İSTANBUL TEKNİK ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
BEYŞEHİR GÖLÜ’NÜN HİDRODİNAMİK MODELLEMESİ
DOKTORA TEZİ Y. Müh. Dilek Eren MERCAN
Anabilim Dalı : İNŞAAT MÜHENDİSLİĞİ Programı : SU MÜHENDİSLİĞİ
İSTANBUL TEKNİK ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
BEYŞEHİR GÖLÜ’NÜN HİDRODİNAMİK MODELLEMESİ
DOKTORA TEZİ Y. Müh. Dilek Eren MERCAN
(501992327)
Tezin Enstitüye Verildiği Tarih : 25 Ağustos 2006 Tezin Savunulduğu Tarih : 17 Kasım 2006
ÖNSÖZ
Beyşehir Gölü’nün hidrodinamik modellemesi adlı doktora tez çalışmamı; o olmazsa bu doktora tezi de olamayacağı için biricik ikizim Cem Ahmet Mercan’a armağan ediyorum. Hem linux ve bilgisayar konusundaki derin bilgilerini cömertçe paylaştığı, hem de her moral bozukluğumda ve zor dönemlerimde yanımda olup beni desteklediği için kendisine sonsuz teşekkür ederim.
Çalışmamda kullanmak üzere Beyşehir Gölü verilerini sağlayan DSİ 4. Bölge Müdürlüğü’nün tüm çalışanlarına ve özellikle Adnan Başaran’a teşekkür ederim. Meteorolojik verileri sağlayan Meteoroloji Genel Müdürlüğü’ne ve genel müdür Nurettin Çam’a teşekkür ederim. Beyşehir Gölü’nde yaptığım ölçümler sırasında bana yardım eden Nebi Akkın’a ve evinde bizi ağırlayan ailesine derin teşekkürleri bir borç bilirim.
Çalışmamda kullandığım modeli öğrenmek üzere beni Avustralya’ya davet eden Prof. Dr. Jorg Imberger’e sonsuz teşekkür ederim. Ayrıca Avustralya’da beni evimde hissetmemi sağlayan arkadaşlarıma; Rocio, Nihal, Maya, C, Ryan, Alan, Lorraine’e, Dr. Christopher Dalimore ve Peter Yeates‘e çok çok teşekkürler.
İTÜ, İnşaat Fakültesi, Hidrolik Anabilim Dalı’ndaki tüm çalışanlara teşekkür ederim. Kerem hocama düzeltmeler ve verdiği destek için, Erdem ve Figen hocama bana olan inançları için, Hafız hocama beni sıkıştırdığı için, Zekai hocama görüş açımı açtığı için, Barış’a makale paylaşımları için, Şevket hocama beni desteklediği ve Nilay’a tezimde yaptığı düzeltmeler için sonsuz teşekkürler.
Ve tabi ki tez danışmanım Prof. Dr. Sedat Kapdaşlı’ya sonsuz teşekkürler. Her zaman en güncel konuları bulmakta usta olduğu, bana bu tez konusunu önerdiği, yol gösterdiği, deneyimlerinden faydalandırdığı, önüme çıkan fırsatlarda hem destekleyip hem de yardımcı olduğu, doktoradan bıktığım ya da umutsuzluğa kapıldığımda yanımda bir baba gibi destek verdiği ve daha burada sayamadığım bir çok destekleri ve yardımları için teşekkürlerimi saygıyla sunarım. Ayrıca eşi Prof. Dr. Işık Kapdaşlı’ya tezimde yaptığı düzeltmeler için teşekkür ederim.
Son olarak da aileme, babama, müstakbel eşim Remzi Akyüz’e ve ailesine teşekkür ederim. Benim bu zor dönemimde yanımda oldukları, her zaman beni destekledikleri ve inançlarını kaybetmedikleri için, teşekkürler.
Şu an aklıma gelmeyen ama bana ve tezime emeği geçen herkese sonsuz teşekkürler. En içten saygılarımla.
İÇİNDEKİLER
KISALTMALAR v
TABLO LİSTESİ vi
ŞEKİL LİSTESİ vii
SEMBOL LİSTESİ x ÖZET xii SUMMARY xv 1. GİRİŞ 1 1.1. Amaç ve Hedef 4 2. LİMNOLOJİ 7 2.1. Göl Elemanları 8 2.2. Göl Tipleri 12
2.2.1. Tabakalaşmaya göre sınıflama 12
2.2.2. Trofik (Besi) durumuna göre sınıflama 14
2.2.3. Oluşumlarına göre sınıflama 15
2.3. Göl Ekosisteminin Başlıca Öğeleri 15
2.4. Göllerde Çevrimler 15
2.4.1. Yaz sonu 16
2.4.2. Sonbahar başı 17
2.4.3. Sonbahar veya ilkbahar karışımı 17
2.4.4. Kış 18
2.4.5. Yaz başı 18
2.5. Karışıma Sebep Olan Kuvvetler 19
2.5.1. Rüzgar etkisi 20 2.5.2. Morfolojinin etkisi 26 2.5.3. Su giriş ve çıkışları 26 2.5.4. Termodinamik kuvvet 27 2.6. Göl Dengeleri 27 2.6.1. Isı dengesi 27 2.6.2. Su dengesi 31 2.6.3. Kimyasal dengeler 32 2.7. Göl Yönetimi 32 3 LİTERATÜR ÇALIŞMASI 35 3.1. Limnoloji Çalışmaları 35 3.2. Model Çalışmaları 39
3.3. Uzaktan Algılama Çalışmaları 43
4. METOD 45
4.1. Temel Denklemler 45
4.3. Zaman Aralığı 51
4.4. Nümerik Metod 52
4.5. Modelin Üstünlükleri 54
4.6 Modelin Girdi ve Çıktıları 55
5. BEYŞEHİR GÖLÜ UYGULAMASI 56
5.1. Beyşehir Gölünün Genel Özellikleri 56
5.2. Kullanılan Veriler 58
5.2.1. Göle ulaşan akarsular 59
5.2.2. Gölden çekilen debi 62
5.2.3. Batimetri 65 5.2.4. Yağış 66 5.2.5. Rüzgar şiddeti 67 5.2.6. Rüzgar yönü 69 5.2.7. Hava sıcaklığı 69 5.2.8. Nem oranı 70
5.2.9. Kısa dalga radyasyonu 70
5.2.10. Bulutluluk 71
5.2.11. Atmosfer basıncı 72
5.2.12. Buharlaşma 72
5.2.13. Su seviyesi 74
5.2.14. Su sıcaklığı 76
5.2.15. Verilerin birbirleriyle ilişkileri 77
5.3. Yapılan Yerel Çalışmalar 77
5.4. Su Dengesi 83
5.5. Isı Dengesi 87
5.6. Uydu Verisi Kullanılarak Kıyı Çizgisi Değişiminin Tesbiti 90
5.7. Hidrodinamik Modelleme 92
5.8. Hidrodinamik Modelin Doğruluğunun İncelenmesi 94
5.8.1. Duyarlılık analizi 94
5.8.2. Model sonuçları ile arazi ölçümlerinin kıyaslanması 97
5.9. En Yağışlı (1996) Dönem 98
5.10. En Kurak (2001) Dönem 109
5.11. Ortalama (1998) Dönem 116
5.12. On Yıllık (1992-2001 Su Yılları) Dönem 118
5.13. Bir ile On Yıllık Modellemeden Elde Edilen Sonuçların Kıyaslaması 122
6. SONUÇLAR 123
KAYNAKLAR 127
EK A 135
KISALTMALAR
BBL : Bentic Boundary Layer BSA : Beyşehir Suğla Apa
CFLb : Courant-Friedrichs-Lewy CBS : Coğrafi Bilgi Sistemi DMİ : Devlet Meteoroloji İşleri DNS : Direct Navier-Stokes
DSİ : Devlet Su İşleri
EFCD : Environmental Fluid Dynamics Code EİE : Elektirik İşleri Etüt İdaresi
ELCOM : Estuary and Lake Computer Model GPS : Global Positioning System
LES : Large Eddy Simulations LH : Latent Heat Transfer
LW : Long Wave Radiation
SH : Sensible Heat Transfer SML : Surface Mixing Layer SMOW : Standard Mean Ocean Water
TABLO LİSTESİ
Sayfa No Tablo 1.1. Dünyadaki su miktarı ve dağılımı (Wetzel, 2001)... 1 Tablo 2.1. A ve B parametrelerinin hesaplanması ………... 29 Tablo 5.1. Beyşehir Gölü’ne ulaşan akarsuların on yıllık
istatistikleri ... 59 Tablo 5.2. Beyşehir Gölü çevresindeki akım ve göl gözlem
istasyonları (DSİ, 2000) ... 61 Tablo 5.3. 1996 yılı için 1604 EİE istasyonu ile pompaj sırasında
ölçülen değerlerin kıyaslanması... 63 Tablo 5.4. Yağış verilerin istatistiksel değerleri …... 66 Tablo 5.5. Yağış verilerin korelasyonu ……... 67 Tablo 5.6. Buharlaşma verilerinin istatistiksel olarak
karşılaştırılması... 73 Tablo 5.7. Buharlaşma verilerinin korelasyonu... 74 Tablo 5.8. Beyşehir Gölü verilerinin ortalama değerleri... 78 Tablo 5.9. Beyşehir Gölü için 1992-2001 su yılları verilerinin
korelasyonu………..…... 78 Tablo 5.10. Ölçüm yapılan noktaların koordinatları ……...……... 79 Tablo 5.11. 12 Mayıs 2005 tarihinde yapılan ölçüm değerleri... 81 Tablo 5.12. 12 Mayıs 2005 tarihinde yapılan meteorolojik ölçüm
değerleri ... 82 Tablo 5.13. 10 Mayıs 2005 tarihinde yapılan ölçüm değerleri... 82 Tablo 5.14. Beyşehir Gölü’nün Anahtar Eğrisi (DSİ, 2001)... 84 Tablo 5.15. Beyşehir Gölü’nde denge elemanlarının birbiriyle
korelasyonu... 86 Tablo 5.16. ELCOM 3D modelinde duyarlılık analizinin
sonuçları... 95 Tablo 5.17. Model girdilerinin maksimum ve minimum değerleri.... 119
ŞEKİL LİSTESİ Sayfa No Şekil 2.1 Şekil 2.2 Şekil 2.3 Şekil 2.4 Şekil 2.5 Şekil 2.6 Şekil 2.7 Şekil 2.8 Şekil 2.9 Şekil 2.10 Şekil 2.11 Şekil 2.12 Şekil 2.13 Şekil 2.14 Şekil 2.15 Şekil 2.16 Şekil 2.17 Şekil 2.18 Şekil 2.19 Şekil 4.1 Şekil 4.2 Şekil 4.3 Şekil 5.1 Şekil 5.2 Şekil 5.3 Şekil 5.4 Şekil 5.5 Şekil 5.6 Şekil 5.7 Şekil 5.8 Şekil 5.9 : Gölde tabakalaşma ... : Göle ulaşan akarsuların gölden daha soğuk su ve sıcak su
getirmesiyle meydana gelen karışım mekanizması... : Monomiktik ve polimiktik göllerdeki sıcaklık tabakalaşması
...
: Enlem derecelerine göre göl tipleri (lewis, 1983)... : Ötrofik ve oligotrofik göl özellikleri... : Gölde meydana gelen çevrim... : Yaz sonu sıcaklık tabakalaşması ... : Sonbahar başı tabakalaşmanın bozulması... : Gölde ilkbahar veya sonbaharda rüzgar sebebi ile meydana gelen çevrim... : Kış aylarında oluşan ters tabakalaşma... : Rüzgarın göle dışsal etkisi ... : Rüzgarın göle içsel etkisi... : Serbest salınım tipleri ... : Serbest salınımın metalimniyon tabakasında meydana getirdiği
çevrim ... : Langmuir çevrimi... : Sığ bölgedeki suyun daha çabuk havayla aynı sıcaklığa
gelmesinin etkisi... : Göl veya rezervuardaki yüzeysel ısı enerjisinin bütçesinde yer
alan elemanlar... : Su dengesi... : Örnek bir akım probleminin gösterimi ... : Üç boyutlu dörtgen lagrange enterpolasyon yapısı (CWR,
2001)... : Nümerik difüzyon filtresi ... : Yapay konvektif düzeltmesi ... : Beyşehir Gölü’nün konumu... : Beyşehir Gölü’nden çekilen suyun dağılımı... : (a) 16-158, (b) 16-111, (c) 16-14, (d) 16-15, (e) Karadiken müt., (f) 104, (g) Eflatun müt., (h) Ebulvefa müt. (i) 155, (j) 16-154, (k) 16-13 ve (l) Girlevik müteferrik akım istasyonlarına ait günlük akım değerleri ... : Beyşehir Gölü’ne giren tüm akımların toplam debi gidiş
çizgileri... : Beyşehir Gölü’ne ulaşan akarsulardan örnek fotoğraflar ... : Beyşehir Gölü’nden çıkan suyun pompada ölçülmesi ile 1604
EİE istasyonundaki ölçüm değerlerinin kıyaslanması ... : Beyşehir Gölü’nden çekilen toplam debiler... : Beyşehir Gölü’nden çekilen günlük debiler... : Beyşehir Gölü’nün batimetrisi (dsi, 2001)...
9 11 13 13 14 16 16 17 17 18 21 22 23 24 25 26 28 31 33 53 54 55 57 58 60 62 62 63 64 64 65
Şekil 5.10 Şekil 5.11 Şekil 5.12 Şekil 5.13 Şekil 5.14 Şekil 5.15 Şekil 5.16 Şekil 5.17 Şekil 5.18 Şekil 5.19 Şekil 5.20 Şekil 5.21 Şekil 5.22 Şekil 5.23 Şekil 5.24 Şekil 5.25 Şekil 5.26 Şekil 5.27 Şekil 5.28 Şekil 5.29 Şekil 5.30 Şekil 5.31 Şekil 5.32 Şekil 5.33 Şekil 5.34 Şekil 5.35 Şekil 5.36 Şekil 5.37 Şekil 5.38 Şekil 5.39 Şekil 5.40 Şekil 5.41 Şekil 5.42 Şekil 5.43 Şekil 5.44 Şekil 5.45 Şekil 5.46 Şekil 5.47 Şekil 5.48 Şekil 5.49 Şekil 5.50
: Beyşehir istasyonuna ait günlük yağış verileri... : İstasyonların yağış verilerinin karşılaştırılması ... : Günlük rüzgar değerlerinin karşılaştırılması... : Seydişehir istasyonuna ait günlük rüzgar verileri... : Seydişehir istasyonuna ait rüzgar şiddeti ile yönü... : Hava sıcaklığı... : Günlük nem oranı... : Kısa dalga radyasyonu... : Günlük bulutluluk oranı... : Atmosfer basıncı... : Buharlaşma... : Buharlaşma verilerinin karşılaştırılması... : Beyşehir Gölü su seviyesi... : Beyşehir Göl gözlem istasyonlarındaki günlük su seviye
farkları... : Beyşehir Göl su sıcaklığı... : Yerel ölçümlerde kullanılan cihaz... : Yerel ölçüm yapılan noktalar... : Göle su giriş ve çıkış noktası... : Su dengesinde oluşan hatalar... : Beyşehir Gölü’nde su dengesi... : Duyarlı ısı... : Gizli ısı... : Uzun dalga radyasyonu... : Beyşehir Gölü’nde ısı dengesi... : Beyşehir Gölü’nün uydu fotoğrafları... : Beyşehir Gölü 1987-2000 görüntülerinin üst üste yerleştirilerek
elde edilen kıyı çizgisi değişimi... : Ölçülen ile hidrodinamik modelden elde edilenlerin
kıyaslanması ... : 1996 su yılı için modelden elde edilen min. ve mak. su
sıcaklıkları... : 1996 su yılı için modelden elde edilen su sıcaklık farkları... : U hızları ve su sıcaklıkları, 2/10/1995... : V hızları ve su sıcaklıkları, 2/10/1995... : U hızları ve su sıcaklıkları, 08/03/1996... : V hızları ve su sıcaklıkları, 08/03/1996... : U hızları ve su sıcaklıkları, 02/04/1996... : V hızları ve su sıcaklıkları, 02/04/1996... : U hızları ve su sıcaklıkları, 28/07/1996... : V hızları ve su sıcaklıkları, 28/07/1996... : Örnek bir çevrinin U hızları... : Örnek bir düşey tabakalaşmaya ait U hızları ve su
sıcaklıkları... : 2001 su yılı için modelden elde edilen min. ve max. su
sıcaklıkları... : 2001 su yılı için modelden elde edilen su sıcaklık farkları...
66 66 68 68 69 69 70 71 71 72 73 73 75 76 76 79 80 84 85 86 88 88 89 89 91 92 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 108 109 109
Şekil 5.51 Şekil 5.52 Şekil 5.53 Şekil 5.54 Şekil 5.55 Şekil 5.56 Şekil 5.57 Şekil 5.58 Şekil 5.59 Şekil 5.60 Şekil 5.61 Şekil 5.62 Şekil 5.63 Şekil 5.64 Şekil 5.65 : Göl su sıcaklığı, 12/09/2001... : Soğuyan suyun gölün gövdesine doğru akışı, 01/01/2001... : Gölde oluşan çevrilere bir örnek, 08/03/2001... : Gölde oluşan çevrilere bir örnek, 14/08/2001... : Gölde oluşan en büyük çevri, 21/06/2001... : Gölde oluşan en büyük çevrinin kesitlerindeki hızlar,
21/06/2001... : 1998 su yılı için elde edilen maksimum ve minimum su
sıcaklıkları... : Modelden elde edilen sıcaklık farkları... : Ters tabakalaşma, 21/01/1998... : Model sonucu elde edilen minimum ve maksimum
sıcaklıklar... : Modelden elde edilen maksimum ve minimum su sıcaklıklarının farkı... : Kesit A-A’da toplam hız, 18/03/2000... : En alt planda toplam hız, 18/03/2000... : Planda ve A-A kesitinde toplam hız, 31/01/1999... : Uzun ve kısa dönem model için planda toplam hızlar,
09/10/1997... 110 111 112 113 114 115 116 116 117 118 118 120 121 121 122
SEMBOL LİSTESİ
A : Sınır şartlarından oluşan matris
AH : Yataydaki tuzluluğun değişime karşı gösterdiği direnç AV : Düşeydeki tuzluluğun değişime karşı gösterdiği direnç c : Sığ suda dalga yayılma hızı
Cbulut : Bulutluluk CD : Direnç katsayısı
CH : Hacim katsayısı
Cp/hava : Özel ısı transfer katsayısı
cp : Özgül ısı
Cz : Chezy katsayısı
C10 : 10 m yükseklikte ölçülen rüzgar için rüzgar basınç katsayısı D : Gölün efektif derinliği
f : Koriolis ivmesi
G : Açık bağımsız kaynak terimi
H : Göl derinliği
h1 : Yüzey tabakanın derinliği L : Dalga salınım boyu
Lt : Termoklin çizgisi boyunca gölün ortalama uzunluğu Lv : Gizli ısının buharlaşma katsayısı
n : Nod sayısı
P : Basınç
qs : Yüzey ısı akısı S : Tuzluluk miktarı
Sc : Türbülans Schmidt (veya sıcaklık için Prandtl) sayısı
t : Zaman
T : Peryod
Thava : Hava sıcaklığı Tkhava : Kuru hava sıcaklığı
Tsu : Gölün yüzeyindeki su sıcaklığı u* : Su yüzeyinde oluşan kayma hızı
10
U : Göl yüzeyinden 10m yukarıda ölçülen rüzgar hızı
2 *
u : Kayma hızı
u, v, w : x, y ve z yönlerindeki hız bileşenleri ze : Epilimniyonun yaz ortalarındaki kalınlığı Zm : Göl derinliği
ФN : Net enerji
ФO : Kısa dalga radyasyonunun gelen kısımdan yansıyan kısmı çıkarılmış net
hali Фr1 : Uzun dalga radyasyon kaybı
Фr2 : Atmosferik moleküller ve bulutlardan yansıyan uzun dalga ısısı
Фe : Buharlaşmadan kaybedilen gizli ısı enerjisi Фc : Duyarlı ısı enerjisi
Фp : Yağıştan, giren ve çıkan nehirlerden gelen ısı enerjisi Ф∞∞∞∞ : Atmosferin üstündeki radyasyonu
φ φ φ
φ : Gölün veya rezervuarın enlem derecesi σ : Stefan-Boltzmann sabiti
εhava : Hava yayılma özelliği
εsu : Su yayılma özelliği
β : Enleme bağlı olarak hesaplanmış bulutluluk katsayısı η(x,y,t) : O andaki göl su seviyesinin ortalamadan farkı µ : Akışkanın vizkozitesi
υ υ υ
υ : Düşey yöndeki türbülans vizkozitesi
αβ αβαβ αβ
εεεε : İki bileşenli uzaydaki permutasyon tensoru
κ : Konsantrasyonun yayılımı
δjk : j=k ise 1, j≠k ise 0 değerini alan kroneker değeri
ν νν ν : Viskozite ' k u : Hızın çalkantı terimi jk ν νν ν : Çevri viskozitesi ∆t : Zaman aralığı ∆x ve ∆y : Grid aralığı
θ1 : Bağımlılık katsayısı
∆Z : Düşey gridleri gösteren vektör W : Ortalama maksimum rüzgar hızı
ρ ρρ ρ : Suyun özgül kütlesi ρ ρ ρ ρ ∆ ∆ ∆
∆ : Epilimniyon ile hipolimniyon tabakaları arasındaki yoğunluk farkı * w : Düşey hız L β ββ β : Ampirik katsayı V α αα α : Hacimsel katsayı a
ττττ : Rüzgardan oluşan kayma kuvveti
a ρ ρρ ρ : Havanın özgül kütlesi 0 ρ ρρ
ρ : Suyun referans özgül kütlesi
BEYŞEHİR GÖLÜ’NÜN HİDRODİNAMİK MODELLEMESİ
ÖZET
Bu çalışmada, Beyşehir Gölü’nün hidrodinamik modeli, ısı ve su dengesi kurulmuştur. Kurulan üç boyutlu hidrodinamik model; i) on yıllık kesintisiz bir dönem (1992-2001 su yılı), ii) en kurak bir yıllık dönem (2001 su yılı), iii) en çok yağış alan bir yıllık dönem (1996 su yılı), iv) ortalama bir yıllık dönem (1998 su yılı) olmak üzere dört ayrı durum için çalıştırılmıştır.
Modelleme çalışmasında; DSİ’den meteoroloji, hidroloji ve batimetri verileri, EİE’den hidrolojik ve DMİ’den de meteorolojik veriler günlük olarak temin edilmiştir. Modele girdi olarak; her gün için rüzgar hızı, rüzgar yönü, kısa dalga radyasyonu, hava sıcaklığı, bulutluluk oranı, nemlilik, hava basıncı, yağış, giriş / çıkış debileri ve gölün batimetrisi dijital olarak girilmiştir. Kurulan model yardımıyla, göldeki su hareketi ve bu su hareketlerine etki eden parametreler belirlenmiştir. Ayrıca gölde modellenen hidrodinamik olayların yıldan yıla değişimi ve gidişatı özetlenmiştir.
Beyşehir Gölü’nün su dengesi ve ısı dengesi kurulmuştur. Denge hesaplamaları için Matlab dilinde programlar yazılmış ve dengeler günlük olarak on yıllık süre (3652 gün) için hesaplanmıştır. Bu hesaplar sonucunda dengede oluşan hatalar ve bu hataları oluşturan sebepler sıralanmıştır.
Ayrıca yan çalışma olarak iki uydu fotoğrafından Beyşehir Gölü’nün kıyı çizgisindeki değişimi araştırılmıştır. Göl yönetiminde kısa dönemlik modellere bakılması ekonomik ve daha basit olmasına rağmen döngüler gözönüne alındığında bir çok hataya sebep olmaktadır. Bu yüzden uzun döneme bakılarak yapılan modelleme ve bu modellerin kullanıldığı göl yönetimi çalışmaları kısa döneme nazaran daha başarılı ve gerçekçi olmaktadır.
Bu çalışmada uzun süreli modelleme kullanılmasıyla göl yönetimine yeni bir bakış açısı getirilmiştir.
Tez toplam altı bölümden oluşmaktadır. Bölümlerin ana konuları sırasıyla; amaç, limnoloji temel bilgileri, literatür araştırması, metod, modelleme çalışmaları ve sonuçlardır. Aşağıda tezin bölümleri özetlenmiştir.
Tezin birinci bölümünde tezin amaçları ve sağlanacak faydalar belirtilmiş ve kısaca tezin içeriği verilmiştir. Ayrıca bu bölümde hem dünya hemde ülkemiz açısından şu an ki su potansiyeli özetlenmiştir.
İkinci bölümünde, temel olarak limnoloji ve elemanları tanımlanmıştır. Bir gölü oluşturan elemanlar, özellikleri ve bu elemanlara etki eden parametreler özetlenmiştir. Gölde oluşan döngüler, tabakalaşma ve karışımın özellikleri açıklanarak bunlara etki eden dış elemanlar tanımlanmış ve aralarındaki temel bağıntılar verilmiştir.
Üçüncü bölümde ise daha önce yapılmış literatür çalışmaları; limnoloji, modelleme ve uzaktan algılama ana başlıkları altında konularına göre ayrılarak özetlenmiştir. Ayrıca bu bölümde literatürlerde modelleme çalışmalarında kullanılan programlar listelenmiş ve kısaca özellikleri verilmiştir.
Dördüncü bölümde ise modelleme çalışmalarında kullanılan temel denklemler ve modelleme teknikleri verilmiştir. Bu tez çalışmasında kullanılan modelin üstünlükleri ve ELCOM 3D modelinin seçilmesindeki nedenler açıklanmıştır.
Beşinci bölümde ise yapılan tüm uygulamalar verilmiştir. Hidrodinamik modelleme çalışmalarında kullanılan veriler ve istatistiksel özellikleri açıklanmıştır. Tez çalışması sırasında yapılan arazi ölçümleri özetlenmiştir. 1992’den 2001 su yılına kadar olan süre için, günlük olarak gölün ısı ve su dengeleri kurulmuş ve dengede oluşan hatalar ve bu hataların sebepleri sıralanmıştır. Farklı iki tarihe ait uydu fotoğrafları kıyaslanarak gölde meydana gelen değişiklikler açıklanmıştır. Dört ayrı durum için çalıştırılan modelden elde edilen sonuçlar özetlenmiştir. Uzun dönem ile kısa dönem yapılan model sonuçları kıyaslanarak uzun dönem modellemenin avantajları açıklanmıştır. Yapılan modellere doğruluk testleri uygulanmış ve bu testler sonucunda model ile veriler arasındaki uyumun yeterince iyi olduğu gösterilmiştir. Ayrıca modellerde etkili olan parametreler araştırılmış ve etkileri özetlenmiştir.
Altıncı ve son bölümde ise çalışmadan elde edilen sonuçlar verilmiş ve gelecekteki çalışmalar için öneriler sunulmuştur.
Ayrıca bu tez çalışmasında Ek A’da bir dvd verilmiştir. Bu dvd’ye, model sonuçlarını göstermek amacıyla yazar tarafından yazılmış olan Matlab dilindeki program yardımıyla oluşturulan simülasyon dosyaları yazdırılmıştır. Dvd’ye simülasyon dosyalarına ilave olarak bu dosyaların çalıştırılabilmesi için ücretsiz olan “quick time player” (iTunesSetup.exe) programının kurulum dosyası da eklenmiştir.
HYDRODYNAMIC MODELLING OF BEYSEHIR LAKE
SUMMARY
In this study the hydrodynamic model of Beysehir Lake, the heat and water balance, is established. The prepared three dimensional hydrodynamic model is run for four different cases; i) 10 years long uninterrupted period (1992-2001, water years), ii) driest one year long period (2001 water year), iii) the wettest one year long period (1996 water year), iv) an average one year long period (1998 water year).
In the modeling study; the meteorological, hydrological and bathymetry data is provided by DSI whereas EIE delivered the hydrological data and DMI the meteorological data. As inputs for the model simulations; wind speed, wind direction, short wave radiation, air temperature, cloudiness, humidity, air pressure, precipitation, in and outflow discharges are considered in daily basis together with the digital bathymetry of the lake. With the help of the model, the water motions on the lake and the parameters affecting the water motion have been determined. Besides, the change of the hydrodynamic events on the annual basis has been summarized.
The water and heat balance of the Beysehir Lake has been established. Codes in Matlab language have been written for balance computations and the balances are computed for ten years long duration (3652 days). As a result of these computations, the errors occurring in the balance and the sources of these errors have been listed.
In addition, the change on the coastal line of the Beysehir Lake is observed using two satellite photos. Though the short term planning for lake management is more economical and simpler, it causes different errors considering the cycles. Therefore the long term modeling and lake management is more successful and realistic compared to short term planning.
In this study, a new perspective is provided for the lake management with the help of long term modeling.
The thesis consists of six chapters. The topics of the chapters are; purpose of the study, basic information, literature search, method, modeling studies and conclusions, respectively. The chapters of the thesis are summarized below.
In the first chapter of the thesis, the purpose and the content of the study are presented. Additionally, the present water potential in our country and the world is summarized.
In the second chapter, the limnology and its elements are defined. The elements, which form a lake, their characteristics, and the parameters affecting to these elements are summarized. The loops in the lake, the stratification and the characteristics of the mixture are explained, the affecting external parameters are defined and the basic connections between them are presented.
In the third chapter, the previous studies in the literature are summarized under the headings of limnology, modeling and remote sensing. Besides, the programs employed in the modeling studies in the literature are listed and their features are defined.
The fourth chapter includes the basic equations and modeling techniques used in the modeling studies. The advantages of the model employed in this study and the motivations in the selection of ELCOM 3D model are explained.
The fifth chapter covers all applications. The data used in the hydrodynamic modeling studies and their statistical characteristics are explained. The site observations carried out during the thesis work are summarized.
The daily heat and water balances of the lake are established, the errors occurring in the balance and the reasons of these errors are listed for the period between 1992 and 2001 water years. The changes occurring on the lake are explained comparing the satellite photographs of two different dates. The results obtained from the model simulations carried out for four different cases are summarized. The model results for short term and long term are compared and the advantages of the long term modeling are explained.
The validation tests are applied to the models and it is shown that the fit between the model and the data is sufficiently well. In addition the parameters effective in the models are investigated and their affects are summarized.
In the sixth, the last, chapter the results obtained in the study are presented and the suggestions for the future studies are explained.
Also a DVD is provided in APPENDIX A. This DVD contains the simulation files written in MATLAB language in order to show the model results. In addition the set up file of the free "quick time player" (iTunesSetup.exe) is also presented for the display of the simulation files.
1. GİRİŞ
Dünyadaki tatlısu; hem insanların hem de hayvanların ve bitkilerin yaşamını sürdürebilmesi için vazgeçilmezdir. Tatlısu miktarının kısıtlı olmasından dolayı bu kaynaklar hayati öneme sahiptir. Tatlısuların büyük çoğunluğu buzullarda ve yeraltısuyunda bulunmaktadır. Buna rağmen buzulların ve yeraltısuyunun yenilenme süreleri uzundur. Bu yüzden bu kaynaklar için yenilenebilir denilemez (Tablo1.1) (Wetzel, 2001). Ayrıca akarsular ve göllerdeki su miktarının çok küçük olmasına rağmen yenilenme süreleri kısadır. Akarsu ve göllerin yenilenebilir kaynak olması, önemlerini artırmaktadır. Üstelik dünya üzerinde mevcut kaynakların eşit dağılmadığı gözönüne alındığında; bu durum akarsu ve göllerin önemini daha da artırırken, iyi yönetilmesini de zorunlu hale getirmektedir.
Tablo 1.1: Dünyadaki Su Miktarı ve Dağılımı (Wetzel, 2001)
Su Hacimi (*1000 km3) Yüzde (%) Yenilenme Süresi
Okyanuslar 1.370.000 97,6100 3.100 yıl
Buzullar 29.000 2,0800 16.000 yıl
Yeraltısuyu 4.067 0,2950 300 yıl
Tatlısu Gölleri 126 0,0090 1-100 yıl
Tuzlu su Gölleri 104 0,0080 10-1000 yıl
Toprak nemi 67 0,0050 280 gün
Akarsular 1 0,0001 12-20 gün
Havadaki Buhar 14 0,0009 9 gün
Türkiye’de yıllık kullanılabilir su potansiyeli 112 milyar m3’dür. 2003 yılı itibariyle sulama sektöründe 29,6 milyar m3 (%73,8), içmesuyu sektöründe 6,2 milyar m3 (%15,5), sanayide 4,3 milyar m3 (%10,7) olmak üzere toplam 40,1 milyar m3 su tüketilmiştir (http://www.dsi.gov.tr/topraksu.htm). Türkiye’nin 2000 yılı nüfusu 68 milyon olduğu ve yıllık nüfus artışı %1,834 olduğu göz önünde tutulduğunda; 2005 yılında nüfusumuz; 75 milyon civarındadır. Bu durumda, Türkiye’de kişi başına düşen kullanılabilir yıllık su miktarı en iyi olasılıkla 1.500m3’dür (http://www.die.gov.tr/konularr/nufusSayimi.htm).
Postel (1996), yılda kişi başı su potansiyelinin 1.700 m3’den düşük olduğu ülkeleri “su fakiri”, 1.000 m3’den düşük olduğu ülkeleri de “su kıtlığı” olan ülke olarak tanımlamıştır. Bu tanımlamaya göre ülkemiz “su fakiri” bir ülkedir ve nüfus artışı sebebiyle de “su kıtlığı” olan ülke yolunda hızla ilerlemektedir. Bu nedenle mevcut su potansiyelimizin en iyi şekilde değerlendirilmesi ve yönetilmesi gerekmektedir. Bu durum başka ülkeler için de geçerlidir. Örneğin Amerika tatlısu konusunu kritik konular arasına almış ve nüfus artışından dolayı yaşanabilecek su kıtlığına dikkat çekerek bu konu üzerinde çalışılması gerektiğini vurgulamıştır (Cairns ve diğ., 1992).
Ülkemizde değişik büyüklüklerde 120’den fazla doğal göl bulunmaktadır. En büyük ve en derin gölümüz Van Gölü’dür ve suyu sodalıdır. Yükseltisi 1.646 m, derinliği 100 m’den daha fazla ve alanı 3.712 km2’dir. İkinci büyük gölümüz, İç Anadolu’daki Tuz Gölü’dür. Sığ bir göl olan Tuz Gölü’nün denizden yüksekliği 925 m, alanı ise 1.500 km2’dir ve suyu tuzludur. Üçüncü büyük gölümüz Beyşehir Gölü’dür ve ülkemizin en büyük doğal tatlısu gölüdür. Tatlısu gölü olmasından dolayı ülkemiz için çok önemlidir. Doğal göller dışında Türkiye’de 555 kadar baraj gölü bulunmaktadır. Baraj göllerinden en yüzey alanı büyüklerine göre sırasıyla; Atatürk Barajı 817 km2, Keban Barajı 675 km2 ve Karakaya Barajı 268 km2 sayılabilir. Doğal ve yapay göllerin toplam yüzey alanı 10.400 km2’dir (www.dsi.gov.tr/topraksu.htm).
Göllerin korunması ve iyileştirilmesi için yapılan çalışmaların bütününe göl yönetimi denir. Göl yönetimi doğadan gelen günlük veriler değerlendirilerek yapılmalıdır, çünkü doğa statik değildir. Ayrıca insan etkileri ve davranışları da zamanla değişiklik göstermektedir. Bu yüzden göl izlenmeli ve gerekli olduğunda göl yönetim planı değiştirilmelidir (Cooke ve diğ., 2001).
Ülkemizde, Avrupa’da ve dünyada pek çok akarsularda, göllerde ve haznelerde ciddi su kalitesi problemleri mevcuttur. 1970 ve 1980’lerde yapılmaya başlanan göl yönetimi ile ilgili çalışmalarda, su kalitesi problemlerinin ana nedenleri olarak; endüstriyel ve evsel atıklar ve noktasal olmayan besi maddesi (azot, fosfor gibi canlıların ihtiyaç duyduğu temel maddeler) veya toksit madde girişleri gösterilmiştir. Akarsu ve göller bu tip kirletici girişlerinin engellenmesi ile korunmaya çalışılmıştır. USEPA (2000) raporunun 305b maddesine göre göl ve baraj haznelerindeki en önemli kirletici; % 45 oranında;
tarımdan geri dönen sular olarak gösterilmektedir. Tarımda kullanılan gübreler yüzeysel akış yolu ile göle besi maddeleriyle beraber ulaşmaktadır. Ayrıca göl kıyısında yapılan hayvancılık ve tahıl üretimide göle noktasal olmayan besi maddelerinin ulaşmasına sebep olmaktadır. Gölü tehdit eden sadece noktasal olmayan kirleticiler değildir, gölden aşırı su çekimi, iklim değişikliği, insan nufusunun artması ve değişik türlerin göl ekosistemine aşılanması da göller için tehlike oluşturmaktadır.
Göllerin genel olarak en yaygın sorunu ötrofikasyondur. Ötrofikasyonun sebebi; gölde aşırı besi maddelerinin, siltin, bitki ve organik maddelerin mevcut olmasıdır. Bu durumda gölde fotosentez yoluyla basit inorganik maddelerden besi maddesi yapılması işlemi olarak tanımlanan üretim artar, zamanla suyun berraklığı ve gölün su hacmi azalır ve soruna sebep olacak türlerin sayısı artmaktadır. Ayrıca ötrofik su, güzel görüntüsünü kaybeder, göl ve çevresi dinlenme yeri olarak kullanılmasında da koku gibi bir çok önemli sorunlara neden olur. Daha ileri ötrofikasyon probleminde; göldeki çözünmüş oksijen oranı düşeceği için toplu balık ölümleri başlar. Bütün bunlar ekonomik kayıplara, içmesuyu elde etmek için yapılacak arıtmalarda yüksek maliyetlere, hastalıklara, yeni haznelerin inşa edilmesinin gerekli olmasına ve gölün yönetimi ve düzenlenmesi için çok yüksek maliyetlere yol açmaktadır (Pretty ve diğ., 2003).
Bir gölün yönetimi ve düzenlenmesinde hedeflenen; su kalitesini sabit tutmak ya da iyileştirmektir. Eğer göle kirleticiler, toksik maddeler, besi maddeleri, sediment ve silt ulaşmazsa göldeki su kalitesi hızla yükselecektir. Bu tip kirleticilerin göle ulaşmasını engellemek pahalı ama tek çözümdür. Bir çok araştırmacı (Rich ve Wetzel, 1978, Carpenter, 1981, Moss ve diğ., 1996, Sondergaard ve diğ., 2001) kirleticiler ile ötrofik bir göldeki makrofit ve alg oranları arasında olan etkileşimi ve döngüyü araştırmıştır. Webster (1972), iyileştirmeyi (restoration); “tamir veya yeniden inşaa ederek, gidişatı tersine çevirerek gölün niteliklerini eski orjinal haline geri getirmek” olarak tanımlamıştır. Fakat Cairns ve diğerleri (1992) aslında tam iyileştirmenin imkansız olduğunu farketmişler ve bu nedenle iyileştirmeyi “ekosistemi yaklaşık olarak rahatsızlığın başladığı ilk duruma getirmek” olarak yeniden tanımlamışlardır. Cairns ve diğerlerinin tanımında bulunan, rahatsızlığın başladığı zaman, ne yazık ki hiçbir göl için tam olarak bilinmemektedir. Bu çalışmadan anlaşılan gölün optimum durumuna geri
döndürmektir. Bundan sonraki çalışmalar arasında Cooke (1999) tarafından yapılan araştırma daha fazla kabul görmektedir. Cooke (1999) makalesinde iyileştirmeyi; önemli kayıpları yeniden yapılandırma ve kirlenme prosesini tersine çevirme olarak tanımlamıştır.
Ötrofik gölün iyileştirilmesi için yapılması gereken; gölün hidrodinamik yapısı belirlendikten sonra suyun karakteristiğini fiziksel işlemlerle veya kimyasal/biyolojik işlemlerle tersine çevirmektir. Buna en yaygın örnek; havalandırma ve zeminin taranmasıdır.
Hidrodinamik modellemenin, göl yönetiminde kirlenme prosesini tersine çevirmek için seçilecek yönteme karar vermeden önce mutlaka kullanılması gerekir. Modelleme ile gelecekte olabilecek hem doğal hem de planlanan olayların etkileri belirlenebilir.
Gölün hangi bölgesi izlenmelidir? Hangi kıyıda erozyon veya birikme olabilir? Gölün hangi kot ve koordinatlarından en temiz su alınabilir? Hangi mevsimlerde karışım veya tabakalaşma vardır? Algler nasıl kontrol edilir? Suni yolla karışım yapılması gerektiğinde, bunu gölün hangi bölge veya bölgelerinde ve nasıl yapmak gerekir? Optimum karışımı sağlamak için karıştırıcı nereye yerleştirilmelidir? Karıştırıcı ne zaman ve ne şiddette çalıştırılmalıdır? Taşkın geldiğinde göle etkileri nelerdir? Bütün bu ve benzeri sorular; gölün hidrodinamik özelliklerine göre yanıtlanabilir. Bu yüzden göl yönetimi için gölün hidrodinamik yapısının ortaya konulması zorunludur. Gölün hidrodinamik yapısını anlamanın en yaygın ve kısa yolu modelleme yapılmasıdır. Göl yönetiminde yapılması gereken izleme ve planlama gibi adımlarda, ön bilgi için mutlaka hidrodinamik modellemeye başvurulmalıdır.
1.1. Amaç ve Hedef
Bu tez çalışmasında amaç; değişik uzunluktaki süreler için nümerik modelleme yaparak göl yönetimine yeni bir bakış açışı getirmektir. Modelleme; göl yönetiminde etkisi açık olan hidrodinamik yapının anlaşılması için şarttır. Fakat kısa süre için çalıştırılan modellerde gölün genel yapısı tam olarak ifade edilememektedir. Örneğin modelin yanlış bir gidişi veya zamanla artan bir hatası varsa bu anlaşılamamaktadır. Model uzun süre için çalıştırıldığında hem başlangıç koşullarının etkisi zamanla azalacağı hem de
parametreler çalıştırıldığı dönem içerisinde değiştirilemediği için gölün gerçek parametre değerleri modelde kullanılmış olmaktadır. Örneğin, güneş enerjisinin gölde ulaştığı derinlik ile seci (secchi) derinliğinin oranından elde edilen kısa dalganın tükenme katsayısı (shortwave extinction coefficient) programda kullanıcı tarafından girilmektedir. Eğer modeldeki göl su sıcaklığı ölçülen değerden büyük ise bu katsayı azaltılmakta veya küçükse artırılmaktadır. Bu tip model parametreleri ve sınır şartları değiştirilerek model çalıştırıldığında ölçülen değerlere daha yakın bir sonuç elde edilmektedir. Gerektiğinde bu parametre değerleri her kısa dönem için değiştirilebilmektedir. Fakat model uzun dönem çalıştırıldığında her modelleme için bu parametreler ve sınır şartları tek bir değer alması gerekmektedir. Parametrelerin aldığı değerler uzun dönemi kapsamak zorundadır. Böylece daha gerçeğe yakın parametreler kullanılmış olur. Aynı parametre hem kurak dönemi hem de çok yağışlı dönemi kapsaması gerekmektedir. Kurak döneme daha fazla uyum sağlaması için bir parametre azaltıldığında, çok yağışlı dönemdeki hata daha da artacağından, model gerçeğe uyum sağlayamaz. Bu nedenle uzun dönem için yapılan modelleme daha doğru parametrelerle ve başlangıç koşullarıyla olmalıdır. Bunun sonucunda, uzun dönemde kullanılan parametreler; gölün genel karakteristiğini daha iyi ifade etmektedir.
Doğadaki tüm olaylarda bir döngü mevcuttur. Göllerde; gün içerisinde, yıl içerisinde ve birkaç yıl içerisinde değişen bir çok döngüler ve bunlara ait uzunluklar vardır. Örneğin su sıcaklığı gün içerisinde değişim gösterir, genel olarak sabah ve akşam vakitlerinde düşük ancak öğle saatlerinde yüksektir. Aynı şekilde yaz aylarında su sıcaklığı yüksek, kış aylarında ise düşüktür. Su sıcaklığı, uzun yıllar boyunca incelendiğinde de bir döngü mevcuttur. Sıcak geçen yıla ait su sıcaklığı soğuk yıla ait su sıcaklığından daha fazladır. Doğa olaylarını anlamak ve modellemek için bu döngüleri bilmek çok önemlidir. Bu döngüleri anlamak için de mutlaka uzun dönem incelenmelidir.
Gölün modellemesi, gelecek tahmini yapılması ve yönetimi çalışmalarında gölün sahip olduğu döngünün hangi evresinde olduğunu tesbit etmek önemlidir.
Göl yönetiminde kısa dönemlere bakılması ekonomik ve daha basit olmasına rağmen döngüler gözönüne alındığında değişik hatalara sebep olmaktadır. Örneğin kurak bir yıla ait su kalitesi raporlarına bakıldığında gölün daha kötü bir durumda olduğu sonucuna
varılırken, çok yağışlı bir yıl için bu durum tam tersidir. Bu yüzden uzun döneme bakılarak yapılan modelleme ve göl yönetimi kısa döneme nazaran daha başarılı ve gerçekçi olmaktadır. Bu çalışmada uzun süreli modelin kullanılmasıyla göl yönetimine yeni bir bakış açısı getirilmiştir.
Bu tez çalışması sırasında ayrıca bir yan çalışma olarak iki farklı döneme ait uydu fotoğrafları kıyaslanmıştır. İki farklı tarihe ait uydu fotoğrafları üst üste çakıştırılarak göldeki kıyı çizgisinin değişimi hakkında bilgi elde edilmiştir. Uydu fotoğraflarından elde edilen sonuçlar irdelenmiştir.
Beyşehir Gölü’nün su dengesi ve ısı dengesi kurulmuştur. Denge hesaplamaları için Matlab dilinde programlar yazılmış ve dengeler günlük olarak on yıllık süre (3652 gün) için kurulmuştur. Bu hesaplar sonucunda dengede oluşan hatalar ve bu hataları oluşturan sebepler sıralanmıştır.
Gölün hidrodinamik modellemesinde Elcom 3D programı kullanılmıştır. Elcom 3D programı Batı Avustralya Üniversitesi tarafından geliştirilmiş ticari olmayan bir modeldir ve bu üniversite ile İTÜ İnşaat Fakültesi Hidrolik Anabilim Dalı arasında imzalanan protokol ile programın kodları elde edilmiştir. Böylece model üzerinde istenilen değişiklikler yapılmıştır. Modelin sorgusu ve sunumu için; Matlab dilinde bir çok alt programlar yazılmıştır.
Kurulan üç boyutlu hidrodinamik model; i) on yıllık kesintisiz bir dönem, ii) en kurak bir yıllık dönem, iii) çok yağışlı bir yıllık dönem, iv) ortalama bir yıllık dönem olmak üzere dört ayrı durum için çalıştırılmıştır. Kurulan model yardımıyla, göldeki su hareketi ve bu su hareketlerine etki eden parametreler belirlenmiştir. Ayrıca gölde modellenen hidrodinamik olayların yıldan yıla değişimi ve gidişi özetlenmiştir.
Bu çalışmanın sonucunda uzun dönem modelleme yardımı ile kısa dönem modellemeden elde edilen bilgiden daha fazla bilgi elde edildiği ve bu bilgilerin gölün yönetimi için hayati öneme sahip olduğu anlaşılmıştır.
2. LİMNOLOJİ
Limnoloji en kısa şekilde göl bilimi olarak tanımlanmaktadır. İsviçre’deki Leman Gölü araştırmaları sırasında Forel (1892) tarafından kurulmuştur. Dussart’ın (1966, 1992) “Limnoloji yüzeysel kıta suları bilimidir” tanımı daha genel bir tanımlamadır ve bu tanım sadece gölleri, durgun su kütlelerini kapsamamakta, aynı zamanda akarsuları da içermektedir. Uluslararası limnoloji ve hidroloji birlikleri gölleri ve akarsuları bir bütün olarak ele almaktadır. Bunun sebebi gölde meydana gelen pek çok olaya, havzadaki ve akarsulardaki olayların etkili olmasıdır. Örneğin bir göl yönetimi uygulamasında havza alanındaki kirleticiler sınırlandırılmazsa, gölde yapılacak herhangi bir işlemin başarılı olma olasılığı azalmaktadır.
Limnolojik çalışmalarının ilgilendiği su kütlesi heterojendir, yani bir noktadan bir noktaya farklı özelliklere sahiptir. Göller; çevreden gelen etkilere açıktır ve çabuk reaksiyon verirler. Bu duruma sıcaklık değişimi iyi bir örnek oluşturur. Hava sıcaklığındaki değişim kısa sürede gölün denge konumunu değiştirir ve başka bir denge konumuna geçmesine sebep olur.
Limnolojide göl ve rezervuarların fiziksel, kimyasal ve hidrodinamik özellikleri incelenir. Limnolojinin ilgi alanları;
• Havza ve göllerin fiziksel özellikleri, • Gölde oluşan su hareketleri,
• Su hareketlerinin flora ve faunaya etkileri, • Göldeki erimiş veya askı halindeki mineraller,
• Göl ve akarsudaki erozyon veya çökelme gibi jeolojik olaylar, • Su-hava ve su-zemin etkileşimi,
• Mevcut ekolojik koşullar, ortama özgü flora ve fauna özellikleri; bunların karşılıklı etkileşimleri, madde ve enerji transferi, besi maddelerinin üretim ve tüketim koşulları,
• Yapılan planlama ve işletmenin göle etkileri, • Kirlenme etkileridir.
2.1. Göl Elemanları
Göl ve rezervuarlarda; su kalitesi ve hidrodinamik model çalışmaları açısından en önemli fiziksel/kimyasal/biyolojik parametre su sıcaklığıdır. Suyun özgül kütlesi sıcaklıkla değişir ve en yoğun olduğu sıcaklık +4 °C’dir, yani su sıcaklığı +4 °C’den daha büyük veya küçük olduğunda suyun özgül kütlesi azalmaktadır. Bu özellik; göl ve denizlerde dibteki suyun donmasını önlemektedir. Böylece gölün dibinde canlı hayatı (balık vs.) için her zaman uygun bir bölge varolmaktadır.
Her gölde her zaman gözle görülecek kadar belirgin olmasa bile gölde üç ayrı tabakadan söz edilir. En üstte tüm dış etkilere açık “epilimniyon (epilimnion)”, en altta “hipolimniyon (hypolimnion)” ve ortada suyun sıcaklığının değişiminin büyük olduğu yer olan “metalimniyon (metalimniyon)” tabakası vardır. Bu tabakalar sıcaklığa bağlı olarak değişen göl suyunun özgül kütlesine göre şekillenir. En alttaki su kütlesi olan hipolimniyonda sıcaklık değişimi ihmal edilebilir (Şekil 2.1). Metalimniyon kısmında ise göl suyunun sıcaklık değişimi büyüktür.
Termoklin çizgisi su sıcaklık farkının en büyük olduğu yerde hayali bir çizgidir. Bu çizginin bulunduğu yerde, Denklem 2.1’de gösterildiği gibi su sıcaklığının ikinci dereceden grandyanı sıfırdır. 0 2 2 = ∂ ∂ z T (2.1)
Gölün tüm zeminle temas ettiği yerde su ile toprak birleşiminin olduğu, ince tabakaya bentik sınır tabakası (Bentic Boundary Layer, BBL) denir. En üstte en fazla etkiye açık olan kısım ise yüzey karışım tabakası (Surface Mixing Layer, SML) olarak tanımlanır.
SML tanımı denizler içinde kullanılır. Bu tabaka değişkendir ve o dönemdeki karışımın meydana geldiği gölün üst kısmını kapsar.
Göllerdeki tabakalaşma mekanizmasının en önemli sebebi; suyun sıcaklığına bağlı olarak özgül kütlesinin değişmesidir. Bu değişim düşeyde yazın ve kışın tabakalaşmaya sebep olur. Tabakalaşma belirgin ise gölde rüzgar veya debi girişlerinden meydana gelen türbülans, tabakaların birbirine karışması için yeterli olmaz ve düşeydeki madde alışverişi de o ölçüde sınırlandırılmış olur. Düşeydeki tabakalaşma ne kadar belirgin ise göl o kadar kararlıdır, dış etkilerden o kadar az etkilenir. Kararlılık günden güne ve yıldan yıla da değişim gösterir.
Şekil 2.1: Gölde Tabakalaşma
Güneş ışınları göl suyunun sıcaklığını değiştirir. Isınan göl suyu, rüzgarın etkisiyle oluşan türbülans ile aşağıya doğru karışarak gölün sıcaklığının değişmesine sebep olur. Bununla beraber bu karışım sadece sığ göllerde etkilidir. Diğer göllerde bu karışım sınırlıdır ve karışımın olduğu kısım epilimniyon tabakasıdır. Yaz aylarında epilimniyon tabakasındaki su sıcaklığı yükselir ve rüzgar hızı düşük olduğundan karışım azdır. Yaz aylarındaki epilimniyon tabakasının kalınlığı Denklem 2.2’de verilmiştir (Octavio ve diğ., 1977). 2 10 4 7 2 t e L h W z ρ ρ ∆ × = − (2.2)
Burada ze epilimniyon tabakasının yaz ortalarındaki kalınlığıdır, W ortalama maksimum
rüzgar hızı, ρ suyun özgül kütlesi, ∆ρ epilimniyon ile hipolimniyon tabakaları Güneşten Gelen Isı
Epilimniyon Metalimniyon Hipolimniyon BBL Sıcaklık Termoklin SML
arasındaki özgül kütle farkı, Lt ise; termoklin çizgisi boyunca gölün ortalama
uzunluğudur.
Tabakalaşma; yaz ayları boyunca (ısınma peryodunda) güneşin göldeki üst tabakayı ısıtmasıyla meydana gelir. Yazın göl yüzeyindeki su güneşten dolayı daha fazla ısınır ve sıcaklık arttıkça suyun özgül kütlesi azaldığı için daha hafif olur. Böylece üstteki su daha fazla ısınarak alttaki su soğuk kalacaktır. Böylece tabakalaşma daha belirgin hale gelir. Yaz aylarının sonunda göl yüzeyindeki su soğur ve ağırlaşarak dibe doğru hareket
eder ve karışıma sebep olur.
En ağır olan su kütlesi en altta olmak üzere ağırdan hafife doğru düşey olarak sıralanır.
Bu sıralanma, karışıma ve tabakalaşmanın bozulmasına sebep olur. Göle giren güneş
enerjisi miktarı derinlikle azaldığı için, göl yüzeyindeki su, derindeki sudan daha çabuk
ısınır. Güneş enerjisinin ısıtması her zaman tabakalaşmaya sebep olur. Uzun dalga
radyasyonu ve duyarlı ısının kaybı veya kazanımı göl yüzeyinde gizli ısı kaybına veya kazanımına sebep olur, bu da toplamda göl, yüzeyden ısı kazanıyorsa tabakalaşmaya
kaybediyorsa tabakalaşmanın bozulmasına yol açar.
Rüzgar, gölde türbülans yaratarak yüzeyden başlayarak derine doğru karışmasını sağlar.
Buna rağmen eğer göl yeterince derinse rüzgarın yarattığı türbülans tabakalar arasında karışıma neden olamaz böylece daha belirgin bir tabakalaşma meydana gelir.
Epilimniyon tabakasında rüzgarın etkisiyle türbülans meydana gelir ve karışım sağlanır. Hipolimniyon tabakasında ise daha az özgül kütle farkına sahiptir ve diğer tabakalara göre pasif durumdadır. Pasif durumda olmasının sebebi dış etkilerin bu bölgeye ulaşamıyor olmasından kaynaklanmaktadır. Böylece sadece gölün tabanında sürekliliğin değişmesinden dolayı türbülans hareketi oluşur.
Metalimniyon tabakası veya termoklin çizgisi ise gözle görülür şekilde belirgindir ve iki tabakayı birbirinden ayırır. Bu belirgin tabakalaşma ise metalimniyon tabakasında düşey yönde madde transferini yavaşlatır. Düşey yönde madde transferi de karışım yoluyla olur. Karışımda, su sıcaklığı sebebiyle yüzeydeki suyun özgül kütlesinin alttaki suyun özgül kütlesinden daha fazla olmasıyla meydana gelir.
Yaz aylarının sonunda göl yüzeyindeki toplam net enerji dengesi negatif olur yani göl soğumaya başlar. Buharlaşma ve güneş ışınlarının azalmasından dolayı göl yüzeyi soğur
ve epilimniyon tabakasının geri kalan kısmı soğumaya başlar. Bu soğuma, üstteki su kütlesinin batma ve yüzme durumlarını değiştirir. Yüzey soğur, daha yoğun hale gelir ve batar. Bu işleme ters ısı yayılımı denir. Isı yayılımı, göl eşit sıcaklığa ulaşıncaya kadar devam eder. Eğer su soğumaya devam ederse üstteki tabaka gölün en soğuk ve en hafif tabakası olacaktır. Göl tabakalaşması açısından suyun bu özelliği, kışın ters tabakalaşma olarak adlandırılmaktadır.
Göle ulaşan akarsuların momemtumu ile oluşan kayma kuvveti türbülans meydana
getirir. Göle ulaşan akarsu akımlarının sıcaklığı, eğer gölün yüzeyindeki su
sıcaklığından daha büyükse, tatlısu yüzeyde batmadan hareket eder ve göldeki derinlik
boyunca mevcut tabakalaşmayı daha da kararlı hale getirir. Eğer akarsuyun su sıcaklığı
gölün su sıcaklığından daha küçükse; akarsuyun taşıdığı su gölün dibine doğru batar ve
göl suyu ile karışır (Şekil 2.2). Göle ulaşan akarsuların su sıcaklığı, aynı derecedeki göl
suyunun bulunduğu derinliğe kadar tabandan akar. Belli bir derinlikte de aynı sıcaklığa
ulaşır ve akarsudan gelen su yatay olarak ilerler ve sular birbiriyle karışır.
Şekil 2.2: Göle Ulaşan Akarsuların Gölden Daha Soğuk Su Ve Sıcak Su Getirmesiyle Meydana Gelen Karışım Mekanizması
Tabakalaşmanın oluşup oluşmadığını anlamak amacıyla da Sundaram (1974), termoklin
çizgisinin uzunluğunu hesaplamak için Denklem 2.3’de verilen bağıntıyı önermiştir.
Eğer L negatif ise tabakalaşma meydana gelmemiş, göl homojen haldedir, L pozitif
olduğunda ise tabakalaşma meydana gelmektedir.
p s V L c q g w L ⋅ = ρ α β 3 * (2.3) Üstten Akış Sıcak su girişi Tatlı su girişi Yoğun Alttan Akış Soğuk su girişi
*
w düşey hız, βLampirik katsayı, αV hacimsel katsayı, qs yüzey ısı akı, ρ özgül kütle, cp
ise özgül ısıdır. L boyutsuzdur. Bu denklem günümüzde pek kullanılmamaktadır, çünkü nümerik modelleme ile daha kesin ve kolay bir şekilde tabakalaşma hesaplanmaktadır. Ayrıca sadece yaz aylarında tabakalaşma olmadığı içinde bu formül yeterli değildir. Buna en iyi örnek, bundan sonra açıklanacak olan soğuk monomiktik göllerdir.
2.2. Göl Tipleri
2.2.1. Tabakalaşmaya göre sınıflama
Tabakalaşmayı oluşturan en önemli etkiler; suyun termodinamik özelliği, rüzgar, giriş ve çıkış debileridir. Göller tabakalaşma özelliklerine göre; dimiktik, monomiktik, polimiktik, oligomiktik, meromiktik ve amiktik olmak üzere altı gruba ayrılır.
Dimiktik göller: Bir gölde iki döngü varsa bu göle “dimiktik (dimictic)” denir. Ilıman bölge gölleridir, ilkbahar ve sonbaharda karışım vardır.
Monomiktik göller: Ekvator ve kutuptaki göller monomiktik göllere örnek oluştururlar.
a. Soğuk Monomiktik göller: Tüm yıl boyunca göldeki su sıcaklığı
+4°C’nin üzerine çıkmıyorsa tek döngü vardır ve bu göllere “soğuk
monomiktik (cold monomictic)” göl denir. Bu tip göller; soğuk iklime
sahip yerlerde bulunurlar ve yazın zayıf bir karışıma sahiptirler.
b. Sıcak Monomiktik göller: Kış ayları boyunca göldeki su sıcaklığı
+4°C’nin altına inmiyorsa bu gölde tek döngü vardır ve bu göle “sıcak monomiktik (warm monomictic)” göl denir. Sıcak ılıman veya subtropik iklime sahip göllerdir ve sadece kışın karışım vardır.
Polimiktik göller: “Polimiktik (Polymictic)” göller, düzenli ve devamlı çevrime sahiptirler (yılda ikiden fazla döngüye sahiptirler) yüksek rüzgar ve hava sıcaklığında
küçük sezonluk değişimler mevcuttur. Yüksek enlemlerde ya da ekvatorda bulunan
göllerdir. Mevsime bağlı olmayan, küçük sıcaklık değişimlerine bağlı olarak sürekli
sıcaklığın derinlik ve zamana göre değişimi polimiktik, soğuk ve sıcak monomiktik göller için tek tek verilmiştir.
Oligomiktik göller: “Oligomiktik (Oligomictik) göller nadir çevrimlere sahiptir, genelde yüksek hava sıcaklığına sahip yani tropik iklimi olan bölgedeki göllerdir. Sıcaklık zayıf
karışıma sebep olur.
Meromiktik göller: “Meromiktik (Meromictic)” göller karışmadan dururlar, ya da çok
nadir karışırlar. Buna en iyi örnek çok tuzlu göllerdir. Bu tip göllerde tam karışım
yoktur. Genelde gölün su sıcaklığında değişim olduğunda karışım meydana gelmez.
Karışım sadece kimyasal maddelerin özgül kütle farkından kaynaklanır.
Şekil 2.3: Monomiktik ve Polimiktik Göllerdeki Sıcaklık Tabakalaşması
Amiktik göller: Hiç bir döngüsü olmayan yüzeyi buzla kaplı göllerdir.
Şekil 2.4: Enlem Derecelerine Göre Göl Tipleri (Lewis, 1983)
Zaman
a) Soğuk Monomiktik b) Sıcak Monomiktik c) Polimiktik
Kış Yaz Kış Kış Yaz Kış (b) (a) (c) D e r i n l i k Soğuk
Polimiktik Sıcak Polimiktik Sıcak Dimiktik Monomiktik A m i k t i k S o ğ u k M o n o Enlem Derecesi D e r i n l i k Monomiktik
Enlem dereceleri ve derinliklerine göre görülebilecek göl tipleri Şekil 2.4’de gösterilmiştir (Lewis, 1983).
2.2.2. Trofik (Besi) durumuna göre sınıflama
Bir gölün trofik seviyesi “gölün yaşını” ifade eder. Genç göller “oligotrofik” yani az miktarda biokütlesine, besi ve askı maddesine sahiptir. Zamanla rüzgar, erozyon, yağmur gibi doğal olaylar göle besi maddelerinin eklenmesine sebep olur bu da hem bitki hem de hayvan canlılığını arttırırken suyun kalitesini düşürür. Yaşlı göller ise
“ötrofik” dir yani, su kalitesi düşüktür. Biokütlesi yüksektir ve kısa zaman sonrada
(jeolojik zamandan söz edilmektedir) göl kuruyacak ve gözden kaybolacaktır. Gölün alanı bataklık ya da ova haline dönecektir. Ayrıca ötrofik ile oligotrofik arasında mezotrofik normal besinli göller vardır.
Oligotrofik göllerde su berrak, üretim az ve genellikle derin ve genç göllerdir. Ayrıca oligotrofik göllerde sahil (littoral) bölgesi dardır. Ötrofik göller sığdır, suyun berraklığı
azdır ve üretim fazladır. Bu göllerde kıyı bitki örtüsü (sazlanma) artmaktadır, yani sahil bölgesi geniştir (Şekil 2.5). Ötrofik göllerde besi maddesi giderek artar ve canlı hayatını
tehdit eder. Göl suyundaki üretim ve besi maddesi artmaya devam eder ve kısa bir zaman sonra gölün kuruması söz konusu olur. Ötrofik gölden faydalanma amacı ne olursa olsun (ister sulama suyu, ister balıkçılık) göl zamanla görevini yerine getiremeyecektir.
Şekil 2.5: Ötrofik ve Oligotrofik Göl Özellikleri
Geniş Sahil Ötrofik Göl Dar Sahil Oligotrofik Göl Çok Balık Az Balık Çok besi maddesi
2.2.3. Oluşumlarına göre sınıflama
Göller oluşumlarına göre; tektonik, krater, alüvyon, lagünler, buzul ve yapay göller (baraj hazneleri) olmak üzere sınıflandırılabilirler. Bunlar detaylı olarak incelenmeyecektir.
2.3. Göl Ekosisteminin Başlıca Öğeleri:
Göldeki ekosistemi oluşturan başlıca öğeler aşağıdaki gibi tanımlanabilir.
Abiyotik elemanlar: çevrenin anorganik bileşikleridir. Su, karbondioksit, azot, fosfat
tuzları, amino ve humus asitleri gibi temel anorganik maddelerdir.
Üreticiler: kıyılarda yaşayan köklü veya yüzebilen büyük yeşil bitkiler ile alglerdir ve
ototrof organizmalardır.
Tüketiciler: heterotrof organizmalardır yani diğer maddeleri yerler. Bu gruba böcek
larvaları, balıklar ve kabuklu hayvanlar girmektedir. İki gruba ayrılırlar; i) herbivor
(birinci dereceden tüketiciler: doğrudan doğruya canlı bitki ya da artıklarıyla beslenirler)
ii) karnivor (ikinci dereceden tüketiciler: birinci dereceden tüketiciler üzerinden beslenirler).
Ayrıştırıcılar: Bakteri ve mantarlardır. Özellikle gölün dip kısmında ölü hayvan ve
bitkilerin yığıldığı çamur aralarında ve planktonlarla, köklü bitkilerin fazlaca bulunduğu fotosentez yapılan kuşakta yoğun bulunurlar. Ölü bitki ve hayvana yönelerek,
bileşimdeki kompleks bileşikleri tekrar kullanılacak şekilde basit kısımlara parçalayarak bir kısmını kullanır, bir kısmını ise üretici tarafından kullanılacak basit maddeler halinde serbest bırakırlar.
Canlıların en fazla ihtiyaç duydukları elementler; karbon (C), oksijen (O), hidrojen (H), fosfor (P) ve azottur (N). Bu elementler doğada çevrim halindedir. Herhangi birinin ortamda az veya fazla olması canlı hayatında sorun yaratmaktadır.
2.4. Göllerde Çevrimler
Şekil 2.6: Gölde Meydana Gelen Çevrim
Dimiktik göllerde karışım mekanizmasına bakıldığında; gölde mevsimsel bir döngünün olduğu görülmektedir (Şekil 2.6). Bu döngü; yazın başlamasıyla tabakalaşma başlar, yazın ve sonbahar sonunda tabakalaşma belirginleşir, ilkbahar ve sonbaharda tam bir karışım vardır ve kışın ise ters tabakalaşma meydana gelir. Bu döngü bundan sonraki kısımlarda sırasıyla incelenmiştir. Aslında dimiktik göldeki karışım mekanizması iyi anlaşıldığında diğer tip göllerdeki karışımda anlaşılmış olmaktadır.
2.4.1. Yaz sonu
Yazın sonunda gölde iyi karışmış, homojen bir üst tabaka (epilimniyon) vardır.
Termoklin belirgindir ve epilimniyon ile hipolimniyon gözle görülür şekilde ayrılmıştır
yani göl tabakalaşmıştır (Şekil 2.7).
Şekil 2.7: Yaz Sonu Sıcaklık Tabakalaşması
Termoklin hızlı sıcaklık değişimi ile belirginleşir. Genel olarak en güçlü sıcaklık
tabakalaşması yaz döneminde meydana gelir. Yaz boyunca epilimniyon ısınır fakat
karışım olmadığından derin yerleri pek etkileyemez, böylece iki tabaka arasındaki fark
22 °C 21 °C 8 °C 7 °C 6 °C 4 °C
Yaz Başı Yaz Sonu Sonbahar Başı
daha da belirginleşir. Ayrıca yaz aylarında en üst tabakada (epilimniyon) çözünmüş
oksijen miktarı fazladır.
2.4.2. Sonbahar başı
Göl ısı kaybetmeye başlar ve soğuma öncelikle yüzeydedir. Soğuyan su ağır olduğundan aşağıya doğru batar (Şekil 2.8). Böylece karışım için enerji sağlanır.
Göl su yüzeyindeki soğuma gölün ısı kaybında etkili bir yoldur. Epilimniyon soğur ve derinleşir ta ki gölün tabanına ulaşana kadar derinleşir. Göl bu durumda homojendir ve
dönüş meydana gelir (Şekil 2.8). Gölün tüm suyu + 4ºC’ye kadar soğur.
Şekil 2.8: Sonbahar Başı Tabakalaşmasının Bozulması 2.4.3. Sonbahar veya ilkbahar karışımı
İlkbahar ve sonbaharın sonunda gölün su sıcaklığı ve dolayısıyla özgül kütlesi
homojendir (T ≈T(ρmax)).
Şekil 2.9: Gölde İlkbahar Veya Sonbaharda Rüzgar Sebebi ile Meydana Gelen Çevrim
4 °C 6 °C 8 °C 9 °C 10°C 8 °C 5 °C 4 °C 4 °C 4 °C 4 °C 4°C 4 °C 4 °C Rüzgar
Bu dönemde güneş radyasyonu azdır ve sadece göl yüzeyindeki suyu ısıtır veya soğutur. Bu ısınan veya soğuyan su rüzgar sebebiyle oluşan türbülans sayesinde aşağıya doğru karışır (Şekil 2.9).
Çok sığ göller hariç, rüzgar sebebiyle oluşan türbülans alt tabakanın karışmasına da yol açacak kadar etkin değildir. Üst tabaka; karışıma sebep olan kuvvetler ile karışımı engelleyen kuvvetlerin birbirine eşit olduğu derinliğe kadar olan kısımdır. Göl su yüzeyinin ısınması, göl suyu özgül kütlesinin azalmasına neden olur ve su yüzer. Böylece karışıma sebep olmaz.
2.4.4. Kış
Eğer kış yeterince soğuksa göl yüzeyindeki su sıcaklığı +4ºC’den daha da azalır ve ters
tabakalaşma oluşur. +4ºC’deki su daha yoğun olduğundan en altta kalır, soğuksu gölün
üst yüzeyindedir. Daha fazla soğuduğunda ise göl yüzeyi buz ile kaplanır ve gölü rüzgar
kuvvetinin etkilerinden korur (Şekil 2.10).
Ters tabakalaşma yavaş yavaş gelişir çünkü göl yüzeyinin üstü buzla kaplandığından
rüzgar kuvvetinden dolayı bir türbülans meydana gelmez. Isı kaybı sadece molekülerin yayılımıyla (difüzyon) olur. Ayrıca kış aylarında en alt tabakada (hipolimniyon)
çözünmüş oksijen miktarı fazla ve su sıcaklığı +4ºC’dir.
Şekil 2.10: Kış Aylarında Oluşan Ters Tabakalaşma
2.4.5. Yaz başı
Yazın başlangıcı ile hava sıcaklığı yükselir, güneş enerjisi göl suyunu ısıtır ve tabakalaşma başlar. Göl suyunun sıcaklığı yavaş yavaş ısınır ve ısınan su gölün en üst
0 4 Derinlik Su Sıcaklığı (Derece) 4˚C Buz Kaplı 0- 4˚C arası
tabakasında kalarak giderek tabakalaşmayı belirgin hale getirir. Düşey ısı yayılımı rüzgardan oluşan karışım ve difüzyon ile olduğu için termoklin çizgisi yüzeye yakındır. (Şekil 2.6).
2.5. Karışıma Sebep Olan Kuvvetler
Gölde tabakalaşma, gölü üç parçaya ayırır; epilimniyon, hipolimniyon ve metalimniyon. Bu tabakalar birbiriyleriyle dışarıdan zorlayıcı bir etki olmadığında karışmaz. Genel olarak bu kararlı durumu bozabilen kuvvetler; i) rüzgar, ii) güneş ısısından dolayı oluşan
ısı farklılıkları (ısınma veya soğuma), iii) göle ulaşan akarsular, iv) gölden çıkan
akarsular olarak sayılabilir. Daha önceki çalışmalar ilk iki etmenin diğerlerine göre çok
daha etkili ve önemli oldukları gösterilmiştir (Imberger ve Patterson,1990; Imberger,
1994).
Gölde karışıma sebep olan rüzgar ve göl suyu ısısındaki değişim etkileri, göl suyundaki
çok değişik çevrilere sebep olmaktadır. Bunlar; i) küçük çevriler (eddy), ii) orta
büyüklükteki çevriler, iii) büyük çevriler olmak üzere üç gruba ayrılır. Büyük çevriler, enerjiye sahiptir ve dünyanın dönmesinin etkisiyle oluşurlar. Orta büyüklükteki çevriler
ise kaldırma kuvvetinin etkisiyle oluşan iç dalgalardır.
İç dalgalar; küçük ölçekli hareketler ile havza ölçekli hareketler arasında enerjinin aktarılmasında önemli bir rol oynar. Bu rolün önemi; göldeki akımı laminer akımdan küçük ölçekli türbülans hareketine çevirmesinden de kaynaklanmaktadır. Ayrıca iç dalgalar; bulundukları ortamdaki akışkan parçacıklarını birbirlerine göre rölatif olarak yukarı veya veya aşağıya doğru hareket ettirmez, bu özellik onu türbülanstan ayırır. Fakat dalgaların birleşmesi, dalgaların oluşturduğu kayma kuvveti ve göl tabanının batimetrisi yüzünden karışım ve türbülans meydana getirir.
Gölde en büyük karışım mekanizması; en üstte bulunan karışım tabakasında (SML) ve en büyük süreksizliğin olduğu göl tabanında (BBL) meydana gelir (Spiegel ve Imberger, 1987). Termoklin çizgisinde ve altında ise hem zamandan hem de yerden bağımsız bir
şekilde oluşan düzensiz türbülans hareketleri vardır.
önemlidir. Karışıma sebep olan etkiler; rüzgar, gölün morfolojisi, termodinamik kuvvetler, su giriş ve çıkışlarıdır. Bundan sonraki kısımda karışıma sebep olan etkiler sırasıyla detaylı olarak incelenmiştir.
2.5.1. Rüzgar etkisi
Rüzgar hem gölün üst yüzeyinde hem de iç tabakada karışıma neden olmaktadır ve genel olarak göllerde karışıma sebep olan en önemli dış etkidir. Bu yüzden rüzgarın etkisi detaylı olarak incelenecektir.
Rüzgarın basıncı rüzgardan suya momentum transfer eder ve suyu rüzgar yönünde iter. Bu durum rüzgarın itmesiyle gölde çevrimler oluşturur ve batimetriye bağlı olarak
değişik dalgalar meydana getirir.
Rüzgar basıncı hava-su arayüzünde rüzgardan oluşan kayma kuvveti (τa) Denklem 2.4’de tanımlanmıştır. 10 2 U CD a a ρ τ = (2.4)
Su yüzeyinde oluşan kayma hızı (u*) Denklem 2.5’de verilmiştir.
0 10 2 0 * 2 ρ ρ ρ τ C U u = a = D a (2.5) D
C ; direnç katsayısıdır (genel olarak 1,3*10-3 alınır). U 10; göl yüzeyinden 10 m
yukarıda ölçülen rüzgar hızıdır. ρa; havanın özgül kütlesidir (genel olarak 1,2 kg/m3 alınır). ρ0; suyun referans özgül kütlesidir, genelde 1000 kg/m3 alınır.
Rüzgarın dışsal etkisi
Rüzgar göl yüzeyindeki suyu rüzgarın esme yönünde ileriye doğru iter. Kararlı durumda
yüzeydeki rüzgar kayma kuvveti ile su yüzeyinin eğimi arasında bir denge vardır (Şekil
2.11).
Birim hacim için basınç kuvveti Denklem 2.6’da ve rüzgar basıncı Denklem 2.7’de verilmiştir.
