BÖÜM-7 YÜZEYSE KIŞ (SURFCE RUNOFF) 7.1 GİRİŞ Yağışan (kar, yağmur) sızma, yüzeysel birikirme ve yüzeyalı akışı çıkıkan sonra ara kalan kısma yüzeysel akış denir. Kısaca yüzeysel akışa yağış fazlası denilebilir. Yağış Yüzeysel akış YSY Sızma Yüzeyalı akışı Yeralı akışı Yüzeysel birikirme karsu Yüzeysel akış akarsu havzasında oluşur. Havzaya düşen yağışın ne kadarının akışa geçebileceği akarsu havzasının özelliklerine bağlı olarak değişir. Bu nedenle bu bölümde önce akarsu havzasının başlıca özellikleri üzerinde durulacak sonra akışın ne şekilde kısımlara ayrılabileceği anlaılacakır. 7.2 KRSU HVZSI VE ÖZEİKERİ karsu havzası: (= su oplama havzası, drenaj havzası, ing: basin, cachmen, waershed) kışını bir yüzeysel su yolu üzerinde alınan bir çıkış nokasına gönderen yüzeye denir. Havza, içerisinde bir akarsu ve kollarının yer aldığı yağışı akışa dönüşüren kara parçası olarak da anımlanabilir. karsu üzerinde alınan her nokanın ayrı bir drenaj sahası vardır. Mansaba doğru havza en büyük Yağış Havza kış alana sahip olur. karsu havzalarını birbirleriyle karşılaşırabilmek ve üzerine düşen yağışın ne 1
kadarının akışa çevrilebildiğini belirlemek açısından havzayı nieleyen başlıca özellikleri bilmek gerekir. karsu Havzalarının Özellikleri: 1-) Zemin cinsi ve jeolojik yapı:yeralına sızan su mikarının bilinmesi açısından önemlidir. 2-) Biki örüsü: Havza yüzeyindeki akış mikarını, hızını ve kar erimesini ekiler. Biki örüsünün bulunması akışı azalır, sızmayı arırır. 3-) Havzanın büyüklüğü: kışın mikarını ekiler. Havza büyüdükçe pik debi, aşkın hacmi, pik debiye ulaşma süresi büyür. Küçük havzalarda birim alandan gelen maksimum debi daha büyükür, akışın yıl içinde dağılışı düzensizdir. 4-) Havzanın biçimi: Havza şekli aşkınların oluşumunda çok ekilidir. Büyüklükleri ve diğer özellikleri aynı olan iki havzanın aşkın hacimleri aynı olmasına rağmen biçimleri farklı olduğu için pik debileri, pik debiye ulaşma süreleri ve devam süreleri değişikir. c: Havza ağırlık merkezinin akarsuyun ana c c oplayıcısı üzerindeki çıkış kesiine olan mesafesi Q Qp Q Qp Q : Debi (m 3 /s) : Zaman Qp : Pik debi p p p süresi : Pik debiye ulaşma (a) (b) 2
Yukardaki havzaların büyüklükleri ve büün özellikleri aynı olup sadece biçimleri birbirinin ersidir. Şekillerde de görüldüğü gibi (a) da c daha küçük, Qp daha büyük, p ve devam süresi daha kısadır. Oysaki her ikisinde de aşkın hacmi aynıdır. Havzanın biçimini belirlemek için çeşili boyusuz büyüklükler kullanılır: a-) Biçim kasayısı: 2 : karsu ana oplayıcının en derin yerinden (alveg) ölçülen uzunluk : Havzanın alanı Biçim kasayısının büyük olması havzanın uzun ve dar olduğunu göserir. b-) Gravelius kasayısı: P P: Havzanın çevre uzunluğu 2 çevre uzunluğu Havza ile aynı büyüklüke olan bir dairenin 2 2 r r r erimi aşağıdaki çevre formülünde yerine konur. Ç2 r Ç 2 Gravelius kasayısının değeri büyüdükçe havzanın biçimi daireden uzaklaşır. 2 x c-) Schumm kasayısı: Schumm kasayısının payı havza ile aynı alanda bir dairenin çapını paydası ise oplayıcı ana akarsu kolunun uzunluğunu gösermekedir. 3
2 x 0.6 1 Schumm kasayısının 0.6 olması havzanın ince uzun oluşunu 1 olması dairesel oluşunu göserir. d-) Eşdeğer dikdörgen boyuları: Havza ile alanı ve çevre uzunluğu aynı olan bir dikdörgenin kenar uzunluklarıdır. 5-) Havzanın eğimi: Havza eğiminin hesaplanmasında harmonik eğim kullanılır. Toplayıcı ana akarsu kolu on eşi parçaya bölünür. i her bir parçanın uzunluğunu, h2, h1 ise her bir parçanın uçlarındaki koları gösermekedir. i, Si 10 h h 2 1 i i h2 h1 Harmonik eğim: S 10 1 S i 2 Havza eğimi arıkça pik debi değeri arar, pik debiye ulaşma süresi kısalır akışın yıl içinde dağılımı düzensizleşir. 6-) Havzanın oralama kou: Havzanın oralama kou hipsomerik eğriden hesaplanır. hmax h (m) Eş yükseli hmax Hipsomerik eğri h2 Medyan ko h1 hmin hmin % 50 % (km 2 ) Havza alanının %50 sine karşılık gelen ko havzanın oralama kou (medyan ko) olarak alınır. 4
Havzanın oralama kou havzadaki yağış mikarını, sıcaklık derecesini, biki ve kar örüsünü dolayısıyla yağış ve akış mikarını ekiler. 7-) Havza alanının çıkış nokasından olan uzaklığa göre dağılımı: Bir yağışan sonra çıkış nokasında görülen akışın zaman içinde dağılımını (hidrografın şeklini) ekilemesi bakımından önemlidir. 7.3 BİR KRSU ĞININ KIŞI ETKİEYEN ÖZEİKERİ Bir akarsu havzasındaki akarsu ağı planda, profilde ve enkesie mevcu su ve kaı maddeyi dinamik bir denge halinde aşıyabilecek bir biçim alır. Bu ağ şu özellikleriyle belirlenebilir: i. karsu Yoğunluğu (Y): Kollarının her biri ayrı ayrı sayılmak üzere hesaplanacak akarsu kol sayısının havza alanına oranıdır. karsu ağı iyi dallanmışsa pik debi yükselir. ii. Drenaj Yoğunluğu (DY): Havzadaki akarsuların oplam uzunluğunun (büün 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 aşkınların şiddei arar. 1 1 2 2 (a) (b) (c) (d) Yukardaki şekillerde (a) ve (b) de DY ler aynı faka Y (b) de daha büyük. (c) ve (d) de ise Y ler aynı faka DY (d) de daha büyük. iii. karsu profili: karsuyun boykesii olup esas akarsu yaağının alveg kounun çıkış nokasından olan uzaklığa göre değişimini göserir. Çıkış 5
nokasından uzaklaşıkça profil dikleşir yani akarsu yaağının eğimi arar. Dağ akarsularında yüzde merebesinde olan eğim ova akarsularında onbinde merebesinde olur. Eğim akışı arırır. iv. karsu ağının şekli: Zeminin jeolojik yapısına bağlı olarak havzadaki akarsu ağı değişik şekiller alır. Genellikle kıvrınılar (menderes) çizerek yada kollara ayrılarak akarlar. Menderesler akış hızını azalır. v. karsuyun enkesii: Esas akarsu yaağının enkesi şekli genellikle arapezdir. Taşkın yaağının genişliği esas yaağa göre çok daha fazladır. Kesi derinliği ve genişliği akım yönünde arar. kım hızı da arar. Bir akarsu havzasının hidrolojik bakımdan en önemli özelliklerinden biri geçiş süresidir. Geçiş süresi (Toplanma süresi, Konsanrasyon süresi): Yüzeysel akışın havzanın en uzak nokasından çıkış nokasına varması için geçen zamana denir. c ile göserilir. Geçiş süresi aşağıdaki sürelerin oplamından oluşur: 1- Yağış şiddeinin sızma kapasiesini aşması için gereken süre 2- Yüzey birikinilerinin dolması için geçen süre 3- Tabaka halinde akışın akarsu ağına varması için geçen süre 4- karsu ağında suyun çıkış nokasına varması için gereken süre Geçiş süresi havzanın alanı büyüdükçe büyür eğimle ers oranılıdır: c n K, c: Geçiş süresi : Havza alanı S m S: Eğim K, n, m: Kasayı (0 < n < 1) Geçiş süresini havzanın biçimi de ekiler. Küçük havzalarda geçiş süresi için Kirpich aşağıdaki formülü önermişir: c 2 0.066 S 0.385, : karsuyun uzunluğu Çeşili havzalardaki akışı birbirleriyle karşılaşırmak için özgül debi kullanılır: 6
Özgül debi Q, Q: Bir çıkış nokasında ölçülen debi (l/s), : Havza alanı (km 2 ) Havzanın bir çıkış nokasından belli bir süre içinde geçen akış mikarına akış yüksekliği denir: V kış yüksekliği =, V: kış hacmi, : Havza alanı 1 mm akış yüksekliği 1000 m 3 /km 2 ye karşılık gelir. Belli bir süredeki akış yüksekliğinin aynı süredeki yağış yüksekliğine oranına havzanın akış kasayısı denir. Bu boyusuz sayının değeri genellikle 0.05 ile 0.5 arasında değişir. Türkiye de oplam 26 akarsu havzası vardır. En büyük havza alanı 127 304 km 2 ile Fıra 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. kış kasayısı en yüksek olan havza 0.83 ile Doğu kdeniz havzası, en düşük 0.11 ile Burdur havzasıdır. Türkiye deki havzaların akış kasayısı oralaması 0.37 dir. Bazı havzalara ai akış kasayıları aşağıda görülmekedir: Seyhan havzası 0.55 Ceyhan havzası 0.43 nalya havzası 0.63 Çoruh havzası 0.61 7.4 KIŞIN KISIMR YRIMSI Yüzeysel akış yerçekimi ekisi ile arazinin eğimine uyarak havzanın yüksek nokalarından alçak nokalarına doğru hareke eder. Diğer arafan zemine sızan suyun bir kısmı zeminin üs abakalarında (doymamış bölgede) ilerleyerek geçirimsiz bir abakaya raslayınca yüzeye çıkabilir buna yüzeyalı 7
akışı denir. Zemine sızan suyun bir kısmı ise daha derinlere inerek yeralı suyuna karışır ve sonunda yeralı akışı şeklinde bir akarsuyu besleyebilir. Yağış Yüzeysel YSY Sızm Yüzeyalı Yüzeysel Yeralı kars kışın kısımlara ayrılması Bir akarsudaki oplam akış akarsuya varış süresine göre dolaysız akış ve aban akışı olmak üzere ikiye ayrılır: Dolaysız kış: Yüzeysel akış ve yüzeyalı akışının gecikmesiz (zemine sızdıkan kısa bir zaman sonra akarsuya ulaşan) kısmından meydana gelir. Genellikle yüzeyalı akışının büyük bir kesimi dolaysız akış içinde düşünülür. Taban akışı: Yeralı akışı ile yüzeyalı akışının gecikmeli (akarsuya uzun bir zaman sonra ulaşan) kısmından meydana gelir. Dolaysız akış ancak yağış şiddei, sızma kapasiesini aşığı zaman oluşacağı için şiddeli yağışlardan sonra görülür ve aşkınların başlıca kaynağını oluşurur. Taban akışı ise çok yavaş olup akarsuya ulaşması uzun zaman alır. Kurak mevsimlerde akarsuyu besleyerek yıl boyunca kurumasını önler. Bir yağış sırasında yeryüzüne düşen suların dağılımını şemaik olarak incelemek için yağış şiddeinin zamanla değişmediği bir yağışı göz önüne alalım (alaki şekil). Yağışın ilk anlarında zemin kuru olduğu için suyun büyük bir yüzdesi zemine sızar. Sızan su önce zemini nemli hale geirir, sonra yüzeyalı akışı ve yeralı akışı haline geçer. Yağış devam eikçe bu gibi kayıplar giikçe azalır, yağışın daha büyük yüzdesi yüzeysel akış halinde havzanın çıkış nokasında görünmeye başlar. Yağış sırasında ve yağışan hemen sonra 8
herhangi bir anda akarsudan geçen akışın önemli bir kısmı yüzeysel akışır. karsudaki akışın küçük bir kısmı doğrudan akarsu üzerine düşen yağışan ileri gelir. i karsu yüzeyine doğrudan düşen yağış Yüzeysel akış Çıkış nokasındaki debi Tuma Yüzeysel birikirme Yeralı akışı Sabi şiddee bir yağış sırasında yeryüzüne düşen suların dağılımının zaman içinde değişimi 7.5 KIŞ-YĞIŞ BĞINTIRI Verilen bir yağış yüksekliğine karşı gelecek dolaysız akış yüksekliğinin ahmin edilmesi için akış-yağış bağınısının bilinmesi faydalı olur. Daha önce gözlenmiş yağış-akış değerlerine dayanan bu bağınılar akım ölçümleri bulunmayan havzalarda akış yüksekliğini ahmin emeke kullanılabilir. Şekilde görüldüğü gibi başlangıça eğri erafındaki sapmalar daha fazladır. Yağış yüksekliği (P, mm) kış yüksekliği (R, mm) Bunun nedeni yağışın başlangıcındaki Zemin nemidir. Çünkü zemin nemi sızma mikarını ekiler. Faka zeminin geçirimsiz olduğu bölgelerde (şehirler) bu eki azalır, akışla yağış arasında basi bir bağını elde edilir. kışla yağış arasındaki basi bağını 9
Yağış ile akış arasında geçmiş yağış indisi, yağış başladığında akarsudaki akım mikarı, yağışın belli bir şiddein üzerinde devam eiği süre gibi paramereler göz önüne alınarak yağış-akış korelasyonları uzun süreli (aylık, yıllık) olarak kurulur. Süre olarak bir su yılı alınırsa geçmişeki şarların ekisi birbirini göüreceğinden yağışla-akış arasında basi bir ilişki kurmak kolaylaşır. 7.6 RSYONE METOD karsu yapılarının projelendirilmesinde gerekli olan maksimum debinin belirlenmesinde en basi olan ve en çok kullanılanlardan biri rasyonel meoddur. lanı (m 2 ) olan bir havzaya düşen i şiddeinde yağışın meydana geireceği maksimum debi (m 3 /s) aşağıdaki formülle hesaplanır. Q C i i: Havzanın geçiş süresi kadar devam eden bir yağışın şiddei (m/s) C: kış kasayısı kış kasayısı zeminin geçirimliliğine, havzanın eğimine ve biki örüsüne bağlı olarak 0.05-0.95 arasında değişir (Tablo 7.1) Tablo 7.1 kış kasayısı değerleri Havzanın Özelliği C Düz Eğimli Ormanlık bölgeler 0.05 0.2 Ola kaplı az geçirimli zemin 0.13 0.35 Yerleşim bölgesi (biişik nizam) 0.6 0.75 Yerleşim bölgesi (ayrık nizam) 0.3 0.6 İş ve endüsri bölgesi (seyrek) 0.5 0.7 İş ve endüsri bölgesi (sık) 0.7 0.95 sfal yollar 0.7 0.95 Bir havzada farklı akış kasayısına sahip bölgeler bir arada bulunuyorsa havzanın C akış kasayısı, bölgelerin alanlarının yüzdesi olarak alınmak üzere, 10
ağırlıklı bir oralama ile hesaplanır. Rasyonel meod havzada geçirimsiz bölgelerin yüzdesi fazlaysa doğru sonuç verir. Başlıca kullanma yeri şehirlerde kanalizasyon esisleri için yağmur debisi hesabıdır. Rasyonal meodu büyük havzalarda (5 km 2 den büyük) havzalarda kullanmak doğru olmaz. Çünkü formülde havzanın oplam alanı göz önüne alındığı için yağışın en az havzanın geçiş süresi kadar devam emesi gerekir. Oysaki büyük havzalarda yağışın geçiş süresi kadar sürmesi ve büün havza üzerine üniform dağılması olasılığı az olacağından bu formül kullanılamaz. yrıca büyük havzalarda yüzey ileme kanallarının dolması da önemli bir zaman alacağından uzak nokalardaki akış çıkış nokasına çok geç varabilir. Böylece maksimum debi geçiş süresinin biiminden önce görülebilir. Yağış süresinin havzanın geçiş süresinden az olması halinde rasyonel meodun modifiye edilmiş hali kullanılır: Q C i yağış süresini c geçiş süresini gösermekedir. c Bu durumda debinin maksimumdan geçiği anda havzanın ancak bir kısmına düşen yağış çıkış nokasına varmış olacakır. Örnek 7.1 Bir park yerinin genişliği 120 m, uzunluğu 240 m olup geçiş süresinin 20 dakika olduğu ahmin edilmişir. Park yerine 30 dakika süreyle 50 mm/s şiddeinde bir yağış düşüyor. kış kasayısı 0.85 alındığına göre park yerinin drenaj kanalının çıkış nokasında görülecek en büyük debiyi hesaplayınız. Çözüm: Bir havzaya geçiş süresinden uzun bir zaman boyunca sabi şiddee bir yağış düşüğü akdirde akış şiddei yağış şiddeine eşi olur. Bu durumda maksimum debi rasyonel meola hesaplanabilir. Yağış süresi = 30 dak > Geçiş süresi = 20 dak 11
Q C i i = 50 mm/s = 0.05 / 3600 m s = 120 x 240 = 28800 m 2 0.05 3600 3 Q 0.85 28800 0.34 m / s 12