Bahar. Hidroloji. Yrd. Doç. Dr. Burhan ÜNAL. Yrd. Doç. Dr. Burhan ÜNAL Bozok Üniversitesi n aat Mühendisli i Bölümü.

Transkript

1 Hidrlji Yrd. Dç. Dr. Burhan ÜNL Bzk Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi İnşaat Mühendisliği Bölümü Yzgat 2 Hidrlji Bölüm-1 Hidrljinin Tanımı ve Önemi Bölüm-2 Yağışlar (recipitatin) Bölüm-3 Buharlaşma (Evapratin) Bölüm-4 Sızma (Infiltratin) Bölüm-5 Yeraltı Suyu (Subsurface Water) Bölüm-6 karsu kımları (Streamflw) Bölüm-7 Yüzeysel kış (Surface Runff) Bölüm-8 Hidrgraf nalizi (Unit Hydrgraph) Bölüm-9 Taşkın Ötelenmesi (Fld ruting) Bölüm-10 İstatistiğin Hidrljide Uygulamaları

2 3 YĞIŞ tmsferden katı yada sıvı halde yeryüzüne düşen sulara yağış denilir. Sıvı haldeki yağış yağmur şeklindedir, katı haldeki yağış ise kar, dlu, çiğ, kırağı şekillerinde labilir. Yağışın Meydana Gelmesi İçin Gerekli Şartlar 1) tmsferde yeterince su buharı bulunmalıdır. 2) Hava kütlesi sğumalıdır. Hava sğuyunca, su buharı taşıma kapasitesi de azalır. Belirli bir sıcaklıktan snra da su buharı sıvı haline gelir. 3) Yğunlaşma lmalıdır. Yğunlaşma layı, "yğunlaşma çekirdeği" adı verilen çk küçük tzlar üzerinde gerçekleşir. 4) Yeryüzüne düşebilecek irilikte (yaklaşık 1 mm) damlalar luşmalıdır. Bu ya üzerinde su buharının yğunlaşabileceği buz kristallerinin varlığıyla ya da küçük damlacıkların çarpışarak birleşmesi snunda labilir. 4 Yağış Tipleri 1. Knvektif yağış: Yeryüzüne yakın hava fazla ısınırsa yükselir. Bu özellikle etrafı dağlarla çevrili bölgelerde yaz aylarında görülür. Yağış yerel, kısa süreli ve şiddetlidir. İç nadlu Bölgesinde yaz akşamlarında görülen sağanakların nedeni budur.

3 5 Yağış Tipleri 2. Orgrafik Yağış: Nemli bir hava kütlesi bir dağ dizisini aşmak için yükselirken sğur ve rgrafik yağışa yl açar. Ülkemizde denize paralel dağ sıralarının (Kuzey nadlu dağları, Trslar) denize bakan yamaçlarında denizlerden gelen nemli ve sıcak hava kütleleri bu şekilde yağış bırakır. Orgrafik yağış alan bölgelerde arazi ktu ile yağış yüksekliği arasında bir ilişki vardır. 6 Yağış Tipleri 3. Depresynik (Siklnik) Yağışlar: Bir sıcak hava kütlesi ile bir sğuk hava kütlesinin düşey bir cephe byunca karşılaşmaları halinde; sıcak hava yukarıya, sğuk havada aşağıya dğru hareket eder. Böylece sıcak havanın yukarıda sğuması ile luşan depresynik (siklnik, cephe) yağışlar, rta şiddette ve uzun süreli lup ldukça geniş alanlarda etkili labilirler. Yurdumuzda meydana gelen yağışların çğu bu şekildedir. Sıcak Hava Sğuk Hava Sğuk Hava Sıcak Hava Sıcak Çephe Yağışı Sğuk Çephe Yağışı

4 7 Depresynik (Siklnik, Çephe) Yağış Knvektif yağış S O Ğ U K Güneşin ısıtmış lduğu yeryüzeyinden sıcak nemli hava yükselir. Orgrafik Yağış 8 Yağışın Ölçülmesi Yatay bir yüzeye düşen ve düştüğü yerde kalarak biriktiği kabul edilen su sütununa "yağış yüksekliği" adı verilir ve genellikle mm cinsinden ifade edilir (1mm = 1 kg/m 2 ).

5 9 Yağmurun Ölçülmesi a) Yazıcı Olmayan Ölçekler (lüviymetre) Düşey kenarlı bir kap En çk kullanılan plüviymetre tipi, 20 cm çaplı bir silindir şeklindedir. Okuma hassasiyetini artırmak için, bu silindirden daha küçük ikinci bir silindir iç kısma yerleştirilmiştir. lüviymetreler, yalnızca belirli bir zaman aralığındaki tplam yağış yüksekliğini verirler, yağış yüksekliğinin zamanla değişimini kaydedemezler. 10 Çeşitli lüviymetreler

6 11 Çeşitli lüviymetreler 1 Direk 2 Tplama Kabı 3 Galvanizli metal Yüzey 4 Huni 5 Çelik başlık 12 Yağmurun Ölçülmesi a) Yazıcı Ölçekler (lüviygraf) Bunlar, yağış yüksekliğinin zamanla değişimini kaydederler. 1. Tartılı plüviygraflar: Yağmur, alt tarafına yay mnte edilmiş bir kvada tplanır; yağmur yağdıkça kva ağırlaşarak aşağı dğru hareket edip dönen bir kâğıt şerit üzerindeki yazıcı ucu hareket ettirir ve böylece yağış yüksekliğinin zamanla değişimi kaydedilir. Bu sistemle, ldukça hassas ve dğru ölçümler yapılabilir. Türkiye'de en yaygın larak kullanılan plüviygraf tipidir.

7 13 Yağmurun Ölçülmesi a) Yazıcı Ölçekler (lüviygraf) 2. Devrilen kvalı plüviygraflar: Giriş kabına yağan yağmur küçük bir kvada tplanır. Kva dlunca devrilir ve her devrilme ile yazıcı bir uç kâğıt şerit üzerinde hareket eder. Bir kvacık devrilince yerine bir diğeri geçerek dönel şerit üzerinde basamaklı çizgiler elde edilir. Hassasiyeti daha azdır. 3. Şamandıralı plüviygraflar: Kaptaki su seviyesinin yükselmesi ile su yüzeyinde bulunan bir şamandıra (yüzgeç), yazıcı bir ucu hareket ettirerek kâğıt şerit üzerinde yazı yazmasını sağlar. 14 Çeşitli lüviygraflar Tartılı plüviygraf

8 15 Çeşitli lüviygraflar 1- Huni 2- Şamandıra 3- Sifn 4- Kaydedici uç 5- Kayıt şerit 6- Saat mekanizması Şamandıralı plüviygraf 16 Çeşitli lüviygraflar 1 Tplama hunisi 2 Devrilebilen kva 3 Elektrik sinyal 4 Tahliye brusu Devrilen kvalı plüviygraf

9 17 Çeşitli Yağış Ölçerler Devrilen kvalı plüviygraf 18 Çeşitli Yağış Ölçerler 20 cm Çap plüviymetre

10 19 Çeşitli Yağış Ölçerler 20 Çeşitli Yağış Ölçerler yrıca, radarlar yardımıyla da yağmur ölçümleri yapılmaktadır.

11 NEXRD NEXt generatin RDar (sn jenerasyn radar): hava bilgilerini elde etmek için kullanılan bir radar çeşididir. Radar, düşen bir yağmur damlasına çarpıp dönen bir sinyal yayar. Radar geri dönen sinyalden yağışın şiddetini hesaplar ve yağışın meydana gelme zamanını verir. NEXRD Kulesi NEXRD ın çalışması 22 Hava / İklim İstasynu Ölçümler Rüzgar hızı ve yönü Yağış Rölatif nem ve Sıcaklık Radyasyn

12 23 Hava ölçüm İstasynu bileşenleri nemmetre lüviygraf Radimeter Rölatif Nem ve Sıcaklık Ölçer 24 El nmetresi

13 25 Karın Ölçülmesi Yağmur ölçekleri veya kar yastıkları kullanılır. Karın dnmasını önlemek için ölçüm aletine kalsiyum klrür veya etilen glikl gibi antifriz maddeler knur. Karın erimesiyle luşacak akış miktarını hesaplamak için karın su eşdeğerinden yararlanılır. Karın su eşdeğeri: Kar eridiğinde luşacak su miktarının su yüksekliği cinsinden değeridir. Karın yğunluğu ile kar yüksekliğinin çarpımına eşittir. Yeni yağmış karın yğunluğu 0.1, eski (sıkışmış) karın yğunluğu ise arasındadır. 26 Kar Yastıkları nten aslanmaz dört çelik panel birbirine bağlanır ve antifriz slüsynu ile dldurulur. Kar suyunun ağırlığı veri dönüştürücüye sinyal gönderen basınç ölçerin akışkanına etki eder Yağmur Ölçer Termmetre Basınç Ölçer

14 27 Kar Yastıkları 28 Ölçüm Hataları a. Rüzgâr tesiri: Rüzgâr nedeniyle, yağışın bir kısmının ölçeğe girmesi engellenir. Bunu önlemek için, yağış ölçeği rüzgâr etkisinden uzak bir yere knur; ayrıca rüzgâr perdeleri de kullanılabilir. b. Ölçeğin etrafındaki engeller: Yağış ölçeğinin etrafındaki ağaç, bina gibi yüksek engeller, dğru ölçüm yapılmasına mani lur. Tedbir larak, ölçeklerin, engel yüksekliğinin en az iki katı uzağına yerleştirilmesi gerekir. c. Ölçek kabında buharlaşma: Tedbir larak, su yüzeyinde ince bir yağ tabakası teşkil edilir. d. Civardan sıçrayan damlalar: Ölçek, yerden en az 1 m yükseğe yerleştirilmelidir.

15 29 Ölçüm Hataları 30 Yağış Ölçekleri ğı Yağışın yerel dağılımının öğrenilebilmesi için bir ölçüm ağının kurulması gerekir. Özellikle dağlık bölgelerde yağış miktarı ve şiddeti hızla değiştiğinden, bu yerlerde ldukça sık bir ölçüm ağı kurulmalıdır. Dünya Meterlji Teşkilatı, (WMO), ptimum ölçek sıklığı larak, düz bölgelerde km 2 de, dağlık bölgelerde ise km 2 de bir ve ayrıca en çk 500 m kt farkıyla ölçek yerleştirilmesini tavsiye etmektedir. Türkiye'de ölçümler DMİ ve DSİ tarafından yapılmaktadır.

16 Yağış Verilerinin nalizi 31 Tanımlar a) Yağış süresi (t): Bir yağışın başlama anı ile sna erişi arasında geçen süredir. b) Tplam yağış eğrisi: Yağış kayıtları düzenlenerek, tplam yağış () rdinatta, zaman (t) apsiste lmak üzere tplam yağışın zamanla değişimini veren grafiğe "tplam yağış eğrisi" denir. Yağışın zaman içerisindeki değişimini, artışını, azalmasını, durmasını gösteren diyagramdır. 32 Yağış Verilerinin nalizi c) Yağış şiddeti (i): Birim zamanda düşen yağış yüksekliğine "yağış şiddeti" denir. Birimi [mm/saat], [cm/saat]. i = d / dt Δ / Δt Hafif yağışlarda 1 mm/saat, şiddetli yağışlarda mm/saat labilir. d) Hiyetgraf: Yağış şiddetinin zamanla değişimini gösteren grafiğe "hiyetgraf" denir. Yağış şiddeti (i) rdinatta, zaman (t) apsiste gösterilir. e) Yağış frekansı: Belirli bir şiddetteki bir yağışın belli bir zaman süresi içinde (1 yıl, 10 yıl, 50 yıl vb.) luşma sayısına "yağış frekansı" adı verilir.

17 33 Örnek Bir yağış sırasında aşağıda görülen yağış miktarları kaydedilmiştir. Buna göre tplam yağış eğrisini ve yağış hiyetgrafını çiziniz. t (saat) (mm) Çözüm t (saat) (mm) (mm) Tplam Yağış Eğrisi t (saat)

18 35 Çözüm t (saat) (mm) t i (mm/saat) İ (mm/saat) Yağış Hiyetgrafı t (saat) 36 Verilerin Hmjen Hale Getirilmesi Bir yağış ölçeğinin yer veya knumunda, ölçme yönteminde veya çevre şartlarında yapılan değişiklikler snucu, bir istasynda ölçülen eski ve yeni yağış değerleri arasındaki hmjenlik bzulmuş labilir. Hmjenliğin bzulup bzulmadığını belirlemek ve bzulmuşsa hmjenliğini sağlamak için "çift tplama yağış yöntemi" kullanılır. Yıllık yağış rt. kullanılarak kümülatif (eklenik) grafik çizilir ve eğimde kırıklık aranır...

19 37 Verilerin Hmjen Hale Getirilmesi Bu verileri hmjenleştirmek için, yıldan önceki veriler, kırıklığın lduğu nktadan önceki dğrunun eğiminin (m 1 ) kırıklıktan snraki dğrunun eğimine (m 2 ) ranı (m 1 /m 2 ) ile çarpılır Bu yöntem, yalnızca yağışlar için değil, her türlü hidrljik veriler için de kullanılabilir. 38 Verilerin Hmjen Hale Getirilmesi Hmjenliğin bzulmuş istasynun yıllık rtalama yığışımlı yağışları Hmjenliğin bzulduğu nkta 1 m 1 1 m 2 Tüm istasynlarının yıllık rtalama yığışımlı yağışları

20 Örnek Bir akarsu havzasındaki 10 yağış ölçeğinde yılları arasında ölçülen yıllık yağış yükseklikleri tablda gösterilmiştir. 8 numaralı ölçekteki kumaların hmjenliğinden şüphe edilmektedir. a) Çift tplam yağış eğrisi metdu ile numaralı ölçeğin hmjenliğini kntrl ediniz. Ölçeğin knumundaki değişme hangi yılda lmuştur? b) 8 numaralı ölçekte bu yıldan önceki kumaları hmjen hale getiriniz. Örnek yılları arasında ölçülen yıllık yağış yükseklikleri YIL

21 Çözüm İlk adımda datalar yeniden eskiye dğru sıralanır. Yeniden sıralanmış datalar YIL Çözüm İkinci adımda hmjenliğinden şüphe edilen ölçek kumalarının ve diğer ölçek kumalarının rtalama değerlerinin kümülatif tplamları hesaplanır. Yeniden sıralanmış datalar 8 8 rt (diğer 9 ölçek) rt (diğer 9 ölçek)

22 Çözüm Üçüncü adımda bu kümülatif değerlerin grafiği çizilir ve hmjenliğin bzulduğu yıl belirlenir. Grafikten hmjenliğin bzulduğu yıl, 1955 lduğu görülmektedir. Bu aşamada eğimler regresyn ile hesaplanır veya tan y x y 2 1 x 2 1 denkleminden hesaplanır Çözüm 8 ölçek kumalarının ve diğer ölçek kumalarının rtalama değerlerinin kümülatif tplam grafiği

23 Çözüm b) eğim k eğim Hmjen hale getirilmiş 8 kumaları YIL 8 Hmjen Hale Getirilmiş Değerler k.8 (cm) Hmjen Hale Getirilmiş Değerlerin Eksik Verilerin Tamamlanması Bir istasyndaki kayıtların bir kısmı eksik ise, bu eksik verileri tamamlamak için yakında bulunan üç kmşu istasynun kayıtlarından faydalanılır. En yakın üç ölçekteki yıllık rtalama yağış yükseklikleri N,N B,N C ve eksik lan yağışa karşı gelen yağış yükseklikleri, B, C ise yıllık rtalama yağış yüksekliği N X lan ölçekteki bilinmeyen X yağışı 1 NX NX NX 3 N NB NC X B C

24 47 Eksik Verilerin Tamamlanması Eğer N,N B ve N C değerlerinin N X farkları %10 dan az ise dğrudan aritmetik rtalama kullanılabilir. X B C 3 48 Eksik Verilerin Tamamlanması Eksik verileri tamamlamak için diğer bir frmül 1 X 4 i1 4 i1 D 1 D i 2 i 2 i 2 D 2 X D 1 3 D 3 D 4 i : Kayıtları eksik lan ölçeğe göre herbiri ayrı bir çeyrek düzlemde bulunan en yakın dört ölçekteki yağış yükseklikleri 4 D i : bu ölçeklerin kayıtları eksik lan ölçeğe uzaklıkları

25 49 Örnek Yıllık rtalama yağış yükseklikleri ve bir yağış sırasında ölçülen yağış yükseklikleri verilmiştir. Ölçümü yapılmamış X istasynun yağış yüksekliğini belirleyiniz. İstasyn Yıllık Ortalama Yağış Yüksekliği, N i (mm) Yağış Yüksekliği, i (mm) B C X 600? 50 Çözüm İstasyn Yıllık Ortalama Yağış Yüksekliği, N i (mm) Yağış Yüksekliği, i (mm) B C X 600? N N %10N 60 X X N X N %10 N X den büyük lduğu için B 1 NX NX N X X B C N NB NC X 45.2 mm

26 51 Ortalama Yağış Yüksekliğinin Hesabı Bir bölgedeki çeşitli nktalarda yağış gözlemleri yapılmışsa, bölgenin rtalama yağış yüksekliği çeşitli yöntemlerle hesaplanabilir. Burada en çk uygulanan üç yöntem açıklanacaktır. Bir bölgenin rtalama yağış yüksekliği şöyle tanımlanır: r d. r N i1. i i Burada: i her istasynun yağış değeri, i istasynun temsil ettiği alan, tplam alandır. 52 a. ritmetik Ortalama Yöntemi - Bu yöntemde, bölge içindeki tüm istasynların değerlerinin rtalaması alınarak 1 bölgenin rtalama yağış yüksekliği bulunur. - Çk basit lan bu yöntem, dağlık 2 bölgelerde ve şiddetli yağışlar sırasında uygulanamaz. Çünkü bu durumlarda yağış şiddeti çk kısa mesafelerde hızla değişebilir. 3 - Yağış ölçeklerinin ldukça ünifrm lduğu 500 km 2 den küçük bölgelerde bu yöntem uygulanabilir. 1 n i n i 1 = 10 mm = 20 mm = 30 mm mm

27 53 b. Thiessen Yöntemi Bölgedeki yağış istasynlarının dağılımı ünifrm değilse bu yöntem, uygulanır. Bölge içinde lmayan yakındaki yağış istasynlarının verileri de kullanılabilir. Birbirine yakın istasynlar dğru parçalarıyla birleştirilir; bu dğru parçalarından rta dikmeler çıkılarak her bir istasyna ait bir çkgen (Thiessen Çkgeni) teşkil edilir. Her bir çkgenin sınırladığı alanın istasynla temsil edildiği varsayılarak ve rt. yağış eşitliği yardımıyla rtalama yağış Yüksekliği hesaplanır.

28 lanımetre Tipik düzensiz alan Düzensiz gemetriye sahip alanların hesaplanmasında planımetre kullanılır

29 57 c. İzhiyet Yöntemi Bu yöntem, özellikle dağlık bölgelerde iyi snuçlar verir. Yağış yüksekliği aynı lan nktaları birleştiren izhiyetler (eş yağış yüksekliği eğrileri) çizilir. İki ardışık izhiyet arasındaki alanda yağış yüksekliğinin, izhiyetlerin değerlerinin rtalamasına eşit lduğu varsayılarak rtalama yağış yükseklik eşitliğiyle bulunur. n i i i F B 7.0 C a 2 a 1 D a a a 4 3 E

30 Örnek şağıda yıllık yağış yükseklikleri verilen havzanın rtalama yağış yüksekliği Thiessen metdu ile bulunuz 1 1 = 10 mm, 2 = 20 mm, 3 = 30 mm 1 1 = 12 km = 15 km = 20 km 2 alanları Thiessen metdu ile belirlenir mm Örnek şağıda yıllık yağış yükseklikleri verilen havzanın rtalama yağış yüksekliği Thiessen metdu ile bulunuz Yağış Ölçeği Yıllık Yağış Yüksek. (mm) Maden Dicle rıcak Yayla Ergani alu Elazığ Gökdere Lice Hani Mermer 740.4

31 Çözüm Thiessen metdu ile alanlar belirlenerek yıllık rtalama yağış yüksekliği Yağış ölçeği i (mm) i (km 2 ) i. i Maden Dicle rıcak Yayla Ergani alu Gökdere Lice Hani Mermer TOLM rt mm Örnek Şekillerde görülen ölçeklerde iki günlük yağış kumaları ve izhiyet eğrileri arasında kalan alanlar aşağıda verildiğine göre havzanın rtalama yağış yüksekliği izhiyet metdu ile bulunuz İzhiyet (mm) (km 2 ) >

32 Çözüm Thiessen metdu alanlar belirlenerek Yıllık rtalama yağış yüksekliği İzhiyetler (mm) i i. i (mm) (km 2 ) i n i i i rt mm Tplam Yağış Yüksekliği-lan-Süre (--t) nalizi Bir yağış sırasında yağış yüksekliğinin yerel dağılımını belirlemek için eş yağış eğrileri çizilir. Yağış merkezinden uzaklaştıkça yağış yüksekliğinde bir azalma lur. Bu azalma ranı, yağış süresi ile ters yönde değişir. Yani, kısa süreli bir yağışın yerel değişimi, uzun süreliden daha fazladır.

33 65 Yağışın Yerel Dağılımı Hrtn Frmülü e k n : Merkezdeki yağış yüksekliği : Yağış alanı : lanı lan bölgedeki yağış yüksekliği k ve n: her yağış süresi için belirlenen sabitlerdir. Yağış Yüksekliği-Süre- Tekerrür (-t-t) nalizi Bir havzadaki veya bölgedeki çeşitli tekerrür süreli (T), yağış yüksekliklerinin (), yağış süresi (t) ile değişimini belirlemek için, yağış yüksekliği-yağış süresi-tekerrür süresi arasındaki ilişkiler belirlenir. Yağış yüksekliği-süre-tekerrür analizine benzer larak, yağış yüksekliği yerine yağış şiddeti dikkate alınarak, yağış şiddeti-süretekerrür (i-t-t) analizleri yapılabilir 66

34 67 Yağış Yüksekliği-lan-Süre (--t) Eğrileri 68 Muhtemel Maksimum Yağış Bir havzada belli bir yağış süresi için fiziksel larak mümkün labilecek en büyük ve aşılması ihtimali çk küçük lan yağışa "Muhtemel Maksimum Yağış" adı verilir. Bu yağış, özellikle, yıkılması halinde çk büyük can ve mal kaybına yl açabilecek barajların dlu savaklarının byutlandırılmasında dikkate alınır. Muhtemel maksimum yağışın tahmin edilmesi çalışmalarında meterlji uzmanlarıyla işbirliği yapılmalıdır. Muhtemel maksimum yağışın hesabında kullanılan yöntemler ikiye ayrılırlar: a. Fiziksel Yöntemle Muhtemel Maksimum Yağış Hesabı [Havzada mevcut veya diğer bir havzadan taşınan yağış değerleri, çeşitli tekniklerle büyütülerek, havzada labilecek en büyük yağış tahmin edilir (maksimizasyn)] b. İstatistik Yöntemle Muhtemel Maksimum Yağış Hesabı İkinci yöntemin uygulaması ldukça klay lmasına karşılık, elde edilen snuçlar fiziksel yöntem ile elde edilenlerden daha hatalı lmaktadır.