Transcript Havza Hidrolojisinin Yeri ve Önemi

Havza Hidrolojisinin
Yeri ve Önemi
Dr. A.Ünal Şorman
[email protected]
5-7 Kasım 2012
Eğitim semineri Antalya
Hidroloji nin tanımı
• Hidro-Su, loji ise bilim anlamında olup yer bilimlerinin
önmeli bir bölümünü de su bilmi oluşturur ve bu bilim
dal diğer bazı bilim daları ile yakından ilgilidir.
• Örnek Meteroloji, atmosfer bilimi, jeoloji, biyoloji,
deniz ve göl bilimleri, toprak, havza morfoloji vs.
• Bu bilim dalı da yüzey ve yüzeyaltı ve yeraltı olmak
üzere üç grupta toplanabilir ve bilim daları ile
uğraşanlarada hidrolojist, toprak fizikçisi ve yeraltı(
hidro jeolojist) adları verilir.
Hidroloji biliminin diğer bilim dalları ile
olan ilişkileri..
•
•
•
•
•
•
•
•
Meteorology (Meteoroloji)
Climatology (İklim)
Geology (Jeoloji)
Glaciology (Buzul)
Limnology (lakes) (Göl)
Cryology (snow, ice)(Kar-Buz)
Potamology (rivers) (Nehir)
Oceanology (Deniz)
Hidrolojik Çevrim elemanları
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Precipitation (humidity, temperature, wind) (Yağış)
Interception (Tutulma)
Infiltration (Sızma)
Surface Flow (Yüzey akış)
Subsurface Flow (interflow)
Groundwater Flow (baseflow)
Evaporation (temperature, wind, atm. pressure)
Transpiration (Terlame)
Percolation (Süzülme)
Deep Percolation (Derin
Figure 1.1 The hydrologic cycle
Süzülme)
Cloud
Wind
Cloud
Snow
Rain
Precipitation
Cloud
Rain
Evaporation
from land
Snow
Storage
Transpiration
Infiltration
Surface
flow
Evap.
Percolation
Water
table
Interflow
Groundwater
flow
Deep Percolation
Bed Rock
Solar
Radiation
Evaporation
Lake
GW flow
Sea
Su Toplama havzasının tanımı
• Belli bir alanı (düz veya dağlık) çevreleyen ve yüksek
noktaların birleştirilmesi ile oluşan alana Su Toplama
Havzası veya Havza adı verilir ve km2 cinsiden ifade
edilir.
• Havzalar küçük, orta veya büyük ölçekli olabilir
Küçük havza alanları tarımsal (sulama), orta büyüklükte olanlar baraj
(enerji, sulama), büyük ölçekli olanlar ise çoğu zaman taşkın koruma,
sulam ve enerji amaçlı veya bunları tümü olarak çok amaçlı
kullanılırlar.
Ülkemizde 25 adet su havzası mevcut olup bunlar nehir
havzaları olarakta adlandırılır. Nehir havza sınırları ve il sınırları
ve yeraltı havza sınırları birbirleri ile örtüşmezler.
Bu havzaların veya alt havzaları mertebelendirilir ve en küçük
nehir kolundan başlayarak numaralandırılırlar. (Horton kanunu).
Bu numaraldırılmalar bunların sayıları ve toplam kol uzunlukları
havzaların morfolojik yapısı hakkında bizlere bazı bilgiler
sunarlar.
ra
Ku
BLACK SEA
24
13
s
Kız
ılır
m
a
m
ılır
Kız
15
ra
Ka
ak
su
21
ak
25
ri
Pe
Mu r a
Es
e
Aksu
Köprüçay
n
su
8
MEDITERRANEAN SEA
Fı
ra
an
C e yh
t
n
ha
20
17
19
Figure 4.1 Streamflow measuring regions in Turkey
ur
9
18
a
p
n
mb
ab
10
r şa
ök
G
ma
Ça
diz
16
Ho
Dicle
Asi
7
e re s
len
H
end
B. M
Ak
ça
y
Me
Se
y
11
t
Ba
tm
Cola
AEGEAN SEA
12
ak
Tohma
K. Menderes
la
Da
a ry
Aras
h
ur
Sa
k
luk
ru
Ço
re k
Porsuk
5
Gediz
6
ur
Ç
e
ek
23
nz
Ba
y
ça
kır
Simav
Yeşilırm
it
22
Mu
4
Sakarya
3
Su
s
14
Ak
su
an
26
n
Bota
şap
Za
p
Fil
yo
Me
2
De
Ke
lk
t
Marmara Sea
z
vr e
şi
2
ar
1
H
ri ç
Ergene
Su Havzalarının karakteristikleri
Region
No.
Name
(DSİ, 1995)
Area (km2)
Annual mean
precip. (mm)
Annual mean flow
(km3)
% of
total flow
Basin yield
(l/s/km2)
1
2
Meriç
Marmara
14.560
24.100
604.0
728.7
1.33
8.33
0.7
4.5
2.9
11.0
3
4
Susurluk
Kuzey Ege
22.399
10.003
711.6
624.2
5.43
2.09
2.9
1.1
7.2
7.4
5
6
Gediz
K. Menderes
18.000
6.907
603.0
727.4
1.95
1.19
1.1
0.6
3.6
5.3
7
8
B. Menderes
Batı Akdeniz
24.976
20.953
664.3
875.8
3.03
8.93
1.6
4.8
3.9
12.4
9
10
Antalya
Burdur Göller
19.577
6.374
1000. 4
446.3
11.06
0.50
5.9
0.3
24.2
1.8
11
12
Akarçay
Sakarya
7.605
58.160
451.8
524.7
0.49
6.40
0.3
3.4
1.9
3.6
13
14
Batı Karadeniz
Yeşilırmak
29.598
36.114
811.0
496.5
9.93
5.80
5.3
3.1
10.6
5.1
15
16
Kızılırmak
Konya Kapalı
78.180
53.850
446.1
416.8
6.48
4.52
3.5
2.4
2.6
2.5
17
18
Doğu Akdeniz
Seyhan
22.048
20.450
745.0
624.0
11.7
8.01
6.0
4.3
15.6
12.3
19
20
Asi
Ceyhan
7.796
21.982
815.6
731.6
1.17
7.18
0.6
3.9
3.4
10.7
21
22
Fırat
Doğu Karadeniz
127.304
24.077
540.1
1198.2
17.0
8.0
8.3
19.5
23
24
Çoruh
Aras
19.872
27.548
629.4
432.4
6.30
4.63
3.4
2.5
10.1
5.3
25
26
Van Gölü
Dicle
19.405
57.614
474.3
807.2
2.39
21.33
1.3
11.5
5.0
13.1
779.452
642.6
Total
31.61
14.90
100.0
Yağışın Dağılımı
Yıllık yagış
Annual rainfall ranges from 0 – 2500 mm
Yağışın aylık dağılım haritası
Sinop
BLACK SEA
n
200
100
0
0
Zonguldak
Samsun
100
0
Sakarya
100
300
100
100
100
0
0
Çorum
100
50
Çanakkale
Bursa
100
0
0
Ankara
0
Sivas
0
0
Kütahya
Kırşehir
100
Bingöl
100
100
0
0
0
Kayseri
Izmir
200
50
0
50
0
100
0
0
Konya
Denizli
100
300
Muğla
100
300
200
100
0
100
Antalya
0
100
Gaziantep
0
200
0
100
Mardin
Şanlıurfa
Adana
Tarsus
Hatay
0
100
0
0
0
100
0
100
100
0
MEDITERRANEAN SEA
Figure 3.2 Distribution of monthly rainfall (mm) in Turkey
Van
200
Dec.
Nov.
Oct.
Sep.
Aug.
July
June
May
Apr.
Mar.
Feb.
Jan.
AEGEAN SEA
Bitlis
Elazığ
Malatya
Ürgüp
100
Ağrı
50
0
100
0
0
Erzurum
Erzincan
100
100
Kars
Rize200
0
Çankır
ı
0
Giresun
0
100
Kocaeli
0
100
200
Istanbul
Marmara Sea
100
Kastamonu
Artvin
zo
100
Tra
b
Edirne
Hakkari
STREAMFLOW – (Aylık akım dağılım haritası)
500
ak
ırm
a
ay
Ka
u
ra s
200
ri
Pe
2119
Ba
tm
0
2105
0
D
200
m
ala
an
100
0
902
100
a mb
a
1818
100
300
0
200
Göksu
600
0
1000
500
1714
300
100
600
0
500
200
1908
400
100
200
0
200
Asi
MEDITERRANEAN SEA
100
200
700
300
0
400
900
800
300
0
100
200
0
100
0
Figure 4.10 Mean monthly flows (m3/s) at selected stations in Turkey
şa
p
2627
2606
300
400
0
200
100
400
100
812
n
Bota
Dicle
700
500
2020
an
t
an
Se
y
200
1604
Ç a rş
C e yh
es
800
Fı
ra
nder
300
20
0
100
ha
400
712
Ho
2509
2605
n
1104
K. Menderes
e
B. M
20
0
2152
900
518
ra t
0
100
20
0
0
Gediz
Mu
100
100
Köprüçay
AEGEAN SEA
200
400
ak
a ry
0
2402
300
200
Sa
k
luk
m
ur
0
Aras
500
2320
0
300
Kı
zı
lır
Su
s
100
0
Kız
ıl
1242
Porsuk
100
0
Za
p
s
Fil
yo
ya
ar
Sa
k
0
100
t
317
300
it
2201
şi
400
Ke
lk
Yeşilırmak
re k
ke
Çe
200
100
200
0
1528
Ak
su
ar
Marmara Sea
de
Gere
100
2213
1402
uç
100
1336
100
Ku
r
0
105
200
0
uh
200
or
100
300
50
H
Me
ri ç
Ergene
300
Ç
Gökirmak
200
100
50
0
ra
Ku
400
BLACK SEA
Örnek havza tanımı
• Havzaların bazılarına Örnek (pilot) havza (gaged)
• Bazılarına temsili havza bazılalarına ise ölçümü
yapılmayan (ungaged) havza ile tanımlanır.
• Bunun için seçilen örnek havzalar üzerinde alet
donanımı yapılarak ölçümler yapılır.
• Örnek: Yağış, akış, buharlaşma ve terleme, sızma ve
süzülme, yeraltı suyunun beslenmesi toprak nemi gibi.
• Bunlara biz havzanın süreçleri (process) adını
veriyoruz.
Sistem in akış şeması
INPUT
I(t)
SYSTEM
Φ
(System transfer function)
Q(t) = Φ I(t)
Transformation Equation
OUTPUT
Q(t)
Hidrograf Analizi
q (m 3/s)
i (mm/hr)
t (hr)
t (hr)
input
(Rainfall)
system
output
(Basin)
(Runoff)
Components of Runoff
Akım elemanları
• Channel Precipitation
Kanal yağışı
Yüzey akışı
Yüzey altı akışı
Yeraltı suyu
• Surface Runoff
• Interflow
• Groundwater Flow
Havzaların sistem olarak tanımı
• O halde havzaları bir sistem olarak tanımlamak ve
şematik olarakta bir akış şeması halinde ifade etmek
mümkün olur bu şekilde yer bilim adamları bu sistemi
matematiksel olarak ve fiziksel kanunlara
dayandırılarak ifade etmeye ve model çalışmaları
yapmaya çalışırlar. Bu model çalişmaları bazen
deterministik, bazen istatistiksel veya zamana bağlı
olarakta stokastik olarak açıklanır ve bilgisayarlar
vasıtası ile simulasyon modelleri kurulur.
• Eğer örnek havzaların aletlerle donanımı yapılacak ise
bunu nerelerde kaç adet ve ne süre ile işletilmesi
sorularına yanıt aramak,
• Ve elektronik veya manual ölçülen değerleri bir
kaydedicilere aktarılarak bu bilgilerin kısa zamanda
gerçek zamana yakın olarak transfer edilmesi istenir.
Bu suretle de model çalışmaların yürütülmesi ve
varılan sonuçların kısa zamanda planlama
projelendirme ve işletme-tahmin çalışmalarına
sokulması aranır. Bu modele girdi bilgilerinin sayısal
altlıklarla tanımlanması gerekir
Precipitation
Yağış havzaya girdi olarak
alınır
Yağış ölçer
Weather Radar and Remotely Sensed Data
Hava Radarı ve uzaktan algılama verileri
Manual (non-recording) Gages -Manual akım ölçümü
Recording Gage Kaydedici akım ölçümü
Şamandıra tipi
inside
staff gage
outside
staff gage
shelter
recorder
weight
wire
float
stilling
well
intake holes
intake pipe
Recording Gage
Limnegraf ile akım
ölçümü
Obtaining Rating Curve (Stage –
Discharge)
Anahtar eğrisinin elde edilişi-Seviye Debi ilişkisinin çıkarılışı
Stage (m)
s3
s3
s2
s2
s1
s1
q1
q2
q3
Discharge
(m3/s)
Runoff / Streamflow
Measurement
Acoustic Doppler Current_Akustik doppler radar ile ölçüm
Havzaların tanımlanması için gerekli
parametreler
•
•
•
•
•
•
•
Topografi (alan çevre ve nehir ana kolu uzunlığu)
Eğim ve gradiant (rölyef maksimum, hipsometrik eğri)
Şekil oranı (yuvarlaklık oranı)
Morfoloji (drenaj yoğunluğu ve nehir frekansı)
Jeolojik ve toprak yapısı (kayaç tipi ve toprak cinsi)
Bitki v e arazi kullanımı (Şehir , kırsal orman vs)
Hidrolojik ve meteorolojik veri (yagış rejimi ve akış katsayısı)
Olarak tanımlanması ve sayısal ortama altlıklar olarak
aktarılması istenir
Türkiyenin topografik yapısı
Ave.
Elevation
> 1100 m
Ave.
Slope
> 17 %
Elevation (m)
Havzanın topografyası ve nehir ağı
Sohu Basin with
stream network
Chapter 6
30
Havzaların morfolojik parametreleri
•
•
•
Drainge density (DrenajYoğunluğu)
Dd 
Σ Lu
(m/km
2
)
A
As Dd increases, qp increases, tp decreases
Drainge frequency (Drenaj
Σ Nu
2
D

(# of branches/k m )
Frekansı)
f
A
As Df increases, qp increases, tp decreases
Df same, Dd different
Dd same, Df different
Figure 6.13 Drainage densities and drainage frequencies of
hypothetical basins
Chapter 6
31
Havzanın toprak yapısı ve arazi örtüsü
Example for: land cover and land use
Sohu Basin
Figure 6.16 Land use situation in Sohu Basin
Figure 6.23 CN Values for Çayboğazı Basin
Chapter 6
Çayboğazı Basin
32
• Su teminine yarayan alanlar suyun temini, sulama
suyunun sağlanması, enerjinin üretilmesi, taşkınlardan
korunma özellikleri taşır ve optimum olarak işletilmesi
ile maksimum fayda sağlanır.
• Bunun içinde havza ve civarında yapılan ölçümlerin
yapılması, değerlendirilmesi ve bilgiye dönüştürülmesi
aranır.
• Data (veri)- knowledge (bilgi)- information(bilgi
edinme)
• Veriler değişik amaçlar için yıllık, aylık haftalık
günlük hatta saatlik olarak toplanıp değerlendirilir
.
• Bu verilerin en yüksek, en düşük ve ortalama
değerleri bizler için önem taşır ve uzun süreli
güvenilir olması ve nokta ölçümlerinin belli bir
alanı temsil etme özelliği aranmalıdır. Bu sayede
ölçüm sayısı ve aralığı belirlenir.
Havza hidrolojisinde kullanılan araçlar
Bunlar
•Matematik
•İstatistik (olasılık fonksiyonları)
•Optimizasyon yöntemleri (linear ve dinamik)
•Uzaktan algılama (Uydular-aktif pasif-optik)
•Coğrafi Bilgi Sistemleri vb
olabilir.
Yüzey akış modelinin kurulması
• Şimdi örnek olarak bir yüzey akış modeli kurmaya
bunun planlamasını, işletmesini ve yönetimini
yapmaya çalışalım.
• Bu modelere girdiler , süreç elemanları ve çıktılar
olarak üç grupta toplanabilir ve bu elemanları ya
süreklilik kanununa yada enerji ve momentum
denklemlerine dayandırılarak bilinenler yardımı ile
bulunmak istenen ve projede kullanılması istenen
çıktıları bulunması aranır.
Evaporation, Q(t)
Basin divide
Precipitation, I(t)
I(t) – Q(t) = dS/dt
Basin surface
Streamflow, Q(t)
• Continuity equation -Süreklilik Denklemi
• dS/dt = I(t) – Q(t)
I(t) : inflow (girdi)
Q(t) : outflow
(çiktı)
dS/dt : change in storage (depolamadaki değişiklik)
evaporation
(E)
precipitation
(P)
F)
S
(
flow
e
c
a
f
sur
interflow (I)
storage
water
usage
(W)
GW Table
groundwater flow
(GWF)
seepage
(S)
Figure 1.7 Reservoir as a system
S = (P + SF + I + GWF) – (S + W + E)
Hidrograf Bileşenleri
• Toplam akış hidrgraflarının üç bileşi bulunur (genel
itibari ile)
• Yüzey akışı, yüzey altı akışı ve yeraltı suyu)
• Bu hidrografların değerlendirilerek birim veya anlık
birim hidrografların çıkarılması istenir.
• Bir BH tanıımlanacak olur ise 1BH6. Bunun ne anlama
geldiği ve dayanılan kabullerin iyi anlaşılması istenir.
• Yurdumuzda örnek havzaların BH larının çıkarılmadığı
bu sebeple de yapay yöntemler kullanılarak BH elde
edildiği de bir gerçektir.
Hitograf ve Hidrograf arasındaki ilişki
Effective rainfall (etkilyağış)
Infiltrated amount(Sızma
miktarı)
Net (effective,
excess) rain
i,f (mm/hr)
.
center of gravity
infiltrat
ion cur
 - index
t (hr)
tr
q (m3/s)
Surface runoff (Yüzey akışı)
Baseflow (Taban akımı)
ve
tL
rising limb
(concentration
curve)
peak rate
Rising limb (Yükseliş)
Crest (Tepe)
Falling limb(Çekiliş)
inflection
points
crest
surface runoff
(direct runoff)
falling limb
(recession curve)
(depletion curve)
GW recession
A
base flow
tp
t (hr)
tb
Figure 7.4 Hydrograph shape
Duration of net rain (tr)
Basin lag (tL) öteleme
Time to peak (tp) pik e olan
Base time (tb) Taban süresi
Toprak yapısı ve arazi örtüsünün akıma etkisi
(Soil characteristics and land cover)
Şehirleşmenin hidrograf üzerindeki etkisi
41
Chapter 6
Birim hidrograf ın (BH)t tanımı
• Birim hidrografların çıkarılması için basit sağanak
olaylar seçilir ve etkili yağiş miktarının 1mm veya 1
cm olması aranır.
• Buna bağlı olarakta yüzey akım hidrografı elde
olunur.
• Bu tür çıkarılan BH lar ortalanır ve havzanın temsili
BH çıkarılarak ileride oluşacak sağanak olaylardan
beklenen akımlar elde olunur ve proje debisi ve
gelen taşkın suyunun hacmi bulunur.
Birim Hidrografın öteleme yöntemi ile bulunuşu
i
(mm/hr)
i
(mm/hr)
1 cm
1 cm 1 cm
t (hr)
t (hr)
tr
tr
tr
q
(m3/s)
q
(m3/s)
UHtr [UH2]
UHtr [UH2]
tr hour lagged UHtr [UH2]
t (hr)
t (hr)
tb
i
(mm/hr)
i
(mm/hr)
1 cm 1 cm
tr
tr
addition of two hydrographs
= 2UH2tr [2UH4]
q
(m3/s)
1 cm 1 cm
t (hr)
t (hr)
tr
tr
tb
q
(m3/s)
tr
addition of two hydrographs = 2UH2tr [2UH4]
UH2tr [UH4]
UHtr [UH2]
tr hour lagged UHtr
[UH2]
UHtr [UH2]
tr hour lagged UHtr [UH2]
t (hr)
tb
tr
UH2 + (2 hr lagged) UH2 = 2UH4
t (hr)
tb
tr
• SCS-Toprak muhafaza yöntemi
i
Qp
tr
tL
tp
tf
tb
tr
t
tL
Q
Qp
t
tp
tf
tb
Figure 7.27 Triangular unit hydrograph
: peak flow (m3/s)
: duration of excess rainfall
: lag time
: time to peak or time of rise (hr)
: time of fall or recession time (hr)
: base time
Forecasting Procedure-Öngörü yöntemi
45
Hidrolojik Modeller
46
SRM
(Snowmelt Runoff Model)

HBV
(Hydrologiska Byrans Vattenbalansavdelning)
Farklı yaklaşımlardaki fiziksel tabanlı, yarı dağılımlı iki hidrolojik model
Hidrolojik Modelleme
 SNOWMELT RUNOFF MODEL (SRM)
YAĞIŞ, HAVA SICAKLIĞI VE KARLA KAPLI ALAN
DERECE-GÜN YÖNTEMİ
GÜNLÜK
AKIM
VE TAHMİN
c = akış katsayısı
(CS BENZEŞİMİ
kar, CR yağmur) (SİMÜLASYON)
Q = Ortalama günlük
debi (m³/s)
ɑ = Derece gün faktörü (cm/ ºC.gün)
S = Karla kaplı alan
T= Derece gün sayısı
(ºC.gün)
ΔT= Yüksekliğe
bağlı sıcaklık farkı (°C)
GÖZLENEN
VE HESAPLANAN
AKIM
KIYASLAMASI
P= Akışa katılan yağış (cm)
A = Alanı (km²)
 R² (Nash Sutcliffe Belirlilik katsayısı) ve Dv (Hacim farkı)
k = Çekilme katsayısı
n+1 = hesap yapılan gün
n = gün
HBV Model yapısı
Sonuçlar
Paydaşlar, kurumlar ve idareciler için Eğitim amaçlı
kurslar ve seminerler düzenlenmeli
Kurumlar arası işbirliği, ortak proje çalışmaları
(güdümlü projeler vb), koordinasyon ve hızlı veri alış
verişi sağlanmalı
Son teknolojik araçlar ve analiz teknikleri
kullanılarak verilerin analizi ve bilgiye
dönüştürülmesi ve paylaşımı daha hızlı bir şekilde
sürdürülmeli
Geçmiş olaylardan edinilen deneyimler ile
geleceğe dönük plan ve tasarımların
zamanında yapılması ve tedbirlerin ona göre
alınması ve deneyimli insan potansiyelinden
yararlanılmalı
Verilerin güvenilir, testlerden geçirilmiş, yeterli
sayıda ( alansal) ve zaman boyutunda olması
kaçınılmaz bir gerçektir.
Su kaynaklarının sürdürülebilir kullanımını
içme ve kullanma,
endüstri ve tarımsal su ihtiyacı
hidroelektrik enerji üretimi
su ürünlerinin üretimi
turizm ve rekreasyon sağlamak için entegre havza yönetimi
planlarının çıkartılması ve suyun akılcı bir şekilde kullanımı çok
önemlidir.
Su kaynaklarının tüm kullanıcıların hizmetine sunulması ve
korunması devletin görevidir. Devlet bu faaliyetleri çeşitli kamu
kurum ve kuruluşları eliyle yürütmektedir.
Türkiye’nin gelecek nesillerine yeterli ve temiz su bırakabilmesi
için kaynakların iyi korunup, akılcı planlanması ve kullanılması
lazımdır.