Hareketin ve çökelmenin başlangıcı esaslı kendiliğinden temizlenen drenaj sistemi tasarım modelleri

Katı madde çökelmesi kanalizasyon, sulama kanalları, yağmur suyu drenaj kanalları gibi su ile birlikte istenmediği halde katı madde taşıyan rijit cidarlı kanalların tasarımı için önemlidir. Rijit cidarlı kanallarda katı madde hareketi, ayrıca akarsulardaki kirlilik problemi nedeniyle önemli bir araştırma konusudur. Kanalizasyonlardaki katı maddenin varlığı, kirliliğin yanı sıra akımda katı madde birikmesi ve katı maddeye bağlı tıkanma gibi problemlere de neden olmaktadır. Akım ortamında bulunan katı maddenin çökelmesi kanalların hidrolik kapasitesini düşürür. Diğer taraftan kanalın temizlenmesi için gerekli insan gücü ve enerji için ek maliyet doğar. Kanalın enkesitinin değişmesi ve katı madde çökelmesi nedeni ile meydana gelen kirlilik diğer pek çok probleme de neden olabilir. Rijit cidarlı kanallarda çökelmenin incelenmesi tüm bu nedenlerle önemlidir. Katı madde taşınımı karmaşık bir süreçtir. Askıdaki katı madde taneleri akımda yeterli hız olduğu takdirde askıdaki hareketine devam etmektedir. Akım hızının yeterli olmadığı durumda kanalda katı madde çökelmesi başlayacaktır. Kanallarda katı madde çökelmesinin sürekli olarak devam etmesi, kanalın taşıma kapasitesini önemli ölçüde azaltmaktadır. Kanalizasyon ve sulama kanalı gibi rijit cidarlı kanallarda katı madde çökelmesi teknik ve ekonomik bir sorundur. Bu sorunu en aza indirmek için pahalı koruma önlemleri alınmaktadır. Kentsel havzalarda bulunan drenaj kanallarında katı madde sıklıkla birikmekte, bunun sonucunda kanalların çalışma performansı düşmektedir. Drenaj sistemlerinde pratikte en çok karşılaşılan problem aşırı katı madde birikmesi nedeniyle meydana gelen tıkanmalardır. Kanallara katı madde taşıyan en önemli kaynaklar, yol kaplama malzemeleri ile inşaat alanı artıklarıdır. Katı madde girişi havza özelliklerine ve kanal türüne göre değişmektedir. Bu problemlerin azaltılması veya en aza indirilmesine hizmet etmek üzere deneysel veri esaslı model geliştirilmesi bu çalışmanın konusunu oluşturmaktadır. Rijit cidarlı kanallarda bugüne kadar yapılan araştırmalar genel olarak kanal içinde akım ortamında durgun halde bulunan katı maddenin harekete başlamasına yönelik modellerin geliştirilmesi şeklinde olmuş, akım ortamında hareket halindeki katı maddenin çökelme başlangıç noktası odaklı az sayıda çalışma yapılmıştır. Bu nedenle, rijit cidarlı kanallarda katı madde çökelmesinin başlangıç noktası ile ilgili çalışmalara hala ihtiyaç duyulmaktadır. Bu çalışmada, rijit cidarlı kanallarda katı madde çökelmesinin ve hareketinin başlangıç noktaları incelenmiştir. Laboratuvarda gerçekleştirilen fiziksel deneylere dayanan projede rijit cidarlı kanallarda katı madde taşınımı problemi incelenmiş, akım ortamında hareket halinde bulunan katı maddenin çökelmesi ve hareketsiz halde duran çökelmiş durumdaki katı maddenin harekete başlaması ile ilgili ölçüm ve gözlemler yapılarak probleme özgü deneysel veri toplanmıştır. Literatürde kanallarda katı madde hareketi analizi için akımın kritik kayma gerilmesi ve kritik hızına dayanan iki temel yöntem bulunmaktadır. Katı madde taşınımı ile ilgili birçok çalışmada bu yöntemlerden herhangi biri kullanılmaktadır. Bu projede katı madde taşınımı için her iki yöntem kullanılarak analiz yapılmaktadır. Bu çalışma kapsamında laboratuvar deneyleri sonuçları kullanılarak rijit cidarlı kanallarda kritik hız ve kritik kayma gerilmesi yöntemlerine göre katı madde hareketinin ve çökelmesinin başlangıç noktalarının incelenmesi amaçlanmıştır. Bu sayede çökelmenin başlangıcı durumunda katı madde taşınımı modellerinin elde edilmesi mümkündür. Aynı zamanda hareketli ve rijit cidarlı kanallarda katı madde taşınımı, çökelmenin başlangıcı ve hareketin başlangıcı mekanizmaları arasındaki fark ortaya konabilir. Geliştirilen modellerin yağmur suyu drenaj ve kanalizasyon sistemlerinde kanalların kendiliğinden temizlenmesi amacıyla kullanılması beklenmektedir. Rijit cidarlı kanallarda katı madde taşınımı modellerinin ortaya konması bu çalışmanın hedefleri arasında yer almaktadır. Katı madde taşınımı modelleri için çok sayıda laboratuvar deneyinin yapılması, bu amaçla farklı enkesit, katı madde çapı, eğim ve akım koşullarının denenmesi gereklidir. Bunun için farklı geometrik enkesitlere sahip kanallarda farklı katı maddeler için farklı eğimlerde laboratuvarda fiziksel deneyler gerçekleştirilmektedir. Kritik hız veya kayma gerilmesi yöntemlerini esas alarak kendi kendini temizleyen kanallar hareketin başlangıç hızı ve kayma gerilmesine dayanan modellere göre tasarlanabilir. Düşük akım hızlarında kanalın yatağında bulunan katı madde hareketsiz kalmaktadır. Akım hızının giderek artması ile hareketin başlangıç koşuluna varılır. Akım ortamında katı madde hareketi çoğunlukla katı madde parçacıklarının harekete başlama noktasının belirlenmesini hedeflemiştir. Bu nedenle akım ortamında hareket halinde bulunan katı madde parçacıklarının çökelme başlangıç noktası ile ilgili literatürde çok az veri bulunmaktadır. Dolayısıyla farklı kanal enkesitlerinde çökelmenin başlangıç noktası için yeni veriler elde edilmesi gereklidir. Ayrıca, literatüre göre çökelme ve hareket başlangıç noktalarını aynı anda ele alan bir araştırmaya rastlanmamıştır. Bu iki başlangıç noktasının aynı laboratuvar koşulları altında incelenmesi çökelmenin ve hareketin başlangıç noktaları arasındaki farkın ortaya konması açısından önemlidir. Rijit cidarlı kanallarda katı madde taşınımına ait çökelmesiz durum, çökelmenin başlangıcı, hareketsiz durum ve hareketin başlangıcını bir arada kapsayan bir çalışmanın yapılması önemlidir. Deneyler farklı kanal enkesitleri için yapılmış, böylece katı madde taşınımına kanal enkesitinin etkisi ortaya konmuştur. Laboratuvar deneylerinden elde edilen veriler kullanılarak kanalın kendiğilinden temizlenmesi için kriterler belirlenmiştir. Katı madde taşınımında, kanal enkesit şekli önemli bir faktördür. Pratikte çoğunlukla kullanılan daire ve dikdörtgen dışındaki kalan kanal enkesitlerinde katı madde taşınımı hemen hemen hiç incelenmemiştir. Dolayısıyla bu enkesitler ile ilgili belirsizlikler söz konusudur. Bu nedenle, bu araştırmada, farklı enkesitler kullanılarak hareketin başlangıç noktası, çökelmenin başlangıç noktası ve katı madde taşınımı modelleri ile ilgili incelemeler yapılmıştır. Deneylerde, katı madde hareket döngüsünü esas alarak katı maddenin dört farklı hareket durumu beş farklı enkesiti olana trapez, dikdörtgen, daire, U-şeklinde ve tabanı V-şeklinde olan kanallarda ve dört farklı çaptaki katı madde ve dokuz farklı kanal eğimi için gözlem ve ölçümler yapılmıştır. Bunun için laboratuvarda toplam 180 deney ve 2609 gözlem yapılmıştır. Bu deneylerde, çökelmenin ve hareketin başlangıcının akım koşulları kaydedilerek sayısal veriler toplanmıştır. Çökelmenin başlangıcına ait değerlendirmeler çökelmenin gözlendiği deney verilerini esas almaktadır. Benzer şekilde hareketin başlangıcı ile ilgili sonuç ve çıkarımlar da hareketin başlangıcının gözlendiği akım koşullarına dayanmaktadır. Katı madde hareketi, kayma gerilmesi veya hız yaklaşımları kullanılarak ele alınmıştır. Kayma gerilmesi yaklaşımında Shields ve Yalın yöntemleri, hız yaklaşımında ise Yang ve Novak ve Nalluri yöntemleri kullanılmıştır. Rijit cidarlı kanallar için bu çalışmada geliştirilen hareketin başlangıç noktası modelleri literatürde hareketli tabanlı kanallar için mevcut modeller ile karşılaştırılmıştır. Modeller farklı performanslar göstermiştir. Bunun en önemli nedeni kanalların cidar özellikleridir. Hareketli tabanlı kanallar için geliştirilen modeller rijit cidarlı kanallar için geçerli ve kullanışlı değildir. Hareketli tabanlı kanallarda pürüzlülük daha yüksektir. Bu yüzden katı madde parçacığının harekete başlaması için daha büyük hidrodinamik kuvvet gerekmektedir. Dolayısıyla, hareket için gerekli hız ve kayma gerilmesi hareketli tabanlı kanallarda daha büyüktür. Başka bir deyişle rijit cidarlı kanallarda katı madde hareketinin başlangıcı için hareketli tabanlı kanallara göre daha düşük hız ve kayma gerilmesine ihtiyaç vardır. Rijit cidarlı kanallar için hız ve kayma gerilmesi yaklaşımları kullanılarak geliştirilen modeller farklı sonuçlar vermektedir. Modellerdeki davranış farkı her bir modelin farklı kanal enkesitleri için geliştirilmiş olmasına bağlanabilir. Dolayısıyla kanalın enkesit şeklinin rijit cidarlı kanallarda katı madde hareketinde önemli olduğu söylenebilir. Akım ortamında bulunan katı madde hareketinde hareketli parçacıkların çökeldiği ve hareketsiz parçacıkların harekete geçtiği anlarda ölçülen kayma gerilmesi, boyutsuz kayma gerilmesi, tane Froude sayısı ve hız gibi akım karakteristikleri farklıdır. Bu karakteristikler çökelme başlangıç anında hareketin başlangıç anına göre daha büyüktür. Deneylerden elde edilen verilerin hız ve kayma gerilmesi yaklaşımları kullanılarak ile hareket başlangıç ve çökelme başlangıç modelleri kurulmuştur. Bu modeller ile hareket başlangıç veya çökelme başlangıç hızları ve kayma gerilmeleri hesaplanabilir. Uygulamada bu modeller kullanılarak çökelme meydana gelmeyecek şekilde akım hızı ve kayma gerilmesi veren kanal eğimi belirlenebilir. Geliştirilen modellere tasarım amacıyla kullanılabilen pratik araçlar olarak bakılabilir. Gözlemler katı madde parçacıklarının farklı hızlarda çökelmeye ve harekete başladığını, çökelme hızının harekete başlama hızından yüksek olduğunu göstermiştir. Yani hareketin başlangıcı için gerekli akım hızı, aynı akım koşulları altında hareket halindeki katı madde parçacığının çökelme başlangıcındaki akım hızından düşüktür. Başka bir deyişle, hareket halindeki katı madde parçacığı hareketsiz bir parçacığın harekete başlaması için gereken akım hızından daha yüksek bir akım hızında çökelmeye başlar. Akım hızının çökelme başlangıç hızı ile hareket başlangıç hızı arasında kaldığı bir kritik hareket bölgesi tanımlanabilir. Bu bölgede hareket bölgesinde katı madde parçacıkları hareketsiz iken hareketli ya da hareketli iken hareketsiz duruma geçme eğilimindedir. Yani, hareket halindeki parçacıklar çökelmeye başlamakta, hareketsiz duran parçacıklar harekete geçmektedir. Bu hız bölgesi eşik hız bölgesi olarak adlandırılabilir. Bu araştırmanın sonuçları katı madde birikmesi problemi ile karşı karşıya olan uygulamacı kurumlar tarafından inşaat, işletme ve bakım giderlerinin azaltılması amacı ile kullanılabilir. Rijit cidarlı kanalların çökelme koşulu altında tasarımının yapılması kanalların verimli ömrünü etkileyebilir. Bakım maliyetinin düşürülmesi bu çalışmanın bir diğer faydası olabilir. Belediyeler, su ve kanalizasyon idareleri, tarımla ilgili kamu kurumlarının yanı sıra konu ile ilgili özel sektörün de bu araştırmanın sonuçlarını ilgili projelerinde tasarım amacı ile kullanabilecekleri beklenmektedir. Bu yönü ile bu çalışmada elde edilen hem akademik hem de pratik anlamda önemli ve kullanılabilir olan, deney sonuçlarının rijit cidarlı kanalların tasarım kriterleri için faydalı olacağı düşünülmektedir.