Diğer fen bilimlerinde olduğu gibi, hidroloji de matematik, fizik ve kimya gibi bilim dallarından faydalanır. Her ne kadar jeoloji, jeokimya, zemin mekaniği, oşinografi ve meteorolojinin aralarındaki sınırlar çok bariz değilse de, herbirinin kendine has bir araştırma konusu vardır.
Sudan faydalanma ve korunma yapılarının projelendirilmesi tabiattaki su miktarı ve özelliklerinin bilinmesi ile mümkündür. Bunu ise hidroloji temin eder.
Tarihçe
Çok eski kavimler bile yüzeysel ve yeraltı sularını toplama, biriktirme ve dağıtma ve sellerden korunma konusunda büyük maharet göstermiştir.Özellikle yüzeysel suların miktar ve zamanını ölçmek için çeşitli usuller keşfetmişlerdir. Bunlarla ilgili teoriler ile birlikte de hidroloji bilimi kurulmuştur. On yedi ve on sekizinci asırlarda Pierre Perrault, Edne Mariotte ve Edmund Halley Paris'teki Sen Nehri akışını ve Akdeniz'deki buharlaşmayı ölçmüşlerdi. Yirminci yüzyılda dünya üzerinde pekçok yerlerde bu çeşit ölçümler yapılmaya başlanmıştır. Böylece hidroloji bilimi modern anlamıyla ortaya çıkmıştır.Hidrolojik çevrim (Tabiattaki su dolaşımı)
Okyanuslardan atmosfere atmosferden karalara ve nihayet yine okyanuslara doğru olan su dolaşımını ifade eden hidrolojik çevrim, hidrolojinin esasını teşkil eder. Devamlı olarak hareket eden hava kütlelerinin tesiri ile su, deniz ve karalar içinde, yüzeyinde ve üstünde hareket eder. Bir hava kütlesi soğuk bir hava ile temasa gelince veya yükselince soğur ve içindeki su, bulut olarak yoğunlaşır, yağmur, kar veya dolu haline gelir. Yağış daha havada iken veya yeryüzüne ulaştıktan sonra su, kısım kısım süratle buharlaşır, yüzeyde akışa geçer, zemine sızar, yüzeydeki boşluklarda birikir. Toprağa giren su ise yine bölüm bölüm yüzey altındaki boşlukları doldurarak, daha aşağılara süzülür, buralarda birikir ve yeraltı suyu olarak akar. Toprakta tutulan su, bitki kökleriyle emilir ve yapraklardan buharlaşarak atmosfere döner. Sonra terleme etkisi ile tekrar yüzeye ulaşır ve buradan buharlaşarak atmosfere döner. Buharlaşmaya evaporasyon da denir. Tarlalardan ve ekinden buharlaşan su, bitkinin su ihtiyacını gösterir ve evapotranspirasyon adını alır.Seviye farkları ve jeolojik yapıya göre yüzey ve yeraltındaki suların biri diğerine ulaşır. Buharlaşmayan akarsular da, neticede okyanuslara varır. Hidroloji daha çok suyun, yağış olarak yeryüzüne inmesinden deniz veya okyanuslara varmasına kadar olan safhaları ile ilgilenir. Bunlar; yağış miktarı şiddetli, kar ve buzul halinde biriken su miktarı, buzulların büyüme ve küçülme nisbetleri, akarsu yatakları boyunca çeşitli noktalardaki debiler, göllerdeki su miktarının artma veya azalması, zemine sızma hızı ve miktarı, zemin nemindeki değişmeler, yeraltı suyu miktarının bir göstergesi olarak kuyulardaki su seviyelerinin değişmesi, yeraltında biriken suyun hareket hızı, menba (pınar, kaynak) akışları ve yeryüzüne çıkan su sızıntıları, yeraltı suyu ve yüzeysel akışın taşıdığı çözünmüş ve muallak (asıntı) maddelerin su kullanımına etkisi ve göl, akarsu, toprak ve bitkilerden buharlaşarak giden su miktarı değerleridir. Bunların ölçümleri, işe yarar bilgilerin toplanması ve analizi, sonuçların gerçek problemlere tatbiki ve ilerisi için geçerli metotlar kurulması, yani kısacası hidrolojik çevrimdeki sularla ilgili temel prensip ve kanunların ortaya konulması da hidrolojinin işidir.
Denizlerden buharlaşan su, hareket eden hava kütleleri tarafından karalar üzerine taşınır ve yağmur veya kar halinde yeryüzüne iner. Bu suyun takriben üçte biri yüzeyden veya yeraltından akış suretiyle tekrar denizlere ulaşır. Geriye kalan üçte ikisi ise, buharlaşma veya bitki yapraklarından terleme suretiyle atmosfere döner. Böylece güneş enerjisi deniz suyunu damıtarak, meydana gelen tatlı suyun, karalar üzerinde bitkilerin, hayvanların ve insanların ihtiyaçlarını karşılayacak şekilde dağılmasını sağlar. Bununla beraber bu tatlı su, dünyanın bütün kısımlarına sürekli olarak mahalli ihtiyaçları karşılayacak biçimde verilmemektedir. Çöl bölgeleri çok az su alır veya hiç almaz. Diğer bazı bölgeler ise çok fazla su alır. Normal yağışın yeterli olduğu bölgelerde bile uzun süre devam eden kuraklıklar veya fazla yağışın sellere sebeb olduğu periyotlar (zaman aralıkları) mevcut olabilir. Hidroloji bilginleri kuraklık ve sellerin muhtemel büyüklüğünü tahmin etmeye ve muayyen bir bölgede kullanılabilecek mevcut suyun miktarını tayine çalışır. Ayrıca, barajgölü haznelerinin işletilmesi ve acil sel korunması ile ilgili kısa süreli sel ve su temini tahminleri yapar. Bundan dolayı hidroloji ilmi sel zararlarını azaltma, su kuvveti geliştirilmesi, erozyon kontrolü, içme ve temizlik için evlerde kullanma ile tarımda, endüstride kullanma maksadıyla yeterli su temini projelerinin hazırlanmasında esas alınır. Hidrolojik çevrimin elemanları ilgili duruma göre kayıp veya kazanç olarak birikmiş sudaki değişimi gösterecek şekilde denge halindedir. Buna hidrolojik denge denklemi denir.
Suyun kaynağı
Menbaların ve açık havalarda akarsuların yeraltından gelen uzak bölgelere düşen yağışlarla beslendiği bilinmektedir. Bir nehrin, beslenme havzasına düşen yağışların, meydana gelen akışı sağlamaya kifayet edecek büyüklükte olduğu ölçülerle ortaya konmuştur.Su kalitesi
Düşen yağmur damlalarının ve akan suyun haiz olduğu enerjinin çoğu toprak ve kayaların erozyonuna harcanır. Toprakta erozyonun başlamasında yağmur damlalarının çarpma etkisinin önemli olduğu gösterilmiştir.Bitki örtüsü bu etkiden toprağı koruyarak erozyonu azaltır. Akarsular ise vadilerin tabanını ve kıyılarını aşındırarak kanyonlar ve sel yatakları meydana getirir. Zirai yönden mühim alanlar olan ekime müsait vadilerin ve verimli deltaların meydana gelmesinde de erozyon mühim bir tabii olay olarak karşımıza çıkar. Mamafih, insanların yaptıkları ekim ve diğer faaliyetler, değerli olan yüzeysel toprağın erozyonunu hızlandırabilir. Bu toprak, sonuçta daha aşağıdaki rezervuarlarda faydalı depolama hacmini azaltır ve yatakları doldurarak tıkar. Hidroloji, erozyonu asgari seviyeye indirici çareleri bulmak ve akarsuların taşıdığı sediment (sürüntü maddesi) miktarını tayin etmekle uğraşır. Bunun için yeryüzü erozyonu mekaniğinin ve çeşitli koruyucu tedbirlerin erozyon miktarı üzerindeki etkisinin ve akarsuda sürüntü maddesi hareketi mekaniğinin ele alınması ve incelenmesi gerekir. Akarsudaki asıntı maddelerin miktarını ölçmek için suya bir nümune alma kabı daldırılarak bu maddeyle dolu su nümunesi alınır, süzgeç kağıdından geçirilir, kağıt kurutulup tartılarak maddenin konsantrasyonu bulunur. Bu değer, toplam akış hacmi ile çarpılarak, toplam madde miktarı elde edilir. Aynı şekilde dipte sürüklenen maddelerin miktarı da bir kap yardımı ile tayin edilir.
Ayrıca suda, havzadaki çeşitli kaya ve topraklardan çözünme sureti ile katılmış mineraller de bulunur. Suyun kimyasal analizi yapılarak bunların mikdarları belirlenir ve gerekli ise tasfiye edilmeleri için çökeltme, süzme, adsorblama, iyon değiştirme, dezenfekte etme gibi işlemler de uygulanarak su, sulama, kullanma veya endüstri suyu olarak faydalanma maksadına uygun hale getirilir. Yeraltı sularının kimyasal analizi suların orijinlerinin belirlenmesine de yarar. Bundan başka suların radyoaktif özellikleri de önem taşıyabilir. Bakteriyolojik analizler suyun mikroplar yönünden kirli olup olmadığını ortaya koyar.
Metodları
Su bilim çalışmalarında genelde şu yöntemler kullanılır:1. Ölçmeler
Bütün hidrolojik çalışmalarda ilk adım gerekli doğal verilerin toplanması için ölçümler yapılmasıdır. Hidrolojik olayları laboratuarda benzeştirmek bugün için mümkün olmadığından ölçümlerin doğrudan doğruya doğada yapılması gerekmektedir. Bunun için yeteri sıklıkta bir ölçme ağının kurulması, bu ağdaki istasyonların yeterli hassasiyeti 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 ölçümlerde hassasiyeti 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 metod incelenen olayın zaman ölçeğiyle de ilişkilidir.
Çevrim
Su doğada çeşitli yerlerde ve çeşitli hallerde bulunmakta ve yer küresinin çeşitli kısımları arasında durmadan dönüp durmaktadır. 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.
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 doğada 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.
Dolaşım ve Yeraltı Sularının Oluşumu
Hidrolojik Dolaşım
Yeryüzüne düşen yağış yoluyla oluşan sular, yağış esnasında daha yere ulaşmadan, arazi üzerinden akarken ve bitkiler tarafından alınıp terleme 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 yeraltısularını 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. Suyun çeşitli şekillerde yapmış olduğu bu dolaşımlarına "Hidrolojik Dolaşım" adı verilir. Bu devam edegelen döngü, güneş kaynaklı ısı enerjisi ve yerçekimi ile oluşmaktadır.
Kaynakçalar
- Temel Britannica Ansiklopedileri
- Bilim ve Teknik TÜBİTAK
