BÖLÜM-7 YÜZEYSEL AKIŞ (SURFACE RUNOFF) 7.1 GİRİŞ
Yağıştan (kar, yağmur) sızma, yüzeysel biriktirme ve yüzeyaltı akışı çıktıktan sonra arta kalan kısma yüzeysel akış denir. Kısaca yüzeysel akışa yağış fazlası denilebilir.
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 anlatılacaktır.
7.2 AKARSU HAVZASI VE ÖZELLİKLERİ
Akarsu havzası: (= su toplama havzası, drenaj havzası, ing: basin, catchment, watershed) Akışını bir yüzeysel su yolu üzerinde alınan bir çıkış noktasına gönderen yüzeye denir. Havza, içerisinde bir akarsu ve kollarının yer aldığı yağışı akışa dönüştüren kara parçası olarak da tanımlanabilir.
Akarsu üzerinde alınan her noktanın ayrı bir drenaj sahası vardır. Mansaba doğru havza en büyük alana sahip olur. Akarsu havzalarını birbirleriyle karşılaştırabilmek ve üzerine düşen yağışın ne YSY
Akarsu Sızma
Yüzeysel akış
Yüzeysel biriktirme Yüzeyaltı akışı
Yeraltı akışı Yağış
Yağış Havza Akış
kadarının akışa çevrilebildiğini belirlemek açısından havzayı niteleyen başlıca özellikleri bilmek gerekir.
Akarsu Havzalarının Özellikleri:
1-) Zemin cinsi ve jeolojik yapı:Yeraltına sızan su miktarının bilinmesi açısından önemlidir.
2-) Bitki örtüsü: Havza yüzeyindeki akış miktarını, hızını ve kar erimesini etkiler.
Bitki örtüsünün bulunması akışı azaltır, sızmayı artırır.
3-) Havzanın büyüklüğü: Akışın miktarını etkiler. Havza büyüdükçe pik debi, taşkın hacmi, pik debiye ulaşma süresi büyür. Küçük havzalarda birim alandan gelen maksimum debi daha büyüktür, akışın yıl içinde dağılışı düzensizdir.
4-) 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.
Lc: Havza ağırlık merkezinin akarsuyun ana toplayıcısı üzerindeki çıkış kesitine olan mesafesi
Q : Debi (m3/s) t : Zaman Qp : Pik debi
tp : Pik debiye ulaşma süresi
(a) (b)
Lc
Lc
t Q
tp
Qp
t Q
Qp
tp
Yukardaki havzaların büyüklükleri ve bütün özellikleri aynı olup sadece biçimleri birbirinin tersidir. Şekillerde de görüldüğü gibi (a)’da Lc daha küçük, Qp daha büyük, tp ve devam süresi daha kısadır. Oysaki her ikisinde de taşkın hacmi aynıdır.
Havzanın biçimini belirlemek için çeşitli boyutsuz büyüklükler kullanılır:
a-) Biçim katsayısı:
A L2
L : Akarsu ana toplayıcının en derin yerinden (talveg) ölçülen uzunluk
A : Havzanın alanı
Biçim katsayısının büyük olması havzanın uzun ve dar olduğunu gösterir.
b-) Gravelius katsayısı:
2 P
A
P: Havzanın çevre uzunluğu
Havza ile aynı büyüklükte olan bir dairenin çevre uzunluğu
2 2 A A
A r r r
terimi aşağıdaki çevre formülünde yerine konur.
2 2
Ç r Ç A
Gravelius katsayısının değeri büyüdükçe havzanın biçimi daireden uzaklaşır.
c-) Schumm katsayısı: 2 x A
L
Schumm katsayısının payı havza ile aynı alanda bir dairenin çapını paydası ise toplayıcı ana akarsu kolunun uzunluğunu göstermektedir.
L
A
2
0.6 1
x A L
Schumm katsayısının 0.6 olması havzanın ince uzun
oluşunu 1 olması dairesel oluşunu gösterir.
d-) Eşdeğer dikdörtgen boyutları: Havza ile alanı ve çevre uzunluğu aynı olan bir dikdörtgenin kenar uzunluklarıdır.
5-) Havzanın eğimi: Havza eğiminin hesaplanmasında harmonik eğim kullanılır. Toplayıcı ana akarsu kolu on eşit parçaya bölünür. Li her birparçanın uzunluğunu, h2, h1 ise her bir parçanın uçlarındaki kotları göstermektedir.
2 1
10,
i i
i
h h
L L S
L
Harmonik eğim:
2
10 1
i
S
S
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.
Li h2
h1
hmax
h (m)
% A (km2) hmin
% 50 Medyan
kot
Hipsometrik eğri hmax
hmin
h1
h2
Eş yükselti
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.
7.3 BİR AKARSU AĞININ AKIŞI ETKİLEYEN ÖZELLİKLERİ
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) (b) (c) (d)
Yukardaki şekillerde (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.
iii. Akarsu profili: Akarsuyun boykesiti olup esas akarsu yatağının talveg kotunun çıkış noktasından olan uzaklığa göre değişimini gösterir. Çıkış
A1 A1 A2 A2
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.
Bir akarsu havzasının hidrolojik bakımdan en önemli özelliklerinden biri geçiş süresidir.
Geçiş süresi (Toplanma süresi, Konsantrasyon süresi): Yüzeysel akışın havzanın en uzak noktasından çıkış noktasına varması için geçen zamana denir. tc ile gösterilir. Geçiş süresi aşağıdaki sürelerin toplamından oluşur:
1- Yağış şiddetinin sızma kapasitesini aşması için gereken süre 2- Yüzey birikintilerinin dolması için geçen süre
3- Tabaka halinde akışın akarsu ağına varması için geçen süre 4- Akarsu ağında suyun çıkış noktasına varması için gereken süre Geçiş süresi havzanın alanı büyüdükçe büyür eğimle ters orantılıdır:
n
c m
t K A
S , tc: Geçiş süresi A: Havza alanı
S: Eğim K, n, m: Katsayı (0 < n < 1) Geçiş süresini havzanın biçimi de etkiler. Küçük havzalarda geçiş süresi için Kirpich aşağıdaki formülü önermiştir:
0.385
0.066 2 c
t L
S
, L: Akarsuyun uzunluğu
Çeşitli havzalardaki akışı birbirleriyle karşılaştırmak için özgül debi kullanılır:
Özgül debi Q
A, Q: Bir çıkış noktasında ölçülen debi (lt/s), A: Havza alanı (km2)
Havzanın bir çıkış noktasından belli bir süre içinde geçen akış miktarına akış yüksekliği denir:
Akış yüksekliği =V,
A V: Akış hacmi, A: Havza alanı 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:
Seyhan havzası 0.55 Ceyhan havzası 0.43 Antalya havzası 0.63 Çoruh havzası 0.61
7.4 AKIŞIN KISIMLARA AYRILMASI
Yüzeysel akış 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 yüzeyaltı
akışı denir. Zemine sızan suyun bir kısmı ise daha derinlere inerek yeraltı suyuna karışır ve sonunda yeraltı akışı şeklinde bir akarsuyu besleyebilir.
Akışın kısımlara ayrılması
Bir akarsudaki toplam akış akarsuya varış süresine göre dolaysız akış ve taban akışı olmak üzere ikiye ayrılır:
Dolaysız Akış: Yüzeysel akış ve yüzeyaltı akışının gecikmesiz (zemine sızdıktan kısa bir zaman sonra akarsuya ulaşan) kısmından meydana gelir. Genellikle yüzeyaltı akışının büyük bir kesimi dolaysız akış içinde düşünülür.
Taban akışı: Yeraltı akışı ile yüzeyaltı akışının gecikmeli (akarsuya uzun bir zaman sonra ulaşan) kısmından meydana gelir.
Dolaysız akış ancak yağış şiddeti, sızma kapasitesini aştığı zaman oluşacağı için şiddetli yağışlardan sonra görülür ve taşkınların başlıca kaynağını oluşturur. 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 şematik olarak incelemek için yağış şiddetinin zamanla değişmediği bir yağışı göz önüne alalım (alttaki şekil) . Yağışın ilk anlarında zemin kuru olduğu için suyun büyük bir yüzdesi zemine sızar. Sızan su önce zemini nemli hale getirir, sonra yüzeyaltı akışı ve yeraltı akışı haline geçer. Yağış devam ettikçe bu gibi kayıplar gittikçe azalır, yağışın daha büyük yüzdesi yüzeysel akış halinde havzanın çıkış noktasında görünmeye başlar. Yağış sırasında ve yağıştan hemen sonra
YSY
Akars Sızm
Yüzeysel
Yüzeysel Yüzeyaltı
Yeraltı Yağış
herhangi bir anda akarsudan geçen akışın önemli bir kısmı yüzeysel akıştır.
Akarsudaki akışın küçük bir kısmı doğrudan akarsu üzerine düşen yağıştan ileri gelir.
Sabit şiddette bir yağış sırasında yeryüzüne düşen suların dağılımının zaman içinde değişimi
7.5 AKIŞ-YAĞIŞ BAĞINTILARI
Verilen bir yağış yüksekliğine karşı gelecek dolaysız akış yüksekliğinin tahmin edilmesi için akış-yağış bağıntısının bilinmesi faydalı olur. Daha önce gözlenmiş yağış-akış değerlerine dayanan bu bağıntılar akım ölçümleri bulunmayan havzalarda akış yüksekliğini tahmin etmekte kullanılabilir.
Şekilde görüldüğü gibi başlangıçta eğri etrafındaki sapmalar daha fazladır.
Bunun nedeni yağışın başlangıcındaki Zemin nemidir. Çünkü zemin nemi sızma miktarını etkiler. Fakat zeminin geçirimsiz olduğu bölgelerde (şehirler) bu etki azalır, akışla yağış arasında basit bir bağıntı elde edilir.
Akışla yağış arasındaki basit bağıntı Akış yüksekliği (R, mm)
Yağış yüksekliği (P, mm)
Yüzeysel akış
Yeraltı akışı Yüzeysel
biriktirme Tutma
Akarsu yüzeyine doğrudan düşen yağış
Çıkış noktasındaki debi
t i
Yağış ile akış arasında geçmiş yağış indisi, yağış başladığında akarsudaki akım miktarı, yağışın belli bir şiddetin üzerinde devam ettiği süre gibi parametreler göz önüne alınarak yağış-akış korelasyonları uzun süreli (aylık, yıllık) olarak kurulur. Süre olarak bir su yılı alınırsa geçmişteki şartların etkisi birbirini götüreceğinden yağışla-akış arasında basit bir ilişki kurmak kolaylaşır.
7.6 RASYONEL METOD
Akarsu yapılarının projelendirilmesinde gerekli olan maksimum debinin belirlenmesinde en basit olan ve en çok kullanılanlardan biri rasyonel metoddur. Alanı A (m2) olan bir havzaya düşen i şiddetinde yağışın meydana getireceği maksimum debi (m3/s) aşağıdaki formülle hesaplanır.
Q C i A
i: Havzanın geçiş süresi kadar devam eden bir yağışın şiddeti (m/s) C: Akış katsayısı
Akış katsayısı zeminin geçirimliliğine, havzanın eğimine ve bitki örtüsüne bağlı olarak 0.05 - 0.95 arasında değişir (Tablo 7.1)
Tablo 7.1 Akış katsayısı değerleri
Havzanın Özelliği C
Düz Eğimli
Ormanlık bölgeler 0.05 0.2
Otla kaplı az geçirimli zemin 0.13 0.35 Yerleşim bölgesi (bitişik nizam) 0.6 0.75 Yerleşim bölgesi (ayrık nizam) 0.3 0.6 İş ve endüstri bölgesi (seyrek) 0.5 0.7 İş ve endüstri bölgesi (sık) 0.7 0.95
Asfalt yollar 0.7 0.95
Bir havzada farklı akış katsayısına sahip bölgeler bir arada bulunuyorsa havzanın C akış katsayısı, bölgelerin alanlarının yüzdesi olarak alınmak üzere,
ağırlıklı bir ortalama ile hesaplanır. Rasyonel metod havzada geçirimsiz bölgelerin yüzdesi fazlaysa doğru sonuç verir. Başlıca kullanma yeri şehirlerde kanalizasyon tesisleri için yağmur debisi hesabıdır.
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:
Q C i A
c
t
t → t yağış süresini tc geçiş süresini göstermektedir.
Bu durumda debinin maksimumdan geçtiği anda havzanın ancak bir kısmına düşen yağış çıkış noktasına varmış olacaktır.
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
Q C i A
i = 50 mm/st = 0.05
3600 m s /
A = 120 x 240 = 28800 m2
0.05 3
28800 0.34 / 0.8 360
5 0
Q m s
