T.C. ORMAN VE SU İŞLERİ BAKANLIĞI DEVLET SU İŞLERİ GENEL MÜDÜRLÜĞÜ TASARIM REHBERİ REHBER NO: 008 EKİM 2012 ANKARA
ÖNSÖZ Birçok medeniyetin kesişme noktası olan Anadolu'da yaklaşık 4000 yıldır süren hidrolik mühendisliği çalışmaları, bilhassa Selçuklu ve Osmanlıların yaptıkları muhteşem eserler, Türkiye'yi tarihi su yapıları açısından en zengin ve en dikkat çekici açık hava müzelerinden birisi haline getirmiştir. Bugün ise ülkemiz, inşa halindeki barajların sayısı bakımından Dünya daki sıralamada üst sıralarda yer almaktadır. Ülkemizde her tipten barajlar inşa edilmiş ve edilmektedir. Ayrıca; bu barajlar dolgu hacmi, yükseklik, rezervuar kapasitesi, kret uzunluğu gibi teknik karakteristikleri ile de dünyadaki inşa edilmiş barajlar arasında ön sıralarda yer almaktadır. Atatürk Barajı 84 milyon m 3 dolgu hacmi ile dünya sıralamasında beşinci sırada yer almaktadır. Şubat ayında su tutma merasimine bizzat katılmış olduğum Deriner Barajı 249 m yüksekliği ile ülkemizin en yüksek barajı, kendi sınıfında Dünya nın 6. yüksek barajıdır. İnşaat ihalesi safhasında bulunan Yusufeli Barajı nın yüksekliği ise 270 metredir. Yusufeli Barajı tamamlandığında Türkiye nin en yüksek barajı olma özelliğine sahip olacaktır. Ülkemizin su yapıları sahasında ulaşmış olduğu bu güzel seviye, bu sektörde çalışanların fedakar çalışmaları ve mesleklerine olan saygının neticesinde oluşmuştur. Yıllardan beri ülkemizde ve yurt dışında barajlar ve su yapıları alanından sayısız eserler kazandıran mühendislerimizin ve müteahhitlerimizin çalışmalarını hepimizin malumlarıdır. Ülkemizdeki baraj ve diğer su yapılarının projelendirilmesi ve inşası sürecine olumlu katkısı olacağını düşündüğüm; Uluslararası Büyük Barajlar Komisyonu (ICOLD) kriterlerini esas alarak ülkemiz ihtiyaçları ve şartları dikkate alınarak uygulanması konusunda proje ve uygulama kriterleri ile ilgili olarak Devlet Su İşleri Genel Müdürlüğü nün (DSİ) Uluslararası Büyük Barajlar Komisyonu Türk Milli Komitesi (TRCOLD) ve Türk Müşavir Mühendisler ve Mimarlar Birliği (TMMMB) ile başlatmış olduğu çalışmanın neticesinde hazırlanan bu rehber dokümanların bu sektörde çalışanlara büyük fayda sağlayacağı aşikardır. Bu gayeye hizmet etmek için komitelerde görev alan, başta DSİ personeli olmak üzere bütün mühendislik ve müşavirlik firmaları temsilcilerine teşekkür ederim. Su gibi aziz olunuz. Prof. Dr. Veysel EROĞLU Orman ve Su İşleri Bakanı i
GİRİŞ Ülkemizin su kaynaklarının yönetiminden ve geliştirilmesinden sorumlu olan Devlet Su İşleri Genel Müdürlüğü geçmişinden günümüze kadar üstlenmiş olduğu görevleri başarı ile tamamlamış ve insanımızın hizmetine sunarak kalkınmamıza ve refah düzeyimizin artmasına büyük katkı sağlamış ve sağlamaya devam etmektedir. Bugün itibari ile, Genel Müdürlüğümüz merkezde 15 Daire Başkanlığı, taşrada 26 Bölge Müdürlüğü ve bünyesinde bulunan takriben 20200 personel ile çalışmalarına devam etmektedir. Muhtelif yüksekliklere ve değişik maksatlara hizmet eden 741 adet baraj bugün için işletmede olup, yenilerinin inşası da devam etmektedir. Genel Müdürlüğümüzün vizyonu: Su kaynaklarımızın geliştirilmesi, korunması ve yönetimi konularında dünya lideri olmaktadır. Bu konuma gelmek için yapacağımız çalışmaları; diğer ilgili kurum ve kuruluşlar, müteahhitlerimiz, mühendislik ve müşavirlik firmalarımız ve de akademisyenlerimizle koordineli bir şekilde gerçekleştirmekteyiz. 1. Barajlar Kongresi nin hazırlanması ve çıktıları buna çok güzel bir örnek oluşturmuştur. Bu kongremizin maksadı takriben 1 yıla yakın bir süredir yapılan çalışmalar neticesinde ülkemizdeki barajların/su yapılarının projelendirilmesi ve uygulanması sırasında kullanılacak kriterlerin, Uluslararası Büyük Barajlar Komisyonu (ICOLD) kriterlerini baz alarak ülkemizin ihtiyaçlarına göre uygulanmasında yol gösterecek rehber dokümanlar ile ilgili ilk çalışmaların neticelerinin sunulmasıdır. Bu rehber dokümanlar 8 ana başlık altında toplanmıştır. Baraj ve su yapıları ile ilgili çalışmalarda büyük fayda sağlayacağına inandığım bu rehber dokümanların hazırlanmasında emeği geçen tüm ilgililere içtenlikle teşekkür eder bu ve benzer çalışmaların devamını dilerim. Akif ÖZKALDI DSİ Genel Müdürü ii
BU REHBER DOKÜMAN ORMAN VE SU İŞLERİ BAKANLIĞI NIN KATKILARI İLE DEVLET SU İŞLERİ GENEL MÜDÜRLÜĞÜ (DSİ), ULUSLARARASI BÜYÜK BARAJLAR KOMİSYONU TÜRK MİLLİ KOMİTESİ (TRCOLD), TÜRK MÜŞAVİR MÜHENDİSLER VE MİMARLAR BİRLİĞİ NİN (TMMMB) ORTAK ÇALIŞMASI VE TÜRKİYE MÜTEAHHİTLER BİRLİĞİ (TMB) VE TÜRKİYE İNŞAAT SANAYİCİLERİ İŞVEREN SENDİKASI (İNTES) NIN DESTEKLERİ SONCUNDA HAZIRLANMIŞTIR. iii
AÇIKLAMA Bu rehber doküman, barajlar, hidroelektrik santrallar ve hidrolik yapıların planlama, tasarım, proje hizmetlerini ve inşaatını yapan firmaların, bu konuda görev ifa eden kamu kurum ve kuruluşlarının ve özel sektör yatırımcılarının çalışmalarına baz olması gayesi ile Devlet Su İşleri Genel Müdürlüğü, Uluslararası Büyük Barajlar Komisyonu Türk Milli Komitesi, Türk Müşavir Mühendisler ve Mimarlar Birliği ile akademisyenlerin bir yıla yakın süre ile çalışmaları sonucunda hazırlanmıştır. Bu doküman ülkemizde bu konuda yapılan ilk çalışmalardan biri olup, ilgili taraflardan gelecek görüş ve öneriler çerçevesinde revize edilecek ve güncelleştirilecektir. Bu doküman bu konuda çalışan, hizmet üreten ve imalat yapan kişi, firma, kurum ve kuruluşlara rehber olması amacı ile hazırlanmış olmakla birlikte, tasarım, imalat, montaj, inşaat, su tutma, işletme ve baraj emniyeti ile ilgili her türlü sorumluluk tasarım, imalat, montaj ve inşaat işlerini yapan yüklenicilere aittir. Telif Hakkı Devlet Su İşleri Genel Müdürlüğü nün önceden izni alınmadan bu yayının hiç bir bölümü mekanik, elektronik, fotokopi, manyetik kayıt veya başka yollarla hiç bir surette çoğaltılamaz, muhafaza edilemez, basılamaz. iv
İÇİNDEKİLER 1 KAPSAM... 1 2 GİRİŞ... 2 3 TAŞKINLAR... 4 3.1 Genel... 4 3.2 Tarihsel Taşkınların Analizleri ve Miktarlarının Bilinmesi... 5 3.2.1 Pik Debi Frekans Analizleri... 6 3.2.1.1 Gözlenmiş Anlık Maksimum Debilerden Yararlanılarak Tesis Yerleri Çeşitli Süre ve Yinelemeli Pik Debilerinin Tahmini... 6 3.2.1.2 Yağış-Akış Yöntemleri ile Tesis Yerlerinin Çeşitli Süre ve Yinelemeli Pik Debilerinin Hesaplanması ve Hidrograflarının Elde Edilmesi... 6 3.2.1.2.1 Yağış Analizleri... 7 3.2.1.2.2 Noktasal Yağış Analizleri... 7 3.2.1.3 Etkili Yağış... 9 3.2.2 Baraj veya Diğer Tesis Yeri Birim Hidrografı Hesaplanması... 9 3.2.2.1 Hidrometri İstasyonlarında Gözlenen Taşkın Debi Hidrografları Analizlerinden Tesis Yeri Birim Hidrografı Elde Edilmesi... 9 3.2.2.2 Sentetik Yöntemlerle Birim Hidrograf Hesaplanması... 10 3.2.3 Taşkın Hidrografları ve Hacimleri... 10 3.2.4 Bölgesel Taşkın Frekans Analiz Metodu ve Uygulanması... 11 3.2.5 Baraj Yeri Dolusavak Proje Giriş Pik Debi ve Hidrografı / Olası En Büyük Taşkın (OET) Tahmini... 11 3.2.5.1 Giriş... 11 3.2.5.2 Tarihi Fırtınalar... 12 3.2.5.3 Fiziksel Yöntemle Olası En Büyük Yağmur Hesabı... 13 3.2.5.4 İstatistik Yöntemle (Hershfield) Olası En Büyük Yağmur Hesabı... 14 3.2.5.5 Baraj Yağış Alanının Olası En Büyük Yağmurunun Akış Hidrografı... 15 3.2.5.6 Kar Erime Akışı ve Hidrografı... 15 3.2.6 Baz Akım Debisi... 15 3.2.7 Dolusavak Proje Giriş Pik Debi ve Hidrografları Çizimi... 15 4 KAYNAKLAR... 16 v
TABLO LİSTESİ Tablo 1.1 Murat Nehri Üzerinde Önerilen Barajlara Ait Bazı Karakteristik Bilgiler... Ek-12 Tablo 1.2 Murat Nehri Yağış Alanında Gözlenmiş Tarihi Fırtınalar ve Maksimizasyon Sonuçları... Ek-12 Tablo 1.3 01-02/05/1993 Tarihli Fırtınanın Maksimizasyon Hesapları... Ek-12 Tablo 1.4 Baraj Yerleri Çeşitli Yinelemeli Alanda Ortalama Yağış Miktarları ve Olası En Büyük Yağışları, mm (Hershifield Yöntemi)... Ek-13 Tablo 1.5 Proje Yağış Alanlarının Olası En Büyük Kar Etme Akımı Hesabı... Ek-13 vi
1 KAPSAM Komite üyelerinin çalışmaları sonucunda kaleme alınan bu rehber dokümanı ile su yapılarının projelendirilmesinde hidrolojik, hidrolik ve yapısal tasarım olmak üzere üç önemli adımın olduğu, yapının boyutları hidrolojik tahminlerle bulunan debi ve hacimlere göre belirlendiğinden hidrolojik tasarım adımının ayrıca ne denli önemli olduğu vurgulanmıştır. Hidrolojik tasarımda en önemli husus veridir. Hidrometeorolojik veri için çok iyi tasarlanmış bir gözlem istasyonları ağı gerekir. Nitelik ve nicelik bakımından yeterli hidrometeorolojik veri olmadan yapılan hidrolojik tasarımlar güvenilir olamaz. Kullanılan yöntemler ve modeller ne kadar kaliteli olursa olsun, veri süre açısından yeterli ve güvenilir değilse, tahmin sonuçları güvenilir düzeyde doğru olmaz. Bu açıdan bakıldığında Türkiye deki mevcut hidrometeorolojik ağın, nitelik ve nicelik bakımından yeterli olmadığı dikkatlere sunulmuştur. Çalışma konusu olarak seçilen Taşkınlar adı altında; Çeşitli Yinelemeli Pik Debilerin Hesaplanmasında Kullanılan Yöntemler ve Uygulamaları, Yağış Analizleri, Baraj Yerleri Birim Hidrograflarının Analitik ve Sentetik Yöntemlerle Elde Edilmesi, Bölgesel Taşkın Analiz Metodu ve Uygulaması, Dolusavak Proje Girişi Pik Debi ve Hidrografı, Olası En Büyük Taşkın Hesabı, Tarihi Fırtına Analizleri, Fiziksel Yöntemle Olası En Büyük Yağmur Hesabı, İstatistik (Hershfield) Yöntemi ile Olası En Büyük Yağış Hesabı, Olası En Büyük Kar Erime Akışı Hesabı ve Kullanılan Yöntemler, Baraj Yeri Proje Pik Debi ve Hidrografı Tahmini konularında uygulanması gereken yöntem ve kriterler hakkında bilgiler verilmiştir. Taşkınlar konusunda uygulanması gereken yöntemler Ek te verilen Beyhan ll, Beyhan l, Aşağı ve Yukarı Kaleköy Barajları Dolusavak Girişi Pik Debileri ve Hidrograflarının Tahmininde Kullanılan Yöntemler ve Uygulamaları uygulama örneği ile açıklanmıştır. 1
2 GİRİŞ Barajların derivasyon ve dolusavak proje girişi pik debi ve hidrograflarının (OET= Olası En Büyük Pik Debi Ve Hidrografları) belirli bir güvenirlilik aralığında tahmin edilmesi ve seçimi, barajın emniyeti ve maliyeti açısından son derece önemlidir. Büyük barajlarda gövde maliyetinin yüz milyonlarca dolara varabileceği göz önünde bulundurulursa ekonomik açıdan dolusavaklar genellikle pahalı yapılardır. Eğer dolusavak boyutları doğru saptanamazsa bazı durumlarda maliyetleri baraj gövdesini kat kat aşabilir ve ulusal ekonomi açısından büyük kayıplara neden olabilirler. Hidrolik yapıların tasarımlarında üç önemli adım vardır. Bunlar hidrolojik, hidrolik ve yapısal tasarım adımlarıdır. Bunların içinde en önemlisi de hidrolojik tasarımdır. Zira yapının boyutları bu tasarımda bulunan debi ve hacimlere göre belirlenecektir. Dolayısı ile çok önemli su yapılarından olan derivasyon ve dolusavak yapılarının boyutlarının ekonomik ve güvenilir olarak belirlenmesi de boyutlandırmaya esas olan derivasyon ve dolusavak girişi pik debi ve hidrograflarının yüksek bir güvenilirlik aralığı ile doğru tahminine bağlıdır. Bu bağlamda hidrolojik tasarımda en önemli husus ise hidrometeorolojik verilerdir. Hidrometeorolojik veriler için çok iyi tasarlanmış bir hidrometeorolojik gözlem istasyonları ağı gerekir. Nitelik ve nicelik bakımından yeterli hidrometeorolojik veri olmadan yapılan hidrolojik tasarımlar güvenilir olamaz. Kullanılan yöntemler ve modeller ne kadar kaliteli olursa olsun, veri süre açısından yeterli ve güvenilir değilse tahmin sonuçları güvenilir düzeyde doğru olmaz. Bu nedenle Hidrolojik tasarımda kullanılacak veriler, yeterli gözlem süreli ve alanı nitelik bakımından yansıtabilecek bir ölçüm ağından ve güvenilir doğrulukta olmalıdır. Bu açıdan bakıldığında, Türkiye deki mevcut Hidrometeorolojik ağ nitelik ve nicelik bakımından yeterli sayılamaz. Ülkemizde su ve toprak kaynaklarının geliştirilmesi için tasarlanan projelerin Ön İnceleme, Master Plan ve Planlama aşamalarındaki Mühendislik Hidrolojisi çalışmalarının yapılabilmesi için, tesis yeri / yerleri ve yağış alanlarını doğru olarak yansıtabilecek meteoroloji ve hidrometri istasyonları olması gerekmektedir. Bu istasyonlar sayısal açıdan yeterli, rasat süreleri ise istatistik tekniği açısından güvenilir tahminlerin yapılabilmesi için yeterli olmalıdır. Bu bağlamda bir baraj 2
projesinin teknik ve ekonomik yapılabilirliğinin belirlenerek kesinleştirildiği planlama aşamasındaki Mühendislik Hidrolojisi çalışmalarının yapılabilmesi için, tesis yeri veya hemen yakınında en az 30 yıl akım ölçümü olan hidrometri istasyonu bulunmalıdır. Bu nedenle Türkiye deki meteorolojik ve hidrometrik gözlem ağı Dünya Meteoroloji Organizasyonu (WMO) standartlarına göre incelenerek geliştirilmelidir. Uzun bir rasat süresinden sonra da bu gözlem ağının optimizasyonu yapılmalıdır. ABD de, U.S. Army Corps of Engineers, U.S. Bureau of Reclamation ve Tennessee Valley Authority gibi resmi kuruluşlar ve özel sektör, barajların tasarımında Olası En Büyük Taşkın (OET) ve Uluslararası kısaltılmış ismi ile bilinen PMF (Probable Maximum Flood) kullanmaktadırlar. Türkiye de, DSİ ve şu anda kapatılmış bulunan EİEİ Genel Müdürlüklerinin kuruluşundan beri, barajların derivasyon ve dolusavak tasarımlarına esas olan pik debiler ve dolusavak girişi pik debi ve hidrograflarının tahmini ve seçiminde, yukarıda verilen ABD kuruluşlarının kriterleri, Türkiye nin hidrometeorolojik, topografik ve morfolojik koşullarını da dikkate alarak bir dereceye kadar uygulanmaktadır ve bu konuda ülkemizde yeterli deneyim ve bilgi birikimi mevcuttur. Önerimiz; Türkiye de resmi ve özel kuruluşların; baraj ve diğer su yapılarında derivasyon ve dolusavak yapılarının boyutlandırılmasına esas olan taşkın pik debi ve hidrograflarının tahmininde, bugüne kadar kullandıkları ve deneyim kazandıkları U.S. Bureau of Reclamation yöntem ve kriterlerinin güncelleştirilmiş şekliyle kullanılmasına devam edilmesi ve bu durumun Türkiye de resmi bir genelge ile yayımlanmasıdır. Barajların derivasyon ve dolusavak proje giriş pik debi ve hidrograflarının doğru tahmini (olası en büyük taşkın debi hidrografları) baraj güvenliği ve ekonomisi açısından çok önemlidir. Bu pik debi ve hidrografların belirli bir güvenilirlik aralığı ile tahmini için, Türkiye de resmi ve özel kuruluşların kullanması gerekli yöntem veya yöntemlerin uygulamaları TAŞKINLAR başlığı adı altında aşağıdaki alt bölümlerde verilmektedir. 3
3 TAŞKINLAR 3.1 Genel Türkiye deki akarsu havzaları hidrometeorolojik koşullar dikkate alınarak, 25 Hidrolojik Havzaya ayrılmıştır. Bu havzaların iklimleri ve topoğrafik yapıları, jeolojik ve jeomorfolojik koşulları bitki örtüleri ve arazi kullanımları farklılıklar göstermektedir. 25 Hidrolojik Havza nın su ve toprak kaynaklarının geliştirilmesi için, resmi ve özel kuruluşlar tarafından havza master plan çalışmaları yapılmış ve bu çalışmaların raporları resmi olarak yayınlanmıştır (örneğin Çoruh Havzası Master Planı, Aşağı ve Yukarı Seyhan Havzaları Master Planı, Ceyhan Havzası Master Planı, Fırat ve Dicle Havzaları Master Planları, Doğu Karadeniz Havzası Master Planı, Büyük Menderes ve Küçük Menderes Havzaları Master Planları vs. gibi). Bu havzalarda önerilen formülasyonlardaki baraj ve diğer tesisleri için yapılmış olan taşkın hidrolojisi çalışmalarında sözü edilen havzalarda vuku bulmuş tarihi taşkınların analizleri yapılmıştır. Bu analizler sonucunda Türkiye deki taşkınlar hakkında aşağıdaki tespitlere varılmıştır. Türkiye de genellikle, kış mevsiminde 1000 m kotu ve üzerindeki alanlara düşen yağışlar, bu alanlar üzerinde kar şeklinde birikir. Kış mevsimi sonlarında veya ilkbahar mevsimi başlangıcında havanın ısınmasına bağlı olarak, biriken kar erimeye başlar. 1000-1500 m kotları arasındaki alanlarda birikmiş kar erken ve hızlı bir şekilde erir. Bu erime sonucu akışa geçen su hacmi küçük olduğundan, büyük taşkınlara katkısı azdır. Alt sınır kotu 1500 m civarında olan daha yükseklerdeki kar örtüsünün ise kar-su eşdeğeri (yoğunluğu) büyük olduğundan, kar erime akışı büyük olur ve bu örtü üzerine yağmur şeklinde düşen yağışın akımıyla birleşiminden büyük taşkınlar oluşur. Aynı çalışmalardan söz konusu havzalarda vuku bulmuş tarihi taşkınların analizlerinden; yağış alanlarının büyüklüğüne de bağlı olarak, Türkiye de vuku bulmuş tarihi taşkınları meydana getiren fırtına yağış sürelerinin; genellikle 6-72 saat arasında değiştiği belirlenmiştir. Büyük zararlara ve insan kayıplarına çoğunlukla pik debisi büyük olan taşkınlar değil, hacmi büyük olan taşkınlar neden olmuştur. 4
Bu analizler sonucunda Türkiye de; Doğu ve Güneydoğu Anadolu, İç Anadolu, Doğu ve Batı Karadeniz bölgeleri ile Seyhan, Ceyhan Nehirleri ve diğer havzalardaki büyük taşkınların genellikle yağmur ve kar erime akımlarının birleşiminden oluştuğunu söylemek mümkündür. Ege, Marmara ve diğer bölgelerde ise, tarihi taşkınlar çoğunlukla yağmurdan oluşmaktadır. 3.2 Tarihsel Taşkınların Analizleri ve Miktarlarının Bilinmesi Tarihi taşkınlardan hareketle, olası taşkınların ve büyüklüklerinin tahmininde en önemli veri, rastgele olan bu olayların ölçümleridir. Olası taşkınların tahminlerinde kullanılacak istasyonlar sayısal açıdan ana nehir ve kollarını temsil edebilecek şekilde uygun yerlerde yeterli, ölçüm süreleri uzun ve verileri güvenilir olmalıdır. Türkiye deki Hidrometeorolojik Ağ incelendiğinde; Türkiye; iklim koşullarıyla, topoğrafyası (0 m 3500 m) ve bitki örtüsü ile çok farklılıklar gösteren bir ülkedir. Bu nedenle, meteorolojik koşullar kısa mesafelerde çok değişkenlik göstermektedir. Dolayısıyla ülkemizin gerekli Hidrometeorolojik İstasyon Ağı bu koşulları temsil eder sayı, ölçüm süresi, mekansal dağılımı ve düzgünlüğü içermelidir. Buradan hemen şunu söylemek mümkündür. Eğer tarihi taşkınların analizlerinde kullanılan hidro-meteorolojik ölçüm ağındaki dağılımı da göz önünde tutulmak üzere istasyon sayısı ve gözlem süreleri yeterli değilse, vuku bulan taşkının oluş mekanizması ve de miktarı hakkında doğru karar verilemeyebilir. Ayrıca bu verilerden hareketle tahmin edilecek olası taşkınların güvenilirlikleri de düşük olur. Taşkınlar adlı bu bölümde barajların ve diğer tesislerin dolusavak ve derivasyon yapılarının boyutlandırılmasına esas olan çeşitli yinelemeli (2, 5, 10, 25, 50, 100, 500, 1000 ve 10.000-yıl) pik debi ve hidrografları ile dolusavak girişi pik debi ve hidrograflarının tahmini için, ilgili resmi ve özel kuruluşlar tarafından uygulanması istenen yöntem ve bu yöntemlerin uygulamasında takip edilecek temel prensipler hakkında özet bilgiler aşağıdaki alt başlıklarda verilmektedir. 5
3.2.1 Pik Debi Frekans Analizleri Baraj, regülatör, nehir santralı ve benzeri gibi diğer tesislerin derivasyon yapılarının boyutlandırılması için bilinmesi gerekli çeşitli süre ve yinelemeli (2, 5, 10, 25, 50, 100, 500, 1000, 10.000-yıl) pik debilerinin tahmini aşağıdaki alt bölümlerde ayrıntıları verilen üç yöntemle hesaplanmalıdır. 3.2.1.1 Gözlenmiş Anlık Maksimum Debilerden Yararlanılarak Tesis Yerleri Çeşitli Süre ve Yinelemeli Pik Debilerinin Tahmini Bu yöntemde, tesis yerinde veya yakınındaki hidrometri istasyonlarının anlık maksimum debilerinden yararlanılarak tesis yerinin çeşitli yinelemeli pik debi ve hidrografları, istatistiksel yöntemlerle tahmin edilmelidir. İstatistiksel analizlerde ekstrem dağılım fonksiyonları olarak; Log-Normal 2, Log-Normal 3, Gama 2, Gama 3 Parametre, Log-Pearson 3 ve Gumbel, Frecht, Weibull ve benzerleri kullanılmalıdır. Bu yöntem, Türkiye de resmi ve özel kuruluşlar tarafından hazır paket programlar kullanılarak uygulanmaktadır. Yöntemin kullanılmasındaki önemli sakınca, Türkiye deki mevcut hidro-meteorolojik ağın nitelik ve nicelik bakımından yeterli olmamasıdır. Bilindiği üzere istatistik tekniği açısından belirli bir güvenilirlik aralığı ile tahmin yapabilmek için, ölçüm süresi en az 30 yıl veya çok daha fazla olmalıdır. Bu yöntemde Q 10.000, T periyodu için beklenen ekstremler denklemi Q T =Q 10 +Z T (Q 100 -Q 10 ) şeklinde olup, Z T değeri, T= 10.000 için 2,98 dir (Ref. Ven Te Chow). 3.2.1.2 Yağış-Akış Yöntemleri ile Tesis Yerlerinin Çeşitli Süre ve Yinelemeli Pik Debilerinin Hesaplanması ve Hidrograflarının Elde Edilmesi Nehir ve yan dereler üzerlerinde tasarlanan baraj ve diğer tesis yerlerinin çeşitli süre ve yinelemeli pik debi ve hidrografları, tesis yerleri yağış alanlarının çeşitli yinelemeli yağış miktarlarından ve tesis yerleri yağış alanlarının ortalama birim hidrograflarından yararlanılarak hesaplanmalıdır. Bu yöntemde; baraj tesis yeri yağış alanı bir sistem gibi düşünülmüştür ve sistemin girdisi yağış alanına düşen yağıştır. Bu durumda sistemin çıktısı akım olacaktır. Sistem doğrusal varsayılarak yağış girdisi birim hidrografla akışa dönüştürülmektedir. 6
Bu yöntem uygulanırken, resmi veya özel kuruluşlar tarafından yapılması gerekli çalışmalar alt başlıklar altında aşağıda verilmektedir. 3.2.1.2.1 Yağış Analizleri Baraj veya diğer tesis yerleri yağış alanlarının yağış derinlik-alan-süre eğrilerini ve yağış şiddet-süre-tekerrür eğrilerini elde edebilmek için, yağış analizleri iki aşamada tamamlanmalıdır. Birinci aşamada tesis yağış alanında vuku bulmuş tarihi fırtınalar saptanarak ve analiz edilerek fırtına yağışlarının derinlik-alan-süre eğrileri elde edilir. İkinci aşamada ise, noktasal fırtına yağışları analiz edilerek, yağış şiddet-süretekerrür eğrileri elde edilmelidir. Bu iki grup eğriler yardımıyla baraj veya diğer tesis yerleri yağış alanları üzerindeki çeşitli süreli ve yinelemeli alansal ortalama yağış miktarları hesaplanır. Ayrıca bu eğrilerden yararlanılarak tesis yerleri yağış alanlarının noktasal yağışlarının alan ve zaman içindeki dağılım oranları hesaplanır. Baraj (tesis) yağış alanında vuku bulmuş tarihi fırtınaların yukarıda özetlenen şekilde analizleri sonucunda baraj yağış alanındaki düzgün dağılımlı fırtınaların gerçek yağış süreleri (kritik yağış süreleri) belirlenir. Bu sürelerin, taşkının süre ve hacmine etki edeceğinden tarihi taşkınlardan doğru tespit edilmesi gerekir. Çünkü baraj yağış alanında en büyük taşkına neden olan kritik yağış süresi (şiddeti sabit ve düzgün dağılımlı) baraj yağış alanından beklenen olası en büyük taşkının hacmini etkiler (bu durum barajların taşkın ötelemesinde önemlidir). 3.2.1.2.2 Noktasal Yağış Analizleri Baraj ve regülatör gibi diğer tesislerin yağış alanları içinde veya çevresindeki meteoroloji İstasyonlarının varsa saatlik veya günlük en büyük yağışlarının noktasal frekans analizleri ekstrem dağılım fonksiyonları kullanılarak, X 2 (Chi-Square) ve Kolmogorov-Smirnov (veya başka) testler sonucunda dizilere en iyi uyan dağılım fonksiyonları ile belirlenir. Baraj veya diğer tesislerin yağış alanı içinde veya çevresindeki meteoroloji istasyonlarından, verileri sayısal açıdan yeterli ve güvenilir olan istasyonların aynı süre ve yinelemeli yağış miktarlarından yararlanılarak, Thiessen veya eş yağış eğrileri yöntemleriyle tesis yeri yağış alanının alansal ortalama çeşitli süreli yağış miktarları (5, 10, 25, 50, 100, 500, 1000 ve 10.000-yıl) hesaplanır. 7
T= 10.000 yıl periyodu için beklenen yağış miktarı X T = X 10 +2,98 (X 100 -X 10 ) denkleminden hesaplanılabilir (Chow, 1964). Bu yöntemle hesaplanan baraj veya diğer tesis yerleri yağış alanlarının bir gün süreli çeşitli yinelemeli alansal ortalama yağış miktarları; tesis yağış alanı için belirlenen derinlik-alan-süre eğrilerinden noktasal yağışın alan dağılım oranı, tarihi fırtınaların kütle eğrilerinden zaman dağılım oranı ve maksimize faktörü ile çarpılarak baraj (tesis) yağış alanının gerçek yağış süreli çeşitli yinelemeli alansal ortalama yağış miktarları hesaplanır. Bu yağış miktarlarının etkili yağış bölümleri hesaplandıktan sonra, baraj veya diğer tesis yeri birim hidrografı yardımıyla akış hidrografına dönüştürülür. 10.000 Yıllık Taşkın Pik Debi ve Hidrografının Hesaplanması: Türkiye de Q 10.000 yıllık pik debinin tahmini ve hidrografının çizimi başlıca iki yöntemle elde edilmektedir. Bu yöntemler kısaca aşağıda özetlenmektedir. Gözlenmiş pik debilerin frekans analizleri sonucunda elde edilen Q 100 ve Q 10 dan yararlanılarak, Q 10.000 = Q 10 +2,98 (Q 100 -Q 10 ) formülü ile, (Chow, 1964) Gözlenmiş Tarihsel Taşkınların Analizlerinden veya Sentetik Yöntemle Edilen Havza Ortalama Birim Hidrografından yararlanılarak Yağış-Akış Bağıntısından: Bu yöntemle tesis yeri yağış alanı ortalama Birim Hidrografı kullanılarak 10.000-yıllık yağış miktarı akış hidrografına dönüştürülmektedir. Yöntemin uygulanmasında en önemli sorun doğru eğri numarası (CN) seçimidir. Eğri numarasının seçiminin önemli kriterlerinden biri, taşkının başlangıçtan önce havzaya düşen yağış miktarıdır. Türkiye deki 25 Hidrolojik Havza da vuku bulmuş tarihi taşkınların analizinden, büyük taşkınlarda zeminin çoğunlukla doygun olduğu görülmektedir. Türkiye de taşkın mevsimi genellikle Kasım-Haziran ayları arasında olduğu düşünülürse, 10.000 yıllık bir taşkının vuku bulması için zeminin doygun Şart- III ve genellikle karla kaplı (Doğu, Güneydoğu, Seyhan, Ceyhan ve Karadeniz diğerleri v.s.) olduğu bir gerçektir. Bu nedenle Q 10.000 yıllık taşkın tahmininde zeminin ne durumda olduğu araştırılmalıdır. Zeminin ne durumda olduğunun 8
belirlenmesi için, tesis yeri yağış alanında vuku bulmuş tarihi taşkınlar ve hidrografları mutlaka analiz edilmelidir. Hidrograflar Kasım-Mart ayları arasındaki tarihlere ait ve taşkından beş gün önceki yağış toplamı 12,0-28,0 mm arasında ise hesaplanan eğri numarası Şart-II, 12,0 mm den az ise Şart-I, 28,0 mm den fazla ise Şart-III içindir. Hidrograflar Nisan-Ekim ayları arasındaki tarihlere ait ve taşkından 5 gün önceki yağış toplamı 36,0-53,0 mm arasında ise, hesaplanan eğri numarası Şart-II, 36,0 mm den az ise Şart-I, 53,0 mm den fazla ise, Şart-III içindir (Ref. Uygulamalı Taşkın Hidrolojisi, H. Özdemir DSİ, 1978). Q 10.000 yıllık taşkının seçiminde ise, her iki yöntem ile tahmin edilen pik debiler karşılaştırılmalı ve büyük olanı seçilmelidir. 3.2.1.3 Etkili Yağış Baraj veya diğer tesis yerleri yağış alanlarının çeşitli süreli ve yinelemeli yağış miktarlarının taşkın oluşumunda etkili kısmı aşağıdaki iki yöntemle hesaplanmaktadır. U.S. Soil Conservation Service tarafından geliştirilen akış/yağış eğrileri kullanılarak. Baraj yeri veya diğer tesislerin yakınlarındaki hidrometri istasyonlarında vuku bulan tarihi taşkın hidrografları analiz edilerek, yağış alanı akış/yağış eğri numarası (CN) hesaplanması ile (Uygulamalı Taşkın Hidrolojisi, H. Özdemir DSİ, 1978). 3.2.2 Baraj veya Diğer Tesis Yeri Birim Hidrografı Hesaplanması Baraj veya diğer tesis yerleri yağış alanlarının birim hidrografları, mevcut verilerin durumuna göre aşağıdaki alt bölümlerde anlatıldığı gibi başlıca iki yöntemle hesaplanır. 3.2.2.1 Hidrometri İstasyonlarında Gözlenen Taşkın Debi Hidrografları Analizlerinden Tesis Yeri Birim Hidrografı Elde Edilmesi Tesis yağış alanı ortalama birim hidrografı, tesis yerinde veya yakınındaki hidrometri istasyonlarında gözlenmiş taşkın debi hidrografları ve bu hidrografları oluşturan fırtına yağmurları analiz edilerek elde edilmelidir. Debi hidrografları limnigraf 9
kayıtlarından, yoksa rasatçı su seviye gözlemlerinden yararlanılarak çizilebilir. Hidrografları oluşturan fırtına yağmurlarının alan dağılımı, taşkın debi hidrograflarını oluşturan fırtınaların derinlik-alan-süre eğrilerinden, zaman dağılımı ise, meteoroloji istasyonlarının yağış kütle eğrilerinden yararlanılarak elde edilecektir. Alan ve zaman dağılımı düzgün olan fırtınaların oluşturduğu taşkın hidrografları analiz edilmelidir. Bu denemeler mutlaka yapılmalı ancak, hidrometri istasyonlarının kaydedici olmaması ve meteoroloji istasyonlarının sayısal açıdan yetersizliği söz konusu ise, bu durum gerekçeleri ile izah edilmelidir (Aşağı Seyhan Havzası Master Plan Raporu DSİ, 1980). 3.2.2.2 Sentetik Yöntemlerle Birim Hidrograf Hesaplanması Resmi ve özel kuruluşlarda tesis yerleri yağış alanlarının fiziksel büyüklükleri dikkate alınarak sentetik birim hidrograf yöntemlerinden Snyder, Mockus ve DSİ Sentetik (uyarlanmış SCS) birim hidrograf yöntemleri kullanılmaktadır. DSİ Genel Müdürlüğü ve özel kuruluşlarda genel olarak Snyder yöntemi yağış alanı 1000 km² ye eşit veya büyük alanlarda, Mockus ve DSİ Sentetik birim hidrograf yöntemi ise, yağış alanı 1000 km² den küçük alanlarda uygulanmaktadır (Ref. Uygulamalı Taşkın Hidrolojisi, DSİ, H. Özdemir 1978). Bu yöntemler uygulanırken gerekirse alt havzalara ayırarak (üst sınır 5000 km 2 olabilir), havza birim hidrografı elde edilebilir. Bu yöntemlerin uygulaması genelde projelerin ön inceleme aşamasında önerilmektedir. Fizibilite aşamasında yapılması istenen Mühendislik Hidrolojisi çalışmalarında ise tercih, gözlenen taşkın debi hidrograflarının analizlerinden elde edilen havza alanı ortalama birim hidrografları olmalıdır ve bu çalışmalar (denemeler) yapılmalıdır. Bu durum, mevcut hidrometeorolojik şebekenin nitelik ve nicelik açısından yeterli olmasına bağlıdır. Mühendislik Hidrolojisi çalışmalarında, gözlenen tarihi taşkın debi hidrograflarının analizlerinden birim hidrograf elde edilmesi temel ilke olarak alınmalıdır (istenmelidir). 3.2.3 Taşkın Hidrografları ve Hacimleri Baraj veya diğer tesis yerlerinin çeşitli yinelemeli (2, 5, 10, 25, 50, 100, 500, 1000 ve 10-000 yıl) taşkın pik debi ve hidrografları; 10
Etkili yağış değerlerinin tesis (baraj, regülatör v.s.) yeri birim hidrografı ordinatlarıyla çarpılması ile akış hidrografına dönüştürülerek, Yıllık En Büyük Hacim Yinelemelerinden hesaplanmalıdır. Baraj yerinin hacim yinelemelerini hesaplayabilmek için, tesis yeri yağış alanıbüyüklüğüne bağlı olarak baraj yeri ve yakınlarındaki hidrometri istasyonlarının 1, 3, 5, 7, 10... günlük vuku bulmuş tarihi taşkınlarından taşkın süresi belirlenmeli en büyük hacim verilerinden yararlanılmalıdır. Günlük en büyük hacim verilerinin (1, 3, 5 ve diğerleri) frekans analizlerinde, pik debilerin analizlerinde kullanılan exstrem dağılım fonksiyonları aynen kullanılmalıdır. Resmi ve özel kurumlardaki uygulamalardan, Sentetik yöntemlerin uygulanması ile elde edilen çeşitli yinelemeli hidrografların hacimlerinin, yıllık en büyük hacim yinelemelerinden elde edilenlerden oldukça küçük olduğu bilinmektedir. Bu nedenle tesis yeri pik debi hidrograflarının çiziminde 1, 3, 5 ve diğerleri günlük en büyük hacimlerin frekans analizlerinden elde edilen değerlerin kullanılması genel ilke olarak alınmalıdır. Bilindiği üzere baraj veya göletlerde kritik hacimli taşkın hidrografını doğru tahmin etmek çok önemlidir. 3.2.4 Bölgesel Taşkın Frekans Analiz Metodu ve Uygulanması Bu yöntemin uygulanmasında pik debi verilerinden yararlanılacak Akım Gözlem İstasyonları, homojenlik testleri sonucunda belirlenmelidir. Homojenlik testlerine giren Akım Gözlem İstasyonları nın en az on yıllık aynı dönem ölçümleri olmalıdır. 3.2.5 Baraj Yeri Dolusavak Proje Giriş Pik Debi ve Hidrografı / Olası En Büyük Taşkın (OET) Tahmini 3.2.5.1 Giriş Baraj yerinin dolusavak proje girişi pik debi ve hidrografı, baraj yağış alanının olası en büyük yağmur ve (varsa) kar erime akışları debi hidrografları ile baz akımının toplanmasından (süperpozisyonundan) elde edilir. Baraj yağış alanının olası en büyük yağmur miktarı, öncelikle tarihi fırtınaların fiziksel yöntemle maksimizasyonundan hesaplanmalıdır. Ayrıca istatistiksel 11
yöntemle de (Hershfield) olası en büyük yağışlar hesaplanmalı ve sonuçları karşılaştırılmalıdır. Baraj yağış alanlarının olası en büyük kar erime akış hidrografları Derece-Gün yöntemi ile hesaplanabilir. Derece-Gün yöntemi DSİ Genel Müdürlüğü ve Özel kuruluşlar tarafından halihazırda uygulanmakta olup, yeterli sonuçlar vermektedir. Bu yöntemin uygulanmasında, resmi ve özel kuruluşlar gerekli bilgi birikimine sahiplerdir. Eğer tesis yeri yağış alanında yeterli (alansal) meteoroloji istasyonu var ise, Derece-Gün yöntemi uygulamasına radyasyon parametresi de dahil edilebilir. Derece-Gün yöntemi giriş bölümünde de belirtildiği gibi 1000 km 2 veya daha büyük havzalarda uygulanabilir. Olası en büyük yağmur değerlerini debi hidrografına dönüştürmek için kullanılan baraj yeri birim hidrografı, hidrometri istasyonlarında gözlenmiş taşkın debi hidrograflarının analizinden veya veri yetersizliği durumunda sentetik birim hidrograf yöntemleri uygulanarak elde edilmelidir. Baraj yeri dolusavak proje girişi pik debi ve hidrografı hesabında izlenecek yöntemler aşağıda açıklanmıştır. 3.2.5.2 Tarihi Fırtınalar Baraj yeri yağış alanının kritik taşkın hidrografının süresi, bu taşkını oluşturan tarihi fırtınanın kritik yağış süresine bağlıdır. Baraj yağış alanında vuku bulmuş tarihi fırtınalar; yağış alanı içinde ve çevresindeki meteoroloji ve hidrometri istasyonlarının varsa saatlik, günlük yağış ve pik debi rasatlarından yararlanılarak tespit edilebilir. Tarihi fırtınaların saatlik veya günlük yağış değerlerinin zaman içindeki dağılımı, MGM ve DSİ meteoroloji istasyonlarının gözlemci yağış notu, ara yağış ölçümü ve plüviyograf (kaydedici) kayıtlarından yararlanılarak çizilen yağış kütle eğrilerinin analizlerinden belirlenir. Yağış kütle eğrilerinin analiz sonuçları tarihi fırtınaların gerçek yağış süresini belirleyecektir. Baraj yağış alanlarında vuku bulmuş tarihi fırtınaların seçiminde gerekirse, yağış alanı alt yağış alanlarına ayrılmalı ve yağış alanında vuku bulmuş tarihi fırtınalardan, alan dağılımı düzgün olanlar seçilmelidir. Yağış alanına düzgün bir şekilde yayılmış tarihi fırtınaların, havzada standart zamanlarda bırakabileceği en yüksek 6 şar saatlik yağış derinliğini bulmak amacıyla, fırtınaların Derinlik-Alan-Süre analizleri 12
yapılmalıdır. Bu analizlerde her bir fırtına için ayrı ayrı eş yağış eğrileri haritaları çizilir. Meteoroloji istasyonlarının gözlemci yağış notu, ara yağış ölçümü ve meteoroloji istasyonlarının plüviyograf kayıtlarından yararlanılarak çizilen yağış kütle eğrilerinin analiz sonuçlarına göre, 6 şar saatlik fırtına yağışları tespit edilir. Yukarıdaki açıklamalara uygun olarak baraj yağış alanlarının yağış fırtınaları tespit edilmelidir. Baraj yağış alanı için tespit edilmiş yağış fırtınalarının alansal ortalama yağış miktarları, baraj yağış alanı içinde ve çevresindeki MGM ve DSİ meteoroloji istasyonlarının kaydedici olanlarda saatlik, diğerlerinde günlük yağış ölçümlerinden faydalanılarak eş yağış eğrileri yöntemiyle hesaplanmalıdır. Aşağıdaki bölümlerde baraj yağış alanındaki ortalama olası en büyük yağış (OEY) miktarının fiziksel ve istatistiki yöntemle (Hershfield) hesaplanması verilmektedir. Bu yöntemlerin Mühendislik Hidrolojisi çalışmalarında mutlaka uygulanması önerilmektedir. 3.2.5.3 Fiziksel Yöntemle Olası En Büyük Yağmur Hesabı Baraj yağış alanında veya alt yağış alanlarında vuku bulmuş tarihi fırtınalar fiziksel yöntemle maksimize edilmelidir. Fiziksel yöntemde kullanılan formül ve terimler aşağıda verilmiştir. P max = P ac x W W max ac P ac ve P max, sırasıyla fırtınanın gözlenmiş alansal ortalama ve olası en büyük yağışı, (mm olarak), W ac ve W max ise, gerçek yağabilir su ile en büyük yağabilir su miktarlarını simgelemektedir. Bu konuda ve uygulaması için Ref; Manual For Estimation of Probable Maximum Precipitation WMO, Operational Hydrology Report No.1, WMO-No: 332, 1973 den yararlanılabilir. Baraj yağış alanında vuku bulmuş tarihi fırtınaların Fiziksel yöntemle maksimizasyonları yukarıda verilen formül kullanılarak yapılır. 13