Ağaçlandırılmış açık kömür ocağı materyallerinde arazinin ıslahı ve materyalin stabilizasyonunda ağaç köklerinin etkileri üzerine araştırmalar
Research on the effect of the tree roots on the forested land over the open coal mine residual materials, amelioration and stabilization the land
Yazar: NURAY TOKGÖZ
Danışman: PROF. DR. M. DOĞAN KANTARCI
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2003
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Ağaçlar = Trees ; Kömür ocakları = Coal mines ; Stabilleştirme = Stabilization ; Yer değiştirme = Displacement ; Çekme dayanımı = Tensile strength ; İstanbul-Ağaçlı = İstanbul-Ağaçlı

Özet:
ÖZET AĞAÇLANDIRILMIŞ AÇIK KÖMÜR OCAĞI ARTIK MATERYALLERİNDE ARAZİNİN İSLAHI VE MATERYALİN STABİLİZASYONUNDA AĞAÇ KÖKLERİNİN ETKİLERİ ÜZERİNE ARAŞTIRMALAR İstanbul Ağaçlı yöresinde 1988-1989 yılarında, kireçsiz pliosen I tortullarından (kumlu balçık, balçık, ağır balçık ve kil) oluşan açık kömür ocağı artık materyallerinde başlatılan arazi İslahı ve ağaçlandırma çalışmalarında yaygın olarak Sahil çamı {Pinus pinaster L.), Fıstık çamı (Pinus pinea L.) ve Salkım ağacı (Robinia pseudoacacia L.) türleri kullanılmıştır. Hızlı gelişen bu ağaç türleri, artık materyallerin yüzeyini kısa sürede kapatarak, kökleri ile 80-100 cm derinliğe kadar kavramışlardır. Bu çalışmada, Ağaçlı Yöresindeki ağaçlandırma alanında ham materyallerde gelişmiş ağaç köklerinin, materyalin (toprağın) stabilizasyonuna etkileri araştırılmıştır. Bu amaçla, farklı iki materyal türü üstünde iki ağaç türü (Sahil Çamı ve Salkım Ağacı) ile ağaçlandırılmış arazide 4 örnek alan seçilmiştir. Her örnek alanda 5 adet olmak üzere 20 materyal çukuru açılmış ve her çukurdan 5 derinlikte (2 adet / derinlik) toplam 200 adet silindir örneği alınmıştır. Ayrıca materyallerin mevsimlere göre nem değişimini izlemek için sonda ile 192 adet örnek alınmıştır. Bu materyal örneklerinde (toplam 392 adet); kuru hacim ağırlığı (105 C°), kum, toz, kil oranları, materyalin tutabileceği en fazla su, kapilar su ve ölü su ile materyalin reaksiyonu (pH) ve tuzluluğu, laboratuvar analizleri ile belirlenmiştir. Böylece kömür ocağı artık materyallerinin kuru hacim ağırlıkları, su ile doygun hacim ağırlıkları ve yaz boyunca değişen nem miktarlarına göre hacim ağırlığı değişimleri belirlenmiştir. İki ayrı ağaç türüne göre köklerin materyallere sağladıkları biyo - mekanik stabilizasyonun belirlenmesi için de arazide; Sahil Çamında 30, Salkım Ağacında 32 adet olmak üzere toplam 62 adet "çekme/kopma" deneyi, bu çalışma için geliştirilen özel bir düzenekle (dişli kasa yöntemi) belirlenmiştir. Bu deneylerle; materyal + kök sisteminin, 0-10 cm, 25-35 cm ve 45-55 cm derinlik kademelerinde, çekme gücüne karşı direnci ve materyalin yerdeğiştirme mesafelerine etkisi ölçülerek değerlendirilmiştir. Her ölçmede 4 lt'lik dişli kasadaki materyalin nem miktarı ve kök sayısı ile köklerin çap sınıflarına dağılımı laboratuvarda belirlenmiştir. Ayrıca her iki ağaç türünün kök sistemleri ölçülmüş ve köklerin materyalin içinde gelişme ve kavrama durumu incelenmiştir. Elde edilen bulgulara göre; kumlu balçık materyallerinde yetiştirilmiş Sahil Çamı köklerinin çekme direnci (aç) ve yerdeğiştirme (1) büyüklükleri kök sıklığına bağlı olarak sırasıyla; aç = 2.40-14.35 kg/cm2, 1 - 8.86-20.06 mm arasında; kumlu balçık materyalinde yetiştirilmiş Salkım ağacı köklerinin ise, aç = 1.08-11.38 kg/cm2, 1 = 10.83-38.97 mm arasında bulunuştur. Killi materyallerde yetiştirilmiş Sahil Çamının köklerinin çekme direnci ve yerdeğiştirme mesafesi ise; Sahil Çamının killi materyallerde crç = 10.31-19.75 kg/cm, 1 = 33.30- 45.63 mm arasında, Salkım Ağacı yetiştirilmiş balçıklı - kil materyallerinde a? = 9.38-19.25 kg/cm2, 1 = 30.01-37.83 mm arasında bulunmuştur. Benzer ölçmeler, yalnızca tek bir ağaç kökünde uygulandığında ise, Sahil Çamının 0köı< = 3 cm kalınlığındaki bir kökünde; aç = 30.30 kg/cm2, ¦ XVII -1 = 41.10 mm, Salkım Ağacının 0kök = 3.4 cm çapındaki bir kökünde ise, aç = 61.50 kg/cm2, 1 = 100.8 mm değerlerine ulaşılmıştır Bu sonuçlar; Sahil Çamı ve Salkım Ağacı köklerinin sıklığına ve çapına bağlı olarak artık materyallerin göçmeye karşı direncini arttırdığını ortaya koymuştur. Özellikle Salkım Ağacı köklerinin daha esnek olmaları ve derinliğe bağlı olarak çekme gücü değerlerini, dolayısı ile materyalin yerdeğiştirme mesafelerini daha da arttırmaları, köklerin materyallere sağladığı biyo- mekanik direncin önemli bir göstergesini oluşturmuştur. Bunun yanında; materyalin nem içeriği de çekme gücüne karşı direnci etkilemektedir. Nitekim, kumlu kil materyalinde nem oranının %9.35'ten %15.90'a yükselmesi, uygulanan çekme gücünün 16.50 kg/cm2'den 11.00 kg/cm2 değerine düşmesine sebep olmuştur. Bu bulgu ile materyallerin tane çapı dağılımları ve içerdikleri nem miktarlarının iç sürtünme ve bağlılığı azaltarak çekme gücüne karşı dirençleri önemle etkilediği sonucuna ulaşılmıştır. Bu sonuçlar, henüz topraklaşmamış olan ham materyallerin içerdikleri kükürtten dolayı (pH 2.8 değerine kadar düşerek) şiddetli asit reaksiyonu göstermektedir. Tuzluluk ise 171 - 3067. uJS/cm olup çok yüksek değildir. Özellikle asitlik, yetiştirilen orman ağaçlarının büyümelerini etkilediği gibi asit maden sularını da (kırmızı renkli) oluşturmaktadır. Ham materyallerin bu özellikleri de gözönüne alındığında, ağaç köklerinin 12 yıl içinde 80 - 100 cm' ye kadar materyali derinlemesine kavramaları ve bu materyallerin yerdeğiştirmelerine karşı (göçük dahil) dirençlerini arttırmış olmaları ilginç bir sonuçtur. Dolayısı ile açık kömür ocağı işletmelerinden arta kalan materyallerin hızlı gelişen orman ağacı türleri ile ağaçlandırılarak kısa sürede güçlendirip, stabilize edilebilecekleri sonucuna varılmıştır. - XVIII

Abstract:
SUMMARY RESEARCH ON THE EFFECT OF THE TREE ROOTS ON THE FORESTED LAND OVER THE OPEN COAL MINE RESIDUAL MATERIALS, AMELIORATION AND STABILIZATION THE LAND. Pinus pinaster L., Pinus pinea L. and Robinia pseudoacacia L. types were commonly planted for afforesting and land amelioration on the open coal mine residues formed by the non calcareous Pliocene I sediments (sandy loamy, loamy and clay) in 1988-1989 in Istanbul, Ağaçlı Region. The fast growing type of tree roots have grasped the material up to a depth for 80-100 cm by covering the surface of the residual materials. In this research the effect of the grown tree roots to the material (soil) stabilization on the raw materials of the afforest Ağaçlı Region was studied. For this purpose, 4-sample areas were chosen on the land afforested by two types of trees on two different material types and 20 of trench (holes) are excavated 5 each on each of the sample area and totally 200 of cylinder samples were obtained in five depths (2 sample/depth) from each trench. Besides, 192 of samples were obtained by soil boring in order to follow up the seasonal moisture variation of the material. Dry bulk weight, sand, silt, clay content, maximum water capacity, capillary water and wilt point moisture, reaction of the material (pH) and salinity ratio of these samples were defined through laboratory analysis. Thus, the seasonal variations on the volumetric weight of the material in terms of water saturation and moist capacity were calculated. In order to define the biomechanical stabilization owing two different tree roots, total of 62 insitu manual pull - out tests were carried on the research area which of 32 were Robinia pseudoacacia L. and which of 30 were Pinus pinaster L. through a special method named "dented pulling case" developed for this study. This application was performed either directly to the above mentioned tree "roots" or separately and together with the "root and material" system grown on sandy loamy, sandy - clay loamy, and loamy clay. Through these tests the tensile strength (at) of the "material + root" system in the depths for 0-10 cm, 25-35 cm and 45-55 cm and affect on the displacement of the material were measured and evaluated. Material's existing moisture, root density (number / liter) and the distribution of the roots in diameters (different five number class) in "dented pulling cases" for 4 liter volume were defined at each calculation. Besides, root systems and root area ratio (number / dm2) of both trees were measured in an excavated trench insitu using the "profile wall method" together with grow and grasping of the tree roots within only sandy loamy material were also examined. According to root density, tensile strength (a9) and displacements (1) values vary between aç = 2.40-14.35 kg/cm2, 1 = 8.86 - 20.06 mm for Pinus pinaster L., planted on sandy loamy materials and a9 = 1.08 - 1 1.38 kg/cm, 1 = 10.83 - 38.97mm forRobinia pseudoacacia L., planted on the same materials, respectively. These strength parameters vary between cç = 10.31 - 19.75 kg/cm, 1 = 33.30 - 45.63 mm for Pinus pinaster L., planted on the clay materials and also vary between aç = 9.38-19.25 kg/cm2, 1 = 30.01 - 37.83 mm for Robinia pseudoacacia L., planted on the loamy clay materials. In addition, root strength parameters (aç" and "1") were also measured for single of the tree roots. These values change between aç = 30.30 kg/cm2, 1 = 41.10 mm for Pinus pinaster L. for 0rt = 3 cm, and also change between aç = 61.50 kg/cm2, 1 = 100.8 mm for Robinia pseudoacacia L., for 0rt = 3.4 cm. This results realized that the residual materials improve the collapse resistance depending upon the root density and diameter of the tree roots. Particularly, because the Robinia pseudoacacia L. type roots are more flexible (orientable, formable and renewable features) the improvement of the tensile strength depending on the depth, thus the increase of the displacement of the material was the significant indicator of the bio-mechanic tensile strength of the material provided by the roots. Besides, another result was the sandy loamy and loamy clay materials composition and existing moisture capacity that were also affected the tensile strength significantly. Measurements realized that, increasing of moister content from 9.35 % to 15.90 % caused the reduction of tensile strength from 16.50 kg/cm2 to 1 1.00 kg/cm2 for sandy clay material. In the other words, texture and moisture content effect on tensile strength parameters due to changing of cohesion and internal friction of material. Due to the raw materials that was not become soil yet, these materials has been showed severely acid reaction. But, salinity value is not very high (171 - 3067 uS/cm). Particularly, the acid reaction effects on growing the trees and moreover forming acid mine waters (red colored). These results are interesting in terms of the raw material that was grasped by tree roots to a depth for 80-100 cm and formed a tensile strength against collapse within 12 years. Therefore it was concluded that residual materials of the open coal mines might be improved and stabilized by fast growing types of forest trees. xx.