BATI AKDENİZ TARIMSAL ARAŞTIRMA ENSTİTÜSÜ AKSU BİRİMİ TOPRAKLARININ TOPRAK-SU KARAKTERİSTİK EĞRİSİ PARAMETRELERİNİN BELİRLENMESİ

Transkript

1 AKDENİZ ÜNİVERSİTESİ ZİRAAT FAKÜLTESİ DERGİSİ, 2005, 8(), 0-06 BATI AKDENİZ TARIMSAL ARAŞTIRMA ENSTİTÜSÜ AKSU BİRİMİ TOPRAKLARININ TOPRAK-SU KARAKTERİSTİK EĞRİSİ PARAMETRELERİNİN BELİRLENMESİ Dusun BÜYÜKTAŞ Feidun HAKGÖREN Akdeniz Ünivesitesi Ziaat Fakültesi Taımsal Yapıla ve Sulama Bölümü, Antalya Özet Topaklada doygun olmayan bölgenin anlaşılması ve iyi yönetimi yealtı sulaının kilenmesinin önlenmesi ve geliştiilmesi için büyük önem az etmektedi. Kullanılan taımsal gübe ve ilaçlaın topağın üst tabakasından ve doygun olmayan bölgeden geçeek ye altı sulaına doğu haeketi sonucu ye altı sulaı kilenme poblemiyle kaşı kaşıya kalmaktadı. Doygun olmayan pooz otamlada su akışı ve kiletici maddelein haeketinin modellenmesinde nümeik modelle yaygın olaak kullanılmaktadı. Su içeiği ile topak suyu basıncı aasındaki ilişkiyi gösteen topak su kaakteistik eğileinin bilinmesi biçok tala çalışmalaında nümeik modellein kullanılabilmesi için büyük önem göstemektedi. Bu çalışmada, topak su kaakteistik eğileinin belilenmesinde yaygın olaak kullanılan Books-Coey ve yaklaşımlaı kullanılaak Batı Akdeniz Taımsal Aaştıma Enstitüsü Aksu biimi (eski adıyla Akdeniz taımsal Aaştıma Enstitüsü) topaklaının su içeiği ile topak suyu basıncı aasındaki fonksiyonel ilişkile belilenmişti. Bu yaklaşımlaın şekil paametelei elde edilmiş ve bunlaın bibiiyle olan ilişkilei idelenmişti. Anahta Kelimele: Topak Su Kaakteistik Eğisi, Books-Coey,, BATEM Detemining Soil-Wate Retention Paametes in the Soils of Aksu Banch of Bati Akdeniz Agicultual Reseach Institute Abstact Undestanding and managing the unsatuated zone is impotant since it is a key facto in the impovement and potection of the quality of goundwate. The migation of pesticides and fetilizes fom agicultual and domestic usage into the topsoil and though the unsatuated zone has signaled the pollution of goundwate. Numeical models ae extensively used in modeling of wate flow and contaminant tanspot in unsatuated poous media. Knowledge of the soil wate etention cuve, expessing the elation between wate pessue head, h, and volumetic wate content, θ, is of pime impotance in many field studies. In this study, two widely used appoaches fo soil wate etention cuves, Books and Coey, and, ae employed to find the functional elationship between soil wate and matic pessue head in the soils of fomely known as Akdeniz Agicultual Reseach Institute, Antalya. The fitting paametes of two appoaches and thei elations with each othe ae deived. Moeove, the constaints on these diffeent fitting paametes ae analyzed. Keywods: Wate etention cuves, Books-Coey,, BATEM. Giiş Topak ve su kaynaklaının kililiği şimdiye kada göülmemiş bi hızla atmaktadı. Kiletilen kaynaklaın yeniden temizlenebilmesi için ise önemli miktalada maddi kaynağa ve zamana ihtiyaç duyulmaktadı. Topak ve ye altı su kaynaklaının kilenmesi, büyük ölçüde, taban suyu ile topak yüzeyi aasında kalan ve doygun olmayan bölge olaak adlandıılan kısımdaki aktiviteleden kaynaklanmaktadı. Kiletici kaynak ye altı sulaına ulaştığında, kililiğin önlenmesi veya temizlenmesi needeyse gei dönülemez bi hal almaktadı (Nielsen ve ak., 986). Bu nedenle, topağın doygun olmayan bölgesi, ye altı su kaynaklaının kilenmesinin önlenmesi veya azaltılmasına yönelik çalışmalada önemli bi yee sahipti. Çeşitli mühendislik ve aaştıma pojeleinde, doygun olmayan koşulladaki topakta su akışının ve kimyasal madde haeketinin modellenmesinde nümeik 0

2 Batı Akdeniz Taımsal Aaştıma Enstitüsü Aksu Biimi Topaklaının Topak-Su Kaakteistik Eğisi Paameteleinin Belilenmesi modellein kullanımı gün geçtikçe atmaktadı. Nitekim Tuli ve Juy (2004), sulu taım yapılan topakladaki tuzlanma sounlaının, bölgesel ve yeel ölçekte yapılacak faklı modelleme statejilei ile önlenebileceğini belitmektedile. Bu tü modellein güvenle kullanılabilmelei için, su akışı ve kiletici haeketini etkileyen topak özellikleinin de doğu bi şekilde belilenmesi geekmektedi. Topaktaki su akışının tanımlanmasında Richads eşitliği yaygın olaak kullanılmaktadı. Bi boyutlu düşey akış için Richads eşitliği aşağıdaki gibi yazılabili (Hillel, 998). θ ( h) h = K( h) K( h) t z z () Eşitlikte; θ hacimsel su içeiğini, h basınç yükünü, K hidolik iletkenliği, z aşağı yön pozitif olmak üzee düşey mesafeyi ve t ise zamanı göstemektedi. Yukaıda veilen Eşitlik in analitik olaak çözülebilmesi veya nümeik modellemelede kullanılabilmesi için iki fonksiyonun bilinmesi geeklidi. Bunla topak su kaakteistik eğisi, θ(h), ve doygun olmayan hidolik iletkenlik, K(h), fonksiyonlaıdı. Topağın hidolik kaakteistik eğileini, basınç yükünün veya su içeiğinin bi fonksiyonu olaak ifade eden çok sayıda ampiik eşitlik geliştiilmişti (Books ve Coey, 964; Campbell, 974; Van Genuchten, 980; Leij ve ak., 997). Bu eşitlikle içeisinde nümeik modellede en yaygın olaak kullanılanlaı Books ve Coey (964) ve (980) taafından geliştiilmiş olanlaıdı. Bu çalışmada, ileide yapılabilecek olan nümeik modellemelede kullanılmak amacıyla, Books-Coey ve Van Genucten yaklaşımlaı kullanılaak Batı Akdeniz Taımsal Aaştıma Enstitüsü (BATEM) Aksu biimi (eski adıyla Akdeniz Taımsal Aaştıma Enstitüsü) topaklaının su içeiği ile topak suyu basıncı aasındaki fonksiyonel ilişkile belilenmiş; bu yaklaşımlaın şekil paametelei elde edilmiş ve bunlaın bibiiyle olan ilişkilei idelenmişti. 2. Mateyal ve Yöntem Çalışmada aaştıma mateyali olaak kullanılan topak öneklei BATEM Aksu biimi topaklaında, D.S.İ (970) taafından yapılmış olan Aşağı Aksu Pojesi Aksu ovası Detaylı Aazi Tasnif Haitasındaki topak sınıflaına uygun olaak beş ayı yede açılan pofilleden alınmıştı. Daha detaylı bilgi Büyüktaş (994) ve Büyüktaş ve Hakgöen (995) den alınabili. Çalışmada kullanılan topak su kaakteistik eğileine ilişkin veile, bozulmamış topak önekleinde 0.00, 0.0, 0.33,.00 atmosfe tansiyonlada pooz levhalı basınç aletinde; bozulmuş topak önekleinde ise 5.00, 8.00 ve 5.00 atmosfe tansiyonlada basınçlı memban aletinde belilenmişti. Su içeiği ile topak suyu basıncı aasındaki fonksiyonel ilişkilei belilemek için kullanılan eşitlikleden Books-Coey (964) eşitliği aşağıdaki şekilde veilmektedi. λ ( h) = θ + ( θs θ )( βh, h θ ) s β > (2) θ ( h) = θ, β h Eşitlikte, θ hacimsel olaak kalıcı (esidual) su içeiğini, θ s doygun su içeiğini, β (mete - ) ampiik şekil katsayısını, λ paçacık büyüklük dağılımını gösteen ve kaakteistik eğinin eğimini etkileyen paameteyi göstemektedi. β genellikle hava giiş (h ae ) veya kabacık basıncı olaak adlandıılmaktadı ( h ae = β ). Efektif doygunluk deecesi ( Se = ( θ θ ) θs θ ) ) cinsinden yazılaak Logaitmik bi kağıda çizildiğinde, eşitlik 2 hava giiş (h ae ) değeinde kesişen iki düz çizgi oluştumaktadı. Bu eşitliğin en büyük dezavantajı, hava giiş değeinde eşitliğin süekli olmamasından dolayı bu noktada tüevinin alınmasında 02

3 D. BÜYÜKTAŞ, F. HAKGÖREN sounlaın olmasıdı. Kullanılan diğe eşitlik ise Van Genuchten (980) taafından öneilen aşağıdaki eşitlikti. n [ + ( αh ] m θ (h) = θ + θ θ (3) ( s ) ) Eşitlikte α (mete - ), n>, ve m = n şekil paameteleidi. Eşitlik 2 ve 3 deki θ, matematiksel olaak, basınç yükü çok büyük olduğunda dθ dh değeinin sıfı olduğu duumdaki su içeiği olup topakta bulunan en küçük su içeiğini yansıtmayabili (Tindall ve Kunkel, 999). Eşitlik 2 ve 3 deki şekil paameteleinin belilenmesi, belili bi topak suyu basıncında tahmin edilen hacimsel su içeiği ile ölçülen su içeiği değei aasındaki fakın minimize edilmesi esasına dayanmaktadı. Bu amaçla çeşitli yazılımla ( ve ak., 99; Acutis ve Donatelli, 2003) geliştiilmiş olmakla beabe, nispeten kolayca ulaşılabilen MS EXCEL pogamı da aynı amaçla kullanılabilmektedi. Bu çalışmada, tahmin edilen ile ölçülen su içeiği aasındaki fakın kaeleinin toplamı, bi başka deyişle Hata Kaele Toplamı (HKT), minimum olacak şekilde MS EXCEL hesap tablosu hazılanaak (Walsh ve Diamond, 995), Books-Coey ( θ, β, λ ) ve ( θ, α, n) şekil paametelei belilenmişti. 3. Bulgula ve Tatışma Topak önekleine ilişkin Van Genuchten ve Books-Coey şekil paametelei Çizelge de veilmektedi. Topak bünyesi genellikle ota ve ağı bünyelidi. paameteleinden kalıcı su içeiği (θ ) 0.00 ile 0.24 aasında, α (mete - ) değelei ile.669 aasında ve n değelei ise.090 ile.605 aasında değişmektedi. Books-Coey paametelei incelendiğinde θ değeleinin 0.00 ile 0.226, β değeleinin.83 ile 2.735, λ değeleinin ise ile aasında değiştiği göülmektedi (Çizelge ). Hata kaele toplamı genellikle eşitliği için daha küçük bulunmuştu. Çok sayıda topak öneklei üzeinde çalışaak yaptıklaı çalışmada, Casel ve Paish (988) 2 faklı topak gubu için otalama paameteleini çıkamışla ve kumlu, tınlı ve killi topak için n paametesinin, sıasıyla 2.68,.56 ve.09; α paametesinin (cm - ) 0.45, ve olduğunu belilemişledi. Bu çalışmada da elde edilen paametele bu sınıla içeisinde bulunmaktadı. Wise ve ak. (994) α ve n nin gözenek büyüklüğü ile ilgili olduğunu ve α ve n küçüldükçe gözenek büyüklüğünün de küçüldüğünü belitmektedile. Büyüktaş ve Hakgöen (995) taafından veilen gözenek büyüklüklei de dikkate alındığında, ota ve ince gözeneklein daha fazla kaba gözeneklein ise az olduğu ve nispeten ota ve ağı topak bünyesi (Çizelge ) belilenen paametelele topak fiziksel özellikleinin uyuştuğu göülmektedi. Coey (994), Books-Coey eşitliğindeki λ paametesinin gözenek büyüklük dağılımı indeksi olduğunu bildimekte ve tipik bi gözenekli otam için bu değein yaklaşık 2 civaında olacağını belitmekle beabe, doğal olaak oluşmuş kumla için bu değein 5-6 civaında ve kil ağılıklı topakla için den de küçük olabileceğini belitmektedi. Topaklaın kil ve silt oanlaın yüksek ve ota ve ince gözeneklein fazla olduğu (Büyüktaş ve Hakgöen, 995) dikkate alındığında den küçük λ değeleinin bulunması (Çizelge ) yukaıdaki açıklamalala uyum içindedi. Ancak, Fuentes ve ak (99), Books-Coey eşitliği için λ değeinin ve eşitliği için ise m ve n çapımının den büyük olması geektiğini, aksi takdide bu eşitliklein kuu topaklada kapille yükselme hesaplamalaında hatalı tahminlee yol açabileceğini bildimektedile. Books-Coey paametesi λ ile Van Genuchten paametesi n aasında n = λ + 03

4 Batı Akdeniz Taımsal Aaştıma Enstitüsü Aksu Biimi Topaklaının Topak-Su Kaakteistik Eğisi Paameteleinin Belilenmesi şeklinde bi ilişki bulunmaktadı (Tindall ve Kunkel, 999). Bibiinden bağımsız olaak belilenen ve Çizelge de veilen λ ve n paametelei incelendiğinde, bu ilişkinin % 5 den daha düşük bi hatayla geçekleştiği göülmektedi. Bu da belilenen paametelein tutalı ve doğu olduğunu göstemektedi. Çizelge de veilen ilgili paametele, eşitlik 2 ve 3 de yeine konulaak elde edilen topak su kaakteistik eğilei, faklı topak tiplei için Şekil de veilmektedi. Elde edilen eğilein ölçülen topak su içeiği değelei ile uyuştuğu göülmektedi. Basınç yükünün m den büyük olduğu duumlada iki yöntem aasında hemen hiç fak olmadığı, iki yöntem aasındaki fakın basınç yükünün m den küçük olduğu, başka bi deyişle topağın doygun veya doyguna yakın olduğu duumlada oluştuğu göülmektedi (Şekil ). Vogel ve ak., (200), topak su kaakteistik eğisinin doygunluğa yakın olduğu kısmında, eğinin şeklindeki küçük değişikliklein nümeik simülasyon sonuçlaını ve kullanılan nümeik metodun kaalılığını önemli deecede etkilediğini ve bu duumun ince bünyeli topakla için daha da önemli olduğunu belitmektedile. BATEM Aksu aaştıma alanı topaklaının da ince bünyeli olduğu göz önüne alındığında, uygun bi topak su kaakteistik eğisinin belilenmesinin önemli olduğu açıkça otaya çıkmaktadı. Russo (988), Books-Coey ve yöntemleini kaşılaştıdığı çalışmasında, yönteminin veilele daha tutalı sonuçla vediğini belitmektedi. Bu çalışmada elde edilen düşük HKT değelei de bunu desteklemektedi (Çizelge ). 4. Sonuç BATEM Aksu biimi topaklaının kaakteistik eğileinin belilenmesinde, nümeik modellede yaygın olaak kullanılan Books-Coey ve eşitlikleinin paametelei belileneek, ileide bu topaklada yapılması muhtemel nümeik simülasyonla için geekli model giiş paametelei belilenmişti. Çizelge. Topak Su Kaakteistik Eğileinin Şekil Paametelei. Pofil No Katman Bünye Doygun (VG) Books-Coey (BC) HKT Deinliği, Su θ α n θ β λ VG BC cm İçeiği, /met θ s e 0-28 CL SCL C C CL CL L L C SC SCL C SCL SCL SCL CL L N 2 HKT = ( θölçülen tah min ) HKT: Hata Kaele Toplamı, θ 04

5 D. BÜYÜKTAŞ, F. HAKGÖREN 000 P, 0-28 cm, CL Books-Coey 000 P3, 0-50 cm, SCL Books-Coey , 0, 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0, 0, 0,2 0,3 0,4 0,5 Topak Su İçeiği, m 3 /m 3 Topak Su İçeiği, m 3 /m P4, 0-40 cm, C Books-Coey 000 P5, 55-0 cm, L Books-Coey , 0, 0,2 0,3 0,4 0,5 0, 0, 0,2 0,3 0,4 0,5 Topak Su İçeiği, m 3 /m 3 Topak Su İçeiği, m 3 /m 3 Şekil. Faklı Topak Bünyelei için Books-Coey ve Paameteleinin Kaşılaştıılması. paameteleinden kalıcı su içeiği (θ ) 0.00 ile 0.24 aasında, α (mete - ) değelei ile.669 aasında ve n değeleinin ise.090 ile.605 aasında değiştiği belilenmişti. Books-Coey paametelei incelendiğinde θ değeleinin 0.00 ile 0.226, β değeleinin.83 ile 2.735, λ değeleinin ise ile aasında değiştiği göülmektedi. Hata kaele toplamı genellikle eşitliği için daha küçük bulunmuştu. Topak 05

6 Batı Akdeniz Taımsal Aaştıma Enstitüsü Aksu Biimi Topaklaının Topak-Su Kaakteistik Eğisi Paameteleinin Belilenmesi bünyesi genellikle ince olduğundan, anılan paametelein kullanımında dikkatli olunması, Fuentes ve ak., (99) taafından veilen kısıtlaı sağlamadığından, nümeik modelleme sonuçlaında az da olsa bi hataya neden olabileceği unutulmamalıdı. Kaynakla Acutis, M., Donatelli, M SOILPAR 2.00: Softwae to Estimate Soil Hydological Paametes and Functions. Euopean J. Agonomy, 8: Büyüktaş, D Akdeniz Taımsal Aaştıma Enstitüsü Topaklaının Sulama Yönünden Bazı Fiziksel ve Hidolik Özelliklei Üzeine Bi Aaştıma. Akdeniz Üniv., Fen Bil. Enst., Yüksek Lisans Tezi, 77 s, Antalya. Büyüktaş, D., Hakgöen, F Akdeniz Taımsal Aaştıma Enstitüsü Topaklaının Sulama Yönünden Bazı Fiziksel ve Hidolik Özellikleinin Belilenmesi. Akdeniz Üniv. Zi. Fak. Degisi, 8(): Books, R.H., Coey, A.T Hydaulic Popeties of Poous Media. Coloado State Univesity Hydology Pape No. 3, 27 s. Campbell, G.S A Simple Method fo Detemining Unsatuated Conductivity fom Moistue Retention Data. Soil Science, 7: Coey, A.T Mechanics of Immiscible Fluids in Poous Media. Wate Resouces Publications, 252 s. Casel, R.F., Paish, R.S Developing Joint Pobability Distibutions of Soil Wate Retention Chaacteistics. Wate Resouces Reseach, 24(5): D.S.İ Aşağı Aksu Pojesi Aksu Ovası Detaylı Aazi Tasnif ve Sağ Sahil Denaj Rapou Cilt II. DSİ Gn. Md. Etüd Rapolaı No:7-569, Ankaa. Fuentes, C., Havekamp, R., Palange, J.Y., Butsaet, W., Zayani, K., Vachaud, G. 99. Constaints on Paametes in Thee Soil-Wate Capillay Retention Equations. Tanspot in Poous Media, 6: Hillel, D Envionmental Soil Physics. Academic Pess, London, 77 s. Leij, F.J., Russel, W.B., Lesch, S.M Closed-fom Expessions fo Wate Retention and Conductivity Data. Gound Wate, 35: Nielsen, D.R.,, M.Th., Bigga, J.W Wate Flow and Solute Tanspot Pocesses in the Unsatuated Zone. Wate Resouces Reseach, 22(9): 89S-08S. Russo, D Detemining Soil Hydaulic Popeties by Paamete Estimation: On the Selection of a Model fo the Hydaulic popeties. Wate Resouces Reseach, 24: Tindall, J.A., Kunkel, J.R Unsatuated Zone Hydology fo Scientists and Enginees. Pentice Hall, Inc., New Jesey, 624 s. Tuli, A., Juy, W.A Modeling Appoaches to Salt Management Poblems in Iigated Agicultue: A Review. Tuk. J. of Agic. and Fo., 28: , M.Th A Closed Fom Equation fo Pedicting the Hydaulic Conductivity of Unsatuated Soils. Soil Sci. Soc. Am. J., 44: , M.Th., Leij, F.J., Yates, S.R. 99. The RETC Code fo Quantifying the Hydaulic Functions of Unsatuated Soils. USDA-ARS, Riveside, 85 s. Vogel, T.,, M.Th., Cisleova, M Effect of the Shape of the Soil Hydaulic Functions nea Satuation on Vaiably-Satuated Flow Pedictions. Advances in Wate Resouces, 24: Walsh, S., Diamond, D Non-linea Cuve Fitting Using Micosoft Excel Solve. Talanta, 42: Wise, W.R., Clement, T.P., Molz, F.J Vaiably Satuated Modeling of Tansient Dainage: Sensitivity to Soil Popeties. J. of Hydology, 6: