Jeolojik, pedolojik ve atmosferik koşulların toprak radon gazının hareketine etkileri

Abstract

İstanbul Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Jeoloji Mühendisliği Anabilim Dalı, Jeoloji Mühendisliği Programı'nda doktora tezi olarak hazırlanan bu çalışma kapsamında, toprak radon gazının zamansal değişimi üzerinde jeolojik, pedolojik ve atmosferik parametrelerin etkileri irdelenmiştir. Toprak radon gazının zamansal davranışı üzerinde etkili olmuş parametreler ile ilgili yapılan önceki çalışmalarda çelişkili sonuçlara ulaşılmış olması bu doktora tezinin başlangıç noktasını oluşturmaktadır. Bu çalışmada radon gazının toprak zemindeki konsantrasyon değişimleri ve bu değişimler üzerinde etkili olabilecek farklı parametreleri; yerinde, yeterli süre ve zamansal çözünürlükte ölçerek olası korelasyonların ortaya konulması amaçlanmıştır. Bunun için, 4'ü Gebze'de, biri Armutlu (Yalova), bir diğeri ise Sarıköy (Gönen)'de olmak üzere toplam 6 gözlem istasyonu kurulmuştur. Gebze'deki istasyonlar farklı toprak özelliklerinin, Armutlu istasyonu jeotermal koşulların, Sarıköy istasyonu ise yeraltısuyu seviyesi değişimlerinin etkisini araştırmak üzere oluşturulmuştur. İstasyonlarda Nisan 2009 ile Kasım 2010 tarihleri arasında yaklaşık 1.5 yıllık bir süre boyunca yapılan gözlemlerde 9 farklı parametre (toprak radon gazı, toprak sıcaklık, toprak nem, hava sıcaklık, hava basınç, yağış, rüzgar hızı, rüzgar yönü, yeraltı su seviyesi) olmak üzere genel toplamda 1.120.715 adet zamana bağlı veri toplanmıştır. Toprak radon gazı ve yeraltı su seviyesi 15 dakika; toprak sıcaklık, toprak nem, hava sıcaklık, hava basınç, yağış, rüzgar hızı, rüzgar yönü verileri ise 1 saat zaman aralıklarında ölçülmüştür.Toplanan veriler öncelikle kontrol edilmiş ve sahada veri toplamanın doğası gereği yaşanması doğal olan çeşitli veri eksiklikleri giderilmiş, istatistiksel özellikleri incelenmiş ve tüm veriler günlük ortalama değerlere dönüştürülmüştür. Bu ilk aşama ardından veriler saçılım grafikleri ve türev grafikleri ile incelenmiş, görgül kip ayrıştırma (EMD) yöntemi ile de farklı frekansta sinyallere ayrıştırılarak parametreler arasında korelasyon değerleri hesaplanmıştır. Elde edilen tüm veriler toprak özellikleri ve jeolojik koşullar ışığında değerlendirilmiş ve yorumlanmıştır. Çalışmanın sonucunda, toprak radon gazı değişimlerini kontrol eden parametrelerin yalın bir ilişki sunmadığı, koşullara bağlı olarak farklı sonuçlara neden olabildiği görülmüştür. Topraktaki radon konsantrasyonlarını etkileyen en önemli parametrenin toprak nemi olduğu, özellikle kurak aylarda meydana gelen ani nem artışlarının radon konsantrasyonlarında da ani artışlar meydana getirdiği saptanmıştır.Toprak radon gazı ile ilgili çalışmalarda güvenilir sonuçlara ulaşmak için bir yıldan uzun süreli, yerinde, kesintisiz ve çok parametreli gözlemlerin yapılmasının önemli olduğu, özellikle toprak neminin ve sıcaklığının mutlaka izlenmesi ve birlikte değerlendirilmesi gerektiği sonucuna ulaşılmıştır.

Within the frame of this Doctoral Thesis, which has been conducted in Department of Geological Engineering of the Institute of Graduate Studies in Science and Engineering of Istanbul University, effects of geologic, pedologic and atmospheric conditions on the movement of soil radon gas are investigated.Controverting results of previous studies for parameters, which probably control temporal distribution of soil radon gas, was the trigger for this doctoral thesis. In this study variations of soil radon gas concentration and parameters which most probably control these variations are measured in-situ, in a temporal high-resolution fashion and for a necessarily long time-period, in order to fulfil the scope of the thesis, namely to determine correlations between the soil radon gas concentrations and possible controlling parameters. For this purpose in total six observation sites/stations, four in Gebze, one in Armutlu (Yalova) and another one in Sarıköy (Gönen), are settled. Those in Gebze are settled to search effects of different pedologic properties, that in Armutlu to investigate effects of geothermal conditions and that in Sarıköy to analyse the effects of changes in water-table. At these sites during the time-period of 18 months from April, 2008 to November, 2010, nine different parameters (soil radon gas, soil temperature, soil moisture, air temperature, air pressure, precipitation, wind speed, wind direction, groundwater level) are measured and in total 1.120.715 time-dependent data are collected. Hereby, soil radon gas and groundwater level are measured every 15 minutes, soil temperature, soil moisture, air temperature, air pressure, precipitation, wind speed and wind direction are measured every 60 minutes.The collected data are controlled, some few gaps, which unavoidably happened during the long data acquisition period, are restored; the statistical properties of the data-set are checked and for all parameters daily average values are determined. After this step, scatter and derivative plots of the data are evaluated. The time-series of each measured parameter are then processed by Empirical Mode Decomposition (EMD) in order to obtain different frequency signals. Finally, correlation coefficients between these parameters are determined.The results of data processing are evaluated and interpreted in the light of pedologic, geologic and atmospheric conditions. This indicated that the relation between the soil radon gas and these parameters are non-linear. Hence, depending on conditions different results can be achieved. However, it could be determined that the soil moisture is most critical parameter, which controls the soil radon gas concentrations. Particularly, increase of soil moisture after dry periods leads to sudden increase of soil radon gas concentrations.This study showed that reliable results and interpretations can only be achieved, if multiple parameters are measured in-situ, continuously and for a period longer than one year. Especially, moisture and temperature of soil have to be measured and interpreted synchronously with soil radon gas concentrations.