YERALTI SUYU HİDROLOJİSİ

YERALTI SUYU

HİDROLOJİSİ

Tuzlu Sular;

97,20%

Tatlı Sular;

2,80%

Buzullar;

77%

Yeraltı Suları;

22%

Göller, Nehirler;

1%

Dünyada Su Kaynakları

Yeraltı Suyu

• Kuyularla yeraltındaki hazneden çıkarılan su insanlar tarafından geniş ölçüde kullanılmaktadır.

• Yeraltından elde edilen suyun iyi bir özelliği de doğal filtrelenmiş olduğundan genellikle bakterilerden, organik maddelerden, koku ve tatlardan arınmış,

kimyasal bileşimi ve sıcaklık derecesi fazla değişmeyen, iyi kalitede olmasıdır.

• Kurak mevsimlerde insanlar su ihtiyacını kuyularla yeraltından sağlayabilirler.

Yeraltı Suyu Hidrolojisi

Yeraltısuyu hidrolojisi, yerküre içerisindeki suyun miktarı, hareketi, dağılımı, kalitesi vb. konularla ilgilenen bilim dalıdır.

Yeraltı Suyu

Suya doygun olmayan bölge

Suya doygun bölge

Zemin yüzeyi Zemin suyu Kapiler saçak Su tablası

Yeraltı suyu

Yeraltı Suyu Bölümleri

Bitkilerin kökleri ile suya eriştiği bölgeye zemin nemi bölgesi denir.

Zemin nemi bölgesinin hemen altında moleküler gerilmeler ile

danelere yapışan peliküler su ve yerçekimi etkisi ile aşağı hareket eden yerçekimi suyu bulunur. Bu bölgeye yerçekimi bölgesi ya da ara bölge denmektedir.

Doymuş bölgenin üstünde bulunan kapiler bölge ise hemen hemen

suya doymuş durumdadır. Su basıncı burada negatiftir (emme basıncı)

Kapiler bölgenin altında danelerin etrafında ince bir tabaka şeklinde higroskopik su bulunur. Bitkiler higroskopik suyu kullanmazlar.

Doymamış bölgede yerçekimi suyu bölgesinin üst sınırı ise arazi kapasitesi olarak bilinir. Kapiler bölgedeki su ise bitki kökleri tarafından ozmos ile çekilebilir.

Tarla (arazi) kapasitesi

Higroskopik Su Yeraltı Suyu (Su basıncı >0)

Kapiler Su Yerçekimi suyu &

Peliküler su Zemin nemi

Doymamış BölgeDoymuş Bölge

Kuruma (solma) seviyesi Yeraltı su yüzeyi

Geçirimsiz Tabaka

Yeraltı Suyu Bölümleri

Doymamış ve Doymuş Bölge

Doymamış Bölge

• Yeryüzüne düşen yağışın bir kısmı direkt akışa geçerken, bir kısmı da yerçekimi, kapiler ve moleküler gerilmeler etkisiyle zeminin içine sızar. Sızan su önce doymamış bölgeye (vadoz bölge) gelir.

Doymuş Bölge

• Maksimum yüzey altı depolaması aşıldığında, suyun bir kısmı yüzey altı akışını meydana getirir. Geriye kalanı perkolasyon ile yeraltı suyunun var olduğu doymuş bölgeye ulaşır.

Doymamış ve Doymuş Bölge

Doygun olmayan

bölge

Doygun bölge

Bütün boşluklar su+hava ile dolu

Bütün boşluklar su ile dolu Yeraltı su seviyesi

Doymamış bölgedeki

suyu, kuyular vasıtasıyla yüzeye çıkaramadığımız için bu su sadece

bitkilerin su ihtiyacını karşılamak açısından ve drenaj için önemlidir.

Doymamış bölgede

bitkiler 0.3-2 m arasında değişen derinlikte suyu kökleriyle çekerler.

Bataklıklarda yeraltı su yüzeyi zemin üzerine

çıkar ve doymamış bölge bulunmaz. Çok kurak bölgelerde ise 300 m’ye ulaşabilir.

Bu bölgedeki su

yerçekiminin ve kapiler gerilmelerin etkisi ile hareket eder. Bu

hareketin incelenmesi karmaşıklığı yüzünden zordur.

Peliküler Su: Moleküler çekim kuvveti nedeniyle taneye yapışan ve

yerçekimi etkisiyle ayrılmayan suya peliküler su denir.

Tanelerin çapı

küçüldükçe peliküler su oranı artar.

.

Doymamış Bölge

Doymuş bölgede basıncın pozitif

oluşundan dolayı, bu bölgelere açılan

kuyulardan yeraltı suyu yeryüzüne çıkarılır.

Bu bölgeye su taşıyan tabaka anlamına

gelen akifer de denilir.

Akifer: Boşlukları tamamıyla yeraltı suyuyla dolmuş olan, bu suyu bir noktadan diğerine iletebilen ve böylece

boşluklarındaki suyun dışarıya çıkmasına

imkan veren

formasyonlara denir.

.

Doymuş Bölge

Porozite

Porozite, zemin içindeki boşlukların hacminin toplam hacime oranıdır.

Poröz malzeme İyi derecelenmiş kum Kötü derecelenmiş kum

Çatlaklı kaya Granitte kırıklar Erime boşluklu kireçtaşı

Özgül Veri ve Özgül Tutma

Doymuş bölgede tutulan suyun (kalan su) toplam kayaç hacmine oranına özgül tutma denir.

Doymuş bölgeden pompajla alınabilen suya ise özgül veri adı verilir.

Porozite = Özgül tutma + Özgül veri

Farklı Zeminler İçin Ortalama

Porozite, Özgül Veri ve Özgül Tutma

Zemin Cinsi Porozite (%)

Özgül veri (%)

Özgül tutma (%)

Kil 55 3 52

Kum 38 25 13

Çakıl 35 22 13

Çakıllı kum 33 16 17

Kumtaşı 15 8 7

Kalker 5 2 3

Granit 1 1 1

Farklı Zeminler İçin Ortalama

Porozite, Özgül Veri ve Özgül Tutma

Akifer Tipleri

Serbest yüz eyli ak ifer ler

yüzeyli akifer olup yeraltı su yüzeyi serbest su yüzeyine

karşılık gelir ve bu tür akiferdeki akım bir açık kanaldaki serbest yüzeyli akıma benzer.

Bir havzadaki yeraltı su yüzeyini belirlemek için gözlem kuyuları açılır ve belirli

aralıklarla okuma alınır.

Bası nçlı ak ifer ler

alttan olduğu gibi üstten de geçirimsiz tabaka ile

sınırlanmışlardır.

Dolayısıyla atmosfer basıncı ile temasta olan bir serbest

yüzeyleri yoktur. Bu bakımdan basınçlı akiferlerdeki akım borulardaki basınçlı akıma benzer.

Yeraltı Suyunun Beslenmesi

Serbest yüzeyli akiferlerde yeraltı suyunun beslenmesi

-

göllerden sızma - Sulama

kanalından sızma

- Faylarla yukarı

çıkan su ^Basınç

lı akiferlerde yeraltı suyunun beslenmesi

-

- Geçirimsiz tabaka çatlaklarından giren su

!!! Basınçlı akiferlerin beslenme potansiyeli daha az olduğundan bu akiferlerden fazla su elde edilmez.

Yeraltı Suyu Hareketi

AKARSU

Bir havzadaki yeraltı suyu hareketi, yeraltı suyu haritasından belirlenebilir. Kuyularda ölçülen statik su seviyelerinin birleştirilmesi ile yeraltı su yüzeyine ait tesviye eğrileri çizilir.

Yeraltı suyu akımı bu eğrilere dik kabul edilir. Akım yönü yeraltı su yüzeyinin yüksek olduğu (A) yerlerden alçak olduğu (C) yerlere doğrudur.

• A bölgesinde akarsu yeraltı suyunu beslemektedir.

• C bölgesinde ise yeraltı suyu tarafından beslenir.

• D bölgesinde pompajla su çekildiği için yeraltı su seviyesinde yersel bir düşme görülmektedir.

• E bölgesinde ise akarsudan alınan su yer altına basıldığından yeraltı su seviyesi yükselmiştir.

Akiferler

Yeraltı Suyunun Beslenmesi

• Yağışlardan sonra yeryüzünden sızan suyun doymamış bölgeyi arazi kapasitesine eriştirdikten sonra daha

derine süzülmesiyle

• Yeraltı su yüzeyinin yukarısında olan akarsulardan sızma ile (besleyen akarsu)

• Sulama kanallarındaki suyun sızması ile

• Yerin derinliklerinden yukarıya çıkan su ile (Bu suyun miktarı az olup kalitesi kötüdür)

• Havadaki su buharının zemin üzerinde yoğunlaşması ile

Yeraltı Suyundan Kayıplar

• Kapiler bölge bitkilerin köklerine kadar vardığında terleme ile (Kökler bitkinin cinsine bağlı olarak 10 m derinliğe kadar inebilir)

• Kapiler bölge yeryüzüne yaklaştığında buharlaşma ile

• Yeraltı su yüzeyinin yeryüzünü kesmesi halinde: a) Akımın geniş bir alana (bataklık gibi) yayılmasından dolayı buharlaşma yoluyla, b) Kurak mevsimlerde bir akarsuyu besleyerek (beslenen akarsu), c) Yeraltı suyunun yeryüzüne çıkması ile (kaynak)

• İnsanlar tarafından açılan kuyulardan pompajla ve artezyen kuyularıyla su çekilmesi ile.

Yeraltı Suyu Akımı

• Yeraltı suyu akım hızı çok az olup günde birkaç metre ile yılda birkaç metre arasında değişir.

• Bu nedenle yeraltı suyu akımı her zaman laminerdir , ancak çok büyük boşluklu

zeminlerde ve kuyu yüzeylerinin yakınlarında türbülans hareketi görülebilir.

• Akımı, çok yavaş akımlarda geçerli olan Darcy

Kanunu idare eder.

Darcy Kanunu

Su seviyesi= h_a

Su seviyesi= h_b Kum dolu sütun Q_giren

Q_çıkan

Henry Darcy 1803-1858

Darcy Kanunu

Sürtünme ile meydana gelen enerji kaybının

fazlalığından dolayı yavaştır (permeabiliteye bağlı olarak)

Genelde 10 ile 100 cm/gün’dür.

Akım genelde laminerdir.

Enerjinin yüksek olduğu yerlerden alçak olan yerlere doğru olan yeraltı suyu hareketi;

Darcy Kanunu

Darcy Kanunu

𝐈 = ∆𝐡 𝐋

𝐕_𝐟 = 𝐐 𝐀

𝐕_𝐟 = 𝐊 𝐱 𝐈

𝐑𝐞 = 𝐕_𝐟 𝐱 𝐃 𝛍

𝐕_𝐠 = 𝐐

𝐀_𝐠 = 𝐐

(𝐩 𝐱 𝐀) = 𝐕_𝐟 Re<1-0 (Darcy Kanunu geçerli) 𝐩

Piyezometrik eğim (Hidrolik gradyan)

Filtre hızı

Reynolds Sayısı

Gerçek hız

Darcy Kanunu

∆𝐡 = 𝐳_𝟏 + ^𝐩𝟏

𝛄 - 𝐳_𝟐 + ^𝐩𝟐

𝛄

𝐕^𝟐

𝟐𝐠 ≅ 𝟎

𝐈 = ∆𝐡

𝐋 = 𝐝𝐇 𝐝𝐋

Darcy Kanunu

𝐐 = −𝐊 𝐱 𝐀 𝐱 𝐝𝐡 𝐝𝐋 𝐐 = −𝐊 𝐱 𝐈 𝐱 𝐀

Darcy Kanunu

𝐐 = −𝐊 𝐱 𝐈 𝐱 𝐀

K : Hidrolik iletkenlik (geçirimlilik, permeabilite), cm/s I : Hidrolik gradyan (piyezometrik eğim)

𝐊 =

𝛍

k

k : Özgül geçirimlilik (Darcy=0.987x10^-3 cm) μ : Dinamik viskozite (kg.s/m²)

Zemin Cinsi K (cm/s) k (Darcy)

Kum taşı 10^-3-10^-1 1-10²

Çakıl, iri kum 10^-2-1 10-10³ Çakıllı kum 10^-2-10^-1 10-10²

Orta kum 10^-2-10^-1 10-10²

İnce kum 10^-3-10^-1 1-10²

Çok ince kum 10^-4-10^-2 10^-1-10

Silt 10^-6-10^-4 10^-3-10^-1

Kumlu kil 10^-8-10^-6 10^-5-10^-3

Kil 10^-9-10^-7 10^-6-10^-4

Darcy Kanunu

Transmisivite

(İletkenlik, İletim Kapasitesi)

• Bir akiferin suyu iletme kapasitesidir.

• Birim kesiti ile akiferin yüksekliği boyunca, birim miktardaki yük kaybı altında birim zamanda geçen su miktarıdır.

T = K x m

T : Transmisivite (m³/s/m, m²/s, cm²/s, m³/gün/m) K : Hidrolik iletkenlik (geçirgenlik)

m : Akifer kalınlığı

Transmisivite

(İletkenlik, İletim Kapasitesi)

T = K x m

Depolama (Biriktirme) Katsayısı

Birim kesitli bir akifer prizmasından birim yük düşmesi ile alınacak su miktarının yüzde (%) cinsinden ifadesidir

(Piyezometre çizgisindeki birim alçalmaya karşılık, akiferin yatayda birim kesitli bir parçasından dışarıya çıkacak suyun hacmidir). Birimi boyutsuzdur.

Serbest (Basınçsız) Akiferde: Özgül verime eşittir (S=S_y).

Artezyen (Basınçlı) Akiferde: Özgül depolama katsayısına eşittir.

Özgül Depolama Katsayısı

Özgül Depolama Katsayısı, birim yükseklikteki, birim kesitli bir akifer prizmasından, birim yük azalması ile serbest hale geçen su miktarıdır.

𝐒_𝐬 = 𝛄 𝐱 𝐧_𝐞 𝐱 𝛃 + 𝛂

𝐧_𝐞 𝐒 = 𝐒_𝐬 𝐱 𝐞

n_e : Efektif porozite

β : Suyun sıkışabilme katsayısı

S_s : Özgül depolama katsayısı (1/m) α : Katsayı

Depolama (Biriktirme) Katsayısı

Basınçlı Akiferde S= 0.005-0.00005

Serbest Akiferde S= 0.01-0.30

Yeraltı Suyunun Kuyularla Çekilmesi

Beslenme miktarı ile: Su dengesi denkleminden emniyetli veri hesaplanır ve çekilen suyun bu değeri aşmamasına dikkate edilir.

Zeminin iletim kapasitesi ile: Akiferin beslenme kaynakları yeterli olduğu halde zemin istenen miktarda suyu kuyulara iletmeyebilir. Bu durumda, emniyetli veri akiferin kuyulara ilettiği miktarla sınırlanmalıdır.

Akiferin kirlenme tehlikesi ile: Yeraltı su yüzeyinin

alçalması deniz suyunun ve diğer zararlı suların akifere girmesine yol açar.

Bir akiferden sakıncalar yaratmadan çekilecek en fazla su miktarına emniyetli (güvenli) veri denir. Emniyetli veri şu etkenlerle sınırlanmalıdır:

Serbest Yüzeyli Bir Akiferdeki Kuyudan Çekilen Debinin Belirlenmesi

Bir pompaj kuyusundan çekilen debi ile akiferin hidrolik

iletkenliği ve kuyudan belli bir uzaklıkta yeraltı su yüzeyinin alçalma miktarı arasındaki bağıntı Dupuit hipotezlerini

kullanarak elde edilebilir. Dupuit Hipotezleri şunlardır:

Yeraltı suyu akımında bir düşey kesit boyunca her noktada hız yataydır.

Bir düşey boyunca hız dağılımı üniformdur.

Hidrolik eğim ifadesindeki dL uzunluğu piyezometre çizgisi boyunca ölçüleceği halde yatay doğrultuda ölçülebilir.

Pompajdan sonraki yeraltı su yüzeyi

Serbest yüzeyli akifer

Geçirimsiz tabaka

Pompaj kuyusu

Gözlem kuyuları

Serbest yüzeyli bir akiferde açılan bir kuyudan su çekilirken yeraltı su yüzeyinin durumu aşağıda şekilde gösterilmektedir:

Serbest Yüzeyli Bir Akiferdeki Kuyudan

Çekilen Debinin Belirlenmesi

Serbest Yüzeyli Bir Akiferdeki Kuyudan Çekilen Debinin Belirlenmesi

r yarıçaplı ve h

yüksekliğinde silindirik yüzeyden giren debi:

Q=V_f x A=K x i x (2πrh)

Silindirin boy kesit

alanı

𝐢 = 𝐝𝐡

𝐝𝐋 = 𝐝𝐡 𝐝𝐫

Serbest Yüzeyli Bir Akiferdeki Kuyudan Çekilen Debinin Belirlenmesi

𝐐 = 𝐊𝐱 𝐝𝐡

𝐝𝐫 𝐱(𝟐𝛑𝐫𝐡)

𝐀 = 𝛑𝐫^𝟐 𝐝𝐫

𝐫 = 𝟐𝛑𝐊

𝐐 𝐡𝐝𝐡

𝐡_𝟐 𝐡_𝟏 𝐫_𝟐

𝐫_𝟏

𝐐 = 𝛑𝐊 𝐡_𝟐^𝟐 − 𝐡_𝟏^𝟐 𝐥𝐧 𝐫_𝟐

𝐫_𝟏

Homojen, izotrop, sonsuz genişlikte ve yatay tabanlı bir serbest yüzeyli akiferde pompaj kuyusunun geçirimsiz tabakaya kadar uzanması ile su yüzeyinden alçalmaların akifer kalınlığına göre küçük olması durumunda geçerlidir.

Basınçlı Bir Akiferdeki Kuyudan Çekilen Debinin Belirlenmesi

Pompajdan sonraki yeraltı su

yüzeyi

Basınçlı akifer Geçirimsiz tabaka

Gözlem kuyuları Pompaj kuyusu

m kalınlığı sabit olan basınçlı bir akiferde açılan bir kuyudan çekilen Q debisi ile piyezometre yüzeyinin h kotu arasındaki bağıntı da benzer şekilde bulunur.

Basınçlı Bir Akiferdeki Kuyudan Çekilen Debinin Belirlenmesi

Basınçlı akifere açılan kuyudan çekilen debi formülü:

𝐐 = 𝐕_𝐟𝐱𝐀 = 𝐊𝐱 𝐝𝐡

𝐝𝐫 𝐱 𝟐𝛑𝐫𝐦

𝐝𝐫

𝐫 = 𝟐𝛑𝐊

𝐐 𝐦 𝐝𝐡

𝐡_𝟐 𝐡_𝟏 𝐫_𝟐

𝐫_𝟏

𝐐 = 𝟐𝛑𝐊𝐦(𝐡_𝟐 − 𝐡_𝟏) 𝐥𝐧 𝐫_𝟐

𝐫_𝟏

Kaynaklar

1. Usul, N., 2017. Mühendislik Hidrolojisi, ODTÜ Geliştirme Vakfı Yayıncılık ve İletişim A.Ş., ISBN: 978-9944-344-57-9, Ankara.

2. Bayazıt, M., 1995. Hidroloji, İstanbul Teknik Üniversitesi, ISBN:

975-561-059-6, İstanbul.

3. Ward, A.D., Trimble, S.W., 2003. Environmental Hydrology, Second Edition, Taylor & Francis Group, ISBN: 978-1-4200- 5661-7, Boca Raton.

4. Subramanya, K., 2013. Engineering Hydrology, 4th Ed., McGraw Hill Inc., ISBN: 978-93-329-0105-6, New Delhi.

5. Hingray, B., Picouet, C., Musy, A., 2015. Hydrology- A Science for Engineers, CRC Press, ISBN: 13-978-1-4665-9059-5, Boca Raton.