Havza HidrolojisininYeri ve Önemi

Dr. A.Ünal Şormansorman@metu.edu.tr

5-7 Kasım 2012Eğitim 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• Süzülme)

Figure 1.1 The hydrologic cycle

Bed Rock

Cloud Wind

RainRainPrecipitationSnow

Transpiration

Evap. SolarRadiation

Evaporation

Evaporation from land

SurfaceflowInfiltration

SnowStorage

PercolationWatertable

InterflowGroundwater

flowLake

GW flow Sea

Deep Percolation

Cloud Cloud

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.

Figure 4.1 Streamflow measuring regions in Turkey

BLACK SEA

MEDITERRANEAN SEA

AE

GE

AN

S

EA

Ergene

Mer

iç

Marmara Sea

Susurluk

Sakarya

Porsuk

Sakarya

Filyo

s

Gediz

B. Menderes

Dalaman

Esen

Akçay

Aks

u

Göksu

K. Menderes

Melendiz

Seyh

an

Cey

han

Asi

Dicle

BatmanBotan

Murat

KarasuPeriM

unzur

Zap

Aras

Kura

ÇoruhAksu

Kelkit

Çekerek

Devrez

21

19

2018

8

1

9

16

17

13

2 3

4

5

6 7

2

10

11

12

14

15

26

2223

24

25C

olap

Habur

Tohma

Simav

Köp

rüça

y

Çarşamba

Bakırçay

Kızılırmak

Kızılırmak

Yeşilırmak

Fırat

Harşit

Hoşap

Su Havzalarının karakteristikleri (DSİ, 1995)Region

No.Name Area (km2) Annual mean

precip. (mm)Annual mean flow

(km3)% of

total flowBasin yield

(l/s/km2)

12

MeriçMarmara

14.56024.100

604.0728.7

1.338.33

0.74.5

2.911.0

34

SusurlukKuzey Ege

22.39910.003

711.6624.2

5.432.09

2.91.1

7.27.4

56

GedizK. Menderes

18.0006.907

603.0727.4

1.951.19

1.10.6

3.65.3

78

B. MenderesBatı Akdeniz

24.97620.953

664.3875.8

3.038.93

1.64.8

3.912.4

910

AntalyaBurdur Göller

19.5776.374

1000. 4446.3

11.060.50

5.90.3

24.21.8

1112

AkarçaySakarya

7.60558.160

451.8524.7

0.496.40

0.33.4

1.93.6

1314

Batı KaradenizYeşilırmak

29.59836.114

811.0496.5

9.935.80

5.33.1

10.65.1

1516

KızılırmakKonya Kapalı

78.18053.850

446.1416.8

6.484.52

3.52.4

2.62.5

1718

Doğu AkdenizSeyhan

22.04820.450

745.0624.0

11.78.01

6.04.3

15.612.3

1920

AsiCeyhan

7.79621.982

815.6731.6

1.177.18

0.63.9

3.410.7

2122

FıratDoğu Karadeniz

127.30424.077

540.11198.2

31.61 14.90 17.08.0

8.319.5

2324

ÇoruhAras

19.87227.548

629.4432.4

6.304.63

3.42.5

10.15.3

2526

Van GölüDicle

19.40557.614

474.3807.2

2.3921.33

1.311.5

5.013.1

Total 779.452 642.6 100.0

Yıllık yagış

Yağışın Dağılımı

Annual rainfall ranges from 0 – 2500 mm

Figure 3.2 Distribution of monthly rainfall (mm) in Turkey

Edirne

ÇanakkaleBursa

Istanbul

Kocaeli

Sakarya

Izmir

Kütahya

AntalyaTarsus

Adana

Kayseri

Hatay

Samsun

Sinop

Kastamonu

Zonguldak

BLACK SEA

MEDITERRANEAN SEA

AE

GE

AN

S

EA

Marmara Sea

SivasErzincan

Erzurum

Kars

Artvin

Rize

Trab

zon

Giresun

Çorum

Gaziantep

Malatya

Mardin

Bingöl

Bitlis Van

Hakkari

DenizliKonya

Ankara

Muğla

Ürgüp

Kırşehir

Çankırı

Elazığ

Ağrı

0

100

050

050

050

0

100

0

100

0

100

0

100

0

100

0

100

200

0

100

0

100

200

0

100

200

300

0

100

0

100

0

100

0

100

0

100

0

100

Şanlıurfa

0

100

0

100

0

100

0

100

0

100

0

100

050

0

100

0

100

200

300

0

100

200

300

0

100

0

100

200

0

100

0

100

Dec.

Nov.

Oct.

Sep.

Aug.

JulyJuneM

ayA

pr.M

ar.Feb.Jan.

0

100

200

Yağışın aylık dağılım haritası

STREAMFLOW – (Aylık akım dağılım haritası)

Figure 4.10 Mean monthly flows (m3/s) at selected stations in Turkey

1104

020

317

518

712

812

902

1242

1336 1402

1528

BLACK SEA

MEDITERRANEAN SEA

AE

GE

AN

S

EA

Ergene

Mer

iç

Marmara Sea

Susurluk

Saka

rya

Porsuk

Sakarya

Filyo

s

Gediz

B. Menderes

Dalaman

Çarşamba

Göksu

K. Menderes

Kızı

lırm

ak

Seyh

an

Cey

han

Asi

Fırat

Dicle

Batman

Botan

MuratKarasu

Peri

Zap

Aras

Kura

Çoruh

HarşitAksuKelkit

Yeşilırmak

Çekerek

Kızılırm

ak

Köp

rüça

y

Kuruça

y

Gerede

Gökirmak

Hoşap

1818

2020

0

100

0

100

200

0

100

200

0

100

200

0

100

0

100

200

300

400

0

100

0

100

200

0

100

200

300

400

500

1908

2152

0

100

200

300

400

500

0

100

200

300

400

500

0

100

200

0

100

200

300

400

105

050100

22012213

23202402

2509

0

100

300

0

100

200

020

0

100

050

2606

2605

2627

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0

100

200

0

100

200

300

400

1604

1714

2119

2105

200

0

100

200

300

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0

100

200

300

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

Φ (System transfer function)

Q(t) = Φ I(t)Transformation Equation

INPUT I(t) SYSTEM OUTPUT

Q(t)

Components of Runoff

• Channel Precipitation • Surface Runoff • Interflow • Groundwater Flow

Akım elemanlarıKanal yağışıYüzey akışıYüzey altı akışıYeraltı suyu

Hidrograf Analizii (mm/hr)

t (hr)

q (m3/s)

t (hr)input system output

(Basin)(Rainfall) (Runoff)

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

Yağış havzaya girdi olarakalınır

Precipitation

Yağış ölçer

Weather Radar and Remotely Sensed DataHava Radarı ve uzaktan algılama verileri

Manual (non-recording) Gages -Manual akım ölçümü

Figure 4.3 Recording stream gauge

shelterinsidestaff gage

outsidestaff gage

stillingwell

recorder

wirefloat

intake pipeintake holes

weight

Recording Gage Kaydedici akım ölçümüŞamandıra tipi

Recording Gage

Limnegraf ile akım ölçümü

Anahtar eğrisinin elde edilişi-Seviye Debi ilişkisinin çıkarılışı

Obtaining Rating Curve (Stage – Discharge)

s1

s2

s3

Stage (m)

Discharge(m3/s)q1 q3q2

s3

s1

s2

Runoff / StreamflowMeasurement

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)

Chapter 6 30

Havzanın topografyası ve nehir ağı

Sohu Basin with stream network

Chapter 6 31

Havzaların morfolojik parametreleri

Figure 6.13 Drainage densities and drainage frequencies of hypothetical basins

Dd same, Df differentDf same, Dd different

• Drainge density (Drenaj- Yoğunluğu)

As Dd increases, qp increases, tp decreases

• Drainge frequency (Drenaj• Frekansı)

As Df increases, qp increases, tp decreases

)(m/km AL Σ D 2u

d

)mbranches/k of (# AN Σ D 2u

f

Chapter 6 32

Havzanın toprak yapısı ve arazi örtüsü

Figure 6.16 Land use situation in Sohu Basin Figure 6.23 CN Values for Çayboğazı Basin

Example for: land cover and land use

Sohu Basin Çayboğazı Basin

• 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 vbolabilir.

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.

Streamflow, Q(t)

Basin divide

Precipitation, I(t)

Basin surface

I(t) – Q(t) = dS/dtEvaporation, 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)

Figure 1.7 Reservoir as a system

precipitationevaporation

interflow

groundwater flow

seepage

waterusage

storage

(E) (P)

(S)(W)

(GWF)

(I)

GW Table

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

Figure 7.4 Hydrograph shape

tLtr

i,f (m

m/h

r)

t (hr)

Net (effective,excess) rain

center of gravity

- index

.infiltration curve

q (m

3 /s)

t (hr)

peak rate

rising limbfalling limb

surface runoff(direct runoff)

crest

inflectionpoints

tbtp

base flowA GW recession

(recession curve)(depletion curve)

(concentrationcurve)

Effective rainfall (etkilyağış)Infiltrated amount(Sızma miktarı)

Surface runoff (Yüzey akışı)Baseflow (Taban akımı)

Rising limb (Yükseliş)Crest (Tepe)Falling limb(Çekiliş)

Duration of net rain (tr)Basin lag (tL) ötelemeTime to peak (tp) pik e olanBase time (tb) Taban süresi

Chapter 641

Toprak yapısı ve arazi örtüsünün akıma etkisi (Soil characteristics and land cover)

Şehirleşmenin hidrograf üzerindeki etkisi

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

t (hr)

i (mm/hr)

q (m3/s)

t (hr)

1 cm

tr

UHtr [UH2]

tb

t (hr)

i(mm/hr)

q(m3/s)

t (hr)

1 cm

tr

UHtr [UH2]

tb

1 cm

tr

tr hour lagged UHtr [UH2]

tr

addition of two hydrographs = 2UH2tr [2UH4]

t (hr)

i (mm/hr)

q (m3/s)

t (hr)

1 cm

tr

UHtr [UH2]

tb

1 cm

tr

tr hour lagged UHtr [UH2]

tr

UH2tr [UH4]

addition of two hydrographs = 2UH2tr [2UH4]

t (hr)

i(mm/hr)

q(m3/s)

t (hr)

1 cm

tr

UHtr [UH2]

tb

1 cm

tr

tr hour lagged UHtr [UH2]

trUH2 + (2 hr lagged) UH2 = 2UH4

• SCS-Toprak muhafaza yöntemi

Figure 7.27 Triangular unit hydrograph

tr

tL

tftptb

t

Q

i

t

Qp

Qp : peak flow (m3/s)tr : duration of excess rainfalltL : lag timetp : time to peak or time of rise (hr)tf : time of fall or recession time (hr)tb : base time

45

Forecasting Procedure-Öngörü yöntemi

Hidrolojik Modeller46

Farklı yaklaşımlardaki fiziksel tabanlı, yarı dağılımlı iki hidrolojik model

SRM HBV(Snowmelt Runoff Model) (Hydrologiska Byrans Vattenbalansavdelning)

Hidrolojik Modelleme SNOWMELT RUNOFF MODEL (SRM)

YAĞIŞ, HAVA SICAKLIĞI VE KARLA KAPLI ALAN

DERECE-GÜN YÖNTEMİ

GÜNLÜK AKIM BENZEŞİMİ (SİMÜLASYON) VE TAHMİN

GÖZLENEN VE HESAPLANAN AKIM KIYASLAMASI

R² (Nash Sutcliffe Belirlilik katsayısı) ve Dv (Hacim farkı)

c = akış katsayısı (CS kar, CR yağmur) 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)

P= Akışa katılan yağış (cm) A = Alanı (km²) k = Çekilme katsayısı n = gün

n+1 = hesap yapılan gün

HBV Model yapısı

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

Sonuçlar

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 ihtiyacıhidroelektrik enerji üretimisu ürünlerinin üretimiturizm 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.