Cs-137 radyoizotopunun farklı yağış ve farklı toprak cinsleri için düşey ilerleyişinin lizimetrik incelenmesi yeni bir çözüm önerisi ve Chernobyl kazasına uygulama

Abstract

Bu doktora tez çalışması ile amaçlanan toprakta suyun düşey ilerleyişinin incelenmesi için izleyici olarak, sezyum-137 radyoizotopu kullanılarak radyoaktif izleme tekiği ile çalışılmıştır. Deneylerde; killi, tınlı ve kumlu olmak üzere üç farklı toprak cinsi ve ülkemiz ve özellikle Karadeniz bölgesi için söz konusu olan yüksek, orta ve az yağış rejimini temsil eden üç farklı yağış rejimi ile çalışılmıştır. Deneysel çalışmalar, lizimetrik deney koşulları içinde yapılmıştır. Böylelikle, yapılan deneysel çalışmalar, uygulama biçimi ve uygulama kombinasyonu ile deneysel orijinalite içerecek şekilde gerçeklenmiştir. Ayrıca, nem izleme tekniğindende yararlanılmıştır Deneyler sonucunda, farklı toprak cinsleri ile elde edilen sonuçlar, her yağış rejiminde; daima kum, tın ve kil sıralamasında olduğu görülmüştür. Yağış rejimlerine göre deney sonuçlan incelendiğinde; her toprak cinsi için elde edilen bağıl aktivitenin daima yüksek yağış rejiminden düşük yağış rejimine doğru olduğu görülmektedir. Elde edilen bu sonuçlar beklenti doğrultusunda sonuçlar olup, önemli ölçüde su geçirgenliği ile ilgili olmaktadır. Deneylerimizde yüzey toprağı aktivitesi incelemesi de yapılmıştır. Yüzey aktivitesine ilişkin toprak cinsleri açısından durum, her yağış rejimi için killi toprak, tınlı toprak ve kumlu toprak sıralanması şeklindedir. Dolayısıyla, toprak cinsine bağlı olarak, toprak derinliklerine nüfuz edememe durumunda, yüzey akti vitesinin daha yüksek olduğu görülmektedir. Toprak derinliklerindeki bağıl aktivite değerleri ile yüzey aktivitesi sonuçları karşılaştırıldığında sıralamanın tersine olduğu görülmektedir. Bu durum, deneylerimizin uyumluluğunu gösteren bir olgudur. Farklı yağış rejimleri için yüzey aktivitesi incelendiğinde ise; bağıl aktivite değerlerinin her toprak cinsi için daima aynı sıralama ile yüksek yağış rejiminden düşük yağış rejimine doğru olduğu görülmektedir Burada da yine toprakta ilerleme olgusuna bağlı olarak sonuç alınmıştır. Böylelikle, deney sonuçlarımızın anlamlı ve kendi içinde uyumlu olduğu söylenebilir. Deney sonuçlan, klasik olarak nitelenebilen yan-sonlu yayınım - taşınım modeli kullanılarak karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Deney şartlarımız için klasik hesaplama ile elde edilen sonuçların hepsi, deney sonuçlarımız ile uyumlu olarak bulunmuştur. Deney sonuçlan ile klasik hesaplama sonuçlarının uyumu görülmekle beraber, klasik hesaplama sonuçlarının, deney sonuçlarına göre önemli farklılıklar gösterdiği gözlenmiştir. Toprakta düşey ilerleme, deneyde klasik hesaplamaya göre daha yavaş olmaktadır. Bu farklılığın ise, klasik hesaplamada Darcy hızı olarak alınan hızın ideal bir hız olduğu ve toprağın cinsine ve durumuna göre gerçek hız değerinin farklılaşabildiğinden kaynaklandığı söylenebilir. xiv Önemli olduğu düşünülen deney ile klasik hesaplama arasındaki farklılıkların giderilmesi amacıyla, bu doktora tezinin orijinalitesi içinde yan-sonlu yayınım - taşınım modeli için yeni bir çözüm önerisi getirilmiştir. Bu öngörüde, suyun toprak içinde düşey olarak gerçek ilerlemesi için Darcy hızı ile suyun toprağın içinde ideal şartlarda alacağı yoldan, göçme katsayısının Darcy hızına oranı kadar bir yavaşlatma etkisi göz önüne alınmaktadır. Yeni çözüm önerisi ile yapılan hesaplamalarla deney şartlarımıza uyan sonuçlar bulunmuştur. Farklı toprak çeşitleri için ve her yağış rejimi için yeni çözüm önerisiyle elde edilen sonuçların deneylerimizle uyumlu ve aynı sıralamayla olduğu görülmüştür. Keza, farklı yağış rejimleri için her toprak cinsi için yeni çözüm önerisiyle elde edilen sonuçların da deneylerimizle uyumlu ve aynı sıralamada olduğu tespit edilmiştir. Böylelikle, yeni çözüm önerisiyle elde edilen sonuçların klasik hesaplamayla elde edilenler gibi deneylere uyumlu olduğu görülmüştür. Deney sonuçlan, klasik hesaplama ve yeni çözüm önerisi ile elde edilen sonuçlar karşılaştırıldığında, yeni çözüm önerisi sonuçlarının deney sonuçlarına daha uyumlu olduğu görülmüştür. Bu bağlamda, bu doktora tezinin bir orijinalitesi olan yeni çözüm önerisinin, klasik hesaplamaya göre gerçeğe daha uyumlu olduğu söylenebilir. Bununla da yetinilmemiş ve bu konuda en bilinen gerçek hal için uygulama yoluna gidilmiştir. Bu hal de, 26 Nisan 1986 yılında Ukrayna'da meydana gelen Chernobyl nükleer reaktör kazası sonuçlandır. Chernobyl nükleer reaktör kazası sonrası ülkemizin Karadeniz bölgesi için alınan örnek sayımlarından hareketle Karadeniz bölgesinin farklı yöreleri için alınmış ölçüm değerleri, klasik hesaplama sonuçlan ve yeni çözüm önerisi ile elde edilen sonuçlarla karşılaştırmah olarak sınanmıştır. Yapılan karşılaştırmalar, yeni çözüm önerisinin, klasik hesaplamaya göre gerçeğe daha uyumlu olduğunu göstermiştir. Klasik hesaplama sonuçlarının hatası % 50 dolayında iken, yeni çözüm önerisi ile elde edilen sonuçlar genellikle gerçeğe % 15 'in altında bir hatayla yakınsamaktadır. Bu durum, Chernobyl nükleer reaktör kazası sonrası ölçümleri alınan, farklı yöreler için benzer şekilde görülmüştür. Bu durum, bu doktora tezi orijinalitesi olan yeni çözüm önerisinin güvenilirliğinin en iyi kanıtı olmuştur. Öz olarak söylemek gerekirse; seçilen toprak cinsleri ve yağış rejimleriyle orijinal olan ve lizimetrik uygulamasıyla da orijinallik içeren bu doktora tezi deneylerinin sonuçlarının, klasik hesaplamayla ulaşılan sonuçlara uyumu görülmekten ayn olarak, tümüyle bu doktora tezinin orijinalitesi olan toprakta düşey ilerleyişe ilişkin yan-sonlu yayınım - taşınım modeline getirilen yeni çözüm önerisinin deneylere olan uyumu gösterildikten sonra, gerçeğe uygulama olan Chernobyl nükleer kazası sonuçlarına da uygulanmış ve gerçeğe % 15 'in altında bir uyumla yakınsadığı gösterilerek, uygunluğu ve güvenilirliği kanıtlanmıştır.

The aim of this Ph.D. thesis is to trace the vertical transportation of water in soil by using the Cs-137 as radiotracer. We have studied 3 different soil types clay, loamy and sandy and 3 different raining conditions. High, normal and low raining regimes that are typical especially for the Black Sea Region were selected for experimental parameters. These experiments have been realized in licimetric conditions. As a result, the type of applications for the combinations of soil type and raining regime contain experimental originality. Humidty observation technique was also used. The result of the experiments show that in every raining regime the activities of different types of soils can be classsssified as sand, loam and clay in descending activity order. When the results of the experiments were evaluated according to the raining regime it can be seen that the relative activity for every type of soil is always towards higher to lower raining conditions. These results are what we already have expected and are related to the water permeability of the soil. The surface soil activities have also been measured. The surface soil activities were arranged as clayey, loamy and sandy in descending activity order for every raining regime. The surface soil activities were found to be higher in the soil types in which water could not penetrate deeper. When the relative activity values were compared with the results of the surface soil activities it was recognized that the order of soils changes upside down. This is an evident of harmony for the experimental results. For the evaluation of surface activity it can be seen that the relative activity values for every kind of soil type is always in the same order from the highest to the lowest raining regimes. As a result, it can be said that the all results have significant and have harmonies with each other. Expermental results were comparatively examind by using the "semi infinite convection dispersion model". All the conclusions driven from experiments which were reached by classical model calculations harmonies well with the present results. XVI Although the present results and the conclusion reached by classical model calculations harmonies, it is observed that there are important differences between them. The vertical transportation in soil was slower in the present experiments than the classical model calculations. As a reason of this difference, it can be showed that the darcy speed which is an ideal speed for soil that is used in the classical model calculation, doesn't agree with the realistic speed that can be changing according to soil type and characteristics. In order to avoid the important differences between the classical model calculation and present experimental results, a new solution for the semi infinite convection diffusional model is proposed in the originality of this Ph.D. thesis. In this proposal of water which is taken by the darcy speed is decreased by a value of the ratio of the migration coefficient to the darcy speed. The result obtained by our new solution proposal agrees quite well with our experimental result. The results that are reached by new solution proposal for different soil types and every raining regimes are harmonies with the squence of our experiment. Meanwhile the conclusion that is reached for the different raining regime and every soil type also harmonies with the experimental results. As a result the conclusion that is reached in new solution proposal is suitable as ones in the classical model calculations to the experiment. If we compare the results with the experimental ones, we see that our new solution agrees better than the classical model results. Therefore new solution proposal that is the originallity of this Ph.D. thesis more realistic than the classical model. Moreover this proposed solution is used to examine a realistic applicational case, that is the of the nuclear reactor accident in Chernobyl in 26 April 1986 which was occured in Ukrania The activity results of soil samples which were taken from various areas of the Black Sea region of Turkey after the Chernobyl Nuclear Reactor accident, they are compared with the results of the new solution proposal, and with the classical model calculation. The comparison result show that, the new solution proposal is more realistic than the classical model calculation. While the calculational error in the classical model is about %50, the error in the new solution proposal is less than % 15. Similar results were observed for all samples which were taken from different areas, after the Chernobyl Nuclear Reactor Accident. This is the best of evident of reliability for the new solution proposal that is the originality of this Ph.D. thesis. To resume the study, an original improved semi infinite convective diffusional model was used in this Ph.D. thesis for the vertical penetration in different soil types at different raining regimes, by using licimetric application. They have good agrement with the classical model calculational results. It has also confirmed with the results of Chernobyl Nuclear Reactor Accident with a deviation of %15.