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. Sıçrama Erozyonu

4. Sıçrama Erozyonu Düşen yağmur damlaları toprak yüzeyine çarptığında, toprak taneciklerini kopararak havaya sıçratırlar. Parçalanma prosesi, bu toprak sıçramalarının oluşması olayıdır. Bu yüzden, toprak erozyonu, yağmur damlası vuruşu tarafından toprak kümelerinin parçalanması prosesi ile başlar. Bu proses, vuruş esnasında yağmur damlasının toprak yüzeyine aktardığı momentum ile açıklanır. Damla vuruşunun çıplak toprak yüzeyindeki etkisi

5. Momentum Aktarımı • Toprak kümelerine yağmur damlası tarafından momentum aktarımının iki etkisi vardır: • Sıkıştırma gücü: yağmur damlası vuruşu anında toprak yüzeyinde bir sıkışma olur. • Parçalama (koparma) gücü: toprak yüzeyine vurduktan sonra, yağmur damlaları disperse olarak daha küçük damlacıklara ayrışır ve yüzeye yatay jetler (kesmeler) halinde hareket ederler. Yatay jetlerin hızları, damla vuruş hızının yaklaşık olarak iki katı kadardır (Huang, Bradford and Cushman, 1982, USDA-Purdue Üniversitesi). Damlacık yatay hareketleri sırasında toprak kümelerinde kopmalar olur.

6. Momentum Aktarımı

7. Sıçrama Erozyonu Yağmur damlaları ile erozyonun başlaması ZAMAN 0 sn Yağmur damlasının doygun toprak yüzeyine düşmesi Krater oluşumu Toprak taneciklerinin yer değiştirmesi Toprak taneciklerinin çökelmesi

8. Sıçrama Erozyonu Yağmur damlası hem toprak yüzeyini sıkıştırıcı hem de toprak kümelerini parçalayıcı bir unsur olarak görev yapar. Sıçrama mekanizması ile koparılan ince toprak tanecikleri, toprak yüzeyi gözeneklerini tıkar ve yağmur damlası sıkıştırmasının eş zamanlı etkisi ile de, yüzey kabuğu oluşur. Toprak yüzeyine düşen yağmur damlaları, toprak kümelerini parçalar ve yüzey akış ile taşınıma elverişli hale getirir. Toprak yüzeyinde kabuk oluşumu

9. Sıçrama Erozyonu Toprak yüzeyinde kabuk oluşumu

10. Sıçrama Erozyonu Yağmur damlasının toprak kümelerini parçalama kapasitesi veya erozyon oluşturma gücü (yağış erosivitesi), yağmur damlası vurma basıncı, momentumu veya kinetik enerjisi ile değerlendirilir. Bu parametrelerin hepsi damla boyutu, vuruş hızı ve vuruş sıklığı ile bağıntılıdır. D:Toprak parçalanma oranı[ML-2T-1] K:Toprağın erozyona olan duyarlılığını gösteren regresyon katsayısı V:Damla vuruş hızı[LT-1] d:Damla çapı[L] I:Damla vuruş sıklığı[LT-1]

11. Temel Bağıntılar Damla kütlesi w: suyun yoğunluğu Damla hacmi Damla yüzey alanı Damla vuruş sıklığı

12. Temel Damla Vuruş Parametreleri • Birçok erozyon modelinde, toprak parçalanma oranının damla vuruş parametresinin bir fonksiyonu olduğu varsayılmıştır. • D = f () • D: toprak parçalanma oranı • : damla vuruş parametresidir ve • Enerji ve momentum akışı (veya sürekliliği) • Toplam vuruş basıncı ile değerlendirilir. Momentum akışı Enerjiakışı Toplam vuruş basıncı

13. Tahmin edilen D (kg m-2 s-1) Tahmin edilen D (kg m-2 s-1) Ölçülen D (kg m-2 s-1) Ölçülen D (kg m-2 s-1) Sıçrama Erozyonu (Erpul, Norton, Gabriels, 2003, Trans. ASAE, 45(6): 51-62)

14. Temel Yağış Parametreleri • Damla Büyüklük Dağılımı • Leke, yağ ve fotografik yöntemler • Damla Vuruş Hızı • Analitik (çözümsel) yöntem • Sıçrama kapları • Kinetik enerji sensörleri • Damla Vuruş Sıklığı • İntensite ölçerler

15. Elektronik İmge Çözümleyici (EİÇ) Temel olarak, EİÇ yanar-söner ışık kaynağı kullanarak damlacıkları aydınlatılır ve damla imgeleri kayıt edilir. İmgeler taranır, damlalar boyutlandırılır ve sınıflara ayırt edilir.

16. Malvern Damla Çözümleyici Damlacıkların üzerine gönderilen lazer ışınlarının damla çapına bağlı olarak belirli bir açı ile kırılması prensibine dayanır. Kırılan ışık yoğunluğu, bir dizi yarımdairesel foto diyotları kullanılarak ölçülür. Işık yoğunluğundan damla büyüklük sınıfları belirlenir.

17. Leke Yöntemi

18. Yağ yöntemi (Petri kutusu)

19. Leke yöntemi

20. Damla Büyüklük Dağılımı

21. Yağış intensitesi (mm saat-1) Hacimsel damla büyüklük dağılımı, % Damla çapı (d, mm) Damla Büyüklük Dağılımı

22. Eklemeli hacim %’si Hacim %’si Damla çapı (mm) Damla çapı (mm) Damla Büyüklük Dağılımı Rüzgarlı ve durgun hava koşullarında damla büyüklük dağılımlarının leke yöntemi ile ölçülmesi ve eklemeli frekans eğrilerinin çıkarılması (Erpul, Gabriels, and Jansens, 1998, Soil and Tillage Research, 45(3-4): 455-463)

23. Damla Büyüklük Dağılımı F(d): Belirli bir damla çapından (d) küçük eklemeli hacim %’si  ve : Lojistik gelişim model parametreleri :eğri gelişim katsayısı :damla çeşitlilik katsayısı

24. Damla Büyüklük Dağılımı

25. Df ag mg Damla Vuruş Hızı Çözümsel olarak damla vuruş hızı, durgun hava koşullarında terminal hızda düşen damla üzerine etki eden kuvvetler göz önünde bulundurularak belirlenir. Bu kuvvetler, hava direncinden kaynaklanan sürükleme kuvveti (Df), havanın kaldırma kuvveti (ag)ve yer çekimi kuvvetidir (mg). a:havanın yoğunluğu : havanın viskositesi[FTL-2]

26. Fr Fz Vx - u Fx  Vz Vr Damla Vuruş Hızı Çözümsel olarak damla vuruş hızı, rüzgarlı hava koşullarında düşey doğrultuda terminal hızda düşen damla üzerine etki eden kuvvetler göz önünde bulundurularak belirlenir (Erpul, Norton, Gabriels, 2003, Trans. ASAE, 45(6): 51-62) . u: yatay rüzgar hızı[LT-1]

27. Kinetik enerji (J m-2) Kinetik enerji (J) Sıçrayan kum miktarı (gram) Kinetik enerji (ünite) Damla Vuruş Hızı 2. Kinetik enerji sensörü 1. Sıçrama kapları yöntemi

28. Düşme hızları (m s-1) Düşü yüksekliği (m) Şekil: Farklı büyüklüklerdeki su damlalarının düşme hızları (Laws, 1941)

29. Damla terminal hızı (m s-1) Damla çapı (mm) Şekil: Durgun havada su damlalarının terminal hızları (Gunn ve Kinzer, 1949)

30. Reynolds sayısının (Re) fonksiyonu olarak sürtünme katsayısı (Cd) Damla Vuruş Hızı

31. Damla Vuruş Hızı  = 0,9135x10-6 m2 s-1 (24 oC) Cd = 0,4

32. Damla Vuruş Hızı w: suyun yoğunluğu: 1000 kg m-3 a: havanın yoğunluğu: 1,177 kg m-3 g: yerçekimi ivmesi: 9,81 m s-1 Cd: 0,4 Örnek: Durgun havada düşen 7 mm çapındaki yağmur damlasının terminal hızını bulunuz?

33. Gunn ve Kinzer, 1949 Damla çapı, mm Düşme hızı, m s-1 Damla çapı, mm Düşme hızı, m s-1 Damla Vuruş Hızı

34. Damla Vuruş Sıklığı • Damla vuruş sıklığı, birim zamanda birim alana düşen damla sayısıdır ve yağış miktarı ve damla büyüklük dağılımı ile değişiklik gösterir. • önemli bir yağış karekteristiğidir ve yağışın, aynı miktardaki su hacminden farklılığını ortaya koyar, • ölçülen yağış intensitesinden hesaplanır (Kinnell, 1981):

35. Damla Vuruş Sıklığı Örnek: 18 mm’lik bir yağışta, damla orta değeri 2,2 mm ve hacim %’si 16,80 olan damlaların vuruş sayısı nedir (# m-2)? P: yağış miktarı %H: hacim yüzdesi

36. Damla Vuruş Sıklığı

37. Farklı tipteki yağışların intensite, damla çapı, ortalama düşme hızı ve kinetik enerjileri (AUERSWALD, 1998)

38. w: suyun yoğunluğu: 1000 kg m-3 a: havanın yoğunluğu: 1,177 kg m-3 g: yerçekimi ivmesi: 9,81 m s-1 Cd: 0,4 Düşme hızı (m s-1) Damla vuruş sayısı Damla kütlesi Damla hacmi

41. Sıçrama erozyonunu ölçme yöntemleri (a) Bollinne, 1975 (b) Morgan a) Sıçrama hunisi b) Sıçrama kabı

42. Milimetrik ölçek c) Erozyon pimleri

43. Sıçrama ile Taşınım Sıçrama ile taşınım çok küçük ölçekli bir prosesidir. Ama, eğimli toprak yüzeylerinde, toprak taneciklerini taşımakta oldukça etkili olabilir. Düz toprak yüzeylerinde, yağmur damlasının vuruş etkisi parçalanma ve toprak taneciklerinin yer değitirmesi üzerindedir: herhangi bir yönde net taşınım söz konusu değildir. Diğer yandan, eğimli yüzeyler üzerinde, yer çekimi ve eğimin etkisi ile, toprak tanecikleri daha çok eğim aşagı hareket ederler. Eğim yukarı olan tanecik hareketi daha azdır. Eğim dikliğinin  25o olduğu koşullarda, hemen hemen bütün tanecik hareketi eğim aşağı olur.

44. Eğim önemli bir farklılık yaratır ZAMAN sn Toprak tanecikleri sıçrar Sıçrayan toprak tanecikleri daha çok eğim aşağı hareket eder ve çökelir Sıçrama ile Taşınım

45. Sıçrama mesafesi (m) Sıçrayan toprak miktarı (gram) Sıçrama mesafesi (m) Sıçrama ile Taşınım (Poosen and Savat, 1981) qs:eğim aşağı net sıçrama ile taşınım oranı[ML-1T-1] KE:kinetik enerji[JL-2T-1] D50:medyan toprak tanecik büyüklüğü[L] :eğim dikliği[o] Kütle dağılım eğrisi

46. Hasır Terrajüt Jeojüt Saman Odun

47. Çıplak toprak yüzeyi Sıçrayan sediment miktarı (g m-2 saat-1) Zaman (dakika)