HİDROLOJİNİN TANIMI

Yeryüzünde canlıların yaşaması için suyu kullanmak ve kontrol altına almak gerektiğinden insanlar tarihin başlangıcından beri su ile ilgilenmişler, suyun özelliklerini tanımaya, hareketini yöneten kanunları belirlemeye, oluşturabileceği tehlikeleri önlemeye ve sudan en iyi şekilde yararlanmaya çalışmışlardır. Suyun hareketini inceleyen bilime hidromekanik, bu bilimin teknikteki uygulamasına hidrolik dendiğini biliyoruz. Hidroloji ise suyun yerküresindeki dağılımını ve özelliklerini inceler. Hidrolojinin en geniş bir şekilde tanımını şu şekilde yapabiliriz: "Hidroloji, yer küresinde (yani yeryüzünde, yer altında ve atmosferde) suyun çevrimini, dağılımını, fiziksel ve kimyasal özelliklerini, çevreyle ve canlılarla karşılıklı ilişkilerini inceleyen temel ve uygulamalı bir bilimdir". (A.B.D. Bilim ve Teknoloji Federal Konseyi Bilimsel Hidroloji Komisyonu tarafından 1962 yılında önerilen tanım)

Bu tanımıyla hidroloji diğer birçok bilimlerin alanlarına da girmektedir. Disiplinler arası bir niteliği olan Hidroloji bilimi Matematik, Fizik ve Kimya gibi bilimlerle yakın bir ilişki içindedir. Hidrolojiyle diğer bilimler arasındaki sınırları kesin olarak çizmek çok güçtür. Ancak atmosferdeki su ile daha çok meteorolojinin, denizlerdeki su ile oşinografinin, yerin derinliklerindeki su ile de jeoloji ve zemin fiziğinin uğraştıkları söylenebilir. Bu kitapta hidroloji daha çok inşaat mühendisliğindeki uygulamaları açısından ele alınacaktır.

HİDROLOJİNİN METOTLARI

Hidrolojik çalışmalar genellikle şu sırayı izler:

1. Ölçmeler: Bütün hidrolojik çalışmalarda ilk adım gerekli doğal verilerin toplanması için ölçmeler yapılmasıdır. Hidrolojik olayları laboratuarda benzeştirmek bugün için mümkün olmadığından ölçmelerin doğrudan doğruya tabiatta yapılması gerekmektedir. Bunun için yeter sıklıkta bir ölçme ağının kurulması, bu ağdaki istasyonların yeterli prezisyonu olan araçlarla donatılması ve bu ölçeklerin itinalı bir şekilde okunması gerekir. Hidrolojik veriler gerek zamanla gerekse yerden yere çok değiştikleri için ölçmelerin sık noktalarda ve sürekli olarak yapılması gereklidir. Son yıllarda hidrolojik ölçmelerde prezisyonu arttıran araçlar kullanılmaktadır, bu arada nükleer tekniklerin kullanılması gittikçe yaygınlaşmaktadır.
 

2. Verilerin işlenmesi: Ölçmeler sonunda elde edilen bilgiler çok sayıda ve dağınıktır. Bu verilerin insan eliyle kaydedilmesi yerine otomatik olarak kartlara, şeritlere geçirilmesi ve veri tabanları halinde saklanması uygundur. Bu kayıtları en iyi şekilde yararlanılabilecek hale getirmek gerekir. Bu iş için günümüzde ileri bilgi işlem metotları kullanılmakta, işlemler bilgisayarlarla yapılmaktadır.

3. Matematik modeller kurulması: Bütün hidrolojik verileri ölçerek elde etmek ekonomik olmayacağı gibi birçok hallerde mümkün de olmadığından ölçümlerin bulunmadığı ya da yetersiz olduğu hallerde hidrolojik olayları yöneten kanunların belirlenmesi için bu olayların matematik modellerinin kurulması ve bunların doğruluğunun ölçme sonuçlarıyla karşılaştırılarak kontrol edilmesi gerekir. Fizik kanunları esas alınarak kurulan bu modeller doğadaki hidrolojik sistemlerin soyutlanmış benzerleri olarak düşünülebilir. Bu modellerin kurulmasında sistem analizi metotları önem kazanmaktadır. Hidrolojik modeller insanların doğada yapacakları değişikliklerin sonunda hidrolojik büyüklüklerde oluşacak değişmelerin tahmininde de kullanılır.

4. Olasılık hesabı ve istatistik metotlarının kullanılması: Hidrolojik olaylar değerleri zaman içinde değişen çok sayıda değişkenin etkisi altında meydana geldikleri için önceden kesinlikle belirlenemeyen bir nitelik taşırlar. Örneğin elde bulunan 30 yıllık ölçme sonuçlarını kullanarak bir akarsuda gelecek 100 yıl içinde görülecek en büyük taşkını kesin olarak belirlemek mümkün değildir. Bu bakımdan olasılık teorisi ve istatistiğin hidrolojide kullanılması büyük önem taşır. Ancak bu bilimler yardımıyla 100 yıllık taşkın debisi için tahminler yapmak mümkün olabilir. Bu bilimlerin hidrolojideki önemleri son yıllarda daha iyi anlaşılmış ve hidroloji öğretiminde bu gibi metotlara büyük bir yer verilmeye başlanmıştır. Ancak unutulmaması gereken bir nokta bu metotları gözü kapalı olarak uygulamamak, daima önce hidrolojik olayın fiziksel yönlerini incelemek zorunluluğudur.

Hidrolojik olayların incelemesinde değişkenlerin çokluğu ve aralarındaki ilişkilerin karmaşıklığı yüzünden teorik bir analiz çoğu zaman mümkün olmadığından yaklaşık yöntemler kullanmak gerekir. Bu sebeple birçok problemlerin çözümü için birden fazla yöntem kullanılabileceği görülür. Bunların arasında uygun bir seçim yapmak bilgi ve deneyimi gerektirir. Kullanılacak yöntem incelenen olayın zaman ölçeğiyle de ilişkilidir.

HİDROLOJİK ÇEVRİM

Su doğada çeşitli yerlerde ve çeşitli hallerde bulunmakta ve yer küresinin çeşitli kısımları arasında durmadan dönüp durmaktadır. Suyun doğada dönüp durduğu yolların tümüne birden hidrolojik çevrim denir. Hidrolojik çevrimi gözden geçirmeye herhangi bir noktasından başlayabiliriz. Atmosferden başlayacak olursak, atmosferde buhar halinde bulunan su yoğunlaşarak yağış şeklinde yeryüzüne düşer. Karalar üzerine düşen suyun büyük bir kısmı zeminden ve su yüzeylerinden buharlaşma ve bitkilerden terleme yoluyla denizlere erişmeden atmosfere geri döner, bir kısmı bitkiler tarafından alıkonur, bir kısmı zeminden süzülerek yeraltına geçer. Geriye kalan su ise yerçekimi etkisiyle hareket ederek akarsulara ve onlar yoluyla denizlere ulaşır. Yeraltına sızan su ise yer altı akışı yoluyla sonunda yeryüzüne çıkarak yüzeysel akışa katılır. Denizlere ulaşan su da buharlaşarak atmosfere geri döner. Görüldüğü gibi su katı, sıvı ve gaz hallerinde doğanın çeşitli kısımları arasında ve çeşitli yollar izleyerek dönüp durmaktadır. Bu çevrim için gerekli enerji güneşten ve yerçekiminden sağlanır. Yerküresinin iklim sistemi ile yakından ilişkili olan hidrolojik çevrim günlük ve yıllık periyotları olan bir süreçtir.

Atmosfer biriktirme sisteminden yüzeysel biriktirme sistemine düşen yağışın bir kısmı sızma yoluyla zemin nemi biriktirme sistemine, oradan da perkolasyon yoluyla yer altı biriktirme sistemine geçmektedir. Her üç sistemin de buharlaşma ve terleme yoluyla atmosfer ile ilişkileri bulunduğu gibi yüzeysel biriktirme sistemine düşen yağış eklenip buharlaşma kayıpları çıktıktan sonra geriye kalan su akarsularda akış şeklinde denizlere veya göllere ulaşmakta, oradan buharlaşma ile atmosfere geri dönmektedir. Hidrolojik çevrim sırasında su aynı zamanda yer yüzeyinden söktüğü katı taneleri akarsular yoluyla göl ve denizlere taşıyarak yerkabuğunun biçim değiştirmesine sebep olur.

Sistem, düzenli bir şekilde birbirleriyle ilişkili olan ve çevresinden belli bir sınırla ayrılan bileşenler takımı olarak tanımlanır. Sistemi çevresinden ayıran sınırın çizilmesi incelenen problemin özelliklerine bağlıdır. Hidrolojik çalışmalarda göz önüne alınan sistem bir akarsu havzasının bir bölümü olabileceği gibi bir havzanın tümü de olabilir, birkaç havza bir arada bir sistem olarak da düşünülebilir. Bir sistemin çevresiyle olan ilişkileri girdi ve çıktı vektörleriyle belirlenir. Bir biriktirme sisteminin girdileri (x) sisteme çevresinden giren sular, çıktıları (y) ise sistemden çevreye çıkan sulardır. Sistemin herhangi bir andaki durumunu sistemde o anda depolanmış olan S su miktarı belirler. Sistem, o andaki durumuna göre girdileri çıktılara dönüştürür:

y (t) = f (x(t))

Yerküresinde insanın varlığı hidrolojik çevrimi etkilemektedir. Bu diyagram hidrolojinin mühendislikteki önemini de ortaya koymaktadır. Mühendislik hidrolojisinde yüzeysel akışını aynı çıkış noktasına gönderen bölge olarak tanımlanan su toplama (drenaj) havzasını esas ünite olarak ele almak uygun olur. İnsanın hidrolojik çevrim üzerindeki etkisi yağış safhasında suni yağış şeklinde görülür. Diyagramda bir havzaya düşen yağışın bir kısmının buharlaşma ve terleme ile atmosfere geri döndüğü bir kısmının zemine sızarak yer altı taşıma ve biriktirme sistemine katıldığı, bir kısmının da yüzeysel taşıma ve biriktirme sisteminde yüzeysel akış haline geçtiği görülmektedir. İnsan doğal bitki örtüsünü değiştirerek tutma, terleme ve sızma kayıplarını etkileyebilir. Bunun sonunda yüzeysel akış değişir. Örneğin ormanların kesilmesi sonunda yüzeysel akış hacminin ve taşkınların büyüdüğü görülmüştür. Şehirleşme de sızma kayıplarını azaltacağından yüzeysel akış üzerinde etkili olur, yer altı biriktirme sistemini de etkiler. Bir yandan da kirli artıkların akarsulara dökülmesiyle insan tabiatta suların kirlenmesine, böylece su kalitesinin düşmesine sebep olmaktadır. Şehirleşmenin ve endüstrinin ilerlemesiyle daha da önem kazanan bu sorun insanın hidrolojik çevrim üzerine etkisinin olumsuz bir yönünü yansıtmaktadır. İnsanlar tarafından meydana getirilen büyük biriktirme hazneleri akarsulardaki akış rejimini değiştirirler, bu hazneler aynı zamanda önemli miktarda buharlaşmaya yol açtığı için haznelerden buharlaşma diyagramda ayrıca gösterilmiştir.

İnsan kendisi için gerekli olan suyu akarsular ve haznelerden su alarak yüzeysel sistemden ve yerçekimi ya da pompajla yer altı sisteminden elde edebilir. Bir havzada mevcut toplam su miktarı hidrolojik çalışmalarla belirlenir. Bu miktarı ihtiyaçla karşılaştırarak suyun en ekonomik şekilde kullanılmasını sağlamak ise su kaynaklarını geliştirme çalışmalarının konusudur.

HİDROLOJİK DOLAŞIM VE YERALTISULARININ OLUŞUMU 

2.1 Hidrolojik Dolaşım (Hydrologic Cycle)
2.1.1 Tanım

Yeryüzüne düşen yağış (yağmur, kar, dolu, çiğ vb.) yoluyla oluşan sular, yağış esnasında daha yere ulaşmadan, arazi üzerinden akarken ve bitkiler tarafından alınıp terleme (transpirasyon) yolu ile dışarı çıkıp buharlaşır. Bu suyun "Kısa Dolaşım" yapması ve tekrar atmosfere dönmesi olayıdır.
Aynı şekilde oluşan suların bir kısmı ise yüzeyde akar ve çeşitli akarsuları oluşturur. Diğer bir kısmı da yeraltına sızar; buralarda birikir ve "Yeraltısuları"nı meydana getirir. Yeraltına sızan bu sular boşlukları ve çatlakları doldurur; bu boşluk ve çatlaklar boyunca derinlere kadar gider; ya da bir noktadan "Kaynak" şeklinde yeryüzüne yeniden çıkar, akarsulara, göllere veya denize boşalır. Bu yüzden su daha uzun yollu "Büyük Dolaşım" yapmış olur (Şekil 2.1). Suyun çeşitli şekillerde yapmış olduğu bu dolaşımlarına "Hidrolojik Dolaşım" adı verilir. Bu devam edegelen döngü, güneş kaynaklı ısı enerjisi ve yerçekimi ile oluşmaktadır.

2.1.2 Genel denklem 
Eğer bir havzada yağış, akış, buharlaşma ölçülebilirse, yeraltına sızan suların miktarı, bunlara bağlı olarak, basit bir denklemle bulunabilir. Şöyle ki;
Y=B+A+S Burada, Y-Yağış; B -Buharlaşma; A - Akış; S - Sızma, olarak gösterilmiştir. Bu denkleme dayanarak bir havzadan yeraltına sızan suların miktarı: S = Y - (B + A) şeklinde kolayca bulunabilir. Aşağıdaki bölümlerde bu denklemi oluşturan büyüklerin ölçümleri ve değerlendirilmeleri sırası ile görülecektir.