Hidroloji Yrd. Doç. Dr. Burhan ÜNAL Bozok Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi İnşaat Mühendisliği Bölümü Yozgat Yrd. Doç. Dr. Burhan ÜNAL Bozok Üniversitesi naat Mühendislii Bölümü 1 Hidroloji Bölüm-1 Hidrolojinin Tanımı ve Önemi Bölüm-2 Yağışlar (Precipitation) Bölüm-3 Buharlaşma (Evaporation) Bölüm-4 Sızma (Infiltration) Bölüm-5 Yeraltı Suyu (Subsurface Water) Bölüm-6 Akarsu Akımları (Streamflow) Bölüm-7 Yüzeysel Akış (Surface Runoff) Bölüm-8 Hidrograf Analizi (Unit Hydrograph) Bölüm-9 Taşkın Ötelenmesi (Flood routing) Bölüm-10 İstatistiğin Hidrolojide Uygulamaları Yrd. Doç. Dr. Burhan ÜNAL Bozok Üniversitesi naat Mühendislii Bölümü 2
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. Yrd. Doç. Dr. Burhan ÜNAL Bozok Üniversitesi naat Mühendislii Bölümü 3 Yağış Yüzeysel akış Sızma Yüzeysel biriktirme YSY Yüzeyaltı akışı Yeraltı akışı Akarsu Yrd. Doç. Dr. Burhan ÜNAL Bozok Üniversitesi naat Mühendislii Bölümü 4
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. Yağış Havza Akış Yrd. Doç. Dr. Burhan ÜNAL Bozok Üniversitesi naat Mühendislii Bölümü 5 Temel Kavramlar 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/km 2 ). d. Akış Yüksekliği: Havzanın çıkış noktasından belli bir süre içinde geçen akış hacminin, havza alanına oranıdır (mm, cm). Yrd. Doç. Dr. Burhan ÜNAL Bozok Üniversitesi naat Mühendislii Bölümü 6
Havza ve Havza Sınırı Havza Havza Havza Sınırı Yrd. Doç. Dr. Burhan ÜNAL Bozok Üniversitesi naat Mühendislii Bölümü 7 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, 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. Yrd. Doç. Dr. Burhan ÜNAL Bozok Üniversitesi naat Mühendislii Bölümü 8
Akarsu Havzalarının Özellikleri Havzaya düşen yağışın çıkış noktasında gözlenen akışa dönüşmesi, havza karakteristikleri de denen havzanın özelliklerine bağlıdır. En önemlileri 1) Büyüklüğü: Havzanın büyüklüğü çoğu defa havza alanı ile ifade edilir. Küçük havzaların debileri daha düzensiz ve geçiş süreleri daha kısadır. 2) Eğimi: Bir haritadan, çeşitli yöntemlerle belirlenebilir. Havzanın eğimi arttıkça, akış hızı artar ve geçiş süresi kısalır; dolayısıyla taşkın debisi de büyür. 3) Ortalama Kotu: Yağış miktarı ve cinsi (yağmur veya kar) ve sıcaklık üzerinde etkilidir. 4) Zemin Cinsi ve Jeolojik Yapısı: Sızmayı ve yer altı akışını etkiler. 5) Bitki Örtüsü: Terleme ve sızmayı, ayrıca yüzeysel akışın hızını etkiler. 6) Biçimi: Geçiş süresini önemli ölçüde etkiler. 7) Havza alanının çıkış noktasından olan uzaklığa göre dağılım: Hidrografın şeklini etkiler Yrd. Doç. Dr. Burhan ÜNAL Bozok Üniversitesi naat Mühendislii Bölümü 9 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. L c L c Q Q Q p Q p t p t t p t Yrd. Doç. Dr. Burhan ÜNAL Bozok Üniversitesi naat Mühendislii Bölümü 10
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. b-) Gravelius katsayısı 2 P A P: Havzanın çevre uzunluğu L A Havza ile aynı büyüklükte olan bir dairenin çevre uzunluğu 2 2 A A A r r r terimi aşağıdaki çevre fomülünde yerine konur. Ç2 r Ç2 A Gravelius katsayısının değeri büyüdükçe havzanın biçimi daireden uzaklaşır. Yrd. Doç. Dr. Burhan ÜNAL Bozok Üniversitesi naat Mühendislii Bölümü 11 2 A c-) Schumm katsayısı L Schumm katsayısının payı havza ile aynı alanda bir dairenin çapını paydası ise toplayıcı ana akarsu kolunun uzunluğunu göstermektedir. A 2 0.6 1 L Schumm katsayısının 0.6 olması havzanın ince uzun oluşunu 1 olması dairesel oluşunu gösterir. d-) Eşdeğer dikdörtgen boyutları: Havza ile alanı ve çevre uzunluğu aynı olan bir dikdörtgenin kenar uzunluklarıdır. Yrd. Doç. Dr. Burhan ÜNAL Bozok Üniversitesi naat Mühendislii Bölümü 12
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 göstermektedir. L Li 10 S Harmonik eğim: i 2 1 S ise her bir parçanın uçlarındaki kotları 10 1 S Havza eğimi arttıkça pik debi değeri artar, pik debiye ulaşma süresi kısalır akışın yıl içinde dağılımı düzensizleşir. h h L i i 2 L i h 2 h 1 Yrd. Doç. Dr. Burhan ÜNAL Bozok Üniversitesi naat Mühendislii Bölümü 13 Havzanın ortalama kotu Havzanın ortalama kotu hipsometrik eğriden hesaplanır. h max h 1 h 2 h min Eş yükselti eğrileri h (m) h max Medyan kot h min % 50 Hipsometrik eğri % A (km 2 ) 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. Yrd. Doç. Dr. Burhan ÜNAL Bozok Üniversitesi naat Mühendislii Bölümü 14
Havza alanının çıkış noktasından olan uzaklığa göre dağılımı Bir yağıştan sonra çıkış noktasında görülen akışın zaman içinde dağılımını (hidrografın şeklini) etkilemesi bakımından önemlidir. Yrd. Doç. Dr. Burhan ÜNAL Bozok Üniversitesi naat Mühendislii Bölümü 15 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 Yrd. Doç. Dr. Burhan ÜNAL Bozok Üniversitesi naat Mühendislii Bölümü 16
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. Yrd. Doç. Dr. Burhan ÜNAL Bozok Üniversitesi naat Mühendislii Bölümü 17 Bir Akarsu Ağının Akışı Etkileyen Özellikleri 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 1 A 1 A 2 A 2 (a) (b) (c) (d) (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. Yrd. Doç. Dr. Burhan ÜNAL Bozok Üniversitesi naat Mühendislii Bölümü 18
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 enkesit şekli genellikle trapezdir. Taşkın yatağının genişliği esas yatağa göre çok daha fazladır. Kesit derinliği ve genişliği akım yönünde artar. Akım hızı da artar. Yrd. Doç. Dr. Burhan ÜNAL Bozok Üniversitesi naat Mühendislii Bölümü 19 Geçiş süresi (Toplanma süresi, Konsantrasyon süresi), (t c ) Geçiş süresi havzanın alanı büyüdükçe büyür eğimle ters orantılıdır: t c A K S n m t c : Geçiş süresi A: Havza alanı S: Eğim K, n, m: Katsayı (0 < n < 1) Geçiş süresini havzanın biçimi de etkiler. Küçük havzalarda geçiş süresi için Kirpich aşağıdaki formülü önermiştir: t c 2 L 0.066 S 0.385 L: Akarsuyun uzunluğu Yrd. Doç. Dr. Burhan ÜNAL Bozok Üniversitesi naat Mühendislii Bölümü 20
Çeşitli havzalardaki akışı birbirleriyle karşılaştırmak için özgül debi kullanılır: Özgül debi Q A Q: Bir çıkış noktasında ölçülen debi (lt/s), A: Havza alanı (km 2 ) Havzanın bir çıkış noktasından belli bir süre içinde geçen akış miktarına akış yüksekliği denir: Akış yüksekliği V V: Akış hacmi, A: Havza alanı A 1 mm akış yüksekliği 1000 m 3 /km 2 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. Yrd. Doç. Dr. Burhan ÜNAL Bozok Üniversitesi naat Mühendislii Bölümü 21 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: Seyhan havzası 0.55 Ceyhan havzası 0.43 Antalya havzası 0.63 Çoruh havzası 0.61 Yrd. Doç. Dr. Burhan ÜNAL Bozok Üniversitesi naat Mühendislii Bölümü 22
Türkiye Havzalarının Akış Katsayıları Havzanın Adı Alanı (km 2 ) Yıllık yağış yüksekliği Yıllık akış yüksekliği Akış katsayısı Meriç-Ergene 14560 640 85,9 0,13 Marmara 24100 766 316,2 0,41 Susurluk 22399 730 238,8 0,33 Kuzey Ege 10003 730 220 0,30 Gediz 18000 639 100,6 0,16 K. Menderes 6907 740 162,2 0,22 B. Menderes 24976 656 118,1 0,18 Batı Akdeniz 20953 865 370,3 0,43 Antalya 19577 910 574,1 0,63 Burdur (Göller) 6374 436 48,6 0,11 Akarçay 7605 472 59,2 0,13 Sakarya 58160 534 103,7 0,19 Batı Karadeniz 29598 803 339,2 0,42 Yeşilırmak 36114 556 153,4 0,28 Kızılırmak 78180 459 80,6 0,18 Konya (kapalı) 53850 437 62,4 0,14 Doğu Akdeniz 22048 669 556,5 0,83 Seyhan 20450 629 345,2 0,55 Asi 7796 837 153,9 0,18 Ceyhan 21982 758 328 0,43 Fırat 127304 582 248,2 0,43 Doğu Karadeniz 24077 1291 581,2 0,43 Çoruh 19872 540 327,1 0,61 Aras 27548 462 201,1 0,44 Van (kapalı) 19405 507 133,5 0,26 Dicle 57614 814 437,4 0,54 Ortalama 653 239,3 0,37 Yrd. Doç. Dr. Burhan ÜNAL Bozok Üniversitesi naat Mühendislii Bölümü 23 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. Yrd. Doç. Dr. Burhan ÜNAL Bozok Üniversitesi naat Mühendislii Bölümü 24
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. Yrd. Doç. Dr. Burhan ÜNAL Bozok Üniversitesi naat Mühendislii Bölümü 25 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 biriktirme Yağış Yüzeyaltı akışı Tabaka akışı Buharlaşma Yüzeysel akış Yeraltı akışı Sızma AKARSU Yrd. Doç. Dr. Burhan ÜNAL Bozok Üniversitesi naat Mühendislii Bölümü 26
i Akarsu yüzeyine doğrudan düşen yağış Yüzeysel akış Çıkış noktasındaki debi Tutma Yüzeysel biriktirme Yeraltı akışı t Sabit şiddette bir yağış sırasında yeryüzüne düşen suların dağılımının zaman içinde değişimi Yrd. Doç. Dr. Burhan ÜNAL Bozok Üniversitesi naat Mühendislii Bölümü 27 Akarsu ve yeraltı suyu ilişkisi Taban Akışı Taban Akışı YAS YAS Yrd. Doç. Dr. Burhan ÜNAL Bozok Üniversitesi naat Mühendislii Bölümü 28
Rasyonel Metod Akarsu yapılarının projelendirilmesi en çok karşılaşılan 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 (m 3 /s), i yağış şiddeti (m/s), A havza alanı (m 2 ), C akış katsayısıdır. Yrd. Doç. Dr. Burhan ÜNAL Bozok Üniversitesi naat Mühendislii Bölümü 29 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. Yrd. Doç. Dr. Burhan ÜNAL Bozok Üniversitesi naat Mühendislii Bölümü 30
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 km 2 ) 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. Yrd. Doç. Dr. Burhan ÜNAL Bozok Üniversitesi naat Mühendislii Bölümü 31 Rasyonel Metod 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, t p değeri hesaplanıp boyutsuz Birim Hidrograflar yardımıyla, dolaysız akış hidrografı tahmin edilebilir. Burada Q p yerine Q T değerleri dikkate alınır. Yrd. Doç. Dr. Burhan ÜNAL Bozok Üniversitesi naat Mühendislii Bölümü 32
Rasyonal metodu büyük havzalarda (5 km 2 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. Yağış süresinin havzanın geçiş süresinden az olması halinde rasyonel metodun modifiye edilmiş hali kullanılır: Q CiA t t c t : yağış süresini t c : geçiş süresini Bu durumda debinin maksimumdan geçtiği anda havzanın ancak bir kısmına düşen yağış çıkış noktasına varmış olacaktır. Yrd. Doç. Dr. Burhan ÜNAL Bozok Üniversitesi naat Mühendislii Bölümü 33 Örnek 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. Yrd. Doç. Dr. Burhan ÜNAL Bozok Üniversitesi naat Mühendislii Bölümü 34
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 QCiA 0.05 i 50 mm/ st m/ s 3600 A120 240 28800 m 2 0.05 3600 3 Q0.85 28800 0.34 m / s Yrd. Doç. Dr. Burhan ÜNAL Bozok Üniversitesi naat Mühendislii Bölümü 35 Örnek Alanı 0.01 km 2 olan bir bölgenin yağmur suyu şebekesinin hesabında dönüş aralığı 5 yıl yağış esas alınacaktır. Bölgenin geçiş süresi 20 dakika olarak hesaplanmıştır. Yağış şiddeti frekans bağıntılarından t p =20 dakika ve T=5 yıl için i=100 mm/saat olarak belirlenmiştir. Bölgede yerleşme ayrık nizamda olup akış katsayısı C=0.30 alınacaktır. Buna göre yağmur suyu kanalı hesap debisini belirleyiniz. Yrd. Doç. Dr. Burhan ÜNAL Bozok Üniversitesi naat Mühendislii Bölümü 36
Çözüm Rasyonel metot kullanarak; i=100 mm/saat=0.1/3600 m/s 0.1 3600 6 3 Q0.3 0.0110 0.083 m / s Yağmur suyu kanalı 0.083 m 3 /s debiye göre hesaplanacaktır. Yrd. Doç. Dr. Burhan ÜNAL Bozok Üniversitesi naat Mühendislii Bölümü 37