SU BÜTÇESİ ELEMANLARININ BULUNMASINDA İZOTOP YÖNTEMİ ISOTOPE METHODS IN DETERMINING THE WATER BUDGET ELEMENTS

Transkript

1 TR SU BÜTÇESİ ELEMANLARININ BULUNMASINDA İZOTOP YÖNTEMİ ISOTOPE METHODS IN DETERMINING THE WATER BUDGET ELEMENTS Vehbi ÖZAYDIN Doktor Mühendis DSİ Teknik Araştırma ve Kalite Kontrol Dairesi Başkanlığı Yücetepe Ankara si. go v. tr ÖZET Doğal veya yapay bir göle giren ve çıkan su miktarının belirlenerek su bütçesinin bulunması su mühendislerinin en önemli amaçlarından biridir. Klasik su bütçesi denkleminde göle giren su miktarı (gölün üzerine yağan yağış, yüzey ve yüzey altı su girişi) ve gölden çıkan su miktarı (göl yüzeyinden buharlaşma, yüzey ve yüzey altı çıkışı) belli zaman aralığındaki depolama miktarına eşit olmak zorundadır. Yazılan bu klasik su bütçesi denklemi ile yüzey altı su girişi ve çıkışının mutlak farkının bulunması mümkündür, ayrı ayrı bulunmaları ise mümkün değildir. Bunun nedeni, iki bilinmeyen olan yüzey altı giriş ve yüzey altı çıkışının tek bir denklem yardımı ile hesaplanamamasıdır. Ancak suyun içinde doğal olarak bulunan oksijen18, döteryum ve trityum yardımı ile yazılan izotop su bütçesi denklemi ile elde edilen ilave eşitliklerle, bilinmeyen elemanların bulunması mümkün olmaktadır. Bu çalışmada, izotop tekniği kullanılarak su bütçesi teorik hesabı ve pratik olarak da Mogan Gölü'ne uygulanışı verilmiştir. Anahtar Kelimeler: Kararlı İzotop, Radyoizotop, Göl Su Bütçesi, Kütle Dengesi, İzotopik Kütle Bütçesi ABSTRACT One of the main aims of the water engineers is the determination of the inflows to and outflows from a natural or artificial lake. According to the classical water balance equation inflows (precipitation on the lake surface, surface and subsurface inflows) mines the outflows (evaporation from lake surface, surface and subsurface outflows) should be equal to the volume change in a specified time interval. With the classical water budget equation it is possible to determine the total absolute subsurface inflow mines outflow but it is not possible to determine them separately. The two unknowns could be determined with one more equation. The isotopes, oxygen18, deuterium or tritium, which are naturally present in water, could provide the extra equation by writing the isotopic mass balance equation. In this study, the theoretical background of isotope technique and application to Mogan Lake, will be presented which is used in determining the water budget of lakes. Key words: Stable Isotope, Radio Isotope, Water Balance of Lakes, Mass Balance, Balance 125 Isotope Mass

2 GİRİŞ Göl su bütçesini bulmak için bütün hidrolojik parametrelerin bilinmesi gereklidir. Bu parametrelerden olan yer altı suyu girişi ve çıkışı değerinin bulunması yer altı hareketinin karmaşıklığı nedeniyle çok zordur. Klasik metotlarda yer altı suyu girişi ve çıkışım bulmak için çok miktarda kuyu açmak gerekli olduğundan çok pahalı bir işlemdir. Aksi taktirde sadece yer altı suyu girişi ve çıkışının mutlak değer farkı klasik su bütçesi ile bulunabilmektedir. Kararlı izotop bütçesi metodu yer altı suyu girişi ve çıkışı miktarının bulunmasında kullanılabilir. En çok kullanılan kararlı izotop oksijen 1 8 ve döteryumdur çünkü bunlar suyun parçası olduğundan ve hidrolojik çevrimde doğal olarak bulunur ve göl parametrelerini araştırmak için ideal izleyicilerdir. Kararlı izotoplar birçok araştırmacı tarafından gölleri araştırmak için kullanılmışlardır. IAEA (1970), Dinçer (1970), Zuber (1983), Turner ve diğerleri (1984), Gonfiantini (1986) ve Krabbenhoeft ve diğerleri (1990), bunlardan bazdandır. Göl suyu, yağış ve yer altı suyunun izotopik değerleri doğal izotopik ayrışma sonucu devamlı değişmektedir. Bu değişiklikler göllerin, derelerin, yer altı suyunun ve yağışın kaynağını ve diğer bazı özelliklerini bulmak için yararlı bilgiler vermektedir. Bu çalışmada, Mogan Gölü'ne aylık mutlak yer altı suyu girişi ve çıkışı 1994 su yılı için klasik göl su bütçesi ve izotop metotları kullanılarak bulunmuştur, Özaydın (1997), Uzaydın ve diğerleri (2001). Bunun için aylık bazda göl bütçesi elemanlarından numune alınmış ve izotopik değeri bulunmuştur. Bu değerler izotopik bütçe yazılmasında kullanılmıştır. Bunların arasında bulunması en zor olanı buharlaşmanın izotopik değeri olan buharlaşan suyun izotopik değeri olmuştur. TEORİ Göle giriş elemanları yağış P; yüzey suyu I s, yer altı suyu girişi I ss dir. Gölden çıkış elemanları ise yüzey çıkışı O s ; yer altı suyu çıkışı O**, ve göl yüzeyinden buharlaşmadır. Yağış, yüzey girişi, buharlaşma ve yüzey çıkışı arazide ölçülebilirken yer altı suyu girişi ve çıkışı göl suyu bütçesinden bulunabilir. Göl su denge eşitliği aşağıdaki gibi yazılır: I.+I.+PEO.O.^OO (1) Burada V, t zamanda göldeki su hacmidir, izotop denge eşitliği kullanılarak yazılan ikinci denklemde, göl derin olmadığından yüzey çıkışı ile yer altı suyu çıkışının izotopik değeri göl suyu izotopik değerine eşit olduğu kabulü yapılabilir: ÖOS=Ö OSS =Ö L (2) Burada L gölü belirtmektedir. Kararlı izotop denge denklemi ise aşağıdaki gibidir: P5 P ES E 0 S 5 L O SS 5 L = (VÖ L ) (3) 126

3 Bilinmeyen terimler I ss ve O ss eşitliğin bir tarafına getirildiğinde: E + 0 S I S P (4) Issöiss O A = C** = (VS L ) + E5 E + 0 S 5 L I S 6 S P6 P (5) dt Yukarıdaki iki denklem çözüldüğünde I ss ve O ss şu şekilde elde edilir: Iss = 5 ' C " C (6) ÖL öjss 0 SS =I SS C* (7) Buharlaşmanın izotopik değeri SE Craig ve Gordon (1965) eşitliğinden hesaplanabilir: g = _0 Ü (8) E 1h + Ae Ayrışma parametresi a sıcaklığa bağlıdır ve laboratuvar deneylerinden elde edilmiştir (Majoube, 1971): lna ıs = ( * l O 3 )/ 1000 (9) l» 0 v ry rr,2 ' ^ ' lna ; =(52.612^4İ + ^1, 10 ')/1000 (10) 2 \ Burada T Kelvin cinsinden sıcaklıktır (O C= K). Toplam zenginleşme faktörü e aşağıdaki gibi tanımlanır: e = (! ) + As (11) a Kinetik zenginleşme faktörü Ae göreceli nem azlığı (l h) ile doğru orantılıdır: Ae 18 O= 14.2 *( l h) (%o) (12) As 2 H= 12.5 *( l h) (%o) (13) 5 atm ise türbülans hareketin olduğu bölgedeki izotopik değerdir. Bu parametrenin arazide ölçülmesi pratik olarak mümkün değildir. Bunun için yerel yağışların izotopik değerinden aşağıdaki formül yardımı ile hesaplanır: ç ö atm = d) (14) a a 127

4 Ölçülen nisbi nem gölün kenarında ölçüldüğünden, göl yüzeyinin üzerindeki nisbi nemi tam olarak temsil etmediğinden aşağıdaki formül ile düzeltilmesi gereklidir (Moeller 1973): 17.27t e (15) t Burada e s doygun buhar basıncı ve t ise Celsius cinsinden sıcaklıktır. Düzeltilmiş nisbi nem değeri 65 Denklem 15 kullanılarak hava ve su için ayn ayn hesaplanır. ÇALIŞMA ALANI Mogan Gölü İç Anadolu Bölgesi'nde, Başkent Ankara'nın 20 km güneyinde bulunmaktadır, Şekil l, Aftmbilek ve diğerleri (1995) ve (1996). Mogan Gölü'nün toplam havzası 946 km 2 dir. Havza kotlan 1650 m ile 1970 m arasında değişmektedir. Havzaya kışlan yağmurlu veya karlı soğuk, yazlan ise sıcak ve kuru olan kara iklimi hakimdir. Yağış bakımından yarı kurak bir bölgedir ve step bitki örtüsü vardır. Mogan Gölü'nün bazı özellikleri Çizelge l'de verilmiştir. Şekil 1.Çalışma alanının görünümü 128

5 Mogan Gölü'nü 16 dere beslemektedir. En önemlileri Çölova (Gölova), Yavrucak, Sukesen ve Başpınar dereleridir. Ayrıca havzada iki tane yapay göl ve bir çok su kaynağı bulunmaktadır. Havzada bulunan derelerin aylık su miktarları ve aylık göl su değişimi Çizelge 2'de verilmiştir. Çizelge 1. Mogan Gölü'nün bazı özellikleri Su derinliği (m) Hacım (1 0 6 m 3 ) Yüzey alanı (km 2 ) Havza (km 2 ) Uzunluk (km) Genişlik (km) En Düşük Ortalama En Yüksek Çizelge 2. Havzada bulunan derelerin su miktarları ve göl su değişimi Havza (km 2 ) Çölova Deresi Yavrucak Deresi 87.3 Sukesen Deresi 31.6 Başpınar Deresi 31.0 Göl Su seviyesi (m) Ekim93 Kasım93 Arahk93 Ocak94 Şubat94 Mart94 Nisan94 Mayıs94 Haziran94 Temmuz 94 Ağustos 94 Eylül Ortalama Mevcut hidrolojik ve meteorolojik teçhizat, uygulanmak istenen metot için yetersiz olduğundan, bu verileri toplamak için en büyük dört dereye ve göle otomatik su seviyesi ölçüm cihazları kurulmuştur. Yazın kuruyan dereler için ise kalibresi yapılmış ve uygun bir şekilde dereye 129

6 yerleştirildiğinde su seviyesinden debi veren hareketli ölçüm aletleri imal edilmiştir. Mogan Gölü etrafina derinliği 4 m ile 30 m ararsmda değişen 13 kuyu açılarak su seviyeleri izlenmiştir. Gölbaşı ilçesinde bulunan ve devamlı olarak çalışmayan meteoroloji istasyonu ilave meteorolojik parametreleri ölçmek için cihazlarla donatılmış ve devamlı olarak çalışması sağlanmıştır. Class A tavada ölçülen buharlaşma miktarları Kasım ve Mart aylan arasında ölçülemediğinden, bu aylardaki buharlaşma değerleri teorik metotlardan elde edilmiştir. Hesaplamalarda kullanılan ortalama aylık meteorolojik değerler Çizelge 3'de gösterilmiştir. Dereler ve göllerde ayda ortalama bir ölçüm yapılmış ama yağışlı zamanlarda bu sayı artırılmıştır. Kararlı izotop denge denklemi için yine bütün yağış bütçesi elemanlarından ayda en az bir defa olmak üzere numune alınıp, Uluslararası Atom Enerji Ajansı Viyana Laboratuvarlan ve DSİ TAKK Dairesi İzotop Şube Müdürlüğü'nde analiz ettirilmişlerdir. Eksik olan veriler Ankara Meteoroloji İstasyonu'nun verileri ile tamamlanmıştır. Buharlaşan suyun izotopik değerini bulmak için l m çapında ve 1.5 m derinliğinde bir tank göl suyu ile doldurulup, bu tanktan alınan numunelerin karalı izotop analizleri yaptırılmıştır, Uzaydın ve diğerleri (1998). Önemli derelerin, yağışın, Mogan Gölü'nün, yer altı suyu girişinin karalı izotop değerleri Çizelge 4'de verilmiştir. Çizelge 3. Ortalama aylık meteorolojik değerler Yağış Buharlasın Hava Nisbi Güneşleme Rüzgar a Sıcaklığ Nem Saati Hızı Radrasyon Akımı Ekim93 Kasım93 Arahk93 Ocak94 Şubat94 Mart94 Nisan94 Mayıs94 Haziran94 Temmuz 94 Ağustos94 Eylül94 (mm) (mm) ( C) (%) (Saat) (m/s) (cal/cm 2 /gün) Ortalama Toplam

7 Çizelge 4. Önemli derelerin, yağışın, Mogan Gölü'nün, yer altı suyu girişinin kararlı izotop değerleri Çölova Deresi Yavrucak Deresi SP Mogan Gölü Yeraltı Suyu Girişi H H H 5 18 O 5 2 H 8 18 O 8 2 H %0 %0 %0 %0 %0 %0 %0 %0 o/ o/ 70O /OO Ekim Kasım Arahk Ocak Şubat Mart Nisan Mayıs Haziran Temmuz94 ~ ~ ~ ~ Ağustos Eylül Ortalama SU BÜTÇESİ HESABI Klasik su bütçesi hesabı kullanılarak 1994 su yılı için hesaplanan aylık mutlak yeraltısuyu girişi/çıkışı A(I SS O SS ) miktarı Çizelge 5'de verilmiştir. Aylık su bütçesinin yanı sıra yıllık ortalama su bütçesi yoluyla hesaplanan A(I SS O SS ) değeri de yine Çizelge 5'in en alt sütununda verilmiştir. Kararlı izotop denge denkleminde bulunması en zor parametre yukarıda açıklandığı üzere 6 e dir. Denklem 8 kullanılarak hesaplanan SE değeri Çizelge 6'da verilmiştir. 131

8 Ekım93 Kasım93 Aralık93 Ocak94 Şubat94 Mart94 Nisan94 Mayıs94 Haziran94 Temmuz94 Ağustos94 Eylül94 Yüzey Girişi (Is) (itfm 3 ) Çizelge 5. Aylık klasik su bütçesi Yüzey Çıkışı (O s ) (lo 3!!! 3 ) Ortalama Göl Yüzeyi (km 2 ) Göl Hacmi (S,) Hacım Farkı (S 2 S,) (^m 3 ) Yağış (P) Buharlaşma (E) A(I SS 0 SS ) Ortalama Toplam Yıllık Bütün su bütçesi elemanları kendi oksijen18 ve döteryum izotopik değerleri ile çarpılarak ikinci bir denklem oluşturulmak suretiyle ayrı ayn bulunan 1^ ve Oss değerleri Çizelge 7'de verilmiştir su yılı için bir değer verilmek istendiğinde, ortalamalar alınarak bulunan değerler hata paylan da belirtilerek Çizelge 8 de verilmiştir. SONUÇLAR Bu çalışmada klasik su bütçesi ile izotop su bütçesi kullanılarak doğal veya yapay bir gölün su bütçesinin nasıl bulunacağı hem teorik hem de Mogan Gölü'ne uygulanışı gösterilmiştir. Klasik su bütçesi ile sadece mutlak fark olarak 3.98* l O 6 m 3 ± % 8.00 olarak hesaplanan yüzey altı girişi ve çıkışı, A(IssOss) nin değerleri yüzey altı gisişi Iss=20.42*10 6 m 3 ± % ve yüzey altı çıkışı Oss=16.44*10 6 m 3 ± % olarak hesaplanmıştır. 132

9 Çizelge 6. Mogan Gölü'nden buharlaşan suyun izotopik değeri (&E, %o) Sıcaklık a As e Satırı SE Ekim93 Kasım93 Aralık93 Ocak94 Şubat94 Mart94 Nisan94 Mayıs94 Haziran94 Temmuz94 Ağustos94 Eylül94 Kelvin O 5 2 H O 5 2 H S 18 O H O 8 2 H O 8 2 H Ortalama Ağırlıklı E (E/IE) Çizelge 7. Mogan gölü'nden yer altı suyu girişi I ss ve çıkışı O ss (lo 3 m 3 ) Su bütçesi Oksijen 18 Döteryum Ekim93 Kasım93 Arahk93 Ocak94 Şubat94 Mart94 Nisan94 Mayıs94 Haziran94 Temmuz94 Ağustos94 Eylül94 A (Iss0 S s) Iss O ss Iss O ss Ortalama Toplam Yıllık

10 63 Çizelge su yılı için Mogan Gölü'ne ortalama aylık LB ve Oss değerler (*10m) Su Bütçesi Oksijen 18 Döteryum Ortalama A(IssOss) 3.98 ± % 8.0 Iss ±% Oss ±% Iss ±% Oss % Iss %17.22 O ss ±% KAYNAKÇA Altınbilek, D. ve diğerleri, " MoganEymir Gölleri için Su Kaynaklan ve Çevre Yönetim Planı Projesi", ASKİ için ODTÜ tarafindan hazırlanan Final Rapor, Ankara, Temmuz Altınbilek, D., Günyaktı, A., and Uzaydın, V., "Assessment of Hydrological and Environment Problems of Lakes Mogan and Eymir Using Isotope Techniques". IAEA project, TUR/08/13, Ankara, August, Craig, H. and Gordon, L.I., "Deuterium and oxygen18 variations in the ocean and the marine atmosphere". In: E. Tongiorgi (Editor), Stable isotopes in oceanography studies and paleotemperatures, Spoleto, 1965, Consiglio Nazionale dela Ricerche, Pisa, Italy, 9130, Dinçer, T., "The use of oxygen18 and deuterium concentrations in the water balance of lakes". Journal of Hydrology, 4 (6), , Gonfiantini, R., "Environmental isotopes in lake studies", in: P. Frittz and J.Ch. Fontes (Editors). Handbook of Environmental Isotope Geochemistry. Vol. 2, The Terrestrial Environment B , (Chapter3), IAEA, "Isotope Hydrology", IAEA, "Isotopes in lake studies". Proceedings of an Advisory Group Meeting held in Vienna, Austria, August 29September 2, 1977, STI/PUB 511, IAEA, "Stable isotope hydrology, deuterium and oxygen18 in the water cycle". Technical report series, No. 210, IAEA, IAEA, "Guidebook on nuclear techniques in Hydrology". Technical Report Series, No edition, IAEA, Vienna, IAEA, "Environmental isotope data no 10: world survey of isotope concentration in precipitation (from 1988 to 1991)". Technical Report Series no 71, Vienna, Austria, 6365, Kalkan, İ., Şaroğlu, F., Özmutaf, M., Atiker, M., Yıldırım, N., Süzük, H. and Tanıl, A., "A hydrogeologic analysis of Eymir ve Mogan Lakes (AnkaraGölbaşı)", (in Turkish), MTA Report, No 9477, 535, Krabbenhoft, D.P., Bowser, C.J., Anderseon, M.P. and Valley, J.W., "Estimating groundwater exchange with lakes : 1. The stable isotope mass balance method". Water Resour. Res. 26 (10), , Moeller, F., "Introduction to Meteorology", (in German), Vol.1, Bibliographisches Institut, Mannheim, Wien, Zurich, Majoube, M., "Fractionnement en oxygene 18 et en deuterium entre 1'eau et sa vapeur". J. Chim. Phys. 68, ,

11 Uzaydın, V., "Water balance of lakes by using stable isotope mass balance method", ODTÜ İnşaat Müh. Doktora tezi, Haziran Özaydın, V., Günyaktı, A., Altmbilek, D., ve Şendil, U., "Buharlaşma Esnasında İzotopik Ayrışım Olayı", İnşaat Müh. Odası, Teknik Dergi, Temmuz, 1998, sayfa Vehbi Özaydın, Uygur Şendil, and Doğan Altmbilek (2001). "Stable isotope mass balance method to find water budget of a lake", Turkish Journal of Engineering and Environmental Sciences, Volume 25, Issue 4, pp Turner, J.V., Allison, G.B., and Holmes, J.W., "The water balance of small lake using stable isotopes and tritium". Journal of Hydrology, 70, 220, Yurtsever, Y., "Lecture notes on environmental isotope hydrology", IAEA, Yurtsever, Y., "Role of nuclear techniques in hydrology, environmental studies and IAEA's activities in this field. International conference on water and environment", Dublin, 2631 Jan Yurtsever, Y. and Araguas, L.A., "Environmental isotope applications in hydrology an overview of the IAEA's activities, experiences and prospects. Tracers in hydrology", Proceedings of the Yokohama symposium, IAHS Publ, No.: 215, 320, July, Zuber, A., "On the environmental isotope method for determining the water balance components of some lakes". J. Hydrology, 61: ,

12