BÖLÜM 1: G İ R İŞ

1.1. Hidrolojinin Tanımı Genel tanım: “ Suyun yer küresindeki dağılımını ve özelliklerini inceleyen bilim dalı “ Detaylı tanım: “Yer küresinde bulunan suların oluşumunu, dolaşımını (çevrimini), dağılımını, fiziksel ve kimyasal özelliklerini ve çevre ile olan karşılıklı ilişkilerini inceleyen temel ve uygulamalı bilim dalı”

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

1.3. Hidrolojik Çalışmaların Safhaları a.Gözlem ve Ölçümlerin Yapılması b.Verilerin İşlenmesi c.İstatistik Analiz Tekniklerinin Verilere Uygulanması d.Matematik Modellerin Kurulması 1.4. Hidrolojik Çevrim Tabiatta değişik durumlarda (katı, sıvı ve gaz) bulunan su, sürekli bir dolaşım halindedir. Suyun tabiatta dolaştığı yolların tümüne "hidrolojik çevrim" adı verilir (Şekil 1.1).

Hidrolojik Çevrim Şekil 1.1. Hidrolojik çevrim ve elemanları. (Enerji: Güneş ve Yerçekimi)

► Mühendislik Hidrolojisi Açısından Hidrolojik Çevrim Atmosfer biriktirme sisteminden → yüzeysel biriktirme sistemine düşen yağışın bir kısmı sızma yoluyla → zemin nemi biriktirme sistemine, oradan da perkolasyon yoluyla → yeraltı biriktirme sistemine geçer. 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 gönderir. 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 döner.

Sistem, düzenli bir şekilde birbirleriyle ilişkili olan ve çevresinden belli bir sınırla ayrılan bileşenler takımı olarak tanımlanır. Şekil 1.2. Sistem ve elemanları.

1.5. Hidrolojinin Temel Denklemleri A - Kütlenin Korunumu:

Örnek Problem 1.1 (Su Bütçesi): Soru: Bir nehir kesitinde belli bir zamanda bulunan su miktarı m 3 olarak tespit edilmiştir. Aynı anda kesite giren suyun debisi 15 m 3 /s ve çıkan suyun debisi 20 m 3 /s dir. Bir saat sonra kesite giren suyun debisi 20 m 3 /s, kesitten çıkan suyun debisi ise 20.5 m 3 /s olarak değişmiştir. Buna göre; bu süre sonunda nehir kesitinde bulunan suyun hacmindeki değişimi hesaplayınız (yani hacimde artma mı yoksa azalma mı olmuştur?).

Örnek Problem 1. 2 (Su Bütçesi): Soru: Bir baraj haznesine giren akımın (A), hazneden çıkan akımın (B), hazne yüzeyinden buharlaşmanın (E) ve tabandan sızmanın (F) zamanla değişimi aşağıda verilen denklemlerle ifade edilmiştir. t = 5 saniye anında su kütlesinin hacmi m3 olarak belirlenmiştir. Buna göre t = 20 saniye anında hazne hacmini su bütçesi denklemiyle hesaplayınız. (S: hacim, X: birim zamanda hazneye gelen su, Y: birim zamanda hazneden çıkan su, t: zaman)

Örnek Problem 1.2 (devam) Cevap: Verilenlere göre X=A, Y=B+E+F; t 1 =5 s, t 2 =20 s olmalıdır.

Örnek Problem 1.3 (Su Bütçesi): Soru: Tablodaki veriler esas alınarak, sulama amacıyla kullanılan bir gölün verilen zaman süresi için su bütçesi hesabı yapılacaktır. Buna göre saat 18.00’da gölde bulunan suyun hacmini hesaplayınız. S: Göldeki su miktarı (x10 6 m 3 ), A: Göle giren su miktarı (x10 3 m 3 ), B: Göl yüzeyine düşen yağış miktarı (x10 3 m 3 ), C: Gölden çıkan su miktarı (x10 3 m 3 ), D: Göl yüzeyinden meydana gelen buharlaşma miktarı (x10 3 m 3 ), E: Göl tabanından meydana gelen sızma miktarı (x10 3 m 3 )

Örnek Problem 1.3 (devam): Cevap: Verilenlere göre X=A+B, Y=C+D+E olmalıdır. Z=0.5 olsun. X ve Y verileri m3 cincinden verilmiştir. Buna göre; su bütçesi denklemini.

Örnek Problem 1.3 (devam)

 Yukarıdaki şekilde hesaplanan S değerleri tabloda verilmiştir. Tabloda görüldüğü gibi t=18.00 için gölde bulunan su miktarı S= *10 6 m3 olarak hesaplanmıştır. Örnek Problem 1.3 (devam)

B - Enerjinin Korunumu:

Soru: Yerküresinin atmosferinin üst ucuna güne ş ten gelen radyasyon 100 alınacak olursa yeryüzüne eri ş en radyasyon 45’dir. Öte yandan yeryüzünün atmosfere yaydı ğ ı uzun dalga boylu radyasyon 104, do ğ rudan do ğ ruya uzaya gönderdi ğ i uzun dalga boylu radyasyon 15’dir. Atmosfer uzun dalga boylu radyasyonun 98’lik kısmını yeryüzüne geri göndermektedir. Atmosferin üst ucuna güne ş ten gelen enerjinin ortalama de ğ eri yeryüzünün cm2’si ba ş ına günde ortalama 680 kaloridir. Buna göre yeryüzünde buharla ş mada kullanılan enerjiyi ve yıllık buharla ş ma miktarını hesaplayınız. Örnek Problem 1.4 (Enerjini Korunumu):

Örnek Problem 1.4 (devam):

1.6. Yerküresinin Su Dengesi ► Tabiat, su miktarı bakımından dinamik denge halindedir. Su, tabiatta sürekli bir çevrim halinde olup yerküresindeki toplam su miktarının zamanla değişmediği kabul edilir. ► 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 510x10 9 m 3 suyun %37’si (186x10 9 m 3 ) akarsularda akış haline geçer. Türkiye’nin kullanılabilir su potansiyeli yılda 95x10 9 m 3, yer altı suyu potansiyelinin ise 12.3x10 9 m 3 olduğu tahmin edilmektedir.

1.7. Yerküresinin Isı Dengesi - Yerküresindeki ısı enerjisi güneş ışınlarından sağlanır (0.2-4 mikron kısa dalga boylu ışınlar). Güneşten gelen ısısının ortalama değeri dakikada 2 kal/cm 2 dir, - Örneğin; 40 o enlemde bir günde toplam enerji kışın 326 kal/cm 2 ‘ye kadar düşer, yazın ise bu miktar 1021 kal/cm 2 ‘ye kadar yükselir. ► Güneş enerjisi: %33’ü atmosfer tarafından yansıtılır, %22’si hava ve su molekülleri tarafından tutulur (absorpsiyon). Böylece güneşten gelen enerjinin geriye kalan %45’i yeryüzüne ulaşır (Detay için Şekil 1.3’e bakınız). Yerkürenin ortalama sıcaklığı 15 o C dir. Şekil 1.3: Yerküresinin ısı dengesindeki çeşitli bileşenlerin ortalama değerleri (Güneşten gelen radyasyon 100 alınmıştır).

1.8. Hidrometeorolojik (İklimsel) Etkenler veya Faktörler Bir bölgenin hidrolojik özellikleri, büyük oranda, o bölgenin topoğrafyası, jeolojik ve özellikle de iklim şartlarıyla belirlenir.  Topoğrafya: Yağışın oluşmasında, göllerin ve bataklıkların meydana gelmesinde ve ayrıca yüzeysel ve yeraltı su akışı üzerinde etkilidir.  Jeoloji: Bir bölgenin yeraltı yapısını inceler ve dolayısıyla yeraltı suyu hakkında bilgiler sağlar.  İklim: Bir bölgenin hava şartlarının ortalama değerler olarak ifade edilmesine (yağış, buharlaşma, rüzgar hızı vs.) iklim denir. Bir bölgenin iklimi yerküre üzerindeki konumuna bağlı olarak değişebilir. Hidrolojik çevrimde rol oynayan başlıca iklimsel faktörler : - Güneş radyasyonu - Sıcaklık - Atmosfer basıncı - Nem - Rüzgar Bu faktörler yağış, buharlaşma, terleme ve kar erimesi üzerinde doğrudan etkiye sahiptir.

Güneş Radyasyonu: Kısa dalga boyundaki ( μm) güneş radyasyonu dünyanın ana enerji kaynağıdır, Hava durumunu ve iklimi belirler, Güneşten gelen enerjinin %33’ü atmosfer tarafından yansıtılır, %22 kadarı hava ve su buharı molekülleri tarafından tutulur (absorpsiyon), Geri kalan %45’i doğrudan doğruya veya atmosfer tarafından dağıtılarak yeryüzüne erişir, Yeryüzüne ulaşan ısının çoğu emilir ama bir kısmı yüzey yansıtma oranına (albedo) bağlı olarak atmosfere ve uzaya geri yansıtılır. Isınan yeryüzü, sıcaklığı yeryüzüne göre az olan atmosfere uzun dalga (4-100 μm) ışınlar yayar. Atmosferin ısınmasında uzun dalga boylu ışınların etkisi daha fazladır. Sıcaklık Hissedilebilen ısının ölçüsü olarak tanımlanır, Buharlaşma, terleme, kar erime hızına ve yağış tipine etki eder,

Atmosfer Basıncı: Atmosfer basıncı, yer yüzeyinde birim alan üzerindeki hava sütununun ağırlığı olarak tanımlanır, Atmosfer, yerküresi etrafında yaklaşık olarak 25 km kalınlığında gaz, su buharı, ve kirlilik parçacıklarından (toz, buz, kurum, tuzlar vs. ) oluşan karışımdır, Bu gazların dört ana bileşeni azot (%78), oksijen (%21), argon (%0.9) ve karbondioksitdir (%0.03), Atmosfer basıncının deniz seviyesinde değeri, 76 cm (0.76 m) yüksekliğinde civa sütununun veya cm ( m) yüksekliğinde su sütununun ağırlığına eşittir, Bu miktara 1 standart atmosfer basıncı (P atm ) denilir, P atm = milibar (mb) = bar, Yükseklik arttıkça hava sıcaklığı ve yoğunluğu azaldığı için atmosfer basıncı da azalır (ideal gaz kanunu uyarınca, P=ρ*R*T), Not: 1 bar =1000 mbar = 100 kPa; 1 Pa = 1 N/m 2 = 1 kg·m/s 2 (SI birim sistemi) 100 kPa = t/m 2 (= 100/g, g=9.81 m/s 2 ) = kg/cm 2 (MKS birim sistemi)

Örnek Problem 1.5 (Basınç Birimleri): Soru: Deniz seviyesinde ölçülen standart atmosfer basıncının değerini kPa, t/m 2, bar ve mbar cinsinden hesaplayınız. Cevap: h (basınç yüksekliği) = P (basınç) / γ (sıvı özgül ağırlığı) olduğunu hatırlayalım. (γ su =9.81 kN/m 3, γ civa = 13.6* γ su = 13.6*9.81= kN/m 3 ) h civa = P atm / γ civa olduğuna göre yaklaşık olarak ; P atm = 0.76* = kPa P atm = kPa = t/m 2 P atm = kPa = bar = mb

Nem:

Doygun buhar basıncı ve hava sıcaklığı arasındaki ilişki aşağıdaki grafikte görülmektedir (yeşil renkli eğri). e s -T Grafiği: Şekil 1.4. Doygun buhar basıncı ve hava sıcaklığı arasındaki ilişkiyi gösteren eğri.

Kısmi doygunluktaki bir hava kütlesinin doygun hale ulaşması: Şekil 4’te görüldüğü herhangi bir T a sıcaklığındaki hava kütlesinin gerçek buhar basıncı e olsun (yani hava kütlesi kısmi doygun haldedir). Bu hava kütlesi 3 farklı şekilde doygunluğa ulaşabilir; 1-) Eğer hava kütlesinin içerdiği buhar miktarı sabit tutulup sıcaklık düşürülürse (T a ’dan T d ’ye), kütle kendi içindeki buhar ile doygunluğa ulaşır (1 nolu yol). T d sıcaklığına çiy noktası sıcaklığı denir. 2-) Eğer hava kütlesinin sıcaklığı sabit tutulur ve buna buhar eklenirse, hava kütlesi yeni bir buhar içeriği ile doygunluğa ulaşır (2 nolu yol). 3-) Hava kütlesi, içerisinde bulunan buhar içeriğinin artması ve ısısının biraz azalması halinde yeni bir sıcaklığa ulaşarak doygunluğa ulaşır (3 nolu yol). Bu yeni sıcaklığa ıslak nokta sıcaklığı (T w ) denir. Not: 1 ve 2 nolu durumlar ancak laboratuvar ortamında gerçekleşebilir. Hava kütlesi tabiatta bu şekillerde doygunluğa ulaşamaz.

Havadaki Nemin Ölçümü: Şekil 1.5. Psikometre cihazı (nem ölçer).

Nem Tanımı:

Nemli Havanın Yoğunluğu:

Örnek Problem 1.6 (İklimsel Faktörler):

Ödev Soru: T sıcaklığında bir hava kütlesinin atmosfer basıncı P= 1000 mb, gerçek buhar basıncı e=14 mb ve nisbi nem oranı ise 0.7 olarak verildiğine göre; a) Hava kütlesinin sıcaklığını hesaplayınız, b) Havanın buhar yoğunluğunu (  v ) bulunuz, c) Havadaki özgül nem değerini (q h ) hesaplayınız, d) Nemli havanın yoğunluğunu (  a ) bulunuz. Cevap: (a):, T=17.46 o C (e s =20 mb için), (b):  v = gr/m 3, (c): q h =8.708 gr/kg, (d):  a = gr/m 3 (  d = gr/m 3 için). Örnek Problem 1.6 (devam):

Rüzgar:  Havanın yatay hareketi olarak tanımlanır. Dikey hava hareketi ise hava akımıdır. Rüzgarın geldiği yönün ve hızının belirtilmesi gerekir. Rüzgarın yönünü belirtmek için 16 pusula yönünden oluşan rüzgar gülü kullanılır (Şekil 1.6). Şekil 1.6. Rüzgar Yönleri  Rüzgarın hızı, herhangi bir hız birimi ile ifade edilebilir (m/s, m/saat, km/saat, mil/saat gibi).  Rüzgar, hidrolojik çevrimin iki önemli elemanı olan yağış ve buharlaşmanın meydana gelmesinde önemli rol oynar.