HİDROLOJİ Bahar Yarıyılı (Güncelleme Tarihi: 25 Mart 2017) Prof. Dr. Osman Yıldız ( Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi İnşaat Mühendisliği Bölümü)

Bölüm 4: Sızma (İnfiltrasyon)

 Yağışın bir kısmının;  yerçekimi,  kapilarite (kılcallık) ve  moleküler gerilmeler etkisi ile zemine süzülmesine sızma veya infiltrasyon denir.  Hidrolojik çevrimin önemli bir elemanı olan sızma; yüzeysel akış, zemin nemi ve yeraltı suyu miktarı üzerinde önemli rol oynar.  Bu nedenle, bir yağış esnasında zemine sızacak su miktarının belirlenmesi önemlidir Giriş

4.2. Sızma Kapasitesi Birim zamanda zemine sızabilecek maksimum su miktarı sızma kapasitesi olarak adlandırılır. Hız biriminde ifade edilir. Sızma kapasitesini etkileyen (artıran veya azaltan) önemli faktörler şunlardır:  zeminin dane büyüklüğü ve geçirimliliği,  yağış başlangıcında zemin nemi (başlangıç nemliliği),  bitki örtüsü ve zeminde bulunan organik maddeler,  zeminde içerisinde bulunan hava birikintileri,  zemin yüzeyinde biriken ince toz ve diğer maddeler,  toprağın işlenme şekli. Bitki örtüsü yönünden zayıf açık arazide sızma kapasitesi mm/saat arasında değişir, bitki örtüsünün varlığı bu değerleri 3-7 katına çıkarır.

Çeşitli zemin türleri için sızma kapasitesi

4.3. Sızma Kapasitesinin Belirlenmesi Sızma kapasitesi doğrudan doğruya ölçülemediğinden yağış, akış, ET, tutma ve yüzeysel biriktirme kayıpları göz önüne alınarak su dengesinden zeminin sızma kapasitesi bulunabilir. Arazide sızma kapasitesinin ölçülmesi için halka infiltrometre kullanılır. Belli bir çapta içi boş bir boru toprağa belli bir derinlikte çakılır ve içi su ile doldurulur.

Arazide Sızma Kapasitesinin Ölçülmesi Deneyi Not: Sızma ölçmeleri için radyoaktif izleyiciler de kullanılmaktadır.

4.4. Standart Sızma Eğrisi  Yağış sırasında sızma kapasitesinin zamanla değişimini gösterir,  Şiddetli bir yağış sırasında ölçülen yağışlardan akışlar çıkartılarak elde edilir (buharlaşma, tutma ve diğer kayıplar göz önüne alınmaz),  Aşağıdaki grafikte görüldüğü gibi yağış hiyetografı üzerinde çizilir,  Yağış başlangıcında sızma kapasitesi maksimum seviyededir,  Ancak, yağış devam ettikçe zemin neminin artması, kil taneciklerinin zemin boşluklarını tıkaması vb. sebeplerle sızma kapasitesi azalır ve belli bir süre sonra limit (sabit) bir değere ulaşır.

 Sızma kapasitesi eğrisi altında kalan alan, göz önüne alınan yağış esnasında meydana gelen sızma miktarını (mm) gösterir,  Buna göre; toplam yağıştan sızma çıkarılırsa dolaysız akış veya artık yağış yüksekliği (mm) elde edilir,

Örnek Problem 4.1 (Sızma kapasitesinin zamanla değişimi) Zaman t (dak) Eklenen su hacmi V (cm 3 )

Örnek Problem 4.1 (devam) Tabloda, sütun 2’de verilen zaman aralığı Δt = t 2 - t 1, sütun 4’te verilen h=V/A, sütun 5’de verilen sızma yüksekliği ΔF = h 2 - h 1 şeklindeki bağıntılarla elde edilmiştir. Örneğin; t=0-2 aralığında Δt = t 2 - t 1 = (2-0)/60=0.033 saat, h=288/962 = cm, ΔF = h 2 - h 1 = =0.299 cm dir. Yine benzer şekilde; t=10-20 dakika aralığında Δt = t 2 - t 1 = (20- 10)/60=0.167 saat, h=1934/962 = cm, ΔF = h 2 - h 1 = = cm dir. Standart sızma kapasitesi değerleri sütun 6’da verilmiştir. Zaman t (dak) Zaman aralığı Δt (saat) Eklenen su hacmi V (cm 3 ) Eklenen su Yüksekliği h (cm) Sızma yüksekliği ΔF (cm) Standart sızma kapasitesi f= ΔF/Δt (cm/saat) (1)(2) (3) (4)(5)(6)

Örnek Problem 4.1 (devam) Tabloda verilen değerler kullanılarak elde edilen standart sızma eğrisi aşağıdaki grafikte görülmektedir.

Horton Denklemi Not: f o, f c ve k değerleri zemin cinsine ve bitki örtüsüne göre değişir. f c esasında perkolasyon hızını (zemin neminin arazi kapasitesine ulaştıktan sonraki sızma hızı) gösterir.

4.5. Sızma Yüksekliği  Bir yağış sırasında birim zamanda zemine gerçekten giren su miktarına sızma hızı denir. Bir yağış esnasında sızma hızının hesabında aşağıdaki iki farklı durum göz önüne alınır: - Yağış şiddeti sızma kapasitesinden büyük ise (yani i > f ise) sızma hızı sızma kapasitesine eşit olur, - Yağış şiddeti sızma kapasitesinden küçük ise (yani i < f ise) sızma hızı ancak yağış şiddeti kadar olur. Sızma Hızı

Örnek Problem 4.2 (Horton denkleminin elde edilmesi)

Örnek Problem 4.2 (devam) Tabloda, sütun 1’de deney devam ederken kaydedilen süreler saat cinsinden verilmiştir. Sütun 2’de daha önce hesaplanan sızma kapasitesi değerleri bulunmaktadır. Sütun 3’de f-f c değerleri, sütun 4’te ise bu değerlerin logaritması verilmiştir. t (saat) f (cm/saat) f-f c ln(f-f c ) (1) (2) (3)(4)

Örnek Problem 4.2 (devam)

Not: Burada elde edilen k değeri daha önceki değere (2.1225) çok yakındır.

Örnek Problem 4.3 (Horton denklemi ile sızma yüksekliğinin elde edilmesi) Soru: Bir akarsu havzasında 7 saat süren bir fırtına sonrası yağış hiyetografı aşağıda verilmiştir. Bu havzada Horton standart sızma eğrisi parametreleri f c = 12 mm/saat, f o =26 mm/saat ve k = 0.3 (1/saat) olarak belirlenmiştir. Buna göre; a-) Havzanın Horton standart sızma eğrisini aşağıdaki hiyetograf üzerinde çiziniz, b-) Bu fırtına sonucu meydana gelen toplam sızma ve dolaysız akış (artık yağış ) yüksekliklerini bulunuz.

Örnek Problem 4.3 (devam) t (saat) f (mm/saat)

Örnek Problem 4.3 (devam) Cevap: Daha önce bahsedildiği gibi eğrinin altında kalan alan sızmayı, üzerinde kalan alan ise dolaysız akış yüksekliğini verir. Aşağıdaki şekilde görüldüğü gibi; 0-2, 2-3 ve 6-7 saatlerinde yağış şiddeti sızma kapasitesinden büyük olduğundan bu saatlerde sızma hızı sızma kapasitesine eşittir. 3-6 saatlerinde ise yağış şiddeti sızma kapasitesinden daha az olduğu için bu saatlerde sızma hızı yağış şiddetine eşittir.

Örnek Problem 4.3 (devam)

4.6. Sızma İndisleri Daha önceki konularda görülen standart sızma eğrileri nispeten küçük alana sahip homojen bölgeler için geçerlidir. Bölgede yağış şiddeti ve sızma kapasitesi yerel olarak değişiyorsa standart sızma eğrisini belirlemek zor olur. Bu nedenle, yağış sırasında ortalama sızma miktarını gösteren sızma indisleri kullanılır. Sızma indisleri kısa süreli ve şiddetli yağışların başlangıçta ıslak zeminli durumlarda daha iyi sonuç verir. Burada sırasıyla  (fi) ve W indisleri ele alınacaktır.

 sızma indisi  Hiyetograf üzerinde çizilen yatay doğrunun üzerinde kalan alan dolaysız akış veya artık yağış yüksekliğine eşit olmalıdır (dolayısıyla eğrinin altında kalan alan ise sızma yüksekliğine eşittir).  Çizilen yatay doğrunun ordinatı  dir.  Yağış şiddeti  değerinden büyük ise aradaki fark dolaysız akış yüksekliğini verir.

W sızma indisi P = yağış yüksekliği, R = akış yüksekliği, S = yüzeysel biriktirme yüksekliği, t p = yağış yüksekliğinin sızma kapasitesinden büyük olduğu süre olmak üzere W sızma indisi aşağıdaki bağıntı ile ifade edilir; Sızma indislerinin karşılaştırılması:  Yüzeysel biriktirmeyi de içerdiğinden W indisinin değeri  indisinden nispeten küçüktür.  Yağış şiddetli ve uzun süreli ise iki indis değerleri birbirine yaklaşır.  S yüzeysel biriktirme yüksekliğinin belirlenmesi pratikte zordur.  Sızma indislerinin hesabında tutma ve yüzeysel biriktirme gibi kayıplar baştan hesaplanıp yağış yüksekliğinden çıkarılırsa sonuç daha sağlıklı olur.  Sızma indisleri gerçek sızma miktarını değil potansiyel sızma miktarını gösterir.