Bolum-6
Transkript
Bolum-6
21.04.2012 AKARSU AKIMLARI Akarsular hidrolojik çevrimin en önemli elemanlarıdır. Su yapılarının projelendirilmesi ve işletilmesinde su miktarının bilinmesi gerekir. Örneğin •taşkınların kontrolü ile ilgili çalışmalarda maksimum debiyi, •su kuvveti tesislerinin projelendirilmesinde yılda belli bir süre mevcut olan debiyi, bilmek gerekir. Taşkınlardan korunmada ve akarsu üzerine yapılacak su yapısının projelendirilmesinde ölçülen değerler içerisindeki en büyük debi esas alınmalı ölçüm sayısı yetersizse bu değer istatistiki yöntemlerle daha da artırılmalıdır 1 21.04.2012 Akım ölçümlerinin amacı akarsuyun bir kesitindeki su seviyesini ve kesitten geçen debiyi zamana bağlı olarak belirlemektir. Hidrolojinin akım ölçümleri ile ilgilenen koluna hidrometri denir. Süreklilik denklemine göre debi ortalama hız ile akış kesiti alanının çarpımına eşit olduğundan debiyi belirlemek için hız ve kesit ölçümleri yapmak yeterli olur: Bu ölçümleri sürekli yapmak çok zor ve masraflı olacağından pratikte bir istasyonun debi-seviye bağıntısı (anahtar eğrisi) bir kere belirlendikten sonra sadece su seviyesi ölçmekle yetinilir, bu seviyeye karşı gelen debi anahtar eğrisinden okunur. Aşağıdaki şekilde akarsu enkesiti ve anahtar eğrisi görülmektedir. Seviye ve Su Yüzü Eğimi Ölçümleri Herhangi bir karşılaştırma düzlemine (deniz yüzeyine) göre ölçülen su yüzeyi kotuna seviye denir. Seviye ölçümünde yazıcı olmayan ölçekler (limnimetre) ve yazıcı ölçekler (limnigraf) kullanılır: (Limnimetre): Bunların en basiti ve en yaygın olarak kullanılanı santimetre bölmeli ahşap veya metal bir çubuk olup eşel olarak adlandırılmaktadır. Eşel akarsuda köprü ayağına veya akarsu şevindeki bir duvara tutturulabilir. Taşkın yatağı bulunan akarsularda birden fazla eşel kullanmak gerekir. Günde bir veya iki defa (saat 8:00 ve 16:00) okuma alınır. 2 21.04.2012 3 21.04.2012 Limnigraf: Akarsuyla bir boru vasıtasıyla bağıntılı olan bir sakinleştirme kuyusundaki suyun yüzeyindeki bir şamandıranın hareketi şamandıranın bağlı olduğu telin üzerinden geçtiği bir makarayı döndürür. Makaranın dönmesiyle bir yazıcı uç sürekli olarak dönmekte olan bir kağıt şerit üzerinde hareket eder ve seviyenin zamanla değişimi otomatik olarak kaydedilmiş olur. 4 21.04.2012 Su Yüzü Eğimi: Taşkınlar sırasında debiyi hesaplayabilmek için su yüzü eğimini bilm ek önem taşır. Su yüzü eğimi hesaplanırken kesitlerdeki seviye okumalarının aynı anda yapılması gerekir. Akarsuda Hız Ölçümleri Akarsularda hız ölçümleri muline denilen aleti akarsuya daldırıp bir noktada sabit tutmak suretiyle yapılır. Mulinede bir eksen etrafında dönebilen bir pervane, mulineyi akım doğrultusunda tutmaya yarayan bir kuyruk ve mulinenin akım etrafında sürüklenmesini önlemek için kablonun ucuna bağlı bir ağırlık bulunur. Pervanenin dönme hızı ile akım hızı arasındaki aşağıdaki bağıntıdan akım hızı hesaplanır. V = a + bN V: Akım hızı (m/s), a, b: Mulineye ait katsayılar, N: Dakikadaki dönme sayısı (rpm) 5 21.04.2012 Akım Ölçümleri 6 21.04.2012 Akarsularda akım türbülanslı olup hız dağılımı şekilde görüldüğü gibi logaritmiktir. Muline ile hız ölçerken akarsu enkesiti dilimlere bölünür, dilimdeki su derinliği 0.5 m’nin altındaysa su yüzeyinden derinliğin 0.6’sı kadar aşağıda tek okuma alınır. Dilimdeki su derinliği 0.5 m’nin üzerindeyse su yüzeyinden derinliğin 0.2’si ve 0.8’i kadar aşağıda iki okuma yapılıp hesaplanan hızların ortalaması alınır. d<0.5 m ise Vort=V0.6d d>0.5 m ise 7 21.04.2012 Akarsu enkesitinde alınan dilim sayısı akarsuyun büyüklüğüne ve kesitin düzgün olup olmayışına göre 10-30 arasında değişir. Dilimlerin her birinden toplam debinin %10’undan fazla debi geçmemelidir. Dilimlerin genişliklerinin eşit olması gerekmez. Kesitin düzensiz kısımlarında daha dar ortalarında daha geniş dilimler seçmek uygundur. Dilim sayısı arttıkça hassasiyet artacağından sonuç daha doğru çıkar. AKARSU KESİTİNDEKİ DEBİNİN BELİRLENMESİ 0,80 hi 0,20 hi 0,60 hi Vi = V0, 60 Vi = V0, 20 + V0,80 2 Q = ∑Vi × Ai 8 21.04.2012 Örnek 6.1: Şekilde verilen bilgileri kullanarak akarsu enkesitindeki debiyi hesaplayınız. V = a + bN, a = 0.05, b = 0.8 rpm: Dakikadaki dönme sayısı (revolution per minute) şekilde yukardaki rpm değerleri su yüzeyinden itibaren 0.2d’ye, aşağıdaki değerler 0.8d’ye karşılık gelmektedir. 9 21.04.2012 Çözüm: Dilimlerin orta noktalarından dikmeler çizilir (aşağıdaki şekildeki kesikli çizgiler) Ani Enjeksiyon Yöntemi: Akarsuya bir kesitten ani olarak bir radyoaktif madde (flüorasan boya, kimyasal tuz) katılır, mansaptaki diğer bir kesitte katılan izleyicinin konsantrasyonunun zamanla değişimi ölçülür. Akarsu debisi izleyici maddenin kütlesinin korunumu esasına göre aşağıdaki formülle hesaplanır. H1: Akarsuya katılan maddenin hacmi C1: İzleyici maddenin konsantrasyonu C0: Akarsuyun yukarı kesitinde izleyici madde katılmamış tabii konsantrasyonu C(t): Mansaptaki kesitte zamana göre ölçülen konsantrasyon değişimi C(t)’nin hassas bir şekilde ölçülmesi güç olduğundan yöntemin uygulanmasında zorluklarla karşılaşılır. bu 10 21.04.2012 Sürekli Enjeksiyon Yöntemi: Bu yöntemde enjeksiyon sürekli olarak yapılır. Enjeksiyon süresi mansaptaki ölçüm istasyonunda ölçülen izleyici konsantrasyonunun sabit bir C2 değerine erişmesine imkan verecek kadar uzun olmalıdır. Akarsu debisi izleyici maddenin kütlesinin korunumu esasına göre aşağıdaki formülle hesaplanır: Q: Akarsuyun debisi Q1: Akarsuya katılan izleyici maddenin debisi C1: İzleyici maddenin konsantrasyonu C2: Akarsuya izleyici madde verildikten sonraki konsantrasyon Enjeksiyon yöntemleri kullanırken dikkat edilecek nokta iki kesit arasındaki uzaklığın izleyicinin akıma tam olarak karışmasını sağlayacak kadar büyük olmasıdır. Küçük debili ve hızlı akan akarsularda (2-3 m3/s’den küçük debilerde) keskin kenarlı üçgen, trapez veya dikdörtgen savaklarla veya geniş başlıklı savaklarla ve Parshall kanalı gibi düzenlerle debi ölçülmesi de mümkündür. Okunan savak yükünden hidrolik formülleriyle debiye geçilir. Açık kanallarda debi hesabı için üniform akım denklemleri (Manning denklemi gibi) kullanılabilir. Ancak bunun için su yüzeyi eğiminin kesit karakteristiklerinin ve pürüzlülüğün bilinmesi gerekir. 11 21.04.2012 12 21.04.2012 Örnek 6.2 Bir akarsuyun debisini ölçmek için A istasyonundan saat 8’de 20 kg boya katılmış ve 12 km mansaptaki B istasyonundan saatte bir alınan numunelerdeki boya konsantrasyonu ölçülerek tabloda görülen değerler elde edilmiştir. a-) Akarsuyun debisini ani enjeksiyon yöntemini kullanarak hesaplayınız b-) Bu kesitler arasındaki akarsuyun ortalama hızını hesaplayınız 13 21.04.2012 b-) İzleyicinin ağırlık merkezinin B istasyonuna varış zamanını (tm) hesaplamak için t’nin ilk değerine göre momentler alınır: Hidrolojinin akım ölçümleri ile ilgilenen koluna hidrometri denilmektedir. Ölçüm istasyonları ağı planlanırken kurulacak istasyon sayısı ve yerinin optimum şekilde belirlenmesi lazımdır. İstenen doğrulukta ölçümlerin mümkün olduğu kadar ucuza elde edilmesi amaçlanır. Üç tip istasyon vardır. 1-Baz (esas) İstasyonlar: Sürekli olarak işletilen bu istasyonlar önemli akarsuların ağızları yakınında ve başlıca kollarında kurulur. Ölçüm yapılmayan kesitlerdeki akımlar baz istasyonlardaki kayıtlara dayanarak tahmin edilir. 2-Sekonder (tali) İstasyonlar: 3-Geçici Özel Maksatlı İstasyonlar: Kurulması planlanan su yapılarının yakınında ya da araştırma yapmak amacıyla belli bir süre işletilirler. 14 21.04.2012 Dünya Meteoroloji Örgütü tarafından hidrometri istasyonlarının sıklığı için düz bölgelerde 1000-2500 km2’de bir istasyon dağlık bölgelerde 300-1000 km2’de bir istasyon tavsiye edilmektedir. Türkiye’de hidrometri istasyonlarının işletilmesine 1935 yılında başlanmıştır. Bu istasyonlardan esas olanlar Elektrik İşleri Etüd İdaresi (E.İ.E.İ.) geçici olanlar Devlet Su İşleri (D.S.İ.) tarafından işletilir. Türkiye’de hidrometri istasyonlarının günlük debileri her yıl E.İ.E.İ. tarafından Su Yılı Akım Değerleri ve D.S.İ. tarafından Akım Gözlem Yıllığı adı altında yayınlanmaktadır. Her yıllıkta bir su yılı boyunca ölçülen debiler bulunur. Su yılı: Bir önceki takvim yılının 1 Ekiminden başlayıp o takvim yılının 30 Eylülüne kadar geçen süreye denir. Örneğin 2004 su yılının başlangıcı 1 Ekim 2003, sonu 30 Eylül 2004 dür. Su yılının 1 Ekimde başlatılmasının nedeni bu tarihte yeraltı su seviyesinin en düşük değerlere düşmesidir, böylece yüksek suların bulunduğu dönem iki yıl arasında bölünmemiş olur. 15 21.04.2012 16 21.04.2012 Akış Kayıtlarının Analizi 1. 2. 3. 4. Anahtar Eğrisi, Debi Gidiş Eğrisi, Debi Süreklilik Eğrisi ve Toplam Debi Eğrisi olmak üzere dört önemli eğri elde edilir. ANAHTAR EĞRİSİ h Q 17 21.04.2012 Anahtar Eğrisi h h Q Normal Ölçek Q Logaritmik Ölçek Anahtar eğrisinin çıkarıldığı kesitte seviye ile debi arasında belirli tek bir bağıntının bulunması gerekir. Böyle bir kesite "kontrol kesiti" adı verilir. Kontrol kesitindeki anahtar eğrisi çeşitli sebeplerle (akarsu tabanının taranması veya sedimentle dolması, köprü yapımı ve bitkilerin büyümesi) zamanla değişir. Alüviyal akarsularda tabanın hareketli olması nedeniyle oyulma ve yığılmalar sonunda anahtar eğrisi değişebilir. Bu nedenle kesitin anahtar eğrisinin değişip değişmediğini arada bir (yılda bir iki defa) kontrol ederek anahtar eğrisini duruma göre yukarıdaki şekilde görüldüğü gibi aşağı ya da yukarı kaydırmak gerekir. 18 21.04.2012 Taşkın esnasında ölçme yapılamayacağı için anahtar eğrisinin uzatılması gerekir. Bunun için şekilde görülen logaritmik ölçekte çizilen anahtar eğrisini kullanmak uygun olur. Bir başka yol ise Q ile h arasında aşağıdaki bağıntının bulunduğunu kabul etmektir: Q = K (h-h0)n K, h0, n: O istasyonda ölçülen değerlerden elde edilir. Bunun için yukardaki bağıntının logaritmik kağıt üzerinde bir doğru şeklinde görünmesinden faydalanılır. H0 değeri log Q ile log(h-h0) arasındaki bağıntıyı doğrusal bir bağıntıya yaklaştıracak şekilde deneme ile belirlenir. Seviyenin farklı bölgelerinde (alçak, orta, yüksek sularda) sabitler farklı değerler alabilir. 800 y = 0.0122x1.9801 R² = 0.9862 700 600 Debi, m3/s Su Seviyesi (cm) Debi (m3/s) 20 6.9 30 9.9 40 15.2 50 22.5 60 32 80 66 100 116 150 279 200 486 250 720 500 400 300 Ölçülmüş 200 Üs (Ölçülmüş) 100 0 0 50 100 150 200 250 300 Seviye, cm 19 21.04.2012 300 250 Seviye, cm 200 150 Ölçülmüş 100 Anahtar Eğrisi Üs (Ölçülmüş) 50 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Debi, m3/s Debi-Gidiş Eğrisi: Debinin zamanla değişimini gösteren eğridir. Günlük veya aylık olabilir. Aylık değerler alınırsa grafik histogram şeklinde olup debiler de aylık ortalama debileri gösterir. 20 21.04.2012 Debi Debi - Zaman Grafiği Zaman ■ Günlük ortalama debilerin zamanla değişimini gösteren eğriye "debi gidiş çizgisi" denir. ■ Türkiye'de, akım gözlem istasyonlarında elde edilen günlük ortalama debiler bir su yılı için (1 Ekim - 30 Eylül) EİE ve DSİ tarafından yayınlanan akım rasat (gözlem) yıllıklarında yayınlanır. Debi-Süreklilik Eğrisi: Mevcut bulunan debi-gidiş eğrisinden faydalanarak debinin belli bir değere eşit yada ondan büyük olduğu, zaman yüzdesi hesaplanıp düşey eksene debiler yatay eksene zaman yüzdeleri taşınarak debi süreklilik eğrisi elde edilir. Debi süreklilik eğrisinin elde edilmesi (1 yıl için): 1 yıldaki bütün günlerde ölçülen debiler büyükten küçüğe doğru sırayla dizilir (1.sütun). 21 21.04.2012 Debi Süreklilik Eğrisi Q Q Q t1 t2 t1 + t2 ___________________________________ 2 Zaman t 0 Zamanın % 100 Debi gidiş çizgisinden faydalanarak, debinin belli bir değere eşit veya ondan büyük olduğu zaman yüzdesi düşey eksende, zaman yüzdeleri yatay eksende gösterilerek çizilen eğriye "debi süreklilik çizgisi (eğrisi)" denir. Debiler büyükten küçüğe doğru dizilir. Her bir debinin aşılma ihtimali: m/(n+1) m: sıraya dizilmiş debilerin sıra numarası, n: toplam veri sayısıdır. Toplam Debi Eğrisi: Toplam akış hacminin zamana göre değişimini gösteren eğriye denir. Bir başlangıç anından herhangi bir t anına kadar akarsudan geçen toplam akış hacmi şeklinde hesaplanır. Burada S akış hacmini Q debiyi göstermektedir. Toplam debi eğrisi depolama haznelerinde gerekli kapasiteyi hesaplamakta kullanılır. Toplam debi eğrisinin herhangi bir yerindeki teğetin eğimi o anda akarsudaki debiye eşittir. Eğrinin iki noktasının ordinatlarının farkı o zaman aralığında geçen toplam hacime eşittir. Aşağıdaki şekilde 5 yıl için toplam debi eğrisi görülmektedir. 22 21.04.2012 Örnek 6.3: Bir baraj haznesine giren aylık akım değerleri tabloda verilmiştir. Bu baraj haznesinden yıl boyunca giren akımların ortalamasına eşit bir debiyi çekmeyi sağlayacak hazne kapasitesini belirleyiniz. 23 21.04.2012 8000 7000 B 6000 5000 4000 3000 2000 1000 A 0 1 Ekim Kasım Aralık Ocak Şubat Mart Nisan Mayıs Haziran Temmuz Ağustos Eylül 3 5 Q (Milyon m3) 296 386 504 714 810 1154 746 1158 348 150 223 182 7 Hazne Hacmi Aylık Çekilen S (Milyon m3) 296 682 1186 1900 2710 3864 4610 5768 6116 6266 6489 6671 9 11 1900 531.25 1900 1664.8 1519.5 1492.3 1675.0 1900.0 1900.0 1900.0 1900.0 1716.8 1335.5 1027.3 678.0 13 1900 555.9 1900 1640.1 1470.2 1418.3 1576.4 1830.5 1900.0 1900.0 1900.0 1692.1 1286.2 953.3 579.4 24