İzmit havzasının hidrojeoloji incelemesi ve yeraltısuyu akım modellemesi

Abstract

Bu çalışma; İTÜ Bilimsel Araştırma Projeleri Birimince desteklenmiştir. Doktora tezinin amacı böylesine zor hidrojeolojik koşulların egemen olduğu İzmit Havzasında, yeraltısuyunun yönetilmesine yönelik hidrojeolojik incelemelerin yapılması ve YAS akım modelinin oluşturulmasıdır. Bir başka ifade ile İzmit Havzası hidrojeoloji incelemesi kapsamında taneli akiferde kontrolsüz yeraltısuyu çekimine bağlı seviye düşümleri sonucunda Sapanca Gölü ile olası etkileşim için kritik çekim miktarının (eşiğin) belirlenmesi hedeflenmiştir. Arazi çalışmalarına başlamadan önce İzmit Havzası ve yakın çevresinde daha önceden yapılmış çalışmalar literatür araştırması kapsamında derlenmiş ve bölge hakkında bilgiler edinilmiştir. Ekim 2016 ve Mayıs 2017 tarihlerinde arazi çalışmaları kapsamında havzanın jeolojik özellikleri incelenmiş, jeoloji haritası revize edilmiş, havzaya ait sayısal yükseklik modeli (DEM) oluşturulmuştur. İzmit Havzası, jeolojik ve tektonik özelliklerine göre Örtü Birimleri, İstanbul Zonu (Kuzey İstif) ve Armutlu-Almacık Zonu (Güney İstif) olmak üzere 3 başlık altında incelenmiştir. Paleozoyik istifler, arkoz-kumtaşı-silttaşı ardalanmalı akarsu birimleri olan Kurtköy Formasyonu ile başlar. Üzerinde uyumlu olarak kıyı-sığ denizel kuvars kumtaşı, çakıltaşı olan Aydos Formasyonu yer alır. İstif üste doğru lagün-şelf çökeli şeyl-kumtaşı ardalanmalı Gözdağ Formasyonuna geçer. Permo-Triyas yaşlı birim kumtaşı-çakıltaşı-çamurtaşı ardalanmalı Çakraz Formasyonudur. Triyas istifi üzerinde kırıntılarla başlayan Geç Kretase yaşlı çökelim izlenir. Bu bölgede Jura çökelimi yoktur. Kretase istifleri, kumtaşı-şeyl ardalanmalı Teksen Formasyonu ve Hereke Formasyonudur. Geç Kretase daha üst düzeylerde kireçtaşı ve killi kireçtaşı litolojilerden oluşan kalın Marn-kireçtaşı ardalanmalı Akveren Formasyonu ile temsil edilir. Eosen istifi ise kumtaşı-killi kireçtaşı ardalanmalı Çaycuma Formasyonu ve aglomera, tüf, andezit, bazalt ve volkanik kumtaşından oluşan Yığılca Formasyonundan oluşur. Yarımadada kıyı şeridi ve kıyı düzlüğü boyunca az tutturulmuş Pliyosen yaşlı kırıntılar (Örencik Formasyonu) ve Kuvaterner'e ait alüvyal çökeller ile yamaç molozu vardır. Armutlu Yarımadası'nda yer alan kaya stratigrafi birimleri iki ana grupta toplanabilir. Bunlardan birincisi düşük ya da nispi olarak daha yüksek dereceli metamorfik kayalar, diğeri ise metamorfik kayalar üzerinde Senomaniyen-Türoniyen yaşlı kireçtaşlarıyla uyumsuz olarak yer alan Kretase-Pliyosen yaş aralığındaki metamorfik olmayan magmatik ve çökel kayalardan oluşur. Armutlu-Almacık zonunda birbiriyle tektonik ilişkili olan Permiyen-Triyas yaşlı Sultaniye Metamorfitleri, Üst Jura-Alt Kretase yaşlı Keltepe Mermeri, Üst Kretase yaşlı Akçay Metamorfitleri bulunmaktadır. Bunlar üzerinde açısal uyumsuz olarak Üst Kampaniyen-Alt Eosen yaşlı Abant Formasyonu tarafından açısal uyumsuzlukla örtülür. Erken-Orta Eosen yaşlı Çaycuma Formasyonu ve Yığılca Formasyonları, Abant Formasyonu ve diğer birimler üzerinde ise uyumsuzdur. Çalışma alanının içerisinde ve yakın çevresinde bulunan Devlet Meteoroloji İstasyonlarının (DMİ) uzun yıllara ait ölçümleri değerlendirilerek, havzanın bilanço elemanları ortalama yağış, potansiyel ve gerçek buharlaşma ile toplam akışa (yüzeysel ve yeraltı) geçen su miktarları hesaplanmıştır. İzmit Havzası'nda, ortalama yağış ve buharlaşma hesaplamalarında 6 adet devlet meteoroloji istasyonuna ek olarak, havzayı temsil ettiği düşünülen 4 adet İSAŞ meteoroloji istasyonu da değerlendirilmeye katılmıştır. Buna göre, eşbuharlaşma eğrileri yöntemi ile ARCGIS programı kullanılarak İzmit Havzası için ortalama buharlaşma değeri hesaplanmıştır. Havzadaki yüzeysel ve yeraltı akışının ayırımının gerçeğe yakın hesaplanması için SCS-CN yöntemi tercih edilmiştir. SCS-CN yöntemi kullanılarak Kocaeli Meteoroloji İstasyonunda ve Sakarya Meteoroloji İstasyonunda yüzeysel akış hesaplanmıştır. Alüvyon içerisinde resmi kurumlar ve özel kişilere ait çok sayıda sondaj kuyusu ve keson kuyu mevcuttur. Kuyular ile çekim, kaynaklar ile boşalım hesaplanmıştır. Sonuç olarak; ölçümlerde ve hesaplamalarda olabilecek hatalar dikkate alındığında emniyetli kullanılabilecek yeraltısuyu miktarı beslenme-boşalma farkının % 60'ı olarak hesaplanmıştır. Arazi çalışmaları sırasında kayaç-su etkileşimi, birimlerin hidrojeolojik özelliklerinin ortaya konulması için havzadaki formasyonlar hidrojeolojik olarak da incelenmiştir. Su numunelerinin fiziksel karakterlerini uzun süre koruyamadıklarından dolayı sıcaklık (T), pH ve elektriksel iletkenlik (EC) gibi fiziksel özellikleri in-situ (yerinde) ölçülmüştür. Su numuneleri laboratuvardaki kimyasal analizler için uygun saklama ve taşıma koşullarında alınmıştır. Kocaeli Havzasında, 2016-Ekim ve 2017-Mayıs aylarında detaylı arazi çalışmaları sonucunda konumları belirlenen, havzayı temsil ettiği düşünülen lokasyonlardan 41 adet kurak döneme ve 35 adet yağışlı döneme ait su örneği alınmıştır. Havzadan temsili lokasyonlardan alınan 76 adet su numunesinin kimyasal analizi ACME Laboratuvarlarında; NO3 ve SO4 analizleri ise İstanbul Teknik Üniversitesi Hidrojeoloji laboratuvarında yapılmıştır. Suların kimyasal özelliklerine göre kalitelerini belirlemek için Schoeller Diyagramı, Piper Diyagramı, Durov Diyagramı, Gibbs Diyagramı ve Schoeller Yarı Logaritmik Diyagramı hazırlanmıştır. İzmit Havzasında en önemli kirlilik kaynağı yoğun olarak yapılan sanayi, tarımsal faaliyetler ve hayvancılıktır. Ayrıca, ovada yeraltısularının kirlilik tespiti için iz element analizleri (As, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Zn) Acme (Kanada) Laboratuarında yaptırılmıştır. Ağır metal analiz sonuçları Türk İçme Suyu (TSE 266) ve Dünya Sağlık Örgütü (WHO) standartlarında müsaade edilen maksimum sınır değerlerin aşılmadığı tespit edilmiştir. Yeraltısuyunun kirlenmeye karşı hassasiyet haritalarının oluşturulması amacıyla USEPA (United States Environmental Protection Agency) için geliştirilen DRASTIC Model (DM) İzmit Havzasına uygulanmıştır. DRASTIC Model; Yeraltısuyu Derinliği (D), Net Beslenme (R), Akifer Tipi (A), Toprak Sınıfı (S), Topoğrafya (T), Vadoz Zon Etkisi (I) ve Hidrolik İletkenlik (C) gibi jeolojik, hidrolojik ve hidrojeolojik parametreler ile yeraltısuyunun kirlenmeye karşı hassasiyet derecesinin belirlenmesini sağlayan bir yöntemdir. D, R, A, S, T, I ve C değişkenleri yeraltısuyu kirlenebilirliğine etki eden parametreleri temsil etmektedir. Sınıflandırma ve ağırlıklandırma işlemi yapılan tüm parametreler kullanılarak DRASTIC İndeks (Dİ) değeri hesaplanmıştır. Mayıs-2017 döneminde havzanın temsili noktalarından alınan su örneklerinde, özellikle alüvyon ortamda antropojen kökenli kirlenmeye işaret eden 10 mg/l üzerinde nitrat konsantrasyonu ölçülmüştür. Bu bulgular, yeraltısuyu kirlenme potansiyeli yüksek olan ve henüz üzerinde kirletici bulunmayan karbonatlı ortamların ve kirlenme belirtileri bulunan alüvyon ortamın özenle korunması gerektiğini göstermektedir. Yeraltısuyu kirliliğine karşı en hassas alanlar alüvyon, eski alüvyon yelpazesi, alüvyon yelpazesi, Örencik Formasyonu, güneyde bulunan mermer ve kireçtaşları belirgin olarak ortaya çıkmıştır. Havzanın güneyinden boşalan kaynaklar göle ulaşan dereleri beslemektedir. Mevcut koruma kuşaklarına ek olarak Sapanca Gölüne boşalan derelerin beslenme alanları ile bu derelerin üzerinde bulunduğu ve baz akımla beslendiği taneli ortamları da kapsayan "Hidrojeolojik Tabanlı Koruma Alanları" önerilmiştir. Haritada kirlenmeye karşı çok hassas ve hassas alanların sırasıyla alüvyal ortamlar ile karstik kireçtaşlarının kapladığı alanlara karşılık geldiği görülmüştür. Bu nedenle kaynak boşalımları ile doğrudan Sapanca Gölüne ulaşan dereyi oluşturan ve doğal arıtma süreçlerinin gelişmediği kireçtaşları ve mermerler ve alüvyon ortam "Hidrojeolojik Tabanlı Mutlak Koruma Alanı" olarak sınıflandırılmıştır Eski alüvyon yelpazesi, alüvyon yelpazesi ile Örencik Formasyonu ise doğrudan kaynak boşalımları gözlenmediği ve buna karşın doğal arıtma yeteneği olmasından dolayı "Hidrojeolojik Tabanlı I. Derece Koruma Alanı" olarak tanımlanmıştır. İzmit Havzasının yeraltısuyu akımının belirlenmesi için MODFLOW 2000 programını baz alan IMOD kullanılmıştır. Bu programı için jeolojik-hidrojeolojik veriler, yağış ve buharlaşma miktarı, akiferin beslenme miktarı, rasat kuyularındaki yeraltısuyu seviyeleri, işletme ve şahıs kuyularından çekilen debi miktarları kullanılmıştır. Sınır koşulları, model alanının jeolojik ve hidrojeolojik parametrelerine göre belirlendikten sonra, IMOD ile grid ağları oluşturularak tabaka tipleri, sayıları ve model için gerekli parametreler girilmiştir. IMOD kullanılarak İzmit havzasındaki 195 km2'lik bir alana sahip akiferde yeraltısuyu akım modeli çalışmaları yürütülmüştür. Akiferin, model alanı 100 m x100 m boyutunda 6 tabaka, 700 sütun ve 340 satırdan oluşan 238000 adet hücreye bölünerek modelin grid ağı oluşturulmuştur. Model çalışmasında, DSİ tarafından yapılan sondaj loglarına ait litolojik bilgiler kullanılarak hazırlanan jeolojik en kesitlere bağlı kalınmıştır. Yeraltısuyu akım modelinde akifer sisteminin sınır koşulları için, model alanının doğusunda yer alan Sapanca Gölü (30 m) ve batısında bulunan İzmit Körfezi (0 m) sabit seviyeli hidrolik yük (constant head boundary condition, CH) olarak tanımlanmıştır. Eşyağış eğrileri yöntemi ile ortalama yağış (1976-2017) model alanı için hesaplanmıştır. Net beslenim, yağıştan buharlaşma ve yüzeysel akış çıkarılarak hesaplanılmıştır. Modelde ayrıca kilin yüzeyde göründüğü kesimlerde beslenme 0,20 mm/gün olarak alınmıştır. Güneyde yer alan kaynakların toplam boşalım miktarı hesaplanmıştır. Model alanındaki rasat kuyularından ölçülmüş olan yeraltısuyu seviye değerleri kullanılarak, modelin kalibrasyonu yapılmıştır. Akım yönleri incelendiğinde İzmit Körfezinin batısında Marmara Denizine, Doğusunda ise Sapanca Gölüne doğru belirgin bir yeraltı suyu akışı olduğu gözlenmektedir. Model sonuçlarına göre İzmit Körfezi ile Sapanca Gölü arasında bir yeraltısuyu ayırım çizgisinin oluştuğu da göze çarpmaktadır. Farklı senaryolar ile yeraltısuyu çekimindeki artış sonucunda modellenen alanda yeraltısuyunda meydana gelecek değişimlerin incelenmesi amaçlanmıştır. Bu senaryolardan ilkinde; pompaj miktarında % 30 artış sonucunda akifer sisteminde meydana gelecek değişikliklerin incelenmesi, ikincisinde pompaj miktarında % 45 artış sonucunda akifer sisteminde meydana gelecek değişikliklerin incelenmesi ve üçüncüsünde pompaj miktarında % 60 artış sonucunda akifer sisteminde meydana gelecek değişikliklerin incelenmesi amaçlanmıştır. Son senaryoda; pompaj miktarında % 100 ve % 150 kat artış yapılmış ve akifer sisteminde meydana gelecek değişiklikler incelenmiştir.