HİDROLOJİ Bahar Yarıyılı (Güncelleme Tarihi: 09 Mayıs 2017) Prof. Dr. Osman Yıldız ( Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi İnşaat Mühendisliği Bölümü)

Bölüm 7: Yüzeysel Akış

■ 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. Giriş

7.1. Temel Kavramlar  Akarsu Havzası: Su toplama havzası veya drenaj havzası olarak da isimlendirilir. Yağışlarla toplanan suları, bir yüzeysel su yolu (akarsu) üzerinden bir çıkış noktasına (deniz veya göl) ulaştıran yüzeye "akarsu havzası" veya kısaca "havza" denir.  Su Ayrım Çizgisi: Bir havzayı diğer havzalardan ayıran sınıra "su ayrım çizgisi" denir. Su ayrım çizgisi, arazideki en yüksek kotlu noktalardan geçer.

7.2. Akarsu Havzası Akarsu havzasında yüzeysel sular bir çok koldan oluşan akarsu ağı ile akarsu sınırları içerisinde (su ayrım çizgisi) çıkış noktasına taşınır. Havza kendi içerisinde alt havzalardan meydana gelir.

 Kızılırmak Havzası Kızılırmak havzasının alanı yaklaşık olarak km 2 dir. Kızılırmak ve kollarının (Yıldız Irmağı, Delice Irmağı, Devrez Çayı, Gökırmak vd.) sularını Bafra’da Karadeniz’e ulaştırır. Kızılırmak nehri ana kol üzerinde 7 adet baraj bulunmaktadır (Yamula, Hirfanlı, Kesikköprü, Kapulukaya, Obruk, Altınkaya ve Derbent).

 Havza yapısının akarsu özellikleri üzerindeki etkileri  Havza içerisinde akarsu özellikleri sürekli değişebilmektedir. Havza yapısı akarsu özelliklerinde etkilidir.

 Yerüstü (yüzeysel) ve yeraltı sularının etkileşimi Havzada yerüstü ve yeraltı suları birbirleriyle etkileşim halinde bulunurlar.

 Akarsu havzası, su ayrım çizgisi ve havza çıkışı

 Mississippi nehir havzası

 Mississippi nehir havzasının sayısal yükseklik haritası

 Türkiye’nin sayısal yükseklik haritası

 Bazı Akdeniz ülkelerinin sayısal yükseklik haritası

 Bir sıradağa ait sayısal yükseklik haritası

7.3. Akarsu Havzalarının Özellikleri Havzaya düşen yağışın çıkış noktasında gözlenen akışa dönüşmesi, havza karakteristikleri de denen havzanın özelliklerine bağlıdır. En önemlileri şunlardır: a. Büyüklüğü: Havzanın büyüklüğü çoğu defa havza alanı ile ifade edilir. Küçük havzaların debileri daha düzensiz ve geçiş süreleri daha kısadır. b. Eğimi: Bir haritadan, çeşitli yöntemlerle belirlenebilir. Havzanın eğimi arttıkça, akış hızı artar ve geçiş süresi kısalır; dolayısıyla taşkın debisi de büyür. c. Ortalama Kotu: Yağış miktarı ve cinsi (yağmur veya kar) ve sıcaklık üzerinde etkilidir. d. Zemin Cinsi ve Jeolojik Yapısı: Havzanın morfolojik özelliklerini, sızmayı ve yer altı suyu akışını etkiler. e. Bitki Örtüsü: Terleme ve sızmayı, ayrıca yüzeysel akışın hızını ve kar erimesini etkiler. f. Biçimi: Hidrografın şeklini ve pik debisini etkiler. g. Havza alanının çıkış noktasından olan uzaklığa göre dağılım: Hidrografın şeklini etkiler.

 Yüzeysel akış havzası ile yeraltı havzası arasındaki bağıntı ► Karstik bölgelerde ve basınçlı akiferlerde yeraltı suyunun beslenme bölgesi yüzeysel akışınkinden farklı olabilir. ► Fakat birçok havzada bunların havza sınırlarının aynı olduğu kabul edilir. ► Bir havzayı komşu havzalardan ayıran su ayrım çizgisinin topografik ayrım çizgileriyle çakıştığı, yani çıkış noktasından başlayarak arazideki en yüksek noktalardan geçtiği kabul edilebilir.

Akarsu ağı planda, profilde ve enkesitte mevcut su ve katı maddeyi dinamik bir denge halinde taşıyabilecek bir biçim alır. Bir akarsu ağı aşağıda kısaca tarif edilen özelliklerle belirlenir: Akarsu yoğunluğu: Akarsu kollarının her biri ayrı ayrı sayılmak üzere hesaplanacak akarsu sayısının havza alanına oranıdır. Drenaj yoğunluğu: Havzadaki akarsuların toplam uzunluğunun havza alanına oranıdır. Akarsu profili: Havzadaki ana akarsuyun (ana kolun) yatağının talveg kotunun akarsu çıkış noktasından olan uzaklığa göre değişimini gösteren çizgidir. Akarsu ağının şekli: Zeminin jeolojik yapısına bağlı olarak havzadaki akarsu ağı şekli değişiri. Akarsuyun mertebesi: En küçük koldan başlayıp kolların birleştiği notalarda 1 artırarak yapılan hesaba göre havzada hesaplanan en yüksek değerdir. Akarsuyun enkesiti: Genellikle düzensiz olan enkesitlerde akarsuyun esas yatağının biçimi yaklaşık olarak trapez kabul edilebilir.  Akarsu ağı

7.4. Akışın Kısımlara Ayrılması Bir akarsu kesitinden geçen akış, a) yüzeysel akış, b) yüzeyaltı akış ve c) yeraltı akışı olmak üzere üç kısımdan oluşur.

 Havzaya düşen yağıştan sızma, buharlaşma vb. kayıplar çıktıktan sonra geriye kalan kısmı "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 "yüzeyaltı akışı" denir.  Zemine sızan suyun bir kısmı ise daha derinlere inerek yeraltı suyuna karışır ve sonunda "yeraltı akışı" şeklinde bir akarsuyu besleyebilir.  Yüzeysel akış, yüzeyaltı akış ve yeraltı akışı

 Yüzeyaltı akışını diğerlerinden ayırmak güç olduğundan bir akarsudaki toplam akış, akarsuya varış süresine göre dolaysız akış ve taban akışı olmak üzere iki kısma ayrılır.  Dolaysız Akış : Yüzeysel akış (tabaka akışı) ile yüzeyaltı akışının gecikmesiz kısmından meydana gelir. Yağış şiddetinin, sızma kapasitesini aştığı zamanlarda oluştuğundan şiddetli yağışlardan sonra önemli hale gelir ve çok hızla hareket edip kısa zamanda büyük taşkınlara yol açabilir.  Taban Akışı: Yeraltı akışı ile yüzeyaltı akışının gecikmeli kısmından meydana gelir. Akış hızı çok yavaştır ve akarsuyu sürekli besleyen kaynak niteliğindedir.  Dolaysız akış ve taban akışı

 Akarsu ve yeraltı suyu ilişkisi:

 Verilen bir yağış yüksekliğine karşı gelecek dolaysız akış yüksekliğinin tahmin edilebilmesi için akış-yağış bağıntıları (modeller) geliştirmek gerekir.  Akış-yağış bağıntıları, özellikle akım ölçümleri bulunmayan havzalarda akış yüksekliğini tahmin etmekte kullanılır (su yapılarının tasarımı, taşkın ve sel baskınlarına karşı önlemler için vs.).  Akış ile yağış arasındaki en basit bağıntı, aşağıdaki grafikte görüldüğü gibi, çeşitli yağışlara ait akış yüksekliklerini yağış yükseklikleri ile ilişkilendirerek elde edilebilir Akış-Yağış Bağıntıları

 Önceki grafikte görüldüğü gibi noktaların eğri etrafındaki sapmalarının fazla oluşu, olayda başka etkenlerin (sızma, buharlaşma, terleme, tutma vb. değişkenler) bulunduğunu gösterir.  Bu sebeple, daha doğru akış yüksekliği tahminleri elde etmek için olaya etki eden önemli değişkenleri de dikkate almak gerekir (parametrik havza modellerinde olduğu gibi).  Bu gibi bağıntılar ancak elde edildikleri havza için geçerlidir Akış-Yağış Bağıntıları (devam)

7.6. Rasyonel Metot Burada C boyutsuz, i mm/saat ve A km 2 birimlerinde olmak üzere Q m 3 /s biriminde elde edilir. Bazı yüzeyler için akış katsayısı değerleri: C: (ormanlık bölgeler) C: (ayrık nizam yerleşim bölgeleri) C: (yollar)

 Rasyonel metodun uygulama alanları:  Yağmur suyu kanalizasyon şebekesi tasarımlarında maksimum (pik) debilerin tahmininde,  Karayolu/demiryolu menfezlerinin boyutlandırılması için taşkın debilerinin hesabında sıklıkla kullanılır. Not 1: Rasyonel metot, geçirimsiz alanların yüzdesinin (oranının) büyük olduğu yerlerde ve yağış süresinin havzanın geçiş (toplanma) süresinden büyük veya eşit olduğu küçük havzalarda iyi sonuçlar verir. Not 2: Rasyonel metot ile hesaplanan debi değerleri, dolaysız akış debileri olduğundan taşkın debisini tahmin etmek için bu değerlere taban akışı ilave edilmelidir.

Örnek Problem 1 (Rasyonel metot): Soru: Kırıkkale’de yüzey alanı A=0.02 km 2 olan bir bölgenin yağmur suyu şebekesinin hesabında dönüş aralığı (tekerrürü) T=5 yıl olan yağış esas alınacaktır. Bölgenin geçiş (toplanma) süresi t c =20 dakika olarak belirlenmiştir. Bölgede yerleşme bitişik nizamda olup akış katsayısı C=0.7 olarak alınacaktır. Aşağıda verilen yağış şiddeti- süre-tekerrür eğrileri grafiğini kullanarak bölgenin yağmur suyu kanalı hesap debisini (pik debi) Rasyonel metot ile hesaplayınız. Q=0.278*C*i*A

Örnek Problem 1 (devam): Cevap: Bölgenin yağış şiddeti-süre-tekerrür eğrileri grafiğine göre verilen t c ve T için yağış şiddeti yaklaşık olarak i=58 mm/saat olarak okunur. Buna göre bölgenin yağmur suyu kanalı hesap debisi: Q=0.278*0.7*58*0.02=0.226 m 3 /s olarak elde edilir.

Örnek Problem 2 (Rasyonel metot): ParselAlan (km 2 )Akış katsayısı (C) Toplanma (geçiş) süresi (t c ) (dakika) I II III BoruUzunluk L (m)Eğim JPürüzlülük katsayısı (n) AB BC

Örnek Problem 2 (devam):

7.7. SCS Yöntemi

Örnek Problem 3 (SCS Yöntemi):

Örnek Problem 3 (devam): t (saat) P (cm) t (saat) P (cm) (P-0.2*S) (P-0.2*S) (P+0.8*S) P e (cm) Not: Bu soruda 1. saat sonunda (P-0.2*S) = < 0 ve 4. saat sonunda (P-0.2*S) = <0 olduğundan artık yağış yükseklik değerleri P e =0 alınır.

 Verilen zaman aralıklarındaki artık yağış yükseklikleri aşağıdaki tabloda verilmiştir. Örnek Problem 3 (devam): Zaman aralığı 0-1 (Δt =1 saat)1-4 (Δt =3 saat)4-8 (Δt =4 saat)8-10 (Δt =2 saat) ΔP e (cm)

Örnek Problem 4 (SCS Yöntemi): t (saat)02468 P (mm) t (saat)02468 P (cm)

Örnek Problem 4 (devam): t (saat)02468 P (cm) (P-0.2*S) (P-0.2*S) (P+0.8*S) P e (cm) Önemli Not : (P-0.2*S) < 0 olması durumunda P e değeri 0 alınır. Zaman aralığı0-2 (Δt =2 saat)2-4 (Δt =2 saat)4-6 (Δt =2 saat)6-8 (Δt =2 saat) ΔP e (cm)  Verilen zaman aralıklarındaki artık yağış yükseklikleri:

7.8. Kar Erimesinden Meydana Gelen Akış  Karların erimesiyle meydana gelecek toplam akışı bilmek, özellikle biriktirme haznelerinin (barajlar, göletler) işletilmesi bakımından önemlidir.  İlkbahar mevsimindeki eriyecek karların meydana getireceği akışın bilinmesi, akarsulardaki taşkın hesapları için önemlidir.  Su bütçesi yardımıyla toplam akış hacminin hesabında, karla kaplı bölgenin alanı, karın su eşdeğeri, yağmur halindeki yağışın miktarı ile sızma ve buharlaşma kayıplarının bilinmesi gerekir.  Karın eriyerek su haline geçmesi için ısı enerjisine ihtiyaç vardır. Bu enerji çeşitli kaynaklardan gelebilir: a-) Güneş ışınları, b-) Karın üzerindeki havanın ısısı, c-) Havadaki nemin kar yüzeyinde yoğunlaşması, d-) Yağmurlar, e-) Zeminden iletilen ısı.

 Kar Erimesinin Hesabında Derece-Gün Yöntemi

Örnek Problem 5 (Derece-Gün Yöntemi ile Kar Erimesinin Hesabı) Tarih Kar yağışı (mm) Ortalama sıcaklık ( o C)

Örnek Problem 5 (devam) Cevap: Potansiyel kar erimesi 0 o C üzerindeki sıcaklıklarda meydana gelmektedir. Mesela; 3 Nisan tarihinde sıcaklık -2 o C olduğundan kar erimesi meydana gelmemiştir. Diğer taraftan 4 Nisan tarihinde sıcaklık 3 o C olduğundan M=K*T=3*3=9 mm kar erimesi meydana gelmiştir. Buna göre verilen tarihler için kar erimesi aşağıdaki tabloda verilmiştir. Tarih Karın su eşdeğeri (mm) Kar yağışı (mm) Toplam su eşdeğeri (mm) Ortalama sıcaklık ( o C) Potansiyel kar erimesi (mm) Geri kalan su eşdeğeri (mm)

7.9. Türkiye’de Akışların Yerel Dağılımı  Çeşitli iklim şartlarına bağlı olarak Türkiye’de akışların yerel dağılımı büyük değişim göstermektedir.  Havzalarda km 2 başına lt/s cinsinden ortalama özgül debi 1.12 ile 31.6 arasında değişmektedir.  Türkiye’nin 26 su toplama havzası için yıllık yağış ve akış yükseklikleri ile akış katsayıları tablo halinde verilmiştir.