Havza Hidrolojisinin Yeri ve Önemi Dr. A.Ünal Şorman sorman@metu.edu.tr 5-7 Kasım 2012 Eğitim semineri Antalya

Hidroloji nin tanımı Hidro-Su, loji ise bilim anlamında olup yer bilimlerinin önmeli bir bölümünü de su bilmi oluşturur ve bu bilim dal diğer bazı bilim daları ile yakından ilgilidir. Örnek Meteroloji, atmosfer bilimi, jeoloji, biyoloji, deniz ve göl bilimleri, toprak, havza morfoloji vs. Bu bilim dalı da yüzey ve yüzeyaltı ve yeraltı olmak üzere üç grupta toplanabilir ve bilim daları ile uğraşanlarada hidrolojist, toprak fizikçisi ve yeraltı( hidro jeolojist) adları verilir.

Hidroloji biliminin diğer bilim dalları ile olan ilişkileri.. Meteorology (Meteoroloji) Climatology (İklim) Geology (Jeoloji) Glaciology (Buzul) Limnology (lakes) (Göl) Cryology (snow, ice)(Kar-Buz) Potamology (rivers) (Nehir) Oceanology (Deniz)

Hidrolojik Çevrim elemanları Precipitation (humidity, temperature, wind) (Yağış) Interception (Tutulma) Infiltration (Sızma) Surface Flow (Yüzey akış) Subsurface Flow (interflow) Groundwater Flow (baseflow) Evaporation (temperature, wind, atm. pressure) Transpiration (Terlame) Percolation (Süzülme) Deep Percolation (Derin Süzülme)

Su Toplama havzasının tanımı Belli bir alanı (düz veya dağlık) çevreleyen ve yüksek noktaların birleştirilmesi ile oluşan alana Su Toplama Havzası veya Havza adı verilir ve km2 cinsiden ifade edilir. Havzalar küçük, orta veya büyük ölçekli olabilir

Küçük havza alanları tarımsal (sulama), orta büyüklükte olanlar baraj (enerji, sulama), büyük ölçekli olanlar ise çoğu zaman taşkın koruma, sulam ve enerji amaçlı veya bunları tümü olarak çok amaçlı kullanılırlar. Ülkemizde 25 adet su havzası mevcut olup bunlar nehir havzaları olarakta adlandırılır. Nehir havza sınırları ve il sınırları ve yeraltı havza sınırları birbirleri ile örtüşmezler. Bu havzaların veya alt havzaları mertebelendirilir ve en küçük nehir kolundan başlayarak numaralandırılırlar. (Horton kanunu). Bu numaraldırılmalar bunların sayıları ve toplam kol uzunlukları havzaların morfolojik yapısı hakkında bizlere bazı bilgiler sunarlar.

Annual mean precip. (mm) Su Havzalarının karakteristikleri (DSİ, 1995) Region No. Name Area (km2) Annual mean precip. (mm) Annual mean flow (km3) % of total flow Basin yield (l/s/km2) 1 2 Meriç Marmara 14.560 24.100 604.0 728.7 1.33 8.33 0.7 4.5 2.9 11.0 3 4 Susurluk Kuzey Ege 22.399 10.003 711.6 624.2 5.43 2.09 1.1 7.2 7.4 5 6 Gediz K. Menderes 18.000 6.907 603.0 727.4 1.95 1.19 0.6 3.6 5.3 7 8 B. Menderes Batı Akdeniz 24.976 20.953 664.3 875.8 3.03 8.93 1.6 4.8 3.9 12.4 9 10 Antalya Burdur Göller 19.577 6.374 1000. 4 446.3 11.06 0.50 5.9 0.3 24.2 1.8 11 12 Akarçay Sakarya 7.605 58.160 451.8 524.7 0.49 6.40 3.4 1.9 13 14 Batı Karadeniz Yeşilırmak 29.598 36.114 811.0 496.5 9.93 5.80 3.1 10.6 5.1 15 16 Kızılırmak Konya Kapalı 78.180 53.850 446.1 416.8 6.48 4.52 3.5 2.4 2.6 2.5 17 18 Doğu Akdeniz Seyhan 22.048 20.450 745.0 624.0 11.7 8.01 6.0 4.3 15.6 12.3 19 20 Asi Ceyhan 7.796 21.982 815.6 731.6 1.17 7.18 10.7 21 22 Fırat Doğu Karadeniz 127.304 24.077 540.1 1198.2 31.61 14.90 17.0 8.0 8.3 19.5 23 24 Çoruh Aras 19.872 27.548 629.4 432.4 6.30 4.63 10.1 25 26 Van Gölü Dicle 19.405 57.614 474.3 807.2 2.39 21.33 1.3 11.5 5.0 13.1 Total 779.452 642.6 100.0

Yağışın Dağılımı Yıllık yagış Annual rainfall ranges from 0 – 2500 mm

Yağışın aylık dağılım haritası

STREAMFLOW – (Aylık akım dağılım haritası)

Örnek havza tanımı Havzaların bazılarına Örnek (pilot) havza (gaged) Bazılarına temsili havza bazılalarına ise ölçümü yapılmayan (ungaged) havza ile tanımlanır. Bunun için seçilen örnek havzalar üzerinde alet donanımı yapılarak ölçümler yapılır. Örnek: Yağış, akış, buharlaşma ve terleme, sızma ve süzülme, yeraltı suyunun beslenmesi toprak nemi gibi. Bunlara biz havzanın süreçleri (process) adını veriyoruz.

Sistem in akış şeması Φ (System transfer function) INPUT I(t) SYSTEM OUTPUT Q(t) Φ (System transfer function) Q(t) = Φ I(t) Transformation Equation

Hidrograf Analizi Channel Precipitation Surface Runoff Interflow i (mm/hr) t (hr) q (m 3 /s) input system output (Basin) (Rainfall) (Runoff) Components of Runoff Channel Precipitation Surface Runoff Interflow Groundwater Flow Akım elemanları Kanal yağışı Yüzey akışı Yüzey altı akışı Yeraltı suyu 15

Havzaların sistem olarak tanımı O halde havzaları bir sistem olarak tanımlamak ve şematik olarakta bir akış şeması halinde ifade etmek mümkün olur bu şekilde yer bilim adamları bu sistemi matematiksel olarak ve fiziksel kanunlara dayandırılarak ifade etmeye ve model çalışmaları yapmaya çalışırlar. Bu model çalişmaları bazen deterministik, bazen istatistiksel veya zamana bağlı olarakta stokastik olarak açıklanır ve bilgisayarlar vasıtası ile simulasyon modelleri kurulur.

Eğer örnek havzaların aletlerle donanımı yapılacak ise bunu nerelerde kaç adet ve ne süre ile işletilmesi sorularına yanıt aramak, Ve elektronik veya manual ölçülen değerleri bir kaydedicilere aktarılarak bu bilgilerin kısa zamanda gerçek zamana yakın olarak transfer edilmesi istenir. Bu suretle de model çalışmaların yürütülmesi ve varılan sonuçların kısa zamanda planlama projelendirme ve işletme-tahmin çalışmalarına sokulması aranır. Bu modele girdi bilgilerinin sayısal altlıklarla tanımlanması gerekir

Yağış havzaya girdi olarak Precipitation Yağış havzaya girdi olarak alınır

Yağış ölçer

Weather Radar and Remotely Sensed Data Hava Radarı ve uzaktan algılama verileri

Manual (non-recording) Gages -Manual akım ölçümü

Recording Gage Kaydedici akım ölçümü Şamandıra tipi

Limnegraf ile akım ölçümü Recording Gage Limnegraf ile akım ölçümü

Obtaining Rating Curve (Stage – Discharge) Anahtar eğrisinin elde edilişi-Seviye Debi ilişkisinin çıkarılışı Since discharge computations takes considerable time and effort, it is customary to make simultaneous stage and discharge measurements for various stages and prepare a calibration curve, which is called rating curve or stage-discharge curve. This curve is then used for converting the daily measurements of stage into discharge. If the x-section is stabe then the rating curve is sufficient. If the x-section is irregular then there may be irregularities in the rating curve also.

Runoff / Streamflow Measurement

Acoustic Doppler Current_Akustik doppler radar ile ölçüm

Havzaların tanımlanması için gerekli parametreler Topografi (alan çevre ve nehir ana kolu uzunlığu) Eğim ve gradiant (rölyef maksimum, hipsometrik eğri) Şekil oranı (yuvarlaklık oranı) Morfoloji (drenaj yoğunluğu ve nehir frekansı) Jeolojik ve toprak yapısı (kayaç tipi ve toprak cinsi) Bitki v e arazi kullanımı (Şehir , kırsal orman vs) Hidrolojik ve meteorolojik veri (yagış rejimi ve akış katsayısı) Olarak tanımlanması ve sayısal ortama altlıklar olarak aktarılması istenir

Türkiyenin topografik yapısı Ave. Elevation > 1100 m Slope > 17 % Elevation (m)

Havzanın topografyası ve nehir ağı Sohu Basin with stream network Chapter 6 30 30

Havzaların morfolojik parametreleri Drainge density (Drenaj- Yoğunluğu) As Dd increases, qp increases, tp decreases Drainge frequency (Drenaj Frekansı) As Df increases, qp increases, tp decreases Chapter 6

Havzanın toprak yapısı ve arazi örtüsü Example for: land cover and land use Sohu Basin Çayboğazı Basin Chapter 6

Su teminine yarayan alanlar suyun temini, sulama suyunun sağlanması, enerjinin üretilmesi, taşkınlardan korunma özellikleri taşır ve optimum olarak işletilmesi ile maksimum fayda sağlanır. Bunun içinde havza ve civarında yapılan ölçümlerin yapılması, değerlendirilmesi ve bilgiye dönüştürülmesi aranır. Data (veri)- knowledge (bilgi)- information(bilgi edinme)

Veriler değişik amaçlar için yıllık, aylık haftalık günlük hatta saatlik olarak toplanıp değerlendirilir . Bu verilerin en yüksek, en düşük ve ortalama değerleri bizler için önem taşır ve uzun süreli güvenilir olması ve nokta ölçümlerinin belli bir alanı temsil etme özelliği aranmalıdır. Bu sayede ölçüm sayısı ve aralığı belirlenir.

Havza hidrolojisinde kullanılan araçlar Bunlar Matematik İstatistik (olasılık fonksiyonları) Optimizasyon yöntemleri (linear ve dinamik) Uzaktan algılama (Uydular-aktif pasif-optik) Coğrafi Bilgi Sistemleri vb olabilir.

Yüzey akış modelinin kurulması Şimdi örnek olarak bir yüzey akış modeli kurmaya bunun planlamasını, işletmesini ve yönetimini yapmaya çalışalım. Bu modelere girdiler , süreç elemanları ve çıktılar olarak üç grupta toplanabilir ve bu elemanları ya süreklilik kanununa yada enerji ve momentum denklemlerine dayandırılarak bilinenler yardımı ile bulunmak istenen ve projede kullanılması istenen çıktıları bulunması aranır.

Precipitation, I(t) Evaporation, Q(t) I(t) – Q(t) = dS/dt Basin divide From Reference [1]: A watershed is the area of land draining into a stream at a given location. The watershed divide is a line dividing land whose drainage flows toward the given stream from land whose drainage flows away from that stream. The system boundary is drawn around the watershed by projecting the watershed divide vertically upwards and downwards to horizontal Planes at the top and bottom. RAinfall is the input, distributed in space over the upper plane; streamflow is the output, concentrated in space at the watershed outlet. Evaporation and subsurface flow could also be considered as outputs, but they are small compared with streamflow during a storm. Basin divide Basin surface Streamflow, Q(t)

S = (P + SF + I + GWF) – (S + W + E) Continuity equation -Süreklilik Denklemi dS/dt = I(t) – Q(t) I(t) : inflow (girdi) Q(t) : outflow (çiktı) dS/dt : change in storage (depolamadaki değişiklik) S = (P + SF + I + GWF) – (S + W + E)

Hidrograf Bileşenleri Toplam akış hidrgraflarının üç bileşi bulunur (genel itibari ile) Yüzey akışı, yüzey altı akışı ve yeraltı suyu) Bu hidrografların değerlendirilerek birim veya anlık birim hidrografların çıkarılması istenir. Bir BH tanıımlanacak olur ise 1BH6. Bunun ne anlama geldiği ve dayanılan kabullerin iyi anlaşılması istenir. Yurdumuzda örnek havzaların BH larının çıkarılmadığı bu sebeple de yapay yöntemler kullanılarak BH elde edildiği de bir gerçektir.

Hitograf ve Hidrograf arasındaki ilişki Effective rainfall (etkilyağış) Infiltrated amount(Sızma miktarı) Surface runoff (Yüzey akışı) Baseflow (Taban akımı) Rising limb (Yükseliş) Crest (Tepe) Falling limb(Çekiliş) Duration of net rain (tr) Basin lag (tL) öteleme Time to peak (tp) pik e olan Base time (tb) Taban süresi A typical hydrograph is an asymmetric bell shaped curve. It can be divided into 3 main parts: the rising limb, the crest and the falling limb. The rising limb begins at a pt A, where the discharge starts to increase. This part ends at the first inflection pt. The crest is the part of the curve, which lies b/w two inflection pts. The highest discharge or peak flow also occurs in crest. The falling limb starts at the second inflection pt and continues till the end of the hydrograph. The last segment of the falling limb is due to gw flow and is therefore called the gw recession curve. The time period b/w the center of gravity of effective rainfall and the peak discharge is referred to as the basin lag, t_L. The time from the start of the hydrograph to the peak flow is called the time to peak, t_p. The time from the beginning of surface runoff to its end is defined as base time, t_b, and finallyi the duration of the effective ppt is denoted by t_r. Surface runoff is composed of surface flow + most of the interflow Base flow is mostly the gw flow

Toprak yapısı ve arazi örtüsünün akıma etkisi Toprak yapısı ve arazi örtüsünün akıma etkisi (Soil characteristics and land cover) Şehirleşmenin hidrograf üzerindeki etkisi Chapter 6

Birim hidrograf ın (BH)t tanımı Birim hidrografların çıkarılması için basit sağanak olaylar seçilir ve etkili yağiş miktarının 1mm veya 1 cm olması aranır. Buna bağlı olarakta yüzey akım hidrografı elde olunur. Bu tür çıkarılan BH lar ortalanır ve havzanın temsili BH çıkarılarak ileride oluşacak sağanak olaylardan beklenen akımlar elde olunur ve proje debisi ve gelen taşkın suyunun hacmi bulunur.

Birim Hidrografın öteleme yöntemi ile bulunuşu 2UH_4  when the ordinates of this new hydrograph are divided by 2, we obtain the ordinates of UH_4, the unit hydrograph for 4 hours duration and with unit depth of rainfall. Since surface runoff depths are 1 cm for all the UHs, the area under the hydrogarphs, UH_2 and UH_4 should be THE SAME. Then the peak discharge of UH_4 should be less than the peak discharge of UH_2. It follows that, as the duration of teh excess rainfall increases, the base time of UH increases and its peak discharge decreases. UH2 + (2 hr lagged) UH2 = 2UH4

SCS-Toprak muhafaza yöntemi Qp : peak flow (m3/s) tr : duration of excess rainfall tL : lag time tp : time to peak or time of rise (hr) tf : time of fall or recession time (hr) tb : base time 44

Forecasting Procedure-Öngörü yöntemi 45

Hidrolojik Modeller SRM HBV 46 SRM HBV (Snowmelt Runoff Model) (Hydrologiska Byrans Vattenbalansavdelning) Farklı yaklaşımlardaki fiziksel tabanlı, yarı dağılımlı iki hidrolojik model

SNOWMELT RUNOFF MODEL (SRM) Hidrolojik Modelleme   SNOWMELT RUNOFF MODEL (SRM) YAĞIŞ, HAVA SICAKLIĞI VE KARLA KAPLI ALAN DERECE-GÜN YÖNTEMİ GÜNLÜK AKIM BENZEŞİMİ (SİMÜLASYON) VE TAHMİN GÖZLENEN VE HESAPLANAN AKIM KIYASLAMASI R² (Nash Sutcliffe Belirlilik katsayısı) ve Dv (Hacim farkı) c = akış katsayısı (CS kar, CR yağmur) Q = Ortalama günlük debi (m³/s) ɑ = Derece gün faktörü (cm/ ºC.gün) S = Karla kaplı alan T= Derece gün sayısı (ºC.gün) ΔT= Yüksekliğe bağlı sıcaklık farkı (°C) P= Akışa katılan yağış (cm) A = Alanı (km²) k = Çekilme katsayısı n = gün n+1 = hesap yapılan gün

HBV Model yapısı

Sonuçlar Paydaşlar, kurumlar ve idareciler için Eğitim amaçlı kurslar ve seminerler düzenlenmeli Kurumlar arası işbirliği, ortak proje çalışmaları (güdümlü projeler vb), koordinasyon ve hızlı veri alış verişi sağlanmalı Son teknolojik araçlar ve analiz teknikleri kullanılarak verilerin analizi ve bilgiye dönüştürülmesi ve paylaşımı daha hızlı bir şekilde sürdürülmeli

Geçmiş olaylardan edinilen deneyimler ile geleceğe dönük plan ve tasarımların zamanında yapılması ve tedbirlerin ona göre alınması ve deneyimli insan potansiyelinden yararlanılmalı Verilerin güvenilir, testlerden geçirilmiş, yeterli sayıda ( alansal) ve zaman boyutunda olması kaçınılmaz bir gerçektir.

Su kaynaklarının sürdürülebilir kullanımını içme ve kullanma, endüstri ve tarımsal su ihtiyacı hidroelektrik enerji üretimi su ürünlerinin üretimi turizm ve rekreasyon sağlamak için entegre havza yönetimi planlarının çıkartılması ve suyun akılcı bir şekilde kullanımı çok önemlidir. Su kaynaklarının tüm kullanıcıların hizmetine sunulması ve korunması devletin görevidir. Devlet bu faaliyetleri çeşitli kamu kurum ve kuruluşları eliyle yürütmektedir. Türkiye’nin gelecek nesillerine yeterli ve temiz su bırakabilmesi için kaynakların iyi korunup, akılcı planlanması ve kullanılması lazımdır.