Doğal Akarsularda Debinin Belirlenmesi. Discharge Determination In Natural River GİRİŞ

Transkript

1 Tarım Blmler Araştırma Dergs 4 (2): 73-77, 2011 ISSN: , E-ISSN: X, Doğal Akarsularda Debnn Belrlenmes Mehmet ARDIÇLIOĞL Ercan GEMICI Serkan ÖZDIN Ercyes Ünverstes, Mühendslk Fakültes, İnşaat Mühendslğ Bölümü, KAYSERI *Sorumlu Yazar mardc@ercyes.edu.tr Özet: Günümüzde artan nüfus, sanayleşme ve tarımsal htyaçlara bağlı su taleb suyun önemn daha da artırmıştır. Bununla brlkte klmsel ve çevresel faktörler le yağış akış lşksndek değşmler su kaynaklarının kontrolünü ve kullanımını zorlaştırmaktadır. Bu nedenle su kaynaklarının, en akılcı şeklde sürdürüleblr kullanımını gerçekleştreblmek çn hem kalte hem de mktar (deb) bakımından akım özellklernn belrlenmes gerekmektedr. Açık kanal akımlarında debnn belrlenmesnde en sağlıklı yöntem olan hız ölçüm metodu, yoğun emek ve masraf steyen zahmetl br ştr. Bu nedenle ölçümlerde kullanılacak dlm sayısına doğru karar vermek ş yükünü azaltacaktır. Ayrıca deb hesabında gerekl olan akımın ortalama hızını belrlemek çn, su yüzü hızı gb daha kolay ölçüleblr parametreler le arasındak lşknn tespt gerekldr. Bu amaçla Kızılırmak nehrnn yan kollarlında seçlen 5 farklı stasyonda, 10 farklı akım şartlarında gerçekleştrlen ölçüm sonuçları ele alınmıştır. Enkest alanları 1 la 19 farklı dlme bölünerek her br dlmde ölçülen ortalama hızlar le debler hesaplanmıştır. Dlm sayısının akımın debsne etks rdelenmştr. Debnn sağlıklı olarak bulunmasında zaman tasarrufu da göz önüne alınarak enkest beş dlme ayırmanın yeterl olduğu belrlenmştr. Ayrıca Su yüzü hız le ortalama hız arasındak lşk sorgulanmıştır. Lteratürde belrtlen Ortalama hız/su yüzü hızı =0,85 0,90 katsayılarının yüksek olduğu belrlenmştr. Anahtar sözcükler: Akarsu, deb, su yüzü hızı, ADV Dscharge Determnaton In Natural Rver Abstract: In recent years, the mportance of water has been ncreasng due to rsng water demands whch s related to hgher populaton, ndustralzaton and agrcultural developments. However, the changes n the relaton between ran fall and run off along wth clmatc and envronmental parameters complcate the control and usage of water resources. For ths reason, the flow propertes must be determned n order to carry out wsely sustanable usage of water resources n terms of both quantty and qualty.the velocty measurement, whch s the best correct method to calculate dscharge n open channel flow, s a duty requrng hgh effort and expense. Hence, correctly decdng on the slce number to be used n the measurements wll decrease workload. Addtonally, to compute the mean veloctes whch are needed to calculate flow dscharge, a relatonshp between mean veloctes and water surface velocty that can be measured easly must be determned. For ths purpose, the measurement results obtaned n the Kızılırmak Rver sde branches and at fve dfferent statons and at 10 dfferent flow condtons are consdered. Dvdng the cross sectons nto 1 to 19 dfferent slces, dscharge s computed through the mean veloctes measured at each slce. The effect of number of slce on the flow dscharge s examned. It s determned that dvdng the cross secton nto fve slces s enough for healthy determnaton of dscharge takng nto account tme. Further, the relatonshp between water surface velocty and mean velocty s examned. The rato of for water surface velocty and mean velocty stated n the lterature has been found hgh. Keywords: Rver, Dscharge, water surface velocty, ADV GİRİŞ Canlı hayatının devamı çn ana gereksnmlern başında gelen su, günümüzde gderek daha da öneml br hale gelmştr. Nüfus artışına paralel olarak gelşen sanayleşme ve tarımsal faalyetler su htyacının artmasına sebep olmuştur. Gelşen sanay ve buna bağlı çevresel etkler, düzensz kentleşme, küresel ısınma ve benzer faktörler su kaynaklarının kontrolünü ve kullanımını oldukça zorlaştırmıştır. Bu nedenle su kaynaklarının sürdürüleblr kullanımını sağlamak çn hem kalte hem de mktar olarak suyun özellklernn belrlenmes ve takp edlmes gerekmektedr. Ülkemzde son 20 yılda kş başına düşen su mktarı 4000 m 3 /yıldan, 1430 m 3 /yıla düşmüştür. Dünya standartlarına göre br ülkenn su zengn sayılablmes çn kş başına düşen su mktarının m 3 / yıl olması gerektğ düşünüldüğünde ülkemzn su bakımından zengn olmadığı, su stres çeken ülkeler arasında yer aldığı görülmektedr. Türkye de suyun %72 s tarım, %18 evsel kullanımlarda ve %10 u endüstrde kullanılmaktadır. Önümüzdek 20 yılda tarım çn kullanılan su mktarının %75 artması beklenmektedr. Hâlhazırda sulanan alanların %94 ünde açık kanal sstemler, %6 lık kısımda se basınçlı sulama sstemler bulunmaktadır. Bu sstemlerden geçen suyun düzenl ve güvenlr ölçümlerle kayıt altına alınması, su kullanımında vermllğ artırmak çn gerekldr. [1]. Açık kanal akımlarında, özellkle de doğal akarsularda kanal kestnn düzensz olması, taban pürüzlülüğünün an değşklkler göstermes, akımın türbülanslı olması gb etkenler Mannng denklem gb amprk fadelern

2 74 M. Ardıçlıoğlu ve ark. / Tabad, 4 (2): 73-77, 2011 kullanılmasında güçlükler oluşturarak hassas sonuçlar elde edlmesn engellemektedr. Akarsularda deb ölçümler; doğrudan deb ölçümler veya hız-alan ölçümüne dayanan yöntemler kullanılarak k farklı şeklde yapılmaktadır. Doğrudan deb ölçüm yöntemlernde deb, kolayca ölçüleblen br veya k değşken yardımıyla belrlenr. Doğrudan deb ölçüm yöntemlernden bazıları; ağırlık ölçümü, manyetk akımölçerler, ventür savakları şeklnde sıralanablr. Hız-alan ölçüm yöntemnde se akarsuyun belrl br kestnden geçen deb; ele alınan kesttek ortalama hız le kest alanı çarpılarak belrlenr. Keste at ortalama hızın belrlenmes çn farklı alet ve metotlar kullanılmaktadır [2]. Bu aletlerden günümüzde en yaygın kullanılanları, pervanel (mulne) ve ultrasonc (ADV, ADCP) ölçüm chazlarıdır. Yoğun emek ve zaman gerektren bu yöntemde debnn belrlenmes çn kest dlmlere ayrılarak her br dlm çn ortalama hız ve deb hesaplanır. Dlmler çn hesaplanan debler toplanarak kestten brm zamanda geçen deb m 3 /s veya lt/s cnsnden belrlenr. Lteratürde hız alan yöntem le deb belrlenrken, en kestn her br dlmden toplam debnn %10 unu geçmeyecek şeklde bölünmes gerektğ tavsye edlmektedr [2]. Bu da enkestn en az 10 dlme ayrılması ve her br dlm çn de ortalama hızın ölçülmes demektr. ABD de 1950 l yıllarda o zamanın mekank aletler le yapılan bu değerlendrmenn günümüzde daha hassas ve hızlı ölçüm yapablen elektronk aletler le ülkemzdek nehrler çn sorgulanmasına lteratürde rastlanılmamıştır. Ele alınan düşeydek ortalama hızın belrlenmes çn sığ sularda (dernlğ 50-60cm y geçmeyen) en az br ölçüm (yüzeyn 0.6H dernlğnde), dern sularda se k ölçüm (yüzeyn 0.2H ve 0.8H dernlğnde yapılan ölçümlern ortalaması) yapılması gerekmektedr. Bu hız ölçümler se yoğun emek ve zaman gereksnm demektr. Sunulan çalışmada akarsu kestnden geçen debnn belrlenmes çn enkestte ele alınacak dlm sayısı optmze edlmştr. Dlm sayısı le kest oranı T/H mak arasındak lşk belrlenmştr. Burada T:serbest su yüzü genşlğ, H mak ; kest en dern su yükseklğn göstermektedr. Ayrıca serbest su yüzü hızı ( sy ) yüzen csm metoduyla ölçülerek, ortalama hız le lşks yne kest oranına (T/H mak ) bağlı ncelenmştr. Hız Alan Yöntem İle Deb Hesabı Hız alan yöntem le deb belrlenrken, kanal enkest düşey dlmlere bölünür. Her br dlme at ortalama hız,, dernlk boyunca ölçülen hızlardan Şekl 1 den görüleceğ üzere (1) fades yardımı le hesaplanablr. Burada j+1 ve j ele alınan düşeydek ardışık hızlar, h j bu k hız ölçüm noktası arasındak uzaklık, a ardışık k hız eğrs arasındak alan, ve H ölçüm yapılan düşeye at akım dernlğdr. a j = = H ( j + j+ 1) 2 H h j (1) Bu dlme at deb (q ); dlm genşlğ (b ), akım dernlğ (H ) ve dlme at ortalama hız ( ) olmak üzere aşağıdak gb belrlenr. H z x 0,6H Akım yönü A b Şekl 1 Akarsu enkestnde ölçüm yapılan düşeylerde ortalama hızın hesabı q = b H (2) Kanal enkest üzernden geçen deb Q, tüm dlmlerden geçen deblern, q, toplamından (3) fades yardımı le hesaplanablr. Burada n, enkestte belrlenen dlm sayısıdır. n n Q = q = bh = 1 = 1 Ele alınan düşeyde (1) fades le hesaplanan dernlk boyunca ölçülen hızların ortalamasının, su yüzeynden 0.2H ve 0.8H dernlklerde ölçülen (Şekl 1) k hızın ortalamasına yakınsadığı blnmektedr. Ölçüm yapılan düşeyde belrlenen bu k dernlktek hızların ortalaması le (2) ve (3) fadeler kullanılarak kanal enkestnden geçen deb hesaplanablmektedr. Lteratürde bu yöntemn oldukça y sonuçlar verdğ bldrlmektedr [3]. Dernlğ az olduğu sığ sularda (H< cm) su yüzünden 0.6H dernlkte ölçülen hızın ele alınan düşeydek ortalama hızı temsl etmekte ve yne (2) ve (3) fadeler kullanılarak kestten geçen deb belrleneblmektedr. Akarsularda serbest su yüzü hızının belrlenmes ortalama hıza göre çok daha kolaydır. Su yüzeynde çok ağır olmayan ve yüzey hızı le yaklaşık aynı hızda hareket edeblen yaprak, dal parçası vb. csmlern belrl br mesafey (10-15m) alma süreler (sn) kolaylıkla belrleneblr. Bu şlem 5 10 kez tekrar edlerek yüzen csmn brm zamandak kat ettğ yol yan serbest su yüzü hızı, sy, (m/s) ortalama alınarak hesaplanablr. SGS tarafından bu amaçla yapılan çalışmalarda doğal akarsularda ortalama hız/su yüzü hızı ( ) oranının k= , yapay kanallarda k= 0.90 olarak alınableceğn vurgulamıştır [2]. Dolayısıyla kolaylıkla ölçüleblen serbest su yüzü hızı ( sy ) le yne kolaylıkla belrleneblen ıslak enkest alanı (A) verlen bu düzeltme katsayıları le çarpılarak akarsu enkestnden geçen deb 4 formülü le kolaylıkla hesaplanablmektedr. Q = k A s y Lteratürde doğal akarsularda, k= ortalama hız/su yüzü hızı (= / s y ) oranı ülkemz akarsuları çn sorgulanmamıştır. Yne akarsularımızdak k katsayısının akım dernlğ, H, Kanal kest oranı (T/H mak ), eğm hj j+1 aj j 0,2H 0,8H (4) y (3)

3 M. Ardıçlıoğlu ve ark. / Tabad, 4 (2): 73-77, (S sy ), Froude sayısı (Fr) gb akım özellklern gösteren parametreler le değşp değşmedğ ncelenmemştr. Araz Ölçümler Akım ölçümler Kayser l sınırları çersnde Kızılırmak ve Seyhan Havzalarında, 4 farklı dere üzernde 5 farklı stasyonda gerçekleştrlmştr: Kızılırmak havzasında bulunan Sarımsaklı deres üzernde k adet stasyonda (Bünyan Pınarbaşı ve Barsama stasyonları) kşer farklı zamanda hız ölçümler yapılmıştır Şekl 2. Yne Kızılırmak havzasında bulunan Özdere üzerndek stasyonda k ve taşlık deres üzernde bulunan Kırıközü stasyonunda k farklı zamanda ölçümler gerçekleştrlmştr. Seyhan havzası üzernde, Kayser nn güney doğusunda bulunan Sosun deres üzerndek stasyonda da k kez ölçüm yapılmıştır. Bu ölçümlere at akım özellkler Tablo 1 de sunulmuştur. Tabloda stasyonların sm ve ölçüm yapıldığı tarhler verlmştr. Tablodak MDS; enkest maksmum dlm sayısı, Q; maksmum dlm sayısı le hesaplanan kestten geçen deb, ; ( = Q / A) ortalama akım hızı ve A; kest ıslak alanı, sy ; serbest su yüzü hızını T; kesttek su yüzü genşlğ, H mak ; kesttek maksmum su dernlğ, S sy ; su yüzü eğm, Re (= 4 R / υ ) Reynolds sayısı, buradak R (=A/P) hdrolk yarıçap, P ıslak çevre, υ; knematk vskozte, Fr (=) Froude sayısı, g; yerçekm vmesn göstermektedr. Tablodan görüleceğ üzere tüm ölçümlerde akım krtk altı nehr rejmnde ve türbülanslıdır. Ölçümlerde Sontek, SA, tarafından üretlmş Flowtracker Handheld ADV (Acoustc Doppler Velocmeter) kullanılmıştır. Alet ltrasonk ses dalgalarının yayılma prensbn açıklayan doppler prensbnden yararlanarak hız ölçmektedr. ADV chazının, LCD ekranı, blg grş ve chazın kontrolünde kullanılan düğmelern bulunduğu kontrol üntes, ver aktarma bağlantısı ve 3 boyutlu ölçüm başlığı bulunmaktadır. Ölçüm başlığının 10 cm önündek 6mm çap ve 10mm yükseklğndek slndr br kontrol hacmnn çersndek u x, u y ve u z y her br sanyede ölçerek, 10sn le 1000sn arasında stenlen zaman aralığında ortalamasını belrlemektedr. Burada u x, u y ve u z ölçüm yapılan noktadak sırasıyla; akım yönünde, yanal doğrultuda ve düşey doğrultulardak hız bleşenlerdr Şekl 1. Ölçüm hız aralığı ± m/s olup ±%1 hassasyette, tab nehrlerde, sulama kanallarında, atık su kanallarında ve laboratuarda ölçüm yapablmektedr. Şekl 3 de ölçüm yapılan stasyonda ADV le hız ve kest geometrk özellklernn belrlenmesne at örnek br resmler verlmştr. Ele alınan 5 stasyonda yapılan 10 farklı ölçümde, enkest maksmum 10 la 19 dlme bölünmüştür. Şekl 4 de Barsama_2 ölçümüne at enkestn 19 dlme bölünmüş şekl ve hız ölçümü yapılan düşeyler gösterlmştr. Her br dlmdek ortalama hızlar düşeyn 0,2H 0,8H ARİ, DSI Ölçüm yapılan İstasyonlar YOZGAT SİVAS Kırıközü Özdere Kızılırmak Yamula barajı Barsama Bünyan Pınarbaşı Karadenz Kızılırmak Havzası Sarımsaklı deres KAYSERI Sosun Akdenz Şekl 2. Ölçüm yapılan akarsular ve stasyon yerler Tablo 1 Ölçüm yapılan stasyonlardak akım özelkler Şekl 3 Bünyan Pınarbaşı stasyonunda yapılan 2. ölçüme at resm İstasyon Tarh MDS Q sy T H mak S sy Re Fr / sy - gün/ay/yıl - m 3 /s m/s m/s cm cm Bün. Pb_ Bün. Pb_ Barsama_ Barsama_ Özdere_ Özdere_ Kırıközü_ Kırıközü_ Sosun_ Sosun_

4 76 M. Ardıçlıoğlu ve ark. / Tabad, 4 (2): 73-77, 2011 ında yapılan noktasal hızların ortalaması alınarak hesaplanmıştır. Her br düşeyde belrlenen bu ortalama hızlar le (2) fades yardımı le belrlenen dlm debler ve yne (3) fades le hesaplanan kestten geçen debler (Q) Tablo 1 de verlmştr. Tablo 1 de yne belrlenen bu debler yardımı le hesaplanan kest ortalama hızları ( = Q / A), verlmştr. Su yüzü hızının belrleneblmes amacıyla suyla aynı hızda hareket eden yüzen dal parçacıklarının ölçüm kestnn 5m memba ve 5m mansap tarafından toplamda 10m mesafey kat edeblmes çn geçen süreler kronometre le belrlenmştr. Bu şlem her ölçümde 10 ar kez tekrarlanarak ortalama su yüzü hızları sy belrlenmş ve Tablo 1 de verlmştr. BLGLAR VE DEĞERLENDİRME Şekl 4. Barsama_2 ölçümüne at enkestn dlmlere bölünme şekl Deb-dlm sayısı lşks Lteratürde deb hesabında gerçek deb (Q ger ) le ele alınan yöntem sonucu belrlenen deb (Q hes ) arasındak fark %5 e kadar olması durumunda yöntem uygulanablr kabul edlmektedr [4]. Ele alınan kestlerde her br ölçümdek dlm sayıları dolayısıyla düşeylerde yapılan hız ölçümler azaltılarak deb dlm sayısı lşks ncelenmştr. Maksmum dlm sayıları le hesaplanan deb (Q ger ) ve azaltılmış dlmler yardımı le hesaplanan debler (Q hes ) arasındak rölatf farklar belrlenmştr. Aşağıdak (5) formülü yardımı le hesaplanan bu farklar ele alınan tüm ölçümler ve farklı dlm sayıları çn Tablo 2 de verlmştr. Barsama stasyonunda yapılan k ölçümde de enkest 19 dlme bölünerek en doğru-gerçekç (Q ger ) deb bu değer kabul edlmştr. Dlm sayıları kenarlardan tbaren Tablo 2 de görüleceğ üzere azaltılarak her br dlmdek (Q hes ) debler yukarıda zah edldğ üzere hesaplanmıştır. Enkestn br dlme düşürülmes durumunda kest ortasındak düşeyde yapılan hız ölçümler le (0,2H 0,8H dak) belrlenen ortalama hız kest alanı le çarpılarak Q hes debs belrlenmştr. Burada dkkate alınan A kest alanı en büyük dlmde belrlenen kest alanıdır. Qger Qhes Hata = 100 (5) Qger Tablodan görüleceğ üzere dlm sayısı azaldıkça genellkle hesaplanan ata oranları artmaktadır. Ele alınan 5 farklı stasyondak 10 ölçüme at bu hata oranları, enkestn 5 dlme bölünmes durumunda ( yan 5 düşeyde hız ölçümü yapılması hal ) %5 den küçük olmaktadır. Dolayısıyla deb hesabında enkestn 10 dlme bölünmes ve bu dlmlere at ortalama hızların belrlenmes fazladan en az %50 emek ve zamanın kaybı anlamına gelmektedr. Kanal enkest dlmlere bölünürken, kanal ortasındak düşey esas alınarak Şekl 4 de gösterldğ üzere, ortada %10 luk dlm, sağ ve sola sahllerde de sırasıyla %20 ve %25 lk dlmlern dkkate alınması uygun olacaktır. Kest alanları belrlenrken ölçüm yapılan 5 düşey ve buna bağlı 5 dlmde dernlk ölçümü yapılarak enkest alanının belrlenmes yeterl olmamaktadır. Dolayısıyla hız ölçümlerne başlanmadan önce enkest alanının mümkün olduğunca hassas (bu çalışmada en az 10 düşeyde dernlk ölçülmüştür) olarak belrlenmes gerekldr. Bu ş sadece dernlk ve su yüzü ölçümü gerektrdğnden çok yoğun emek ve zaman kaybına neden olmaz. Tablo 2. Enkest dlm sayısının hata yüzdeler İstasyon Hata Dlm Sayısı Bünyan PB_ Bünyan PB_ Barsama_ Barsama_ Özdere_ (%) Özdere_ Kırıközü_ Kırıközü_ Sosun_ Sosun_

5 M. Ardıçlıoğlu ve ark. / Tabad, 4 (2): 73-77, 2011 Şekl 5 de ölçüm yapılan stasyonlardak deb hesabında kullanılan dlm sayıları le (5) formülü yardımı le hesaplanan hata oranları grafk olarak verlmştr. Grafkten de anlaşılacağı üzere 10 farklı akım durumunda enkestn 5 dlme bölünmes halnde farklar %5 den küçük olmaktadır. Şekl 5. Ele alınan ölçümler çn dlm sayısı hata dağılımı Su yüzü hızı-ortalama hız lşks Bölüm 3 de bahsedldğ üzere 10 farklı akım durumunda su yüzü hızları akım le beraber hareket eden küçük dal parçacıklarının 10m mesafey alması çn gereken sürelern belrlenmes le hesaplanmıştır. Her br kest ve akım durumunda bu şlem 10 ar kez yapılarak ortalama değerler ( sy ) Tablo 1 de verlmştr. Tabloda ortalama hız/su yüzü hız oranları da ( / sy ) son sütunda verlmştr. Bu değerler ncelendğnde stasyonlardak ortalamalar sırasıyla 0.51, 0.46, 0.39, 0.63 ve 0.52 olmakta, tüm stasyonlar çn se ortalama değer k=0.50 olmaktadır. Hesaplanan bu değerlern lteratürdek değerlerne göre küçük olduğu görülmektedr. Hesaplanan k oranlarının; dernlk (H mak ), eğm (S sy ), kest oranı (T/H mak ) ve Froude sayısı (Fr) gb akım özellkler le br lşksne rastlanmamıştır. SONÇ Akarsularda debnn belrlenmes amacıyla doğru sonuçlar veren ve sıklıkla başvurulan hız alan yöntemler yoğun emek ve zaman stemektedr. Bu çalışmada debnn belrlenmesnde daha az emek ve zaman kaybının azaltılması çn ölçümlerdek dlm sayısı sorgulanmıştır. Dört farklı akarsu üzernde, beş farklı stasyonda, değşk zamanlarda gerçekleştrlen on ölçüm çn deal dlm sayısı ve hız ölçümü yapılacak düşey sayısı beş olarak belrlenmştr. Dlmler belrlenrken akarsu orta kestndek su yüzü genşlğnn %10 luk bölümü br dlm, sağ ve sol sahllerde aynı oranda olmak üzere se sırasıyla %20 ve %25 lk k şer dlmn kullanılmasının uygun olacağı görülmüştür. Tüm akım durumlarında yüzen csm yöntem le su yüzü hızları belrlenerek, ortalama hız/su yüzü hız oranları (k= / sy ) hesaplanmış ve ortalama değer 0.50 olarak hesaplanmıştır. Bu değern lteratürde belrtlen değernn altında olduğu görülmüştür. KAYNAKLAR [1] zunlu V., Türkyede Sulama Poltkaları ve Tarımda Suyun Kullanılması, 2003, Suyumuzun Geleceğ ve Türkye Su Poltkaları Panel, Su Vakfı, İstanbul. [2] Rantz SE. 1982a-b. Measurement and Computaton of Streamflow, Vol. 1-2, Measurement of Stage and Dscharge. Geologcal Survey Water-Supply Paper 2175,.S. GPO, Washngton, DC. [3] Ardıçlıoğlu, M., Ozdn S. Gemc E. Kaln L., Determnaton of Flow Propertes n Shallow Flow Rver, Dryland Hydrology: Global Changes and Local Soluton, Arzona Hydrologcal Socety Symposum, 1-4 September 2010, Tucson, AZ, SA. [4] Sauer, V. B. and Meyer, R. W., 1992: Determnaton of error ndvdual dscharge measurements,.s. Geol. Surv. Open-Fle Rpt.,