleştirerek F sızıntı hacmi bulunur: (41-8.5-50.5)⋅106-F= -19.1⋅106 F=1.1⋅106 m3 Örnek problem 2: Yerküresinde karaların alanı 148.9⋅106 km2,denizlerin alanı 361.1⋅106 km2 dir.Karalar üzerinde yıllık ortalama yağış yüksekliği 746 mm,buharlaşma yüksekliği 480 mm dir.Denizler üzerinde yıllık ortalama yağış yüksekliği 1066 mm dir.Buna göre akarsuların her yıl denizlere taşıdıkları ortalama su hacmini ve denizlerdeki yıllık buharlaşma yüksekliğini bulunuz.? Çözüm: Ortalama değerler göz önüne alındığında gerek karalar gerekse denizler için ΔS=0,ve süreklilik denklemine göre X=Y olur. Karalar için: X=0.746⋅148.9⋅1012=111.1⋅1012 m3 Y=0.480⋅148.9⋅1012+R=71.4⋅1012+R m3 Akarsuların denize taşıdığı yıllık ortalama su hacmi: R=111.1⋅1012-71.4⋅1012=39.7⋅1012 m3 =39.7⋅103 km3 Denizler için: X=1.066⋅361.1⋅1012+39.7⋅1012=424.7⋅1012 m3 Denizlerde yıllık buharlaşma: Y=X=424.7⋅1012 m3 Denizlerin yıllık buharlaşma yüksekliği: 424.7⋅1012/361.1⋅1012= 1.176 m=1176 mm 11
Örnek Problem 3: Yüzey alanı 40 km2 olan bir bölgede haziran ayında göle giren akarsuyun debisi 0.56 m3/sn gölden çıkan suyun ortalama debisi 0.48 m3/sn aylık ortalama yağış yüksekliği 45 mm aylık ortalama buharlaşma yüksekliği 105 mm gölün tabanında ay boyunca sızma yüksekliği 25 mm olarak tahmin ediliyor. a)Haziran ayındaki göldeki su değişimini hesaplayınız.? b)Su seviyesindeki azalma ne kadardır.? Çözüm : a) 40 km2=40.106m2
Qgiren=0.56 m3/sn
Qçıkan=0.48 m3/sn
Buharlaşma=105 mm
Sızma=25 mm
Yağış=45 mm
ΔS = X – Y X1 = 0.56⋅60⋅60⋅24⋅30 = 1451520 m3 Y1 = 0.48⋅60⋅60⋅24⋅30 = 1244160 m3 X2=0.045⋅40⋅106=1800000 m3 Y2 = 0.105⋅40⋅106 = 4200000 m3 Y3 = 0.025⋅40⋅106 = 1000000 m3 ∑X = 3251520 m3
∑Y = 6444160 m3
ΔS = ∑X - ∑Y = 3251520 – 6444160 = -3192640 m3 b) Δh =
Δs 3192640 = = -0.0798 m = -8 cm Alan 40.10 6
Örnek Problem 4: Bir rezervuarın yüzey alanı 11 km2 2003 yılı için rezervuarın su bütçesi çıkarılmak isteniyor. Bu bölgeye sulak dönemlerde yani Aralık ve Haziran ayları arasında memba tarafından ortalama 1.6 m3/sn su gelmektedir.kurak dönemlerde ise bu debi 0.75 m3/sn düşmektedir.Rezervuardan mansab tarafına aktarılması gereken minimum ortalama debi 0.95 m3/sn bu hazneden elektrik üretimi amacı ile yıllık 12000000 m3 su çekilmektedir.Sulama amacı ile ortalama 0.15 m3/sn 1 yıl su alınmaktadır.İçme suyu ise ortalama 40 lt/sn hazneye yıllık 815 mm yağış düşmektedir.Buharlaşma 144 mm olarak ölçülmüştür.Tahmin edilen sızma yüksekliği ise 38 mm’dir.
a)Haznedeki su miktarı ne kadar değişmiştir.? b)Haznedeki su seviyesi ne kadar değişmiştir.? Aralık Ocak Şubat Mart Nisan Mayıs Haziran Temmuz Ağustos Eylül Ekim Kasım 31 31 28 31 30 31 30 31 31 30 31 30
12
Çözüm :
X1 = 1.6⋅86400⋅212 = 29306880 m3 Y1 = 0.95⋅86400⋅365 = 29959200 m3 X2 = 0.75⋅86400⋅153 = 9914400 m3 Y2 = 12⋅106 m3 X3 = 0.815⋅11⋅106 = 8965000 m3 Y3 = 0.15⋅86400⋅365 = 4730400 m3 Y4 = 0.040⋅86400⋅365 = 1261440 m3 Y5 = 0.144⋅11⋅106=1584000 m3 Y6 = 0.038⋅11⋅106 = 418000 m3 ΔS = X – Y = 48186286 – 39053040 = 9133240 m3 b) Δh =
Δs 9133240 = = 0.83 m = 83 cm Alan 11.10 6
Örnek Problem 5: Bir şehrin su ihtiyacını karşılamak için yapılan bir havzanın yüzey alanı 17 km2 hazneyi besleyen akarsuyun havza alanı 50 km2 günlük ortalama su ihtiyacı 49000 m3 yıllık yağış yüksekliği 88 cm’dir.Yıllık buharlaşma yüksekliği 125 cm yıllık ortalama akış yüksekliği 33 cm olduğuna göre hazne hacminde hazne suyu yüksekliğinde değişme ne kadardır? Cevap:
X1 = 0.88⋅17⋅106 = 14960000 m3 Y1 = 1.25⋅17⋅106 = 21251000 m3 X2= 0.33⋅50⋅106 = 16500000 m3 Y2=49000⋅365=17885000 m3 ∑X = 31460000 m3 ∑Y=39136000 m3 ΔS = -7676000 m3
Δh=
Δs 7676000 = = -0.45 m = 45 cm Alan 17.10 6
13
2. YAĞIŞ
Atmosferden katı yada sıvı halde yeryüzüne düşen sulara yağış denilir.Sıvı haldeki yağış yağmur şeklindedir,katı haldeki yağış ise kar,dolu,çiğ,kırağı şekillerinde olabilir.Yağmur ve kar hidrolojik bakımdan en önemli iki yağış şekli olup hidrolojik açıdan aralarındaki önemli fark yağmur halinde yer yüzüne düşen sular derhal akış haline geçtikleri halde karın genellikle uzun bir süre sonra erimesidir. 2.1 Yağışın Meydana Gelmesi
Havadaki su buharının yağış halinde yeryüzüne düşmesi için şu şartların birlikte gerçekleşmesi gerekir; 1.Atmosferin o bölgesinde yeterli miktarda su buharı bulunmalıdır; atmosferdeki su buharının büyük bir kısmının denizlerdeki buharlaşmadır,karalar üzerine düşen yağışın %90 denizlerdeki buharlaşmadan kaynaklanır. 2.Hava soğumalıdır; hava soğuyunca su buharı taşıma kapasitesi azalır,doyma noktasının üstüne çıkılınca su buharı sıvı hale geçebilir.Havanın soğumasını ne şekilde olabileceği aşağıda incelenecektir. 3.Yoğunlaşma olmalıdır; yoğunlaşma adlarına yoğunlaşma çekirdeği dene çok küçük (mikron mertebesinde) tozlar üzerinde olur. Bu tozlar (organik cisimler, volkanik kül, sülfürik ve nitrik asit, kil taneleri, tuz ve duman) atmosferde daima mevcut olduğundan hava doymuş hale geçince bu şart her zaman gerçekleşir. Su buharının yoğunlaşmasıyla bulutlar meydana gelir. Bulutlardaki su damlacıklarını büyüklüğü 1-100 mikron arasında kaldığından bunlar buharlaşmadan yeryüzüne kadar düşemezler, hava hareketleri ile atmosferde kalırlar. 4.Yeryüzüne düşebilecek irilikte (1 mm kadar) damlalar teşekkül etmelidir; bu ya üzerinde su buharının yoğunlaşa bileceği buz kristallerinin varlığıyla ya da küçük damlacıkların çarpışarak birleşmesi sonunda olabilir.- 10 0C den düşük sıcaklıktaki bulutlarda yeterli sayıda buz kristali varsa buz üzerindeki buhar basıncı su üzerindeki buhar basıncından düşük olduğundan,su buharının buz kristalleri üzerinde toplanmasıyla iri kristaller meydana gelebilir.Daha sıcak bulutlarda ise iri damlalar bu şekilde oluşamaz,tuz çekirdekleri üzerinde oluştuğu sanılan nispeten iri damlacıkların birbirleriyle çarpışıp daha büyümeleri ile yağış görülebilir.Bu şartlar her zaman gerçekleşemediği için diğer üç şart var olduğu halde yağış meydana gelmeye bilir. 2.2 Yağış Tipleri Nasıl Tanımlanır;
1.Konvektif yağış: Yeryüzüne yakın hava fazla ısınırsa yükselir. Bu özellikle etrafı dağlarla çevrili bölgelerde yaz aylarında görülür. Yağış yerel,kısa süreli ve şiddetlidir. Türkiye de iç Anadolu da yaz akşamlarında görülen sağanakların nedeni budur.
Şekil 2.1 Konvektif Yağış
14
2.Depresyonik (Siklonik) Yağışlar: Bir sıcak hava kütlesi ile bir soğuk hava kütlesi düşey bir cephe boyunca karşılaştıkların da sıcak hava yükselir,soğuk hava aşağıya iner.Cephe boyunca soğuk havanın sıcak havayı iterek ilerlemesi halinde soğuk bir cephe yağışı,sıcak havanın soğuk havayı iterek ilerlemesi halinde ise sıcak cephe yağışı görülür.Soğuk cephe yağışları daha şiddetli ve etkilidir.Belirli bir cephe olmaksızın da düşük basınç bölgelerinde depresyonik yağış görülebilir.Cephe yağışlarının şiddetli orta, süresi uzundur,geniş bir alanı kaplar.Türkiye de meydana gelen yağışların çoğu depresyoniktir. Bazen soğuk hava kütlesinin sıcak havayı sarıp depresyonik şeklinde yükseltilmesi ile çok şiddetli yağışlar da meydana gelebilir.
Şekil 2.2 Depresyonik Yağışlar
3.Orografik Yağış: Nemli bir hava kütlesi bir dağ dizisini aşmak için yükselirken soğur ve orografik yağışa yol açar.Türkiye de denize paralel dağ sıralarının (Kuzey Anadolu dağları,Toroslar ) denize bakan yamaçlarında denizlerden gelen nemli ve sıcak hava kütleleri bu şekilde yağış bırakır.Orografik yağış alan bölgelerde arazini kotu ile yağış yüksekliği arasında bir ilişki vardır.
Şekil 2.3 Orografik Yağışlar
Suni Yağmur : Bulutlarda yer yüzüne düşebilecek irilikte damlalar getirecek mekanizmaların bulunmaması halinde yağış görülmediğini yukarda belirtmiştik.Bu gibi hallerde atmosfere müdahale ederek suni yağmur yağdırmak düşünülebilir.Bunu için iki yol mevcuttur: 1.Bulutlara gümüş iyodür kristalleri uçaklar vasıtasıyla serpilir,ya da daha ekonomik olarak (-10 0C’nin altında )yeryüzünde yatılarak meydana getirilen gümüş iyodür buharları bulutlara kadar yükselirse –5 0C’nin altındaki sıcaklıklarda su,bu kristallerin üzerinde buzlaşarak buz kristalleri meydana getirir. 2.Bulutlara kuru buz (katı karbondioksit) serpilerek sıcaklık –40 0C’ye düşürülürse bulutlardaki su kendiliğinden buz kristallerine dönüşür. Böylece yeter sayıda mevcut olmayan buz kristalleri suni olarak meydana getirilmiş olur.-5 0C’den daha sıcak bulutlarda bu usulle yağmur yağdırmak mümkün olmaz.Bu gibi durumlarda iri damlalar meydana getirmek için bulutlara nem çeken tuz gibi maddeler ya da iri su damlaları püskürtülmesi denemiştir. 15
2.3 Yağışlı Gün
Su bırakmayan olaylarda ay içindeki gün sayısının belirlenmesi, hidrometeorolojik olaylar hanesindeki kontrol (müşahade) sütununa işlenir. Bu tür meteorların belirlenmesi için kayıtlara bu şekilde aktarılırlar. Dönem içi yağışlı gün sayıları günlük yağış miktarı hanesinde 0.1 mm. ve 0.1mm.’den daha fazla yağmur suyu ölçülen, miktar üzerinde “●” sembolü bulunan ay içindeki günlerdir. ●AZ
Ölçülmeyecek kadar az yağmur,
●O
Hafif yağmur,
●
Tabii halde yağmur,
●2
Kuvvetli yağmur, gibi.
2.4 Günlük Yağış Miktarı
Gün içerisinde farklı zaman dilimleri içerisinde yağış gerçekleşmiş olabilir. Yağışın bir gün boyunca süreklilik arz ettiği de görülebilir. Her iki durumda da günlük yağış miktarı bu periyot içerisinde meydana gelen yağışların toplamına eşittir. Günlük periyottan bahsedildiğinde gün içerisinde sabah 07:00 ‘dan ertesi gün 07:00’a kadar olan süreç geçerli olmaktadır. 2.5 Yağışın Ölçülmesi
Yağış belli bir zaman süresinde atmosferden yeryüzüne, yatay düz bir yüzey üzerine düşen ve düştüğü yerde kalarak biriktiği kabul edilen su sütununun yüksekliği ile ifade edilir. Yağış yüksekliği hidrolojik çalışmalarda çoğu zaman mm cinsinden gösterilir. Yağmurun ölçülmesi yazıcı, yada yazıcı olmayan yağışölçerlerle yapılabilir. Yazıcı yağışölçerler, yağış miktarının zaman içinde değişiminin bilinmesini sağladıkları gibi yağışölçere yaklaşmanın zor olduğu hallerde de yararlı olurlar. 1.Yazıcı Olmayan Yağış Ölçerler (Plüvyometre): Düşey kenarlı herhangi bir kap yağış ölçmekte kullanılabilir. Ancak, ölçüm sonuçlarını birbiriyle karşılaştırabilmek ve hataların aynı mertebede kalmasını sağlamak için standart kaplar kullanılmalıdır. Çok kullanılan bir plüvyometre tipi (U.S.Weather-Bureau) 20 cm. çaplı bir silindir şeklindedir. Okuma prezisyonunu arttırmak ve buharlaşmayı azaltmak için bu kabın içine alanı silindirin 1/10’i kadar olan bir iç kap yerleştirilebilir. Şekil 3.3’de görüldüğü gibi iç kabın üst yüzeyi de dış kapla aynı kesit alanına sahiptir.İç kapta toplanan yağış bölmeli bir çubukla ölçülür. Okuma 10’a bölünerek yağış yüksekliyi elde edilir. Yağış yüksekliği 50 mm. yi geçince toplanan su taşmaya başlar, iç kap çıkarılarak toplamaya devam edilebilir. Plüvyometreler yağış yüksekliğinin zamanla değişimini kaydedemezler, ancak belli bir zaman aralığındaki toplam yağışı verirler. Okumalar genellikle günde bir defa (bazen 6 veya 12 saatte bir) yapılır. Erişilmesi zor yerlerde uzun süre içindeki yağışı toplamak için Totalizatör denen daha büyük kaplar da kullanılır.
16
Şekil 2.4 Plüvyometre (Weather-Bureau tipi)
2. Yazıcı Yağışölçerler (Plüvyograf): Bunlar yağış yüksekliğinin zamanla değişimini kağıt üzerine kaydederler. Çeşitli tipler vardır: a) Tartılı : Yağış bir kovada toplanır, yaya bağlı olan kısım ağırlaşınca döner bir kağıt şerit üzerinde bir ucu hareket ettirir. Böylece yağış yüksekliğinin zamanla değişimini gösteren eğri elde edilir.
Şekil 2.5 Tartılı Plüvyograf
17
Uç kağıdın kenarına gelince kendiliğinden ilerleme yönünü değiştirerek aşağıya doğru harekete başlar. Bu tip plüvyograflarla prezisyonlu ölçmeler yapılabilir. Türkiye’de en çok bu tip plüvyograflar (Hellman tipi) kullanılmaktadır. b) Devrilen kovalı : Bir giriş kabına giren yağış çok küçük bir kovada toplanır, kova dolunca bir ucu kağıt şerit üzerinde belli bir miktar hareket ettirir ve aynı zamanda ters çevrilerek boşalır, yerini ikinci bir kova alır. (Şekil 5 ) Böylece döner şerit üzerinde basamaklı bir çizgi elde edilir, her bir basamak genellikle 0,5 mm. (veya 0,3mm.) yağış yüksekliğine karşı gelir. Bu sistemin prezisyonu daha az, hata ihtimali daha çoktur, şiddetli yağışları %5 den daha az hata ile kaydedemez, ancak okumaların uzaktan kartlara veya şeritlere kaydedilmesi daha kolay olur. Bu tip yağışölçerler kar ölçümü için elverişli değildir. Devrilen kovalı plüvyograflar Türkiye’de kullanılmamaktadır.
Şekil 2.6 Devrilen Kovalı Yağış Ölçer
c) Şamandıralı : Kaptaki su seviyesinin yükselmesi ile su yüzeyindeki bir şamandıra bir ucu döner şerit üzerinde hareket ettirir. Kap dolunca otomatik bir sifon tertibatıyla çok kısa bir zamanda boşalır. Soğuk havalarda donmayı önlemek için ölçeğin üst kenarını ısıtmak gerekir. Şamandıralı plüvyograflar Türkiye’de kullanılmaktadır. 4.Radar: Mikrodalga (dalga uzunluğu 1-20 cm. ) radarlar yağış ölçmekte kullanılabilmektedir. Yansıyan ışınların enerjisi yağmur damlalarının büyüklüğü ile ve dolayısıyla yağışın şiddeti ile orantılıdır. Radar özellikle yağışın yerel dağılımını belirlemekte faydalı olur, başka tipten bir yağış ölçeği kullanarak ayarlanması gerekir. Özellikle geniş bir bölgede uzunca bir süre boyunca ortalama yağış yüksekliğini elde etmekte faydalı olur. WSR-57 tipi radarla 200 km. yarıçapında bir bölge içindeki yağış ölçülebilmektedir. Bu radarlardan Türkiye’de D.M.İ’de mevcuttur.
18
Plüvyografların çalıştırılmasında ve diyagramların analizinde dikkat edilecek önemli hususlar: • • • • • • • • • •
• • • • •
Her sabah rasat saatinde plüvyograf yoklanmalı, diyagram değiştirilmeli, saat kurulmalıdır. Diğer rasat saatlerinde de kontrol etmekte fayda vardır. Diyagram üzerinde yağıştan dolayı, çok az da olsa yükselme varsa diyagram muhakkak değiştirilmelidir. Yağış olmadığı günlerde 1.0 mm. su koyarak kalem ucu yükseltilir. Bu da en fazla 5 – 6 gün yapılır. Diyagram üzerine istasyon adı, tarihi, memurun ismi muhakkak yazılmalıdır. Plüvyometrikmetrik değerler plüvyometreden alınmalı, diyagramdan okunarak yazılmamalıdır. Ay sonunda tüm aylık diyagramlar sağlam bir kağıt bantla bağlanarak gösterilmelidir. Ay içinde herhangi bir günde alet arızalı ise, o günün diyagramı arkasına not düşülmelidir. Kalem ucu çizmemişse elle çizdirilmeye kalkışılmamalıdır. Analiz sırasında tespit edilen hatalar için istasyona ihtar yazısı yazılmalıdır. Şiddetli yağış analizi yapılırken çok dikkatli olmalı, en fazla olanları tespit edilmelidir. Yıl sonunda her istasyon için saatlik yağışlar tespit edilmeli, standart zamanlara göre şiddetli yağış karakterinde bir yağış tespit edilmemişse diyagramlar tek tek taranarak en şiddetlileri bulunmalıdır. Yıl içindeki 24 saatlik şiddetli yağışlar bulunurken önce plüvyometrik olan en şiddetlisi alınır. Diyagramlardan kontrol edilir. Birbirini takip eden günlerin diyagramları birleştirilir. Şayet plüvyograf değeri birleştirilen iki diyagramdan alınan plüvyometrik değeri geçerse, 24 saatlik maksimum yağış olarak bu alınır. Bir diyagram üzerinde birden fazla şiddetli karakterli yağış varsa her biri ayrı ayrı analiz edilir. Don mevsiminde, aletin tipine bağlı olarak alet servisten kaldırılmalı temizliği ve bakımı yapılarak emniyetli bir yere konulmalıdır. Mümkün mertebe en uzun periyotta serviste çalıştırılmaya özen gösterilmelidir. Aletin servise konulduğu ve kaldırıldığı tarihler, yazıyla merkeze bildirilmelidir. Kalem ucunun mürekkep dağıtmadan normal bir şekilde çizmesi sağlanmalıdır. Yağış ölçümüne rüzgarın etkisi : a) b) c)
Rüzgar perdesiz ölçek, Nipher perdeli ölçek , Alter perdeli ölçek.
Diğer önemli bir hata nedeni de bina, ağaç gibi yüksek engellerin etkisiyle ölçeğe yağışın bir kısmının giremeyişidir. Bunun için ölçek engellerden en az engel yüksekliğinin iki katı kadar uzağa yerleştirilmelidir. Ayrıca kapta toplanan suyun buharlaşmasını önlemek için su yüzeyinde ince bir yağ tabakası teşkili uygun olur. Ölçeğin yerden yüksekliğinin belirlenmesi de önemlidir. Yükseklik fazla olursa rüzgar etkisi artar, öte yandan ölçek yere çok yakın konursa zemine çarpıp sıçrayan damlalarda ölçeğe girebilir. Türkiye’de D.M.İ. ölçekleri yerden 1m. yükseğe yerleştirilmelidir. Okumaların homojenliğini bozmamak için yağış ölçeklerinin yerlerinin ve konumlarının değiştirilmemesine de dikkat edilir.
19
2.6 Ölçüm Eksiklikleri
Doğal bir ortam çerçevesinde yapılan bu ölçümlerde muhakkak istemeyen ve elde olmayan bazı eksikliklerle karşılaşılır. Bu gibi durumlarda her ne durumda olursa olsun ölçümlerin bir şekilde yapılması gerekir. Ölçümlerin yapılmaması olasılığı azdır. Basit yöntemlerle de olsa yapılması gereken işlemler zamanında gerçekleştirilmelidir. Birdenbire meydana gelen şiddetli fırtına, sel, deprem gibi felaketler neticesinde aletin direği devrilirse yine eski yerinde acele tamir edilir, böylece rasatın aksaması önlenir. Plüvyometre, herhangi bir sebeple kullanılmayacak hale gelebilir. Herhangi bir sebeple alet zayi olduğunda, yeni alet gelinceye kadar rasadı sekteye uğratmamak için şu şekilde hareket edilir: Mümkün mertebe kullanılmamış, ezilmemiş, paslanmamış bir gaz tenekesi alınır. Ağzı dikkatle açılarak pürüzleri düzeltilir. Ağız kısmının eni boyu bir cetvelle ölçülüp kaydedilir ve rasat yerine tespit edilir. Teknenin rüzgarla devrilmemesi için dört tarafına ( teknenin yarısına gelecek kadar) ağaç kazıklar çakmak uygun olur. Bu suretle rasat yerinde bırakılan tenekenin içindeki yağış suyu rasat zamanında ölçülür. Ölçme işi cam ölçekle yapıldığı gibi bu bulunmadığı takdirde suyun kilogram olarak ağırlığı veya cm3 olarak hacmi de ölçülerek kayıt düşülür. Daha sonra bu notlara göre yağışın milimetrik olarak miktarı ilgililerce hesaplanır. Ancak bu hususta çok dikkatli davranmak ve bir hataya meydan vermemek için rasadın hangi tarihlerde ne ile yapıldığına ve nasıl ölçüldüğüne dair rasat cetveline detaylı bir şekilde kayıt yapılması gerekmektedir. Ölçek gelince bunlar ölçülerek hemen günlerine kaydolunur. Yağış suyunu dikkatle tartmak ve gram olarak miktarını tespit ve kayıt etmektir. Eksik Verilerin Tamamlanması: Bir ölçekteki kayıtların bir kısmı eksik ise, bu kısmı tamamlamak için yakında bulunan ölçeklerin kayıtlarından faydalanılabilir. En yakın üç ölçekteki yıllık ortalama yağışlar NA, NB, NC, eksik olan yağışa karşı gelen okumalar PA, PB, PC ise yıllık ortalama yağışı NX olan ölçekteki bilinmeyen yağış yüksekliği şu şekilde tahmin edilebilir: ⎞ N N 1⎛ N PX = ⎜⎜ X PA + X PB + X PC ⎟⎟ 3⎝ NA NB NC ⎠
Eğer NA, NB, NC değerlerinin NX den farkları %10’dan daha az ise yukarıdaki formülün yerine doğrudan doğruya aritmetik ortalama kullanılabilir: PX =
PA + PB + PC 3
Eksik verileri tamamlamak için kullanılabilecek diğer bir formül: ⎛ 4 ⎞ ⎞ ⎛ 4 PX = ⎜ ∑ Pi Di2 ⎟ ⎜ ∑1 Di2 ⎟ ⎝ i =1 ⎠ ⎠ ⎝ i =1 Buradaki Pi ve Di ( i=1, . . . . , 4 ) kayıtları eksik olan ölçeğe göre her biri ayrı bir çeyrek düzlemde bulunan en yakın 4 ölçekteki okumaları ve bu ölçeklerin kayıtları eksik olan ölçeğe uzaklıklarını göstermektedir. Bayazıt (1995) 20
2.7 Toplam Yağış Eğrisi ve Hiyetograf :
Bir yazıcılı yağış ölçerden elde edilen yağış kayıtları aşağıda tablo 2.1 de verilmiştir. Yağış Yüksekliği “P” ile ifade edilmektedir. Yağış yüksekliğinin zamanla değişimini gösteren yağış-zaman grafiği (grafik 2.1(P-t)) aşağıda gösterilmektedir. Yağışın zaman içerisindeki değişimini, artışını, azalmasını, durmasını gösteren diyagrama Toplam Yağış Eğrisi denir. Bu basamaklı bir çizgiyle yaklaştırılarak incelenir. Tablo2.1 Yağış Ölçüm Sonuçları Zaman (Saat) Saatlik Yağış Miktarı Toplam Yağış Miktarı 0 0 0 1 0,2 0,2 2 0,4 0,6 3 1,8 2,4 4 0,8 3,2 5 0,6 3,8 6 0,8 4,6 7 1,4 6 8 0,6 6,6 9 0,4 7 10 1,2 8,2 11 0,2 8,4 12 0 8,4 13 0,2 8,6 14 0,8 9,4 15 0,4 9,8 16 0 9,8 17 0,4 10,2 18 4 14,2 19 2 16,2 20 2 18,2 21 0,6 18,8 22 0,6 19,4 23 0 19,4 24 0,8 20,2 25 1,6 21,8 26 1,8 23,6 27 1,4 25 28 3,4 28,4 29 2,6 31 30 1,6 32,6 31 2 34,6 32 1,6 36,2 33 1,6 37,8 34 0,6 38,4 35 0,4 38,8 36 0 38,8
21
TOPLAM YAĞIŞ EĞRİSİ
45
(P)Top.Yağ.Eğ
40 35 30 25 20 15 10 5
(T)
0 0
5
10
15
20
25
30
35
40
Grafik 2.1 Toplam Yağış Eğirisi
Yağış şiddetinin zamanla değişimini periyodik küçük zaman dilimleri içerisinde yağış yüksekliği olarak gösteren grafiğe Hiyetograf adı verilir. Bu da genellikle basamaklı grafik sisteminde gösterilir. 4,5
HİYETOGRAF
(P) [mm/h]
4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5
(T)
37
34
31
28
25
22
19
16
13
10
7
4
1
0
Grafik 2.2 Hiyetograf
2.7 Bölgesel Ortalama Yağış Yüksekliğinin Bulunması:
Bir bölgede ortalama yağış yüksekliği: Mevcut verileri en iyi şekilde değerlendirerek bölgesel ortalama yağış yüksekliğini en az hata ile hesaplayabilmek için her bir yağış ölçeğinin çevresinde o ölçekteki okumayla temsil edilebilecek alanı belirleyen metotlar kullanılır.
POr =
N
∫ P .dA
A
A
Por =
Σ P .A i =1
İ
İ
A
Burada yağış alanı Aİ, yağış yüksekliği Pİ olan ölçeğin çevresindeki bölgenin alanı, “n” ölçek sayısıdır. Bu metotla elde edilen sonuçlar genellikle aritmetik ortalama ile elde edilenden daha iyidir. Thiessen çokgeni yağış dan yağışa değişmediği için bir bölgede bir kere 22
çizilmesi yeterli olur. Bu metot 500-5000 km2 arasındaki bölgelerde kullanılabilir. Ölçeklerin üniform dağılmayışından gelen etkileri hesaba katar. Ancak orografik yağışlarda aşağıda anlatılan izohiyet metodu daha iyi sonuçlar verebilir. 1.Aritmetik Ortalama Methodu: En basit usul bütün ölçeklerin okumalarının aritmetik ortalamasını almaktır.Dağlık bölgelerde ve şiddetli yağışlar sırasında yağış yüksekliği kısa mesafeler içinde hızla değiştiği için yağış şiddetinin üniform dağılmadığı bu gibi hallerde aritmetik ortalama iyi sonuç vermeyebilir.Bu metot yağış ölçeklerinin oldukça üniform dağıldığı 500 km2 den küçük bölgelerde kullanılabilir. 2. Thiessen Metodu: Bu metotta bölge her bir ölçeğin çevresinde o şekilde parçalara bölünür ki her nokta en yakın olduğu ölçeğe ait parça içinde kalsın. Bunu yapmak için birbirine yakın ölçekler doğru parçalarıyla birleştirilip orta dikmeler çizilir ve her bir ölçeğin çevresinde bu dikmelerin meydana getirdiği çokgenin (Thiessen Çokgeni) o ölçekteki yağışla temsil edildiği kabul edilir. Thiessen Çokgeni çizilirken bölgenin dışında kalan fakat meteorolojik bakımdan bölge ile homojen karakterde olduğu kabul edilebilen ölçekler de göz önüne alınır. Böylece ağırlık bir ortalama ile ortalama yağış hesaplanır, her bir ölçeğin çevresinde kalan alanın yüzdesi o ölçekteki yağışa ağırlık olarak verilir:
Şekil 2.7 Ortalama Yağış Yüksekliğinin Thiessen Metodu ile Hesabı
3.İzohiyot Metodu: Yağış yüksekliği aynı olan noktaları birleştiren eğriler olan izohiyetler (Eş Yağış Çizgileri) çizilir.İki ardışık izohiyet arasındaki alanda yağış yüksekliğinin izohiyetlerin de değerlerinin ortalamasına eşit olduğu kabul edilerek ağırlıklı bir ortalama ile ortalama yağış yüksekliği bulunur.Bu metodu kullanırken 2.6 denkleminde Aİ değerleri bölgede ardışık iki izohiyet arasında kalan alanlar,Pİ değerleri de ardışık iki izohiyetin yağış yüksekliklerinin ortalamasıdır.Eş yağış çizgilerini çizerken bölgenin topoğrafyasına ve yağışın dağılışına ait bilgileride kullanmak imkanı olduğu için bu özellikle dağlık bölgelerde daha iyi sonuç verir.
23
Şekil 2.8 Ortalama Yağış Yüksekliğinin İzohiyet Metodu ile Hesabı
Örnek Problem 6: Tablo 2.2 Yıllık Yağış Verileri Yağış Ölçeği Yıllık Yağış Yüksek. (mm) Maden 989.2 Dicle 889.8 Arıcak 1158.0 Yayla 839.2 Ergani 760.1 Palu 563.5 Elazığ 425.5 Gökdere 886.6 Lice 1305.8 Hani 1016.8 Mermer 740.4
Çözüm :
Port =
3096529 = 962.7mm 3216.4
Tablo 2.3 Yağış Hesab Tablosu
Yağış ölçeği
Pi (mm)
Ai (km2)
Pi.Ai
Maden
989.2
651.2
664167
Dicle
889.8
750.2
667528
Arıcak
1158.0
609.1
705349
Yayla
839.2
462.0
387710
Ergani
760.1
136.1
103450
Palu
563.5
79.0
44517
Gökdere
886.6
125.5
111268
Lice
1305.8
80.6
105248
Hani
1016.8
319.7
325071
Mermer
740.4
3.0
2221
3216.4
3096529
TOPLAM
24
3. BUHARLAŞMA ( Evaporasyon )
Atmosferden yeryüzüne düşen yağışın önemli bir kısmı tutma, buharlaşma ve terleme yoluyla, akış haline geçmeden atmosfere geri döner.Bu kayıpların belirlenmesi özellikle kurak mevsimlerde hidrolojik bakımdan büyük önem taşır.Bu bölümde buharlaşma olayının mekanizması kısaca anlatıldıktan sonra su, zemin ve kar yüzeyinden buharlaşma kayıplarının nasıl hesaplanabileceği üzerinde durulacaktır.Bitkilerden terleme yoluyla buharlaşma ve bunun evapotranspirasyon adı altında diğer buharlaşma kayıpları ile birlikte hesap metotları verilecektir. 3.1 Buharlaşmanın Mekanizması
Suyun sıvı halden gaz (su buharı) haline geçmesine buharlaşma (evaporasyon) denir.Su yüzeyindeki moleküller yeterli bir kinetik enerji kazandıkları zaman kendilerini tutmaya çalışan diğer moleküllerin çekiminden kurtulup su ortamından havaya fırlarlar su yüzeyi yakınlarında sürekli olarak sudan havaya, havadan suya geçen moleküllere rastlanır.Sudan havaya geçen moleküllerin sayısı daha fazla ise buharlaşma olduğu kabul edilir.
Şekil 3.1 Su yüzeyinden buharlaşma
Buharlaşma miktarı çeşitli etkenlere bağlıdır. Buharlaşmayı etkileyen özellikleri kısaca aşağıdaki gibi ifade etmek mümkündür. • • • • • • •
Su yüzeyindeki buhar basıncı Havanın hareketi Enerji Suda erimiş tuzlar Su yüzeyinde kimyasal film teşkil ederek Su deriliğinin Havanın basıncı azaldıkça buharlaşma artar.
25
3.2 Su Yüzeyinden Buharlaşma
Meteorolojik şartlara bağlı olarak yeryüzündeki su yüzeylerinden günlük buharlaşma miktarı 1-10 mm arasında değişir.Bu miktarın belirlenmesi özellikle baraj göllerinde önem taşır. Örneğin Keban barajının biriktirme haznesinden yılda 800 milyon m3 suyun buharlaşarak kaybolacağı tahmin edilmiştir. Su dengesi metodunu bir su kütlesine (göl, hazne gibi) süreklilik denklemi uygularsak: E = P + X − Y − F − ΔS
• • • • • •
E P X Y F ΔS
: Buharlaşma miktarı : Yağış : Giren akış miktarı : Çıkan akış miktarı : Yeraltına sızan su miktarı : Kütlenin hacimdeki değişme miktarı
3.3 Buharlaşmanın Ölçülmesi
Serbest su yüzeyinden buharlaşmayı belirlemenin en iyi yolu buharlaşma tavası (Evaporimetre) denen metal kaplar kullanılmaktadır, bunların çeşitli tipleri vardır. Türkiye dahil olmak üzere birçok ülkelerde en çok kullanılan tip olan A sınıfı tavanın alanı 1 m2, derinliği 25 cm’dir. Tava 20 cm derinlikte su ile doldurulup su yüzeyindeki alçalma bir Limnimetre ile ölçülerek buharlaşma miktarı belirlenir. Yağışlı günlerde yağış yüksekliği de ayrıca ölçülerek hesaba katılmalıdır. Tava yerden 15 cm yükseğe yerleştirilmeli, tavadaki su yüzeyinin tavanın üst kenarından uzaklığı 5-8 cm arasında kalacak şekilde her gün su eklenmelidir. Ancak tavadaki buharlaşma miktarı ile büyük bir su kütlesindeki (Bir hazne, bir göl, bir baraj vb.) buharlaşma miktarı birbiri ile aynı olmaz. Bunun başlıca nedeni tavadaki suyun kütlesi az olduğu için hava sıcaklığındaki değişmelerden daha çabuk etkilenmesidir.
26
Şekil 3.2 A Sınıfı Buharlaşma Tavası
Ayrıca tavanın ısı yansıması, tava civarından ısı alışverişi ve çevrenin az nemli olması da buharlaşmayı etkiler. Aradaki farkı azaltmak için çeşitli tedbirler düşünülmüştür. Öreğin BPI tavasının çapı 2 metre derinliği 60 santimetre olduğu için su kütlesi çok fazladır. Young tavasının üstüne 6 mm aralıklı elek teli konulmuştur. Tavayı üst kısmına kadar toprağa gömmek, yada su üzerinde yüzdürmek gibi çözümler de düşünülmüştür. Bu gibi tavaların buharlaşma miktarı büyük göllerdekine daha yakın olsa da elde edilen sonuçlar kararlı olmamaktadır. Bugünkü durumda en çok denenmiş olan A sınıfı buharlaşma tavasının kullanılması ve göldeki buharlaşma miktarına geçmek için tavadaki okumanın Tava Katsayısı ile çarpılması tavsiye edilmektedir. A sınıfı tavada yıllık buharlaşma için katsayı 0,7 kabul edilebilir. Bu katsayının değişim sınırları 0,6-0,8 arasındadır. Katsayının 0,7 kabul edilmesi durumunda hata payının %15’in altında olduğu düşünülür. Buna göre tavanın yıllık buharlaşma yüksekliğinin % 70 ‘inin tava yakınında bir göldeki yıllık buharlaşma miktarına eşit olacağı kabul edilebilir. Aylık buharlaşma hesabında ise tava katsayısı daha geniş sınırlar arasında değişir. Sonbaharda yüksek, ilkbaharda düşük değerler alır. En az 5000 km2 ye bir tava yerleştirilmesi tavsiye edilmektedir. Türkiye’de buharlaşma ölçümleri D.M.İ. ve D.S.İ. tarafından yapılmaktadır. Ölçümlere ıslak filtre kağıdından buharlaşmayı dönen şerit üzerine kaydeden ve standart tavalara benzer sonuçlar veren yazıcı ölçekler de (Evaporograf) kullanılmaktadır. 3.4 Zemin ve Kar Yüzeyinden Buharlaşma
Zemin yüzeyinden buharlaşma su yüzeyinden buharlaşmaya benzer.Ancak, özellikle az geçirimli zeminlerde, su moleküllerinin yenmeleri gereken direnç daha büyüktür.Zeminin üst kısmında yeterli su varsa (arazi kapasitesi diğerinde) zeminden buharlaşma su yüzeyinden buharlaşmaya eşit olur.Aksi halde zeminden buharlaşma miktarı zeminde mevcut su miktarı ile sınırlıdır, kuruma noktasına düşüldüğünde buharlaşma tamamen durur.Bu bakımdan zeminin üst tabakalarındaki nem ve zeminin su iletme kapasitesi önemli rol oynar.Pratikte yer altı su yüzeyi yer yüzünden 1-3 metreden daha aşağıda olursa zeminden buharlaşma miktarı çok azalır. 3.5 Terleme Ve Tutma
27
Bitkilerin suyu kökleriyle zeminden çekip yaşamaları için gerekli işlemlerde faydalandıktan sonra yapraklarından buhar halinde havaya vermelerine terleme (Transpirasyon) denir.Terleme bitkilerin büyümesi ile ilgili olduğundan sadece büyüme mevsiminde gündüz saatlerinde görülür.Bitkiler topraktan aldıkları suyun çok küçük bir kısmını fotosentez için içlerinde tutar, büyük kısmını kullandıktan sonra atmosfere geri verirler.terleme kaybı bitki cinsine göre günde 0.1 ile 7 mm arasındadır. Bir bitkinin büyümesi sırasında terlediği suyun ağırlığının, kökleri hariç kendi ağırlığına oranına terleme oranı denir, bu oran bitki cinsine, zemine ve iklime göre çok değişir, iğne yapraklı ağaçlar için 100-200 arasında değişen bu oran diğer ağaçlarda 1000’e kadar çıkabilir, tarım bitkilerinde 200-2000 arasında değerler alır. Çok kurak bölgelerdeki bitkiler (Freatofit) kökleriyle 30 m derinlikteki suyu alabilmektedirler. Terlemeyi ölçmek için Fitometre denen kaplarda istenen bitki yetiştirilir, zemin yüzeyinden buharlaşmayı önleyerek kabın ağırlığındaki değişmeden terleme hesaplanır.Bitkilerin buharlaşma kayıpları üzerine etkileri tutma şeklinde olur.Tutma bitkiler tarafından alı konan ve yer yüzeyine hiç varamayan yağış olarak tanımlanır.
3.6 Evapotranspirasyon Kayıpları
Bir bölgede terleme ile ve zeminden, su ve kar yüzeylerinde buharlaşma ile meydana gelen toplam su kayıplarına Evapotranspirasyon (ET) kayıpları denir. Evapotranspirasyon kayıplarının potansiyel ve gerçek değerleri arasında bir ayrım yapmak gereklidir.Her zaman yeterli zemin nemi bulunduğu takdirde meydana gelecek kayba potansiyel evapotranspirasyon adı verilir.Gerçek evapotranspirasyon ise mevcut zemin nemi ile sınırlı olduğu için daha az olabilir, zemin kuruma noktasına gelince gerçek evapotranspirasyon sona erer. Türkiye de yıllık yağış yüksekliği 65 cm olduğuna ve bunun %38’i yüzeysel akış haline geçtiğine göre yıllık ortalama evapotranspirasyon kayıpları 0.62 ×65=40.3 cm’dir, bu değer yıldan yıla fazla değişmez. Gerçek evapotranspirasyon zeminin nemine, bitki örtüsüne ve bitkilerin gelişme durumuna bağlı olduğu için belirlenmesi güçtür.Bitkilerin köklerinin yer altı suyuna kadar inmemesi halinde zeminden alınan numunelerin neminde zamanla gelen değişmeleri ölçerek evapotranspirasyon miktarı belirlenir.Diğer bir ölçme metodu lizimetre denen 0.1-1 m çapında, 1-2 m kadar derinlikte toprakla dolu kaplarda istenen bitkileri yetiştirip yağışları, sızma kayıplarını ve kabın ağırlığındaki değişmeyi ölçerek su dengesi metoduyla evapotranspirasyon miktarını bulmaktadır.
28
4. SIZMA
Yeryüzüne düşen yağışın bir kısmı yer çekimi, kapiler ve moleküller gerilmeler etkisiyle zeminin içine süzülür, bu olaya sızma (infiltrasyon) denir.Sızan su önce zemin nemini artırır ve yüzey altı akışını meydana getirir, geriye kalanı da derinlere sızarak (perkolasyon) yeralyı suyuna karışır. 4.1 Sızma Kapasitesi
• • • • • •
Zeminin tane büyüklüğü ve geçirimliliği. Başlangıç nemliliği Bitki örtüsü ve organik maddeler Zemin yüzeyinin durumu Zeminde hava birikintileri bulunması sızmayı zorlaştırır. Toprağın işlenme şekli de sızmayı çeşitli şekillerde etkiler.
Bu gibi etkenler nedeniyle çıplak arazide sızma kapasitesi 0.25-25 mm/saat arasında değişen değerler alabilir, bitki örtüsünün varlığı bu değerleri 3-7 katına çıkarır. Sızma kapasitesi doğrudan doğruya ölçülemediğinden sızma kapasitesini belirlemek için göz önüne alınan bölgede yağış ve akış miktarlarını ölçülür, gerekirse evapotranspirasyon, tutma ve yüzeysel biriktirme gibi diğer kayıpları da hesaba katarak su dengesinden sızma kapasitesi bulunur. Arazide sızma kapasitesinin ölçülmesi için halka infiltrometre kullanılır.Çapı 30 cm olan içi boş bir boru toprağa 60cm çakılır ve içi su ile doldurulur. Standart Sızma Eğrisi: Yağış devam ettikçe sızma kapasitesi azalır, bunun nedenleri zemin neminin artması, kil tanelerinin şişerek zeminin boşluklarını tıkaması, su ile birlikte katı tanelerin zeminin boşluklarına girmesi, zeminin ve yüzeyin özelliklerinin değişmesi (yağmur damlarının darbelerinin zemini sıkıştırması) olabilir.Zemin yüzeyinin bitki örtüsüyle kaplı olması halinde sızma kapasitesindeki azalma daha küçük olur. f = f c + ( f o − f c ).e − kt
6
Standart sızma eğrisinin akış ve yağış kayıtlarından elde edilmesi Yağış şiddeti ve sızma kapasitesi (mm/saat)
5 4
y f
3 2
Zaman (saat)
1 0 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Grafik 4.1 Yağış ve Akışın Karşılaştırılması
29
14
15
16
17
4.2 Sızma Hızı
Sızma hızı bir yağış sırasında birim zamanda zemine gerçekten giren su miktarıdır.Sızma kapasitesi ve sızma hızının tanımlarından anlaşılacağı gibi yağış şiddetinin sızma kapasitesinden büyük olması halinde sızma hızı sızma kapasitesine eşit olur, öte yandan yağış şiddeti sızma kapasitesinden küçük ise sızma hızı ancak yağış şiddeti kadar olabilecektir.(Bu nedenle standart sızma eğrisini bütün yağış süresince yağış şiddetinin sızma kapasitesinden büyük kaldığı şiddetli yağışların kayıtlarından elde etmek gerekir.)
Grafik 4.2 Standart Sızma Eğrisi
Başlangıçta yağış şiddeti sızma kapasitesinden az olduğunda sızma hızının hesabı (yağış şiddeti sabit)
30
5. YER ALTI SUYU
Yer küresindeki tatlı suyun büyük bir kısmı yeraltında bulunur. Yeraltındaki su, yeryüzünde akarsularda bulunan suyun 7500 katı kadardır. Akarsulardaki toplam akımın yaklaşık %30’u yeraltından beslenir. Kuyularla yeraltındaki hazneden çıkarılan su insanlar tarafından geniş ölçüde kullanılmaktadır. Yeraltından elde edilen suyun iyi bir özelliği de tabii bir şekilde Filtrelenmiş olduğundan genellikle bakterilerden, organik maddelerden, koku ve tatlardan arınmış, kimyasal bileşimi, ve sıcaklık derecesi fazla değişmeyen, iyi kalitede olmasıdır.Kurak mevsimlerde insanlar su ihtiyacını kuyularla yeraltında sağlayabilirler. Bugün yeryüzünde kullanılan suyun %40’ı kadarı yeraltından sağlanmaktadır. Hidrolojinin yer altı suyu hidrolojisi (Jeohidroloji) denen kolu yeraltındaki suyun bulunuş şekillerini, özelliklerini ve hareketini inceler. 5.1 Yeraltındaki Suyun Bölgeleri
Yağışlardan sonra yeryüzünden sızan su önce doymamış bölgeye gelir.Bu bölgede zeminin boşluklarında hava ve su birlikte bulunur.Sonra aşağıya doğru hareketine devam eden su doymuş bölgeye (yer altı suyu) erişir.yer altı suyu alt taraftan suyu geçirmeyen bir tabaka ile sınırlanmıştır.Boşluklarda suyun hava ile birlikte bulunduğu doymamış bölgedeki suya vadoz (askıda) su denir.
Şekil 5.1 Yeraltı Suyunun Bulunduğu Çeşitli Bölgeler
Doymamış Bölge : Bu bölgenin derinliği çeşitli değerler alabilir. Bataklıklarda yer altı su yüzeyi zemin yüzeyine kadar çıkar, doymamış bölge bulunmaz.çok kurak bölgelerde ise doymamış bölgenin derinliği 300 metreye kadar çıkabilir. Doymamış bölgede bulunan su zemin tanelerinin çevresinde moleküler ve kapiler gerilmelerle tutulmaktadır. Suyun moleküler adezyon kuvvetleriyle taneye yapışan ve yerçekimi etkisiyle taneden ayrılmayan kısmına Peliküler su denir. Tanelerin çapı küçüldükçe yüzey alanlarının oranı arttığından peliküler suyun oranı da büyür. Zemindeki su miktarının ölçülmesi oldukça güçtür. Laboratuarda zemin numunesinin tartılması ve sonra etüvde kurutulup tekrar tartılarak aradaki farkın bulunmasıyla zemin nemi belirlenebilir.
31
Şekil 5.2 Yer Altı Suyu Kademeleri
Doymuş Bölge : Boşlukları tamamıyla yer altı suyu ile dolmuş olan, bu suyu bir noktadan diğerine iletebilen ve böylece boşluklarındaki suyun dışarıya çıkarılabilmesine imkan veren formasyonlara akifer (su taşıyan tabaka) denir.Bir jeolojik formasyonun akifer niteliğinde olabilmesi için porozitesinin yeter derecede yüksek olması ve zemindeki boşlukların da oldukça büyük olması gerekir.
Şekil 5.3 Akifer Görünüşü
Akiferleri İki Sınıfa Ayırabiliriz:
1.Serbest yüzeyli (sınırlanmamış) akiferler: Bu gibi akiferlerde yer altı suyunun üst sınırı yer altı su yüzeyidir, bu yüzey boyunca doymuş bölge, doymamış bölge ile temas etmektedir.Doymamış bölgenin boşluklarında hava da bulunduğuna göre yer altı su yüzeyi boyunca atmosfer basıncı mevcuttur.Serbest yüzeyli akiferdeki akım bir açık kanaldaki serbest yüzeyli akıma benzer.Genellikle bu yüzey arazinin topografyasını takip eder, tepelerin altında yükselir, çukur bölgelerde alçalır. 32
2.Basınçlı (artezyen, sınırlanmış) akiferler: Bu tipten akiferler üst taraftan da bir geçirimsiz tabaka ile sınırlanmışlardır, atmosfer basıncı ile temasta olan bir serbest yüzeyleri yoktur.Bu bakımdan basınçlı akiferlerdeki akım borulardaki basınçlı akıma benzer.Bir basınçlı akifere giren kuyular, borulara takılan piyezometrelere benzetilerek bu kuyulardaki statik su yüzeyine piyezometre yüzeyi denir. Akım basınçlı olduğundan piyezometre yüzeyi, akiferin yukarısındadır. Artezyen akifere giren bir kuyuda su akiferin üst sınırının yukarısına kadar yükseldiğine göre zemin yüzeyinin yeter derecede alçak olduğu bazı hallerde zeminden yukarıya da fışkırabilir.Bir akiferde bulunan su yüzdesi akiferin porozitesine eşittir. Porozite boşlukların hacminin toplam hacme oranı olarak tanımların porozitenin büyük oluşu her zaman yeraltından fazla miktarda su elde edilebileceğini göstermez. Yer Altı Suyunun Beslenmesi Ve Kayıpları
• • • • •
Yağışlardan sonra yeryüzünden sızan suyun doymamış bölge arazi kapasitesine eriştikten sonra daha derine sızması ile, Yer altı su yüzeyinden yukarda olan besleyen akarsulardan ve göllerden sızma ile, Sulama kanallarındaki suyun sızması ile, Yerin derinliklerinden faylarla yukarıya çıkan su ile, Havadaki su buharının zemin üzerinde yoğunlaşması ile, 5.2 Yer Altı Suyu Akımı
Akiferin taneleri arasındaki küçük, düzensiz,birbirleriyle ilişkili boşluklarda yeraltı suyu yer çekimi etkisiyle hareket eder.Yer altı suyu akımı suyun enerjisinin yüksek olduğu yerlere doğrudur. V f = KI Vf = Q / A V g = Q / Ag = ( p. A) = V f / p I = hL / L
Deney kanununda hız ile eğim arasındaki K orantı katsayısına Hidrolik İletkenlik denir. Buna bazen geçirimlilik (Permeabilite) katsayısı da denilmektedir.Birim genişlikte bir akifer kesitinden birim eğim altında birim zamanda geçen su miktarına zeminin iletim kapasitesi denir.Buna göre T iletim kapasitesi için şu ifade yazılabilir. T=
Q B.I
33
6. AKIM ÖLÇÜMLERİ VE VERİLERİN ANALİZİ
Yüzeysel akış miktarının belirlenmesi hidrolojide en çok karşılaşılan problemlerdendir.Örneğin;taşkınların kontrolü ile ilgili çalışmalarda maksimum debiyi, su kuvveti tesislerinin projelendirilmesinde yılda belli bir süre mevcut olan debiyi bilmek gerekir. Hidrolojinin akım ölçmeleri ile ilgilenen koluna Hidrometri denir.Akım ölçmelerinin amacı akarsuyun bir kesitindeki su seviyesini ve kesitten geçen debiyi (birim zamanda geçen su hacmini ) zamana bağlı olarak belirlemektir. Ancak, bu gibi ölçmeleri sürekli yapmak çok zor ve masraflı olacağından pratikte bir istasyonun Debi-Seviye bağıntısı (Anahtar Eğrisi) bir kere belirlendikten sonra sadece su seviyesini ölçmek ile yetinilir, bu seviyeye karşı gelen debi anahtar eğrisinden okunur.
Şekil 6.1 Anahtar Eğrisi Yardımıyla Seviyeden Debiye Geçilmesi
6.1 Seviye Ve Su Yüzü Eğimi Ölçümleri
Herhangi bir karşılaştırma düzlemine göre ölçülen su yüzeyi kotuna kısaca seviye denir.Karşılaştırma düzlemi olarak genellikle ortalama deniz yüzeyi seçilir.Seviye ölçmekte yazıcı ölçekler (Limnigraf) ve yazıcı olmayan ölçekler (Limnimetre) kullanılabilir. 1. Yazıcı olmayan ölçekler (limnimetre): Bunların en basiti ve en çok kullanılanı santimetre bölmeli ahşap veya metal bir çubuktur (Eşel). Eşel köprü ayağına, akarsuyun şevindeki bir duvara, ya da başka bir yapıma tutturulabilir.Belli aralarla eşelde suyun yükseldiği seviye okunur. Su seviyesindeki değişmeler büyük ise çeşitli değişme bölgeleri için birden fazla eşel kullanılabilir. Daha prezisyonlu ölçümler için bazen eşel eğik olarak da yerleştirilebilir. Eşelin sıfırı seviye okumaları daima pozitif değer olacak şekilde belirlenmelidir.
Şekil 6.2 Su yüksekliğini Manuel Olarak Ölçen Alet
34
2. Yazıcı ölçekler (limnigraf): Akarsuyla bir boru vasıtasıyla bağıntılı olan bir sakinleştirme kuyusundaki suyun yüzeyindeki bir şamandıranın hareketi şamandıranın bağlı olduğu telin üzerinden geçtiği bir makarayı döndürür.Makaranın dönmesiyle bir yazıcı uç, sürekli olarak dönmekte olan bir kağıt şerit üzerinde hareket eder ve seviyenin zamanla değişmesi otomatik olarak kaydedilmiş olur.Sakinleştirme kuyusu yüzgeci dış etkilerden koruyacağı gibi akarsu yüzeyindeki salınımları kısmen sönümlendirmeye de yarar.Kuyuyu akarsuya birleştiren borunun girişine yüzen cisimlerin girmemesini sağlamak ve salınımları söndürmek için ızgara koymak uygun olur.Sonuçları telsiz, telefon ve telgraf vasıtasıyla uzağa iletmek, otomatik olarak bir kağıt şeride veya kartlara delerek yada manyetik teybe kaydederek bilgisayara vermek de mümkün olabilmektedir.Limnigraflarda su seviyesi 3 mm civarında bir hassaslıkta kaydedilebilir.
Şekil 6.3 Sakinleştirme Kuyusu ve Limnigraf
6.2 Hız Ölçümleri
Bir akarsudaki akımın bir noktasındaki hızı ölçmek için en çok kullanılan alete Muline adı verilir. Mulinede yatay veya düşey bir eksen etrafında akımın etkisiyle dönebilen bir pervane, mulineyi akım doğrultusunda yönelten bir kuyruk parçası ve mulinenin akım tarafından sürüklenmesini önlemek için bir ağırlık bulunur.Pervanenin dönme hızı akımın hızıyla bağıntılıdır.Dakikada dönme sayısı olan n ile V akım hızı arasında doğrusal bir bağıntı vardır. n1
V= a + b.n
Bu bağıntıdaki a ve b katsayıları dönme sayısının çeşitli bölgeleri için mulinenin yapımcısı tarafından verilir.Hata %0.5’den azdır.Türkiye de daha çok Ott ve Gurley tipi yatay eksenli mulineler kullanılır. 6.3 Kesit Ölçümleri
Akarsuyun seçilen bir noktadaki derinliği sığ sularda bölmeli bir sırıkla ölçülür.Daha derin sularda ölçme yapmak için bir çelik şeridin ucuna 2-6 kilogramlık bir ağırlık takılır ve ağırlık tabana indirilir.Ancak ağırlığın tabana batmamasına dikkat edilmelidir.Ayrıca hızlı akımlarda ağırlığın sürüklenmesi ile şerit düşey durumdan ayrılacağından ölçmelerde hatalar olur, bunların düzeltilmesi için özel tablolar kullanılır.Çok derin akarsularda derinliği ölçmek 35
için ses dalgalarının tabana çarpıp yansıması esasına göre çalışan aletler kullanılabilir.Derinlik ölçüldüğü sırada ölçüm yapılan düşeylerin arasındaki uzaklıklarda çelik şeritle ölçülerek akarsuyun kesiti belirlenmiş olur. 6.4. Debi Ölçümleri
Bir akarsuyun debisini ölçmek için en çok kullanılan metot akarsu kesitini dilimlere ayırmak, bu dilimlerin her birindeki Vi ortalama hızını Ai kesit alanını ölçmek ve sonra debiyi Q=ΣVi.Ai şeklinde hesaplamaktır. Anahtar Eğrisi Bir akarsu kesitinde debi ile seviye arasındaki bağıntıyı gösteren eğriye anahtar eğrisi denir.Anahtar eğrisini belirlemek için farklı akım koşullarında seviye ve debi ölçümleri yapılır.Bu ölçümler sonunda elde edilen ardışık noktaların seviyeleri arasındaki farkın akarsudaki en büyük seviye değişiminin %10’undan fazla olmaması istenir. ANAHTAR EĞRİSİ 6
h Seviye (m)
5 4 3 2 1 0 0
200
400
600
800
1000
1200
Q Debi (m3/s) Grafik 6.1 Debi-Seviye Anahtar Eğirisi
36
1400
1600
1800
2000
7. YÜZEYSEL AKIŞ
Bir akarsu kesitinde belirli bir zaman dilimi içerisinde geçen su parçacıklarının hareket doğrultusunda birçok kesitten geçerek, yol alarak ilerlemesi ve bir noktaya ulaşması süresince gerçekleşen olaya Akış adı verilir. Akış izlediği yol doğrultusunda sınıflandırılır. Burada akışın gerçekleştiği havza karakteristiklerini bilmek gerekir. akışın başlangıç noktası yağıştır. Fakat yağış ve akış arasıdaki periyodu yağış tipi belirlemektedir. Yağmur şeklinde düşen yağış ile kar şeklinde düşen ağış arasında önemli farklar vardır. 7.1 Akarsu Havzalarının Özellikleri
Hidrolojide kullanılan coğrafi birim olan akarsu havzası (Su Toplama Havzası, Drenaj Havzası) akışını bir yüzeysel su yolu (Akarsu) üzerinden alınan bir çıkış noktasına gönderen yüzey olarak tanımlanır.Bu şekilde tanımlanan akarsu havzasına üzerine düşen yağışı çıkış noktasındaki akış haline dönüştüren bir sistem gözüyle bakılabilir.Bir havzayı komşu havzalardan ayıran su ayrım çizgisinin topografik ayrım çizgileriyle çakıştığı, yani çıkış noktasından başlayarak arazideki en yüksek noktalardan geçtiği kabul edilebilir.
Şekil 7.1 Yüzeysel Akış Havzası ile Yeraltı Akış Havzası
• • • • • • •
Havza karakteristiklerinin en önemlileri şunlardır. Zemin cinsi ve jeolojik yapı, Bitki örtüsü, Havzanın büyüklüğü, Havzanın biçimi, Havzanın eğimi, Havzanın ortalama kotu, Havza alanının çıkış noktasından olan uzaklığa göre dağılım.
• • • • • •
Akarsu ağı şu özellikleriyle belirlenebilir. Akarsu yoğunluğu, Drenaj yoğunluğu, Akarsu profili, Akarsu ağının şekli, Akarsuyun mertebesi Akarsuyun en kesiti 37
7.2 Akışın Kısımlara Ayrılması
Havzaya düşen yağıştan daha önceki bölümlerde sözü edilen kayıplar çıktıktan sonra geriye kalan yağış fazlası yüzeysel akış haline geçer, yerçekimi etkisi ile arazinin eğimine uyarak havzanın yüksek noktalarından alçak noktalarına doğru hareket eder.Diğer taraftan zemine sızan suyun bir kısmı zeminin üst tabakalarında (doymamış bölgede) ilerleyerek geçirimsiz bir tabakaya rastlayınca yüzeye çıkabilir, buna yüzey altı akışı denir.Zemine sızan suyun bir kısmı ise daha derinlere inerek yer altı suyuna karışır ve sonunda yer altı akışı şeklinde bir akarsuyu besleyebilir.
Şekil 7.2 Akışın Kısımlara Ayrılması
Dolaysız Akış:Yüzeysel akışla yüzey altı akışının gecikmesiz (zemine sızdıktan kısa bir zaman sonra akarsuya ulaşan) kısmından meydana gelir.Genellikle yüzey altı akışının büyük bir kesimi dolaysız akış içinde düşünülür.
Taban akışı:Yer altı akışı ile yüzey altı akışının gecikmeli (akarsuya uzun bir zaman sonra ulaşan) kısmından meydana gelir.
7.3 Rasyonel Metot
Akarsu yapılarının projelendirilmesi en çok karşılanılan problemlerden biri akarsudaki maksimum debinin belirlenmesidir.Söz konusu yapının cinsine ve havzanın büyüklüğüne göre bu iş için çeşitli metotlar kullanılabilir.Bu metotlar arasında en basit olan ve en çok kullanılanlarından biri rasyonel metot adı ile bilinir.Alanı A olan bir havzaya düşen i şiddetinde yağışın meydana getireceği maksimum Q debisi şu formülle hesaplanır. Q=CiA
38
Tablo 7.1 Türkiye Havzalarının Akış Katsayıları Havzanın Adı
Alanı (km2)
Meriç-Ergene Marmara Susurluk Kuzey Ege Gediz K. Menderes B. Menderes Batı Akdeniz Antalya Burdur (Göller) Akarçay Sakarya Batı Karadeniz Yeşilırmak Kızılırmak Konya (kapalı) Doğu Akdeniz Seyhan Asi Ceyhan Fırat Doğu Karadeniz Çoruh Aras Van (kapalı) Dicle Ortalama
14560 24100 22399 10003 18000 6907 24976 20953 19577 6374 7605 58160 29598 36114 78180 53850 22048 20450 7796 21982 127304 24077 19872 27548 19405 57614
Yıllık yağış yüksekliği 640 766 730 730 639 740 656 865 910 436 472 534 803 556 459 437 669 629 837 758 582 1291 540 462 507 814 653
Yıllık akış yüksekliği 85,9 316,2 238,8 220 100,6 162,2 118,1 370,3 574,1 48,6 59,2 103,7 339,2 153,4 80,6 62,4 556,5 345,2 153,9 328 248,2 581,2 327,1 201,1 133,5 437,4 239,3
Akış katsayısı 0,13 0,41 0,33 0,30 0,16 0,22 0,18 0,43 0,63 0,11 0,13 0,19 0,42 0,28 0,18 0,14 0,83 0,55 0,18 0,43 0,43 0,43 0,61 0,44 0,26 0,54 0,37
Örnek Problem 7) Alanı 0.01 km2 olan bir bölgenin yağmur suyu şebekesinin hesabında dönüş aralığı 5 yıl olan yağış esas alınacaktır, bölgenin geçiş süresi 20 dakika olarak hesaplanmıştır.Yağış şiddeti-süre-frekans bağıntılarından tp=20 dakika ve T=5yıl için i=100mm/saat olarak belirlenmiştir. Bölgede yerleşme ayrık nizamda olup akış katsayısı C=0.30 alınacaktır. Buna göre yağmur suyu kanalı hesap debisini belirleyiniz.? Çözüm: Rasyonel formülü kullanarak :
i=100 mm/saat = 0.1/3600 m/s A=0.01 km2 = 0.01×106 m2 Q = CiA = 0.3Χ
0.1 Χ0.01Χ10 6 = 0.083m 3 / s 3600
Yağmur suyu kanalı 0.083 m3/s debiye göre hesaplanacaktır.
39
8. HİDROGRAF ANALİZİ
Taşkınların ve kurak devrelerin incelenmesinde ise akımın zaman içindeki değişimini gösteren hidrografı bilmek gerekir. Hidrografın Elemanları
Hidrograf bir akarsu kesitindeki akış miktarının (debinin) zamanla değişimini gösteren grafiktir.Debi genellikle m3/s cinsinden ifade edilir, düşey eksende gösterilir. 1.Yükselme Eğrisi : AB eğrisi boyunca debi zmanla artmaktadır. 2.Tepe Noktası:Tepe noktası ile hiyetografın ağırlık merkezi arasındaki zaman aralığına gecikme zamanı denir. 3.Çekilme (alçalma) Eğrisi: BD eğrisi Boyunca debi zamanla azalmaktadır.
Grafik 8.1 Bir Hidrografın Elemanları
40
