AKARSU HİDROMETRİK ÖLÇÜMLERİ

Transkript

1 Cumhuriyeti ortak finansmanı kapsamında gerçekleştirilmektedir Su Kalitesi Gözetimine ilişkin Kapasite Geliştirme Çalışmaları için Teknik Yardım AKARSU HİDROMETRİK ÖLÇÜMLERİ Bu doküman 7 Ağustos 2014 tarihinde gerçekleştirilecek Göl Hidromorfolojik Gözetimi üzerine arazi eğitimi açısından bir eğitim materyali olarak temin edilmiştir. This publication has been produced with the financial assistance of the European Union Bu yayın Avrupa Birliği nin mali desteğiyle hazırlanmıştır

2

3 Kouvopoulos Ioannis ENVECO S.A. 2014, versiyon 1.0 p.i

4 İçindekiler 1. WFD içerisindeki hidrolojik hususlar Akarsulara ilişkin başlıca hidrolojik parametreler Yeraltı suyu kütlelerine bağlantı Su akışının miktarı ve dinamikleri Akış ölçümleri Ölçümlerin sıklığı Nehir seviyesi gözetimi Nehir verisi analizi Mevsimsel istatistikler Sıklık analizi Eğilim analizi Akış süresi eğrisi (FDC) Su toplama (drenaj) havzası özellikleri... 9 Şekiller Listesi Şekil 1: Daldırma yöntemi ile akış ölçümü (WMO Volta-HYCOS Projesi, Modül 1 Hidrometri den)... 4 Şekil 2: Bir teleferik hidrometrik istasyonun yerleşimi... 5 Şekil 3: ADCP kullanılarak akış ölçümü... 6 Şekil 4: Olasılık kağıdının üzerine çizilmiş akış süresi eğrisi (USGS Su İkmali Makalesi 1542-A, Akış Süresi Eğrileri)... 9 Tablolar Listesi Tablo 1:WFD bünyesindeki hidrolojik kalite unsurları (Q.E.)... 2 p.ii

5 p.iii

6 This publication has been produced with the financial assistance of the European Union Bu yayın Avrupa Birliği nin mali desteğiyle hazırlanmıştır p.iv

7 1. WFD içerisindeki hidrolojik hususlar 2000 yılı Aralık ayında yürürlüğe giren Su Çerçeve Direktifi, su kütlelerinin tamamı için 2015 yılı itibarıyla mevcut olan yerlerde suların yüksek statüsünün sürdürülmesi, suların mevcut statüsündeki bozulmaların engellenmesi ve en azından iyi ekolojik statü (ya da, büyük ölçüde değiştirilmiş su kütleleri söz konusu olduğunda iyi ekolojik potansiyel ) seviyesinin elde edilmesi amacıyla su politikası alanında Topluluk eylemine ilişkin yeni bir çerçeve tesis etmiştir. Bahsi geçen Direktif yüzey sularını dört kategoriye ayırmaktadır; akarsular, göller, geçişken sular ve kıyı suları. Bu kategorilerden her birine spesifik biyolojik ve hidromorfolojik kalite unsurları atfedilmiştir ve hidromorfolojik unsurların biyolojik unsurları desteklediği dikkate alınmıştır. Biyolojik unsurlardan farklı olarak, hidromorfolojik unsurlar sadece yüksek ekolojik statüye sahip su kütleleri için statüs sınıflandırmasına katkıda bulunmaktadır. İyi ve orta ekolojik statüde, hidromorfolojik koşullar tanımlı değildir ancak biyolojik kalite unsurlarına ilişkin olarak belirtilen değerlerin elde edilmesi ile tutarlı olmalıdırlar. Bu nedenden dolayı, yüksek statülü su kütlelerinin tanımlanmasının yanı sıra su kütlelerinin neden iyi statüye ulaşma konsuunda başarısız olduklarına ilişkin nedenlerin araştırılması açısından hidromorfoloji önemlidir. Buna ek olarak, hidromorfoloji büyük ölçüde değiştirilmiş ve yapay su kütlelerinin tanımlanmasında da bir role sahiptir. Bahsi geçen şekildeki su kütlelerinin Avrupa nın tamamında ve evrensel olarak büyük ölçüde insan faaliyetleri sonucunda yaratılması nedeniyle hidromorfoloji bu açıdan yaklaşıldığında da önem arz etmektedir. Yapak baraj gölleri ile Büyük Menderes su toplama (drenaj) havzası bu duruma bir örnek teşkil etmektedir. Hidromorfoloji hem hidrolojik rejim hem de morfolojik koşullar tarafından tanımlanır. Bu iki etmen bir takım kalite unsurları ile ilişkilidir. Su Çerçeve Direktifinin (WFD) Su Çerçeve Direktifi altında Gözetim başlıklı 7 numaralı Kılavuz Dokümanı yüzey sularının her kategorisi için gözetimi gerekli olan hidrolojik kalite unsurlarını belirtmektedir. Söz konusu bu kalite unsurları Tablo 1 içerisinde tekrar edilmiştir. Tablo 1 incelendiğinde, WFD açısından hidrolojinin ve hidrolojik gözetimin önemi açıkça gözler önüne serilmektedir. Beklenen şekilde, hidrolojik hususlar akarsular ve göller açısından çok daha önemlidir. Bu noktada su akışı miktarının ve dinamiklerinin açıklanması bakımından gerekli olan ayrıntılı bilgiler elzemdir. Kılavuz dokümanda yer alan açıklayıcı tablolara göre, bu tür bilgiler diğerleri arasında iklim değişkenliğinin, su kalitesi verilerinin, biyolojik statünün yorumlanması açısından kilit bir destekleyici parametre ve su kaynağı yönetimi açısından zorunlu bir parametredir. Geçişli sularda, hidrolojik bütçe oldukça önemlidir ve diğerleri arasından temiz su girdilerinin ve yağış ve buharlaşma benzeri hidro-meteorolojik değişkenlerin izlenmesi suretiyle tesis edilebilir. Temiz su akışına ilişkin bilgiler bu sefer kıyı sularında yeniden gereklidir; ancak bu noktada artık baskın bir parametre değildir. p.1

8 Aşağıda başlıca hidrolojik parametreler ve su kütlesi kategorileri arasından ilgili bilgilerin nasıl elde edilebileceği tarafımızca açıklanacaktır. Tablo 1:WFD bünyesindeki hidrolojik kalite unsurları (Q.E.) Kategori Zorunlu kalite unsurları Tavsiye edilen kalite unsurları Akarsular Su akış miktarı ve Tarihi akışlar dinamikleri Modellenmiş akışlar Yer altı suyu kütlelerine bağlantı Göller Su akış miktarı ve dinamikleri Geçişli sular Kıyı suları Yer altı suyu kütlelerine bağlantı Kalma süresi Temiz su akışı /hidrolojik bütçe Temiz su akışı Gerçek zamanlı akışlar Yeraltı suyu düzeyinin yüksekliği Yüzey suyu boşalımı Tarihi akışlar Modellenmiş akışlar Gerçek zamanlı akışlar Karışma ve dolaşım desenleri Yeraltı suyu düzeyinin yüksekliği Yüzey suyu boşalımı Hacim/derinlik İçeriye akış/dışarıya akış Temiz su girdileri Kalma süresi ve değişim Meteorolojik değişkenler 2. Akarsulara ilişkin başlıca hidrolojik parametreler Tablo 1 içerisinde gösterilen şekilde izlenmesi zorunlu olan iki adet kalite unsuru bulunmaktadır; su akışının miktarı ve dinamikleri ve yeraltı suyu kütlelerine olan bağlantı Yeraltı suyu kütlelerine bağlantı Kılavuz doküman, yeraltı suyunun yaygın bir şekilde kullanılamayacağını ve yeraltı suyunun sadece su dengesinde önemli bir rol oynadığı belirli koşullar altında ilgili olduğunu görüşünü açıklamaktadır. Buna ek olarak, uygun methodolojinin ayrıbntılı bir şekilde hazırlanması da gerekmektedir. Bu nedenden dolayı ve doğru bir şekilde birincil öneme sahip ve her şekilde ve durumda hesaba katılması gerekli olan kalite unsurunun ilk unsur, yani su akışının miktarı ve dinamikleri olduğunu ima edilmektedir. p.2

9 2.2. Su akışının miktarı ve dinamikleri Su kütlelerinin su akışının miktarına ve dinamiklerine ilişkin bilgi birikimimiz, dinamik etkilerin kendilerini ortaya koyabilmeleri bakımından uygun sıklıklarla sistematik gözetim gerçekleştirmek suretiyle tesis edilebilir. Bunun anlamı, küçük havzalara sahip memba yönündeki nehir kollarından debideki değişimin çok daha küçük olduğu mansap yönündeki daha büyük havzalara sahip nehir kollarından daha sık şekilde örnek alımı gerekli olacaktır. Her durumda, sistematik akarsu akışı gözetimi gerçekleştirilmelidir ve bu maksatla hidrometrik istasyonların kurulması gereklidir. Bu açıdan bakıldığında, yetkili merci olarak DSİ tarafından işletilen geniş ve uzun süreli bir hidrometrik istasyonlar ağına sahip olan Türkiye ve özellikle de Büyük Menderes Havzası oldukça iyi donanımlıdır. Akarsu akışı gözetimine ilişkin en yaygın olarak kullanılan yöntemin akarsu seviyesinin kayıt altına alınması ve hidrometrik istasyonun bulunduğu sahada (en kesitte) sistematik akış ölçümleri gerçekleştirilmesi olduğu bilinmektedir. Akış ölçümleri akış izleme eğrilerinin (ya da düzey-boşaltım eğrilerinin) elde edilmesi açısından gereklidir. Bu eğriler nehir kesitinin değişmeden kaldığı addedilen muhtelif süreler esnasında nehir seviyesi ve boşaltım arasındaki ilişkiyi göstermektedir. Bu nedenden dolayı, zamanın belirli bir anındaki nehir seviyesinin bilinmesi durumunda karşılık gelen boşaltım hesaplanabilir. Aşağıda, bu metodoloji biraz daha ayrıntılı olarak açıklanacaktır Akış ölçümleri Bir akış ölçümü esnasında iki önemli akış parametresinin elde edildiği iyi bilinmektedir: nehir kesiti ve ortalama hız. Bu parametrelerin anlık boşalmanın elde edilmesi açısından faydalarından ayrı olarak, her iki parametre de ekolojistler ve nehir biyologları açısından kendilerine has bir öneme sahiptir. RHS numune alımı sürecinde her iki parametrenin de toplandığı dikkate alınmalıdır. Pek çok durumda, yani nehir sığ iken ve bu durum ekolojik incelemenin en sık şekilde gerçekleştirildiği kuru mevsim esnasında ve küçük akarsu kolları bakımından sıklıkla gerçekleşmektedir ölçüm işlemi bir akıntı ölçer kullanılarak (Şekil 1) daldırma (wading) yöntemi kullanılarak gerçekleştirilebilir. p.3

10 Şekil 1: Daldırma yöntemi ile akış ölçümü (WMO Volta-HYCOS Projesi, Modül 1 Hidrometri den) Ancak, nehrin derin olduğu durumlarda ölçümler bir tekne ile, bir köprüden ya da bir yere asmak suretiyle gerçekleştirilebilir. Ölçüm cihazının bir yere asılması söz konusu olduğunda, hidrometrik istasyon nehrin genişliği boyunca çekilen kablolar, akım ölçerin ve iskandil ağırlığının asılması için kullanılacak bir teleferik ve teleferiğin ileriye ve geriye, akım ölçerin ise yukarıya ve aşağıya hareket ettirilmesi için kullanılacak uygun bir vinç ile donatılmalıdır (Şekil 2). Bu gibi bir düzeneğin daimi olacağı aşikardır ve bu durum hidrometrik istasyon ifadesine anlam vermektedir. p.4

11 Şekil 2: Bir teleferik hidrometrik istasyonun yerleşimi Daha önceden, hidro-morfolojik etüdün bir parçası olarak gerçekleştirilen bir takım akış ölçümlerinin çok emek isteyen donanım olmadan daldırma yöntemi ile nispeten kolay bir şekilde gerçekleştirilebileceğine ifade edilmişti. Ancak, bu her zaman geçerli bir durum değildir. Daldırma yönteminin uygulanmasının mümkün olmadığı zamanlarda ya da nehir kesitlerinde akış bilgileri gerekli olabilir. Sahanın yeterli donanıma sahip bir hidrometrik istasyona denk gelmemesi durumunda, boşaltım yakınlarda bulunan istasyonlardan alınan hidrolojik bilgilerin aktarılması için basit modeller kullanılarak çıkartılabilir. Bu yaklaşımın dezavantajı kesit geometrisinin ve onunla beraber ortalama hız değerinin yine de eksik olabilmesidir. Tabi ki bu soruna cevap veren ve ipe bağlanmış bir tekne ve iskandil ağırlığına sahip bir akım ölçer kullanılmasını içeren bir çözüm bulunmaktadır. Bu şekilde, kesitin hem geometrisi hem de hızları elde edilebilir. Bu soruna yönelik çok daha pahalı bir çözüm ise en güncel teknolojinin, yani bir Yankı Doppler Radar Profiler (ADCP) cihazının kullanılmasıdır. ADCP cihazı, (Doppler ilkesine dayalı olan) derinlik ve akış hızı yankı radar sensorları ile donatılmış küçük bir teknedir. Bir kıyıdan diğerine geçirilmesinden sonra bu cihaz vakit geçirmeksizin alt kesit hızları ve kesit geometrisi cinsinden ayrıntılı profil verilerinin yanı sıra toplam kesit alanının, ortalama hızın ve boşaltımın tümleşik değerlerini vermektedir (Şekil 3). p.5

12 Şekil 3: ADCP kullanılarak akış ölçümü Ölçümlerin sıklığı Akış ölçümlerinin sıklığı ölçümün amacına göre belirlenir. Dolayısıyla, ölçümler ekolojik etüd tarafından belirlenen şekilde aralıklı ya da hidrolojik degerlendirmeler tarafından belirlenen şekilde sistematik olabilir. İkinci durumda, ölçümlerin başlıca amacı izleme (boşaltım-düzey) eğrisinin oluşturulmasına yardımcı olunmasıdır. Ancak, morfolojik öneme sahip nehir yatağının ve kıyılarının (ıslak kesit) zaman içerisinde evrimi benzeri faydalı yan bilgiler de elde edilebilir. Şüphesiz, ölçüm sıklığı (sürekli değişen) nehir yatağındaki önemli değişikliklerin güvenilir şekilde ortaya koyulacağı bir şekilde seçilmelidir. Tabi ki, işgücü, yakıt ve donanım açısından maliyetler dikkate alınarak optimum bir sıklık bulunmalıdır. Büyük ölçekli sel olayları sonucunda ekseriyetle kesitte (erozyon ya da siltlenme sonucu) büyük değişikliklerin meydana gelmesi nedeniyle bu gibi olaylardan sonra gerçekleştirilecek programsız akış ölçümlerine dikkat edilmelidir. Buna ek olarak, bir hidrolog açısından daimi sorunlardan bir tanesi, kendisinin izleme (boşaltım-düzey) eğrisinin aralığının geçerliliğinin en büyük akım ölçümü ile sınırlı olmasıdır. Büyük ölçekli bir sel olayında sahada bir hidrometrist ekibinin hazır bulunmasının ekseriyetle söz konusu olan bir durum olmadığı akılda tutularak, büyük bir akış ölçümü elde edilmesi amacıyla bu gibi olayların izlenmesine özellikle dikkat edilmelidir. Tabi ki, büyük ölçümler gerçekleştirme yeteneğimiz büyük bir sel esnasında akım ölçümü gerçekleştirilmesinin oldukça zor p.6

13 olması, değerli ekipmanları tehlikeye atması ve hatta ekibin kendisi açısından da bir risk teşkil edebilmesi nedeniyle sınırlıdır Nehir seviyesi gözetimi Daha önceden de belirtilen şekilde, periyodik akım ölçümleri akış dinamiklerinin tahmin edilmesi bakımından tek başına yeterli değildir ve nehrin boşaltımı da sürekli olarak izlenemez (bu konuda bazı istisnalar söz konusudur, ancak bunlar yüksek maliyetli donanım ve hassas kalibrasyon gerektirmektedir). Nispeten kolay bir şekilde yapabileceğimiz nehir seviyesinin izlenmesidir. Yine, numune alma sıklığı nehir seviyesindeki değişimlerin ne kadar hızlı gerçekleştiğine dayalıdır. Büyük nehirlerin mansap yönündeki kollarında günde bir gözlem alınması yeterli olabilir. Diğer taraftan, yağışa hızlı tepki veren havzalarda ya da akışın memba yönündeki bir hidroelektrik santralinin maksimum miktarda su bırakmasından (hydro-peaking) etkilenen nehir kesitlerinde nehir seviyesinin muhtemelen sürekli olarak ölçülmesi gerekli olacaktır. Bu ölçümler genellikle bir dubanın düşey hareketinin kayıt altına alındığı bir döner çizelge ile mekanik olarak çalışan geleneksel bir seviye kayıt cihazı kullanılarak ya da dubanın düşey hareketinin su seviyesindeki değişiklik ile orantılı olarak elektrik sinyallerine dönüştürüldüğü dubalı bir elektronik şaft kodlayıcı kullanılarak gerçekleştirilir. Daha pahalı ve teknolojik olarak gelişmiş tarafa doğru ise hidrostatik basınç sensoru (seramik), radar ve ultrasonik sensorlar (her ikisi de hava ile taşınmaktadır, suya hiç temas etmeme avantajına sahiptir) benzeri diğer faydalı su seviyesi sensorları da bulunmaktadır. Kullanılacak su seviyesi sensoru ne olursa olsun, sensorun sahaya yerleştirilmiş miralar kullanılarak kalibre edilmesi önemlidir. Miralar gruplar halinde döşenir; bir önceki miranın bitti rakımdan başlayarak bir mira daha yerleştirilir. Nehir kesitinin duraylı olmaması durumunda, ki bu durumla sıklıkla karşılaşılmaktadır, birden fazla mira grubunun kullanılması gerekmektedir. Akışın merkez hattının istasyonun kullanım ömrü zarfında birkaç kez bir kıyıdan diğerine doğru kayabilecek olması nedeniyle genellikle nehrin her iki yakasının da kaplanması gerekmektedir. Buna ek olarak, birinci miranın bir sel esnasında akıntıya kapılması durumunda, ki oldukça mümkündür, ikinci bir miranın döşenmiş olması da faydalı olabilir. Memba ve mansap yönlerine yerleştirilen ekstra miralar da büyük sellerin akış deseninin analiz edilmesi durumunda hidroloğa değerli bilgiler sunabilir. Miraların tamamının bir röper noktasını referans alması gerekmektedir. Son olarak, düzenli olarak (örneğin günlük olarak) mira okumalarının alınması görevinin lokal bir gözlemciye verilmesi de önemlidir. Bu gözlemler sensor verilerinin doğrulanması açısından faydalıdır ve sensor arızalarının söz konusu olduğuy süreler zarfında temsili veriler olarak kullanılabilir. Gözlemcinin diğer bir önemli görevi büyük sellerin geçişindenhemen sonra sel işaretlerinin belirlenmesidir. Bu tür bilgiler olayın analiz edilmesi durumunda hidrolog açısından önemlidir. p.7

14 3. Nehir verisi analizi Ofiste, akış ölçümleri toplanır ve genellikle eğri aileleri kullanılarak grafik olarak ifade edilen düzey-boşaltım ilişkilerinin deneyimli hidrologlar tarafından hesaplanması (ve periyodik olarak güncellenmesi) içn dayanak oluşturur. Bu ilişkiler kullanılarak nehir seviyesi zaman serisi ilgili nehir akış zaman serisine dönüştürülür. Bu serinin elde edilmesi üzerine ekolojik açıdan öneme sahip bazı karakteristik nitelikler belirlenebilir ve akış dinamiklerinin tesis edilmesi amacıyla kullanılabilir Mevsimsel istatistikler Bir yıllık ortalama hidrograf içerisinde genellikle mevsimsel ya da aylık ortalama değerler olarak ifade edilen bu istatistikler uzun vadede yıllar arası akış profili hakkında bir fikir sağlar. Ortalama değerler yerine, ortanca değerler (medyanlar) da kullanılabilir. Özel durumlarda, belirli bir olasılık seviyesinde yüksek ya da düşük akışların mevsimselliğinin gösterilmesi amacıyla diğer yüzdebirlikler de kullanılabilir Sıklık analizi Yeterli uzunlukta bir kayıt ile belirli bir süreye (örneğin 7 gün) ve büyüklüğe (debinin sürdürülen maksimum değeri) ilişkin düşük akış dönemlerinin sıklığı uygun bir aşırı değer dağılımı gerçekleştirmek suretiyle tahmin edilebilir. Bu tahmine dayalı olarak aşırı sel olaylarının sıklığı da tahmin edilebilir Eğilim analizi Nehir akışının uzun zaman serisi, zaman serisi analiz teknikleri kullanılarak, önemli niteliklerin (örneğin ortalama yıllık akışlar)periyodik olarak tekrarlanma durumlarını ve eğilimlerini gözler önüne serebilir. Bu husus özellikle iklim değişkenliği ve değişiminin etkilerinin araştırılmasının yanı sıra insanların uyguladığı baskıların etkilerinin araştırılması açısından da büyük öneme sahiptir Akış süresi eğrisi (FDC) Bu eğri (Şekil 4) akışın belirli bir seviyenin üzerinde sürdürüldüğü zamanın yüzdesini göstermektedir. Her ne kadar akış süresi eğrisi akışların kronolojik sırasını göstermese de, pek çok araştırma açısından kullanışlıdır. Bir akış süresi eğrisinin şekli nehir iklim-bilimi ve daimi akışın ve toprak üstü (over-land) akışın yüzeysel akışa olan nispi katkısı hakkında faydalı bilgiler verir. Dik bir eğime sahip bir eğri akışı büyük ölçüde doğrudan yüzeysel akıştan gelen oldukça değişken bir akaruya işaret ederken düz bir eğime sahip bir eğri ise akışı dengeleme eğiliminde olan bir yüzey ya da yer altı suyu deposunun varlığını gözler önüne sermektedir. Düşük akışların ve yüksek akışların yanı sıra bunların meydana gelme sıklığı grafiksel olarak değerlendirilebilir. p.8

15 Şekil 4: Olasılık kağıdının üzerine çizilmiş akış süresi eğrisi (USGS Su İkmali Makalesi 1542-A, Akış Süresi Eğrileri) Su toplama (drenaj) havzası özellikleri Olaya dayalı akış bilgilerinin havza verileri ile birleştirilmesi suretiyle konsantrasyon zamanı, havza gecikme süresi, vb. havza özellikleri basin elde edilebilir. p.9

16 The contents of this publication is the sole responsibility of ENVECO S.A. and can in no way be taken to reflect the views of the European Union Yayının içeriğinden yalnız ENVECO S.A. Konsorsiyumu sorumlu olup, hiçbir şekilde Avrupa Birliği nin görüşlerini yansıtmamaktadır.