HİDROLOJİ DERS NOTLARI

Transkript

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

2 Balıkesir Balıkesir Üniversitesi Üniversitesi İnşaat İnşaat Mühendisliği Bölümü Bölümü Bölüm 3 Buharlaşma Buharlaşmanın Tanımı Buharlaşmayı Etkileyen Faktörler Su Yüzeyinden Buharlaşmanın Ölçümü Buharlaşma Tahmin Yöntemleri Terleme ve Tutma Evapotranspirasyon

3 Buharlaşmanın Buharlaşmanın Mekanizması Tanımı Atmosferden yeryüzüne düşen yağışın önemli bir kısmının tutma, buharlaşma ve terleme yoluyla, akış haline geçmeden atmosfere geri döndüğü 1.Bölüm de bahsedilmişti. Bu kayıpların belirlenmesi özellikle kurak mevsimlerde hidrolojik bakımdan büyük önem taşır (Bayazıt, 2003). Bu bölümde buharlaşma sürecinin hidrolojideki önemine değinilecektir. Buharlaşma, özet tanımı ile suyun sıvı veya katı halden gaz haline geçmesidir. Su yüzeyindeki moleküller yeterli bir kinetik enerjiye sahip olduklarında, kendilerini tutmaya çalışan diğer moleküllerin çekim etkisinden kurtularak sudan havaya sıçrarlar. Sudan havaya geçen moleküllerin fazla olması olayına "buharlaşma" adı verilir.

4 Buharlaşmanın Mekanizması Buharlaşmayı Etkileyen Faktörler 1) Sıcaklık Dalton yasası gereği, buharlaşma su yüzeyinin sıcaklığına sahip havanın doymuş buhar basıncı (ew) ile suyun üstündeki havada bulunan su buharı moleküllerinin buhar basıncı (ea) arasındaki fark (doyma açığı) ile orantılıdır. e a Sıcaklık arttıkça moleküllerin hızları artar ve ew basıncı da artacağından buharlaşma mekanizması kolaylaşır. T sıcaklığındaki havanın doygun buhar basıncı rölatif nem R n e w T ( o C) : e W (mmhg) : T ( o C) : e W (mmhg) : T ( o C) : e W (mmhg) :

5 Buharlaşmanın Mekanizması Buharlaşmayı Etkileyen Faktörler Önceki sayfadaki tablonun yanı sıra, aşağıdaki abak kullanılabilir veya belirtilen exponansiyel bağıntı ile belli bir sıcaklıktaki ew basıncı yüksek bir doğrulukla (R 2 =0.998) tahmin edilebilir. ew(mmhg) T (Celcius) ew = e 0.063T R² = 0.998

6 Yükseklik Buharlaşmanın Mekanizması Buharlaşmayı Etkileyen Faktörler 2) Rüzgar Suyun buharlaşma ile su yüzeyinden atmosfere gönderilmesi için rüzgara da gerek duyulmaktadır. Aksi taktirde ea artacak ve (ew-ea) farkı sıfıra düşerek buharlaşmayı durduracaktır (Bayazıt, 2003). 3) Radyasyon En önemli atmosferik etmenlerden biridir. Radyasyon moleküllerin su yüzeyinden kopmasını sağlayan enerjiyi sağlar. Güneş ışınımından kaynaklı radyasyonun artması ile buharlaşma artmaktadır (Usul, 2008). 4) Su Derinliği Yaz döneminde derin sularda sığ sulara nazaran buharlaşma daha azdır. Bu durum kış döneminde tam tersi oluşur. 5) Atmosfer basıncı Atmosfer basıncındaki artış su moleküllerinin hareketini zorlaştır ve buharlaşmayı güçleştirir. Yüksek kot farklarının olduğu bölgelerde atmosfer basıncı daha etkin bir faktördür (Usul,2008). Basınç

7 Buharlaşmanın Mekanizması Su Yüzeyinden Buharlaşmanın Ölçümü Su yüzeyinden buharlaşmanın en iyi yolu özel tavalar (pan) kullanmaktır (WMO-A sınıf demir tavalar). Ölçümler genelde yağışın buharlaşmadan az olduğu aylarda yapıldığından, 12 ay süreyle buharlaşma değerleri sıcaklıkla bağıntı kurulmak suretiyle aşağıdaki formüller yardımıyla elde tamamlanır. b E at Burada Etava buharlaşması mm/ay, T aylık ortalama sıcaklığı o C/ay birimiyle uygulanmaktadır. Tava buharlaşması değerleri, geniş su yüzeylerindeki gerçek buharlaşmadan büyük olduğundan, su yüzeyine geçiş için uygun bir tava katsayısıyla (Ctava) çarpılmaktadır (brüt buharlaşma). Ctava için 0.7 alınabilir. Su sathından net buharlaşma ise, yağışın da hesaba katılması ile elde edilmektedir. E tava tava he, NET 0.7* Etava P a e bt

8 Buharlaşmanın Mekanizması Su Yüzeyinden Buharlaşmanın Ölçümü Dijital bir buharlaşma kabından görünüm

9 Buharlaşmanın Mekanizması Su Yüzeyinden Buharlaşmanın Ölçümü KAYNAK: Diğer detaylar için bkz. MGM 2015 Yılı Buharlaşma Değerlendirme Raporu

10 Su Yüzeyinden Buharlaşma Buharlaşma Tahmin Yöntemleri Meteorolojik şartlara bağlı olarak su yuzeyinden gunde (1-10) mm arasında su buharlaşır (Bayazıt, 2003). Buharlaşma olayını etkileyen parametrelerin çok olması nedeniyle, buharlaşma miktarının önceden kesin olarak belirlenmesi imkansızdır. Tava ile ölçüm imkanı yoksa çeşitli yöntemler ile buharlaşmanın tahmini yoluna başvurulur. Tahmin Yöntemleri Su Dengesi Enerji Dengesi Kütle Transferi Ampirik Formüller Meyer, Penman gibi Pratik veri ihtiyacı ve hata oranı fazla Pratik

11 Su Yüzeyinden Buharlaşma Buharlaşma Tahmin Yöntemleri Su Dengesi ile Buharlaşma Tayini: Bir örnek ile açıklayalım. ÖRNEK-1: Kış mevsimi başında hacmi 100 milyon m 3 olan doğal bir gölün mevsim sonundaki hacimleri (V son ), mevsimlik ortalama göl yüzey alanları (A ort ), göle giren (V g ) ve gölde kullanılan (V k ) su miktarları ile göl yüzeyine düşen mevsimlik yağışlar aşağıdaki tabloda verildiğine göre su yüzeyinden mevsimlik ve yıllık brüt buharlaşma yüksekliklerini su dengesi yöntemi ile hesaplayınız. Mevsim V son A ort V g V k P 10 6 m 3 km m m 3 mm Kış İlkbahar Yaz Sonbahar KAYNAK: DEÜ HİDROLOJİ UYGULAMALARI, 2003

12 Su Yüzeyinden Buharlaşma Buharlaşma Tahmin Yöntemleri V V V A *( E P) V baş g k ort brüt son V V V V A *( E P) baş g k son ort brüt V V V V E baş g k son brüt A ort brüt baş g k son ort E V V V V A P P hacimler milyon m biriminde, A P ve E E brüt Brüt 3 2 ort mm birimindeise V V V V Aort baş g k son *1000 P km biriminde Mevsim V baş V son A ort V g V k P E brüt 10 6 m m 3 km m m 3 mm mm Kış İlkbahar Yaz Sonbahar Yıllık: mm

13 Su Yüzeyinden Buharlaşma Buharlaşma Tahmin Yöntemleri Ampirik Meyer Formülü ile Aylık Buharlaşma Hesabı: Dalton yasasına göre, buharlaşma miktarı (E) sırası ile su yüzeyindeki ve havadaki ew ve ea buharlaşma basınçlarının farkıyla orantılı olup aşağıdaki difüzyon denklemi esas alınabilir. E C( e e ) C e e R C e (1 R ) w a w w n w n C yi rüzgar hızı w ile ilişkilendirip aşağıdaki genel ifadeyi yazmak mümkündür. n E A( e e ) (1 bw) w a Yukarıdaki genel ifade Meyer tarafından ortaya atılan aşağıdaki ampirik formül ile aylık buharlaşma miktarı hesabına uyarlanmıştır. e w R n w w E( mm / ay) A( ew ea )(1 ) Aew (1 Rn )(1 ) : doygun buhar basıncı ( mmhg) : rölatif nem oranı (0 1) w : su yüzeyinden8 m yüksekteki rüzgar hızı( km / saat) A 1115arasıbir katsayı ( sığ sularda15 alınabilir) z yükseklikte w hızlı rüzgara göre g w w z düzeltmesi yapılır 0.15 g / ( /8).

14 Su Yüzeyinden Buharlaşma Buharlaşma Tahmin Yöntemleri ÖRNEK-2: Bir baraj haznesi yakınında bulunan meteoroloji istasyonunda kurak aylar boyunca ölçülen hava sıcaklıkları, rölatif nem yüzdeleri ve rüzgar hızları yandaki tabloda verilmiştir. İstasyon barajdan 32 m yukarda kurulmuş olduğuna göre Meyer formülünü kullanarak aylık buharlaşma miktarlarını hesaplayınız (A=11 alınız). AYLAR T ( o C) R n (%) W (km/st) Mayıs Haziran Temmuz Ağustos Eylül Ekim KAYNAK: DEÜ HİDROLOJİ UYGULAMALARI, 2003

15 Su Yüzeyinden Buharlaşma Buharlaşma Tahmin Yöntemleri w w g ( z /8) 0.15 rüzgar düzeltme katsayısı: m ye indirgenen rüzgar hızları Ay T ( o C) R n (%) w g (km/sa) e w (mmhg) w (km/sa) E (mm) Mayıs Haziran Temmuz Ağustos Eylül Ekim bkz. meyer E hesabı.xlsx

16 Terleme ve Tutma Bitkilerin yaşamları için gerekli suyu kökleri ile zeminden çekip kullandıktan sonra kalan kısmını yapraklarından buhar halinde havaya vermelerine terleme (transpirasyon) denir. Terleme, bitkilerin büyüme mevsimlerinde ve gündüz saatlerinde olur. Topraktan alınan suyun çok azı fotosentezde kullanılır fakat büyük bir kısmı kullanım sonrası atmosfere geri döner. Terleme miktarı bitki cinsine ve iklime göre mm/gün arasında değişir. Zemin nemine de bağlı olduğundan, zemin nemi yetersiz kaldığında terleme etkinliği de kaybolur (Bayazıt, 2003).

17 Terleme ve Tutma Terleme ve Tutma Zemin nemi ile ilişkili olan gerçek terleme miktarının belirlenmesi zordur. Zeminden buharlaşma ve terleme birbirini etkileyen iki süreçtir. Ancak hidrolojide sadece terlemeyi değil bitkilerle kaplı topraktan toplam buharlaşma ve terleme kayıplarını belirlemek daha faydalı olur (Bayazıt, 2003). Terlemeyi ölçmede fitometre adı verilen kaplar kullanılabilir. Bitkilerin buharlaşma kayıpları üzerine etkileri tutma (bitkiler yaprak yüzeylerinde alıkonan ve yağış olarak yeryüzüne düşemeyen su) şeklinde de gerçekleşir (Bayazıt, 2003). Tutma kaybı bitki örtüsünün alansal dağılımına ve bitki cinslerinin tutma kapasitelerine bağlıdır. Bitki tarafından alıkonan suyun büyük bir kısmı belli bir süre sonra buharlaşacağından tutma kayıplarını buharlaşma kayıpları olarak değerlendirmek hidrolojik açıdan daha pratiktir. Tutma miktarı yağış başlangıcında daha fazla olup kısa süreli ve düşük şiddetli yağış alan bölgelerde daha fazla gerçekleşir (Bayazıt, 2003).

18 Evapotranpirasyon Evapotranspirasyon Bitki ve ağaçlardan terleme ile zeminden ve su yüzeylerinden buharlaşma ile kaybolan toplam su miktarına evapotranspirasyon denir (evaporasyon + transpirasyon). (Türkiye de yağışın yaklaşık %60 ı) Evapotranspirasyon potansiyel ve gerçek olmak üzere iki şekilde değerlendirilmelidir. Her zaman yeterli zemin nemi bulunduğu takdirde meydana gelecek kayba potansiyel evapotranspirasyon (EPOT) adı verilir. Gerçek evapotranspirasyon ise mevcut zemin nemi ile sınırlı olduğu için EPOT a kıyasla az olabilir (Bayazıt, 2003).

19 Evapotranpirasyon Evapotranspirasyon Potansiyel evapotranspirasyon (EPOT) için günlük, aylık ve yıllık zaman ölçeklerinde ampirik formüller pratikte kullanılmaktadır. Fakat gerçek evapotranspirasyon zemin nemi, bitki örtüsü ve bitkilerin gelişim karakteristikleri gibi birçok faktöre bağlı olduğundan hesabı kolay değildir. Kavramsal hidrolojik modeller (örneğin ortalanmış aylık yağış-akış modelleri) yardımıyla su bütçesinden hareketle de tahmini yapılabilir. Öte yandan, lizimetre adı verilen maksimum 1 m çaplı, 1-2 m derinlikte içi toprakla dolu kaplarda istenen bitkileri yetiştirip yağışı, sızma kaybını (infiltrasyonu) ve kabın ağırlığındaki değişimi ölçerek standart su bütçesi yardımıyla gerçek evapotranspirasyon belirlenebilir.

20 Evapotranpirasyon Evapotranspirasyon Yıllık EPOT Tahmin Yöntemleri: Literatürde çeşitli yöntemler olmakla birlikte girdi olarak P: yıllık yağış yüksekliği (mm) ve T yıllık ortalama sıcaklık (Celcius) değişkenlerine ihtiyaç duyan Coutagne ve Turc ampirik formülleri ders kapsamında ele alınacaktır. Coutagne Turc EPOT P P T EPOT 0.9 P P 3 (300 25T 0.05 T ) 2 EPOT : mm / yıl

21 Evapotranpirasyon Evapotranspirasyon ÖRNEK-3: Yıllık ortalama sıcaklığı 12 C, yıllık yağış yüksekliği 530 mm/yıl olan bir havzanın yıllık potansiyel evapotranspirasyon kayıplarını Coutagne ve Turc formülleriyle tahmin ediniz. Coutagne EPOT P P * / T mm y Turc EPOT (300 25* *12 ) mm / y

22 Evapotranpirasyon Evapotranspirasyon Aylık EPOT Tahmin Yöntemleri: Literatürde çeşitli yöntemler olmakla birlikte ders kapsamında Thornthwaite ve Blaney-Criddle ampirik formülleri üzerinden uygulamalar yapılacaktır. Günlük EPOT ise Penman yöntemi ile hesaplanabilmektedir. Thornthwaite yöntemi: Burada T aylık ortalama sıcaklığı ( o C), I i ilgili yıla ait i.ayın sıcaklık indeksini, J o yıla ait sıcaklık indeksini, K ise istasyonların bulunduğu enlemlere göre elde edilen düzeltme katsayısını ifade etmektedir. ( mm / ay) KAYNAK: Acatay, 1996

23 Evapotranpirasyon Evapotranspirasyon ÖRNEK-4: 40 Kuzey enleminde bulunan bir istasyonda 1960 yılının Ocak- Aralık dönemi aylık ortalama sıcaklık değerleri verilmiştir. Aylık EPOT değerlerini hesaplayınız. Yıl Ocak Şubat Mart Nisan Mayıs Haziran Temmuz Ağustos Eylül Ekim Kasım Aralık Çözüm: Aylık ortalama sıcaklık ( O C) K değerleri enlem Ocak Şubat Mart Nisan Mayıs Haziran Temmuz Ağustos Eylül Ekim Kasım Aralık I i Ocak Şubat Mart Nisan Mayıs Haziran Temmuz Ağustos Eylül Ekim Kasım Aralık J C PET (mm) Ocak Şubat Mart Nisan Mayıs Haziran Temmuz Ağustos Eylül Ekim Kasım Aralık Bkz. EPOT by Thornthwaite.xlsm makrosu

24 Evapotranspirasyon Blaney-Criddle yöntemi: Bu yöntem aynı zamanda bitki su tüketimi hesabında da kullanılmaktadır. BİTKİ SU TÜKETİMLERİNİN HESABI Aylık ortalama sıcaklık ( o C) Aylık toplam yağış (mm) Efektif yağış (mm) BLANEY-CRIDDLE YÖNTEMİ Us =Bitki su tüketimi(mm) Qsulama = U s x sulama alanı / randıman

25 Evapotranspirasyon Arazi deneyleri sonucu geliştirilmiş ampirik bir yöntem olan Blaney- Criddle yönteminde bitki su tüketimi U, mm/ay cinsinden U( mm / ay) f k bağıntısı ile hesaplanır. Burada, f aylık su kullanma kapasitesi faktörü, k ise aylık su kullanma kapasitesidir (Öziş, 1983). f (1.8 T 32) p /100 T : derece cinsinden aylık ortalama sıcaklık p : aylık ortalama gündüz saatlerinin yıllık ortalama gündüz saatlerine oranıdır k( mm / ay) k k 25.4 c t

26 Evapotranspirasyon k( mm / ay) k k 25.4 c t denkleminde k t : İklim faktörüdür. k c : Büyüme safhası faktörü dür. kt (1.8 T 32) denkleminden hesaplanır. Bitkinin ekim alanına verilmesi gereken sulama suyu U s (mm/ay) ise, bitki suyu ihtiyacı olan U değerinden etkili (efektif) yağış miktarının (R e ) çıkarılmasıyla elde edilir. U ( mm / ay) U R s Etkili yağış: yağışın yüzeysel akış, derine sızma ve buharlaşma yoluyla kaybolan kısmı dışındaki, toprak tarafından tutulan ve bitkiye faydalı olan kısmıdır (Bayazıt, 2003). e

27 Evapotranspirasyon Aydaki Gündüz Saatlerinin Yıllık Gündüz Saatlerine Oranı (p) aylık ortalama gündüz saatlerinin yıllık ortalama gündüz saatlerine oranı (p) enlem derecesi AYLAR ocak şubat mart nisan mayıs haziran temmuz ağustos eylül ekim kasım aralık Kaynak: Acatay, T. Sulama Mühendisliği 1996

28 Evapotranspirasyon Bitki türlerine göre kc katsayıları (Acatay, 1996) AYLAR BİTKİ CİNSİ MART NİSAN MAYIS HAZİRAN TEMMUZ AĞUSTOS EYLÜL EKİM Hububat Haşhaş Şeker Pancarı Yonca Meyve Pamuk Bağ Mısır Susam Patates Yer Fıstığı Ayçiçeği Narenciye Zeytin Anason Sebze Hayvan Yemi Bostan

29 Evapotranspirasyon Efektif (Etkili) Yağış Hesaplama Tablosu P = Ölçülen Yağış (mm) Re= Efektif Yağış (mm) 0-25 mm ise Re = P mm ise Re = 25 + (P-25) * mm ise Re = 67 + (P-75) * mm ise Re = 84 + (P-100) * mm ise Re = 96 + (P-125) * mm ise Re = (P-150) * mm den fazla ise Re = 104 mm alınacak

30 Evapotranspirasyon SULAMA RANDIMANI Randıman: Mevcut bir kaynaktan yararlanma oranı Randıman = Çıktı Girdi a) Su iletim / dağıtım kanallarında olan kayıplar -Sızma kaybı -Buharlaşma kaybı W f Kanal E i W r Tarla b) Tarlada olan kayıplar -Derine sızma (D f ) -Yüzey akış (R f ) W s R f W t D f E ç E i : İletim randımanı E ç : Çiftlik randımanı W r : Kaynaktan alınan su W f : Araziye ulaşan su W s : Kök bölgesinde depolanan su W t : Bitkinin tükettiği su

31 Evapotranspirasyon Çiftlik randımanları, E ç (%): Yüzey sulamada: % Yağmurlamada: % Damla sulamada: % gelecekte yüzey sulamadan vazgeçileceği, damlama ile yağmurlama yöntemlerinin esas alınacağı varsayılabilir. Kanal Cinsi Toprak kanal Beton kanal Kanalet ve beton kanal birlikte Kanalet Basınçlı boru hattı Su İletim Randımanı, E i (%) ~100

32 ÖRNEK 5: Salihli Sulama Birliği örneğinde 1995 yılında 38,5 Kuzey enleminde, Temmuz ayı sıcaklık ortalaması 27.2 o C, yağışı 3 mm/ay olan 1884 ha lık bir tarım alanında pamuk ziraatı için gerekli sulama suyu ihtiyaç debisini hesaplayınız. enlem derecesi Aydaki Gündüz Saatlerinin Yıllık Gündüz Saatlerine Oranı (p) AYLAR ocak şubat mart nisan mayıs haziran temmuz ağustos eylül ekim kasım aralık K enlemi 6.68 için 6.68 p İnterpolasyonla okuma ( ) 6.50 / (1.8* ) *10.13/ Aylık su kullanma kapasitesi faktörü k f T p İklim faktörü t Evapotranspirasyon *(1.8 T32) *(1.8* )

33 Evapotranspirasyon Bitki türlerine göre kc katsayıları tablosundan kc=0.95 okunur

34 Evapotranspirasyon 1995 in Temmuz ayında pamuk için toplam su kullanma kapasitesi: k( mm / ay) k k *1.087* mm c t 1995 in Temmuz ayında pamuk için mm cinsinden su tüketimi: U( mm / ay) f k 8.201* mm P = Ölçülen Yağış (mm) Re= Efektif Yağış (mm) 0-25 mm ise Re = P mm ise Re = 25 + (P-25) * mm ise Re = 67 + (P-75) * mm ise Re = 84 + (P-100) * mm ise Re = 96 + (P-125) * mm ise Re = (P-150) * mm den fazla ise Re = 104 mm alınacak Bitkinin ekim alanına verilmesi gereken mm cinsinden sulama suyu: U ( mm / ay) U R mm s lt/s cinsinden sulama suyu ihtiyacı: Qs e 0 P 3mm 25mm Re 3mm 3 4 ( *10 )*(10 *1884) /(31*86400) * / lt s

35 Evapotranspirasyon Penman vb. yöntemler ile günlük EPOT hesabı CROPWAT programı ile yapılabilmektedir.

36 Dolaysız Akış Dolaysız Akış Evapotranspirasyon Gerçek Evapotranspirasyon (Ea) Hesabı: Bir bölgedeki aylık Ea, yağış (P), akım (Q) ve EPOT bilinmesi durumunda zemin nemi ve yeraltısuyu biriktirme sistemine su bütçesi uygulayarak kavramsal olarak tahmin edilebilir. Aşağıda örnek bir su bütçesi modeli görülmektedir. Yağış Yağış Yağış P t t P t Evapotranspirasyon Evapotranspirasyon E a,t =E E ET ET ET pot,t ET ET = Өe ET ΩT a,t =E pot,t = Өe ΩT a a pot pot E a,t =Ea pot,t = pot Өe ΩT S t > S0 t > 0 E a = ES a a t-1 = + S t-1 t-1 Inf + Inf Inf S t < S0 t < 0 Inf Inf t =(1-α)P Inf t =(1-α)P t =(1-α)P t t t S t t S t Yüzeyaltı Yüzeyaltı Yüzeyaltı Depolaması Depolaması Depolaması Q s,t =αp Q s,t =αp t s,t =αp t S t > S t > S max t S max max SSW SSW SSW t = S t = t - S t - S max S max max Per=(1-β) SSW Per=(1-β) Per=(1-β) SSW t SSW t S Gw,t S Gw,t Gw,t Yeraltı suyu Yeraltı Yeraltı Depolaması suyu suyu Depolaması Depolaması Q m,t Q m,t m,t Akarsu akışı Akarsu akışı KAYNAK: Fıstıkoğlu, O., Okkan, U Tahtalı havzası için aylık su bütçesi modeli. VI. Ulusal Hidroloji Kongresi, Denizli,