HİDROLOJİ DERS NOTLARI

Transkript

1 Balıkesir Üniversitesi İnşaat Mühendisliği Bölümü HİDROLOJİ DERS NOTLARI Yrd. Doç. Dr. Umut OKKAN Hidrolik Anabilim Dalı

2 Balıkesir Üniversitesi İnşaat Mühendisliği Bölümü Bölüm 6 nin Analizi nin Analizi

3 Akarsu Akımını Etkileyen Faktörler: Akarsu akımını (debisini) etkiyen faktörler iklimsel ve fiziksel olarak iki grupta ele almak mümkündür. İklim faktörleri yağış, buharlaşma ve terleme (evapotranspirasyon) gibi unsurların özelliklerini kapsamaktadır. Fiziksel faktörler ise yağış alanının özelliklerine (büyüklük, biçim, yön, yükseklik, arazi örtüsü, zemin cinsi, jeolojisi ) ve akarsu yatağının kesit biçimi, büyüklüğü, eğimi, pürüzlülüğü, uzunluğu, yan kolları, kabarma etkileri gibi özelliklerine bağlı olmaktadır.

4 Akım (Debi) Ölçümü: Hidrolojinin akım ölçmeleri ile ilgilenen koluna Hidrometri denir. Küçük debileri savaklar, orifisler, Parshall savağı (flum) gibi tesislerle ölçmek mümkündür. Flumlerde amaç bir kanalda veya akarsu yatağındaki suyun hızını arttırarak düzgün bir akış kesiti profili yaratmak ve su seviyesini okuyarak debiyi tespit etmektir. Flumlerde suyun hızı, kanalın yan duvarları birbirine yakınlaştırılarak ve/veya tabanın belli bir mertebede yükseltilmesi ile arttırılır.

5 Akım Ölçümü (devamı): Akarsularda çoğunlukla karşılaşıldığı gibi büyük debileri ise akım gözlem istasyonları (AGİ) kurarak, akarsu kesitinin çıkartılması ve akış hızının ölçülmesi esasına dayanan hidrometrik yöntemlerle saptamak gerekmektedir. Su seviyelerinin zamana göre sürekli ve güvenilir şekilde ölçülmesi istendiğinde, limnigraf denilen yazıcılı seviye ölçme aletleri kullanılmaktadır. Limnigrafa takılı seviye kaydı yapan cihaz Ülkemizdeki bazı akım gözlem istasyonlarından görüntüler

6 Elektronik Limnigraflar su seviye ölçümlerini otomatik olarak hafızasına kayıt etmekte, bilgileri hafızasında depolamaktadır. Bu datalar istenildiğinde limnigraftan PC'ye transfer edilmekte, datalar MS-Excel ortamında tablolar ve grafik halinde değerlendirilebilmektedir.

7 Akım Ölçümü (devamı): Su seviyeleri yazıcısı olmayan ölçerler olan limnimetreler ile de belirlenebilmektedir. Bunlardan en basiti akarsu yatağına konmuş santimetre bölmeli eşelli metal çubuklardır. (Limnigrafa kıyasla daha ilkel bir yöntem) Eşelin günde bir kez okunması halinde günlük ortalama seviye: Eşelin günde 2 kez okunması halinde günlük ortalama seviye: h i, ort ( h 13h 4 h ) i 1 i i 1 18 h i, ort ( h 5h 5 h h ) i 1,16 i,8 i,16 i 1,8 12 Eşeller ile günde tek okuma yapıldığında saat 8 de, çift okuma yapıldığında saat 8 ve 16 da su seviyeleri ölçülmektedir.

8 Hidrometri İstasyonları Ağı Ülkemizde 1000 e yakın AGİ mevcut km 2 de bir AGİ kurulması önerilmektedir. Baz Sekonder (tali) Geçici Veriler DSİ den istenen su yılları için temin edilebilir. Su yılı bir önceki takvim yılının 1 Ekim inden başlayıp o yılın 30 Eylül üne kadar sürer.

9 523 - GEDİZ NEHRİ - ACISU YERİ : ( 28 43' 18' ' D ' 26' ' K ) Kula - Selendi k aray olu üz erindek i Gediz Köprüs ünün 2 km m an s abında A c ıs u y ak ınındadır. YAĞIŞ ALANI : km² YAKLAŞIK YÜKSELTİ : 365 m SU YILI : SU YILINDA ORTALAMA AKIM : SU YILINDA EN ÇOK AKIM : SU YILINDA EN AZ AKIM : 1970 GÖZLEM SÜRESİ : ( Yıl ) 20.7 m³/s GÖZLEM SÜRESİNDE ORTALAMA AKIM : 20.7 m³/s 440. m³/s GÖZLEM SÜRESİNDE EN ÇOK AKIM : 773. m³/s m³/s GÖZLEM SÜRESİNDE EN AZ AKIM : m³/s SEVİYE ÖLÇEĞİ : Eşel-Limnigraf SEDİMENT : V ar SU KALİTESİ : V ar EK BİLGİLER : A k ım ın 125 m 3/ s n. ye k adar olan k ıs m ı iy i üs t ü k at ' i değildir. Yıl iç inde 2 ay rı anaht ar eğris i k ullanılm ış t ır ile ile ile günleri aras ında ş if t t at bik edilm iş t ir. 14 Nolu Akım Anahtar Eğrisi ( Seviye cm - Akım m³/s ) Seviye Akım Seviye Akım Seviye Akım Seviye Akım Ekim 1969' dan 30 Eylül 1970' a Kadar Günlük Ortalama Akımlar ( m³/s ) GÜN / AY EKİM KASIM ARALIK OCAK ŞUBAT MART NİSAN MAYIS HAZİRAN TEMMUZ AĞUSTOS EYLÜL

10 Seviye Akım Seviye Akım Seviye Akım Seviye Akım Nolu Akım Anahtar Eğrisi ( Seviye cm - Akım m³/s ) Ekim 1969' dan 30 Eylül 1970' a Kadar Günlük Ortalama Akımlar ( m³/s ) GÜN / AY EKİM KASIM ARALIK OCAK ŞUBAT MART NİSAN MAYIS HAZİRAN TEMMUZ AĞUSTOS EYLÜL

11 Az önce bahsettiğimiz AGİ ler sadece seviye ölçümü yaparlar. Akarsuyun debisinin hesaplanması için önce kesitinin profilinin çıkartılması ve akarsu kesitinin belirli noktalarında hız ölçümü yapılması gerekmektedir. Akarsulardaki hız ölçümlerinde, bir pervanenin belli süredeki devir sayısına göre akış hızını veren muline denilen aletler kullanılmaktadır. Bazı muline hız ölçüm setleri Muline suya girerek veya belli bir mesafeden rijit bir sapla suya daldırılarak kullanılabilir. V= a + b.n n ile V akım hızı arasında doğrusal bir bağıntı vardır Pervanenin su içinde dönüşüyle belirlenen devir sayısı (n) irtibat kablosu ile numaratöre iletilir.

12 Akış hızı muline dışında akustik doppler cihazları ile de ölçülebilmektedir. Herhangi bir ip, halat veya kabloyla köprü gibi yapılardan akarsuyun içerisine daldırılabilir.

13 Akarsu enkesitinin profili çıkarıldıktan sonra herhangi bir düşey kesitte ortalama hızı temsil edebilmek için, derinliğin %60 ında tek hız ölçümü (genelde derinlik 0.5 m'den az ise) veya derinliğin %20 ve %80 inde iki hız ölçümünün ortalamasını kullanmak uygun olmaktadır. i kesitteki dilim adedi olmak üzere toplam dilim adedi Q = (V *A ) i=1 i i Yukarıdaki akarsu enkesiti örneğinde debi: ( V V ) ( V V ) Q A * V A * A * A * V

14 Çok türbulanslı akımlarda, çok yüksek (7 m/s den fazla) ya da çok düşük hızlarda, akarsuda fazla katı madde hareketi bulunması halinde ve buz örtüsü altında muline ile ölçüm zor olduğundan debiyi ölçmek için enjeksiyon yöntemi kullanılabilir. Enjeksiyon mansaptaki ölçüm istasyonunda ölçülen izleyici konsantrasyonu sabit bir değere erişinceye kadar devam ettirilir. ÖRNEK-1: Yandaki şekilde görülen akarsuyun A noktasından sürekli olarak %10 konsantrasyonlu tuz eriyiği 5x10-6 m 3 /s değerinde bir debi şeklinde verilmektedir.enjeksiyona yeterince uzun bir süre devam edildiğinde,akarsuyun B kesitinde 2x10-8, D kesitinde ise 1.5x10-8 değerinde sabit tuz konsantrasyonlarına ulaşıldığı görülmüştür.deneyden önce akarsuyun A, B, C ve D kesitlerinden alınan su örneklerinden doğal tuz konsantrasyonunun 0.003x10-8 olduğu tespit edildiğine göre akarsu kollarındaki debileri hesaplayınız.

15 Öncelikle A ve B kesitlerinden birim zamanda geçen eriyik kütlelerinin eşit olduğu bilindiğine göre aşağıdaki denklem yazılabilir. Q C q C Q q C A A 1 B Q C q C Q C q C A A B 1 B Q C Q C q C q C A 0 A B 1 B 1 1 Q ( C C ) q ( C C ) A 0 B 1 B 1 Q q ( C C ) /( C C ) A 1 B 1 0 B QA 5*10 *(2* )/(0.003*10 2*10 ) m / s QB Benzer şekilde QB QC QD QBC0 q1c 1 QC C0 QB QC q1 CD q1c 1 C0QD QD q1 CD 6 8 5*10 (1.5* ) 3 q1c 1 C0QD QDCD q1c D QD ( C0 CD ) q1 ( CD C1 ) QD 33.4 m / s 8 8 (0.003*10 1.5*10 ) Q Q Q Q 33.4 B C D C 3 QC 8.36 m / s

16 Anahtar Eğrisi: Akım rasat istasyonunda akarsu yatağının profili çıkarıldıktan ve debi hesapları yapıldıktan sonra debi artık su seviyesinin bir fonksiyonu olmaktadır. Akarsu seviyesi (h) ile debi (Q) arasındaki bağıntı anahtar eğrisi olarak tanımlanmaktadır. Bu eğri denklemi genelde aşağıdaki formdadır: Q K( h h ) veya h 0 kabuluile Q K( h) n 0 0 su seviyesi h3 h3 h2 h2 n h 1 h 1 Q1 Q2 Q3 debi

17 ÖRNEK-2: Bir akım gözlem istasyonunda aşağıdaki beş farklı seviyede gözlenen debiler verilmiştir. a) Q=K (h-h 0 ) n bağıntısının parametrelerini belirleyiniz. b) Bu akarsuda 4, 5, 6 Mayıs 2016 tarihlerinde saat 8 ve 16 daki eşel okumaları da aşağıdaki tabloda verilmiştir. Buna göre 5 Mayıs 2016 günü istasyon kesitinden geçen debiyi m 3 /s cinsinden hesaplayınız. h (m) Debi (m 3 /s) Eşel okumaları(m) Tarih 08:00 16:

18 a) MS-EXCEL Solver (Çözücü) ile Çözüm: (detaylar için bkz. anahtar eğrisi uygulama.xlsx ) h (m) Q (m 3 /s) Qhesap (m 3 /s) hata kareler Q K( h h0 ) n K n h Uygulama bakımından bağıntı güvenle kullanılabilir. h:m cinsinden olmak üzere Q( m / s) ( h 0.198) HKO korelasyon 1.000

19 b) 5 Mayıs 2016 günü istasyon kesitinden geçen debinin hesabı: Eşel okumaları(m) Tarih 08:00 16: h i, ort ( h 5h 5 h h ) (2.70 5*2.64 5* ) i 1,16 i,8 i,16 i 1, m Q( m / s) ( h 0.198) Q ( ) m / s

20 Günlük akımlar (m 3 /s) nin Analizi Akım Grafikleri Günlük akım gidiş grafiği: Günlük ortalama akışların gidiş grafiği akarsu rejiminin yıl içindeki ve yıllar arası değişikliklerini ve taşkınların özelliklerini analiz edebilme olanağını sağlamaktadır su yılı 1947 su yılı 1948 su yılı 1949 su yılı 1950 su yılı Dicle Havzası-Botan Çayı Billoris akım gözlem istasyonunda (2604 no.lu) su yılı döneminde gözlenmiş günlük akımlardır.

21 Q (m 3 /s) Q (m 3 /s) nin Analizi Akım Grafikleri Akım sürek (debi sürek) grafiği: Günlük akımların büyükten küçüğe dizilmesiyle elde edilen bu grafik için bir örnek aşağıda gösterilmiştir (örnek: Botan Çayı-Billoris AGİ de 1950 su yılı akımları) su yılı günlük debi gidiş grafiği su yılı debi sürek grafiği Günler Günler Bu grafikten de akarsu rejimi ve yıllık su potansiyeli hakkında bilgi sahibi olunduğu gibi, akarsudan belli bir Q a azami debisinin çevrilmesi halinde yararlanılabilecek ortalama Q o 'debisini saptamak mümkün olmaktadır.

22 ÖRNEK-3: nin Analizi Akım Grafikleri Aşağıda beşer günlük ortalama debileri sıralanmış olarak verilen bir akarsudan biriktirmesiz bir hidroelektrik santrale su çevrilerek enerji üretilecektir. Santralin çevirme kapasitesi 32.5 m 3 /s olarak tasarlanmıştır. Q (m 3 /s) günlük zaman dilimleri a) Verilerin ortalaması m 3 /s olduğuna göre, akarsuyun hm 3 cinsinden yıllık akım potansiyelini hesaplayınız. b) Santralin yılın yüzde kaçında tam kapasite ile çalışabileceğini belirleyiniz. c) Söz konusu çevirme kapasitesi için santralde değerlendirilebilecek yıllık su miktarını, ortalama faydalı debiyi ve faydalanma oranını belirleyiniz.

23 ( a) t 5* s 3 Qortalama m / s V ( b) toplam Q (m 3 /s) nin Analizi 73* 24.51* t 15 Akım Grafikleri hm günlük zaman dilimleri 3 toplam çalışma süresi t *5 15*5 75 gün Santral yılın 75/365 =%21 inde tam kapasite ile çalışabilecektir.

24 () c Q (m 3 /s) nin Analizi ALAN V D Akım Grafikleri m m VD ALAN 32.5*15 ( x5 gün) ( x5 gün) s s 3 m x gün V 6 3 D hm *5*86400 / s *10 m 3 Ortalama faydalı debi Q o m / s 365*86400 s 32.5 m 3 /s çevirme kapasitesine sahip santralde değerlendirilebilen yıllık akım V D yandaki grafikteki sarı boyalı alan kadardır. Faydalanma oranı f (%) V / V 100*696.47/ %90 D toplam

25 nin Analizi Akım Grafikleri Eklenik akımlar grafiği (Rippl yöntemi): Hazne hacmi belirleme yöntemleri arasında en eskisi ve en basit yapıda olanı, akımların ardışık olarak toplanması esasına dayanan Rippl yöntemidir. Yöntemde belli bir düzenleme oranında sürekli çekimi sağlamak için gerekli hazne kapasitesini belirlerken aylık eklenik akımların gidişlerine çekim eğrisine paralel şekilde teğetler çizilir. Çizilen teğetler ile eklenik akımlar arasında oluşturulan en büyük dikey mesafe hazne hacmini, en büyük dikey mesafenin oluştuğu nokta ile teğetin başlangıç noktası arasındaki yatay mesafe ise kritik dönem uzunluğunu vermektedir. eklenik akımlar çekim

26 nin Analizi Akım Grafikleri ÖRNEK-4: Bir kente içme ve kullanma suyu düzenlemek amacıyla planlanan bir baraj yerine gelen aylık akımlar (Qg) verilmiştir. Buna göre, baraj yerine gelen suyun %75 inden yararlanabilmek için gerekli aktif hazne hacmini bulunuz. ÖDEV: Baraj yerine gelen suyun tamamından ve yarısından yararlanabilmek için gerekli aktif hazne hacimlerini bulunuz. t (aylar) Qg (hm 3 )

27 nin Analizi Akım Grafikleri D=0.75

28 nin Analizi Akım Grafikleri Rippl için analitik yöntem: Grafik yöntemdeki hatalı okumalardan kurtulabilmek için Thomas ve Burden (1963) tarafından analitik bir yöntem geliştirilmiştir (Aylık ve yıllık akımlara uygulanabilir) Hazneye giren akımlar x(t), çekimler y(t) ile gösterilsin. Haznenin t=0 anında dolu olduğu kabul edilip herhangi bir t anında haznede boş kalan B(t) hacminin ardışık değerleri aşağıdaki denklemler ile hesaplanır. Bu yöntemi Ripple ile aynı sonucu vermesi açısından (0,2T) aralığında uygulamak gerekir.bu aralıkta B(t) nin en büyük değeri gerekli hazne kapasitesi C yi verir.

29 nin Analizi Akım Grafikleri Örnek-4 ün analitik yöntem ile çözümü: PERİYOT 1 t (aylar) x (t) y(t) B (t-1) B(t) PERİYOT 2 t (aylar) x (t) y(t) B (t-1) B(t) Bmax PERİYOT PERİYOT C 13.5 hm 3 Bkz. Rippl örnek.xlsx