BÖLÜM-5 YERALTI SUYU (SUBSURFACE WATER)

Transkript

1 BÖLÜM-5 YERALTI SUYU (SUBSURFACE WATER) 5.1 GİRİŞ Yeryüzünde kullanılan suların % 40 ı yeraltından sağlanmaktadır. Yeraltı su miktarı yeryüzündeki akarsularda bulunan su miktarının 7500 katıdır. Yeraltı suyu kurak mevsimlerde akarsuların beslenme kaynağını oluşturur. Yeryüzündeki akarsuların %30 u yeraltından beslenir. Kurak mevsimlerde ancak yeraltı suyuyla beslenen akarsular kurumazlar. Yeraltı suyu doğal bir şekilde filtre edilmiş, bakteri ve organik maddelerden arınmış, depo ve boru masrafı gerektirmeyen, sıcaklık derecesi fazla değişmeyen iyi kalitede su olduğu için önemli bir doğal kaynaktır. Hidrolojinin yeraltındaki suyun bulunuş şekillerini, özelliklerini ve hareketini inceleyen dalına jeohidroloji denilmektedir. Bu bölümde yeraltındaki suyun hangi bölgelerde ne şekilde bulunduğu, nasıl beslendiği, hareketinin hangi hidrolik kanunlarla idare edildiği anlatılacak yeraltındaki suyun kuyularla çekilmesi üzerinde durulacaktır. 5.2 YERALTI SUYUNUN BÖLGELERİ Aşağıdaki şekilde yeraltı suyunun bölgeleri görülmektedir. Yağış sonrası yeryüzünden sızan su önce doymamış bölgeye gelir daha sonra yerçekiminin etkisiyle aşağıya doğru hareket ederek doymuş bölgeye ulaşır. 1

2 Sızma Kapiler saçak Terleme Besleyen akarsu Doymamış bölge Yeraltı su yüzeyi Yağıştan sonra aşağıya hareket eden zemin nemi Beslenen akarsu Buharlaşma Doymuş bölge Yeraltı suyu akımı Geçirimsiz tabaka Kapiler saçak suyun kapiler (kılcal) gerilmelerle yükselerek tutunduğu saçağa denir. Doymamış ve Doymuş bölgeler daha sonra alt başlıklar içerisinde anlatılacaktır. Yeraltı suyu bölgelerinin şematik gösterimi: Doymamış bölge Zemin nemi böl. Ara bölge Kapiler bölge Zemin nemi Peliküler su ve yerçekimiyle hareket eden su Kapiler su Askıda su (vadoz su) Su+hava Doymuş bölge Yeraltı su yüzeyi Yeraltı suyu Boşluklarda suyun hava ile birlikte bulunduğu doymamış bölgedeki suya askıda (vadoz) su denir. Şekilde doymamış bölgenin üç kısma ayrıldığı görülmektedir. Zemin nemi bölgesindeki sudan bitkiler köklerinin erişebildiği kadar çekerek faydalanırlar. Ara bölgede peliküler su olarak adlandırılan suyun moleküler adezyon kuvvetleriyle taneye yapışan ve yerçekimi etkisiyle taneden ayrılmayan su ile yerçekimi etkisiyle aşağıya doğru hareket eden su 2

3 bulunur. Doymamış bölgenin üçüncü kısmı olan kapiler bölge hemen hemen doymuş (% 99) olmakla birlikte burada su basıncı negatiftir. Yeraltı suyu bölgelerinin Basınç Değişimi: Zemin yüzeyi P 0 P=0 hc C hc Kapiler saçak Doymamış bölge A P 0 Doymuş bölge Yeraltı su yüzeyi B Yeraltı su yüzeyi boyunca basınç atmosfer basıncına eşittir. Bunun için A noktasına bağlanan manometredeki su seviyesi A nın hizasına kadar yükselir. Doymuş bölgede basınç dağılımı hidrostatiktir, yani basınç yeraltı su yüzeyinden aşağıya doğru doğrusal olarak artar. B noktasına bağlanan bir manometrede su seviyesi yeraltı su seviyesine kadar yükselir. Kapiler bölgede negatif basınçlar görülür bu basınçların değeri yeraltı su yüzeyinden yukarıya doğru artar. Doymamış bölgede de basınç negatiftir. C noktasına bağlanan manometredeki su seviyesi bu noktadan hc kadar aşağıda kalır. Basıncın negatif olduğu kapiler ve doymamış bölgelerde suyun basıncı atmosfer basıncından küçük olduğu için bu bölgelere açılan kuyulara yeraltından su akımı olmaz. Bu nedenle sadece doymuş bölgedeki su kuyularla yeryüzüne çıkarılabilir DOYMAMIŞ BÖLGE Doymamış bölgedeki suyu, kuyular vasıtasıyla yüzeye çıkaramadığımız için bu su sadece bitkilerin su ihtiyacını karşılamak açısından ve drenaj için önemlidir. Doymamış bölgede bitkiler m arasında değişen derinlikte 3

4 suyu kökleriyle çekerler. Bataklıklarda yeraltı su yüzeyi zemin üzerine çıkar ve doymamış bölge bulunmaz. Çok kurak bölgelerde ise 300 m ye çıkabilir. Arazi kapasitesi: Doymamış bölgede yerçekimi etkisiyle aşağıya doğru hareket sona erdikten sonra geriye kalan suyun yüzdesine denir. Kuruma noktası: Bitkilerin zeminden çekemeyeceği suyun yüzdesine denir. Arazi kapasitesi ile kuruma noktası arasındaki fark bitkinin kullanabileceği suyun yüzdesini gösterir. Yağışlı mevsimlerde zeminden sızan su doymamış bölgeyi arazi kapasitesine eriştirdikten sonra yeraltı suyuna katılır. Kurak mevsimde ise doymamış bölgedeki suyun büyük bir kısmını (kuruma noktasına kadar) bitkiler alır DOYMUŞ BÖLGE Doymuş bölgede basıncın pozitif oluşundan dolayı, bu bölgelere açılan kuyulardan yeraltı suyu yeryüzüne çıkarılır. Bu bölgeye su taşıyan tabaka anlamına gelen akifer de denilir. Akifer: Boşlukları tamamıyla yeraltı suyuyla dolmuş olan, bu suyu bir noktadan diğerine iletebilen ve böylece boşluklarındaki suyun dışarıya çıkmasına imkân veren formasyonlara denir. Bir jeolojik formasyonun akifer niteliğinde olması için porozitesinin yeter derecede yüksek olması ve zemindeki boşlukların da oldukça büyük olması gerekmektedir. Hava Yeraltı su yüzeyi Zemin taneleri Akiferler kum, çakıl tabakaları, tortul kütleler, çatlaklı kayalar ve boşluklu kalkerlerden oluşur. Su Bir akifer kesiti 4

5 Bir akiferde bulunan su yüzdesi akiferin porozitesine eşittir. Porozite boşlukların hacminin toplam hacime oranı olarak tanımlanır. Boşluklar kilde mikroskobik olurken kalkerlerde tünel büyüklüğünde olabilir. Fakat porozitenin büyük oluşu çok fazla su elde edileceği anlamına gelmez çünkü suyun bir kısmı moleküler ve kılcal gerilmelerle boşluklarda tutulur dışarıya alınmaz. Özgül veri: Akiferden elde edilecek su miktarının toplam hacime oranı Özgül tutma: Boşluklardan çıkarılamayan su hacminin toplam hacime oranı Porozite = Özgül veri + Özgül tutma İnce taneli zeminlerde moleküler gerilmeler fazla olduğundan özgül tutma fazla, özgül veri küçüktür. Aşağıdaki çizelgede çeşitli zemin cinslerine ait porozite ve özgül veri oranları görülmektedir. En yüksek porozite oranı kilde olmasına rağmen kilden çok az su elde edilmektedir. Zemin cinsi Porozite (%) Özgül veri (%) Kil 50 3 Kum Çakıl Çakıllı kum Kum taşı 15 8 Kalker 5 2 Granit Akiferler serbest yüzeyli (sınırlanmamış, unconfined) ve basınçlı (sınırlanmış, artezyen, confined) olmak üzere ikiye ayrılır: 1) Serbest Yüzeyli Akiferler: Beşinci bölümün ilk şeklinde görülen doymuş bölge serbest yüzeyli akifer olup yeraltı su yüzeyi serbest su yüzeyine karşılık gelir ve bu tür akiferdeki akım bir açık kanaldaki serbest yüzeyli akıma benzer. Bir havzadaki yeraltı su yüzeyini belirlemek için gözlem kuyuları açılır ve belirli aralıklarla okuma alınır. 5

6 2) Basınçlı Akiferler: Bu tür akiferler alttan olduğu gibi üstten de geçirimsiz tabaka ile sınırlanmışlardır dolayısıyla atmosfer basıncı ile temasta olan bir serbest yüzeyleri yoktur. Bu bakımdan basınçlı akiferlerdeki akım borulardaki basınçlı akıma benzer. Piyezometre (statik su) yüzeyi: Borulara takılan piyezometrelere benzeyen kuyulardaki statik su yüzeyine denir. Akım basınçlı olduğundan piyezometre yüzeyi akiferin yukarısındadır. Aşağıdaki şekilde basınçlı (artezyen) akifer görülmektedir. Beslenme bölgesi Fışkıran artezyen kuyu Fışkırmayan artezyen kuyu Zemin yüzeyi YSY Piyezometre yüzeyi Artezyen akifer Geçirimsiz tabaka Şekilde solda görülen artezyen kuyunun bulunduğu noktada, piyezometre yüzeyi zemin yüzeyinden yüksekte olduğu için su zeminden kendi kendine fışkırmaktadır. Sağdaki kuyuda ise zemin yüksekte olduğundan dolayı suyu yeryüzüne çıkarmak için pompaj gerekmektedir. 5.3 YERALTI SUYUNUN BESLENMESİ 1) Serbest Yüzeyli Akiferlerin Beslenmesi: i- Yağışlardan sonra yeryüzünden sızan suyun doymamış bölgeyi arazi kapasitesine eriştirdikten sonra daha derine süzülmesiyle. 6

7 ii- Yeraltı su yüzeyinin yukarısında olan akarsulardan sızma ile (besleyen akarsu) iii- Sulama kanallarındaki suyun sızması ile iv- Yerin derinliklerinden yukarıya çıkan su ile. Bu suyun miktarı az olup kalitesi kötüdür. v- Havadaki su buharının zemin üzerinde yoğunlaşması ile Beslenmenin fazla olduğu yerlerde yeraltı su yüzeyi yükselir ve buralardan yeraltı su yüzeyinin alçak olduğu yerlere doğru akım başlar. Genellikle yeryüzünün yüksek olduğu yerlerde su seviyesi de yüksektir. Ancak yeraltında büyük çatlaklar ve boşluklar varsa akım hızlanır ve çabuk dengeye varır. 2) Basınçlı Akiferlerin Beslenmesi: Yeryüzüne açıldıkları beslenme bölgelerinden sızma ve üstteki geçirimsiz tabakanın çatlaklarından giren su ile beslenir. 3) Yeraltı Suyunun Suni Olarak Beslenmesi: Bazı hallerde yeraltı suyunu suni olarak beslemek yoluna gidilebilir. Aksi takdirde yeraltı su yüzeyi alçalır ve zararlı maddeler akifere girerek suyun kalitesini bozar. Oysaki yeraltı suyu depo, boru, kanal masrafı gerektirmeyen buharlaşma ve kirlenme tehlikesi olmayan iyi kalitede sudur. Beslenme aşağıdaki şekillerde olur: i- Sızdırma ile: Bir akarsuyun yakınına açılan bir kuyu ile akarsudan yeraltına sızan miktar artırılabilir. ii- Yayma ile: Düz ve geçirimli zeminlerde su yeryüzündeki geniş bir alana biriktirilerek zemine sızması sağlanır. iii- Basma kuyuları ile: Su kuyulardan yeraltına basılır. 5.4 YERALTI SUYUNDAN KAYIPLAR i- Kapiler bölge bitkilerin köklerine kadar vardığında terleme ile. Kökler bitkinin cinsine bağlı olarak 10 m derinliğe kadar inebilir. 7

8 ii- Kapiler bölge yeryüzüne yaklaştığında buharlaşma ile iii- Yeraltı su yüzeyinin yeryüzünü kesmesi halinde: a- Akımın geniş bir alana (bataklık gibi) yayılmasından dolayı buharlaşma yoluyla b- Kurak mevsimlerde bir akarsuyu besleyerek (beslenen akarsu) c- Yeraltı suyunun yeryüzüne çıkması ile (kaynak) iv- İnsanlar tarafından açılan kuyulardan pompajla ve artezyen kuyularıyla su çekilmesi ile 5.5 YERALTI SUYU AKIMI Yeraltı suyu akım hızı çok az olup günde birkaç m ile yılda birkaç m arasında değişir. Bu nedenle yeraltı suyu akımı her zaman laminerdir, ancak çok büyük boşluklu zeminlerde ve kuyu yüzeylerinin yakınlarında türbülans hareketi görülebilir. Akımı, çok yavaş akımlarda geçerli olan Darcy Kanunu idare eder. Aşağıdaki şekilde görüldüğü gibi bir zemin numunesinden Q debisi geçerken filtre hızı (Vf = Q/A) ve hidrolik eğim (i) değerlerinin orantılı olduğu görülür: Darcy Kanunu: Vf K i K, permeabilite katsayısını (hidrolik iletkenlik) göstermektedir. K hem akışkana hem de zeminin cinsine bağlıdır. Sadece zeminin özelliklerine bağlı olan kısmına k diyelim. K k, : Suyun özgül ağırlığı( kg/m 3 ), μ: Dinamik viskozite (Ns/m 2 ) : Kinematik viskozite (m 2 /s) k: Zeminin özgül geçirimliliği olup zeminin porozitesine, tanelerin biçimine ve granülometresine bağlıdır. k nın birimi çok küçük olduğundan Darcy olarak alınmaktadır. 1 Darcy = x 10-8 cm 2 8

9 Piyezometre çizgisi Vf : Filtre hızı (m/s) P1/ Vf dl dh P2/ A : Kum numunesinin en kesit alanı K : Permeabilite katsayısı (m/s) i: Hidrolik eğim z1 Q Kum numunesi A z2 Q: A alanından geçen yeraltı suyu debisi Kıyas çizgisi Q P1 P2 dh z1 z2 dh i dl Filtre hızı (Vf) akımın gerçek hızı değildir gerçekte akım ancak zeminin boşluklarında yer aldığından gerçek hız (Vg) Vf den daha büyüktür. Q Vg, Ab: Kum numunesindeki boşlukların alanı, A b Ab<A olduğu için Vg > Vf Vf ile Vg arasında aşağıdaki ilişki mevcuttur: V g V f p, formülünde p zeminin porozitesini göstermektedir. Bu durumda yeraltı suyu akımının debisini belirlemek için porozite ve filtre hızını bilmek yeterlidir. Akiferlerin hidrolik özelliklerini belirlemek için zeminin iletim kapasitesi ve biriktirme katsayısı gibi terimler de kullanılır: Zeminin iletim kapasitesi (T): Birim genişlikte bir akifer kesitinden birim eğim altında birim zamanda geçen su miktarına denir. Yukardaki tanıma göre Q T...(1) B x i T: İletim kapasitesi (cm 2 /zaman) B: Akiferin genişliği, i: Hidrolik eğim 9

10 Darcy kanunundan Q A V f,, A: Akiferin alanı, m: Akiferin kalınlığı A m B ifadesi Darcy formülünde yerine konulursa Q m B V f olur. Vf K i ifadesi yerine yazılırsa Q ifadesi aşağıdaki hale gelir. Q m B K i...(2) (2) ifadesi (1) de yerine yazılıp gerekli kısaltmalar yapıldıktan sonra T m K eşitliği elde edilir. Biriktirme katsayısı (Sc): Piyezometre çizgisindeki birim alçalmaya karşılık akiferin yatayda birim kesitli bir parçasından dışarıya çıkacak suyun hacmine denir. İletim kapasitesi ve biriktirme katsayısı özellikle zamanla değişken yeraltı suyu akımının incelenmesinde önem kazanır. 5.6 YERALTI SUYUNUN KUYULARLA ÇEKİLMESİ YERALTI SUYUNUN EMNİYETLİ VERİSİ Yeraltından fazla su çekmek yeraltı su yüzeyini alçaltacağı ve pompaj masraflarını artıracağı için çekilecek su miktarının belirli bir değeri aşmaması gerekir. Bir akiferden sakıncalar yaratmadan çekilecek en fazla su miktarına emniyetli (güvenli) veri denir. Emniyetli veri şu etkenlerle sınırlanmalıdır: i. Beslenme miktarı ile: Su dengesi denkleminden emniyetli veri hesaplanır ve çekilen suyun bu değeri aşmamasına dikkat edilir. ii. Zeminin iletim kapasitesi ile: Akiferin beslenme kaynakları yeterli olduğu halde zemin istenen miktarda suyu kuyulara iletmeyebilir. Bu durumda emniyetli veri akiferin kuyulara ilettiği miktarla sınırlanmalıdır. iii. Akiferin kirlenme tehlikesi ile: Yeraltı su yüzeyinin alçalması deniz suyunun ve diğer zararlı suların akifere girmesine yol açar. 10

11 5.6.2 SERBEST YÜZEYLİ BİR AKİFERDEKİ KUYUDAN ÇEKİLEN DEBİNİN BELİRLENMESİ Bir pompaj kuyusundan çekilen debi ile akiferin hidrolik iletkenliği ve kuyudan belli bir uzaklıkta yeraltı su yüzeyinin alçalma miktarı arasındaki bağıntı Darcy kanunun ve Dupuit hipotezlerini kullanarak elde edilebilir. Dipuit hipotezleri şunlardır: i. Yeraltı suyu akımında bir düşey kesit boyunca her noktada hız yataydır. ii. Bir düşey boyunca hız dağılımı üniformdur. iii. Hidrolik eğim ifadesindeki dl uzunluğu piyezometre çizgisi boyunca ölçüleceği halde yatay doğrultuda ölçülebilir. Gerçekte tam doğru olmayan bu hipotezler pompaj kuyusunun hemen yakınındaki akıma uygulanmayıp kuyudan yeter uzaklıktaki bir silindirik akım yüzeyi gözönüne alındığında debi ifadesinin kolayca yazılmasına imkân verirler. Serbest yüzeyli bir akiferde açılan bir kuyudan su çekilirken yeraltı su yüzeyinin durumu aşağıdaki şekilde görülmektedir. Pompaj kuyusu Gözlem kuyuları Q 1 2 YSY s1 s2 Pompajdan sonraki yeraltı su yüzeyi h1 h h2 m Serbest yüzeyli akifer Geçirimsiz tabaka r1 r r2 r yarıçaplı ve h yükseklikli silindirik yüzeyden giren debi: 11

12 Q V A K i 2 rh... (1) f Silindirin boykesit alanı dh dh i dl dr (3. hipotez) eşitliği (1) de yerine konulur: dh Q K x x 2 rh... (2) dr (2) eşitliği intergre edilir: r2 h2 dr 2 K hdh r Q... (3) r1 h1 (3) eşitliği çözülerek aşağıdaki debi formülü (4) elde edilir 2 2 h2 h1 Q K... (4) r2 ln r 1 (4) eşitliği homojen,izotrop, sonsuz genişlikte ve yatay tabanlı bir serbest yüzeyli akiferde pompaj kuyusunun geçirimsiz tabakaya kadar uzanması ile su yüzeyinden alçalmaların akifer kalınlığına göre küçük olması durumunda geçerlidir BASINÇLI BİR AKİFERDEKİ KUYUDAN ÇEKİLEN DEBİNİN BELİRLENMESİ Basınçlı bir akiferde açılan kuyudan su çekilirken yeraltı su yüzeyinin durumu aşağıdaki şekilde görülmektedir. 12

13 Pompaj kuyusu Gözlem kuyuları Q 1 2 Pompajdan sonraki yeraltı su yüzeyi YSY Basınçlı akifer h1 h h2 m Geçirimsiz tabaka r1 r r2 m kalınlığı sabit olan basınçlı bir akiferde açılan bir kuyudan çekilen Q debisi ile piyezometre yüzeyinin h kotu arasındaki bağıntı da benzer şekilde bulunur. O halde r yarıçaplı silindirik yüzeyden giren debi: dh Q Vf A K 2 r m... (1) dr olur. (1) eşitliği integre edilir: r2 h2 dr 2 K m dh r Q... (2) r1 h1 (2) eşitliği çözülerek basınçlı akifere açılan kuyudan çekilen debi formülü (3) elde edilmiş olur. m ( h2 h1) Q 2 K... (3) r2 ln r HİDROLİK İLETKENLİĞİN ÖLÇÜLMESİ Bir zeminin hidrolik iletkenliğini ortalama tane çapına ve poroziteye bağlı olarak belirlemek için çeşitli formüller ileri sürülmüşse de bunlar genellikle iyi sonuç vermezler. Hidrolik iletkenliği ölçerek bulmak genellikle en iyi yoldur. Bu ölçme laboratuvar ya da arazide yapılır. 13

14 1) Laboratuvarda Ölçme: Permeametre denilen aletlerle laboratuvarlarda ölçüm yapılır. Bu aletin, sabit yüklü ve değişken yüklü olmak üzere iki çeşidi vardır. a-) Sabit Yüklü Permeametre: Q b-) Değişken Yüklü Permeametre a Zemin numunesi H A L Zemin numunesi L A H1 H(t H0 Q Sabit bir H yük kaybı için zemin numunesinden Geçen Q debisi ölçülmektedir. Darcy kanunundan: K V Q L i A H f Q Geçirimliği az olan zeminlerde Q debileri çok küçük olacağı için değişken yüklü permeametreler kullanılır. Böylece hassasiyet artırılmış olur. Burada yükün zamanla değişimi ölçülür ve hidrolik iletkenlik hesaplanır. Herhangi bir t anında düşey borudaki debi a kesit alanı ile yükteki dh/dt azalmasının çarpımına eşittir: AxK xh dh Q a L dt denklemi integre edilirse: H1 t1 dh A a K x x dt H L olur. H0 0 a K L ln H A t H

15 Permeametrelerde denenebilen zemin numunelerinin boyutları küçük olduğu için ancak o bölgedeki K değeri belirlenebilir, akiferin ortalama hidrolik iletkenliği bulunamaz, ayrıca numuneler örselenebilecekleri için laboratuvarlarda elde edilen sonuçlara her zaman güvenilemez bu nedenle iletkenliği arazide ölçmek tercih edilir. 2) Arazide Ölçme: Arazide hidrolik iletkenlik ölçümü için Hız yöntemi ve Potansiyel yöntem olmak üzere iki farklı yöntem kullanılmaktadır. a-) Hız Yöntemi: Belli bir noktadan akifere verilen bir maddenin (boyalar, flüorasan maddeler, radyoaktif izleyiciler) bir gözlem kuyusuna erişmesi için geçen zaman ölçülür ve yeraltı suyu akımının gerçek hızı (Vg) bulunmuş olur. Zeminin porozitesi de bilindiğine göre Vf p Vg den Vf de hesaplanır, böylece Darcy kanunundan K hesaplanmış olur. b-) Potansiyel Yöntemi: Pompaj yapılan bir kuyudan çeşitli uzaklıklardaki gözlem kuyularında su yüzeyinin alçalmaları gözlenir ve buradan zeminin iletim kapasitesi hesaplanır. Potansiyel yöntemde Thiem ve Theis olmak üzere iki farklı yöntem kullanılır: i- Thiem Yöntemi: Pompaj kuyusundan çekilen debi Q ve iki gözlem kuyusundaki h1 ve h2 derinlikleri biliniyorsa K hesaplanabilir. h değerlerini ölçmek güç olduğundan bunları su yüzeyindeki alçalmalar cinsinden yazmak yoluna gidilebilir. Böylece 4 eşitliği kullanılarak K hesaplanmış olur. ii- Theis Yöntemi: Pompaj deneylerinde kararlı hale varılması uzun bir zamanın geçmesini gerektirir. Deneyin başlangıcında yeraltı su yüzeyi alçalmaya devam ederken kuyuya giren suyun önemli bir kısmı alçalma konisinden boşalan su olduğu için Thiem yöntemi ile hesaplanan K değerleri gerçek değerlerden büyük olur. Theis yöntemine göre su yüzeyinin alçalmaya devam ettiği sırada 15

16 okumaların değerlendirilmesi için zamanla değişen yeraltı suyu hareketi denklemini kullanmak gerekir. 16