Açık Kanallarda Oksijen Transferi

Abstract

Sudaki çözünmüş oksijen (DO), akarsularda suyun kalitesi açısından bakılan en önemli parametrelerden biridir. Sudaki çözünmüş oksijenin akım genelinde veya yersel olarak artışı habitat açısından çok önemlidir. Özellikle sanayileşme ve nüfus artışıyla birlikte birçok akarsudaki kirlenme ve katı madde oranı artmıştır. Bu artış serbest yüzeyden suyun derinliğine doğru aktarılan oksijenin miktarının azalmasına yol açmaktadır. Daha önce yapılan çalışmalarda akarsulardaki DO miktarının arttırılması için birçok yapısal çözüm denenmiştir. Bunlar; savaklar (Kim ve Walters, 2001), dolu savaklar (Chanson, 1990), basamaklı yapılar (Toombes ve Chanson, 2000) v.b. Bu su yapıları, akarsulardaki çözünmüş oksijen miktarını arttırmalarına rağmen, doğayla dost oldukları söylenemez. Bu yapılar akarsulardaki akımın ikiye bölünmesi veya membayla mansap arasındaki ilişkinin kesilmesi gibi çevresel sorunlara yol açmaktadırlar. Akarsulardaki DO miktarının arttırılması için ekolojik hayatı olumsuz yönde etkilemeden, doğada mevcut bazı düzenekler vardır. Bunlar akarsu içinde yer alan büyük taş parçalarıdır. Bu taş parçaları akım rejiminde önemli etkilere yol açmakta, oksijen transferi için gerekli olan hidrolik sıçrama, çevrinti ve ters akımların oluşması gibi hidrolik koşulları ortaya çıkarmaktadırlar. Bu çalışmada, DO değerleri değişik taş düzenekleri, su derinliği ve taban pürüzlülükleri gibi değişkenlerin dikkate alınmasıyla kanala yerleştirilmiş taşların memba ve mansabında ve taş çevrelerinde yersel olarak ölçülmüştür. Deneyler 0.5 m genişliğinde, 0.45 m yüksekliğinde ve 17 m uzunluğundaki tabanı yatay olan açık kanalda yapılmıştır. DO ölçümleri OXI 3000 oksijen metre aletiyle, hız ölçümleri ise Tip 400, model 403 mikro muline aletiyle yapılmıştır. Deneyler dört farklı su yüksekliğinde, iki farklı taş düzeneğinde ve üç farklı taban pürüzlülüğünde gerçekleştirilmiştir. Hız dağılımları, taş düzenekleri akımda yokken, her bir taban pürüzlülüğünde ve akım koşullarında tespit edilmiştir. Sonuçlar mansap ve memba bölgesinde yapılan ölçümlerle oksijen verim katsayısın hesaplanmasıyla sunulmuştur. Oksijen verim katsayısı, E; E=(CU-CD)/(CS-CD) (1) Şeklidedir.Burada; Cs, havadaki oksijen konsantrasyonu, CU, memba bölgesindeki oksijen konsantrasyonu, CD, mansap bölgesindeki oksijen konsantrasyonudur. Ayrıca membayla taş çevrelerinde elde edilen en yüksek oksijen konsantrasyonu arasında aynı formül kullanılarak oksijen verim katsayısı elde edilmiş, 4 farklı eksendeki değişimleri verilmiştir. Ayrıca taş düzenekleri çevresinde elde edilen DO dağılımları eş oksijen eğrileriyle gösterilmiştir (Şekil 1). Deney No = 17 Taş Düzeneği = 2 ve 3 numaralı doğal taşlar k = 0 mm, D = 14.90 cm Q = 7.2 lt/s, Uort = 14.60 cm/s, h= 9.86 cm Tair = 26 oC, Twater = 25.6 oC Cs = 8.08 mg/L, Cu = 7.64 mg/L, Cd = 7.79 mg/L, Cmak = 7.94 mg/L E : 0.34, Emak : 0.68, r : 1.52, rmak : 3.14

Dissolved oxygen (DO) is one of the most important parameter in streams for environmental issues. Improving the dissolved oxygen in the streams locally or align of the stream is very important for habitat. Especially, after the watersheds get urbanized fine sediment ratio in the most of the streams has been increased. This causes a decrease on the penetration of the oxygen that comes form free surface towards to bottom. In the literature, there were many structural solutions such as weirs (Kim and Walters, 2001), hydraulic jump (Chanson H, 1994), spillways (Chanson, 1990), cascades (Toombes and Chanson, 2000) etc. to be applied for increasing DO in the stream. Although, they improve the DO values in the streams, they are not friendly structures with nature and sometimes causes some another environmental problems such as split out river into two different part and cut the relation between down and upstream. There is more friendly and natural solution that they could be applied than structural solution mostly based on the natural arrangements in the streams for increasing the DO values locally and align the streams such as replacing boulders in the stream. They could be replaced at various configurations (single two similar or two different size boulders). They cause significant effects at flow regime such as towards the regime sub critical to upper critical, vortex formation wake side of the boulders etc. In the present study, DO values were measured upstream and downstream of the stream under the various flow conditions and efficiency of the system was evaluated for different flow depth and various boulder configurations. Beside that, DO measurements were also conducted around the boulders systemically for determining local DO distribution in measurement section. These measurements clearly indicated possible habitat grown area that had richer oxygen around the boulders. The experiments were carried out in a water flume 0.5 m wide 0.5 m wide and 18m long. DO measurements were conducted by OXI 3000 oxygen meter, velocity measurement were realized by using acoustic Doppler. The current was achieved by re-circulating water in the flume. Experiments were realized at four different water depths, two different boulder conditions and three different bed roughnesses. Velocity distribution was determined at the undisturbed flow condition (no boulders) for each roughness and flow conditions. The results are presented by oxygen transfer efficiency (E) for upstream and downstream measurements. Oxygen transfer efficiency, E; E= (CD-CU)/(CS-CU) (1) where; CS, CU and CD saturation, upstream and downstream oxygen concentrations (mg/L) respectively. Oxygen transfer efficiency between upstream and maximum DO value also was calculated around the boulders by using same procudure results are presented with transfer efficiency graphics at the four differnt line using along the flume and also contour lines of oxygen disttribution around the boulder Fig.1.