HAREKETLİ TABANLI NEHİRLERDEKİ SEDİMENT TAŞINIMINDA UYGULANAN YÖNTEMLERİN MUKAYESESİ

Transkript

1 HAREKETLİ TABANLI NEHİRLERDEKİ SEDİMENT TAŞINIMINDA UYGULANAN YÖNTEMLERİN MUKAYESESİ Ahmet BİLGİL* ve İlker ÖZKAN* * Niğde Üniveritei Müh.-Mim. Fak. İnşaat Müh. Böl. NİĞDE ÖZET İnşaat Mühendiliğinde akaruların taşıdığı katı madde miktarının doğrulukla bilinmei oldukça önemlidir. Akaru ediment ölçümlerindeki bağımız dinamik parametrelerin çok olmaı ve ediment mikterı taşınımı ile hala tam bir ilişki kurulamamaı, günümüzde çözülmei gereken önemli bir prablemdir. Lineer ve lineer olmayan çoklu regrayon analizleri ile ilişkilendirmek için nehirlerdeki akış hızı, ediment boşalımı, yatak yükü geometrii gibi birçok parametreler değerlendirilerek, dinamik modellerde önemli parametrelerin tanımında başarılı olunmaına rağmen, heaplamalarda bazı ınır şartları oluşmaı nedeni ile herhangi bir formülün farlı nehirlere başarı ile uygulanmaı tartışmalı olmaktadır. Türkiye deki akarularda ediment yükünün ölçülmei, Elektrik İşleri Etüt İdarei (EİEİ) tarafından 1962 yılından beri itemli şekilde ölçülmektedir. Buna rağmen nehirlerdeki ediment yükünü tam olarak temil edebilecek formülayon geliştirilememiştir. Bu çalışmada Kızılırmak nehrindeki EİEİ nin ölçüm değerlerine göre literatürlerdeki yaklaşımlarla en iyi temil edilebilecek formül araştırılmıştır. Çalışmada; Şentürk, Samaga ve diğerleri, Wu ve diğerleri, van Rijn ve Kızılırmak nehri için önerilen EİEİ nin formüller değerlendirilerek Kızılırmak nehrinde kullanılabilecek en uygun formül belirlenmiştir. Ayrıca; kullanılan formüllerin %10, %25, %50 ve %75 lik hata dağılımları belirlenerek, hata dağılımlarına göre formüllerin kullanılabilme öncelikleri ıralanmıştır. Sonuçta; EİEİ nin deney verilerine göre Kızılırmak nehrindeki ediment hareketlerini en iyi şekilde van Rijn yaklaşımı ile tahmin edebileceği kanaatine varılmıştır. Anahtar kelimeler: Sediment taşınımı, Üniform olmayan ediment yükü

2 COMPARING THE METHOTS OF SEDİMENT TRANSPORT THROUGH NON-UNIFORM BED RIVER ABSTRACT In civil engineering it i quite important to preciely know the ediment load that river carry. Nowaday it i one of the problem to be reolved about both numerou independent dynamic parameter in meauring ediment within river and no etablihed relationhip with the ediment load tranport. Depite the fact that the ediment load of the river in Turkey ha been regularly meaured by EIEI ince 1962, there i till a need to develop an adequate formula by which the ediment load can be etimated correctly. In thi tudy, formulae propoed in exiting literature are teted in uitability: whether thee formulae are in line with the meaurement by EIEI or not. The formulae propoed by Senturk, Sayaga and et al, Wu and et. al, van Rjin and et. al, and the formula developed by EIEI are compared. The mot uitable formula i choen, which give an accurate etimation of the ediment load for the river of Kizilirmak. Furthermore, %10 error ditribution of the formulae i calculated in order to give a rank of uability. Key word: Sediment tranport in river, Supended load, Non-uniform ediment load. 1. GİRİŞ Akarulardaki katı madde taşınımı miktarının doğru bir şekilde belirlenmei, nehirlerdeki morfolojik çalışmalar açıından büyük bir öneme ahiptir. Katı madde taşınışındaki olayın karışıklığı yüzünden henüz en bait olan üniform taneli yatak üzerinde, üniform akım hali için bile kein çözüme varılmış değildir. Akaru ediment ölçümlerindeki bağımız dinamik parametrelerin çok olmaı ve ediment miktarı taşınımı ile hala tam bir ilişki kurulamamaı, günümüzde çözülmei gereken önemli bir problemdir. Lineer ve lineer olmayan çoklu regrayon analizleri ile ilişkilendirmek için nehirlerdeki akış hızı, bitki örtüü, ediment boşalımı, yatak yükü geometrii gibi birçok parametreler değerlendirilerek, dinamik modellerde önemli parametrelerin tanımında başarılı olunmuştur. Ancak heaplamalarda bazı ınır şartlarının oluşmaı nedeni ile herhangi bir formülün farlı nehirlere başarı ile uygulanmaı tartışmalı olmaktadır. Akarulardaki ediment malzemeinin taşınışları birbirinden farklı iki şekilde oluşmaktadır. Bunlardan birincii; tabanda oluşan hareket olup ürüklenerek veya ıçrayarak hareket etmektedir. İkincii; akı hareket yükü olup akaru tarafından yüzdürülerek taşınmaktadır. Taban hareketlerini türbülantan ziyade taneler araı çarpışmalar belirler ve taban hareketleri tabanın hemen üzerinde meydana gelen toplam taşınım miktarının bir bölümünü oluşturur [1]. Diğer yandan akıdaki katı madde hareketi ie daha çok türbülanın etkili olduğu toplam taşınım yükünün bir parçaıdır [2]. Alında her iki hareketinde birlikte meydana gelmei ve bu hareketleri birbirinden ayırmanın çoğu kez kolay olmamaına rağmen, genel olarak taban hareketleri, taban yüzeyinde iri ve ince malzemelerin hareketi şeklinde meydana gelir. Bu hareketler düşük kayma gerilmelerinde ıçrama şeklinde ve yükek kayma gerilmelerinde tabakalı akış biçiminde görülmektedir. Taban hareketlerinin heabı için geliştirilmiş bilinen en eki formüller, ürüntü malzemei taşınım miktarının taban kayma gerilmei ile ilişkiine dayanmakta olup [3] ve [4]

3 tarafından formülüze edilmiştir. Bu formüller genel olarak zamanla değişmeyen ve tek yönlü akış durumları için kullanışlı olmaktadır. Oya ekonder akımlar, yatak yükü malzemeinin üniform olmayışı, türbülanın etkii ile gerçekte akım ve ediment taşınım heabı oldukça komplek bir yapıya ahiptir. Daha onraki çalışmalarda; özellikle üniform olmayan ediment hareketi başlangıcı ve miktarının heaplamaında bir çok yöntemlerin geliştirildiği görülmektedir. Bu çalışmalara; Bagnold [5], Hayahi ve diğerleri [6], Cheng ve Chiew [7], Zanke [8], van Rijn [9], Şentürk [10], Miri ve diğerleri [11], Samaga ve diğerleri [12], Patel ve Raju [13] ve Wu ve diğerleri [14] örnek olarak verilebilir. Sediment taşınım miktarının heaplarında akı yükü ve yatak malzemei taşınım yükünün tahmininde birçok amprik fonkiyonların yer aldığı görülmektedir. Akı ve yatak yükünün farklılaştığı noktalar açıkça ortaya konduğu gibi birçok amprik fonkiyonlarla toplam ediment taşınım miktarlarının belirlenebildiği bir çok yaklaşım da literatürlerde görülmektedir. Bu çalışmada Elektrik İşleri Etüt İdarei (EİEİ) tarafından Kızılırmak nehri üzerinde 1501 ve 1539 nolu ölçüm itayonlarında ölçtüğü, toplam akı yükü ediment miktarı değerleri ile literatürlerde yer alan bazı çalışanların pür amprik yaklaşımları ile karşılaştırılmıştır. Kızılırmak nehrinde EİEİ nin direk ölçümlerini temil edebilecek en uygun püramprik yaklaşım belirlenmeye çalışılmıştır. 2. ÇALIŞMA ALANI Türkiye de Kızılırmak Havzaı, Orta Anadolu diye adlandırılan bölgede olup drenaj alanı km 2 dır. Havzaya imini veren Kızılırmak nehri İmranlı ilçeinin doğuunda Kızıldağ'dan ilk kaynaklarını alıp, Bafra deltaında Karadeniz'e ulaşan nehrin uzunluğu 1355 km. dir. Kızılırmak, Karadeniz bölgei volkanik oluşumlarının güneyindeki Kızıldağ'dan doğar. Kızıldağ genelde Andezit ve Bazaltlardan oluşmuştur. Kayeri ve çevreinden oldukça geniş bir alanı kapayan volkanik kayaçlar içinden geçer. Bunlar genel olarak andezit ve tüllerden ibarettir. Volkanik tüllerin dokuu genellikle gevşektir ve Nevşehir in batıına kadar devam eder. Nihayet kendi taşıyıp biriktirdiği Kuaterner'o ait delta ovaından geçerek Bafra burnunda Karadeniz'e ulaşır. Kızılırmak nehri Türküye ınırları içinde doğan ve denize dökülen çok önemli bir akarudur. Diğer akarulardan ayrılan en önemli özelliği, drenaj havzaının değişik formayon içerdiği için ediment taşımını miktarı diğer nehirlere göre farklılaşmaktadır. Bu ebeple çalışmada adece Kızılırmak nehri üzerindeki bazı itayonlarda alınan ölçümler değerlendirmeye alınmıştır. 3. SEDİMENT ÖLÇÜMLERİ Herhangi bir nehir için analitik olarak ediment miktarının heaplanmaı oldukça zor olmaktadır. Genellikle toplam ediment taşınımı miktarı, nehir yatağında hareket eden yatak yükü ve yatağın hemen üzerinden u yüzeyine kadar olan kıımda hareket eden akı yükü şeklinde iki farklı tiptedir. EİEİ Genel Müdürlüğü tarafından 1962 yılından beri akarulardaki Hidrometrik Gözlem itayonlarında düzenli olarak yapılmakta olan eviye ve akım ölçümleri yanında, nehrin

4 değişik eviyelerinde o andaki nehrin keitinden geçen debiyi temil edecek şekilde, genellikle akı yükü ediment örmekleri derinlik yöntemine göre alınmaktadır. Nehir keitinden akı ediment yükü örneklerinin alınmaında, ulular araı tandartlara uygun olan US.DH-48 ve US.D-49 tipi numune alma aletleri kullanılmaktadır [15]. Laboratuarda toplanan örneklere filtrayon yöntemi izlenerek ppm (m 3 /10 6 m 3 ) veya (mg/lt) cininden ediment miktarları tepit edilmektedir. Sediment gözlem itayonlarında aylık olarak toplanan örneklerin ppm değerleri ton/gün değerine dönüştürülmekte ve örneklerin % kil, ilt ile kum içerikleri de belirlenmektedir. Daha onra örneklerin alındığı andaki debi ile ediment miktarı değerlerinin logaritmik tranformayonları kullanılarak her itayon için ediment anahtar eğrii ve denklemi elde edilmektedir [16]. EİEİ tarafından Kızılırmak nehri üzerindeki 1501 nolu Kayeri Yemliha ve 1539 nolu Bulakbaşı ölçüm itayonlarında oluşturulan, ediment anahtar eğrileri ve denklemleri Şekil 1 ve Şekil 2 de, Kırıkkale İl ınırlarına kadar Kızılrmak nehri memba kımının akaru ağı Şekil 3 te görülmektedir [16] İtayonu Q (ton/gün) Q = 1,0619 Q 1,91 R2 = 0, Q (m 3 /n) Şekil 1. Kayeri Yemliha itayonu ediment ölçüm anahtar eğrii 1539 İtayonu Q (ton/gün) Q = 4,7304 Q 1,7392 R2 = 0, Q (m 3 /n) Şekil 2. Bulakbaşı itayonu ediment ölçüm anahtar eğrii

5 Şekil 3. Kızılırmak nehri memba kımı akaru ağı 4. SEDİMENT ÖLÇÜM DATALARININ DEĞERLENDİRİLMESİ Kızılırmak nehri üzerinde 1677 km 2 drenaj alanına ahip Siva-Zara karayolunun 52. km inden Bulakbaşına ayrılan yolun Kızılırmak nehrini ketiği köprüde olan 1539 nolu ve km 2 drenaj alanına ahip Kayeri nin 30 km kuzey batıındaki yamula (Yemliha) kaabaında bulunan 1501 nolu ölçüm itayonlarından EİEİ tarafından alınan datalar çalışmada kullanılmak üzere değerlendirilerek Tablo 1 de özetlenmiştir. Tablo 1. Kızılırmak nehri ölçüm itayonu ediment parametreleri [16] İtayonlar Data ayıları Itayon yükeltileri (m) Membaya olan meafeler (km) Ortalama akım hızları V (m/n) ~ ~ Ortalama akım derinlikleri h (m) 0.21 ~ ~ 4.10 Akım genişlikleri B(m) 3 ~ ~ 94 Sediment dağılımları d i Kum % Silt+Kil % Su ıcaklıkları o C -3 ~ 27-1 ~ 29 Akım debileri Q (m 3 /n) ~ ~ Ortalama akım debileri Q m (m 3 /n) Ortalama ediment taşınımı Q (kg/n) Etkili deranaj alanları A d (km 2 ) Otralama kayma hızları U τ (m 2 /ec) ~ ~ Ortalama kayma gerilmei τ ~ ~ Akış yatağı eğimi S Renold ayıları Re ~ ~

6 EİEİ verilerine göre düzenlenen Tablo 1 deki datalar 1539 ve 1501 nolu itayonlarındaki toplam ediment miktarını veren datalardır. Bu değişken datalardan yararlanılarak akı yükü ediment miktarının analitik yaklaşım Zanke [8], van Rijn [9], Şentürk [10], Samaga ve diğerleri [12], Wu ve diğerleri [14], EİEİ [16] heaplamaları aşağıda verilen bağıntıları yardımı ile yapılmıştır. Zanke yaklaşımına göre akı yükü ediment miktarı; q S = h V V l 4 * 6,36x10 D νt 2 h l ω 1 ε 1 (1) Burada; birim akı yükü ediment miktarı q S, ortalama u derinliği h, malzemeyi akı haline geçirecek akım derinliği h l, ortalama hız V, malzemeyi akı haline geçiren hız V l, çökelme hızı ω, ortalama tane çapı D, uyun kinematik vikozitei ν, amprik büyüklük T* ve ε=0,4 şeklinde temil edilmektedir. van Rijn yaklaşımına göre akı yükü ediment miktarı; q S = F. V. h. Ca (2) Bağıntıda; akı ediment yükü düzeltme faktörü F, ortalama akım hızı V, ortalama u derinliği h ve referan konantrayon Ca şeklindedir. Samaga ve diğerlerinin yaklaşımına göre akı yükü ediment miktarı; q γ S f 1 φ = γ d γ gd (3) Bağıntıda; akı ediment yükünün özgül ağırlığı γ, akaruyun özgül ağırlığı γ f, malzemenin tane çapı d, yerçekimi ivmei g, boyutuz kayma gerilmei τ * ve γ = ( γ γ f ) şeklinde 6 ifade edilmektedir. Ayrıca; boyutuz akı yükü ediment taşınım parametrei φ = 28τ * yardımı ile heaplanarak 3 nolu bağıntıdan q S çekilmelidir. Şentürk yaklaşımına göre akı yükü ediment miktarı; ,49 q S = 2,2x10 D Y (4) 1 2 Q Bağıntıda; ortalama tane çapı D, akaru debii Q ve bağıntı yardımı ile belirlenen heap değeri Y şeklinde ifade edilmektedir.

7 Wu ve diğerlerinin yaklaşımına göre akı yükü ediment miktarı; Q τ V = 0, τ c ω z 1,74 (5) Bağıntıda; keitel akı yükü edimen miktarı Q, ortalama kayma gerilmei τ, kritik kayma gerilmei τ c, ortalama akım hızı V ve Zhang çökelme hızı bağıntıı ω z şeklinde ifade edilmektedir. EİEİ yaklaşımına göre akı yükü ediment miktarı; 1539 nolu itayon için 1,7392 Q = 4,7304Q (6a) 1501 nolu itayon için 1,91 Q = 1,0619Q (6b) Bağıntılarda; ölçüm itayonlarında keitel akı yükü edimen miktarı Q ve ölçüm itayonlarında akaru debii Q şeklinde ifade edilmektedir. Çalışmada 1539 ve 1501 ölçüm itayonundaki toplam 230 adet ölçüm veri takımı kullanılarak, 6 farklı yaklaşıma göre ölçüm itayonlarındaki akı ediment yükleri heaplanmıştır. Analitik olarak heaplanan akı yükü ediment onuçları ile EİEİ nin ediment ölçüm değerleri karşılaştırılmış, hata oranları D r =Q c /Q T şeklinde heaplanmıştır. Burada; Q c heaplanan toplam akı yükü ediment miktarını, Q T itayonlarda ölçülen akı yükü ediment miktarını temil etmektedir. İtayonlarda elde edilen D r onuçlarının % ± 10, % ± 25, % ± 50 ve % ± 75 hata dağılımları, kullanılan 6 farklı yaklaşım için ınıflandırılmış, elde edilen onuçlar Tablo 2a ve 2b de özetlenmiştir. Tablo 2a İtayonu için yöntemlerin karşılaştırılmaı İtayon 1501 Sediment ölçüm değerlerinin hata oranı dağılımları Yöntemler Zanke (1978) van Rijn (1984) Samaga ve diğ.(1986) Şentürk (1999) Wu el al. (2000) EIE (2002)

8 Tablo 2b İtayonu için yöntemlerin karşılaştırılmaı Itayon 1539 Sediment ölçüm değerlerinin hata oranı dağılımları Yöntemler Zanke (1978) van Rijn (1984) Samaga ve diğ.(1986) Şentürk (1999) Wu el al. (2000) EIE (2002) Kızılırmak nehrini Türkiye deki diğer akarulardan ayıran en önemli özellik, drenaj havzaının değişik formayon içermeidir. Drenaj alanının yaklaşık % 60 lık kımını volkanik tüfler oluşturmakta ve bu formayonlardaki yatak malzemei ve havza malzemeinin özgül ağırlığı 1,6 t/m 3 civarında olmaı, diğer kıım ediment malzemeinin özgül ağırlığının 2,6 t/m 3 ortalama değerde olmaı, akı yükü ediment taşımını miktarını diğer nehirlere göre farklılaştırmaktadır. Bu ebeple çalışmada adece Kızılırmak nehri üzerindeki farklı formayonları içeren iki adet itayonlardan alınan ölçümler değerlendirmeye alınmıştır. Sediment miktarının tepitinde kullanılan formüllerde de görülebileceği gibi, her iki itayon içinde % ±10 luk hata yaklaşımı dilimine giren akı ediment miktarı değerleri, ölçüm onuçları ile oldukça ınırlı çakışmaktadır. 5. SONUÇ Akarulardaki akı ediment yükü taşınırlarının heaplanmaında kullanılan yaklaşımlarda benzer büyüklükler göz önüne alındığı halde, olayın mekanizmaı üzerinde birbirinden az çok farklı kabuller yapıldığı için aynı boyutuz büyüklükler araında, şekilleri farklı bağıntılar elde edilmiştir. Sediment yükünün değerlendirilmeinde akım ve tanelerin araındaki komplek ilişkinin bulunmaı, konuyla ilgili kein bir çözüme varılmaını engellemektedir. İleri ürülen bütün teorilerde, denklemlerdeki bazı abitlerin deneyel çalışmalarla bulunmaı gerekmektedir. Ölçüm metotlarının yeterizliği ve değişkenlerin çokluğu formüllerden birini diğerlerine ütün tutmak konuunda karar vermeye yarayacak bilgilerin toplanmaına bugün için imkân vermemektedir. Akarulardaki ediment yükünün heaplanmaında kullanılan literatürlerdeki formüllerin akarulara uygulanmalarındaki başarı derecelerini ıralamak mümkün görünmemektedir. Ancak bu çalışmada kullanılan altı farklı formülün, Kızılırmak nehrinin belirli bir kımı için başarı derecelerini ıralamak mümkün olmaktadır. Sediment ölçüm değerleri ile analitik heaplamalardan elde edilen değerler, % ± 10 luk yaklaşım diliminde değerlendirildiği zaman 1501 itayonu için van Rijn yaklaşımı, 1539 itayonu için Samaga ve diğerlerinin yaklaşımı daha iyi onuç vermektedir. Hata oranının % ± 50 lik diliminde ie 1501 itayonu ve 1539 itayonu için van Rijn yaklaşımı az bir fark da ola diğer yaklaşımlara nazaran iyi onuç verdiği görülmektedir. Bu ebeple Kızılırmak nehri için kullanılan farklı altı analitik yaklaşımı kullanım derecelerine göre ınıflamak oldukça zordur. Fakat hata dilimlerine göre formüllerin öncelikli kullanım ıralamaını yapmak mümkün görünmektedir.

9 6. KAYNAKLAR [1] B. Camenen and M. Laron, 2004, A General Formula for Non-Coheive Bed Load Sediment Tranpot Etuarine Coatal and Shelf Science [2] I. Çelik, and W. Rodi, 1991, Supended Sediment Tranport Capacity for Open Channel Flow, J. of Hydraulic Eng., ASCE, Vol [3] E. Meyer-Peter and R. Müler, 1948, Formula for Bed Load Traport, Hydraulic Structure Reearch, Stockholm, Sweden [4] H.A. Eintein, 1950, The Bed Load Function for Sediment Tranportation in Open Channel Flow, Tech. Bulleten, No. 1026, Dept. of Agriculture. Wahington, D.C. [5] R.A. Bagnold, 1966, An Approach to the Sediment Tranport Problem From General Phyic, U. S. Geological Survey Profeional Paper 444-J. [6] T. Hayahi, S. Ozaki, and T. Ichibahi, 1980, Study on Bed Load Tranport of Sediment Mixture, Proc. 24 th Japanee Conference on Hydraulic [7] N.S. Cheng, and Y.M. Chiew, 1999, Analyi of İnatiation of Sediment Supenion From Bed Load, J. of Hydraulic Eng., ASCE, Vol. 125 [8] U. Zanke, 1978, Zuammenhange Zwichen Strömung und Sediment Tranport, Mitt. De Franziu- Intitut der Univ. Hannover, Nr. 47, Nr. 48, ( In German) [9] L.C. van Rijn, 1984, Sediment Tranport, Part 1: Bed Load Tranport, J. of Hydraulic Eng., ASCE, 110 [10] F. Şentürk, 1999, Bir Akaruyun Taşıdığı Akıdaki Sediment Miktarının Pratik Yoldan Heaplanmaı, DSİ, Teknik Bülteni 94 [11] R.L. Miri, K.G. Ranga Raju and R.J. Garde, 1984, Bed Load Tranport of Coure Nonuniform Sediment, J. of Hydraulic Eng., 110 [12] B.R. Samaga, K.G. Ranga Raju, and R.J. Garde, 1986, Supended Load Tranport Rate of Sediment Mixture, J. of Hydraulic Eng. 112 [13] P.L. Patel and K.G. Ranga Raju, 1996, Fraction Wie Calculation of Bed Load Tranport, J. of Hydraulic Reearch, 34(3) [14] W. Wu, S.Y. Wang and J. Yafei, 2000, Nonuniform Sediment Tranport in Alluvial River, J. of Hydraulic Reearch, Vol. 38 [15] A. Alışık, 1995, Sediment Taşınımı ve Ölçüm Metodları Hidrolik Etüdler Dairei Sediment Etütleri Şubei Müdürlüğü [16] Türkiye Akarularında Sediment Gözlemleri ve Sediment Taşınım Miktarları, 2002, EİE, Elektrik Işleri Etüt Idarei Genel Müdürlüğü, Ankara