Yüzeysel Akış Giriş Bir akarsu kesitinde belirli bir zaman dilimi içerisinde geçen su parçacıklarının hareket doğrultusunda birçok kesitten geçerek, yol alarak ilerlemesi ve bir noktaya ulaşması süresince gerçekleşen olaya akış adı verilir. Akış izlediği yol doğrultusunda sınıflandırılır. Burada akışın gerçekleştiği havza karakteristiklerini bilmek gerekir. Akışın başlangıç noktası yağıştır. 1
Temel Kavramlar a. Akarsu Havzası (Su Toplama Havzası, Drenaj Havzası): Yağışlarla toplanan suları, bir yüzeysel su yolu (akarsu) üzerinden bir çıkış noktasına (deniz veya göl) ulaştıran yüzeye "akarsu havzası" veya kısaca "havza" denir. b. Su Ayrım Çizgisi: Bir havzayı diğer havzalardan ayıran sınıra "su ayrım çizgisi" denir. Su ayrım çizgisi, arazideki en yüksek kotlu noktalardan geçer. c. Özgül Debi: Çıkış noktasında ölçülen debinin, havza alanına oranıdır (lt/sn/km2). d. Akış Yüksekliği: Havzanın çıkış noktasından belli bir süre içinde geçen akış hacminin, havza alanına oranıdır (mm, cm). Temel Kavramlar e. Havzanın Geçiş Süresi (Konsantrasyon Süresi): Yüzeysel akışın, havzanın en uzak noktasından çıkış noktasına varması için geçen süreye havzanın "geçiş süresi" denir ve şu sürelerin toplamına eşittir: 1. Yağış şiddetinin sızma kapasitesini aşması için gereken süre, 2. Yüzey birikintilerinin dolması için geçen süre, 3. Yüzeysel akışın akarsu ağına varması için geçen süre ve 4. Akarsu ağında, suyun çıkış noktasına varması için geçen süre. f. Akış Katsayısı: Belli bir süredeki akış yüksekliğinin aynı süredeki yağış yüksekliğine oranıdır. Havzanın ve yağışın özelliklerine göre 0.05-0.5 arasında değişir. 2
Akarsu Havzalarının Özellikleri Havzaya düşen yağışın çıkış noktasında gözlenen akışa dönüşmesi, havza karakteristikleri de denen havzanın özelliklerine bağlıdır. En önemlileri a. Büyüklüğü: Havzanın büyüklüğü çoğu defa havza alanı ile ifade edilir. Küçük havzaların debileri daha düzensiz ve geçiş süreleri daha kısadır. b. Eğimi: Bir haritadan, çeşitli yöntemlerle belirlenebilir. Havzanın eğimi arttıkça, akış hızı artar ve geçiş süresi kısalır; dolayısıyla taşkın debisi de büyür. c. Ortalama Kotu: Yağış miktarı ve cinsi (yağmur veya kar) ve sıcaklık üzerinde etkilidir. d. Zemin Cinsi ve Jeolojik Yapısı: Sızmayı ve yer altı akışını etkiler. e. Bitki Örtüsü: Terleme ve sızmayı, ayrıca yüzeysel akışın hızını etkiler. f. Biçimi: Geçiş süresini önemli ölçüde etkiler. g. Havza alanının çıkış noktasından olan uzaklığa göre dağılım: Hidrografın şeklini etkiler Havzanın biçimi: Havza şekli taşkınların oluşumunda çok etkilidir. Büyüklükleri ve diğer özellikleri aynı olan iki havzanın taşkın hacimleri aynı olmasına rağmen biçimleri farklı olduğu için pik debileri, pik debiye ulaşma süreleri ve devam süreleri değişiktir. 3
a-) Biçim katsayısı: L 2 /A L: Akarsu ana toplayıcının en derin yerinden (talveg) ölçülen uzunluk A: Havzanın alanı Biçim katsayısının büyük olması havzanın uzun ve dar olduğunu gösterir. d-) Eşdeğer dikdörtgen boyutları: Havza ile alanı ve çevre uzunluğu aynı olan bir dikdörtgenin kenar uzunluklarıdır. 4
5-) Havzanın eğimi: Havza eğiminin hesaplanmasında harmonik eğim kullanılır. Toplayıcı ana akarsu kolu on eşit parçaya bölünür. L i her bir parçanın uzunluğunu, h 2, h 1 ise her bir parçanın uçlarındaki kotları göstermektedir. Havza eğimi arttıkça pik debi değeri artar, pik debiye ulaşma süresi kısalır akışın yıl içinde dağılımı düzensizleşir. 6-) Havzanın ortalama kotu: Havzanın ortalama kotu hipsometrik eğriden hesaplanır. Havza alanının %50 sine karşılık gelen kot havzanın ortalama kotu (medyan kot) olarak alınır. Havzanın ortalama kotu havzadaki yağış miktarını, sıcaklık derecesini, bitki ve kar örtüsünü dolayısıyla yağış ve akış miktarını etkiler. 7-) Havza alanının çıkış noktasından olan uzaklığa göre dağılımı: Bir yağıştan sonra çıkış noktasında görülen akışın zaman içinde dağılımını (hidrografın şeklini) etkilemesi bakımından önemlidir. 5
Akarsu ağı Akarsu ağı planda, profilde ve enkesitte mevcut su ve katı maddeyi dinamik bir denge halinde taşıyabilecek bir biçim alır. Şu özellikleriyle belirlenebilir. - Akarsu yoğunluğu, - Drenaj yoğunluğu, - Akarsu profili, - Akarsu ağının şekli, - Akarsuyun mertebesi - Akarsuyun enkesiti 7.3 Bir Akarsu Ağının Akışı Etkileyen Özellikleri Bir akarsu havzasındaki akarsu ağı planda, profilde ve enkesitte mevcut su ve katı maddeyi dinamik bir denge halinde taşıyabilecek bir biçim alır. Bu ağ şu özellikleriyle belirlenebilir: i. Akarsu Yoğunluğu (AY): Kollarının her biri ayrı ayrı sayılmak üzere hesaplanacak akarsu kol sayısının havza alanına oranıdır. Akarsu ağı iyi dallanmışsa pik debi yükselir. ii. Drenaj Yoğunluğu (DY): Havzadaki akarsuların toplam uzunluğunun (bütün kollar dahil) havza alanına oranıdır. DY 0.5-2.5 km/km 2 arasında değişir. Drenaj yoğunluğunun büyük olması halinde yağışın esas akarsuya varışı çabuklaşacağından taşkınların şiddeti artar. (a) ve (b) de DY ler aynı fakat AY (b) de daha büyük. (c) ve (d) de ise AY ler aynı fakat DY (d) de daha büyük. 6
iii. Akarsu profili: Akarsuyun boykesiti olup esas akarsu yatağının talveg kotunun çıkış noktasından olan uzaklığa göre değişimini gösterir. Çıkış noktasından uzaklaştıkça profil dikleşir yani akarsu yatağının eğimi artar. Dağ akarsularında yüzde mertebesinde olan eğim ova akarsularında onbinde mertebesinde olur. Eğim akışı artırır. iv. Akarsu ağının şekli: Zeminin jeolojik yapısına bağlı olarak havzadaki akarsu ağı değişik şekiller alır. Genellikle kıvrıntılar (menderes) çizerek yada kollara ayrılarak akarlar. Menderesler akış hızını azaltır. v. Akarsuyun enkesiti: Esas akarsu yatağının enkesitşekli genellikle tarapezdir. Taşkın yatağının genişliği esas yatağa göre çok daha fazladır. Kesit derinliği ve genişliği akım yönünde artar. Akım hızı da artar. Geçiş süresi (Toplanma süresi, Konsantrasyon süresi), (t c ): Geçiş süresi havzanın alanı büyüdükçe büyür eğimle ters orantılıdır: Geçiş süresini havzanın biçimi de etkiler. Küçük havzalarda geçiş süresi için Kirpich aşağıdaki formülü önermiştir: 7
Çeşitli havzalardaki akışı birbirleriyle karşılaştırmak için özgül debi kullanılır: Havzanın bir çıkış noktasından belli bir süre içinde geçen akış miktarına akış yüksekliği denir: 1 mm akış yüksekliği 1000 m3/km2 ye karşılık gelir. Belli bir süredeki akış yüksekliğinin aynı süredeki yağış yüksekliğine oranına havzanın akış katsayısı denir. Bu boyutsuz sayının değeri genellikle 0.05 ile 0.5 arasında değişir. Türkiye de toplam 26 akarsu havzası vardır. En büyük havza alanı 127 304 km 2 ile Fırat havzası en küçük havza alanı 6374 km 2 ile Burdur havzasıdır. Yıllık yağış yüksekliği en büyük olan havza P = 1291 mm ile Doğu Karadeniz havzasıdır. Akış katsayısı en yüksek olan havza 0.83 ile Doğu Akdeniz havzası, en düşük 0.11 ile Burdur havzasıdır. Türkiye deki havzaların akış katsayısı ortalaması 0.37 dir. Bazı havzalara ait akış katsayıları aşağıda görülmektedir: 8
Türkiye Havzalarının Akış Katsayıları Yüzeysel Akış Havzası ile Yeraltı Akış Havzası Karstik bölgelerde ve basınçlı akiferlerde yeraltı suyunun beslenme bölgesi yüzeysel akışınkinden farklı olabilir. Fakat birçok havzada bunların havza sınırlarının aynı olduğu kabul edilir. 9
Akışın Kısımlara Ayrılması Bir akarsu kesitinden geçen akış, çeşitli kısımlardan meydana gelir. Havzaya düşen yağıştan sızma, buharlaşma vb. kayıplar çıktıktan sonra geriye kalan kısmı "yüzeysel akış" haline geçer Yerçekimi etkisi ile arazinin eğimine uyarak havzanın yüksek noktalarından alçak noktalarına doğru hareket eder. Diğer taraftan zemine sızan suyun bir kısmı zeminin üst tabakalarında (doymamış bölgede) ilerleyerek geçirimsiz bir tabakaya rastlayınca yüzeye çıkabilir, buna yüzey altı akışı denir. Zemine sızan suyun bir kısmı ise daha derinlere inerek yeraltı suyuna karışır ve sonunda yer altı akışı şeklinde bir akarsuyu besleyebilir. Dolaysız Akış : Yüzeysel akış (tabaka akışı) + yüzeyaltı akışının gecikmesiz kısmı (kısa zamanda akarsuya ulaşan kısmı) Yalnız yağış şiddetinin, sızma kapasitesini aştığı zamanlarda oluştuğundan, şiddetli yağışlardan sonra önemli hale gelir ve çok hızla hareket edip kısa zamanda büyük taşkınlara yol açabilir. Taban Akışı = Yer altı akışı + yüzeyaltı akışının gecikmeli kısmı (uzun zaman sonra akarsuya ulaşan kısmı) Akış hızı çok yavaştır ve akarsuyu sürekli besleyen kaynak niteliğindedir. Yüzeysel Yağış Yüzeysel biriktirme akış Yüzeyaltı akışı Tabaka akışı Yeraltı akışı Sızma AKARSU 10
Sabit şiddette bir yağış sırasında yeryüzüne düşen suların dağılımının zaman içinde değişimi Akarsu ve yeraltı suyu ilişkisi: Taban Akışı Taban Akışı YAS YAS 11
Rasyonel Metod Akarsu yapılarının projelendirilmesi en çok karşılanılan problemlerden biri akarsudaki maksimum debinin belirlenmesidir. En basit olan ve en çok kullanılanlarından biri Rasyonel Metod Rasyonel yöntemle dolaysız akış hidrografının pik debisi şöyle hesaplanır: Alanı A olan bir havzaya düşen i şiddetinde yağışın meydana getireceği maksimum Q debisi: Q = C i A Burada, Q pik debi (m3/sn), i yağış şiddeti (m/sn), A havza alanı (m2), C akış katsayısıdır. Rasyonel Metod Akış katsayısı bitki örtüsüne, zeminin geçirimliliğine ve havzanın eğimine göre 0.05-0.95 arasındadır. Bu denklemde birimlerin homojen olmasına dikkat edilmelidir. Değişik özellikteki bölgelerden oluşan havzalarda ağırlıklı alansal ortalama kullanılır. 12
Highlights - Rasyonel Metod Rasyonel Yöntem, geçirimsiz alanların yüzdesi büyük olan yerlerde ve yağış süresinin havzanın geçiş süresinden büyük veya eşit olduğu küçük havzalarda (0.5-5 km2) iyi sonuçlar verir. Yöntemle sadece akışın pik debisi tahmin edilip hidrograf belirlenemediğinden, akış hacmi tahmin edilememektedir. Şehir kanalizasyon şebekelerinin yağmur suyu debileri ile, karayollarındaki menfezlerin debileri genellikle rasyonel yöntemle hesaplanmaktadır. Hesaplanan debiler, dolaysız akış debileri olduğundan taşkın debisini tahmin etmek için bu değere taban akışı ilave edilmelidir. Hesaplanan pik debiler kullanılarak, Snyder Yönteminde açıklandığı gibi, tp değeri hesaplanıp boyutsuz Birim Hidrograflar yardımıyla, dolaysız akış hidrografı tahmin edilebilir. Burada Qp yerine QT değerleri dikkate alınır. Rasyonal metodu büyük havzalarda (5 km2 den büyük) havzalarda kullanmak doğru olmaz. Çünkü formülde havzanın toplam alanı göz önüne alındığı için yağışın en az havzanın geçiş süresi kadar devam etmesi gerekir. Oysaki büyük havzalarda yağışın geçiş süresi kadar sürmesi ve bütün havza üzerine üniform dağılması olasılığı az olacağından bu formül kullanılamaz. Ayrıca büyük havzalarda yüzey iletme kanallarının dolması da önemli bir zaman alacağından uzak noktalardaki akış çıkış noktasına çok geç varabilir. Böylece maksimum debi geçiş süresinin bitiminden önce görülebilir. Yağış süresinin havzanın geçiş süresinden az olması halinde rasyonel metodun modifiye edilmiş hali kullanılır: Bu durumda debinin maksimumdan geçtiği anda havzanın ancak bir kısmına düşen yağış çıkış noktasına varmış olacaktır. 13
Örnek 7.1 Bir park yerinin genişliği 120 m, uzunluğu 240 m olup geçiş süresinin 20 dakika olduğu tahmin edilmiştir. Park yerine 30 dakika süreyle 50 mm/st şiddetinde bir yağış düşüyor. Akış katsayısı 0.85 alındığına göre park yerinin drenaj kanalının çıkış noktasında görülecek en büyük debiyi hesaplayınız. Çözüm: Bir havzaya geçiş süresinden uzun bir zaman boyunca sabit şiddette bir yağış düştüğü takdirde akış şiddeti yağış şiddetine eşit olur. Bu durumda maksimum debi rasyonel metotla hesaplanabilir. Yağış süresi = 30 dak > Geçiş süresi = 20 dak 14