1 TOPRAKALTI DRENAJ YÖNTEMLERİ Prof. Dr. Ahmet ÖZTÜRK
2 Toprakaltı Drenajın Tanımı ve Özellikleri Toprakta bulunan fazla suların toprak profili içerisinden dren boruları veya dren kanalları aracılığıyla uzaklaştırılması "Toprakaltı Drenajı" olarak tanımlanmaktadır. Günümüzde sulama alanlarının drenajında hem borulu (kapalı) drenaj sistemleri hemde açık kanallar birlikte kullanılmaktadır. Ancak tarla içi drenlerin borulu drenlerden, ana drenlerin de açık kanallardan oluşturulması eğilimi vardır. Toprakaltı drenaj sistemlerinde tarladaki suyu uzaklaştıran tarla içi drenleri "emici" tarla içi drenlerin suyunu toplayan drenler "toplayıcı" olarak adlandırılmaktadır. Emiciler, toplayıcılar ve ana drenler üç şekilde planlanabilmektedir.1. Bileşik açık kanal sistemi: Emicilerin, toplayıcıların ve ana drenlerin açık kanallardan oluştuğu toprakaltı drenaj sistemidir.2. Tekli boru drenaj sistemi: Emici drenlerin borulu (kapalı) toplayıcı ve ana drenlerin açık kanal biçiminde planlandığı drenaj sistemidir.3. Bileşik borulu drenaj sistemi: Emici ve toplayıcı drenlerin borulu (kapalı), ana drenlerin açık kanallardan oluştuğu drenaj sistemidir.
3 Açık ve Kapalı (Borulu) Drenaj Sistemlerinin Kıyaslanması Açık drenaj kanalının avantaj ve dezavantajlarıa. Hem yüzey hem de toprakaltındaki suları uzaklaştırır.b. Toprakaltı su düzeyinin yükselmesi gözlenebilir.c. Kanallarda eğim değişikliği yaratabilecek etmenler kontrol edilebilir.d. Nispeten küçük eğimli olarak (% 0.01 kadar) yapılabilir.e. İlk tesis masrafları daha azdır.a. Şevlerin yatık olması durumunda arazi kaybı fazladır.b. Yabancı otların kolay gelişmesi ve siltasyon nedeniyle boşaltım aksar.c. Kanal aralıklarının dar olması durumunda mekanizasyon engellenir.d. Bakım ve koruma giderleri daha fazladır.Kapalı drenajın avantaj ve dezavantajlarıa. Araziyi bölmediği için mekanizasyonu kolaylaştırır.b. 0oC nin altındaki sıcaklıklarda da drenaj işlevini yapar.c. Bakım giderleri daha düşüktür.a. Geçirgenliği düşük olan topraklarda uygulanması kısıtlıdır.b. Demir oranı yüksek mineral topraklarda tıkanma oluşabilir.c. İlk tesis masrafları yüksektir.
4 Taban Suyunun Drenlere Akışı Homojen topraklardan oluşan bir tarım alanında açılan hendek içerisine yerleştirilen dren borusuna doğru gerek yağış gerekse sulama sularının toprak içinde izlediği yola "Akım çizgisi" denir. Toprak içerisinde sonsuz sayıda akım çizgisi bulunmaktadır. Her bir akım çizgisi üzerinde aynı potansiyel yüke sahip noktaları birleştiren çizgiye ise "eş potansiyel çizgisi" denir.
5 Kapalı (Borulu) Drenaj Sistemlerinin Projelenmesi Toprakaltına döşenen kapalı drenlerin projelenmesinde esas alınan konular, drenaj katsayısı, dren derinliği, dren aralığı, dren çapı ve dren eğimlerinin belirlenmesidir.Drenaj Katsayısının BelirlenmesiAçık ve kapalı drenaj sistemlerinin projelenmesinde kullanılan en önemli parametrelerden birisi drenaj katsayısıdır. Drenaj katsayısı, birim zamanda birim alandan drenaj sistemi ile atılacak su miktarı olarak tanımlanır. Genellikle, m3/da, mm/d, cm/d veya l/s/ha birimleriyle ifade edilmektedir. Drenaj katsayılarının bilinmesi hem açık kanal kapasitelerinin ve boyutlarının hesaplanmasında hem de kapalı (borulu) drenajda dren aralıkları ile dren boru çaplarının hesaplanmasında gereklidir. Kurak ve yarıkurak iklim bölgelerinde bulunan sulama alanlarında drenaj katsayısı 1 mm/gün kadar küçükken, yarı nemli ve nemli bölgelerde bu değer 50 mm/gün kadar olabilmektedir.
6 Direkt Ölçme Yöntemiyle Drenaj Katsayısının Belirlenmesi Bu yöntemin uygulanabilmesi için kurulmuş ve çalışır durumda olan drenlere ihtiyaç vardır. Bu yöntemde her bir drenin hizmet ettiği alan belirlenir. Drenden gelen su, sulama uygulamasının en yüksek olduğu mevsimde ölçülerek drenaj katsayısı hesaplanır. Sulama döneminde ölçülen debi (l/s) drenin hizmet ettiği alana (ha) bölünerek drenaj katsayısı (l/s/ha) bulunur.Bitki Su ihtiyacından Yararlanarak Drenaj Katsayısının BelirlenmesiBu yöntemde drenaj katsayısı, bir sulamada meydana gelen toprağın derinlerine sızan su kayıpları ile tarla sulama kanallarında ortaya çıkan sızma kayıplarının toplamının sulama aralığına bölünmesiyle hesaplanmaktadır. (dT-dn)/SAÖr: dn=80 mm, Ea=%80, SA=10 gün ise q=?dT=dn/Ea dT=80/0.80=100 mm/sulamaq=(100-80)/10 =2 mm/gün
7 Yıkama Suyu İhtiyacından Yararlanarak Drenaj Katsayısının Belirlenmesi Yıkama suyu ihtiyacı, toprak tuzluluğunu bitki kök bölgesi derinliğinde belirli bir düzeyde tutmak için sulama suyuna ek olarak verilen su miktarı olarak tanımlanmaktadır. Yıkama ihtiyacı, sulama suyunun tuz konsantrasyonuna ve bitki gelişmesi ile ilgili olarak toprak suyunda izin verilecek en yüksek tuz konsantrasyonuna bağlıdır.Yİ = q = Yıkama ihtiyacı veya drenaj katsayısı (mm/d)E = Bitki su tüketimi (mm/d)P = Etkili yağış (mm/d)ECi= Sulama suyunun elektriksel iletkenliği (dS/m)EC0= Drenaj suyunun elektriksel iletkenliği veya bitki tuz toleransı(dS/m)SP = Toprağın saturasyon yüzdesi (%)TK = Toprak tarla kapasitesi (%)e = Yıkama randımanı(çizelge 5.1 den alınır bulunamıyorsa 0.5 alınır)Bitki su ihtiyacından yararlanarak bulunan drenaj katsayısı ile yıkama suyu ihtiyacından bulunan drenaj katsayısı karşılaştırılır ve hangisi büyükse proje drenaj katsayısı olarak o değer alınır.
8 Dren Derinliğinin Belirlenmesi Dren derinliği, toprak yüzeyinden dren borularının bulunduğu noktaya kadar olan düşey mesafeyi ifade etmektedir. Dren derinliğinin belirlenmesine etkili faktörler, bitki çeşidi, toprak özellikleri, boşaltım durumu, taban suyu düzeyi, don derinliği, makinaların çalışma derinliği, tuzluluk ve drenler üzerine gelmesi beklenen yük miktarlarıdır.Boşaltım durumu: Çıkış ağzı kotu dren derinliğini kısıtlar.Bitki çeşidi: Drenajda havadar bir kök bölgesi ortamı sağlamak amacıyla toprak içindeki taban suyu düzeyinin bitki etkili kök derinliğinin altında tutulması gerekmektedir.Taban suyu düzeyi: Drenaj sistemleri, topraktaki taban suyunun optimum düzeyde kontrol altında tutulmasını sağlamalıdır.Tuzluluk durumu: Topraklarda tuzlu tabansuyunun kapillarite ile bitki kök bölgesine ulaşmasını engellemek amacıyla drenlerin biraz daha derine yerleştirilmesi gerekebilir. Kurak ve yarı-kurak alanlarda tuzluluk kontrolu amacıyla m derinlik uygundur.
9 Dren Derinliğinin Belirlenmesi Dt:Etkili kök derinliğiΔ h:Sulama sonrası yükselmeht:Kapilar yükselmeDren Derinliği = Dt+ Δh+htΔh = Drenler ortasında sulamalardan sonra yükselen taban suyu mesafesi (m)Ri = derine sızan su miktarı (m)f = Drene edilebilir gözenek hacmi (etkili gözenek) (%)ht = sulamalardan önce drenler ortasındaki taban suyu düzeyi (m) dir.Burada Dt+Δh değeri belirlendikten sonra ht olarak bu toplamı yuvarlatan miktar toplama eklenir. Örneğin Dt+Δh toplamı 151 cm çıkmışsa ht =9 cm alınarak Dren derinliğini 160 cm yapar.
10 Dren Aralıklarının Belirlenmesi (Kararlı Akış) Kararlı akış toprağa giren ve çıkan suyun denge halinde bulunduğu koşulları ifade etmektedir. Uygulamada bu durum nadir olarak olsa da genellikle kararlı akış eşitlikleri yeterli sonuçları vermektedir.1. Donnan EşitliğiKararlı akış koşulları için Donnan tarafından geliştirilen eşitlik kenarları dik ve tabanı geçirimsiz tabakaya ulaşan hendeklere sadece yatay akış olduğu varsayımına dayanılarak elde edilmiştir.q = Drenaj katsayısı (m/d)R = Birim alandaki beslenme hızı (m/d)K = Toprağın geçirgenlik katsayısı (m/d)H = İki drenin ortasından taban suyu düzeyi ile geçirimsiz tabaka arasındaki düşey mesafe (m)D = Drenler içerisindeki su düzeyinin geçirimsiz tabakaya uzaklığı = dren düzeyi altındaki aküfer kalınlığı (m)L = Dren aralığı (m)
11 (Homojen)2. Hooghoudt Eşitliği(Homojen olmayan)Eşitlikler değerler yerine konarak eşdeğer tabaka kalınlığına bağlı denklemlere dönüştürülür. Daha sonra L kabul yapılarak Çizelge 5.4’den d değeri bulunup eşitlikte yerine konarak hesaplanan L2 ile kabul karşılaştırılır. Farka göre L kabulü artırılıp azaltılarak L belirlenir. Hooghoudt eşitliği deneme yanılma gibi çokça işlem gerektirdiğinden Boumans tarafından iki farklı koşul için (L/h < 100 ve L/h > 100) geliştirilen abaklar ya da eşdeğer tabaka kalınlığının hesaplanmasında kullanılan eşitlikten yararlanılarak hazırlanan Van Beers abağı yardımıyla da çözümlenebilmektedir.