Erozyon Mekanizmaları ve Prosesleri

1. Erozyon Mekanizmaları ve Prosesleri Prof.Dr. Günay Erpul Ankara Üniversitesi Ziraat Fakültesi Toprak Bölümü 06110 Dışkapı - Ankara erpul@agri.ankara.edu.tr

2. Kapsam AÜZF • Toprak Erozyonu Tanımı • Sıçrama Erozyonu • Parçalanma • Taşınım • Yüzey Erozyonu • Parçalanma • Taşınım • Parmak Erozyonu • Parçalanma • Taşınım

3. Yüzey Erozyonu Yüzey erozyonu, yağmur damlası parçalama ve yüzeysel akış taşınım prosesleri ile toprağın ince bir tabaka halinde uzaklaştırılması olayıdır. Üst topraktan ince bir katman düzenli olarak yok olur. Bu erozyon zararları pek fazla fakedilemez ve daha açık renkli alt toprağın açığa çıkmasına değin kolaylıkla gözden kaçar.

4. Yüzey Erozyonu

5. Yüzey Erozyonu

6. Yüzey Erozyonu Her ne kadar bu proseste sığ yüzey akış taşıma görevi yapsa da, gerçekte, yağmur damlası vuruş etkisi olmaksızın yüzey erozyonu olmaz. Yağmur damlasının çıplak toprak yüzeyindeki etkisi ile toprak kümeleri parçalanır ve sıçrar ve toprak yüzeyi sıkışır. Yağış oranı miktarı, su geçirgenliği oranını aştığında, bir yüzey su filmi oluşur ve toprak tanecikleri eğim aşağı taşınır.

7. Yüzey Erozyonu Yağmur Yüzeysel akış derinliği Yüzey akış yönü Yüzeysel akış içerisideki tanecik hareketi 

8. PARÇALAMA ve TAŞIMA SİSTEMLERİ • Erozyon, taneciklerinin toprak yüzeyinden koparılması ve takibinde taşınması olayıdır. Genel olarak, toprak erozyonunda 4 adet parçalanma ve taşınma sistemi tanımlanır: • Yağmur damlası ile parçalanma ve yağmur damlası sıçratması ile taşınım (taşıma sınırlı) • Yağmur damlası ile parçalanma ve yağmur damlası destekli sığ yüzey akış ile taşınım (taşıma sınırlı) • Yağmur damlası ile parçalanma ve yüzey akış ile taşınım (parçalanma sınırlı) • Akış ile parçalanma ve akış ile taşınım

9. PARÇALAMA ve TAŞIMA SİSTEMLERİ Yağmur Damlası ile Parçalanma ve Yağmur Damlası Sıçratması ile Taşınım (DP – ST) Erozyon, toprak yüzeyine vuran damlaların enerjisi ile yönlendirildiğinde, damlalar enerjisi, toprak taneciklerini bir arada tutan bağların koparılmasında ve bunların vuruş noktasından ötelere sıçrama ile taşınmasında kullanılır. Düz bir yüzeyde radyal (damla vuruş mekezinden her yöne yayılan) tanecik sıçramaları olurken, eğimli yüzeylerde, damla vuruş merkezinden eğim aşağı olan sıçramalar ağırlık kazanır ve sonuçta, eğim yukarı olandan daha fazla toprak taneciği eğim aşağı taşınır.

10. PARÇALAMA ve TAŞIMA SİSTEMLERİ Yağmur Damlası ile Parçalanma ve Yağmur Damlası Sıçratması ile Taşınım (DP – ST) DP – ST erozyon sistemi, yağış başlangıcında toprak yüzeyinde henüz yüzey akışlar oluşmadan önce işlev görmektedir. Fakat, ST sistemi küçük ölçekli ve etkisiz bir taşıma sistemidir. Örneğin, düz arazilerde, bir damla vuruş noktasından sıçratılan tanecikler, çevre vuruş noktalarından sıçratılan toprak tanecikleri ile yer değiştir ve net bir tanecik taşınımı olmaz. Öte yandan, eğimli arazilerde, eğim aşağı sıçrayan tanecikler eğim yukarı olanlardan daha fazla yol alırlar ve eğim aşağı net bir taşınım olur. Bu taşınım arazi eğimindeki artışlara bağlı olarak artar. Ama, bu sistem ile fazla taneciğin taşınabilmesi için çok sayıda yağmur damlasına gereksinim vardır. Sonuç olarak, DP – ST, ya yağmur damlası eksikliğinden ya da yüzey akışların yokluğundan dolayı taşınma-sınırlı bir erozyon sistemidir.

11. PARÇALAMA ve TAŞIMA SİSTEMLERİ Yağmur Damlası ile Parçalanma ve Yağmur Damlası Destekli Sığ Yüzey Akış ile Taşınım (DP – DDAT) Toprak yüzeyinde akışlar oluştuğunda, yağmur damlacıkları sığ yüzey akışlar içerisine nüfuz ederek toprak taneciklerini parçalarlar. Bu tanecikler ya sıçratılır ya da akış içerisinde yukarıya doğru harekete geçirilir. Toprak yüzeyine tekrar düşerken sığ akışlar ile eğim aşağı taşınırlar. Ard-arda gelen yağmur damlası vuruşları, toprak taneciklerini yüzey akış içerisinde sürekli olarak harekette tutar ve sonuç olarak, her bir damla vuruşu ile eğim aşağı taşınırlar. Bu taşıma sistemi hem damla vuruşu hem de akan su ile doğrudan bağıntılı olduğundan, “yağmur danlası destekli sığ yüzey akış taşınımı” olarak adlandırılır (Kinnell, 1990). Kum tanecikleri gibi daha büyük parçaçıklar, akan suya vuran yağmur damlaları ile sıçrayarak değil (saltasyon), yüzeyde yuvarlanarak hareket ederler.

12. Göreli sınır Su yüzeyi Akış Yağmur Damlası ile Parçalanma ve Yağmur Damlası Destekli Sığ Yüzey Akış ile Taşınım (DP – DDAT)

13. Yağmur Damlası ile Parçalanma ve Yağmur Damlası Destekli Sığ Yüzey Akış ile Taşınım (DP – DDAT) DP – DDAT, DP – ST’ye göre çok daha etkili bir taşıma sistemidir ve parmaklararası alanlardan parmaklara toprak taneciklerini taşımada önemli bir rol oynar. Ayrıca, bir yağış anında sıçrama (ST), henüz akışların oluşmadığı alanlardan yüzey akışların başladığı alanlara toprak taneciklerini hareket ettirebilir (DP – ST – DDAT). DP – DDAT, DP – ST’ye göre çok daha etkili bir taşıma sistemi olmasına rağmen, bu sistem ile toprak taneciklerinin eğim aşağı taşınabilmesinde, DP – ST’de olduğu gibi bir çok yağmur damlasına gereksinim vardır. Bu yüzden, DP – DDAT taşınma sınırlı bir sistemdir.

14. DP – DDAT ve DP – ST - DDAT

15. Yüzey ve Parmak Erozyonu

16. Yüzey Erozyonu Yağmur Damlası ile Parçalanma ve Yüzey Akış ile Taşınım (DP – AT) Birçok durumda, ince yüzey akışlar toprak yüzeyinde duran gevşek parçacıkları hareket ettirme veya taşıma gücüne sahiptirler, fakat, alttaki parçacıkları koparma güçleri yoktur. Bu ancak, yüzey akışa nüfuz eden yağmur damlaları tarafından gerçekleştirilir. Sonuç olarak, yağmur damlalarınca koparılan tanecikler, yüzey akışlar ile, taşımada yağmur damlası vuruş etkisine gereksinim duyulmaksızın, eğim aşağı taşınır. DP – AT, DP – DDAT’ndan daha etkili bir parçalama – taşıma sistemidir. Çoğunlukla, hem DP – DDAT ve hem de DP – AT eş zamanlı olarak aynı yüzey akışlarda oluşur; kaba tanecikler RD – DDAT ile taşınırken, ince olanları DP – AT ile taşınır. DP – AT parçalanma sınırlı bir sistemdir.

17. Akış ile Parçalanma ve Akış ile Taşınım (AP – AT) Bu sistemde, kritik (eşik) akış gücü toprak yüzeyinde kohezyon veya parçacıklar-arası sürtünme kuvvetleri ile tutulan tanecikleri koparır ve taşır. AP – AT sisteminin oluştuğu yerde, parmak erozyonu vardır.

18. Su yüzeyi Arbitraary Yüzey akışı Yüzey Erozyonu • Temel prosesler • Yağmur damlası vuruşu ile parçalanma • Yüzeysel akış ile taşınım qs:yüzey erozyonu oranı(kg m-1 s-1) :yüzey akış parametresi Yüzey akış parametresi () Birim debi ve eğimin üssel formda çarpımlarıqb2Soc2 Taban kesme basıncı, o (N m-2) Yüzey akış gücü,  (kg s-3) Yüzey akış momentumu, q (N m-2)

19. Yüzey Erozyonu (N m-2) :Suyun özgül ağırlığı(N m-3) y:Yüzey akış derinliği(m) uf:Yüzey akış hızı(m s-1) x:Eğim uzunluğu(m) (kg s-3) (N m-2) • Kinematikdalgayaklaşımı • So = Sf • Süreklilik eşitliği • q = uf y f: The Darcy-Weisbach sürtünme katsayısı(Shen and Li, 1973; Julien and Simons, 1985; Gilley et al., 1985; Katz et al., 1995)

20. y Bo 1 y s Bo 1 y s q, Birim Debi B:kesit su akış genişliği (m) Bo:kesit taban genişiliği (m) y:akış derinliği (m) s:kesit kenar eğimi (Y / D) (2Y / 1D)

21. q, Birim Debi • Taban genişliği (Bo) 20 cm olan toprak yüzeyindeki bir kanalda yüzey akış debisi (Q) 1,645x10-6 m3 s-1’dir. Aşağıdaki kanalcık kesitlerinde birim debiyi (q, m2 s-1) hesaplayınız. • Dikdörtgen kanal kesiti; su akış derinliği (y) 1,5 cm; • Trapozoid kanal kesiti; su akış derinliği (y) 1,5 cm; • 2Y / 1D; s = 2; • Üçgen kanal kesiti; su akış derinliği (y) 1.5 cm; • 2Y / 1D; s = 2;

22. y Bo = 20 cm q, Birim Debi

23. 1 y = 1.5 cm s = 2 Bo= 20 cm q, Birim Debi

24. 1 y = 1,5 cm s = 2 q, Birim Debi

25. Yüzey Akış Parametresi • Taban genişliği (Bo) 20 cm olan toprak yüzeyindeki bir kanalda yüzey akış debisi (Q) 1,645x10-6 m3 s-1’dir. Aşağıdaki kanalcık kesitlerinde birim debiyi (q, m2 s-1); taban kesme basıncı (, N m-2), yüzey akış gücü (, kg s-3) ve yüzey akış momentumunu (d, N m-2)hesaplayınız. • Dikdörtgen kanal kesiti; su akış derinliği (y) 1,5 cm; kanalcık egimi 0,15 m m-1; kanalcık uzunluğu 55 cm; • Trapozoid kanal kesiti; su akış derinliği (y) 1,5 cm; • 2Y / 1D; s = 2; kanalcık egimi 0,15 m m-1; kanalcık uzunluğu 55 cm; • Üçgen kanal kesiti; su akış derinliği (y) 1.5 cm; • 2Y / 1D; s = 2; kanalcık egimi 0,15 m m-1; kanalcık uzunluğu 55 cm;

26. y Bo = 20 cm Yüzey Akış Parametresi uf*: kesme hızı (m s-1)

27. y Bo = 20 cm Yüzey Akış Parametresi

28. 1 y = 1.5 cm 1 y = 1,5 cm s = 2 s = 2 Bo= 20 cm Yüzey Akış Parametresi EV ÖDEVİ???? Taban kesme basıncı, o (N m-2)? Yüzey akış gücü,  (kg s-3)? Yüzey akış momentumu, q (N m-2)? Kesme hızı, uf* (m s-1)

29. Yüzey Akış Parametresi Sürtünme (enerji) eğimi Kinematik dalga yaklaşımı So: kanal eğimi m m-1 Süreklilik eşitliği Yüzey akış Reynolds sayısı * = 0,9135x10-6 m2 s-1 (24 oC)

30. Yüzey Akış Parametresi f: Darcy-Weisbach sürtünme kaysayısı g: yerçekimi ivmesi (m s-2) n: Manning pürüzlülük katsayısı

31. Problem • 20 cm genişliğinde (B = 20 cm), 55 cm uzunluğunda (x = 55 cm)ve %7 eğimle yerleştirilmiş bir toprak tavasında yapay yağmurlama yapılmıştır; bir süre sonra toprak yüzeyinde düzenli bir şekilde yüzey akış oluşmuştur. Yüzey akış debisi(Q, m3 s-1) 1,645x10-6 olarak tava çıkış ağzında ölçülmüştür. Aşağıdaki yüzey akış parametrelerini hesaplayınız? (n = 0,013) • Yüzey akış derinliği (y, m) • Yüzey akış hızı (uf, m s-1) • Reynolds sayısı • Taban kesme basıncı (o, N m-2) ve sürtünme hızı (uf*, m s-1) • Yüzey akış gücü (, kg s-3) • Yüzey akış momentumu (q, N m-2)

32. Problem

33. Problem

34. Yüzey Erozyonu Seçilmiş damla vuruş ve yüzey akış parametreleri ile yüzey akış oranı arasındaki ilişkiyi gösterir istatistiksel analizler (Erpul, Norton, Gabriels, 2003, Journal of Hydrology, 276: 184-197). * P = % 5 düzeyinde önemli değildir.