BÖLÜM 3: Hidroloji (Buharlaşma) / Prof. Dr. Osman YILDIZ (Kırıkkale Üniversitesi)

... konulu sunumlar: "BÖLÜM 3: Hidroloji (Buharlaşma) / Prof. Dr. Osman YILDIZ (Kırıkkale Üniversitesi)"— Sunum transkripti:

1

2 BÖLÜM 3 BUHARLAŞMA

3 3.1. Giriş ♦ Buharlaşma, su, zemin ve kar yüzeylerinden oluşabilir. ♦ Buharlaşma, su mühendisliği açısından büyük bir öneme sahiptir. ♦ Özellikle baraj göllerinde (hazne veya rezervuar) biriken suyun önemli bir kısmı buharlaşma yoluyla atmosfere geri dönmekte ve bu sudan yararlanılamamaktadır. ♦ Örneğin, Keban baraj gölünden bir yıldaki buharlaşan su miktarı 800 milyon metreküp olarak tahmin edilmiştir (bu miktar Ankara’nın yaklaşık olarak 2 yıllık su ihtiyacına bedeldir). ♦ Buharlaşma mekanizmasını bilmek ve buharlaşmayı azaltıcı önlemler almak, su potansiyelinden yararlanma açısından büyük bir önem taşımaktadır.

4 ♦ Atmosferden yeryüzüne düşen yağışın önemli bir kısmı tutma, buharlaşma ve terleme yoluyla, akış haline geçmeden atmosfere geri döner. ♦ Bu kayıpların belirlenmesi özellikle kurak mevsimlerde hidrolojik bakımdan büyük önem taşır (mesela; zemin nemi, yüzeysel akış, yeraltı suyu, göl ve biriktirme hazneleri üzerindeki etkilerin bilinmesi/tahmini gerekir). ♦ Buharlaşma, suyun sıvı halden gaz haline geçmesi olayıdır. ♦ Su yüzeyindeki moleküller yeterli bir kinetik enerjiye sahip olduklarında, kendilerini tutmaya çalışan diğer moleküllerin çekim etkisinden kurtularak sudan havaya fırlarlar. ♦ Su yüzeyi civarında sudan havaya ve havadan suya doğru sürekli bir molekül akımı vardır. Sudan havaya geçen moleküllerin fazla olması olayına " buharlaşma " adı verilir. Buharlaşmanın tanımı:

5 3.2. Buharlaşmayı Etkileyen Faktörler  Hava Sıcaklığı: Hava sıcaklığı arttıkça, su yüzeyindeki doygun buhar basıncı (e s ) ile havadaki gerçek basıncı (e) arasındaki fark büyür ve buna bağlı olarak da buharlaşma miktarı da artar (Dalton Kanunu).  Rüzgar: Rüzgarlı havalarda havanın hareketi artacağından, su yüzeyi yakınlarında suya doymuş olan hava buradan uzaklaşarak daha az rutubetli hava bu bölgeye gelir. Böylece, rüzgar havanın dolaşımını (sirkülasyonu) sağlayarak buharlaşma miktarının artmasına yol açar.  Güneş enerjisi: 1 gram suyun buharlaşması için suyun sıcaklığına bağlı olarak 539-597 kalori gereklidir. Bu enerji doğrudan güneşten sağlanır.  Suda erimiş tuzlar ve su yüzeyindeki kimyasal maddeler: Suda erimiş tuzlar ve su yüzeyindeki kimyasal maddeler buharlaşmayı azaltırlar.  Hava basıncı: Hava basıncının artması buharlaşmayı az da olsa azaltır.  Su derinliği: Mevsimlik buharlaşma üzerinde etkilidir. Derin su kütleleri hava sıcaklığındaki değişimlere daha geç cevap verirler.

6 3.3. Su Yüzeyinden Buharlaşma

7 Örnek Problem 3.1 (Su Yüzeyinden Buharlaşma) Soru: Yüzey alanı 100 ha olarak belirlenen bir baraj gölünde Haziran ayında meydana gelen buharlaşma yüksekliği su dengesi metodu ile hesaplanacaktır. Aşağıdaki verilenleri kullanarak bu ay içerisindeki buharlaşma miktarını mm cinsinden bulunuz. - Göle giren akım debisi: 0.6 m 3 /s - Gölden çıkan akım debisi: 0.4 m 3 /s - Göl tabanından sızma: 12000 m 3 /gün - Göl yüzeyine düşen yağış yüksekliği: 20 mm - Göl seviyesindeki yükselme: 50 mm Not: 1 ha = 10000 m 2 dir. Haziran ayı 30 gün veya 30*24*3600=2592000 saniyedir. Cevap: Haziran ayı için verilenleri aynı birim cinsinden (m 3 ) hesaplayalım: X=0.6*30*24*3600 = 1555200 m 3 Y=0.4*30*24*3600 = 1036800 m 3 F=12000*30 = 360000 m 3 P=(20/1000)*(100*10000) = 20000 m 3 ΔS=(50/1000)*(100*10000) = 50000 m 3

8 Örnek Problem 3.1 (devam)

9

10 Örnek Problem 3.2 (Su Yüzeyinden Buharlaşma)

11

12 Örnek Problem 3.3 (Su Yüzeyinden Buharlaşma) AyT ( o C)RhRh w 8 (km/saat) Haziran 200.8212

13 3.4. Buharlaşmanın Ölçülmesi ■ Serbest su yüzeyinden buharlaşmayı belirlemenin en iyi yolu buharlaşma tavası (evaporimetre) denen metal kaplar kullanılmaktadır. ■ En çok kullanılan tip: A sınıfı tavanın alanı 1 m 2, derinliği 25 cm’dir. Tava 20 cm derinlikte su ile doldurulup su yüzeyindeki alçalma bir Limnimetre ile ölçülerek buharlaşma miktarı belirlenir. ■ Yağışlı günlerde yağış yüksekliği de ayrıca ölçülerek hesaba katılmalıdır. ■ Tava yerden 15 cm yükseğe yerleştirilmeli, tavadaki su yüzeyinin tavanın üst kenarından uzaklığı 5-8 cm arasında kalacak şekilde her gün su eklenmelidir. ■ En az 5000 km 2 ye bir tava yerleştirilmesi tavsiye edilmektedir. ■ Ancak tavadaki buharlaşma miktarı ile büyük bir su kütlesindeki (Bir hazne, bir göl, bir baraj vb.) buharlaşma miktarı birbiri ile aynı olmaz. Tavadaki su hava sıcaklığındaki değişmelerden daha çabuk etkilenmesidir.

14

15 ■ Tavanın ısı yansıması, tava civarından ısı alışverişi ve çevrenin az nemli olması da buharlaşmayı etkiler. ■ Tedbirler: Tavayı üst kısmına kadar toprağa gömmek, yada su üzerinde yüzdürmek ■ Bu gibi tavaların buharlaşma miktarı büyük göllerdekine daha yakın olsa da elde edilen sonuçlar kararlı olmamaktadır. ■ A sınıfı buharlaşma tavasının kullanılması ve göldeki buharlaşma miktarına geçmek için tavadaki okumanın Tava katsayısı ile çarpılır. ■ A sınıfı tavada yıllık buharlaşma için katsayı 0.7 kabul edilebilir. Bu katsayının değişim sınırları 0.6-0.8 arasındadır. ■ Katsayının 0.7 kabul edilmesi durumunda hata payının %15’in altında olduğu düşünülür. ■ Yazıcı ölçekler de (evaporograf) kullanılmaktadır.

16 ♦ Buharlaşma Miktarının Azaltılması Baraj göllerinden buharlaşan su miktarı önemli kayıplara sebep olabilir. Buna karşın aşağıdaki tedbirler öngörülebilir:  Baraj gölü yüzeyinin küçük tutulması: Baraj yeri seçilirken, mümkün olduğunca, sığ ve geniş yüzey alanlı baraj yerine derin ve yüzey alanı daha küçük barajlar tercih edilmelidir. Çeşitli baraj alternatifleri için yüzey alanı/depolama hacmi oranları belirlenip en küçük orana sahip alternatif seçilmelidir.  Rüzgâr hızının azaltılması: Rüzgâr hızı arttıkça buharlaşma miktarı da artacağından, rüzgâr hızını azaltarak buharlaşma miktarı azaltılabilir. Bu maksatla göl yamaçlarına rüzgarı perdeleyici ağaçlar/bitkiler dikilmesi yoluna gidilebilir.  Kimyasal yöntemler: Hazne yüzeylerinin ince bir yağ tabakasıyla kaplanmasıyla buharlaşma azaltılabilir.

17 3.5. Zemin ve Kar Yüzeyinden Buharlaşma  Zemin yüzeyinden buharlaşma, su yüzeyinden buharlaşmaya benzer.  Zeminin geçirimliliği az ise su parçacıklarının buharlaşabilmesi için daha fazla direnç mevcuttur.  Zeminin üst bölgelerinde yeterli su bulunması halinde, zemin yüzeyinden buharlaşma miktarı su yüzeyinden buharlaşma miktarına yakın olur.  Yeraltı su seviyesinin yüzeyden itibaren 2-3 m’den aşağıda olması halinde buharlaşma ihmal edilebilecek seviyelere düşer.  Kar yüzeyinden buharlaşma (sublimasyon) miktarı çok rüzgarlı havalarda günde en fazla 5 mm’ye kadar çıkabilmekle beraber, ayda en fazla 20-30 mm’ye kadar ulaşabilir. Bu değer de aynı şartlarda su yüzeyinden buharlaşmanın %20-25’i kadardır.

18 3.6. Terleme ve Tutma ■ Bitkilerin yaşamları için gerekli suyu kullandıktan sonra kalan kısmını yapraklarından buhar halinde havaya vermesine “terleme” veya transpirasyon denir. ■ Terleme, bitkilerin büyüme mevsimlerinde ve gündüz saatlerinde olur. ■ Terleme miktarı bitki cinsine göre 0.1-7 mm/gün arasında değişir. ■ Bitkiler tarafından yaprakları vasıtasıyla tutulan ve yeryüzüne ulaşamayan yağışa “tutma” denir. ■ Bitkiler tarafından tutulan su buharlaşır ve buharlaşma kayıpları olur. ■ Tutma kayıpları, özellikle kısa süren az şiddetli yağışlarda ve bitki örtüsünün sık olması durumunda önemli miktarlara ulaşabilir. ■ İğne yapraklı ağaçlar üzerlerine düşen yağışın % 25-30’unu, yaprak döken ağaçlar ise %10-15’ini tutarlar.

19 3.7. Evapotranspirasyon (ET) Kayıpları

20 Blaney-Criddle Yöntemi:

21 Örnek Problem 3.4 (Blaney-Criddle yöntemi ile sulama suyu ihtiyacının belirlenmesi): AyNisanMayısHaziran P (mm)603515 t ( o C)101520 k1k1 0.70.640.67 k2k2 0.360.440.43 k3k3 0.270.550.87 p0.08950.10020.1008

22 Örnek Problem 3.4 (devam):

23

24 3.8. Gerçek ET Hesabı NOT: Gerçek ET miktarı, potansiyel (maksimum) ET miktarından daima küçük veya ona eşit miktarda olabilir (gerçek ET ≤ potansiyel ET).  Bir bölgedeki gerçek ET miktarları, potansiyel ET ve yağış yüksekliklerine bağlı olarak zemin nemi biriktirme sistemine su bütçesi uygulanarak hesaplanabilir.  P i : yağış yüksekliği (mm), U pi : potansiyel ET miktarı (mm), U gi : gerçek ET miktarı (mm), R i : yüzeysel akış miktarı (mm) ve ΔZ i : zemin nemi değişim miktarı (mm) olmak üzere su bütçesini herhangi bir ay için aşağıdaki gibi 2 ayrı şekilde uygulayabiliriz: Durum 1: Herhangi bir ay için P i > U pi ise, bu ay için U gi = U pi olarak alınır. Bu durumda yağış ile potansiyel ET’nin farkı zemin neminde artışa sebep olur (yani ΔZ i : = P i - U pi ) ve zemin nemi maksimum değerine ulaştıktan sonra arta kalan yağış yüzeysel akışa geçer (yani R i = P i - U pi - ΔZ i ). Durum 2: Herhangi bir ay için P i < U pi ise, bu ay için U gi eldeki yağış yüksekliği ile mevcut zemin neminin bir kısmın veya hepsinin toplamına eşit olur (yani U gi = P i - ΔZ i ). Bu durumda yüzeysel akış meydana gelmez (yani R i = 0) ve zemin nemindeki buharlaşma kuruma noktasına kadar sürer. (Her zaman U gi ≤ U pi olduğunu unutmayınız).

25 Soru: Bir bölgede aylık yağış (P) ve potansiyel ET (U p ) değerleri aşağıdaki tabloda verilmiştir. Su yılı başında (Ekim ayı başı) zeminde kullanılabilir nem bulunmamaktadır. Zeminin arazi kapasitesinde maksimum 110 mm nem tutabileceği hesaplanmıştır. Verilenleri kullanarak bu bölgede yıl boyunca aylık gerçek ET (U g ), zemin nemi (Z), sızma (F) ve yüzeysel akış (R ) yüksekliklerini tablo üzerinde hesaplayınız. Örnek Problem 3.5 (Gerçek ET hesabı): AyEkimKasımAralıkOcakŞubatMartNisanMayısHaziranTemmuzAğustosEylül P (mm)4090451509523090120305225 U p (mm)58261614121474128177221188108 U g (mm) F (mm) Z (mm) R (mm) Su Yılı: Hidroloji ve su mühendisliği çalışmalarında su yılı esas alınır. Kuzey Yarımkürede ‘Su Yılı’ 01 Ekim - 30 Eylül tarihlerini kapsar. Örneğin; 2017 su yılı 01 Ekim 2016 ile 30 Eylül 2017 tarihleri arasıdır.

26 Cevap: Zemin nemi su bütçesi hesap sonuçları aşağıdaki tabloda verilmiştir. Detaylı açıklamalar aşağıda verilmiştir. Örnek Problem 3.5 (devam): AyEkimKasımAralıkOcakŞubatMartNisanMayısHaziranTemmuzAğustosEylül P (mm)4090451509523090120305225 U p (mm)58261614121474128177221188108 U g (mm) 402616141214741281325225 F (mm) 0642917000-8-102000 Z (mm) 06493110 1020000 R (mm) 000119832161600000  Ekim ayı başında zeminde kullanılabilir nem bulunmamaktadır. Tabloda görüldüğü gibi bu ay içerisinde 40 mm yağış ve 58 mm potansiyel ET söz konusudur. Bu ayda P < U p olduğundan (Durum 2) U g =P, F=0, Z=0 ve R=0 olmalıdır. Yani yağışın tamamı buharlaştığı için zemine sızma söz konusu olmamıştır (F=0), dolayısıyla zemin neminde herhangi bir değişikli olmadığından ( Δ Z=0) zemin nemi başlangıçtaki değerinde kalmıştır (Z=0) ve yüzeysel akış meydana gelmemiştir (R=0).

27 Örnek Problem 3.5 (devam):  Kasım ayı başında zeminde kullanılabilir nem bulunmamaktadır. Tabloda görüldüğü gibi bu ay içerisinde 90 mm yağış ve 26 mm potansiyel ET söz konusudur. Bu ayda P > Up olduğundan (Durum 1) Ug=Up, F=P-Ug=64 mm ve dolayısıyla ΔZ=F olduğundan Z=64 mm olmalıdır. Zemin henüz doygunluğa ulaşmadığından (yani Z < 110 mm) yüzeysel akış henüz söz konusu değildir (R=0).  Aralık ayı başında zeminde 64 mm nem bulunmamaktadır. Tabloda görüldüğü gibi bu ay içerisinde 45 mm yağış ve 16 mm potansiyel ET söz konusudur. Bu ayda P > Up olduğundan (Durum 1) Ug=Up, F=P-Ug=29 mm ve dolayısıyla ΔZ=F olduğundan Z=64+29=93 mm olmalıdır. Zemin henüz doygunluğa ulaşmadığından (yani Z < 110 mm) yüzeysel akış henüz söz konusu değildir (R=0).  Ocak ayı başında zeminde 93 mm nem bulunmamaktadır. Tabloda görüldüğü gibi bu ay içerisinde 150 mm yağış ve 14 mm potansiyel ET söz konusudur. Bu ayda P > Up olduğundan (Durum 1) Ug=Up=14 mm olmalıdır. Öyleyse, P-Ug=136 mm yağış fazlası oluşacaktır. Ay başında zemin henüz doygun halde olmadığından bu ay sonunda elimizde yeterli yağış fazlası olduğundan doygunluğa ulaşana kadar zemine sızma meydana gelecektir (F=110-93=17 mm). Buna göre, ΔZ=F olduğundan Z=93+17=110 mm olmalıdır. Zemin doygunluğa ulaştığından dolayı geriye kalan yağış fazlası (136- 17=119 mm) ise yüzeysel akışa geçecektir (R=119 mm).

28 Örnek Problem 3.5 (devam):  Şubat ayı başında zemin doygun haldedir (Z=110 mm). Tabloda görüldüğü gibi bu ay içerisinde 95 mm yağış ve 12 mm potansiyel ET söz konusudur. Bu ayda P > Up olduğundan (Durum 1) Ug=Up=12 mm olmalıdır. Öyleyse, P-Ug=83 mm yağış fazlası oluşacaktır. Ay başında zemin doygun halde olduğundan bu ay içerisinde zemine sızma meydana gelmeyecektir (F=0 mm). Buna göre, ΔZ=F=0 olduğundan Z=110 mm olmalıdır. Zemin doygun olduğunda dolayı eldeki yağış fazlasının tamamı (83 mm) yüzeysel akışa geçecektir (R=83 mm).  Mart ayı başında zemin doygun haldedir (Z=110 mm). Tabloda görüldüğü gibi bu ay içerisinde 230 mm yağış ve 14 mm potansiyel ET söz konusudur. Bu ayda P > Up olduğundan (Durum 1) Ug=Up=14 mm olmalıdır. Öyleyse, P-Ug=216 mm yağış fazlası oluşacaktır. Ay başında zemin doygun halde olduğundan bu ay içerisinde zemine sızma meydana gelmeyecektir (F=0 mm). Buna göre, ΔZ=F=0 olduğundan Z=110 mm olmalıdır. Zemin doygun olduğunda dolayı eldeki yağış fazlasının tamamı (216 mm) yüzeysel akışa geçecektir (R=216 mm).

29 Örnek Problem 3.5 (devam):  Nisan ayı başında zemin doygun haldedir (Z=110 mm). Tabloda görüldüğü gibi bu ay içerisinde 90 mm yağış ve 74 mm potansiyel ET söz konusudur. Bu ayda P > Up olduğundan (Durum 1) Ug=Up=14 mm olmalıdır. Öyleyse, P-Ug=16 mm yağış fazlası oluşacaktır. Ay başında zemin doygun halde olduğundan bu ay içerisinde zemine sızma meydana gelmeyecektir (F=0 mm). Buna göre, ΔZ=F=0 olduğundan Z=110 mm olmalıdır. Zemin doygun olduğunda dolayı eldeki yağış fazlasının tamamı (16 mm) yüzeysel akışa geçecektir (R=16 mm).  Mayıs ayı başında zemin doygun haldedir (Z=110 mm). Tabloda görüldüğü gibi bu ay içerisinde 120 mm yağış ve 128 mm potansiyel ET söz konusudur. Bu ayda P < Up olduğundan Durum 2 oluşur. Esasında zeminde yeterli nem bulunduğundan gerçek ET (Ug) miktarı potansiyel ET (Up) miktarı kadar olabilir. Bu durumda, eldeki yağışa ilave olarak zeminden 8 mm buharlaşma oluşacaktır (ters yönde sızma: F=-8 mm yani ΔZ= - 8 mm). Öyleyse Ug=P-ΔZ=120-(-8)=128 mm olmalıdır. Zemin neminde ΔZ kadar azalma olduğundan Z=110-8=102 mm olmalıdır. Yağış fazlası söz konusu olmadığından ve zemin doygunluğunu kaybettiğinden dolayı yüzeysel akış meydana gelmemiştir (R=0).

30 Örnek Problem 3.5 (devam):  Haziran ayı başında zeminde 102 mm nem bulunmaktadır (Z=102 mm). Tabloda görüldüğü gibi bu ay içerisinde 30 mm yağış ve 177 mm potansiyel ET söz konusudur. Bu ayda P < Up olduğundan Durum 2 oluşur. Zeminde bir miktar nem bulunsa da gerçek ET (Ug) miktarı potansiyel ET (Up) miktarı kadar olamaz. Bu durumda, eldeki yağışa ilave olarak zeminde bulunan nemin tamamı (102 mm) buharlaşacaktır (ters yönde sızma: F=-102 mm yani ΔZ= - 102 mm). Öyleyse Ug=P- ΔZ=30-(-102)=132 mm olmalıdır. Yağış fazlası söz konusu olmadığından ve zemin doygunluğunu kaybettiğinden (Z=0) dolayı yüzeysel akış meydana gelmemiştir (R=0).  Temmuz ayı başında zeminde nem bulunmamaktadır (Z=0). Tabloda görüldüğü gibi bu ay içerisinde 5 mm yağış ve 221 mm potansiyel ET söz konusudur. Bu ayda P < Up olduğundan Durum 2 oluşur. Zeminde nem bulunmadığından yağışın tamamı buharlaşmıştır (Ug=P=5 mm). Yağış fazlası söz konusu olmadığından ve zemin kuru olduğundan (Z=0) dolayı yüzeysel akış meydana gelmemiştir (R=0).

31 Örnek Problem 3.5 (devam):  Ağustos ayı başında zeminde nem bulunmamaktadır (Z=0). Tabloda görüldüğü gibi bu ay içerisinde 2 mm yağış ve 188 mm potansiyel ET söz konusudur. Bu ayda P < Up olduğundan Durum 2 oluşur. Temmuz ayına benzer şekilde, zeminde nem bulunmadığından yağışın tamamı buharlaşmıştır (Ug=P=2 mm). Yağış fazlası söz konusu olmadığından ve zemin kuru olduğundan (Z=0) dolayı yüzeysel akış meydana gelmemiştir (R=0).  Eylül ayı başında zeminde nem bulunmamaktadır (Z=0). Tabloda görüldüğü gibi bu ay içerisinde 25 mm yağış ve 108 mm potansiyel ET söz konusudur. Bu ayda P < Up olduğundan Durum 2 oluşur. Ağustos ayına benzer şekilde, zeminde nem bulunmadığından yağışın tamamı buharlaşmıştır (Ug=P=25 mm). Yağış fazlası söz konusu olmadığından ve zemin kuru olduğundan (Z=0) dolayı yüzeysel akış meydana gelmemiştir (R=0).

32