Ankara Üniversitesi Ziraat Fakültesi Erozyon Mekanizmaları ve Prosesleri Prof.Dr. Günay Erpul Ankara Üniversitesi Ziraat Fakültesi Toprak Bölümü 06110 Dışkapı - Ankara erpul@agri.ankara.edu.tr

Kapsam AÜZF Toprak Erozyonu Tanımı Sıçrama Erozyonu Parçalanma Taşınım Yüzey Erozyonu Parmak Erozyonu

Sıçrama Erozyonu

Sıçrama Erozyonu Düşen yağmur damlaları toprak yüzeyine çarptığında, toprak taneciklerini kopararak havaya sıçratırlar. Parçalanma prosesi, bu toprak sıçramalarının oluşması olayıdır. Bu yüzden, toprak erozyonu, yağmur damlası vuruşu tarafından toprak kümelerinin parçalanması prosesi ile başlar. Bu proses, vuruş esnasında yağmur damlasının toprak yüzeyine aktardığı momentum ile açıklanır. Damla vuruşunun çıplak toprak yüzeyindeki etkisi

Momentum Aktarımı Toprak kümelerine yağmur damlası tarafından momentum aktarımının iki etkisi vardır: Sıkıştırma gücü: yağmur damlası vuruşu anında toprak yüzeyinde bir sıkışma olur. Parçalama (koparma) gücü: toprak yüzeyine vurduktan sonra, yağmur damlaları disperse olarak daha küçük damlacıklara ayrışır ve yüzeye yatay jetler (kesmeler) halinde hareket ederler. Yatay jetlerin hızları, damla vuruş hızının yaklaşık olarak iki katı kadardır (Huang, Bradford and Cushman, 1982, USDA-Purdue Üniversitesi). Damlacık yatay hareketleri sırasında toprak kümelerinde kopmalar olur.

Momentum Aktarımı

Yağmur damlaları ile erozyonun başlaması Sıçrama Erozyonu Yağmur damlaları ile erozyonun başlaması ZAMAN 0 sn Yağmur damlasının doygun toprak yüzeyine düşmesi Krater oluşumu Toprak taneciklerinin yer değiştirmesi Toprak taneciklerinin çökelmesi

Sıçrama Erozyonu Yağmur damlası hem toprak yüzeyini sıkıştırıcı hem de toprak kümelerini parçalayıcı bir unsur olarak görev yapar. Sıçrama mekanizması ile koparılan ince toprak tanecikleri, toprak yüzeyi gözeneklerini tıkar ve yağmur damlası sıkıştırmasının eş zamanlı etkisi ile de, yüzey kabuğu oluşur. Toprak yüzeyine düşen yağmur damlaları, toprak kümelerini parçalar ve yüzey akış ile taşınıma elverişli hale getirir. Toprak yüzeyinde kabuk oluşumu

Sıçrama Erozyonu Toprak yüzeyinde kabuk oluşumu

Sıçrama Erozyonu Yağmur damlasının toprak kümelerini parçalama kapasitesi veya erozyon oluşturma gücü (yağış erosivitesi), yağmur damlası vurma basıncı, momentumu veya kinetik enerjisi ile değerlendirilir. Bu parametrelerin hepsi damla boyutu, vuruş hızı ve vuruş sıklığı ile bağıntılıdır. D: Toprak parçalanma oranı [ML-2T-1] K: Toprağın erozyona olan duyarlılığını gösteren regresyon katsayısı V: Damla vuruş hızı [LT-1] d: Damla çapı [L] I: Damla vuruş sıklığı [LT-1]

Temel Bağıntılar Damla kütlesi Damla hacmi Damla yüzey alanı w: suyun yoğunluğu Damla hacmi Damla yüzey alanı Damla vuruş sıklığı

Temel Damla Vuruş Parametreleri Birçok erozyon modelinde, toprak parçalanma oranının damla vuruş parametresinin bir fonksiyonu olduğu varsayılmıştır. D = f () D: toprak parçalanma oranı : damla vuruş parametresidir ve Enerji ve momentum akışı (veya sürekliliği) Toplam vuruş basıncı ile değerlendirilir. Momentum akışı Enerji akışı Toplam vuruş basıncı

(Erpul, Norton, Gabriels, 2003, Trans. ASAE, 45(6): 51-62) Sıçrama Erozyonu (Erpul, Norton, Gabriels, 2003, Trans. ASAE, 45(6): 51-62) Ölçülen D (kg m-2 s-1) Tahmin edilen D (kg m-2 s-1)

Temel Yağış Parametreleri Damla Büyüklük Dağılımı Leke, yağ ve fotografik yöntemler Damla Vuruş Hızı Analitik (çözümsel) yöntem Sıçrama kapları Kinetik enerji sensörleri Damla Vuruş Sıklığı İntensite ölçerler

Elektronik İmge Çözümleyici (EİÇ) Temel olarak, EİÇ yanar-söner ışık kaynağı kullanarak damlacıkları aydınlatılır ve damla imgeleri kayıt edilir. İmgeler taranır, damlalar boyutlandırılır ve sınıflara ayırt edilir.

Malvern Damla Çözümleyici Damlacıkların üzerine gönderilen lazer ışınlarının damla çapına bağlı olarak belirli bir açı ile kırılması prensibine dayanır. Kırılan ışık yoğunluğu, bir dizi yarımdairesel foto diyotları kullanılarak ölçülür. Işık yoğunluğundan damla büyüklük sınıfları belirlenir.

Leke Yöntemi

Yağ yöntemi (Petri kutusu)

Leke yöntemi

Damla Büyüklük Dağılımı Sınıf Orta değer (mm) Damla sayısı (n) Damla                                                                                            Sınıf Orta değer (mm) Damla sayısı (n) Damla hacmi (H, mm3) n x H (mm3) %H Eklemeli 0,0-0,4 0,2 9 0,004189 0,03 0,006 0,4-0,8 0,6 46 0,113098 5,20 0,87 0,8-1,2 1,0 140 0,523600 73,30 12,27 13,15 1,2-1,6 1,4 87 1,436758 124,99 20,93 34,09 1,6-2,0 1,8 61 3,053635 186,27 31,20 65,29 2,0-2,4 2,2 18 5,575293 100,35 16,80 82,10 2,4-2,8 2,6 7 9,202794 64,41 10,79 92,89 2,8-3,2 3,0 3 14,13720 42,41 7,10 100 597

Damla Büyüklük Dağılımı Damla çapı (d, mm) Yağış intensitesi (mm saat-1) Hacimsel damla büyüklük dağılımı, %

Damla Büyüklük Dağılımı Rüzgarlı ve durgun hava koşullarında damla büyüklük dağılımlarının leke yöntemi ile ölçülmesi ve eklemeli frekans eğrilerinin çıkarılması (Erpul, Gabriels, and Jansens, 1998, Soil and Tillage Research, 45(3-4): 455-463) Damla çapı (mm) Eklemeli hacim %’si Hacim %’si

Damla Büyüklük Dağılımı F(d): Belirli bir damla çapından (d) küçük eklemeli hacim %’si  ve : Lojistik gelişim model parametreleri : eğri gelişim katsayısı : damla çeşitlilik katsayısı

Damla Büyüklük Dağılımı   d25 d50 d75 d75/d25 (d75 – d25) / d50 3,74 -4,38

Damla Vuruş Hızı Df ag mg Çözümsel olarak damla vuruş hızı, durgun hava koşullarında terminal hızda düşen damla üzerine etki eden kuvvetler göz önünde bulundurularak belirlenir. Bu kuvvetler, hava direncinden kaynaklanan sürükleme kuvveti (Df), havanın kaldırma kuvveti (ag) ve yer çekimi kuvvetidir (mg). a: havanın yoğunluğu mg ag Df : havanın viskositesi [FTL-2]

Damla Vuruş Hızı Fr Fz Vx - u Fx  Vz Vr Çözümsel olarak damla vuruş hızı, rüzgarlı hava koşullarında düşey doğrultuda terminal hızda düşen damla üzerine etki eden kuvvetler göz önünde bulundurularak belirlenir (Erpul, Norton, Gabriels, 2003, Trans. ASAE, 45(6): 51-62) . Vx - u Vr Vz  Fz Fr Fx u: yatay rüzgar hızı [LT-1]

Damla Vuruş Hızı 1. Sıçrama kapları yöntemi 2. Kinetik enerji sensörü Kinetik enerji (ünite) Kinetik enerji (J) Kinetik enerji (J m-2) Sıçrayan kum miktarı (gram)

Düşme hızları (m s-1) Düşü yüksekliği (m) Şekil: Farklı büyüklüklerdeki su damlalarının düşme hızları (Laws, 1941) Düşü yüksekliği (m) Düşme hızları (m s-1)

Damla terminal hızı (m s-1) Damla çapı (mm) Damla terminal hızı (m s-1) Şekil: Durgun havada su damlalarının terminal hızları (Gunn ve Kinzer, 1949)

Damla Vuruş Hızı Reynolds sayısının (Re) fonksiyonu olarak sürtünme katsayısı (Cd)

Damla Vuruş Hızı  = 0,9135x10-6 m2 s-1 (24 oC) Cd = 0,4

Damla Vuruş Hızı w: suyun yoğunluğu: 1000 kg m-3 a: havanın yoğunluğu: 1,177 kg m-3 g: yerçekimi ivmesi: 9,81 m s-1 Cd: 0,4 Örnek: Durgun havada düşen 7 mm çapındaki yağmur damlasının terminal hızını bulunuz?

Damla Vuruş Hızı Gunn ve Kinzer, 1949 Damla çapı, mm Düşme hızı, m s-1

ölçülen yağış intensitesinden hesaplanır (Kinnell, 1981): Damla Vuruş Sıklığı Damla vuruş sıklığı, birim zamanda birim alana düşen damla sayısıdır ve yağış miktarı ve damla büyüklük dağılımı ile değişiklik gösterir. önemli bir yağış karekteristiğidir ve yağışın, aynı miktardaki su hacminden farklılığını ortaya koyar, ölçülen yağış intensitesinden hesaplanır (Kinnell, 1981):                            

Damla Vuruş Sıklığı Örnek: 18 mm’lik bir yağışta, damla orta değeri 2,2 mm ve hacim %’si 16,80 olan damlaların vuruş sayısı nedir (# m-2)? P: yağış miktarı %H: hacim yüzdesi

Damla Vuruş Sıklığı

Farklı tipteki yağışların intensite, damla çapı, ortalama düşme hızı ve kinetik enerjileri (AUERSWALD, 1998) İntensite (mm saat-1) Damla orta değeri (d50, mm) Düşme hızı (m s-1) Kinetik enerji (kJ m-2 saat-1) Sis 0,1 0,01 0,003 10-6 Hafif çisenti 0,2 0,10 0,200 10-3 Çisenti 0,5 1,00 4,200 10o Hafif şiddetli yağmur 1,0 1,20 4,900 101 Orta şiddetli yağmur 4,0 1,60 5,800 102 Sağanak 15,0 2,10 6,900 103 Fırtına 100,0 3,00 8,400 104

İntensite (mm saat-1) Damla orta değeri (d50, mm) Düşme hızı (m s-1) Kinetik enerji (kJ m-2 saat-1) Fırtına 100,0 3,00 8,400 104 w: suyun yoğunluğu: 1000 kg m-3 a: havanın yoğunluğu: 1,177 kg m-3 g: yerçekimi ivmesi: 9,81 m s-1 Cd: 0,4 Düşme hızı (m s-1) Damla vuruş sayısı Damla kütlesi Damla hacmi

İntensite (mm saat-1) Damla orta değeri (d50, mm) Düşme hızı (m s-1) Kinetik enerji (kJ m-2 saat-1) Fırtına 100,0 3,00 8,400 104

İntensite (mm saat-1) Damla orta değeri (d50, mm) Düşme hızı (m s-1) Kinetik enerji (kJ m-2 saat-1) Fırtına 100,0 3,00 8,400 104

Sıçrama erozyonunu ölçme yöntemleri (a) Bollinne, 1975 (b) Morgan a) Sıçrama hunisi b) Sıçrama kabı

Milimetrik ölçek c) Erozyon pimleri

Sıçrama ile Taşınım Sıçrama ile taşınım çok küçük ölçekli bir prosesidir. Ama, eğimli toprak yüzeylerinde, toprak taneciklerini taşımakta oldukça etkili olabilir. Düz toprak yüzeylerinde, yağmur damlasının vuruş etkisi parçalanma ve toprak taneciklerinin yer değitirmesi üzerindedir: herhangi bir yönde net taşınım söz konusu değildir. Diğer yandan, eğimli yüzeyler üzerinde, yer çekimi ve eğimin etkisi ile, toprak tanecikleri daha çok eğim aşagı hareket ederler. Eğim yukarı olan tanecik hareketi daha azdır. Eğim dikliğinin  25o olduğu koşullarda, hemen hemen bütün tanecik hareketi eğim aşağı olur.

Eğim önemli bir farklılık yaratır Sıçrama ile Taşınım Eğim önemli bir farklılık yaratır ZAMAN sn Toprak tanecikleri sıçrar Sıçrayan toprak tanecikleri daha çok eğim aşağı hareket eder ve çökelir

Sıçrama ile Taşınım (Poosen and Savat, 1981) Kütle dağılım eğrisi Sıçrayan toprak miktarı (gram) Sıçrama mesafesi (m) qs: eğim aşağı net sıçrama ile taşınım oranı [ML-1T-1] KE: kinetik enerji [JL-2T-1] D50: medyan toprak tanecik büyüklüğü [L] : eğim dikliği [o] Kütle dağılım eğrisi

Hasır Terrajüt Jeojüt Saman Odun

Sıçrayan sediment miktarı (g m-2 saat-1) Zaman (dakika) Sıçrayan sediment miktarı (g m-2 saat-1) Çıplak toprak yüzeyi