BÖLÜM-3 BUHARLAŞMA (EVAPORATION)

BÖLÜM-3 BUHARLAŞMA (EVAPORATION) 3.1 BUHARLAŞMANIN MEKANİZMASI Suyun sıvı halden gaz haline geçmesine buharlaşma denir. Yağışın % 90 ı buharlaşma ile atmosfere geri döner. Hava ile su arasındaki moleküller yeterli kinetik enerji kazandıkları zaman herekete başlarlar. Su yüzeyi yakınlarında sürekli olarak sudan havaya, havadan suya geçen moleküllere rastlanır. Sudan havaya geçen moleküllerin sayısı daha fazla ise buharlaşma olduğu kabul edilir. Buharlaşmanın mekanizması aşağıdaki şekilde görülmektedir. ew: Su yüzeyindeki buhar basıncı (su yüzeyinin Hava Doymuş tabaka ea ew sıcaklığındaki havanın doymuş buhar basıncı) ea: Suyun üstündeki havanın buhar basıncı Su Buharlaşmanın inşaat mühendisliği açısından önemi baraj hazne kapasitesinin belirlenmesinde ve baraj haznesinin işletme çalışmalarında ortaya çıkmaktadır. Buharlaşmayı Etkileyen Faktörler: 1. Buharlaşma miktarı ew ile ea arasındaki farkla doğru orantılıdır (Dalton kanunu) E = c (ew-ea). Suyun sıcaklığı arttıkça moleküllerin hızları artar, yüzeysel gerilme azalır ve doymuş havadaki nem miktarı (su yüzeyindeki buhar basıncı) da artacağından buharlaşma kolaylaşır. 2. Havanın hareketi (rüzgâr) buharlaşmayı artırır. Hava durgunsa zaman ilerledikçe ea artarak ew ye eşitlenir ve bu durumda buharlaşma durur. 1

3. Isı enerjisi buharlaşmayı artırır. Güneşten doğrudan doğruya gelen enerji yanında karalarda ve sularda depolanmış olan rüzgârlarla çevreden taşınan ısı enerjisi de buharlaşmada rol oynar. %10 ısı artışı buharlaşmayı % 1-3 oranında artırır. 4. Suda erimiş bulunan tuzlar buharlaşmayı azaltır. Denizlerde buharlaşma tatlı sulara göre %2-3 oranında daha azdır. 5. Su derinliğinin de mevsimlik buharlaşma miktarı üzerine etkisi olmaktadır. Derin su kütleleri hava sıcaklığındaki değişmelere daha geç uyar. Bu nedenle derin sularda buharlaşma sığ sulara göre yazın daha az kışın daha çok olmaktadır. 6. Havanın basıncı azaldıkça buharlaşma artar. 7. Su yüzeyinde ince bir kimyasal film tabakası oluşturarak buharlaşma azaltılabilir. 3.2 SU YÜZEYİNDEN BUHARLAŞMA Yeryüzündeki su yüzeylerinden günlük buharlaşma miktarı 1-10 mm arasında değişir. Bu miktarın belirlenmesi özellikle baraj haznelerinde önem taşır. Örneğin hazne hacim kapasitesi 30600 milyon m 3 olan Keban Barajı haznesinden her yıl 800 milyon m 3 suyun buharlaştığı tahmin edilmektedir. Bu oran 1/38 olmaktadır. Baraj haznelerinden buharlaşma miktarının belirlenmesinde hidrolojinin iki temel denklemlerini oluşturan su dengesi ve enerji dengesi yöntemleri kullanılmaktadır. 1- Su Dengesi Yöntemi: Bir su kütlesine (göl, baraj rezervuarı gibi) su dengesi (süreklilik) denklemi uygulanır: S = P + Qg Qç ± Qy E P Qg : Yağış : Rezervuara giren yüzeysel akış (Akarsularla taşınan) 2

Qç Qy E : Rezervuardan çıkan yüzeysel akış (içme suyu, sulama suyu, HES vb) : Rezervuara giren veya çıkan yeraltı suyu akımı (sızma) : Buharlaşma S : Depolanan su hacmindeki değişim Su dengesi denklemi birden fazla bilinmeyen içermektedir. Bu nedenle denklemi hidrolojik yılın başında ve sonunda yazmak sağlıklı sonuç verir çünkü zemin nemi aynı olacağından Qy ihmal edilir aynı zamanda S de sıfır olacağından denklem kolayca çözülür. Zemin nemi 1 Ekim 1 Ekim Hidrolojik yıl Uzun süreli (aylık, yıllık) buharlaşma miktarlarının hesabında su dengesi yöntemi kullanılabilir. Kısa süreli (günlük, haftalık) olursa doğru sonuç vermeyebilir. 2- Enerji Dengesi Yöntemi: Bu yöntemde bir su kütlesine enerjinin korunumu prensibi uygulanır: He = HG - HÇ - HC - H (1) He HG HÇ HC H : Buharlaşmada kullanılan ısı : Kütleye giren ısı (güneş ısısı + giren akımların getirdiği ısı) : Kütleden çıkan ısı (yansıyan ısı + çıkan akımların götürdüğü ısı) : Su yüzeyinden atmosfere kondüksiyonla kaybolan ısı : Su kütlesindeki sıcaklığın değişmesi için kullanılan ısı HG ve HÇ değerleri radyometrelerle ölçülebilir. Bu ifadelerde yer alan giren akımların getirdiği ve çıkan akımların götürdüğü ısı genellikle ihmal 3

edilmektedir. HC nin ölçülmesi mümkün olmayıp HC ile He arasında aşağıdaki bağıntı mevcuttur. HC = R x He (2) R ( 0 C) : Bowen oranı (0.2 < R < 0.3) ( T T ) 4 w a R 6x10 P0 e w e a ( ) R nin ifadesinde yer alan P0 kg/cm 2 cinsinden atmosfer basıncını, Tw ve Ta sırasıyla 0 C cinsinden suyun ve havanın sıcaklığını, ew ve ea ise sırasıyla kg/cm 2 cinsinden su yüzeyinin ve havanın buhar basıncını göstermektedir. He = L x E (3) E buharlaşan suyun hacmini L buharlaşma ısısını (=590 kal/cm 3 ) göstermektedir. (2) ve (3) bağıntıları (1) de yerine konulursa (4) eşitliği elde edilir. Bu eşitlikte E cm cinsinden buharlaşma yüksekliğini göstermektedir. HG HÇ H E L(1 R) (4) Enerji dengesi yöntemi kısa süreli (günlük, haftalık) buharlaşma miktarlarının hesabında su dengesi yöntemine göre daha doğru sonuç vermektedir. 3.3 BUHARLAŞMANIN ÖLÇÜLMESİ Göl veya baraj rezervuarı yüzeyinden buharlaşmayı ölçmek için gölün yakınına konulan buharlaşma tavası, leğeni ya da evaporimetre denilen metal kaplar kullanılmaktadır. Bunların çeşitli tipleri vardır. Türkiye de ve birçok ülkede en çok kullanılan tip olan A sınıfı tavanın alanı 1 m 2 derinliği 25 cm dir. Aşağıda şekli görülen tava 20 cm derinlikte su ile doldurulup su yüzeyindeki alçalma bir limnimetre ile ölçülerek buharlaşma yüksekliği belirlenmektedir. Tava yerden 15 cm yüksekliğe yerleştirilmelidir. Ölçümler günlük alındığı için her gün eksilen su miktarı tavaya ilave edilmelidir. Ancak tavadan buharlaşma miktarı geniş bir su kütlesinden (hazneden, gölden) buharlaşma miktarıyla aynı olmaz. Bunun başlıca nedeni 4

tavadaki suyun kütlesi az olduğu için hava sıcaklığındaki değişmelerden daha çabuk etkilenmesidir. Ayrıca metal olan tavadan ısı yansıması, tava cidarından ısı alışverişi ve çevrenin az nemli oluşu da buharlaşmayı etkiler. Göldeki gerçek buharlaşma miktarını belirleyebilmek için tavadaki okumanın tava katsayısı ile çarpılması gerekmektedir. A sınıfı tavanın buharlaşma katsayısı 0.6-0.8 arasında değişmekte genellikle ortalaması olan 0.7 kabul edilmektedir. Bu katsayı mevsimlere göre değişiklik göstermektedir. 5 cm limnimetre 122 cm 25 cm 15 cm A sınıfı buharlaşma tavası Türkiye de buharlaşma ölçümleri D.M.İ. ve D.S.İ. tarafından yapılmaktadır. En az 5000 km 2 ye bir tava yerleştirilmesi tavsiye edilmektedir. Ölçümlerde ıslak filtre kâğıdından buharlaşmayı dönen şerit üzerine kaydeden ve standart tavalara benzer sonuçlar veren yazıcı ölçekler (evapograf) de kullanılmaktadır. 3.4 EVAPOTRANSPİRASYON KAYIPLARI Evapotranspirasyon bir bölgede terleme ile zeminden ve su yüzeylerinden buharlaşma ile meydana gelen toplam su kayıplarına denir. Evapotranspirasyon hesabı bitkilerin su ihtiyacının belirlenmesi için gereklidir. İnşaat mühendisliği açısından önemi sulama kanallarının projelendirilmesinde ve işletilmesinde ortaya çıkar. 5

Evapotranspirasyon = Terleme (Transpiration) + Buharlaşma (Evaporation) Terleme (Transpiration): Bitkilerin suyu kökleriyle çekip yaşamaları için faydalandıktan sonra yapraklarından buhar halinde havaya vermelerine denir. Terlemenin bağlı olduğu fiziksel faktörler şunlardır: i. Yeraltı su yüzeyi: Kurak mevsimlerde kökü YSY ye ulaşmayan bitkiler terlemez. ii. Zeminin nem oranı: Gerçek terleme miktarı zeminde mevcut su miktarıyla sınırlıdır. iii. iv. Yaprak miktarı ve cinsi: Günlük 0.1 mm-7 mm arasında değişir. Buharlaşmanın bağlı olduğu diğer etkenler Terleme bitkilerin büyümesiyle ilgili olduğundan sadece büyüme mevsiminde gündüz saatlerinde görülür. Hidrolojide sadece terleme hesabı yapılamadığı için evapotranspirasyon hesabı içerisinde yapılmaktadır. Türkiye de yıllık ortalama yağış yüksekliği 67 cm olup bunun % 32 si olan 21 cm lik kısmı akış haline geçmekte geriye kalan % 68 lik kısım olan 46 cm evapotranspirasyon miktarı olmaktadır. 3.5 EVAPOTRANSPİRASYON KAYIP FORMÜLLERİ Bir havzanın evapotranspirasyon miktarı yıllık ortalama sıcaklık, yıllık ortalama yağış yüksekliği, bitki örtüsü cinsi gibi parametrelere bağlı olarak geliştirilen formüllerle yıllık, aylık, günlük olarak hesaplanır. 1. Coutagne formülü: U = P- λ P 2 0.0001 0.8 0.14T U = Yıllık evapotranspirasyon yüksekliği (mm), P = Yıllık yağış yüksekliği, T = Yıllık ortalama sıcaklık derecesi ( 0 C) 6

2. Turc formülü: U P P 0.9 L 2 2, L = 300 + 25T + 0.05 T 3 Coutagne ve Turc formülleri evapotranspirasyon yüksekliğini (mm) yıllık olarak hesaplamaktadır. 3. Lowry Johnson formülü: U = 0.085 H + 243, H= Bitkilerin büyüme mevsiminde sıcaklığı 0 0 C nin üstünde olan günlerin derece-gün toplamı 4. Hargreaves formülü: U = 17 k d (1-h) t h: Öğle saatinde ölçülen aylık ortalama relatif nem d: Aylık günışığı katsayısı k: Bitki cinsine ve bitkinin yetişme süresine bağlı katsayı t: Aylık ortalama sıcaklık ( 0 C) 5. Blaney Criddle formülü: U = 45 k p (t+18) U = Aylık evapotranspirasyon yüksekliği (mm) k: Bitki cinsine ve bitkinin yetişme süresine bağlı katsayı p: Gözönüne alınan aydaki gündüz saatlerinin bütün yıldaki gündüz saatlerine oranı t: Aylık ortalama sıcaklık ( 0 C) Enleme ve aylara göre değişen p değerleri Tablo 3.1 de sunulmaktadır. Lowry Johnson, Hargreaves ve Blaney Criddle formülleri evapotranspirasyon yüksekliğini aylık olarak vermektedir. Türkiye de en çok Blaney Criddle 7

formülü kullanılmaktadır. Yukardaki formüllerle hesaplanan U değerleri o süre içerisinde eğer yağış yoksa doğrudan bitkilerin su ihtiyacını belirlemektedir. Yağış varsa bitkilerin su ihtiyacını belirlemek için yağış yüksekliğinin (P), U değerinden çıkarılması gerekmektedir. Tablo 3.1 Blaney-Criddle formülünde kullanılan p değerleri Aylar Kuzey yarıküredeki enlemler 24 0 26 0 28 0 30 0 32 0 34 0 36 0 38 0 40 0 42 0 44 0 Ocak 0.0758 0.0749 0.0740 0.0730 0.0720 0.0710 0.0699 0.0687 0.0676 0.0662 0.0649 Şubat 0.0717 0.0712 0.0707 0.0703 0.0607 0.0691 0.0686 0.0676 0.0673 0.0665 0.0658 Mart 0.0840 0.0840 0.0839 0.0838 0.0837 0.0836 0.0835 0.0834 0.0833 0.0831 0.0830 Nisan 0.0860 0.0864 0.0968 0.0872 0.0875 0.0880 0.0885 0.0890 0.0895 0.0900 0.0905 Mayıs 0.0930 0.0938 0.0946 0.0953 0.0963 0.0972 0.0981 0.0992 0.1002 0.1014 0.1026 Haziran 0.0920 0.0930 0.0938 0.0949 0.0960 0.0970 0.0983 0.0995 0.1008 0.1021 0.1038 Temmuz 0.0941 0.0949 0.0958 0.0967 0.0977 0.0988 0.0999 0.1010 0.1022 0.1035 0.1049 Ağustos 0.0905 0.0910 0.0916 0.0922 0.0928 0.0933 0.0940 0.0947 0.0954 0.0962 0.0990 Eylül 0.0831 0.0831 0.0832 0.0834 0.0834 0.0836 0.0836 0.0838 0.0838 0.0840 0.0841 Ekim 0.0809 0.0806 0.0802 0.0799 0.0793 0.0790 0.0785 0.0780 0.0775 0.0770 0.0763 Kasım 0.0743 0.0736 0.0727 0.0719 0.0711 0.0702 0.0692 0.0682 0.0672 0.0662 0.0649 Aralık 0.0746 0.0735 0.0727 0.0714 0.0705 0.0692 0.0679 0.0666 0.0652 0.0638 0.0622 6. Penman Formülü: Bu yöntemde evapotranspirasyon yüksekliği günlük olarak hesaplanmaktadır. Penman formülü enerji dengesi ve kütle transferi esasına dayanmaktadır. U AxH 0.27 E A 0.27 U= Günlük evapotranspirasyon yüksekliği (mm) Kütle transferinin etkisi: E = 0.35 (ew - ea) (1 + 0.55 w2) Net radyasyon (kal/cm 2 -gün): H = R (1-r) (0.18+0.55 s) - B (0.56-0.092 ea 0.5 ) (0.1 + 0.9 s) Yansıma kayıpları çıktıktan sonra yeryüzüne erişen kısa dalga boylu ışınların enerjisi Yeryüzünden gönderilen uzun dalga boylu ışınların enerjisi A, B = Günlük ortalama sıcaklığın birer fonksiyonu 8

ew: Doymuş buhar basıncı (mm Hg) ea: Havanın buhar basıncı (rölatif nem x ew) w2: Yerden 2 m yükseklikte ölçülen rüzgâr hızı (m/s) R: Aylık ortalama radyasyon r: Yüzeyin radyasyonu yansıtma yüzdesi (albedo) s: Parlak güneş ışığının görünme süresinin yüzdesi (parlak güneşli sürenin, gün batımı eksi gün doğumuna oranı) A, B ve ew değerleri günlük ortalama sıcaklığa bağlı olarak Tablo 3.2 de verilmektedir. Formülde yer alan R değerleri de aylara bağlı olarak Tablo 3.3 de görülmektedir. Tablo 3.2 A, B ve ew nin sıcaklık ile değişimi t ( 0 C) 10 15 20 25 30 35 40 A 0.35 0.48 0.60 0.89 1.05 1.38 1.64 B 12.95 13.85 14.85 15.9 17.0 18.1 19.3 ew(mm Hg) 9.2 12.8 17.5 23.8 31.8 42.2 55.3 Tablo 3.3 R radyasyonunun değerleri Ay O Ş M N M H T A E E K A R 6.0 8.3 11.0 13.9 15.9 16.7 16.3 14.8 12.2 9.3 6.7 5.5 Türkiye de günlük evapotranspirasyon yüksekliği hesabı için Penman formülü kullanılmaktadır. 9