Ünite 8: Coğrafi Bilgi Sistemlerinde Yeraltısuyu Haritalaması

Giriş

Dünyamızda temiz su ihtiyacı arttıkça, ülkeler de yeraltısuyu araştımalarına ağırlık vermeye başlamışlardır. Bu kapsamda gelişimi durduralamayan CBS teknolojisinden de yararlanılmakta ve güncel olarak kullanılmaktadır.

Yeraltısuyunun Tanımı

Su döngüsü, dünya üzerinde bulunun suların zaman içinde kara, deniz, atmosfer gibi farklı ortamlardan katı, sıvı, gaz gibi farklı fazlarda geçerek oluşturduğu çevrime verilen isimdir. Adından da anlaşılabildiği gibi sürekli bir döngü halinde olduğundan suların izlediği rotayı herhangi bir ortamdan başlayarak anlatmak mümkündür. Örneğin denizlerden başlayacak olursak, güneşten aldığı enerji ile buharlaşan su, atmosfere doğru yükselir ve soğuk hava tabakalarıyla karşılaşınca yoğunlaşmaya başlar. Yoğunlaşan su buharı bulutları oluşturur ve hava akımları ile karasal kesimlere doğru taşınır. Burada iyice yoğunlaşan su, yeryüzüne kar, yağmur veya dolu olarak düşer. Yeryüzüne tekrar ulaşan su, yeryüzü koşullarına bağlı olarak farklı rotalar izler. Örneğin yüzeyden akarak önce nehirlere ve oradan da göllere veya denizlere ulaşabilir. Eğer toprak yeteri kadar geçirgense, yüzeyden akmayıp yeraltına doğru sızar ve yeraltı sularına karışır. Yeraltısuyu, su döngüsü içinde önemli bir yere sahiptir.

Yeraltısuyu: Yeraltındaki durgun veya hareket halinde olan tüm sulara verilen isimdir.

Yeraltısularının incelenmesi oldukça önemli bir konudur. Yeraltısuyunun dağılımını ve hareketini inceleyen bilim dalına hidrojeoloji veya yeraltısuyu hidrolojisi denir. Dünya yüzeyinin yaklaşık %71’i sularla kaplı olup, bu suların yaklaşık %96,5’i okyanuslarda ve denizlerde tuzlu su olarak bulunmaktadır. Yaklaşık %1’lik orana sahip olan karasal ortamlardaki tuzlu sular da çıkartıldıktan sonra geriye kalan %2,5’luk oran dünyadaki tatlı suları temsil etmektedir. Ancak bu tatlı suların da %69’luk bir bölümü soğuk bölgelerde buzullar şeklinde olduğunudan, insanlar için kullanıma müsait değildir. Geriye kalan kısımda ise yüzey suları ancak %1’lik bir orana sahiptir. Yeraltısuları ise tatlı sular genelinde %30’luk bir orana sahiptir ve bu da yeraltısularının tüm canlılar için ne denli önemli bir su kaynağı olduğunu göstermektedir. Örneğin, bitkiler kurak mevsimlerde toprakta birikmiş olan suyu emerek hayatta kalmaktadır. Akarsulardan geçen suyun önemli bir bölümü de mevsime bağlı olarak farklı oranlarda yeraltısuyu tarafından sağlanmaktadır. Buna yeraltısuyu katkısı veya baz akım adı verilir.

İnsan aktiviteleri gerek nitelik gerekse nicelik olarak yeraltısularına etki etmektedir. Çoğunlukla olumsuz olan bu etkiler oldukça uzun bir zaman boyunca ve uzun mesafelerde hissedilebilmektedir. Bu etkileri oluşturan insan aktivitelerinin kapsamı da oldukça geniştir. Örneğin, tarım alanlarında sıkça kullanılan tarım ilaçları ile gübreler yüksek miktarlarda kimyasal madde içermekte olup sulama ile beraber yeraltısuyuna karışıp kirlenmeye yol açmaktadır. Günümüzde artan şehirleşme ve endüstriyel gelişmenin de yeraltı sularına etkisi büyüktür. Yetersiz kalan atıksu arıtma tesisleri, kanalizasyon sistemleri ve sanayi yapıları da yeraltısuyundaki kirliliği artırmaktadır. Yeraltısuyunun sanayi tesisleri tarafından pompaj yapılmak suretiyle aşırı tüketimi de su seviyesinin hızlıca alçalmasına yol açmaktadır. Eğer aşırı pompaj yapılan yerler deniz kenarlarında bulunuyorsa yeraltı su seviyesinin alçalmasından dolayı denizden yeraltına doğru tuzlu su girişi meydana gelir ve suyu kullanılamaz hâle getirir. Bunlar gibi birçok nedenden dolayı yeraltısularının miktarının ve kalitesinin sürekli denetim altında tutulması gerekir.

Yeraltısuyu Depolanması

Yeraltısuyunu barındıran jeolojik yapılar genel olarak suyu tutma ve iletme kapasitelerine göre tanımlanır. Genel olarak, içinde yeterli miktarda su bulunduran ve bunu kuyulara veya kaynaklara iletebilen formasyonlara akifer adı verilir (Lohman vd., 1972) Genellikle kum ve çakıllardan oluşurlar. Diğer adları da yeraltısu rezervuarı veya su tutan formasyondur. İçinde su bulunduran farklı formasyonlar şunlardır:

• Alüvyon çökeltiler
• Kireçtaşı
• Kumtaşı
• Volkanik kayalar

Akarsu yataklarında ve civarında kum, çakıl, taş ve jeolojik aşınma sonucu ortaya çıkan diğer malzemelerin birikmesi ile alüvyon çökeltiler meydana gelir. Oldukça geçirgen bir yapıya sahip olan bu akifer üzerinde bir kuyu açıldığında yüksek miktarlarda su elde etmek mümkündür. Kireçtaşı , çoğunlukla kristal formdaki kalsiyum karbonattan (CaCO3) oluşan tortul bir kayaçtır. En önemli özelliği ise suyla veya düşük asitli çözeltilerle temas ettiğinde çözülebilmesi ve dolayısıyla içinde derin çatlaklar, kanallar ve mağaralar oluşabilmesidir. Kireçtaşı akiferler, bu çatlaklarda ve kanallarda yüksek miktarlarda su bulundurabilir ve bu suların yüksek hızlarda iletilmesini sağlar. Kum, çakıl ve diğer küçük kaya parçalarının birbirine kaynaşık hâlde bulunduğu formasyonlara kumtaşı adı verilir. İçindeki doğal çimento malzemesinden dolayı geçirgenliği genel olarak düşüktür. Ancak bazı çatlaklı kumtaşlarından su elde etmek mümkündür. Volkanik kayalar , yüksek geçirgenlikli akiferler oluşturabilmektedir. Lav akımlarından oluşan derin çatlaklar, basınçlı gazların oluşturduğu boşluklar, faylar ve soğuma esnasında oluşan diğer çatlaklar özellikle bazalt akiferlerde görülebilen yüksek geçirgenliğin nedenlerini oluşturmaktadır (Maxey ve Hackett, 1963).

Akifer Çeşitleri

Suyun yeraltında depolanması, oradaki kum, çakıl veya çatlaklı kaya gibi malzemelerin boşluklarında birikmesi şeklinde gerçekleşir. Yeraltında su depolama vazifezi gören akiferler genel olarak basınçlı ve basınçsız olmak üzere ikiye ayrılır. Yapısal olarak farklı olduklarından dolayı suyu depolama ve iletme mekanizmaları da birbirinden farklıdır. Her iki akifer de temel olarak yüzeyden yağışlarla veya sulama gibi yapay yollarla beslenir. Bu tür bölgelere beslenme alanı adı verilir.

Basınçsız akiferler genel olarak aşağıdan geçirimsiz bir kaya tabakası veya sızıntılı düşük geçirgenlikli bir katman ile sınırlandırılmışken üst taraflarında böyle bir katman bulunmaz. Bu sebepten aynı zamanda serbest akifer olarak da adlandırılırlar. Basınçsız akiferlerin içinde serbest yüzeyli bir su kütlesi bulunur. Serbest su yüzeyine su tablası adı verilir ve üzerinde sıkıştıran bir katman olmadığı için tıpkı yüzeydeki su kütleleri gibi atmosfer basıncına maruzdur. Su tablasının aşağısındaki kısımda akifer içindeki boşluklar tamamen suyla dolu olduğundan buraya doygun bölge adı verilir. Su tablasının yukarısındaki kısımda ise boşluklar kısmen suyla doludur. Buraya doygun olmayan bölge veya vadoz bölge adı verilir. Bu bölgedeki doygunluk değişken olup doygunluk oranı denen bir parametre ile ifade edilir. Doygunluk oranı, boşluklarda biriken suyun hacminin toplam boşluk hacmine oranıdır ve yüzde olarak ifade edilir. Vadoz bölge içinde, yer yüzeyinden su tablasına doğru inildikçe doygunluk oranı artar ve su tablasında %100 değerine ulaşır. Su tablası, çok yağış alan yerlerde yüzeyin birkaç metre aşağısında olabileceği gibi kurak bölgelerde yüzlerce metre derinde de olabilir. Su tablası genelde hafif bir eğime sahip olur ve akiferdeki akım bu eğim doğrultusundadır. Bölgesel yağışlar, sulama, drenaj ve pompaj gibi etkenler su tablasının derinliğini ve eğimini etkiler. Bu değişkenliği takip edebilmenin en kolay yolu birden fazla gözlem kuyusu açmaktır.

Basınçlı akiferler hem aşağıdan hem de yukarıdan geçirimsiz veya sızıntılı katmanlar ile sınırlandırılmıştır. Akifer içindeki su, düşey yönde sıkışmış olduğu için bu yönde serbestçe hareket edemez ve dolayısıyla bir basınca sahip olur. Suyun hareketi genel olarak yatay yöndedir. Bu tür akiferler yüksek kesimlerde yağışlarla ve kar erimeleriyle beslenirler. Basınçlı akifer delinerek bir kuyu açıldığında, kuyunun içindeki su, basınçla beraber yüzeye doğru yükselmeye başlar. Eğer basınç yeterince yüksekse su kuyudan taşarak yüzeye çıkar. Bu tür akiferlere artezyen akifer ve açılan kuyulara da artezyen kuyu adı verilir. Basınçlı akiferde açılan bir kuyuda suyun yükseldiği noktaya piyezometrik seviye adı verilir. Farklı yerlerde kuyular açıp, bu kuyulardaki su seviyelerini doğrusal olarak birleştirerek piyezometrik yüzeyi belirlemek mümkündür. Piyezometrik yüzeyin eğimi akım yönünü gösterir.

Basınçlı ve basınçsız akiferlere ek olarak bir de tünek akifer denen yapılar bulunmaktadır. Bunlar yüzeyden çok derin olmayan bir yerde küçük bir alana yayılmış geçirimsiz bir katmanın üzerinde biriken suyun oluşturduğu akiferlerdir. Bu sebepten basınçsız akiferlerin bir alt çeşidi olarak da düşünülebilir. Akiferler bazen karmaşık jeolojik yapılardan meydana gelebilirler. Bir bölgede hiç akifer bulunamayacağı gibi birden fazla akifer de üst üste sıralanmış hâlde bulunabilir. Akiferleri yüzeyden tespit etmek oldukça zordur. Jeolojik yapıyı belirlemek için farklı noktalarda ve farklı derinliklerde sondaj kuyuları açıp numune almak ve incelemek gerekir. Ayrıca bazı durumlarda bulunan bir akiferin basınçlı mı yoksa basınçsız mı olduğunu ayırt etmek de zor olabilir. Bunun için yapılacak akifer testleri (pompalama testleri) ile akiferlere özgü depolama katsayısı gibi parametreler belirlenerek bir sonuca ulaşılır.

Yeraltısuyu Hareketi

Akiferler veya boşluklu ortam içindeki yeraltısuyu hareketini matematiksel olarak tanımlayan denkleme Darcy kanunu (Darcy, 1856) adı verilir. Bu kanunda temel olarak yeraltısuyu akımının debisinin, akım yönündeki iki nokta arasındaki yük farkı ile doğru orantılı ve aradaki mesafe ile ters orantılı olduğu ifade edilmektedir.

Kuyular

Kuyular, yeraltısuyundan faydalanmak, su seviyesinin yıl boyunca değişimini gözlemlemek, akiferin hidrolik ve kimyasal özelliklerini belirlemek gibi farklı sebeplerden açılırlar. Genel olarak iki tip kuyu vardır. Bunlar pompaj ve gözlem kuyusu dur. Pompaj kuyularında pompalama testleri yapılarak akiferin hidrolik iletkenlik ve depolama katsayısı gibi parametreleri belirlenmeye çalışılır. Gözlem kuyuları ise su seviyesindeki değişimleri kaydetmek amacıyla açılır. Pompaj yapılmadan önce kuyuda ölçülen su seviyesine statik seviye adı verilir. Basınçsız akiferlerde yapılan pompaj, kuyudaki su seviyesini düşürmeye başladığında etrafındaki yeraltısuyu da kuyuya doğru akmaya başlar. Yeraltısuyu yerçekiminin etkisiyle yavaşça kuyuya doğru akarken su tablası da koni biçimini alır. Buna düşüm konisi adı verilir. Düşüm konisinin yarıçapına etki yarıçapı adı verilir. Teorik olarak pek mümkün gözükmese de pratikte kuyuda yapılan pompajın etki yarıçapının ilerisindeki alanı etkilemediği kabul edilir. Etki yarıçapı kuyunun iki tarafında simetrik olmayabilir.

Etki alanı: Kuyunun çevresinde pompajdan etkilenen alana verilen isimdir.

Hidrograf: Yeraltısuyu seviyesindeki değişimi zamana karşı gösteren grafiğe verilen isimdir.

Haritalama

Yeraltısularının haritalanması hidroloji ve hidrojeoloji açısından önemli bir konudur. Haritalarda yeraltısularıyla ilgili farklı bilgiler görüntülenebilir. Örneğin, kuyu kordinatları girilerek gözlem ve pompaj kuyularının yerleri gösterilebilir. Kuyulardaki seviye ölçümleri kullanılarak CBS ortamında enterpolasyon tekniğiyle bir piyezometrik yüzey haritası çıkartılabilir. kartılabilir. Bu harita üzerinde aynı piyezometrik seviyeye sahip noktalar birleştirilerek bir kontur haritası elde etmek mümkündür. Bu konturların sıklığı ve eğriliği yorumlanarak yeraltısuyunun eğimi ve akım yönü hakkında bilgi elde edilir.

Enterpolasyon: Bilinen noktalardaki değerleri kullanarak farklı noktalardaki bilinmeyen değerleri elde etmek için kullanılan bir sayısal analiz yöntemidir.

Yeraltısuyu seviyesi veya piyezometrik yüzey, yağış ve pompaj gibi koşullara bağlı olarak sürekli değişim hâlinde olduğundan farklı tarihlerde alınan ölçümlerle hazırlanan kontur haritaları da birbirinden farklı olabilir. Ayrıca gözlem yapılan kuyular ne kadar fazlaysa ve akifer üzerinde ne kadar homojen dağıldıysa elde edilen kontur haritası da o kadar doğru olacaktır.

Kontur haritaları dışında, akifer sınırlarını ve cinsini gösteren, akiferin beslenme alanlarını gösteren, yeraltısuyunun kirliliğini gösteren veya aşırı pompaj yapılan alanları gösteren haritalar üretmek de mümkündür. Uzaktan algılama ve uydu teknolojilerinin gelişmesiyle birlikte yeraltısuları uydu verileriyle de takip edilebilmektedir. Örneğin NASA’nın yürüttüğü bir çalışmada GRACE adlı uydunun verileri kullanılarak dünya yüzeyindeki su kaynakları anlık olarak takip edilmektedir.