SU ALTI BİTKİLERİNİN DALGA KARAKTERİSTİKLERİNE ETKİSİNİN DENEYSEL OLARAK ARAŞTIRILMASI

Transkript

1 6. Ulusal Kıyı Mühendisliği Sempozyumu 391 SU ALTI BİTKİLERİNİN DALGA KARAKTERİSTİKLERİNE ETKİSİNİN DENEYSEL OLARAK ARAŞTIRILMASI Nilay ELGİNÖZ YAŞA Sedat KABDAŞLI Bilge BAŞ Oral YAĞCI Arş. Gör. Prof. Dr. Çev. Müh. Arş. Gör. Dr. İTÜ İTÜ İTÜ İTÜ İstanbul, Türkiye İstanbul, Türkiye İstanbul, Türkiye İstanbul, Türkiye ÖZET Çeşitli canlılar için habitat oluşturan, fotosentez yaparak sudaki oksijen miktarının artmasını sağlayan, tabandaki sedimentin hareketini engelleyerek kıyı erozyonunu azaltan su altı bitkileri aynı zamanda kıyı hidrodinamiği açısından da önemlidirler. Su altı bitkilerinin bir çeşidi olan deniz çayırları bulundukları ortamda denizdeki dalgalar, akıntılar ve gelgitten etkilendikleri gibi kendileri de söz konusu kıyı olaylarını etkilemektedir. Bu çalışmada kurutulmuş bitkiler kullanılarak su altı bitkilerinin dalga karakteristiklerine etkisi kontrollü deney ortamında incelenmiştir. Çalışma sonucunda deniz çayırlarının dalganın yayılımı üzerinde belirgin bir etkisinin olduğu ve bu etkinin dalganın ve bitkinin özelliklerine (dalga yüksekliği, dalga boyu, dalga dikliği ve bitkinin batıklığı) bağlı olarak değiştiği belirlenmiştir. GİRİŞ Deniz çayırları olarak adlandırılan bitkiler, çeşitli canlılar için habitat oluşturmaları, tabandaki sedimenti tutarak kıyı erozyonunu engellemeleri, fotosentez yapmaları sonucunda sudaki oksijen miktarının artmasına katkıda bulunmaları nedeniyle ekosistem açısından önemli canlı gruplarıdır. Deniz çayırlarının önemi son dönemlerde anlaşılmış olup özellikle haritalanmaları ile ilgili pek çok araştırma yapılmaktadır. Antartika çevresi hariç dünyadaki tüm denizlerde var olan (Green ve Short, 23) deniz çayırlarının dünya çapında miktar, tür ve yerlerinin tespit edilmesi konusunda halen çalışmalar sürdürülmektedir. Deniz çayırları doğal ortamlarında rüzgar dalgalarına, akıntılara ve gelgite maruz kalmaktadırlar (Koch, 21). Deniz çayırları doğal ortamlarında akıntı ve dalgalardan etkilendikleri gibi kendileri de dalga ve akıntı koşullarını etkilemektedir. Söz konusu bitki toplulukları etkin bir şekilde akıntı hızlarını azaltmakta ve dalgaları sönümlendirmektedirler (Koch, 26). Deniz çayırları özellikle dalgaların bu topluluklarla etkileşime girdiği sığ sularda, sığ su dalgalarının deniz tabanından etkilenmesine benzer şekilde dalgaları sönümleme eğilimindedirler. Bir deniz çayırı yatağındaki dalga sönümlenmesi miktarı o su sütunundaki bitkilenme miktarı ile doğrudan ilgilidir. Bitkilenme miktarının % 5 den yüksek olduğu sularda yüksek miktarda sönümlenme meydana gelmektedir (Ward vd., 1984; Fonseca ve Cahalan, 1992). Fonseca ve Cahalan (1992) tarafından gerçekleştirilen kanal deneylerinde su sütununun tamamen bitkilerle kaplı olduğu durumda sönümlenme miktarının % 2-76 arasında değiştiği, Koch (1996), Prager ve Halley (1999) tarafından yapılan arazi çalışmalarında ise bu oranın % arasında değiştiği gösterilmiştir. Arazi çalışmalarında elde edilen bu geniş sönümlenme aralığı su sütunundaki bitki oranının gelgite bağlı olarak değişmesinden kaynaklanmaktadır. Uzun dalgalara maruz kalan daha derin sulardaki deniz çayırı yataklarında da dalga enerjisinde azalma görülmektedir (Koch, vd., 26).

2 Ulusal Kıyı Mühendisliği Sempozyumu Koch, vd. (26) yürüttükleri modelleme çalışmaları sonucunda deniz çayırlarının dalgaya etkisi hakkında birkaç genel sonuca varmışlardır: Dalga ilerleme yönünde bulunan daha geniş deniz çayırı yatakları daha fazla dalga sönümlenmesine ve kıyı çizgisine daha az dalga enerjisi ulaşmasına neden olmaktadır. Deniz tabanına etkiyen toplam kuvvet, daha derindeki deniz çayırı yatakları için daha azdır. Ayrıca daha yüksek gelen dalga değerleri için daha büyük bağıl dalga sönümlenmesi ve taban gerilmesinde daha çok azalma görülmüştür. Bu sonuçlar dalga orbital hızları ile deniz çayırları arasında önemli bir etkileşim olduğu sürece geçerlidir. Deniz çayırları tarafından dalga enerjisinin sönümlenmesi kıyı koruma amaçlı olarak kullanılabilecek bir yöntemdir (Koch, vd., 26). Bununla birlikte, deniz çayırları ılıman bölgelerde mevsimsel olarak gelişirken, kıyı erozyonu da düzensiz olarak yıllık ya da on yıllık zaman dilimlerinde meydana gelen büyük dalga olaylarıyla ilgilidir (Wilcock, vd., 1998). Bu nedenle, deniz çayırlarının gelişmesi ile söz konusu dalga olaylarının zamanlaması deniz çayırlarının kıyı korumada kullanılma potansiyelini etkilemektedir. Bitkilenme ve oluşan dalgalar arasındaki ilişkinin bilinmesi kıyı sularındaki ekolojik ve jeomorfolojik süreçlerin anlaşılmasına ve kıyı koruma yönetimine yardımcı olmaktadır. Literatüre göre bitkilenme kanallarda ve kıyı bölgelerinde akış direncini arttırmakta, ortalama ve türbülanslı akış yapısını kontrol etmekte ve böylece sediment taşınımını ve birikmesini etkilemektedir (Yen, 22; Nepf ve Vivoni, 2). Türker ve diğerlerinin (26) çalışmasında kıyı profili önündeki bitkili alanın koruma potansiyelinin belirlenmesi için laboratuvar çalışması yürütülmüştür. Çalışma sonucunda genellikle bitkili alanın büyüklüğü arttıkça erozyon alanının azaldığı, kumsaldaki hasar arttıkça dalga enerjisinin harcanımının düştüğü bunun da ya yüksek dalga iklimine ya da seyrek bitkilenmeye işaret ettiği, kumsal morfolojisindeki değişimlerin dalga, akışkan, sediment, bitkilenme ve kumsal profili parametrelerinin kombinasyonunun fonksiyonu olduğu görülmüştür. Bu çalışma kapsamında kontrollü deney ortamında, yakın kıyı bölgesi koşullarında deniz çayırlarının dalga özelliklerine etkisi belirlenmeye çalışılmıştır. Söz konusu etkinin belirlenebilmesi için bitkili bölgeden önce ve sonra dalga yükseklik ve periyotları ölçülmüş, ölçüm sonuçlarından dalga boyu ve dalga enerjisi hesaplanmış ve belirlenen parametreler arasındaki ilişkiler grafiklerle olarak ortaya konmuştur. MATERYAL VE METOD Deney Sistemi Çalışma kapsamındaki deneyler, İTÜ Hidrolik Laboratuvarı ndaki metre boyutlarındaki dalga kanalında, dalga paleti ile düzenli dalgalar oluşturularak gerçekleştirilmiştir. Dalga kanalı cam levhalar kullanılarak 1 m genişliğe sahip dört ayrı bölgeye ayrılmış ve deneyler bu bölümlerden birisinde gerçekleştirilmiştir (Şekil 1). Deneylerde deniz çayırlarını temsil edebilecek özellikte Hindistan dan getirilmiş kurutulmuş bir bitki (strip grass) kullanılmıştır. Bitkiler 97 x 97 cm lik ahşap bir kutu içerisinde yer alan çakıl ve kum tabakasının 28 ± 2 95 cm cm lik kısmına sık olarak yerleştirilmiştir (Şekil 2). Kutunun kanal tabanından yüksekliği 22.5 cm, bitkilerin yüksekliği de ortalama 33 cm dir.

3 6. Ulusal Kıyı Mühendisliği Sempozyumu 393 Şekil 1 Deneylerin yapıldığı dalga kanalı Şekil 2 Bitkilerin kanala yerleştirilmesi Deneyler önce dört ayrı derinlik için bitkili olarak gerçekleştirilmiş, ardından bitkisiz ortamda iki farklı derinlikte kontrol deneyleri yapılmıştır. Bitkili deneylerin tamamı bitkilerin batmış koşulda olması durumu için gerçekleştirilmiştir. Deney serileri, bitkili durumda 6, 7, 8 ve 9 cm su derinliklerinde, bitkisiz durumda ise 7 ve 9 cm su derinliklerinde gerçekleştirilmiştir. Deniz çayırı yataklarının etkisiyle meydana gelen dalga sönümlenmesi genellikle biri dalgalar bitkili alana ulaşmadan önce, diğeri ise bitkili alandan sonra olmak üzere iki noktada ölçüm yapılarak belirlenmektedir (Koch vd., 26). Bu çalışmada da bitkili bölgenin önüne ve arkasına yerleştirilen iki dalga probu aracılığı ile dalga yüksekliklerinin değişimi belirlenmiştir. Kullanılan problar bir dalga monitörüne bağlanmıştır. Dalga

4 Ulusal Kıyı Mühendisliği Sempozyumu monitöründen alınan veriler bir analog-dijital (A/D) dönüştürücü kart vasıtasıyla bilgisayar ortamına aktarılmakta ve bir program vasıtasıyla analiz edilmektedir. Deneyler sırasında dalga periyodu ve palet kolu eksantrisitesi değiştirilerek farklı yükseklik ve periyotlarda düzenli dalgalar elde edilmiştir. Bu şekilde her bitki batıklığı ve bitkisiz durum için 15 farklı düzenli dalga için deneyler tekrarlanmıştır. Deneysel Sonuçlar Deneyler sırasında problar vasıtasıyla dalga yükseklikleri ve periyotları ölçülmüştür. Örnek olarak dalgalardan bir tanesinin zaman serisi Şekil 3 te verilmiştir. Bitkilerin dalgayı sönümleme etkisi bu grafikte açıkça görülmektedir. Ölçülen yükseklik ve periyotlar hesaplamalarda kullanılırken, en yüksek 1/1 dalga yüksekliği değerinin ortalaması olan H 1/1 ve buna tekabül eden periyot değerleri göz önüne alınmıştır. İdeal bir düzenli dalga katarında her ne kadar H 1/1, H s, gibi dalga istatistiklerinden bahsetmek mümkün değilse de, laboratuvar ortamında üretilen düzenli bir dalga katarında her bir dalga mükemmel olarak birbirine özdeş değildir. Bu durumda, SPM (1984) de belirtildiği gibi düzenli dalga serisini karakterize etmek için H 1/1 ve buna tekabül eden dalga periyodu istatistiklerinin kullanılmasının uygun olacağı düşünülmüştür. Bitki bölgesinden önceki prob ile ölçülen değerler gelen dalga değerleri olarak alınmış ve H i olarak adlandırılmıştır. Dalga bitkili bölgeyi geçtikten sonra dalga yüksekliğinin aldığı değer ise H t olarak adlandırılmıştır. Geçen dalganın gelen dalgaya oranı C t (=H t /H i ) parametresi ile ifade edilmiştir. Su seviyesi (cm) t (sn) Ht Hi Şekil 3 Dalga zaman serisi Bitkilerin dalga kanalının tabanına yerleştirildiği düzeneğin, ölçümleri ne derece etkilediğini görmek ve bu etkinin kabul edilebilir düzeyde olup olmadığını saptamak amacıyla bitkilerin yerleştirildiği düzeneğin başlangıç ve bitiş kısmında bitkiler yerleştirilmemişken dalga probları ile ölçümler alınmıştır. Bu şekilde gelen (H i ) ve geçen (H t ) dalga yükseklikleri ölçülmüştür. Düzeneğin hiçbir etkisinin bulunmaması durumunda teorik olarak gelen dalganın geçen dalgaya eşit olması beklenmektedir. Şekil 4 te bitkisiz durumda gelen ve geçen dalga yüksekliği değerleri verilmiştir. Görüldüğü gibi gelen ve geçen dalga yüksekliklerinin verdiği regresyon doğrusu ile y=x doğrusu arasındaki sapma kabul edilebilir mertebededir.

5 6. Ulusal Kıyı Mühendisliği Sempozyumu 395 Bitkisiz Durum y =.959x R 2 =.7287 Hi y = x H t Şekil 4 Bitkisiz durumda gelen ve geçen dalga yükseklikleri arasındaki ilişki Söz konusu deney düzeneğine bitkilerin yerleştirilmiş olduğu durum için gelen ve geçen dalga yükseklikleri arasındaki ilişki Şekil 5 te verilmektedir. Şekil 5 ten de görüldüğü gibi ilk bakışta bitkilerin dalga ortamındaki mevcudiyeti dalgayı sönümleme yönünde etkiye neden olmaktadır. 14 Bitkili durum y =.9565x R 2 = Hi H t Şekil 5 Bitkili durumda gelen ve geçen dalga yükseklikleri arasındaki ilişki Bu etkinin daha net anlaşılabilmesi amacıyla geçen dalganın gelen dalgaya oranı olarak tanımlanmış boyutsuz bir büyüklük olan geçiş oranı (C t ) ile dalga dikliği (H i /L i ) arasındaki ilişki Şekil 6 da verilmiştir. Dalga boylarının hesaplanması sırasında küçük genlikli dalga teorisinden faydalanılmıştır. Geçiş oranının 1 den küçük bir değer alması bitkinin gelen dalgayı sönümlediği sonucunu göstermektedir. Şekil 6 da dalga ortamındaki bitkilerin dalga üzerindeki sönümleyici etkisi net olarak görülmektedir. Yine Şekil 6 dan görüldüğü gibi bitkilerin dalga üzerindeki sönümleyici etkisi dalga dikliğinin artması ile azalmaktadır.

6 Ulusal Kıyı Mühendisliği Sempozyumu Bitkili durum Ct (Ht/Hi) H i /L i Şekil 6. Dalga dikliğinin geçen dalga/gelen dalga oranı ile değişimi Dalga ortamında bitkinin varlığının gelen dalgaların periyodu üzerindeki etkisini görmek amacıyla gelen dalganın periyodu ile geçen dalganın periyodu arasındaki ilişki Şekil 7 de verilmektedir. Şekil 7 den görüldüğü gibi dalga ortamında bitki mevcudiyetinin periyot üzerinde belirgin bir etkisi söz konusu değildir. Tt Bitkili durum y =.939x R 2 = T i Şekil 7. Gelen ve geçen dalgaların periyotlarının karşılaştırılması Deney düzeneği kısmında da anlatıldığı gibi, deneyler bitkinin dört farklı batıklık oranı değerleri için gerçekleştirilmiştir. Şekil 8 de görülen d, toplam su derinliği, d b ise bitkilerin tepe noktasının su yüzeyine olan mesafesidir. Buradaki 1.25 oranı bitkinin esnek yapısı nedeniyle, üzerindeki su kütlesi arasında rijit yüzeyden farklı olarak oluşturduğu fiktif ara yüzeyi ifade etmek amacıyla kullanılmıştır. Bu oranın bitki cinsine bağlı olarak 1.25d b değerinden farklı değerler alması mümkündür ve önemli bir ayrı araştırma konusu olarak görülebilir. Bu konuda literatürde çalışma mevcut değildir. Elde edilen grafikte bitkinin neden olduğu dalga enerjisi harcanımının ortalaması ile rölatif batıklık arasındaki ilişki verilmektedir. Görüldüğü gibi, rölatif batıklık oranının artması ile kırılan dalga enerjisi yüzde yirmi mertebesine kadar düşmektedir. Bununla birlikte rölatif batıklık oranının azalması ile bu oran yüzde altmışa kadar çıkabilmektedir.

7 6. Ulusal Kıyı Mühendisliği Sempozyumu 397 Bitkili durum 1-Et/Ei d b /d Şekil 8 Enerji harcanımının derinlikle değişimi SONUÇLAR Çalışma sonucunda deniz çayırlarının dalganın yayılımı üzerinde belirgin bir etkisinin olduğu ve bu etkinin dalganın ve bitkinin özelliklerine (dalga yüksekliği, dalga boyu, dalga dikliği ve bitkinin batıklığı) bağlı olarak değiştiği belirlenmiştir. Elde edilen sonuçlar kıyıların sahip olduğu doğal dengeye su altı bitkilerinin de önemli katkı yaptığını ortaya koymaktadır. Kıyı hidrodinamiğinde tabanda yer alan su altı bitkilerinin belirli koşullar altında kontrol edici bir rol oynadığı dalgalara olan etkisinden yola çıkılarak kolaylıkla söylenebilmektedir. Bu nedenle kıyı hidrodinamiğinin modellenmesinde su altı bitkilerinin etkilerinin dikkate alınması gerektiği, bu şekilde modellerin güvenirliliğinin arttırılabileceği görülmüştür. KAYNAKLAR Fonseca, M. S. ve Cahalan, J. A., A preliminary evaluation of wave attenuation for four species of seagrass Estuarine, Coastal and Shelf Science, 35, 1992, Green E.P., Short F. T., World Atlas of Seagrasses, Prepared by the UNEP World Conservation Monitoring Centre. University of California Press, Berkeley, USA, 23. Koch, E. W., Hydrodynamics of a shallow Thalassia testudinum bed in Florida, USA. In Seagrass Biology Proceedings of an International Workshop, Western Australia Museum, Perth, Australia. J. Kuo, R. C. Phillips, D. I. Walker and H. Kirkman, ed., 1996, Koch, E. W., Beyond light: Physical, geological and geochemical parameters as possible submersed aquatic vegetation habitat requirements, Estuaries, 24, Koch, E.W., J. Ackerman, M. van Keulen, ve Verduin J., Fluid dynamics in seagrass ecology: from molecules to ecosystems. In Seagrasses: Biology, ecology and conservation. A. W. D. Larkum, R. J. Orth and C. M. Duarte, ed. Springer Verlag, 26, Nepf, H. ve Vivoni E., Flow structure in depth-limited, vegetated flow, Journal of Geophys. Res., 15(28), 2, 547, 557. Prager, E. J., ve Halley, R. B., The influence of seagrass on shell layers and Florida Bay mudbanks. Journal of Coastal Research 15, 1999, SPM Shore Protection Manual, CERC, 1984.

8 Ulusal Kıyı Mühendisliği Sempozyumu Türker, U., Yagci, O., Kabdaşlı, M. S., Analysis of coastal damage of a beach profile under the protection of emergent vegetation, Ocean Engineering, 33, 26, Ward, L. G., Kemp, W. M. ve Boynton. W. E., The influence of waves and seagrass communities on suspended particulates in an estuarine embayment. Marine Geology 59: 1984, Wilcock, P. R., Miller, D. S., Shea, R. H. ve Kerkin, R. T., Frequency of effective wave activity and the recession of coastal bluffs: Calvert Cliffs, Maryland. Journal of Coastal Research, 14, 1998, Yen, B.C., Open channel flow resistance, Journal of Hydraulic Engineering, 128, 22, 2 39.