EROZYONUN ÖLÇÜLMESİ VE TAHMİN YÖNTEMLERİ

Transkript

1 EROZYONUN ÖLÇÜLMESİ VE TAHMİN YÖNTEMLERİ Erozyon şiddet ve miktarının bilinmesi neden önemlidir? Erozyona karşı en uygun, en etkili ve ekonomik önlemlerin alınabilmesi için erozyonun şiddeti ve miktarı hakkında bilgi sahibi olmak gereklidir. Böylece bitkisel (vejetatif) ve mekanik önlemleri içeren projeler daha başarılı bir şekilde uygulanabilir. Bu yöndeki çalışmalar iki grupta toplanabilir: 1- Toprak erozyonunun arazi ve laboratuvarda ölçülmesi 2- Erozyon şiddet ve miktarının tahmin edilmesi

2 Su Erozyonun Ölçülmesi 1- Arazide su erozyonunun ölçülmesi 2- Laboratuvarda su erozyonunun ölçülmesi

3 Bu ölçmelerde eğim aşağı boylamasına olarak yerleştirilmiş ve galvanize sacla çevrilmiş dikdörtgen şeklindeki parsellerde yüzeysel akışa geçen sular ve taşınan toprak parselin alt ucunda bulunan ve şamandıra tertibatı olan bir rezervuarda ölçülmektedir. Taşınan toprak fırında kuru ağırlık olarak ifade edilmektedir. USLE toprak kaybı tahmininde kullanılan %9 eğimli, 22.1 m uzunluğunda standart erozyon parseli

4 Arazide Parsel Denemeleri İle Erozyonun Ölçülmesi Erozyon ve yüzeysel akışın sayısal olarak ölçülmesi için en yaygın olarak kullanılan yöntem arazide tesisi edilen kalıcı parsel denemeleridir. Bu parsellerin boyutları araştırmanın amacı, özelliği ve diğer faktörlere göre değişmektedir.

5 Genel hatlarıyla yüzeysel akış parsel düzeneği.

6 Parsel denemeleri sayısal ve sağlıklı bulgular vermekle beraber bazı sakıncaları vardır; Oyuntu erozyonunda kullanılamamaktadır, Parsel alanı küçük olduğu için, büyük alanlardaki değişik şartları tam temsil edememektedir.

7 Toprak Yüzü Seviyesindeki Değişimi Ölçerek Erozyonu Belirlemek Belirli bir arazi parçasında meydana gelen toprak taşınması miktarını ölçmek için, o arazi üzerine belirli aralıklarla (0.5 x 0.5m veya 1.0 x 1.0m), 30cm uzunluğunda ve 1cm kalınlıkta galvanize çubukla toprağa 10-15cm kadar çakılır.

8 Diğer basit bir yöntem de şişe kapaklarının aynı aralıklarla toprak yüzeyine batırılmasıdır. Yağış ve dolayısıyla damla erozyonu esnasında, kapaklar altında kalan toprak korunmakta ve kapakların çevresindeki toprak ise taşındığı için, belli bir süre sonra tepesinde birer şapka gibi duran şişe kapaklarının yer aldığı toprak sütunları ortaya çıkmaktadır. Bu sütunların, çevresindeki aşınan toprak yüzeyinden olan yükseklikleri erozyon miktarının hesaplanmasında kullanılmaktadır.

9 Oyuntuların yatay ve düşey planda gösterdiği gelişmeyi belirlemek için, oyuntunun çevresinde oyuntu kenarlarından belli mesafelerde kazıklar çakılmakta ve belli zaman aralıklarında bu mesafeler ölçülmektedir. Böylece belli bir süre içerisinde oyuntunun gelişimi belirlenebilmektedir. Oyuntu erozyonunu belirlemek için araziye çakılmış erozyon çubukları.

10 Toprak Erozyonu Miktarının Tahmin Yöntemleri Belli şartlar ve etmenler bilindiği taktirde toprak erozyonunun miktarını tahmin etme ve hesaplamak belli hata payı ile mümkündür. Bunun için çeşitli yöntemler ve yaklaşımlar geliştirilmiştir. Bu yöntemlerden 1- Üniversal toprak kaybı denklemi 2- Browning denklemi 3- Musgrave denklemi en bilinenleridir. Wischmeier ve ark. tarafından geliştirilip, A.B.D. Toprak Koruma Teşkilatı tarafından adapte edilen Üniversal Toprak Kaybı Denklemi (USLE) isimli matematik model erozyon tahmininde kullanılan en önemli yöntemdir.

11 Üniversal toprak kayıpları tahmini denklemi (USLE) erozyonla kaybolan toprak miktarının tahmin edilebilmesi amacıyla en çok kullanılan matematiksel modellerden biridir. Denklem 1957 de Wischmeier ve arkadaşları tarafından tarım arazilerinde kullanılmak üzere geliştirilmiş ve daha sonra 1971 de inşaat sahaları ve 1972'de de mera ve orman sahaları için kullanımları ilave edilmiştir. USLE ilave araştırma sonuçları ve gelişen teknolojiye bağlı olarak yeniden gözden geçirilmesine (revize edilmesine) karar verilmiştir. Revizyon çalışmaları 1987 de başlamış ve yeni teknoloji RUSLE olarak adlandırılmıştır (LAL,1994).

12 RUSLE esas itibariyle USLE nin temel yapısına sahip olup USLE den farklı olarak birtakım yeni düzenlemeler getirmektedir. Ancak henüz Türkiye de RUSLE ye uygun veri üretimi yoktur. USLE denklemi esas itibariyle Kuzey Amerika için geliştirilmiş olup, diğer yerlerde özellikle yağış faktörü (R) ve ürün amenajman faktörü (C) için kontroller yapılmalıdır. Bunun yanında özellikle % 20 nin üstündeki eğimler ve 150 metreden daha fazla eğim uzunlukları için dikkat etmek gerekir. Çünkü bu sınırların üzerindeki çözüm için deneyimler fazla değildir.

13 Denklem aşağıda belirtilen faktörlerin çarpımından ibarettir. A = R. K. L. S. C. P A: Faktör değerlerinin çarpımından ibaret olan birim sahadan meydana gelen yıllık toprak kaybıdır (ton /ha). R: Yağış faktörü (yağmur erozivite indeksi) ; hesaplama yapılan dönem için erozyon indeksi (EI) sayısıdır. Erozyon indeksi belirli yağışların eroziv kuvvetlerinin bir ölçüsüdür. K: Toprak erodibilite (erozyon duyarlılığı ) faktörü; 22,1 metre uzunlukta ve % 9 eğimli, devamlı nadas taki bir araziden birim erozyon indeksine karşılık erozyon oranıdır.

14 L: Yamaç uzunluğu faktörü; herhangi uzunluktaki bir araziden oluşan toprak kaybının, aynı toprak tipi ve eğimde 22,1 m uzunluktaki araziden oluşan toprak kaybına oranıdır. S: Eğim faktörü; herhangi bir eğime sahip araziden oluşan toprak kaybının, % 9 eğimli, 22,1 m uzunlukta ve aynı toprak tipi ile eğim uzunluğuna sahip bir araziden oluşan toprak kaybına oranıdır. C: Ürün amenajman faktörü; belirli bir ürün yetiştirme ve amenajmana sahip bir araziden oluşan toprak kaybının K faktörünün değerlendirildiği nadas koşullarındaki araziden oluşan toprak kaybına oranıdır. P: Erozyon kontrol uygulamaları (toprak koruma tedbirleri) faktörü; düzeç eğrilerine paralel tarım, şerit ekimi veya teraslama yapılan bir araziden oluşan toprak kaybının, eğim aşağı sürüm yapılan arazideki toprak kaybına oranıdır.

15 USLE denklemi ile iki amaç gerçekleştirilebilmektedir; 1) Eşitliğin sağ tarafındaki faktörler bilindiği taktirde, söz konusu arazi parçasından oluşan erozyon miktarını tahmin etmek, 2) Belirli bir arazi parçasından hoş görülebilir maksimum bir erozyon tolerans sınırı kabul edildikten sonra, eşitliğin sağ tarafındaki bazı değişebilir faktörleri (örneğin C, P ve kısmen S) değiştirmek suretiyle, erozyon miktarını öngörülen sınırlar içerisinde tutmak mümkün olmaktadır. Böylece denklemdeki A=toprak kaybı toleransı olarak kabul edilmektedir.

16 Koruma planlaması amacıyla denklemin kullanılabilmesi için önce maksimum toprak kaybı toleransının belirlenmesi gereklidir. Toprak kaybı toleransı, toprak kayıplarının sınırsız bir zaman için ürün verimini düşürmeyecek toprak kaybı miktarıdır. Toprak kaybı toleransı sınırları 2,2-11,2 ton/ha arasında değişmektedir. Bitki köklerinin erişebildiği toprak derinliğine bağlı olarak toprak oluşum koşullarına göre izin verilebilir toprak kaybı miktarları aşağıdaki tabloda verilmiştir.

17 Toprak kaybı toleransında en fazla 11,2 ton/ha lık kayıp miktarı kullanılmaktadır. Nedenleri şunlardır; Toprak kayıplarının 11,2 ton/ha ı aşması durumunda açık kanallar, göletler ve sedimentten etkilenen diğer yapıların etkinlikleri azalmakta ve bakım masrafları artmaktadır. Yüzey erozyonunun fazla olmasına oyuntu erozyonu eşlik etmekte ve ayrıca gerek toprak işlemede gerekse kanal, akarsu ve su yollarının sedimantasyonu gibi problemlerin çıkmasına neden olmaktadır. Önemli ölçüde bitki besin maddesi kayıpları meydana gelmektedir. Toprak kayıplarını 11,2 ton/ha ın altında tutabilmek amacıyla çok sayıda koruma uygulaması başarı ile uygulanabilmektedir.

18 Yağmurun Erozivite İndeksinin Hesaplanması Yağışların erozyon doğurma güçlerini en iyi ifade eden gösterge; yağışın kinetik enerjisini temel alandır. Bir sağanak yağmur serisinde herhangi yarım saatlik bir süre içerisindeki en yüksek yağışın (cm/sa) olarak şiddeti (I 30 ), yağmurun toplam enerjisi (E) ile çarpılarak EI 30 indeksi elde edilmiştir. Bu indeks ile toprak erozyonu miktarı arasında yüksek bir korelasyon bulunmuştur. Böylece EI 30 değeri erozyon olayında etkili olan bir erozivite indeksi olarak kabul edilmiştir.

19 EI 30 = E x I 30 EI 30 = Erozivite indeksi E = Yağmurun kinetik enerjisi (jul/m 2 ) I 30 = 30 dakikalık yağmur şiddeti (cm/sa) Kinetik enerji (E) deneysel olarak geliştirilen aşağıdaki eşitlikten hesaplanmaktadır. E = log I E = 1cm. lik yağmurun kinetik enerjisi (jul/m 2 ) I = Yağış şiddeti (cm/sa)

20 Uzun dönemler için R faktörünün bulunmasında her bir bağımsız yağışın EI değeri hesaplanır ve yıl boyunca değerlendirmeye alınacak olan yağışların (eroziv olanların) EI değerlerinin toplanması ile yıllık değer bulunur. Ülkemiz için 66 meteoroloji istasyonunun 25 yıllık plüviograf diyagramları bu şekilde incelenmiş ve eş R değerine sahip istasyonlar birleştirilerek iso-erodent haritası elde edilmiştir.

21 TOPRAK ERODİBİLİTE FAKTÖRÜ (K) Toprak aşınabilirliğinin açıklanmasında K faktörünün kullanımı çok yaygındır. K faktörü arazide birim EI 30 göstergesine karşılık meydana gelen toprak kaybına dayanan bir değerdir. K değerinin ölçüldüğü arazi parselleri standart olarak çıplak toprak yüzeyine sahip, 22m uzunlukta ve %9 eğimlidirler. K değerinin arazi ölçümleri ile bulunması daha geçerli olup nomograftan tahmin edilmesinde problem çıkabilmektedir. Özellikle nomograf değerlerinin ekstrapolasyonu hata oranını artırmaktadır. K değerinin nomografla tespitinde toprakların; tane büyüklüğü dağılımı, organik madde kapsamı, strüktür ve geçirgenlik değerleri kullanılmaktadır

22 Üniversal toprak kaybı eşitliğinde kullanılan toprak aşınabilirlik değerinin (K) bulunmasında kullanılan nomograf

23 Strüktür kodları: 1. Çok ince granüler (<1 mm) 2. İnce granüler (1-2 mm) 3. Orta granüler (2-5 mm), kaba granüler (5-10 mm) 4. Levhalı, prizmatik, kolumnar, blok ve çok kaba granüler. Geçirgenlik (Permeabilite) sınıfları: Sınıfı Geçirgenlik (cm/h) 1. Hızlı-çok hızlı > 12,5 2. Orta hızlı 6,5-12,5 3. Orta 2,0-6,5 4. Orta yavaş 0,5-2,0 5. Yavaş 0,125-0,5 6. Çok yavaş < 0,125 K faktörlerine göre toprakların sınıflandırılması K faktörleri Aşınabilirlik 0-0,05 Çok az 0,05-0,10 Az 0,10-0,20 Orta 0,20-0,40 Kuvvetli 0,40-0,60 Çok

24 Yamaç uzunluğu (L) ve eğim (S) faktörleri Yamaç uzunluğu, yüzeysel akışın oluştuğu noktadan itibaren, eğimin azaldığı ve birikmenin başladığı veya yüzeysel akışın bir kanala (bu drenaj şebekesinin bir parçası olabilir) veya çevirme terası kanalı olarak inşa edilmiş bir kanala kadar olan mesafedir. Yamaç uzunluğu faktörü (L) aşağıdaki formülle hesaplanır. L=(l/22,1) m L: Yamaç uzunluğu faktörü, l: Arazideki yamaç uzunluğu (m), m: Üs sabitesi olup yamaç eğimi, toprak özellikleri, bitki çeşidi vs. göre m değeri % 0,5 den az eğime sahip çok uzun yamaçlar için 0,3 ve % 10 un üzerinde eğime sahip eğimler içinde 0,6 olarak alınır. Ortalama değer 0,5 dir.

25 Üniversal Toprak Kaybı Denkleminde yamaç eğimi (S) ve uzunluğunun (L) ortak etkisini veren grafik

26 Eğim faktörü S aşağıdaki formüllerle hesaplanabilir. S=0,43 + 0,30 s + 0,043 s 2 / 6,613 Burada; S: eğim faktörü, s:yamaç eğimi(%) dir. Eğim ve uzunluk faktörlerinin müşterek değeri olan topoğrafya faktörü (LS) nü veren formül aşağıdaki şekildedir. LS= l 0.5 (0, ,00965 s + 0,00138 s 2 ) I:Yamaç uzunluğu (m) s: Arazi eğimi(%) Eğimi % ve eğim uzunluğu 800 m ye kadar olan araziler için aşağıdaki formül kullanılabilir. LS = (l/22,1) 0,6. (s/9) 1,4

27 Bitkisel Ürün Amenajman Faktörü (C) Bu faktör bitki örtüsü, bitki kalıntıları ve amenajman yöntemlerinin toprak kaybı üzerindeki toplam etkisini açıklar. Birçok durumda bu faktör bütün bir yıl boyunca sabit kalmaz. Faktörün gerçek değeri diğer bütün faktörlere bağlıdır. Bu bakımdan C faktörü her ülke ve yöre için deneysel olarak saptanmalıdır. Çeşitli bitkiler ve devamlı çayır, mera ve ağaçlık sahalar için çizelgeler geliştirilmiş olup C değerleri bu çizelgelerden bulunabilir. Şüphesiz bu değerlerin ülkemiz koşullarına arazi denemeleri yapılmak suretiyle adapte edilmesi gereklidir.

28

29

30

31 Toprak Koruma Önlemleri Faktörü (P) Bu yöntemde tarımsal alanlardan oluşan toprak erozyonu esas alındığı için, toprak koruma önlemlerinden de, sadece tarımda kullanılan, (a) tesviye eğrilerinde toprak işleme, (b) şerit ekimi, (c) teraslama gibi belli başlı teknik ve agronomik yöntemler uygulayarak yapılan denemelerde elde edilen sonuçlar üzerinde durulmuş ve (P) değerleri bu öğelere göre belirlenmiştir. Halbuki ülkemizde ormanlar ve diğer doğal bitki örtüsü ile kaplı alanlar binlerce yıldan beri tahrip edilmiş ve toprak koruma niteliklerinin bir kısmını kaybetmiştir. Böyle alanlarında erozyondan etkilendiği ve toprak kaybı miktarına katkı sağladığı dikkate alınmalıdır. Bu nedenle de orman alanlarında, ağaçlandırmalarda, sel derelerinde, orman yollarında, mera alanlarında alınan toprak koruma önlemleri de P faktörünün hesaplanmasında gözönünde bulundurulmalıdır.

32 Değişik erozyon kontrol uygulamalarının toprak kaybı oranları eğime bağlı olarak değişmektedir. Teraslama için iki değer vardır; yüksek olan araziden olan toprak kaybını ve düşük olanı de sediment verimi ile ilgilidir. Farklılık araziden kaybolan sedimentin bir kısmının teras kanalları vs. tutulmasından ileri gelmektedir.

33

34 ÖRNEK: Marmara bölgesinde, Elmalı barajı yağış havzasında bulunan ve ağaçlandırılmak için üzerinde tam-alan örtü temizliği ve toprak işlemesi yapılmış bu yamaç araziden yılda ne kadar toprak kaybı olacaktır? Veriler: 1- Yamaç uzunluğu: L=300m 2- Yamaç eğimi: S=%15 3- Toprak: -- Balçık tekstüründe, %60 oranında (toz+çok ince kum) ve %5 oranında kum içermektedir. -- Organik madde miktarı %6 dır -- Strüktür: granüler (2) -- Permeabilite: orta derecede hızlı (2) 4-Toprak derin ve makineli olarak tesviye eğrileri üzerinde işlenmiş ve biriki ay içerisinde çukur dikimi ile çam fidanları dikilecek. Toprak koruma tedbiri olarak temizlenen örtü şeritler halinde tesviye eğrileri üzerinde yığılmış ve toprak tesviye eğrileri yönünde işlenmiş.

35 Çözüm: 1- Denklem A= R K L S C P 2- R=74 (Marmara yöresi için haritadan alındı)

36 Çözüm: 3- K=0.16 (Nomoğraftan bulundu)

37 Çözüm: 4- LS=8.12 (Formülden hesaplandı) LS= l 0.5 (0, ,00965 s + 0,00138 s 2 ) I:Yamaç uzunluğu (m) s: Arazi eğimi(%) LS= (0, ,00965 x ,00138 x 15 2 ) LS=8.12

38 Çözüm: 5- C=0.24 (Tablodan yetersiz tepe örtüsü, %20 kapalılık)

39 Çözüm: 6- P= 0.40 (Toprak üstünde şeritler halinde örtü artığı ve tesviye eğrileri yönünde toprak işlem)

40 Çözüm: 1- Denklem A= R K L S C P 2- R=74 (Marmara yöresi için haritadan alındı) 3- K=0.16 (Nomoğraftan bulundu) 4- LS=8.12 (Formülden hesaplandı) 5- C=0.24 (Tablodan yetersiz tepe örtüsü, %20 kapalılık) 6- P= 0.40 (Toprak üstünde şeritler halinde örtü artığı ve tesviye eğrileri yönünde toprak işlem) A = 74 x 0.16x 8.12 x 0.24 x 0.4 = 9.23 A=9.23 (ton/ha yıl) toprak kaybı meydana gelecektir. Aynı yerde kurulan deneme parsellerinden meydana gelen toprak kaybı ise ton/ha yıl olarak bulunmuştur.

41 ÖRNEK: Aşağıdaki verilere ve şartlara sahip bir tarım arazisi mevcuttur. Burada kabul edilen toprak kaybı toleransı A t =5 ton/ha.yıl dır. Mevcut şartlardaki erozyon miktarını hesap ederek bu miktarı erozyon tolerans sınırı olan A t =5 ton/ha. yıl düzeyine indirmek için nasıl bir plan ve uygulama yapmak gerekir? Veriler Yağmur erozivite indeksi- R=74 Erodibilite- K=0.35 Yamaç eğimi- S=%10 Yamaç uzunluğu- L=60m Arazi kullanma- Nadas Toprak kaybı toleransı- A t =5 ton/ha.yıl Ürün amenajmanı- C=1.0 Toprak koruma- P=1.0

42 A= R K L S C P A= 74 x 0.35 x 1.85 x 1x 1 A=47.9 ton/ha. yıl toprak taşınmaktadır Burada A nın yerine A t toprak kaybı yazılırsa A t (5) =47.9 x C x P Eğer burada toprak koruma önlemi alınmadan (P=1) sadece bitki örtüsü getirilirse, bitki amenajman faktörü (C): C= 5/47.9 = olması gerekir. Eğer buraya tesviye eğrileri üzerinde toprak işleme gibi bir toprak koruma önlemi getirirsek bu taktirde P=0.6 alınabilir. A t =74 x 0.35 x 1.85 x 0.6x C 5= x C C=

43 Rüzgar erozyonunu etkileyen faktörler ve bunların etkilerini sayısal olarak ifade eden ve verilen koşullarda meydana gelmesi muhtemel rüzgar erozyonunu tahmin etmeye yarayan rüzgar erozyonu denklemi geliştirilmiştir. 1- Mevcut koşullar altındaki potansiyel rüzgar erozyonu miktarının belirlenmesi, 2- Bu koşullarda rüzgar erozyonunun kontrol edilebilmesi için gerekli amenajman şartlarının belirlenmesidir.

44 Rüzgar erozyonunu tahmin etmeye yarayan rüzgar erozyonu denklemi E = f (I, C, K, L, V, ) E: Rüzgar erozyonu ile oluşan toprak kaybı (t da -1 ) I: Toprakların rüzgar erozyonuna duyarlılık faktörü C: İklim faktörü K: Yüzey pürüzlülük faktörü L: Hakim rüzgar yönündeki arazi genişliği V: Bitkisel örtü faktörüdür. Denklem faktör değerlerinin basit çarpımı ile çözülemeyip birtakım grafik çözümlerini gerektirir.

45

46 Rüzgar erozyonunun doğrudan ölçümleri için deneme alanlarına sediment tuzakları yerleştirilerek yapılmaktadır. Sediment tuzaklarında toplanan toprak miktarı hassas terazide belirlenerek rüzgarla taşınan yıllık toprak taşınımı ortaya konulmaktadır. Aynı zamanda çalışma alanına yerleştirilen meteoroloji istasyonları sayesinde rüzgar hızları, yönü, yağış, toprak nemi gibi veriler toplanmaktadır.