IMCET 2017 / ANTALYA / TÜRKİYE / 11-14 Nisan Maden İşletme Sahaları İçerisindeki Riskli Alanların Havza, Yağış ve Taşkın Analizleri ile Belirlenmesi: Hurman Çayı Örneği A Sample for the Determination of Areas Having Flood Risk in Mining Operational Areas by Basin, Rainfall and Flood Analysis: Hurman Watercourse, Afşin/Elbistan T. E. Toptaş Teknik ve Eğitim Müdürü, Netcad Yazılım A.Ş. Öğretim Görevlisi, Gazi Üniversitesi, Şehir ve Bölge Planlama Bölümü, Ankara S. Ural Öğretim Görevlisi, Çukurova Üniversitesi, Maden Mühendisliği Bölümü, Adana ÖZET Maden işletmelerinin yer seçiminde dikkate alınması gereken başlıca risklerden birisi akarsu yataklarının yaratacağı taşkınlardır. Maden sahaları içerisindeki madencilik faaliyetleri planlanırken bu sahalardaki su toplama alanlarının ve bu alanların taşkın potansiyellerinin tespit edilmesi büyük önem taşımaktadır. Bu çalışma kapsamında Ülkemizin Elektrik Üretim A.Ş.(EÜAŞ) tarafından işletimine devam edilen en önemli linyit yataklarından birisi olan Afşin Elbistan Bölgesi ndeki maden sahalarının içerisinde yer alan Hurman Çayı Havzası ndaki taşkın analizi gerçekleştirilmiştir. Maden işletme sahalarını içerisine alan Hurman Çayı Havzası; TAUDEM algoritmasına göre modellenmiş, kümülatif akım değerleri ve harmonik değerler hesaplanmıştır. Farklı yağış frekanslarındaki akışlara göre taşkın debi hesaplamaları meteoroloji yağış istasyon verileri ve bu verilerin günlük toplam yağış değerleri baz alınarak birim hidrograf değerleri hesaplanarak; Mockus Hidrografına göre çalışma sahası için taşkın riski bulunan alan belirlenmiştir. Anahtar kelimeler: Afşin Elbistan Havzası, Taşkın Analizi, Birim Hidrograf, Nethydro, TAUDEM, Mockus ABSTRACT One of the most critic risks in site selection for mining operations is the potential of flood that could be realized in waterways. Determination of the catchment areas and the flood potential in mining areas is very important while planning the mining operations. In this project, centennial flood analysis of Hurman Watercourse, which is in the mining operation areas operated by Directorate General of Electricity Generation Corporation (EÜAŞ) in Afşin, Elbistan one of the most important lignite reserve of Turkey, has been realized. Cumulative flow and harmonic values have been calculated by modelling the Hurman Watercourse Basin that involves the mining operation areas through TAUDEM algorithm. Hydrograph values are determined according to the flows in different rainfall frequencies as based on flood rate calculations, meteorology data and on the sum of daily rainfall values. Flood risky areas in Hurman Watercourse are determined by Mocus Hydrograph. Keywords: Afşin Elbistan Basin, Flood Analysis, Unit Hydrograph, Nethydro 748
T. E. Toptaş, S. Ural Yağış analizlerinden elde edilen veriler, proje alanı olarak belirlenen havzanın karakteristik, geometrik özelliklerine ve suyun hareket sürelerine göre en uygun birim hidrograf olan Mockus Birim Hidrografı na göre taşkın debi hesaplamaları gerçekleştirilmiştir. 1 GİRİŞ Maden sahalarına işletme izinleri verilmesi öncesinde doğal tehlike analizlerinin doğru yöntemlerle ve yeterince yapılmamasından dolayı çok sayıda can ve mal kaybı meydana gelmektedir. Hidrolojik analizler, maden sahaları için, bu kayıpların önüne geçilebilmesi adına yapılması gereken en kritik işlemlerdir. 2.1 Havza Modellemesi ve Akış Ağlarının Belirlenmesi Hurman Çayı üzerinde belirlenen koordinatta havza sınırları -hidrolojide sayısal yükseklik verileri üzerinde su toplama alanlarını ve bu alanlara ait akış kollarını modellemekte en başarılı algoritma olduğu kabul edilentaudem(tarboton, 1997) algoritmasına göre oluşturulmuştur (Şekil 2). İşletme izni sahası ve yakın çevresindeki su toplama havzalarının ve bu havzaların akış kollarının havza analizleri ile belirlenmesi; bu havzalara ilişkin yağış analizlerinin gerçekleştirilmesi; yağış analizi sonuçlarına göre işletmesine izin verilen sahalardaki taşkın riskine sahip alanların mekânsal olarak tespiti ve bu alanlarda gerekli önlemlerin alınarak madencilik faaliyetlerinin yürütülmesi can ve mal kayıplarının önüne geçecektir. 1.1 Proje Sahasının Tanıtılması Bu çalışmada, ülkemizdeki en önemli linyit yataklarından birisi olan Kahramanmaraş Afşin Elbistan Bölgesi nde halihazırda EÜAŞ tarafından işletimine devam edilen maden sahalarının içerisinde yer aldığı Hurman Çayı Havzası ndaki taşkın analizi gerçekleştirilmiştir (Şekil 1). Şekil 2. Hurman Çayı Üzerinde Çalışma Sahasındaki Ana, Alt Havzalar ve Akış Kolları. Çalışma sahasındaki havzalar, alt havzalar ve bu havzaları oluşturan akış kolları mekânsal olarak belirlenmiş; her bir akış kolundaki harmonik eğim değerleri hesaplanmıştır (Tablo 1). Sıra No 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 7.000 8.000 9.000 10.000 Şekil 1. Proje Sahası, Afşin/Elbistan 2 HAVZA YAĞIŞ VE TAŞKIN ANALİZLERİ METODOLOJİSİ Maden sahası sektör alanları içerisinde belirlenen noktada Hurman Çayı ana ve alt havzaları modellenmiş; havzaya etki eden meteoroloji yağış istasyonlarının (Meteoroloji Genel Müdürlüğü) sağladığı yağış verileri kullanılarak farklı yağış frekanslarına göre yağış analizleri yapılmıştır. 749 H(m) 1145.608 1187.838 1219.201 1257.083 1308.223 1348.411 1423.474 1547.825 1660.882 2510.165 1364.557 h(m) 15.755 26.475 31.363 37.882 51.140 40.188 75.063 124.351 113.057 849.283 1364.557 l = L /10 (m) S 1/S1/2 l/h 19.350 14.927 13.715 12.479 10.740 12.116 8.865 6.888 7.224 2.636 108.939
IMCET 2017 / ANTALYA / TÜRKİYE / 11-14 Nisan Tablo 1. Akış Kolları Harmonik Eğim Hesap Sonuçları 10, 25, 50, 100 ve 500 yıllık sürelere göre hesaplanmıştır (Tablo 2). AFSIN İSTASYONU GÜNLÜK MAKSİMUM YAĞIŞLARININ EKSTREM DAĞILIM HESABI 2.2 Yağış Analizleri Hurman Çayı Havzası yağış analizleri için havza ve çevresinde yer alan meteoroloji istasyonlarına ait yağış verileri girdi olarak kullanılmıştır. Proje sahasına etki eden Sarız ve Afşin meteoroloji yağış istasyonlarının sağladığı verilerle yağışların alansal dağılımları Thiessen yöntemine göre belirlenmiştir (Şekil 3). Tipi 2 5 10 25 35.884 45.989 51.272 56.909 34.030 44.764 51.662 60.200 33.423 43.955 51.292 60.923 32.831 43.984 51.840 61.859 33.412 43.771 51.137 61.023 34.010 45.825 53.647 63.530 Tipi 50 100 200 500 60.543 63.816 66.801 70.403 66.438 72.608 78.732 86.815 68.316 75.904 83.693 94.345 69.273 76.579 83.814 91.049 68.837 77.037 85.690 95.316 70.863 78.141 85.392 94.959 Log-Normal (2 Log-Normal (3 Pearson Tip-3 (Gama Tip-3) Log-Pearson Tip3 Log-Normal (2 Log-Normal (3 Pearson Tip-3 (Gama Tip-3) Log-Pearson Tip3 Edilen **** DAĞILIM TİPLERİNİN SİMİRNOV-KOLMOGOROV TESTİNE GÖRE SONUÇLARI Şekil 3. Sarız ve Afşin Meteoroloji Yağış İstasyonları Alansal Dağılımları Dağılım Tipi Teorik Amprik P P Maksimum P deki P Dmax Gözlem Değeri Proje Sahasına etki eden meteoroloji istasyon verilerindeki günlük maksimum yağışlar kullanılarak farklı dağılım fonksiyonları üzerinden yağış analizleri gerçekleştirilmiş; analiz sonuçları SmirnovKolmogorov testine tabi tutularak havzadaki en uygun dağılım yönteminin 3 Parametreli Log-Normal olduğu belirlenmiştir (Şekil 4). 0.501 0.609 0.108 35.900 Log-Normal (2 0.812 0.870 0.058 45.400 Log-Normal (3 0.582 0.370 0.049 31.400 Pearson Tip-3 (Gama Tip-3) 0.060 0.130 0.071 23.000 Log-Pearson Tip-3 0.421 0.370 0.051 31.400 0.793 0.870 0.077 45.400 Anlamlılık Yüzdeleri 0.80 0.85 0.90 0.95 0.99 Log-Normal (2 Log-Normal (3 Pearson Tip-3 (Gama Tip-3) Log-Pearson Tip-3 Tablo 2. Günlük Maksimum Yağışların Zamana Göre Ekstrem Dağılımları 2.3 Farklı Yağış Frekanslarına Göre Taşkın Debi ve Birim Hidrograf Hesaplamaları Havzaların fiziksel özellikleri ve konsantrasyon sürelerine bağlı olarak her bir havzanın taşkın debi hesaplaması farklı hidrograf yöntemleri ile gerçekleştirilir. Şekil 4. İstatistiksel Yağış Dağılım Hesaplamaları ve Smirnov-Kolmogorov Testi Sonuçları Günlük maksimum yağışların ekstrem dağılım hesabı 6 farklı dağılım tipi için 2, 5, 750
T. E. Toptaş, S. Ural Bu çalışmaya konu olan havzanın fiziksel özellikleri ve konsantrasyon süresi dikkate alındığında taşkın debi hesaplamaları Mockus Hidrografı na göre gerçekleştirilmiştir. Havzaya etkisi en fazla olan Afşin meteoroloji istasyonunun kritik yağış süresine bağlı olarak plüviyograf katsayısı değeri 0.68; havzanın maksimize faktörü 0.208 olarak alınmıştır. Havzanın alanı ve 2 saatlik kritik yağış süresine bağlı olarak yağış alan dağılım katsayısı 0.715 olarak hesaplanmıştır (Tablo 3). SÜRE NAN ALAN Km2 YÜZDESİ % 30 dk 756.180 0.545 1 SAAT 756.180 0.649 3 SAAT 756.180 0.782 6 SAAT 756.180 0.842 24 SAAT 756.180 0.915 YÜZDESİ % SÜRELER 1 0.649 0.715 2 3 0.782 0.812 4 0.839 5 6 0.842 0.860 8 0.866 12 0.890 18 24 0.915 Kritik Saat 6.00 Tablo 3. Yağış Alan Dağılım Katsayı Hesaplamaları Proje sahasına konu olan havzanın Mockus Hidrografı na göre toplanma süresi 9.491 sa, hidrografın yükselme süresi 8.775 sa, hidrografın alçalma süresi 14.654 sa, toplam yağış süresi 23.429 sa ve bu değerlere göre pik debi 17.924 m 3 /mm/sn olarak hesaplanmıştır (Tablo 4, Şekil 5). GİRDİLER Havza ID: 6 Metod: Mockus Havza K Katsayısı: 0.208 (S) Harmonik Eğim 0.008 L (uzunluk) (m) 58992.450 (A) Havza Alanı (km2) 756.180 SONUÇLAR MOCKUS (Tc) Toplanma Süresi = 0,00032 (L0,77(m) / S0,385 ) 9.491 (D) Yağış Süresi = 2*(Tc)1/2 6.161 (Tp) Hidroğrafın yükselme zamanı = 0,5D +0,6Tc 8.775 (Tr) Hidrografın Alçalma Süresi = Tr = 1.67 x Tp 14.654 (Tp) Yağış Süresi = Tp + Tr 23.429 (Qp) Pik Debi (m3/mm/sn) = K*A*ha/TP 17.924 HESAP DEBİSİ (m3/mm/sn) Kaç Yıllık Debi 100.000 Hesap Debisi (m3/mm/sn) 508.058 Hidrograf Süreleri Zaman Debi 0.000 0.000 8.775 17.924 23.429 0.000 Tablo 4. Mockus Hesap Sonuçları Şekil 5. Mockus Hidrografı Grafiği Mockus Hidrografı hesap sonuçlarına göre 2, 5, 10, 25, 50, 100 ve 500 yıllık taşkın pik debileri daha önce hesaplanan yağış alanı dağılım katsayısı, maksimize faktör, plüviyograf katsayısı değerleri ve havzanın karakteristik toprak özellikleri baz alınarak hesaplanmıştır (Tablo 5). UYGULANAN YÖNTEM T(Saat) % MF Mockus 6.00 1 1.130 AKIŞ HESAPLARI YADK PLV SON ÇARPIM 0.842 0.880 0.837 AKIŞ (mm) S=((1000/ ENII ) - 10 ) * 25,4 Q P= 17.924 ENII = 83.000 K1= 0.208 S = 52.024 Qp= 14.046 0,2S = 10.405 K2= 0.163 0,8S = 41.619 hakış=(p - 0,2S)2 / ( P + 0,8S ) Q500 m3/s 702.557 751
IMCET 2017 / ANTALYA / TÜRKİYE / 11-14 Nisan Q1000 m3/s ve soldaki taşkın sınırları ve bent sınırları gözlemlenmiştir (Şekil 7). 786.315 Drenaj alanının 24 saatlik yağış yinelenme değerleri 2 5 10 25 50 100 32.654 43.737 51.558 61.924 69.946 78.231 27.344 36.625 43.174 51.854 58.572 65.510 4.161 8.786 12.664 18.380 23.157 28.345 74.576 157.487 226.991 329.446 415.061 508.058 58.4 123.4 177.9 258.2 325.3 398.1 Şekil 7. Taşkın Enkesitleri Tablo 5. Mockus Hidrografı na Göre Hurman Havzasının Farklı Yağış Frekansları İçin Taşkın Pik Debi Hesap Sonuçları İteratif olarak gerçekleştirilen havza, yağış, birim hidrograf ve taşkın pik debi hesaplamaları sonucunda oluşturulan taşkın enkesitleri baz alınarak taşkın yayılım alanları belirlenmiştir (Şekil 8). 2.4 Taşkın Açısından Tehlikeli Alanların Belirlenmesi Proje sahasındaki havzanın akış kolu üzerinde taşkın sınırlarının belirlenebilmesi için 400 metrelik enkesitler 50 metre aralıklarla oluşturulmuş, taşkın yayılım alanları bu enkesitler üzerinde belirlenmiştir. Akış koluna ait alt ve üst eğim değerleri ve bent sınırları Netcad/Nethydro yazılımı tarafından otomatik olarak hesaplanmıştır (Şekil 6). Bu aşamadan sonra taşkın analizi taşkın pik debi değerleri belirlenmiş olan zaman aralıkları için ayrı ayrı gerçekleştirilmiştir. Şekil 8. Taşkın Açısından Tehlikeli Alanlar 3 SONUÇ Maden sahaları içerisindeki madencilik faaliyetlerinin planlanması öncesinde, bu sahalardaki topografik, hidrotopografik, hidrolojik ve çevresel analizlerin gerçekleştirilmesi ve bu analiz sonuçlarına göre riskli alanların belirlenmesi ile bu alanlarda gerekli önlemlerin alınarak madencilik faaliyetlerinin yürütülmesi insan hayatı ve doğal kaynaklarımızın korunması açısından büyük önem taşımaktadır. Şekil 6. Hurman Havzası 500 Yıllık Taşkın Analizi Parametreleri Netcad Yazılım A.Ş. firmasına ait Netcad GIS programının Nethydro modülü ile tüm taşkın parametrik değerleri hesaplanarak oluşturulan taşkın enkesitleri HEC-RAS ortamına aktarılarak her bir enkesitin sağda Bu çalışmada maden sahaları için en kritik hidrolojik risklerden birisi olan taşkın 752
T. E. Toptaş, S. Ural riskinin mekânsal olarak nasıl modellenebileceği konusunda bir yaklaşım ortaya koyulmuştur. Taşkın analizleri, öncesinde birbirine bağıl ve iteratif olarak gerçekleştirilmesi gereken havza, yağış ve hidrograf analizlerinin yapılması ile mümkündür; taşkın analizine giden süreçte; i. Taşkın riskinin belirleneceği havza ve akış kollarının, hem geometrik hem de taşkın hesaplamalarına esas olan parametrik değerleri ile oluşturulması, ii. Havzaya etki eden yağış girdilerinin analiz edilmesi, sonuçların istatistiksel testleri ve bu testler sonucundaki farklı dağılım tiplerine göre farklı zamanlardaki yağış hesaplamaları, iii. Gerçekleştirilen yağış hesaplamaları ve havzanın karakteristik ve geometrik özelliklerine göre en doğru birim hidrograf yönteminin seçilerek taşkın pik debi değerlerinin hesaplanması gibi analiz edilmesi son derece kapsamlı süreçlerin mekânsal ve sayısal ortamda birbirleri ile ilişkili olarak yapılması ve sonuçların taşkın analizine girdi olarak taşınmasını gerekli kılar. Bu tarz analizlerin gerçekleştirilmesinde bilişim teknolojilerinin katkısı kaçınılmazdır. Çağdaş madencilik bilim ve teknolojisi madencilik faaliyetlerinin her aşamasında bilgi ve bilginin değerlenmesini sağlayan bilişim teknolojilerinin kullanılmasını gerektirmektedir. 753