(Microsoft PowerPoint - H\335DROLOJI_7.pptx)

21.04.2012
Yüzeysel Akış
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.
1
21.04.2012
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.
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/km2).
d. Akış Yüksekliği: Havzanın çıkış noktasından belli bir süre içinde
geçen akış hacminin, havza alanına oranıdır (mm, cm).
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 ve
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.
2
21.04.2012
Akarsu Havzalarının Özellikleri
Havzaya düşen yağışın çıkış noktasında gözlenen akışa dönüşmesi, havza
karakteristikleri de denen havzanın özelliklerine bağlıdır. En önemlileri
a. Büyüklüğü: Havzanın büyüklüğü çoğu defa havza alanı ile ifade edilir.
Küçük havzaların debileri daha düzensiz ve geçiş süreleri daha kısadır.
b. Eğimi: Bir haritadan, çeşitli yöntemlerle belirlenebilir. Havzanın eğimi
arttıkça, akış hızı artar ve geçiş süresi kısalır; dolayısıyla taşkın debisi de
büyür.
c. Ortalama Kotu: Yağış miktarı ve cinsi (yağmur veya kar) ve sıcaklık
üzerinde etkilidir.
d. Zemin Cinsi ve Jeolojik Yapısı: Sızmayı ve yer altı akışını etkiler.
e. Bitki Örtüsü: Terleme ve sızmayı, ayrıca yüzeysel akışın hızını etkiler.
f. Biçimi: Geçiş süresini önemli ölçüde etkiler.
g. Havza alanının çıkış noktasından olan uzaklığa göre dağılım:
Hidrografın şeklini etkiler
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.
3
21.04.2012
a-) Biçim katsayısı: L2/A
L: Akarsu ana toplayıcının en derin yerinden (talveg)
ölçülen uzunluk
A: Havzanın alanı
Biçim katsayısının büyük olması havzanın uzun ve dar
olduğunu gösterir.
d-) Eşdeğer dikdörtgen boyutları: Havza ile alanı ve çevre uzunluğu aynı
olan bir dikdörtgenin kenar uzunluklarıdır.
4
21.04.2012
5-) Havzanın eğimi: Havza eğiminin hesaplanmasında harmonik eğim
kullanılır. Toplayıcı ana akarsu kolu on eşit parçaya bölünür. Li her bir
parçanın uzunluğunu, h2 , h1 ise her bir parçanın uçlarındaki kotları
göstermektedir.
Havza eğimi arttıkça pik debi değeri artar, pik debiye ulaşma süresi kısalır
akışın yıl içinde dağılımı düzensizleşir.
6-) Havzanın ortalama kotu:
Havzanın ortalama kotu hipsometrik eğriden hesaplanır.
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.
7-) Havza alanının çıkış noktasından olan uzaklığa göre dağılımı:
Bir yağıştan sonra çıkış noktasında görülen akışın zaman içinde dağılımını
(hidrografın şeklini) etkilemesi bakımından önemlidir.
5
21.04.2012
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
7.3 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.
ii. Drenaj Yoğunluğu (DY): Havzadaki akarsuların toplam uzunluğunun
(bütün kollar dahil) havza alanına oranıdır. DY 0.5-2.5 km/km2 arasında değişir.
Drenaj yoğunluğunun büyük olması halinde yağışın esas akarsuya varışı
çabuklaşacağından taşkınların şiddeti artar.
(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.
6
21.04.2012
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
tarapezdir. Taşkın yatağının genişliği esas yatağa göre çok daha
fazladır. Kesit derinliği ve genişliği akım yönünde artar. Akım hızı da
artar.
Geçiş süresi (Toplanma süresi, Konsantrasyon süresi), (tc):
Geçiş süresi havzanın alanı büyüdükçe büyür eğimle ters orantılıdır:
Geçiş süresini havzanın biçimi de etkiler. Küçük havzalarda geçiş süresi
için Kirpich aşağıdaki formülü önermiştir:
7
21.04.2012
Çeşitli havzalardaki akışı birbirleriyle karşılaştırmak için özgül debi kullanılır:
Havzanın bir çıkış noktasından belli bir süre içinde geçen akış miktarına akış
yüksekliği denir:
1 mm akış yüksekliği 1000 m3/km2’ 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.
Türkiye’de toplam 26 akarsu havzası vardır. En büyük havza
alanı 127 304 km2 ile Fırat havzası en küçük havza alanı 6374 km2
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:
8
21.04.2012
Türkiye Havzalarının
Akış Katsayıları
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.
9
21.04.2012
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.
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.
Yağış
Yüzeysel
biriktirme
Yüzeyaltı
akışı
Yüzeysel
akış
Tabaka
akışı
Sızma
Yeraltı
akışı
AKARSU
10
21.04.2012
Sabit şiddette bir yağış sırasında yeryüzüne düşen suların
dağılımının zaman içinde değişimi
Akarsu ve yeraltı suyu ilişkisi:
Taban
Taban
Akışı
Akışı
YAS
YAS
11
21.04.2012
Rasyonel Metod
Akarsu yapılarının projelendirilmesi en çok karşılanılan 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=CiA
Burada, Q pik debi (m3/sn), i yağış şiddeti (m/sn), A havza alanı (m2),
C akış katsayısıdır.
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.
12
21.04.2012
Highlights - 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 km2) 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.
► 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,
tp değeri hesaplanıp boyutsuz Birim Hidrograflar yardımıyla, dolaysız akış
hidrografı tahmin edilebilir. Burada Qp yerine QT değerleri dikkate alınır.
Rasyonal metodu büyük havzalarda (5 km2’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. Oysaki büyük
havzalarda yağışın geçiş süresi kadar sürmesi ve bütün havza üzerine üniform
dağılması olasılığı az olacağından bu formül kullanılamaz. Ayrıca büyük
havzalarda yüzey iletme kanallarının dolması da önemli bir zaman
alacağından uzak noktalardaki akış çıkış noktasına çok geç varabilir. Böylece
maksimum debi geçiş süresinin bitiminden önce görülebilir. Yağış süresinin
havzanın geçiş süresinden az olması halinde rasyonel metodun modifiye edilmiş
hali kullanılır:
Bu durumda debinin maksimumdan geçtiği anda havzanın ancak bir
kısmına düşen yağış çıkış noktasına varmış olacaktır.
13
21.04.2012
Örnek 7.1 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.
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
14