HİDROLOJİ Gök ağlamayınca yer gülmez. (3. HAFTA) Dr. Semih EDİŞ 3-YAĞIŞ Hidrolojide kullanılan yağış terimi, atmosferden yere gelen her türlü suyu kapsar. Yağmur Kar Dolu Sis Sulu sepken Çiy Tip Özellikleri Tipik miktar Çiy Yeryüzünde, özellikle bitki yüzeylerinde birikir (donmuş hali 0.1-1.0 mm/gece kırağıdır) Sis damlası Bitki örtüsünde ve diğer cisimlerin üzerinde biriken sis (donmuş hali kırağıdır) 4 mm/st'e kadar Çisenti Damla çapı 0.5 m'den küçüktür (Yüzey sıcaklığı 0 C'den düşükse 0.2-0.5 mm/st buz taneleri şeklindedir) Yağmur Damla çapı > 0.5 mm, Tipik olarak 1-2 mm. Hafif<2 mm/hr Şiddetli>7 mm/st Sulu sepken Kısmen eriyik kar veya karla karışık yağmur Kar kristalleri (kuşbaşı kar) Kar tanesi Kar topağı Buz tanesi Buz sepkeni Dolu Yapışık buz kristalleri, birkaç cm büyüklüğünde olabilir Çok küçük, düz, saydam olmayan buz tanecikleri 2-5 mm çaplı saydam olmayan buz topakları, sağanak halinde yağar Buz tanelerini saran saf buz ya da kar topağı Donmuş yağmur veya çisenti damlaları Küresel buz topakları, çap 5-50 mm veya fazladır, kesitte saydam olmayan ve temiz buzdan katmanlı bir yapıya sahiptir Yağışın gerçekleşmesi için hava doygun olmalıdır, ama eğer hava saf ise % 100 doygunluk bile yağışı doğuramaz. Yağışın oluşması ve yoğunlaşması için dört mekanizmanın birbirinin peşi sıra gerçekleşmesi gerekir. 3.1.1-SOĞUMA Havanın veya bulutların doygunluğa ulaşabilmeleri için bir şekilde soğumaları gerekir. Konveksiyonla soğuma Radyasyon kaybı ile soğuma soğuma, yoğunlaşma, damlacıkların büyümesi yağış bölgesine nemli bulutların gelmesi Karışma ile soğuma Adyabatik (dinamik) soğuma: ÇAKÜ Orman Fakültesi, Havza Yönetimi ABD 1
3.1.3-DAMLACIKLARIN BÜYÜMESİ Yoğunlaşma her zaman yağışa sebep olmaz. Yoğunlaşma ortalama 40 µ çapa sahip küçük su damlacıklarından oluşan sis veya bulutları oluşturur. Yağmur damlaları ise 500-4000 µ arasında değişen çaplara sahiptir. Damlacıkların büyümesi için iki yol vardır. buz kristalleri etkisi Yoğunlaşan su damlacıklarının yere düşebilmesi için belli bir büyüklüğe gelmeleri gerekir, aksı takdirde sürtünme direnci ve rüzgâr tesiriyle havada asılı kalırlar. çarpışma etkisi 3.1.4-YAĞIŞ BÖLGESİNE NEMLİ BULUTLARIN GELMESİ 3.1.5-YAPAY YAĞMUR (BULUT TOHUMLAMA) Uzun süreli yağışın gerçekleşmesi için ek olarak yağış alanına yeni su yüklü bulutların gelmesi gerekir. Bir bulut, bir metre küp hacimde ortalama 2-3 gr sıvı sudan fazlasını taşımaz. Yağışın oluşumundan sorumlu dört mekanizma incelendiğinde, insanların sadece yoğunlaşma kademesinde devreye girerek bulut tohumlama, bulut tadili, bulut sağma, hava durumu kontrolü veya hava durumu tadili olarak da adlandırılan yapay yağmuru elde edebileceği görülür. Gözlemlere göre bulutlardaki su miktarı bir hayli azdır. Yoğunlaşma mekanizması, buluta yoğunlaşma ve süblimasyon çekirdekleri enjekte edilerek, yapay bir şekilde hızlandırılabilir. Bu enjeksiyon bir uçaktan veya yerden duman şeklinde yapılabilir. Eğer bulutun sıcaklığı -15 C civarında ise, gümüş iyodür buz kristalleri oluşturmakta çok etkili olur. Bu işlem dağlık bölgelerde daha verimlidir. ÇAKÜ Orman Fakültesi, Havza Yönetimi ABD 2
3.1.6-YAĞIŞIN DEĞİŞİMİ Yağış, atmosferdeki hava akımlarının genel şekline ve topografya ile rüzgâr yönü gibi yerel faktörlere bağlı olarak, alan ve zamanda farklıklar gösterir. Alansal olarak, genellikle kıyılarda yağış iç bölgelerden fazladır, denizler atmosferik nemin önemli bölümünü sağlarlar. Ayrıca dağların denize bakan veya rüzgâr yönüne dik olan yamaçları iç taraflara bakanlara göre daha fazla yağış alırlar. Atmosferdeki hava akımlarının yıllık dönüşümleri belli alanlara gelen nemi değiştirdiğinden, o bölgelerde yağış miktarında büyük mevsimsel farklar ortaya çıkar. Dünyanın kara yüzeyleri için ortalama yıllık yağış 800 mm kadardır, fakat yıllık ortalaması 0.5 mm olan Şili'deki Anica'dan yıllık ortalaması 11680 mm olan Hawai'dekiWaialeale Dağı'na varıncaya kadar büyük farklılıklar görülür. Türkiye'nin 643 mm civarında olan yıllık ortalama yağış derinliği dünya ortalamasından oldukça düşüktür, en düşük yağış 1933 yılında 63.3 mm olarak Himmetdede'de (Kayseri), en yüksek değer de 1931 yılında 4043.3 mm olarak Rize 3.2 YAĞIŞLARIN ÖLÇÜMÜ YAĞIŞ ÖLÇER Bazı yağış ölçerler belli bir noktada belirli bir süre içindeki toplam derinliği (noktasal yağış) bazıları da aynı noktada bu süre içindeki derinlik değişimini ölçer. Depolama Yağış ölçer Hava tahmin radarı Yazıcısı Olmayan Yazıcılı Terazili yağış ölçer Ölçülebilen yağış derinliği 0.1 mm'nin üzerinde olan derinliktir. 0.1 mm'nin altındaki yağış miktarına ise iz adı verilir. Devrilen kovalar Sifonlu Yağış ölçer Yağış ölçümlerinde şu iki önemli güçlük vardır. Yüzgeçli yazıcı yağış ölçer Ölçüm aleti, o yerde alet bulunmaması halinde olabilecek bütün yağışı toplayabilmelidir. Ölçüm ağında istasyon yerleri öyle seçilmelidir ki bu ağ kullanılarak ilgili alanın yağışı gerçeğe en yakın olarak bulunabilsin. Elektronik yağış ölçer KAR ÖLÇÜMLERİ KAR ÖLÇÜMLERİ Kar Yağışı Kar Örtüsü Taze kar esas alınmaktadır Su eşdeğerinin hesaplanması hedeflendiğinde ölçüm yapılacak yerin temiz bir yüzey olması gerekmektedir. Kar ölçerin konumu ve yüksekliği Taze karda 1 cm kar = 1 mm su ÇAKÜ Orman Fakültesi, Havza Yönetimi ABD 3
KAR ÖRTÜSÜNÜN ÖLÇÜLMESİ Kar güzergahının seçimi Ölçüm noktaları Kar örnekleme setleri Radyoaktif ölçüm yöntemleri Kalıcı kar kütlelerinde örnekleme Su eşdeğeri = kar örtüsü yoğunluğu x kar örtüsü derinliği YAĞIŞ İSTASYON AĞI Yağışın yerel dağılımının öğrenilebilmesi için bir ölçüm ağının kurulması gerekir. Dağlık bölgelerde yağış miktarı ve şiddeti hızla değiştiğinden, sık bir ölçüm ağı kurulmalıdır. Dünya Meteoroloji Örgütü Düz alanlarda 600-900 km2 Dağlık alanlarda 100-250 km2 En fazla 500 m yükseklik farkı Çok Kurak bölge ve kutuplarda 1500-10000 km2 Yağışın çokça değiştiği dağlık adalarda 25 km2 ÇAKÜ Orman Fakültesi, Havza Yönetimi ABD 4
Yağış verisi tipleri YAĞIŞ VERİSİNİN ANALİZİ Normal oran Yazıcı olmayan ölçerlerden alınan günlük toplam yağış derinliği Yazıcı aletlerden alınan, zamana karşı toplam yağış derinliği grafiği Depolama ölçerlerinden alınan, mevsimlik toplam derinlik Normal oran ARİTMETİK ORTALAMA METODU Eksik verisi olan istasyonun civarındaki üç istasyon esas alınır. Bu metot, civar istasyonlarla eksik verili istasyonun yıllık normal yağışları birbirinden % 10 miktarından daha az farklı ise kullanılır.. Eksik veri civar istasyonda o sürede gözlenmiş değerlerin aritmetik ortalaması alınarak bulunur Eksik verili istasyon X, civar istasyonlar A, B ve C olduğunda; NX, NA, NB ve NC yıllık normal yağışlar, PA, PB, PC eksik verili sürede civar istasyonlarda gözlenen yağış değerleri, Ptah, da eksik verinin tahmini değeridir. Normal oran NORMAL ORAN METODU Bu metot, komşu istasyonların yıllık normal yağışları eksik verili istasyonunkinden % 10'dan daha fazla değiştiği zaman kullanılır. NX, NA, NB ve NC yıllık normal yağışlar, PA, PB, PC eksik verili sürede civar istasyonlarda gözlenen yağış değerleri, Ptah, da eksik verinin tahmini değeridir. ÇAKÜ Orman Fakültesi, Havza Yönetimi ABD 5
Normal oran AĞIRLIKLI ORTALAMA METODU Eksik verisi bulunan istasyon merkeze yerleştirilerek çizilen kartezyen koordinat eksenleri istasyon etrafında dört bölge meydana getirir Her bölgede merkeze en yakın yağış istasyonu bulunup, bu istasyonlarda eksik veri süresinde gözlenen yağışlara P1, P2, P3 ve P4, istasyonların merkeze uzaklıklarına da d1. d2, d3, ve d4 iki bölgede istasyon yoksa bu metot kullanılmamalıdır Bu metotlarla bulunan değer hiçbir zaman civar istasyonlarınkinden daha küçük veya daha büyük değildir. YAĞIŞ VERİSİNDEKİ HATALAR VE DÜZELTİLMELERİ Normal oran Rastgele veya örnekleme hatası olarak tariflenen hatalar gözlemlerde yanlış okuma, yazma, basma veya rakamların yuvarlanmasından meydana gelir. Sistematik hatalar istasyon yerinin değişmesi, toplayıcı huninin yanlış yerleşmesi veya bir tarafa kayması, aletin bir kısmının değişmesi ve çevrede değişiklik olması (aletin gerçek yağışı almasını önleyen) gibi sebeplerden meydana gelebilir Bu düzeltme için uygunluk analizi (veya çift toplam eğrisi analizi) kullanılır. Uygunluk (tutarlılık) analizinde, bir istasyonun değerlerinin kontrolü, o istasyonun yıllık veya aylık toplam değerleri, civarındaki bir grup istasyonun aynı süredeki ortalama yıllık veya aylık toplam değerleri karşılaştırılarak yapılır. Normal oran Toplam derinlik eğrisinden şiddet-zaman grafiğinin elde edilmesi Ma: Son Kısmın eğimi Mo: Düzeltme yapılan kısmın eğimi ÇAKÜ Orman Fakültesi, Havza Yönetimi ABD 6
P: toplam yağış derinliği TOPLAM DERİNLİK EĞRİSİNDEN ŞİDDET-ZAMAN GRAFİĞİNİN ELDE EDİLMESİ Normal oran Yazıcı istasyonların kaydettiği toplam derinlik eğrisi hidrograf analizinde kullanılmaya elverişli değildir. Basamak şeklindeki şiddet-zaman grafiğine (hiyetograf) çevrilmesi gerekir. Bunun için, kaydedilen toplam derinlik eğrisi aşağı yukarı sabit şiddetleri gösteren doğru parçalarına ayrılır. Bu doğru parçalan için derinlik ve zaman aralıkları bulunup yağış şiddeti hesaplanır. Bunun için örnek tablodaki gibi bir tablo yapılması kolaylık sağlar. Sonra yağış şiddetleri zamana karşı çizilerek istenilen grafik elde edilmiş olur TOPLAM YAĞIŞ EĞRİSİ Bu eğri zamana karşı yağışın toplam derinliğini göstermektedir ve eğrinin herhangi bir zamandaki eğimi veya zamana göre ilk türevi o an için yağış şiddetini verir. Diğer taraftan yazıcı olmayan yağış ölçerlerde sadece günlük toplam yağış derinliği elde edilir. Daha önce anlatıldığı gibi bu tek toplam değer hidrograf analizi için uygun değildir. Yazıcı istasyondaki değer, bulunan oranla (P B /Pa) çarpılarak yazıcı olmayan istasyonun tahmini değeri her an için bulunup, bu istasyon için de toplam yağış eğrisi çizilebilir. Normal oran D: toplam yağış sürelerini Yağışın zamansal değişimi önemlidir ve bu değişim bir yerden diğerine de farklılıklar gösterir. Yağışın zamansal değişimi farklı yerler için, toplam yağışın yüzdelerinin zamana karşı çizildiği birimsiz toplam eğri denilen grafikle de verilebilir. ARİTMETİK ORTALAMA METODU Normal oran Bölge içindeki tüm istasyonların değerlerinin ortalaması alınarak bölgenin ortalama yağış yüksekliği bulunur. Dağlık bölgelerde ve şiddetli yağışlar sırasında uygulanamaz. Bu durumlarda yağış şiddeti çok kısa mesafelerde hızla değişebilir. Yağış ölçerlerinin oldukça üniform olduğu 500 km 2 den küçük bölgelerde bu yöntem uygulanabilir P i istasyonundaki yağış n alandaki istasyon sayısı ÇAKÜ Orman Fakültesi, Havza Yönetimi ABD 7
THİESSEN ÇOKGENLERİ METODU Alandaki yağış istasyonları üniform dağılmıyorsa bu yöntem kullanılır. Bölge içinde olmayan yakındaki yağış istasyonunun verileri de kullanılabilir. Normal oran EŞYAĞIŞ EĞRİLERİ METODU Özellikle dağlık bölgelerde kullanılır ve iyi sonuçlar verir. Yağış yüksekliği aynı olan noktaları birleştiren eşyağış eğrileri çizilir. Alansal ortalama değer, eş yağış eğrileri arasındaki alanlarla bu alanlardaki ortalama yağış değerlerinin çarpımlarının toplanması ve bu toplamın havza alanına bölünmesi ile bulunur. Normal oran SONUÇ HİYETOGRAFI Bir yağışın alansal dağılımının ve ortalamasının zamandaki değişimini gösteren ortalama hiyetografa sonuç hiyetografı denir. Zamansal dağılım ortalaması istasyonlarda elde edilen şiddet-zaman grafiklerinin (hiyetograf) kullanılmasıyla bulunur. Grafiklerdeki zaman aralığı dakika, saat, gün,... vs olabilir. Hiyetografların birleştirilmesinde aritmetik ortalama ve thiessen çokgenleri metotları kullanılır. ÇAKÜ Orman Fakültesi, Havza Yönetimi ABD 8
DERİNLİK-ALAN-SÜRE EĞRİLERİ Normal oran Derinlik-alan-süre (D-A-S) eğrileri, değişik büyüklüklerdeki alanlar üzerinde, değişik sürelerde olan maksimum yağışları bulmak için hazırlanır. Bir alanda meydana gelen belli süreli ve tek merkezli bir sağanak alınıp eşyağış eğrileri çizilir. Sonra her eşyağış eğrisinin içindeki alanın ortalama yağış derinliği bulunur. Bu derinlikler tekabül ettikleri alanlara karşı noktalanıp, noktalardan bir eğri çizildiğinde o sağanak süresi için derinlik- alan eğrisi bulunmuş olur. Ancak tek sağanaktan elde edilen bu eğri bu alan için en fazla yağışları göstermeyebilir, dolayısıyla bu alanı temsil edebilecek derinlik-alan-süre eğrisini bulmak için mümkün olduğu nispette çok sayıda sağanağı incelemek gerekir. Normal oran Aynı süreye sahip pekçok sağanak yukarıda anlatıldığı gibi analiz edilerek elde edilen noktalara üstten zarf eğrisi geçirilerek bu süre için alanı temsil eden derınlik-alan eğrisi bulunur süre uzadıkça yağış derinliği artmaktadır. alan büyüdükçe ortalama yağış derinliği düşmektedir ŞİDDET-SÜRE-TEKERRÜR EĞRİLERİ Normal oran Üç değişken arasında olan bu bağıntı hidrolik yapıların, bilhassa küçüklerin, tasarımında kullanılan önemli bir ilişkidir. Bu ilişki de D-A-S eğrilerinde olduğu gibi bir eğriler ailesiyle ifade edilir Her bir eğri belli bir tekerrür süresi için yağış şiddetinin referans süresi (yağış süresi) ile nasıl değiştiğini gösterir Bir sağanakta gelen su derinliği sabit olduğunda, yağışın şiddeti sağanağın süresi ile ters orantılıdır. Gelen su derinliği Ad, sağanak süresi At ise, yağış şiddeti i = Ad/At olduğundan, At ne kadar kısa ise yağış şiddeti o kadar fazladır Belli bir yağış süresi düşünüldüğünde de yağış şiddetinin tekerrür süresiyle (frekansla) arttığı görülür. ÇAKÜ Orman Fakültesi, Havza Yönetimi ABD 9
3.4-RASYONEL METODU Nehrin akım rejimini ve gelebilecek en büyük taşkını tahmin etmektedir. Rasyonel, bir havzaya düşen yağışla aynı havzanın akımını ilişkilendiren en eski metotdur. Genellikle 100 km 2 'den küçük alanlarda pik debi bulunmasında kullanılır. «Bir yağış aniden başlayıp durmamacasına yağdığında, bunun meydana getirdiği akım toplanma süresine kadar artar, toplanma süresinde bütün havzanın katkısı tamamlandıktan sonra sabit olarak devam eder» Q p = 0.278 C I A Q p = pik debi (m 3 /s) C = akım katsayısı (boyutsuz) ı = toplanma süresi, t c, boyunca gelen ortalama yağış şiddeti (mm/st) t c = toplanma süresi A = havzanın alanı (km 2 ) İlk durumda yağış süresi t c 'den kısadır ve meydana gelen maksimum debi q p, bu alandan gelebilecek maksimum debi Q p 'den küçüktür. Q p ancak yağış süresi toplanma süresine eşit veya büyükse meydana gelebilir (2. ve 3. durumlar). Yağış bittikten sonra akım aniden sıfır olmaz, alan yüzeyindeki suyun tamamı çıkış noktasından çıkana kadar, yine t c 'ye eşit bir süre kadar devam eder. Toplanma süresi, t c, bir havzaya düşen yağışın, havzanın en uzak noktasından havza çıkışma ulaşması için geçen süre olarak tarif edilir. Yağışın bu süre boyunca düzgün olduğu (sabit şiddetle geldiği) kabul edilir ve pik debi de bu süre sonunda meydana gelir. Rasyonel n en zayıf tarafı akım katsayısı C'nin değerindedir. Zira bu katsayı ilgili havza için pik debinin yağış şiddetine oranının sabit olduğunu belirtir ki gerçekte bu doğru değildir. 5-10 yıllık tekerrür süreli tasarımlar için tipik C katsayıları Alan tarifi Akım katsayısı Alan tarifi Akım katsayısı İş yeri Yollar Şehir merkezinde 0.70 0.95 Asfalt 0.70 0.95 Çevre alanlarda 0.50 0.70 Beton 0.80 0.95 Tuğla 0.70 0.85 Yerleşim bölgeleri Garaj girişleri 0.75 0.85 Tek tek evler 0.30 0.50 Değmeyen çoklu evler 0.40 0.60 Çatılar 0.75 0.95 Değen çoklu evler 0.60 0.75 Kenar mahalleler 0.25 0.40 Çimen; Kumlu toprak: Apartman grupları 0.50 0.70 Düz, % 2 0.05 0.10 Orta, % 2-7 0.10 0.15 Sanayi Dik, % 7 0.15 0.20 Hafif 0.50 0.80 Ağır 0.60 0.90 Çimen; Ağır toprak: Demiryolu alanları 0.20 0.40 Düz, % 2 0.13 0.17 Park ve mezarlıklar 0.10 0.25 Orta, % 2-7 0.18 0.22 Oyun alanları 0.20 0.35 Dik, % 7 0.25 0.35 Gelişmemiş bölgeler 0.10 0.30 Bilhassa kentsel bölgelerde pik debinin bulunacağı alan değişik yüzey karakterlerine sahip alt havza veya alt alanlardan oluşur. Dolayısıyla böyle alanlar için, değişik yüzeylerin etkilerini de içeren birleşik bir denklem kullanılır. Althavza alanları Aj ve onların akım katsayıları Cj ile gösterildiğinde, j = 1, 2,..., n (n: alt havza sayısı) için, bütün alanın pik debisi Q p = 0.278 i C J A J n j=1 ÇAKÜ Orman Fakültesi, Havza Yönetimi ABD 10
Rasyonel formülün uygulanmasında aşağıdaki adımlar takip edilir 3.5-OLASI MAKSİMUM YAĞIŞ Drenaj alanı için t c toplanma süresinin bulunması, Akım katsayısı C'nin tayini (Tablodan seçilmesi), Bir T r tekerrür süresi seçilip, bu süre için bir i yağış şiddetinin bulunması, (Drenaj alanında dengenin kurulması ve pik debinin meydana gelmesi için bulunan bu tasarım yağış şiddetinin t c boyunca devam etmesi gerekir. Aranan yağış şiddeti, i, bölgenin şiddetsüre-tekerrür eğrilerinden alanın toplanma süresi t c yağış süresi olarak alınarak bulunur.) Dünyada gün geçtikçe daha fazla istasyon açılıp daha fazla gözlem yapıldıkça ve gözlem süreleri uzadıkça, belli süreler için gözlenmiş eski maksimum yağış değerlen devamlı aşılmaktadır. Dolayısıyla, değerlerin devamlı olarak artmaya devam mı edeceği, yoksa yağış için fiziksel bir üst limit mi olduğu sorusu ortaya çıkmaktadır. Böyle belli bir üst limit olması fikri olası maksimum yağış (OMY) tarifini ortaya çıkarmıştır Aranan pik değer Q p nin bulunması. Olası maksimum yağış İstatistik metotlar Meteorolojik metotlar R T = തR + K T r S r തR yıllık maksimum yağışların ortalaması, s R bunların standart sapması ve K(T r) de tekerrür süresi T r'ye bağlı bir frekans faktörüdür. OMY = തR + K m S r K m = 15 değerinin OMY için iyi bir tahmin değeri verdiği kabul edilir. Bu metotlarda çok miktarda meteorolojik bilgiye ihtiyaç duyulur. Olası maksimum yağabilir su derinliği alınıp bu değer tek tek sağanak analizlerine tabi tutularak yağış değerim büyültme prensibi kullanılır. ÇAKÜ Orman Fakültesi, Havza Yönetimi ABD 11