Yağış kaynaklı erozyon ve katı madde hareketinin laboratuvar modeli
Laboratory modeling of rainfall induced erosion and sediment transport
Yazar: KAAN KOCA
Danışman: PROF. DR. HAFZULLAH AKSOY
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kıyı Bilimleri ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2011
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences ; Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering ; İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Erozyon = Erosion ; Eğim = Slope ; Havza modellemesi = Basin modelling ; Kumlu zeminler = Sand soil ; Yamaçlar = Slopes ; Yağmur = Rain ; Yağmur = Rain ; Yağmurlama yöntemleri = Sprinkler methods ; Yağış miktarı = Precipitation amount ; Yağış-akış modelleri = Rainfall-runoff models

Özet:
Erozyon zemin parçacıklarının yağış, akış ve rüzgar etkisiyle yerinden aşınması ve taşınmasıdır. Zemin parçacıklarının yağış ve akış tarafından parçalanarak taşınması olarak tanımlanan su erozyonu ise, süreci en karmaşık ve zararı en çok olan erozyon biçimidir. Akış ile birlikte katı madde ve kirleticiler deniz ve göllere taşınır; suyun kalitesini bozar. Bu nedenle, çevrenin korunması açısından erozyon miktarının tahmin edilmesi önemlidir.Erozyon bir akarsu havzasında yamaçlarda veya akarsu yatağında meydana gelebilir. Yamaç ölçeğinde birçok erozyon modeli bulunmaktadır. Yamaçlarda meydana gelen erozyon sürecini tanımlamak için fiziksel tabanlı yağış-akış modellerinin kullanılması esastır. Fakat, bu modeller için bazı parametrelerin önceden kalibre edilmesi gerekmektedir. Literatürde yapılan birçok çalışma havza yamaçlarını düzlemsel kabul edip, erozyonu sadece boyuna doğrultudaki eğimin etkisi altında incelemiştir. Öte yandan doğada yamaçlar enine doğrultuda da eğime sahiptirler. Yamaçlarda meydana gelen akışı ve katı madde hareketini hassas ve güvenilir bir şekilde modelleyebilmek için 2-boyutlu modeller geliştirilmiş; fakat bu modellerin laboratuvar ve arazi verileriyle kalibre edilmesi mümkün olmamıştır. Geliştirilen bu modellerin performansının belirlenmesi ve kalibrasyonunun yapılabilmesi için laboratuvar çalışmaları gerekmektedir.Bu amaçla İstanbul Teknik Üniversitesi Hidrolik Laboratuvarı'nda, enine ve boyuna doğrultuda eğimi ayarlanabilen bir laboratuvar kanalında, erozyon deneyleri yapılmıştır. Ayrıca çalışmada kullanılmak üzere, doğadaki yağışın fiziksel özelliklerine benzer yağış elde etmek ve farklı çevre koşullarının (eğim, yağış şiddeti gibi) erozyon üzerindeki etkisini belirleyebilmek için bir yağış simülatörü geliştirilmiştir.Bu tez çalışmasında 650 cm uzunluk, 136 cm genişlik ve 17 cm derinliğindeki bir erozyon kanalında, medyan çapı (D50)=0,45 mm olarak belirlenen ve bitki örtüsü korumasına sahip olmayan (çıplak) üniform kumda, iki farklı yağış şiddetinde (85 ve 105 mm/sa) ve belirli enine-boyuna eğimlerde 20 farklı erozyon deneyi yapılmıştır.Yağış simülatöründe 85 ve 105 mm/sa'lik yağış için sırasıyla VeeJet 8060 ve VeeJet 8070 olmak üzere beşer adet püskürtücü kullanılmıştır. Püskürtücüler yatay bir çubuk (püskürtücü çubuğu) üzerine yerleştirilmiştir. Püskürtücü çubuğu ile yatay kanal tabanı arasındaki mesafe 2,60 m olarak ayarlanmıştır. Literatürde bu mesafedeki VeeJet püskürtücülerden yayılan yağmur damlalarının doğadaki yağmur damlalarının eşdeğeri limit hıza ulaştığı belirtilmiştir. Kanal alanı üzerinde üniform yağış dağılımı elde etmek için üniformluk deneyleri yapılmış ve püskürtücüler arasındaki mesafe 125 cm iken Christiansen Üniformluk Katsayısı (CuC) VeeJet 8070 için % 87,3, VeeJet 8060 için ise % 83,0 olarak belirlenmiştir.Erozyon deneyleri sırasında veri kümesini elde etmek için kanaldan ilk yüzeysel akışın çıkışa ulaşması ile beraber 15 saniye ile 1 dakika arasında değişen zaman aralıklarında akış verileri toplanmıştır.Bu tez çalışmasında yapılan deneyler sonucunda, enine ve boyuna eğimin artmasıyla erozyonun arttığı, yağış şiddetinin artmasıyla da erozyonun arttığı ancak hacimsel katı madde konsantrasyonunun etkilenmediği gözlenmiştir. Katı madde yükü ile akış debisi ve eğim arasında; ayrıca eğim ile erozyon arasında farklı ilişkiler kurulmuştur. Çalışmanın sonucunda elde edilen bilgiler, kumlu zeminlerin yağış sonucu meydana gelen erozyon karşısında davranışı hakkında bilgi verirken, 2-boyutlu erozyon modellerini kontrol ve kalibre etmek amacıyla da kullanılabilir.

Abstract:
Erosion is detachment and transportation of soil particles by the factors such as rainfall, runoff and wind. Water erosion which is defined as detachment and transportation of soil particles by rainfall and runoff, is the most complex and destructive form of erosion. Runoff along with the sediments and contaminants carry soil to the sea and lakes and degrade water quality. Thus, estimating the amount of erosion is important to protect to environment.Soil erosion by water can occur on hillslopes and in stream channels. Several hillslope scale erosion modeling alternatives exist. The use of a physically based rainfall-runoff model is basis in identifying the erosion process in such areas. However, such models need prior calibration of some parameters. Existing studies in literature are examined hillslope as a plane surface with a certain longitudinal slope. On the other hand, most hillslopes also have a transversal slope in nature. For modeling runoff and sediment movement on hillslopes precisely and reliably, 2D models have been developed, but these models have not been able to calibrated with laboratory and field data so far. Laboratory studies are required to do calibration and to determine performance of these models.For this purpose, the laboratory experiments were conducted at Hydraulics Laboratory of the Technical University of Istanbul with an erosion flume, adjustable to two different slopes, one in longitudinal dimension, and the other one is in transversal dimension. Furthermore, a rainfall simulator was developed to simulate physical characteristics of the natural rainfall as closely as possible and to study the effect of environmental conditions (such as slope and rainfall intensity).In this thesis, 20 erosion experiments were conducted with a laboratory flume, 650 cm long, 136 cm width, 17 cm depth, on bare uniform sand with a median grain size of (D50)=0.45, using two different rainfall intensities (85 mm/hr and 105 mm/hr) and with certain transversal-longitudinal slopes.In order to deliver 85 mm/hr and 105 mm/hr rainfall, VeeJet 8060 and VeeJet 8070 nozzles, mounted on a horizontal bar (nozzle bar), were used in the rainfall simulator, respectively. The distance between the flume bed and nozzles was set to 2.60 m. In literature, it is stated that this distance is adequate for raindrops to achive their terminal velocity closely equivalent to that of natural rainfall. In order to obtain the uniform rainfall distribution over the entire flume, uniformity experiments were carried out and it was found that Christiansen Uniformity Coefficient (CuC) is %87.3 for 105 mm/hr rainfall, % 83.0 for 85 mm/hr rainfall while the spacing between the nozzles is 125 cm.During the erosion experiments in order to obtain a data set, samples of the flow were started to be collected when the first surface runoff reached the outlet. The time between consecutive samples was range from 15 s to 1 min.Based on the results of experimental studies performed in this thesis, it was concluded that soil loss was increasing with increasing longitudinal and transversal slope as well as with increasing rainfall intensity, however, it was observed that volumetric sediment concentration did not change with increasing rainfall intensity. Different relationships were obtained between the sediment load, flow rate and slope steepness, and between slope and erosion. The data obtained from these experiments account for the behaviour of sand under rainfall and can also be used to check and calibrate different 2D erosion models.