İNŞ 101 İNŞAAT MÜHENDİSLİĞİNE GİRİŞ HİDROLİK ANABİLİM DALI Yrd. Doç. Dr. Hatice ÇITAKOĞLU 2016-2017 Su, tüm canlı organizmalar için hayati önem taşır; canlı yaşamının devamı için hayati önem arz eder. Su, canlılığın devamı haricinde pek çok alanda da insanların önemli ihtiyaçlarını karşılamak için kullanılır. Buna; enerji temini, temizlik, peyzaj alanlarının oluşturulması, suyolu taşımacılığı, vb. örnek gösterilebilir. Bu nedenledir ki; su ile ilgili tüm uğraşlar, ilk insanlardan günümüze kadar artan bir ivme ile süregelmiştir. 2 İhtiyaç duyulan suyun kaynağından alınarak, kullanım alanlarına ulaştırılması, depolanması ve kullanıcılara su şebekeleri ile ulaştırılması; baraj türü depolama yapıları inşa edilerek suyun hem kullanım için biriktirilmesi hem de enerji üretimi için değerlendirilmesi gibi çalışmalar doğrudan inşaat mühendisliği disiplininin çalışma alanlarını oluşturmaktadır. Su canlılara hizmet etmekle birlikte, kontrol edilemediği takdirde çok güçlü ve acımasız bir canavara da dönüşebilmektedir. Sel, nehir taşkınları, kıyıları tehdit eden dalgalar, tsunamiler vb. su olaylarının kontrolü ve insanoğluna zarar vermeden geçiştirilmesi çalışmaları da yine inşaat mühendisliği disiplininin çalışma alanlarıdır. 3 4 1
5 Özet olarak; Hidrolik Anabilim Dalı suyu kullanmak ve suyu kontrol etmek konularında uzman su mühendislerini yetiştiren inşaat mühendisliği alt disiplinidir. İnşaat mühendisliği eğitimi süresince, çok sayıda hidrolik dersi mevcuttur ve bu dersler genel eğitim programında önemli bir yer tutar. Ancak, Hidrolik Anabilim Dalı o kadar geniştir ki; bazı alt disiplinleri için dahi özel lisansüstü programlar açılmaktadır. Lisans düzeyinde, öğrenciler öncelikle su ve suyun mekanik davranışını öğrenecekleri hidroloji, akışkanlar mekaniği, hidromekanik (hidrolik), vb. temek zorunlu dersleri alırlar. Sonraki dönemlerde uzmanlığa ve uygulamaya yönelik olarak; su getirme ve kanalizasyon, kıyı-liman yapıları, baraj tasarımı, sel ve taşkın önleme, marina tasarımı vb. çok sayıda dersi alabilmektedirler. 6 DÜNYA SU KAYNAKLARı DÜNYA SU KAYNAKLARı Tuzlu Sular (% 97,2) Toplam Su Miktarı 1360 10 6 km³ (% 100) Tatlı Sular (% 2,8) Okyanuslar 1322 10 6 km³ (% 97.2) Tatlı Sular 38 10 6 km³ (% 2.8) Yer altı Suları (% 22) Buzullar (% 77) Buzullar 29.2 10 6 km³ (% 77) Yeraltı Suları 8,6 10 6 km³ (% 22) Yüzeysel Sular 0.2 10 6 km³ (% 1) Nehirler, Göller (% 1) 7 8 2
TÜRKİYE NİN SU KAYNAKLARI Akarsular ve Göller Türkiye de dağlarda bulunan küçük göllerle birlikte 120 den fazla doğal göl bulunmaktadır. Doğal göller dışında Türkiye de 595 kadar baraj gölü bulunmaktadır. (DSİ den alınan son rakam) Türkiye göllerinin yanısıra akarsuları açısından da zengin bir ülkedir. Kaynakları Türkiye topraklarında olan birçok akarsu değişik denizlere dökülür. Karadeniz'e Sakarya, Filyos, Kızılırmak, Yeşilırmak, Çoruh ırmakları; Akdeniz'e Asi, Seyhan, Ceyhan, Tarsus, Dalaman ırmakları; Ege Denizi'ne Büyük Menderes, Küçük Menderes, Gediz ve Meriç nehirleri; Marmara Denizi'ne Susurluk/Simav Çayı, Biga Çayı, Gönen Çayı dökülür. Ayrıca Fırat ve Dicle nehirleri Basra Körfezi'nde, Aras ve Kura nehirleri ise Hazar Denizi'nde son bulur. 9 10 Türkiye 26 adet hidrolojik havzaya ayrılmıştır. Havzaların ortalama yıllık toplam akışları 186 milyar m³ tür. Havza verimleri birbirlerinden farklı olup, Fırat ve Dicle havzalarının toplam ülke potansiyelinin yaklaşık % 28,5 ine sahip olduğu görülmektedir. 11 12 3
TOPRAK KAYNAKLARI Tarım alanı Sulanabilir alan Kuru tarım alanı Sulanabilir alan hedefi Sulanan alan : 28,05 milyon ha : 25,75 milyon ha : 17,25 milyon ha : 8,50 milyon ha : 4,90 milyon ha SU KAYNAKLARI POTANSİYELİ Yıllık ortalama yağış : 643 mm/m² Türkiye nin yüzölçümü : 780 000 km² Yıllık yağış miktarı : 501 milyar m³ Buharlaşma : 274 milyar m³ Yeraltına sızma : 41 milyar m³ YÜZEY SUYU Yıllık yüzey akışı : 186 milyar m³ Kullanılabilir yüzey suyu : 98 milyar m³ (yurt içi akarsularından 95 + yurt dışı akarsulardan 3 =98 milyar m³) 13 YER ALTISUYU Yıllık çekilebilir su miktarı : 14 milyar m³ Toplam Kullanılabilir Su (net) : 112 milyar m³ 14 Su varlığına göre ülkeler aşağıdaki şekilde sınıflandırılmaktadır; Su fakiri < 1.000 m³/kişi Su azlığı < 2.000 m³/kişi Su zengini > 8.000 10.000 m³/kişi Türkiye: 1.500 m³/kişi ile Su Azlığı çeken bir ülke 15 ENERJI KAYNAKLARı Bir ülkenin elektrik enerjisi tüketimi o ülkenin kalkınmışlığının bir göstergesidir. 2004 yılında elektrik enerjisi tüketimi: Türkiye : 2.100 kwh/kişi/yıl Dünya ortalaması : 2.500 kwh/kişi/yıl Gelişmiş ülkelerde : 8.900 kwh/kişi/yıl Çin : 827 kwh/kişi/yıl ABD : 12.322 kwh/kişi/yıl 16 4
KURULU KAPASİTE VE YILLIK ÜRETİM TÜRKİYE DE ENERJİ KURULU KAPASİTESİ VE ÜRETİMİ* 2003 2004 (GEÇİCİ) KAPASİTE FİİLİ KAPASİTE KAPASİTE FİİLİ KULLANIM KURULU (MW) ÜRETİM ÜRETİM (GWh) (GWh) ORANI (%) KURULU (MW) ÜRETİM (GWh) ÜRETİM (GWh) KAPASİTE KULLANIM ORANI (%) KÖMÜR 8 239 53 940 32 253 60 8 923 58 391 34 558 59 AKARYAKI T 3 198 21 085 9 196 44 3 202 21 167 9 800 46 TERMİK ENERJİ DOĞALGAZ 11 510 86 154 63 536 74 12 640 94 867 59 098 62 JEOTERMAL VE RÜZGAR ENERJİ HİDROELEKTRİK ENERJİ DİĞER 28 207 116 56 27 207 76 37 TOPLAM 22 974 161 387 105 101 65 24 792 174 632 103 532 59 34 156 150 96 34 156 160 103 12 579 45 152 35 329 78 12 654 45 435 47 614 105 GENEL TOPLAM 35 587 206 695 140 580 68 37 480 220 223 151 306 69 17 HİDROLİK ANABİLİM DALIDA YÜRÜTÜLEN ÇALIŞMALAR SU KULLANIMINA YÖNELİK ÇALIŞMALAR 1. Su Temini ve Su Depolama Yapıları 2. Su İletim Sistemleri, 3. Enerji Eldesi Hidroelektrik Santraller, SUYUN KONTROLÜNE YÖNELİK ÇALIŞMALAR 1. Dalgakıranlar, 2. Sel-Taşkın Koruma ve Su Tahliye Sistemleri, 3. Taşkın Kontrolü 4. Tsunami Çalışmaları 18 SU TEMINI VE SU DEPOLAMA YAPıLARı Kullanım suyunun temini ve depolama çalışmaları ile ilgili Roma İmparatorluğu döneminde çok önemli mühendislik çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Sarnıç adı verilen yapılarda depolanan su, su kemerleri ve kanallar yardımıyla halkın kullanımı için şehirlere iletilmiştir. Bugün bile kalıntıları mühendislik camialarında hayranlık uyandıran bu sistemler yüzyıllar boyunca toplumlara hizmet etmiştir. Modern dünyada ise, depolanması amacıyla çok çeşitli su biriktirme ve yapıları ve depolar inşa edilmektedir. Barajlar su depolamasında öne çıkan en önemli mühendislik yapılarıdır ve yapım tekniklerine, gövde şekillerine bağlı olarak sınıflandırılırlar. Roma İmparatorluğu Dönemi Yerebatan Sarnıcı İstanbul 19 20 İçme suyu Barajları 5
SU İLETIM SISTEMLERI Gerek Roma İmparatorluğu ve gerekse Osmanlı Devleti döneminde su temini ve iletimi konularına çok büyük önem verilmiştir. Roma İmparatorluğu döneminden kalma su dağıtım şebekeleri bugünkü mühendislik uygulamalarının pek çoğu için ilham kaynağı olmuştur. Mimar Sinan ın yapmış olduğu su kemerleri bugün bütün ihtişamıyla ayakta durmaya ve su iletimi görevini yerine getirmeye devam etmektedir. Günümüzde ise modern su iletim ve dağıtım şebekeleri ile ihtiyaç duyulan bölgelere içme ve kullanım suyu ulaştırılmaktadır. 21 VALENS (BOZDOĞAN KEMERI) Valens su kemeri, Roma İmparatoru Valens tarafından 4. yüzyılın sonlarında İstanbul'da yapılmıştır. Farklı dönemlerde Osmanlı Sultanları tarafından restore ettirilmiştir. Orta Çağ'da, kentin su ihtiyacını karşılayan su kemerlerinin en önemlilerindendir. Yapı üzerindeki kanallardan su akımı sağlanmaktadır 22 POND DU GARD GUARD / FRANSA Pont du Gard Romalılar tarafından bugünkü Fransa'nın güneyinde inşa edilmiş olan bir su kemeridir. Gardon nehrinin vadisi üzerinden su taşımak üzere tasarlanan Pont du Gard, Uzes yakınlarındaki pınarlardan Roma şehri Nemasus'a (Nimes) su taşıyan yaklaşık 50 km uzunluğundaki bir su yolunun parçasıydı. 34 cm/km'lik bir eğimi olan ve tamamında yalnızca 17 metre eğim yapan su yolu günde 20.000 m³ su taşıyordu. MAĞLOVA KEMERI Mimar Sinan tarafından 1554-1562 yılları arasında İstanbul'da, Alibey Deresi vadisi üzerinde yapılmıştır. 36 metre yüksekliğinde ve 257 metre uzunluğunda olan kemer, iki katlıdır. 23 24 6
KKTC Su Temin Projesi nde 66,5 km lik Deniz Geçişi İsale Hattı, her biri 1600 mm anma çapına sahip ve 500 er metre uzunluğunda olan HDPE (Yüksek Yoğunluklu Polietilen) yekpare boruların birbirine mekanik olarak bağlanması suretiyle teşkil edilmesi Manyas Ovası Sol Sahil Sulaması inşaatında 25 ENERJI ELDESI HIDROELEKTRIK SANTRALLER 21. yüzyılın en önemli ihtiyaçlarından biri hatta en önemlisi enerji teminidir. Elektrik pek çok şekilde elde edilebilmektedir. Elektrik enerjisi, depolanan suyun potansiyel enerjisinin suyun serbest hareketi ile birlikte elektrik enerjisine dönüştürülmesi, üretilen enerjinin depolanması ve kullanılması mümkündür. Suyun potansiyel enerjisinden elektrik enerjisi elde edebilmek için Hidroelektrik Santraller inşa edilmektedir. Bu santralleri termik ya da nükleer santrallerden ayıran en önemli özellik doğaya zararlı madde salınımlarının olmamasıdır. Ancak, baraj haznesinde tutulan yüksek miktarlarda su; baraj alanında ekolojik dengeyi etkileyebilmektedir. Hidroelektrik santral proje çalışmalarında önemli bir aşaması da çevresel etki değerlendirme ön raporu şeklinde bir raporlama çalışmasıdır. 26 Artvin - Deriner Barajı : 249 m yükseklik ile Türkiye nin En Yüksek Düşülü Barajı GAP Atatürk Barajı : Türkiye ve Avrupa nın En Büyük Barajı Hidroelektrik Santralde Elektrik Üretiminin Şematik Görünümü 27 28 7
DALGAKıRANLAR kıyıdaki yapıları, tekneleri, dalgaların yıpratıcı etkisinden korumak veya gemilerin yük alıp boşaltmasını sağlamak amacıyla liman ve iskele önlerine yapılan uzun setlerdir. Dalgakıran tasarımı çalışmaları Hidrolik Anabilim Dalı tarafından gerçekleştirilmektedir. Three Gorges Dam : Üç Boğaz Barajı Çin Halk Cumhuriyeti Dünyanın 2013 Nisan Ayı İtibariyle En Büyük Barajı 29 30 31 SEL-TAŞKıN KORUMA VE SU TAHLIYE SISTEMLERI Sel, bir bölgede toprağı belirli bir süre için tamamen veya kısmen su altında bırakan; ani, büyük ve düzensiz su akıntılarına verilen isimdir. Bir akarsu veya deniz, göl gibi büyük su kitleleri kimi zaman fazlasıyla suyla yüklenir, bunun sonucunda taşarak yatağından çıkar ve "sel" adı verilen bir doğal felakete neden olur. Bu doğal felaketten korunmanın dere yatağına yapı inşa etmeme, ağaçlandırma, gibi yöntemleri olmakla birlikte; meydana gelen bir selin hasarlarını azaltmak ve önlemek için sel suyunun su tahliye sistemleri yardımıyla yaşam alanından uzaklaştırılması gerekmektedir. Sel suyu tahliye sistemlerinin tasarımı ve analizleri, hidrolik anabilim dalı tarafından yapılmaktadır. 32 8
Venedik Şehrini Sel Suları ve Yüksek Dalgalardan Korumak için Tasarlanmış MOSE Pojesi "yeraltı tapınağı",japonya'da 1992'de başlatılan ve yapımı 2009 da tamamlanan proje sel felaketini önlemek maçlı yapılmıştır. G-Cans'in "yeraltı tapınağı" adı verilen ana yağmursuyu deposu 177 m uzunluğunda, 78 m genişliğinde ve 25 m yüksekliğindedir. 33 34 TAŞKıN KONTROLÜ Büyük sağanaklardan veya ani kar erimelerinden sonra hızla yükselen sular akarsu yatağını çevreleyen düz araziye taşar ve bu olaya taşkın adı verilir. Akarsuyun taşıdığı sedimentlerin (katı) toplandığı bu araziye taşkın bölgesi veya taşkın ovası denir. Baraj, bağlama ve su kuvveti tesislerinde taşkın debilerinin belirlenmesi büyük önem taşır. Çok sayıda can kaybına ve büyük maddi hasarlara neden olan taşkınları önlemek, iyi bir planlama ve projelendirmeyi gerektirmektedir. Taşkın kontrolü ise, taşkın zararlarını azaltmak veya bütünüyle önlemek için yapılan bir dizi çalışmanın bütününe verilen isimdir. 35 Yapılı taşkın kontrol yöntemi ve yapısız taşkın kontrol yöntemi olmak üzere taşkın koruma yöntemleri ikiye ayrılmaktadır. Yapılı taşkın koruma yöntemleri olarak; Havza koruması, akarsu düzenlemesi, taşkın kanalları inşası, taşkın geciktirme havuzları yapımı, barajlar ve sel kapanları yapımı, taşkın seddeleri oluşturulması, taşkın duvarları yapımı gibi çözümler sıralanabilir. Yapısız taşkın koruma yöntemleri olarak ise; taşkın havzasındaki yapılaşmayı önlemek ve azaltmak, kurtarma faaliyetlerini planlamak, geçici boşaltma veya tecrit etme, taşkın sigortası yaptırmak gibi çalışmalar sıralanabilir. 36 9
Taşkın Koruma Kanalı 37 38 Taşkın Seddesi TSUNAMI ÇALıŞMALARı Tsunami, Japonca da deprem dalgası anlamına gelen Japonca bir kelimeden türemiştir. Tsunami; okyanus ya da denizlerin tabanında oluşan deprem, volkan patlaması ve bunlara bağlı taban çökmesi, zemin kaymaları gibi tektonik olaylar sonucu denize geçen enerji nedeniyle oluşan uzun periyotlu deniz dalgası anlamına gelmektedir. Aslında dünya kamuoyunun tsunami kelimesi ile tanışması çok eski değildir. 26 Aralık 2004 Hint Okyanusu nda gerçekleşen 9.1 büyüklüğündeki deprem Endonezya nın Sumatra Adası na ulaşan ve dalga yüksekliği 30 metreyi aşan bir tsunami oluşturmuştur. Bu tsunami sonucunda yaklaşık 230.000 kişi hayatını kaybetmişti ve felaket sonrası tüm dünya tsunami terimi ile tanışmıştır. 39 40 10
Tsunami konusunda, Hidrolik Anabilim Dalı bünyesinde çalışmalar yürütülmektedir. Çalışmalar genel olarak, ele alınan deniz tabanında oluşacak bir depremin tsunami oluşturup oluşturmayacağının tahmini, oluşması muhtemel bir tsunaminin maksimum dalga yüksekliği ve dalga sayısı, tsunami dalgalarının deprem oluşumundan sonra kıyıya varış süreleri, olası bir tsunamide etkilenecek kıyı şeridinin tespiti gibi alanlarda gerçekleştirilmektedir. Bu noktada, tsunami olayının bilgisayar ortamında simülasyonları yapılmakta ve simülasyon çalışmalarına bağlı olarak çıkarımlar yapılmaktadır. Deneysel ve Analitik Tsunami Simülasyon Çalışmaları 41 42 11