HİDROGRAFİ VE OŞİNOGRAFİ (DERS) 2. HAFTA Prof. Dr. Hüseyin TUR

YERKÜRENİN ISI VE SU DENGESİ Bu kavramın detaylı incelenebilmesi için hidroloji kavramını ve detaylarını anlamak gerekir.

HİDROLOJİNİN TANIMI ► Basit olarak suyun yer küresindeki dağılımını ve özelliklerini inceler. ► Hidrolojinin en yaygın olan tanımı ise: “Hidroloji yer küresinde bulunan suların oluşumunu, dolaşımını (çevrimini), dağılımını, fiziksel ve kimyasal özelliklerini ve çevre ile olan karşılıklı ilişkilerini inceleyen temel ve uygulamalı bilim dalı”

HİDROLOJİNİN ÖNEMİ Su ile ilgili her türlü mühendislik çalışmaları “su kaynaklarının geliştirilmesi " adı altında toplanmaktadır. Bu çalışmaların amaçları: a. Suyun kullanılması için yapılan çalışmalar: Su getirme, sulama, su kuvveti tesisleri, akarsularda ulaşım vb.. b. Su miktarının kontrolü çalışmaları: Taşkın zararlarının azaltılması ve önlenmesi, drenaj (kurutma) ve kanalizasyon tesisleri vb.. c. Su kalitesinin kontrolü çalışmaları: Suyun kirlenmesinin azaltılması ve mümkünse önlenmesi için yapılan koruyucu tesisler ve arıtma yapıları vb.. Bütün bu çalışmalar için yapılacak tesislerin planlama, projelendirme, inşaat ve işletme aşamalarında hidroloji bilimi hayati bir öneme sahiptir.

HİDROLOJİK ÇEVRİM (DÖNGÜ) Tabiatta değişik durumlarda (katı, sıvı ve gaz) bulunan su, sürekli bir dolaşım halindedir. Suyun tabiatta dolaştığı yolların tümüne "hidrolojik döngü (çevrim)" adı verilir.

HİDROLOJİK DÖNGÜ

HİDROLOJİK DÖNGÜNÜN UNSURLARI Buharlaşma Yağış Bitki yüzeyinde tutulma Yüzey akış Yeraltı suyu Evapotranspirasyon (topraktan buharlaşma + bitkiden terleme) Sızma Perkolasyon (derine sızma) İnfiltrasyon (toprağın su alma hızı)

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.

Hidrolojik çevrimin mühendislik hidrolojisi bakımından daha anlamlı ve daha ayrıntılı bir diyagramı yukarıdaki şekilde 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. 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.

MÜHENDİSLİK HİDROLOJİSİ BAKIMINDAN HİDROLOJİK ÇEVRİM

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 yer altı biriktirme sistemi de yeraltı akışı şeklinde suların bir kısmını akarsu biriktirme sistemine göndermektedir. Bunlara akarsu biriktirme sistemine düşen yağış eklenip buharlaşma kayıpları çıktıktan sonra geriye kalan su akarsularda akış şeklinde denizlere veya göllere ulaşmakta, oradan buharlaşma ile atmosfere geri dönmektedir. Hidrolojik çevrim sırasında su aynı zamanda yeryüzünden söktüğü katı taneleri akarsular yoluyla göl ve denizlere taşıyarak yerkabuğunun biçim değiştirmesine neden olmaktadır. yukarıdaki 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. Sistemi çevresinden ayıran sınırın çizilmesi incelenen problemin özelliklerine bağlıdır. Hidrolojik çalışmalarda göz önüne alınan sistem bir akarsu havzasının bir bölümü olabileceği gibi bir havzanın tümü de olabilir, birkaç havza bir arada bir sistem olarak düşünülebilir.Bir sistemin çevresi ile olan ilişkileri girdi ve çıktı vektörleriyle belirlenir. Bir biriktirme sisteminin girdileri (x) sisteme çevresinden giren sular, çıktıları (y) ise sistemden çevreye çıkan sulardır. Sistemin herhangi bir andaki durumunu sistemde o anda depolanmış olan S su miktarı belirler. Sistem, o andaki durumuna göre girdileri çıktılara dönüştürür.

Sistem, düzenli bir şekilde birbirleriyle ilişkili olan ve çevresinden belli bir sınırla ayrılan bileşenler takımı olarak tanımlanır.

HİDROLOJİNİNİN TEMEL DENKLEMLERİ Bütün fiziksel olaylar için yürürlükte olan “kütlenin korunumu” ve “enerjinin korunumu” ilkeleri hidrolojik çevrimin herhangi bir parçasına da uygulanabilir.

Kütlenin Korunumu: Kütlenin korunumu ilkesi: “Hidrolojik çevrimin herhangi bir parçasında su miktarının korunduğunu 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: sistemde birikmiş su miktarıdır. ►Bu denklem herhangi sonlu bir Δt zaman aralığındaki değerler (X,Y) göz önüne alınarak da yazılabilir:

Bu denklemin uygulanmasına bir örnek olarak aşağıdaki şekilde verilen yerküre parçasını ele alalım.

Enerjinin Korunumu Kütlenin korunumu ilkesinden elde edilen süreklilik denklemi bütün hidrolojik olaylara uygulanabilir. Fiziğin diğer temel ilkesi olan enerjinin korunumu ise ısı ile ilgili hidrolojik olayların (buharlaşma, karların erimesi gibi) incelenmesinde kullanılır. Yukarıdaki denkleme benzer şekilde enerjinin korunumu denklemi : Şeklinde yazılabilir. Burada Hx ve Hy herhangi bir zaman aralığında sisteme giren ve çıkan ısı, süresinde sistemin ısısındaki değişimdir. Hidrolojik sistemler hakkındaki bilgilerimizin eksik oluşu, sistemlerin genellikle heterojen ve zaman içinde değişken yapıda olmaları yüzünden temel denklemlerin hidroloji problemlerine uygulanmasında bir çok güçlüklerle karşılaşılır. Denklemlerdeki büyüklüklerin yeterli bir doğrulukta ölçülmesi genellikle çok zor olur. Bu nedenle özellikle ’nin küçük değerlerinde bu denklemleri kullanarak güvenilir sonuçlar elde etmek mümkün olmaz.

Yerküresinin Su Dengesi ► Doğa su miktarı bakımından dinamik denge halindedir. Su tükenmez bir doğal kaynak olup yer küresindeki toplam su miktarı zamanla değişmez. ► Yeryüzünde bir yılda düşen yağış, o yıl içinde buharlaşarak havaya geri dönen su miktarına eşittir. - Bu miktar ortalama olarak yılda 100 cm kadardır.

Herhangi bir anda suyun yerküresinin çeşitli kısımları arasında dağılımı: ►Türkiye : 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.

Güneşten gelen radyasyon 100 alındığına göre ısı dengesindeki çeşitli bileşenlerin ortalama değerleri. Yeryüzüne gelen toplam ısı miktarı yerden yere ve günden güne değişir. Ancak yerküre bütün olarak göz önüne alınıp uzun bir zaman süresi (1 yıl gibi) düşünüldüğünde gelen ve giden enerjiler eşit olur. Yeryüzüne varan ısının bir kısmı yerkürenin sıcaklığını değiştirir, bir kısmı da çeşitli işlemlerde kullanılır (fotosentez gibi kimyasal ve biyolojik olaylar, buharlaşma). Buharlaşmada kullanılan enerjinin ortalama değeri güneşten gelan enerjinin %24’ü kadardır. Şekil-6 atmosferin ve yeryüzünün enerji dengesini göstermektedir.

Güneş ısısı: sabit & ort. dakikada 2 kal/cm2. Örnek olarak, 40. enlemde bir günde kışın 326 kal/cm2 & yazın 1021 kal/cm2 düşer! ► Güneş enerjisi: %33 atm yansıtır + %22 hava ve su molekülleri tutar kalan %45 yeryüzüne ulaşır. Yerkürenin ort. Sıcaklığı: 15 C