HİDROLOJİ DERS NOTLARI

Transkript

1 T.C. HARRAN ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ İNŞAAT MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ HİDROLOJİ DERS NOTLARI YRD. DOÇ. DR. KASIM YENİGÜN ARŞ. GÖR VEYSEL GÜMÜŞ ŞANLIURFA

2 1. GİRİŞ Hidroloji ve Hidrolik in temeli sudur. Hidroloji suyun özelliklerini, suyun hareketini ve dünya üzerindeki döngüsünü inceler. Yeryüzündeki yaşam kaynaklarının temelini su oluşturur. Bu nedenle kısaca söylemek gerekirse su hayattır; dolayısıyla su ile toplum kalkınması birbirine bağlıdır. Bu yüzden su kaynaklarının doğru kullanımı kalkınmanın temeli ve toplumun en öncelikli sorunudur. Çünkü su kaynakları sınırsız olmadığı gibi kirlenme ve yanlış kullanma ile kolayca elden çıkarılabilir. Su, bir zamanlar sonsuz kere yenilenebilir ve bol bir kaynak olarak görüldü ama bugün su dünyanın bir çok yerinde kıt bulunan bir kaynaktır. Bugün için yeterli tatlı su kaynaklarına sahip olan ülkelerde bile, artan ihtiyaç, kirlenme ve aşırı kullanma su teminini riske sokmaktadır. Kalkınmakta olan ülkelerde tatlı su ihtiyacı, tarım, endüstri ve kentsel gelişmedeki hızlı büyümeye bağlı olarak kararlı bir şekilde artmaktadır. Küresel ısınma ve dünya su döngüsündeki iklimsel değişimlerin potansiyel etkileri ile sorunlar katlanmakta, kullanmaya hazır tatlı suyun gelecekteki varlığının daha önce hiç olmadığı kadar riskli olacağı görülmektedir. Fakat bu tehditlerin yanı sıra birlikte çalışma ve somut çözümler bulma fırsatları da ortaya çıkmaktadır. Birleşmiş Milletler Genel Kurulu, her yılın 22 Mart gününün, "Dünya Su Günü" olarak anılmasını kararlaştırmıştır. Yaşamın başlangıcından bugüne kadar insanlar daima ihtiyaçları doğrultusunda dünyanın birçok farklı alanlarına yerleşmiştir. Ve yaşam yıllar boyunca insanlığın gelişmesi ve ilerlemesiyle birlikte akışını sürdürmüştür. Bu akış genellikle insanların ihtiyaçları doğrultusunda yönlenmiştir. Bunlardan en önemlisi ise yaşamını sürdürebilmesi için gerekli olanları sağlamaktır. Yaşam kaynağı olarak gösterilen su her zaman canlılar için birinci sırayı almıştır. Bu nedenle insanlar temel ihtiyaçlarından dolayı genel olarak suya yakın bölgeleri tercih etmişler ve bu bölgelerde yaşamlarını sürdürmüşlerdir. Dünya genelinde bu konuyu ele alacak olursak görülüyor ki en büyük kentler ve yerleşim alanları akarsu, göl, deniz vb. su potansiyelinin fazla olduğu yerlerde kurulmuş ve gelişmiştir. Bunun en güzel örneği İstanbul, NewYork, Paris, Venedik vb. büyük şehirler sayılabilir. Hidrolojinin Tanımı Yer kürede (yani yeryüzünde, yer altında ve atmosferde) suyun çevrimini, dağılımını, fiziksel ve kimyasal özelliklerini, çevreyle, insanlar ve canlılarla karşılıklı ilişkilerini inceleyen temel ve uygulamalı bilime Hidroloji adı verilir. Suyun hareketini inceleyen hidroloji biliminin teknikteki uygulamasına Hidrolik denir. Suyun sadece hareketini ve hareketi ile ilgili kanunları inceleyen bilime ise Hidromekanik denir. Bu tanımıyla hidroloji diğer birçok bilimlerin alanlarına da girmektedir. Disiplinler arası bir niteliği olan Hidroloji bilimi Matematik, Fizik ve Kimya gibi bilimlerle yakın bir ilişki içindedir. Hidrolojiyle diğer bilimler arasındaki sınırları kesin olarak çizmek çok güçtür. Ancak atmosferdeki suyu inceleyen ana bilim dalı Meteoroloji, denizlerdeki suyu inceleyen ana bilim dalı Oşinografi, yerin derinliklerindeki suyu inceleyen ana bilim dalı Jeoloji ve Zemin Fiziği olarak söylenebilir. 1.2 Hidrolojinin İnşaat Mühendisliğindeki Yeri Ve Önemi Bugün suyun kontrolü ve kullanılması ile ilgili olarak yapılan mühendislik çalışmaları su kaynaklarının geliştirilmesi adı altında toplanmaktadır. Bu çalışmaların amaçları şu şekilde sınıflandırılabilir: 2

3 1. Suyun kullanılması amacıyla yapılan çalışmalar:su getirme,sulama,hidroelektrik, akarsularda ulaşım gibi. 2. Su miktarının kontrolü amacıyla yapılan çalışmalar:taşkınların önlenmesi,kurutma tesisleri, kanalizasyon tesisleri gibi. 3. Su kalitesini kontrolü amacıyla yapılan çalışmalar: Suyun kirlenmesinin önlenmesi. Suyun korunması, arıtılması ve tasfiye işlemleri vb. 1.3 Suyun Değişik Fiziksel Halleri Saf su lezzetsiz, kokusuz ve renksizdir. Kalın tabakalar halindeyken mavimsi görülür. Ayrıca Demir iyonları [Fe +3 ] ve Kalsiyum bikarbonat [ Ca(HCO 3 ) 2 ] yeşil, humus maddeleri ise suya sarı esmer renk verirler. Su bir atmosfer basınçta ve 0 C de donar, 100 C de kaynar. Bir çok fiziksel sabitler suya göre tarif ve tespit edilmişlerdir. Örneğin +4 C de 1 cm 3 suyun kütlesi 1 gram olarak alınmıştır ve 1 g suyun sıcaklığını 14.5 C dan 15.5 C a çıkarmak için gerekli ısı miktarı 1 kalori olarak kabul edilmiştir. +4 C da suyun yoğunluğu 1 kabul edilerek diğer maddelerin yoğunlukları buna göre tespit edilmiştir. Su 0 C de donarken, yoğunluğu azalır ve hacmi artar. Bu artış %10 kadardır. Eğer böyle olmasaydı soğuk su göllerin ve denizlerin dibine inerek buz haline gelirdi. Buz, yüzeyde daha sıcak su bulunduğundan çözülmezdi. Bu durumda bir kaç sene içinde yeryüzünde bulunan suyun büyük bölümü buz haline dönüşürdü. Oysa +4 C nin altında yoğunluk azalacağından hacim artar. Buz üste çıkarak toplanır ve suyun daha fazla soğumasını önler. Suyun bu özelliği şu sonuçlan doğurur. Ilıman bölgelerde göl sularının sonbahar ve ilkbahardaki sirkülasyonunu sağlar. Kışın don olayları sırasında suyun kıyılar üzerindeki parçalayıcı etkisi oluşur. Soğutma suyu ile çalışan taşıtlarda antifriz kullanılmadığı zamanlarda radyatörlerde meydana gelen çatlamalara neden olur. 1, , , , , , , , , ,99983 (d) (t ºC)Sıcaklık Grafik 1.1 Suyun Yoğunluğunun (d) Sıcaklıkla (t ºC) Değişimi 10 Suyun buharlaşma noktası büyük ölçüde basınca bağlıdır. Suyun buhar basıncı temperatürün artması ile yükselir ve dış basınca eşit olunca su kaynar. Suyun kaynama noktasının basınç ile değişimi Grafik 1.1 de verilmiştir. Tablo 1.1 Suyun kaynama noktasının basınç ile değişimi Basınç (kn/m2) Kaynama Noktası (t C)

4 Grafik 1.2 de görüldüğü gibi su her sıcaklıkta bir buharlaşma basıncına sahiptir. 0 C nin altında da buharlaşır. Örneğin -30 C de suyun buhar basıncı 0,288 mmhg, -10 C de mmhg, 0 C de ise 4.6 mmhg' dır. (Karın kendiliğinden erimesi olayı.) P mm Hg (t C) Grafik 1.2 Suyun Buhar Basıncının (P) Sıcaklıkla (t C) Değişimi Su, hidrojen (H 2 ) ile oksijen (0 2 ) arasındaki reaksiyonun ürünüdür. Gaz halindeki iki element, H ve O 300 C nin altında hissedilir derecede birleşmez, yani reaksiyon hızları düşüktür. Temperatür yükselince reaksiyon hızı da artar ve 500 C den itibaren birleşme meydana gelir. 1.4 Suyun Dolaşımı Suyun hareketini inceleyen bilime hidromekanik, bu bilimin teknikteki uygulaması hidrolik olarak bilinmektedir. Hidroloji ise suyun yerküredeki dağılımını, çevrimini ve özelliklerini inceler. Hidrolojinin en geniş bir şekilde tanımını şu şekilde yapabiliriz. "Hidroloji, yer küresinde (yani yeryüzünde, yer altında ve atmosferde) suyun çevrimini, dağılımını, fiziksel ve kimyasal özelliklerini, çevreyle ve canlılarla karşılıklı ilişkilerini inceleyen temel ve uygulamalı bir bilimdir". (A.H.D. Bilim ve Teknoloji Federal Konseyi tarafından 1562 yılında önerilen tanım). Bu tanımıyla hidroloji diğer birçok bilim alanlarına da girmektedir. Gerçekten bugün hidrolojiyle diğer bilimler arasındaki sınırları kesin olarak çizmek çok güçtür. Atmosferdeki su ile meteorolojinin, denizlerdeki su ile Oşinografinin, yerin derinliklerindeki su ile de jeoloji ve zemin fiziğinin uğraştıkları söylenebilir. Bugün suyun kontrolü ve kullanılması ile ilgili olarak yapılan mühendislik çalışmaları su kaynaklarının geliştirilmesi adı altında toplanmaktadır. Bu çalışmaların amaçları şu şekilde sınıflandırılabilir; Suyun kullanılması amacıyla yapılan çalışmalar, su getirme, sulama, su kuvveti tesisleri, akarsularda ulaşım gibi... Yerküre üzerinde suyun dağılımını, hareketini ve özelliklerini inceleyen hidroloji bilimi, insanın çevresi ile olan ilişkisi arttıkça daha büyük önem kazanmaya başlamıştır. İnsanın çevresini düzenleyip kontrol altına alma çabalarının bir parçası olan su kaynaklarının geliştirilmesi çalışmalarında, hidrolojik veriler önemli bir yer tutmaktadır. Bu alanda su işletim sistemleri, su biriktirme yapıları, su alma yapıları, akarsu geçişleri (köprü ve menfezler) ve drenaj projelerinin en ekonomik biçimde boyutlandırılmasında hidroloji biliminin önemli bir yeri bulunmaktadır. Söz konusu olan su yapımlarının planlanması, proje, inşaat ve işletme çalışmaları için gerekli olan suyun miktarı ve 4

5 özellikleri ile ilgili çeşitli bilgiler, hidroloji biliminin uygulamaları ile elde edilir. Uygulamalı bir bilim olan hidrolojinin su yapılarına rahatlıkla uygulanabilmesi ve tüm hidrolojik kuralların iyi araştırıp doğru kullanılması için bu yöntemlerin uygulamasını gösteren örneklerin incelenmesinde yarar vardır. Su miktarının kontrolü amacıyla yapılan çalışmalar: Taşkınların önlenmesi, kurutma tesisleri, kanalizasyon tesisleri; su kalitesinin kontrolü amacıyla yapılan çalışmalar ise su kirliliğinin önlenmesidir. Bütün bu amaçlarla yapılacak tesislerin planlama, proje, inşaat ve işletme safhalarında suyun miktarı ve özellikleri ile ilgili bazı sorunların karşılıklarının bilinmesi istenir. Örneğin taşkınlardan korunma amacıyla yapılacak bir barajın veya gölletin hesabında, göz önüne alınan (100, 500, 1000 yıl) gibi belli bir süre içinde meydana gelmesi muhtemel en büyük taşkının tahmini gerekir. Öte yandan bir su kuvveti tesisinin güvenilir gücünün belirlenmesi için de akarsuda yılda (180 gün gibi) belli bir süre mevcut debi tahmin edilmelidir. Bu gibi örneklerin sayısı çoğaltılabilir. Su kaynaklarının geliştirilmesi ile ilgili mühendislik çalışmalarının hemen hepsinde karşımıza çıkan bu gibi sorunları hidroloji bilimi cevaplandırır. Bu cevapların yeterli bir doğrulukla bilinmesi büyük önem taşır. Zira ekonomik nedenlerle hidrolojik hesaplarda, diğer mühendislik hesaplarında olduğu kadar büyük emniyet katsayıları kullanılmasına izin verilmez. Bu bakımdan tahmin edilenden büyük bir taşkının gelmesi barajın yıkılmasına yol açabilir, öte yandan bir su kuvveti tesisinde mevcut debi için fazla büyük bir tahmin yapılması beklenen gücün elde edilememesine yol açar. Nihayetinde bazı hallerde tehlikeli, bazı hallerde de ekonomik yönden sakıncalı sonuçlar ortaya çıkabilir. Taşıdığı önemin daha iyi anlaşılmasıyla son yollarda hidroloji bilimi ile ilgili çalışma ve araştırmalar yoğunlaştırılmıştır. Ancak hidrolojik olaylara karışan etkenlerin sayısının pek çok oluşu incelemeyi güçleştirmektedir. 1.5 Dolaşımda Akış Ve Depo Değişkenleri Hidrolojik çevrimin yağış, yüzeysel akış, sızma, perkolasyon, yer altı su kütleleri, yer altı suyu akışı, yüzeysel su yolarındaki akımlar, buharlaşma, biriktirme alanları vb. elemanlardan oluştuğundan bahsetmiştik. Bu döngünün en hızlı, en hareketli, en etkili ve en önemli parçası akış ve depo değişkenleridir. Akış ve depo değişkenleri diğer çevrim elemanlarına bağlı olarak sürekli farklılık göstermektedir. Bu nedenle bu iki etkeni incelerken, döngü içerisindeki hareketleri birbirine bağlı değişimler zinciri kurarak düşünmek gerekmektedir. Çevrimin başlangıç noktası olarak buharlaşmayı ele alalım. Bölgedeki mevcut yüzeysel suların fazla olması, zemin neminin fazla olması, hava neminin az olması, atmosfer basıncının düşük olması, bölge ikliminin ılık ve sıcak olması, buharlaşma miktarını arttıran özellikler olarak bahsedilebilir. Bunun aksi durumlarda da buharlaşma miktarının azalması söz konusudur. Buharlaşmaya paralel olarak süre gelen çevrim elemanı yağış buharlaşma miktarına, rüzgar hareketlerine ve bununla beraber yoğunlaşma için gerekli şartların sağlanmasına bağlı olarak değişmektedir. Yağıştan sonra su, döngü içerisinde sızma olarak hareket etmektedir. Zeminin suya doygun hale gelmesiyle, yağıştan sonra akışa geçerek yüzeysel su yollarına karışır. İşte bu noktadan itibaren akış miktarlarında önemli artışlar gözlenmektedir. Akış ve yağışın birlikte incelenmesi durumunda bu iki değişken arasında periyodik olarak bir etkileşimden söz edilebilir. Döngü içerinde ise birikimin gerçekleştiği yerler olarak; göller, göletler, denizler, okyanuslar, barajlar, bağlamalar vb. depolama alanları sayılabilir. Genel çerçevede dünyanın tamamı düşünülerek bir sistem kurulacak olunursa, denizler ve okyanusları bir biriktirme alanı kabul edelim ve bu alan içerinde mevcut bir su potansiyelinin olduğunu düşünelim. Bu 5

6 biriktirme alanına akarsulardan, derelerden, çaylardan yani kısaca karalardan sisteme (denizlere) akan suların tamamı girdi olarak alınır. Ayrıca diğer bir girdi denizlerde meydana yağışlardır. Sistemde biriktirme alanından uzaklaşan suların buharlaşması nedeniyle meydana gelen kayıplar ve sızmalar çıktı olarak alınacaktır. Mevcut su potansiyelinde girdiler ve çıktılar nedeniyle bir değişim meydana gelir. Bu değişimi azalma veya artma olarak görmek mümkündür 1.6 Hidrolojinin Metotları 1.Ölçmeler:Bütün hidrolojik çalışmalarda ilk adım gerekli doğal verilerin toplanması için ölçmeler yapılmasıdır.(yağış,buharlaşma,akım ölçüleri gibi) Hidrolojik olayları laboratuarda benzeştirmek bugün için mümkün olmadığından ölçmelerin doğrudan doğruya tabiatta yapılması gerekmektedir.bunun için yeter sıklıkta bir ölçme ağının kurulması,bu ağdaki istasyonların yeterli prezisyonu olan araçlarla donatılması ve bu ölçeklerin itinalı bir şekilde okunması gerekir. 2.Verilerin İşlenmesi: Ölçmeler sonunda elde edilen bilgiler çok sayıda dağınıktır.bu verilerin insan eliyle kaydedilmesi yerine otomatik olarak kartlara,şeritlere geçirilmesi ve veri tabanları halinde saklanması uygundur. 3.Matematik Modeller Kurulması: Fizik kanunları esas alınarak kurulan bu modeller doğadaki hidrolojik sistemlerin soyutlanmış benzerleri olarak düşünülebilir.bu modellerin kurulmasında sistem analizi metotları önem kazanmaktadır.hidrolojik modeller insanların doğada yapacakları değişikliklerin sonunda hidrolojik büyüklüklerde oluşacak değişmelerin tahmininde de kullanılır. 4.Olasılık hesabı ve İstatistik Metotların Kullanılması: Örneğin elde bulunan 30 yıllık ölçme sonuçlarını kullanarak bir akarsuda gelecek 100 yıl içinde görülecek en büyük taşkını kesin olarak belirlemek mümkün değildir.bu bakımdan olasılık teorisi ve istatistik hidrolojide kullanılması büyük önem taşır.ancak bu bilimler yardımıyla 100 yıllık taşkın debisi için tahminler yapmak mümkün olabilir. 1.7 Hidrolojik Çevrim Su doğada çeşitli yerlerde ve çeşitli hallerde (sıvı, katı, gaz) bulunmakta ve yer küresinin çeşitli kısımları arasında durmadan dönüp durmaktadır. Suyun doğada dönüp durduğu yolların tümüne birden hidrolojik çevrim denir. Hidrolojik çevrimi gözden geçirmeye herhangi bir noktasından başlaya biliriz. Atmosferden başlayacak olursak, atmosferde buhar halinde bulunan su yoğunlaşarak yağış şeklinde yeryüzüne düşer. Karalar üzerine düşen suyun büyük bir kısmı (%60-75 kadarı )zeminden ve su yüzeylerinden buharlaşma ve bitkilerden terleme yoluyla denizlere erişmeden atmosfere geri döner, bir kısmı bitkiler tarafından alı konur (tutma), bir kısmı zeminden süzülerek yeraltına geçer (sızma). Geriye kalan su ise yerçekimi etkisiyle hareket ederek akarsulara ve onlar yoluyla denizlere ulaşır (yüzeysel akış). Yeraltına sızan su ise yer altı akışı yoluyla sonunda yeryüzüne çıkarak yüzeysel akışa katılır. Denizlere ulaşan su da buharlaşarak atmosfere geri döner. Görüldüğü gibi su katı, sıvı ve gaz hallerinde doğanın çeşitli kısımları arasında ve çeşitli yollar izleyerek dönüp durmaktadır. Bu çevrim için gerekli enerji güneşten ve yerçekiminden sağlanır. Yerküresinin iklim sistemi ile yakından ilişkili olan hidrolojik çevrim günlük ve yıllık periyotları olan bir süreçtir. 6

7 Şekil 1.1 Mühendislik Gözüyle Hidrolojik Çevrim Y(t)=f(x(t) Şekil 1.2 Sistem Kavramı Hidrolojik çevrimin mühendislik hidrolojisi bakımından daha anlamlı ve daha ayrıntılı bir diyagramı Şekil 1.1 de görülmektedir. Bu diyagramda hidrolojik çevrim doğadaki çeşitli biriktirme sistemleri arasındaki ilişkiler şeklinde gösterilmiştir. Atmosfer biriktirme sisteminden, yüzeysel biriktirme sistemine düşen yağışın bir kısmı sızma yoluyla zemin nemi biriktirme sistemine, oradan da Perkolasyon yoluyla yeraltı biriktirme sistemine geçmektedir. 7

8 Her üç sistemin de buharlaşma ve terleme yoluyla atmosfer ile ilişkileri bulunduğu gibi yüzeysel biriktirme sistemi yüzeysel akış, zemin nemi biriktirme sistemi yüzey altı akışı ve yeraltı biriktirme sistemi de yeraltı akışı şeklinde sularının bir kısmını akarsu biriktirme sistemine göndermektedir. Bunlara akarsu biriktirme sistemine düşen yağış eklenip buharlaşma kayıpları çıktıktan sonra geriye kalan su akarsulardan akış şeklinde denizlere veya göllere ulaşmakta, oradan buharlaşma ile atmosfere geri dönmektedir. Şekil 1.3 Mühendislik Gözüyle Hidrolojik Çevrim Hidrolojik çevrim sırasında su aynı zamanda yer yüzeyinden söktüğü katı taneleri akarsular yoluyla göl ve denizlere taşıyarak yerkabuğunun biçim değiştirmesine neden olur. Şekil l.2 deki diyagramda kullanılan sistem kavramı hidrolojik çalışmalarda önem taşır. Sistem, düzenli bir şekilde birbirleriyle ilişkili olan ve çevresinden belli bir sınırla ayrılan bileşenler takımı olarak tanımlanır. 1.8 Kütlenin Korunumu: Kütlenin korunumu ilkesi hidrolojik çevrimin herhangi bir parçasında suyun ne yok olduğunu,ne de yoktan var olduğunu gösteren süreklilik denklemine götürür ( su dengesi, su bütçesi ). Bu denklemde X göz önüne alınan hidrolojik sisteme birim zamanda giren su miktarı, Y birim zamanda sistemden çıkan su miktarı, S ise sistemde birikmiş su miktarıdır. Bu denklem herhangi sonlu bir Δt zaman aralığındaki değerler (X,Y) göz önüne alınarak da yazılabilir: 1.9 Yerküresinin Su Dengesi X Y = ds / dt X-Y=ΔS Doğa su miktarı bakımından dinamik denge halindedir. Su tükenmez bir doğal kaynak olup yer küresindeki toplam su miktarı zamanla değişmez. Uzun bir süre göz önüne alındığında hidrolojik çevrimin herhangi bir parçasına giren ve çıkan su miktarları birbirine 8

9 eşittir. Örneğin yeryüzünde bir yılda düşen yağış, o yıl içinde buharlaşarak havaya geri dönen su miktarına eşittir. Bu miktar ortalama olarak yılda 100 cm kadardır. (Türkiye de ise yıllık yağış ortalaması 65 cm dir.) Karalar üzerinde yıllık yağış 75 cm, buharlaşma 48 cm, denizler üzerinde ise yağış 107 cm, buharlaşma 118 cm dir. Ancak kısa bir zaman aralığında bakılırsa çevrimdeki su miktarında büyük değişmeler olduğu görülür, örneğin bir yağış ölçeğinde kaydedilen yağış miktarları günden güne büyük farklar gösterir. Nitelikleri ve nicelikleri iyi belirlenemeyen çok sayıda etkin meydana getirdiği bu düzensizlikler hidrolojik olayların incelenmesini güçleştirir. Tablo1.2 Yağış İstatistikleri Konum Türkiye'de yağış Karalar üzerinde yağış Denizler üzerinde yağış Karalarda buharlaşma Denizlerde buharlaşma Yağış Yüksekliği 65 cm 75 cm 107 cm 48 cm 118 cm Herhangi bir anda suyun yerküresinin çeşitli kısımları arasında dağılımına bakarsak çok büyük kısmının (%97.4) denizlerde (hidrosfer) bulunduğunu görürüz. Karalarda (litosfer) ve havada (atmosfer) bulunan 36 milyon km 3 tatlı suyun kendi içinde dağılımı ise şöyledir: %77.2 kutup buzlarında, %12.3 derin yer altı suyu halinde, %10 a yakın bir kısmı yüzeye yakın yer altı suyu halinde, %0.35 göllerde, %0.17 zemin nemi halinde, %0.04 atmosferde, %0.003 akarsularda görüldüğü gibi herhangi bir anda akarsularda ve atmosferde bulunan su yüzdeleri gayet azdır. Ancak, gerek atmosferden gerekse akarsulardan çok miktarda su gelip geçer (akarsuların her yıl denize taşıdıkları suyun hacmi km 3 kadardır.) Bunun sonunda yeryüzünde yılda ortalama 100 cm yağış düşer ve karalara düşen yağışın üçte bir kadarı akarsular yoluyla yüzeysel akış halinde denizlere iletilir. Tablo1.3 Yer Kürede Suyun Dağılımı Yerküredeki Suyun Konum Hacim (10 6 km3) % (Hacimsel Yüzdelik Oranı) Denizler ,39 Buzullar 27,82 2,010 Yer altı Suyu 8,062 0,580 Göller, Akarsular 0,225 0,020 Atmosfer 0,013 0,001 Toplam 1348,12 100,0 Tablo 1.4 Yer Kürede Tatlı Suyun Dağılımı Yer Küredeki Tatlı Suların Konumu %(Hacimsel Yüzdelik Oranı) Buzullar Yüzeye yakın yer altı suyu 9,860 Derin yer altı suyu 12,35 Zemin nemi Göller Akarsular Canlılar Atmosfer

10 Türkiye ye yılda yağış halinde düşen ortalama m 3 suyun %38 i ( m 3 ) akarsularda akış haline geçer. Türkiye nin kullanılabilir yer altı suyu potansiyelinin ise yılda m 3 olduğu tahmin edilmektedir Yerkürenin Isı Dengesi Yanma sıcaklığı katalizör ile düşürülür. 1 kg buz 0 C de solid halden likid hale geçerken yaklaşık 80 Kcal ısı yayar. Buna buzun gizli erime ısısı denir. 1 kg su 100 ºC de sıvı halinden buhar haline geçerken 54 Kcal ısı alır ki buna suyun Gizli Buharlaşma Isısı denir. Suyun kritik sıcaklığı 374 ºC, kritik basıncı atmosferdir. Kritik sıcaklık öyle bir sıcaklıktır ki bu sıcaklığın üstünde bulunan bir gaz yada buhar en yüksek basınçlarda bile sıvılaştırılamaz. Örneğin su buharı 374 ºC nin altında basınçla sıvılaştırılabilir. Suyun Sıcaklığı arttıkça kinematik viskozitesi düşer. Bunu sebebi bütün sıvılarda viskozitenin sıcaklıkla ters orantılı olarak değişmesidir. Sıcaklık arttıkça sıvı molekülleri arasındaki çekim kuvveti azalmakta ve viskozite düşmektedir. Kapiler bir borudan geçen sıvının akış süresini tayin etmek suretiyle, sıvının viskozitesi bulunur. Bu ölçüm viskozimetre ile yapılmaktadır. Viskozite hareket halindeki akışkan yatakları arasındaki sürtünme direncine denir. Bu direnç arttıkça viskozite artar ve hareket yavaşlar. Çünkü bu direnç hareketi engelleyici yani ters yöndedir. Şekil 1.4 Yerkürenin Isı Dengesi 10

11 Örnek Problem 1: Demir köprü baraj gölünde 1971 yılı haziran ayı başında milyon m 3 su bulunmaktadır.bu ay boyunca gediz nehrinin baraj gölüne getirdiği ortalama debi 15.8 m 3 /s dir.haziran ayında gölden 8.5 milyon m 3 su buharlaşmıştır,göl üzerine yağış düşmemiştir.enerji üretimi için bu ay baraj gölünden 50.5 milyon m 3 su çekilmiştir.haziran ayı sonunda gölde milyon m 3 su bulunduğu bilindiğine göre baraj gölünden 1 ay boyunca ne kadar sızıntı olmuştur.? Çözüm: Haziran ayı için baraj gölüne süreklilik denklemi uygulanırsa: X-Y=ΔS Göldeki hacim değişimi: ΔS= = m 3 Göle giren su hacmi: X= = m 3 Gölden çıkan su hacmi: Y= F Bu değerleri süreklilik denklemine yerleştirerek F sızıntı hacmi bulunur: ( ) F= F= m 3 Örnek problem 2: Yerküresinde karaların alanı km 2,denizlerin alanı km 2 dir.karalar üzerinde yıllık ortalama yağış yüksekliği 746 mm,buharlaşma yüksekliği 480 mm dir.denizler üzerinde yıllık ortalama yağış yüksekliği 1066 mm dir.buna göre akarsuların her yıl denizlere taşıdıkları ortalama su hacmini ve denizlerdeki yıllık buharlaşma yüksekliğini bulunuz.? Çözüm: Ortalama değerler göz önüne alındığında gerek karalar gerekse denizler için ΔS=0,ve süreklilik denklemine göre X=Y olur. Karalar için: X= = m 3 Y= R= R m 3 Akarsuların denize taşıdığı yıllık ortalama su hacmi: R= = m 3 = km 3 Denizler için: X= = m 3 Denizlerde yıllık buharlaşma: Y=X= m 3 Denizlerin yıllık buharlaşma yüksekliği: / = m=1176 mm 11

12 Örnek Problem 3: Yüzey alanı 40 km 2 olan bir bölgede haziran ayında göle giren akarsuyun debisi 0.56 m 3 /sn gölden çıkan suyun ortalama debisi 0.48 m 3 /sn aylık ortalama yağış yüksekliği 45 mm aylık ortalama buharlaşma yüksekliği 105 mm gölün tabanında ay boyunca sızma yüksekliği 25 mm olarak tahmin ediliyor. a)haziran ayındaki göldeki su değişimini hesaplayınız.? b)su seviyesindeki azalma ne kadardır.? Çözüm : a) 40 km 2 = m 2 Q giren =0.56 m 3 /sn Q çıkan =0.48 m 3 /sn Buharlaşma=105 mm Sızma=25 mm Yağış=45 mm ΔS = X Y X1 = = m 3 Y1 = = m 3 X2= = m 3 Y2 = = m 3 Y3 = = m 3 X = m 3 Y = m 3 ΔS = X - Y = = m 3 Δs b) Δh = = Alan = m = -8 cm Örnek Problem 4: Bir rezervuarın yüzey alanı 11 km yılı için rezervuarın su bütçesi çıkarılmak isteniyor. Bu bölgeye sulak dönemlerde yani Aralık ve Haziran ayları arasında memba tarafından ortalama 1.6 m 3 /sn su gelmektedir.kurak dönemlerde ise bu debi 0.75 m 3 /sn düşmektedir.rezervuardan mansab tarafına aktarılması gereken minimum ortalama debi 0.95 m 3 /sn bu hazneden elektrik üretimi amacı ile yıllık m 3 su çekilmektedir.sulama amacı ile ortalama 0.15 m 3 /sn 1 yıl su alınmaktadır.içme suyu ise ortalama 40 lt/sn hazneye yıllık 815 mm yağış düşmektedir.buharlaşma 144 mm olarak ölçülmüştür.tahmin edilen sızma yüksekliği ise 38 mm dir. a)haznedeki su miktarı ne kadar değişmiştir.? b)haznedeki su seviyesi ne kadar değişmiştir.? Aralık Ocak Şubat Mart Nisan Mayıs Haziran Temmuz Ağustos Eylül Ekim Kasım

13 Çözüm : X1 = = m 3 Y1 = = m 3 X2 = = m 3 Y2 = m 3 X3 = = m 3 Y3 = = m 3 Y4 = = m 3 Y5 = = m 3 Y6 = = m 3 ΔS = X Y = = m 3 Δs b) Δh = = Alan = 0.83 m = 83 cm Örnek Problem 5: Bir şehrin su ihtiyacını karşılamak için yapılan bir havzanın yüzey alanı 17 km 2 hazneyi besleyen akarsuyun havza alanı 50 km 2 günlük ortalama su ihtiyacı m 3 yıllık yağış yüksekliği 88 cm dir.yıllık buharlaşma yüksekliği 125 cm yıllık ortalama akış yüksekliği 33 cm olduğuna göre hazne hacminde hazne suyu yüksekliğinde değişme ne kadardır? Cevap: X 1 = = m 3 Y1 = = m 3 X2= = m 3 Y2= = m 3 X = m 3 Y= m 3 ΔS = m 3 Δs Δh= = 6 Alan = m = 45 cm 13

14 2. YAĞIŞ Atmosferden katı yada sıvı halde yeryüzüne düşen sulara yağış denilir.sıvı haldeki yağış yağmur şeklindedir,katı haldeki yağış ise kar,dolu,çiğ,kırağı şekillerinde olabilir.yağmur ve kar hidrolojik bakımdan en önemli iki yağış şekli olup hidrolojik açıdan aralarındaki önemli fark yağmur halinde yer yüzüne düşen sular derhal akış haline geçtikleri halde karın genellikle uzun bir süre sonra erimesidir. 2.1 Yağışın Meydana Gelmesi Havadaki su buharının yağış halinde yeryüzüne düşmesi için şu şartların birlikte gerçekleşmesi gerekir; 1.Atmosferin o bölgesinde yeterli miktarda su buharı bulunmalıdır; atmosferdeki su buharının büyük bir kısmının denizlerdeki buharlaşmadır,karalar üzerine düşen yağışın %90 denizlerdeki buharlaşmadan kaynaklanır. 2.Hava soğumalıdır; hava soğuyunca su buharı taşıma kapasitesi azalır,doyma noktasının üstüne çıkılınca su buharı sıvı hale geçebilir.havanın soğumasını ne şekilde olabileceği aşağıda incelenecektir. 3.Yoğunlaşma olmalıdır; yoğunlaşma adlarına yoğunlaşma çekirdeği dene çok küçük (mikron mertebesinde) tozlar üzerinde olur. Bu tozlar (organik cisimler, volkanik kül, sülfürik ve nitrik asit, kil taneleri, tuz ve duman) atmosferde daima mevcut olduğundan hava doymuş hale geçince bu şart her zaman gerçekleşir. Su buharının yoğunlaşmasıyla bulutlar meydana gelir. Bulutlardaki su damlacıklarını büyüklüğü mikron arasında kaldığından bunlar buharlaşmadan yeryüzüne kadar düşemezler, hava hareketleri ile atmosferde kalırlar. 4.Yeryüzüne düşebilecek irilikte (1 mm kadar) damlalar teşekkül etmelidir; bu ya üzerinde su buharının yoğunlaşa bileceği buz kristallerinin varlığıyla ya da küçük damlacıkların çarpışarak birleşmesi sonunda olabilir C den düşük sıcaklıktaki bulutlarda yeterli sayıda buz kristali varsa buz üzerindeki buhar basıncı su üzerindeki buhar basıncından düşük olduğundan,su buharının buz kristalleri üzerinde toplanmasıyla iri kristaller meydana gelebilir.daha sıcak bulutlarda ise iri damlalar bu şekilde oluşamaz,tuz çekirdekleri üzerinde oluştuğu sanılan nispeten iri damlacıkların birbirleriyle çarpışıp daha büyümeleri ile yağış görülebilir.bu şartlar her zaman gerçekleşemediği için diğer üç şart var olduğu halde yağış meydana gelmeye bilir. 2.2 Yağış Tipleri Nasıl Tanımlanır; 1.Konvektif yağış: Yeryüzüne yakın hava fazla ısınırsa yükselir. Bu özellikle etrafı dağlarla çevrili bölgelerde yaz aylarında görülür. Yağış yerel,kısa süreli ve şiddetlidir. Türkiye de iç Anadolu da yaz akşamlarında görülen sağanakların nedeni budur. Şekil 2.1 Konvektif Yağış 14

15 2.Depresyonik (Siklonik) Yağışlar: Bir sıcak hava kütlesi ile bir soğuk hava kütlesi düşey bir cephe boyunca karşılaştıkların da sıcak hava yükselir,soğuk hava aşağıya iner.cephe boyunca soğuk havanın sıcak havayı iterek ilerlemesi halinde soğuk bir cephe yağışı,sıcak havanın soğuk havayı iterek ilerlemesi halinde ise sıcak cephe yağışı görülür.soğuk cephe yağışları daha şiddetli ve etkilidir.belirli bir cephe olmaksızın da düşük basınç bölgelerinde depresyonik yağış görülebilir.cephe yağışlarının şiddetli orta, süresi uzundur,geniş bir alanı kaplar.türkiye de meydana gelen yağışların çoğu depresyoniktir. Bazen soğuk hava kütlesinin sıcak havayı sarıp depresyonik şeklinde yükseltilmesi ile çok şiddetli yağışlar da meydana gelebilir. 3.Orografik Yağış: Şekil 2.2 Depresyonik Yağışlar Nemli bir hava kütlesi bir dağ dizisini aşmak için yükselirken soğur ve orografik yağışa yol açar.türkiye de denize paralel dağ sıralarının (Kuzey Anadolu dağları,toroslar ) denize bakan yamaçlarında denizlerden gelen nemli ve sıcak hava kütleleri bu şekilde yağış bırakır.orografik yağış alan bölgelerde arazini kotu ile yağış yüksekliği arasında bir ilişki vardır. Şekil 2.3 Orografik Yağışlar Suni Yağmur : Bulutlarda yer yüzüne düşebilecek irilikte damlalar getirecek mekanizmaların bulunmaması halinde yağış görülmediğini yukarda belirtmiştik.bu gibi hallerde atmosfere müdahale ederek suni yağmur yağdırmak düşünülebilir.bunu için iki yol mevcuttur: 1.Bulutlara gümüş iyodür kristalleri uçaklar vasıtasıyla serpilir,ya da daha ekonomik olarak (-10 0 C nin altında )yeryüzünde yatılarak meydana getirilen gümüş iyodür buharları bulutlara kadar yükselirse 5 0 C nin altındaki sıcaklıklarda su,bu kristallerin üzerinde buzlaşarak buz kristalleri meydana getirir. 2.Bulutlara kuru buz (katı karbondioksit) serpilerek sıcaklık 40 0 C ye düşürülürse bulutlardaki su kendiliğinden buz kristallerine dönüşür. Böylece yeter sayıda mevcut olmayan buz kristalleri suni olarak meydana getirilmiş olur.-5 0 C den daha sıcak bulutlarda bu usulle yağmur yağdırmak mümkün olmaz.bu gibi durumlarda iri damlalar meydana getirmek için bulutlara nem çeken tuz gibi maddeler ya da iri su damlaları püskürtülmesi denemiştir. 15