Sızdırma hendeğinin hidrolojik performansının deneysel ve sayısal modeller ile değerlendirilmesi

Abstract

Günümüzde yaygınlaşan geçirimsiz alanların hızla artması, yağışın yeraltı suyunu beslemesini engellemekte, yağış sonucu oluşan yüzeysel akışı ve nehirlerdeki pik debiyi artırarak taşkınlara sebebiyet vermektedir. Kentleşmenin getirdiği bu olumsuz etkileri azaltabilmek için son zamanlarda `Düşük Etkili Kentleşme (DEK)` olarak adlandırılan mühendislik uygulamaları geliştirilerek sahada uygulanmaya başlanmıştır. DEK uygulamalarının temel prensibi, geçirimsiz alanların bulunduğu bölgelerde doğal geçirimli yüzeyler oluşturarak yağmur ve kar sularının toprağa sızmasını sağlamak, yüzeysel akışı azaltmak ve aynı zamanda doğal arıtım ortamı oluşturarak yağmur suyunun kalitesini artırmaktır. Bu sayede kentsel bölgelerde doğal ekolojik denge yeniden sağlanacak ve yeşil çevreler kazandırılarak kentleşmenin getirdiği olumsuz etkiler azaltılmış olacaktır. DEK uygulamaları çeşitlerinden bazıları sızdırma hendeği, biyotutma, geçirgen asfalt, yağmur hendeği ve yağmur tanklarıdır. Bu tez projesi kapsamında DEK uygulamalarından biri olan sızdırma hendekleri araştırılmıştır. Sızdırma hendekleri yağış sonucunda oluşan akışın pik debisini düşürmek ve ötelenme süresini artırmak için tasarlanmış, aynı zamanda yeraltı suyunu besleyen ve su kalitesini artıran, içi çakılla dolu dikdörtgen prizma şeklinde bir DEK uygulamasıdır. Bu çalışmada öncelikle İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa İnşaat Mühendisliği Bölümü'nde mevcut olan `Yağış-Havza-Biyotutma (YHB)` deney düzeneğine bir sızdırma hendeği entegre edilmiş ve sızdırma hendeğinin hidrolojik performansı oluşturulan `Yağış-Havza-Sızdırma Hendeği (YHS)` deney düzeneğinde yapılan deneylerle incelenmiştir. Daha sonra deney sonuçları kullanılarak sızdırma hendeğinin hidrolojik davranışını açıklayan matematiksel modeller ortaya konmuştur. Sızdırma hendeği üzerinde oluşan aşma debisinin haznede öteleme yöntemi ile hesaplanabileceği gösterilmiştir. Ayrıca, sızdırma hendeğinden doğal zemine doğru ulaşan sızmanın hesaplanabilmesi için literatürde kullanılmakta olan Green-Ampt yöntemi test edilmiş, ancak istenilen performans elde edilememiştir. Bunun yerine, sızma için lineer artış ve lineer azalış davranışı sergileyen deney sonuçlarıyla uyumlu olacak şekilde ampirik bir formül geliştirilmiştir. Son olarak DEK'lerin modellenmesinde literatürde sık olarak rastlanan ABD Çevre Koruma Kuruluşu'nun geliştirdiği Yağmur Suyu Yönetim Modeli (YSYM) (EPA SWMM) kullanılarak sızdırma hendeği modellenmiş ve model sonuçları hem deney verileriyle hem de bu tez kapsamında geliştirilen matematiksel model ile karşılaştırılmıştır. Sonuç olarak EPA SWMM'nin sızdırma hendeğini yeterli ölçüde temsil edilebildiği görülmüştür.Anahtar kelimeler: Sızdırma Hendeği, Sızma, Düşük Etkili Kentleşme, EPA SWMM, Hidrolojik Model

Nowadays, a rapid increase in impermeable areas results in a decrease in the groundwater recharge and an increase results in floods since the peak flow in rivers and of surface runoff buildup after storm events. In order to reduce the negative effects of urbanization tremendously `Low Impact Development (LID)`, which is an approach of land redevelopment that Works with nature to manage stormwater, has been commonly implemented on site. The fundamental principle of LID applications is to allow for infiltration of rain and snow water into the soil by generating natural permeable areas near to impermeable areas, to reduce the surface runoff and at the same time increase the water quality by forming natural treatment areas. This way, natural ecological balance will be provided in urban areas and the negative effects of urbanization will be reduced by green infrastructure. Among the LID applications are infiltration trench, bioinfiltration, porous asphalt, vegetative swale and rain barrel. Within the scope of this thesis, infiltration trenches are investigated. Infiltration trenches are designed to reduce the peak flow of surface runoff increase its arrival time during a storm-event. The shape of an infiltration is a rectangular prism filled with aggregates and is ablo to feed groundwater and increase the groundwater quality. In this study first, an infiltration trench is integrated into the `Rainfall-Watershed-Bioretention (RWB)` experimental setup which is designed in a former study and is located at Istanbul University-Cerrahpasa in Avcılar Campus in front of Civil Engineering Department. The hydrological performance of infiltration trench is investigated by conducting the experiments with established `Rainfall-Watershed-Infiltration Trench (RWI)` experimental setup. Afterwards, by using experimental results, mathematical models are developed to explain the hydrological behaviour of infiltration trench. It is shown that the overflow on infiltration trench can be calculated by storage routing method. In addition, to calculate the infiltrated water which reaches to natural soil passing through infiltration trench, Green-Ampt method had been tested; however intended performance is not acquired. As an alternative, an empirical formula is developed based on the experimental results. The emprical equation represents infiltration with a linear increasing curve followed by a maximum and a linear decreasing curve. Finally, infiltration trench is modeled by using Storm Water Management Modelling (SWMM) program developed U.S. Environmental Protection Agency and model results are compared with both experimental data and the mathematical model has been widely used in the literature to model LID implementation. SWMM developed with in the scope of this thesis. As a result, it is observed that SWMM can represent infiltration trench fairly well.Keywords: Infiltration Trench, Infiltration, Low Impact Development, EPA SWMM, Hydrological Model