Modelling Kücük Menderes watershed using soil and water assessment tool (SWAT)
Küçük Menderes Alt Havzası'nın swat (toprak ve su değerlendirme aracı) ile modellenmesi
- Tez No: 609869
- Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. MAHMUT EKREM KARPUZCU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Çevre Bilimleri, Mühendisliği ve Yönetimi Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 102
Özet
Küçük Menderes Alt Havzası, Türkiye'nin batısında Gediz ve Büyük Menderes Havzalarının arasında yer almaktadır. Antropojenik aktiviteler ve iklim değişikliği Küçük Menderes Havzası'nın su kaynaklarını olumsuz bir şekilde etkilemektedir. Nüfus artışı ve kontrolsüz su kullanımları havzayı su fakiri haline getirmiştir. Havzadaki su kaynakları iklim değişikliği, yoğun tarım ve hayvancılık ve düzensiz yapılaşma nedeniyle hem kalite hem de miktar açısından ciddi risk altındadır. Küçük Menderes Havzası'nda iklim değişikliği sonucu gelecekte ortalama sıcaklığın 3-5 °C artacağı ve yağışların ise %10-20 aralığında azalacağı beklenmektedir. Havzadaki su kaynakları, havzada yapılan yoğun tarım sonucu en çok sulama suyu olarak kullanılmaktadır. Havzada DSİ, sulama kooperatifleri, özel işletmeler ve halk tarafından sulama yapılmaktadır. Tarımsal sulamanın %92,7'si yeraltı suyu ile yapılmaktadır. Son yıllarda aşırı su çekiminden dolayı kuyulardaki su seviyeleri ciddi anlamda düşmüştür. Havzadaki mevcut problemler hem hidrolojik modelleme hem de su kalitesi modellemesi çalışmalarının yapılmasını gerektirmektedir. Gelecekte hem miktar hem de kalite açısından su durumunun tahmini, su tahsislerinin ve suyun hem miktar hem de kalite açısından korunması için alınacak önlemlerin belirlenmesi açısından çok önemlidir. Bu çalışmanın ana amacı, Küçük Menderes Alt Havzası için bir havza modelinin kurulması ve bölgenin hidrolojisini ve su kalitesini etkileyen faktörlerin ortaya konmasıdır. Bu faktörlerin etkilerini belirlemek için havza ölçeğinde hidrolojik süreçleri birleştiren bütünsel bir yaklaşım kullanılması gereklidir. Havza modellemesi, bu bütünsel yaklaşım kapsamında, yüzey ve yer altı su hareketlerini ve bu su kütleleri arasındaki etkileşimi daha iyi anlamak ve insan müdahalelerinin ve iklim değişikliğinin kaçınılmaz etkilerinin havza hidrolojisi üzerindeki etkilerini tahmin etmek için bir araç olarak kullanılmaktadır. En yaygın kullanılan modelleme araçları arasında SWAT (Soil and Water Assessment Tool - Toprak ve Su Değerlendirme Aracı) yazılımı bulunmaktadır. SWAT modeli, Amerika Birleşik Devletleri'nde (ABD) büyük ve karmaşık su havzalarında arazi kullanımı ve yönetiminin su miktarı ve kalitesi üzerindeki uzun vadeli etkisini değerlendirmek üzere geliştirilmiştir. Model, bölgeye ait sayısal yükseklik modelini (DEM) kullanarak havza sınırını çizdikten sonra havzayı birbirleriyle bağlantılı alt havzalara bölmektedir. Daha sonra bu alt havzalar toplu, etkileşimli olmayan Hidrolojik İşlem Birimlerine (HİB) bölünmektedir. Alt havzalar, topoğrafyaya göre oluşturulduğu için aynı akış segmentine akan alanları temsil ederler. HİB'ler, bir alt havza içindeki benzersiz arazi kullanımı, toprak ve eğim kombinasyonlarını temsil eder. Şöyle ki, model aynı arazi kullanımına, toprak sınıfına ve eğime sahip olup alt havza içerisinde dağılmış bölgeleri homojen, uzamsal olarak açık olmayan bir HİB'de toplamaktadır. Akış ağı, en az bir ana kanal ve alt havza başına bir yan kol ile temsil edilmektedir. Buna ilave olarak, göletler, sulak alanlar ve rezervuarlar tanımlanabilir. SWAT'taki simülasyonlar iki ana bölümden oluşur: toprak aşaması ve yönlendirme aşaması. Toprak aşamasındaki simülasyonlar, her HİB için günlük olarak hesaplanan su dengesi denklemine göre yapılır. Yönlendirme aşamasında, bu yükler ana kanal ağı üzerinden havzanın çıkışına yönlendirilir. Bu arada, suyun buharlaşması, partiküllerin çökmesi, kirleticilerin bozulması gibi prosesler göz önünde bulundurularak, kütlenin korunumu ilkesi uygulanır. Yüzeysel akış, USDA (Birleşik Devletler Tarım Bakanlığı) Doğal Kaynakların Korunması Hizmeti eğrisi sayısı yöntemi veya Green ve Ampt infiltrasyon modeli kullanılarak simüle edilebilir. Evapotranspirasyon Hargreaves, Priestly - Taylor ve / veya Penman - Monteith yöntemi kullanılarak tahmin edilebilir. Türkiye'de SWAT modeli uygulamaları yaygınlaşmaktadır. Literatür araştırması sonucu Türkiye genelinde SWAT modeli uygulamalarıyla ilgili 18 adet akademik makale tespit edilmiştir. Küçük Menderes Havzası'nda ise şu ana kadar herhangi bir SWAT uygulaması bulunmamaktadır. Bunun en büyük sebebi, havzanın ileri derecede yönetilen bir havza olması ve bu durumun modellemede meydana getirdiği zorluklardır. İleri derecede yönetilen havzadan kasıt, insan müdahalesinin aşırı derecede olmasıdır. Küçük Menderes Havzası'nda, su kütlelerin doğallığı çeşitli müdahalelerle sürekli değiştirilmektedir. Havzada işletmede olan çok sayıda baraj ve göletin yanısıra, birçok baraj ve gölet de ya inşaat ya da planlama aşamasındadır. Bunlara ek olarak, havza içerisinde su transferi için kullanılmak üzere yapılmış regülatörler bulunmaktadır. Havzada 10000'i aşkın kayıtlı yeraltı suyu kuyusu mevcuttur. Kayıtlı kuyulardan başka çok sayıda kaçak kuyu mevcuttur ve bu kuyularla yapılan aşırı su çekimleri havzadaki hidrolojik süreçleri olumsuz şekilde etkilemektedir. Kuyuların işletilmesi ile ilgili veri eksikliği model kurulumunu ve kalibrasyon işlemini daha da zorlaştırmaktadır. SWAT modeli, SWAT ‐ CUP (SWAT Calibration Uncertainty Procedures) yazılımında SUFI-2 algoritması kullanılarak kalibre edilmiştir. SWAT ‐ CUP duyarlılık analizi, çok alanlı kalibrasyon ve belirsizlik analizi için kullanılabilir. SUFI ‐ 2 tekrarlamalı (iteratif) bir algoritmadır ve tüm model belirsizliklerini parametre aralıklarına eşler. Sonuçtaki toplam belirsizlik, bir çıktı değişkeninin kümülatif dağılımının % 2.5 ve % 97.5 seviyesinde hesaplanan % 95 öngörü belirsizliği (95PPU) ile belirlenir. SWAT girdi parametreleri süreç tabanlıdır ve gerçekçi bir belirsizlik aralığında tutulmalıdır. SWAT programında kalibrasyon ve doğrulama işleminde ilk adım, belirli bir havza için en hassas parametrelerin belirlenmesidir. Kullanıcı, uzman görüşüne veya duyarlılık analizine göre hangi değişkenlerin ayarlanacağını belirler. Duyarlılık analizi, model girdilerindeki (parametreler) değişikliklere göre model çıktısındaki değişim oranını belirleme işlemidir. SUFI-2 algoritmasında duyarlılık analizi t-testi vasıtasıyla yapılmaktadır. Buna göre, t değeri ne kadar büyük olursa parametre o kadar hassas olur. P değeri t değerinin önemini göstermektedir. P değeri ne kadar küçük olursa, bir parametrenin yanlışlıkla hassas olarak atanması o kadar az olur. Bu çalışma kapsamında, p-değeri analizine göre herhangi bir parametrenin p-değeri değeri 0,05 değerinden küçük ise model sonuçlarını etkilediği kabul edilmektedir ve sıfıra yaklaştıkça etkileme derecesi artmaktadır. İkinci adım kalibrasyon işlemidir. Kalibrasyon işlemi tüm istasyonlar için tek seferde veya ayrı ayrı yapılabilmektedir. Bu çalışma kapsamında her istasyon için kalibrasyon ayrı bir şekilde yapılmıştır. Son adım, doğrulama (validasyon) işlemidir. Doğrulama işlemi, kalibrasyon işlemi sırasında belirlenen parametreleri kullanarak modelin çalıştırılmasını ve kalibrasyonda kullanılmamış olan verilerin kullanılarak bu verilerle model tahminlerini karşılaştırılmasını içerir. Son olarak, modelin performansı objektif fonksiyonlar, P-faktör ve R-faktör ile belirlenir. P-faktör ve R-faktör endeksleri modelin uyum iyiliğini ve belirsizlik durumunu belirler. P-faktör, 95PPU bandının içinde kalan izleme verilerinin yüzdesidir. R-faktör ise 95PPU bandının ortalama kalınlığının izleme verisinin standart sapmasına bölünmesiyle elde edilir. Simülasyonun izleme verileriyle tam olarak eşleştiği ideal durumda, P-faktör ve R-faktör sırasıyla 1 ve 0 olma eğilimindedir, ancak farklı kaynaklardan gelen hatalardan dolayı gerçek durumlar için bu değerler elde edilemez. Debi için P-faktör değerinin 0.6-0.8 aralığında olması, R-faktör için ise 1 değeri önerilmektedir. Ancak çalışma alanına ve parametre girdilerine bağlı olarak P-faktörü için 0,5'ten büyük ve R-faktör için 1,5'ten küçük değerler yeterli olarak kabul edilebilmektedir. Bu indislere ek olarak, simülasyon ile izleme verilerinin arasındaki uyum iyiliğini belirlemek için objektif fonksiyonlar kullanılabilir. Model, modelin mekansal çözünürlüğüne göre sonuçların nasıl değiştiğini ortaya koymak için iki deneme şeklinde kuruldu. Her kurulumda kalibrasyon ve doğrulama işlemleri her istasyon göstergesi için ayrı olarak gerçekleştirildi. Bununla birlikte, her denemede aynı başlangıç parametre aralığına sahip 21 parametre kullanılmış ve her istasyon için duyarlılık analizi yapılmış ve parametrelerin hassasiyeti derecelendirilmiştir. Model her iki denemede de istasyona göre iyi ve kabul edilebilir seviyedede olduğu tespit edilmiştir. Modelin bazı istasyonlarda özellikle validasyon sürecinde yetersiz kalması o süreç içersinde yapılmakta olan eylemler sebep olmuştur ve model genel olarak kabul edilebilir sonuçlar verebilmiştir. Havzanın ileri derecede yönetilen bir havza olması çalışmadaki belirsizliklerin de artmasına sebep olmuştur. Programa dahil edilen, ancak su havzasındaki durumları, veri sınırlandırması nedeniyle modelci tarafından bilinmeyen veya hesaplanamayan bileşenler havzada en çok belirsizliklere sebep olmuştur ve bunun neticesinde modelin sonuçları olumsuz şekilde etkilenmiştir. İklim değişikliği havzadaki su kaynaklarını olumsuz etkileyen bir diğer önemli faktördür. Bu çalışmada CLIMA-HYDRO projesinden yağış ve sıcaklık trendleri alınmıştır. HadGEM2-ES küresel iklim modeli kullanılarak RCP8.5 emisyon senaryosuna göre 2051-2060 döneminde Küçük Menderes Havzası su kaynakları üzerindeki iklim değişikliğinin etkisi değerlendirilmiştir. Debide genel bir düşüş beklenmesine rağmen bazı istasyonlarda ve havza çıkışında artışlar görülmüştür. Bunun arkasındaki temel neden, hem havzadaki hem de modeldeki belirsizlikler ile birlikte sıcaklık ve yağış trendlerinin yıllık bazında olmasıdır. Günlük, aylık veya mevsimsel trendler model sonuçlarını daha iyi hale getirebilir. Bu çalışma havza için ilk modelleme çalışmalarından olduğu için su kaynakları yönetiminde yapılacak farklı çalışmalara katkı sağlayacaktır. Bu çalışmanın devamında olarak SWAT modeli kullanılarak besi maddesi taşınımı ve akıbeti için su kalitesi modellemesi yapılacaktır.
Özet (Çeviri)
Water is the main element of life. Population growth, increasing urbanization and industrialization, global warming and anthropogenic activities cause water shortages in both quantity and quality all over the world. In order to determine the effects of these factors, a holistic approach combining hydrological processes at the watershed scale is necessary. In this holistic approach, watershed modeling is used as a tool to better understand surface and groundwater movements and interactions between these water bodies, and to predict the effects of human interventions and the inevitable effects of climate change on watershed hydrology. Water resources in Kucuk Menderes Watershed have been adversely affected by anthropogenic activities and climate change. Increasing population and uncontrolled water uses have transformed the watershed into a water-stressed watershed. Modeling studies in water resources are required to solve these problems in the watershed. In this study, a watershed model for the watershed was established using SWAT (Soil and Water Assessment Tool). SWAT was set up twice in this study. In the first setup, 60 subbasin and 208 HRU was generated. This model is not spatially detailed. The model calibration and sensitivity analysis were performed by SWAT-CUP (SWAT-Calibration Uncertainty Programs) using Sequential Uncertainty Fitting (SUFI-2) method. The model was mostly sensitive to CN2, SOL_BD (layer#), RCHRG_DP and SOL_K (layer#) parameters. The performance of the model was evaluated with P-factor, R-factor and objective functions. P-factor values were in the range of 61-80 % meaning that the monitoring data were matched by the model within this range. According to the objective functions, the overall model performance was evaluated as satisfactory. In the second setup, 266 subbasin and 4959 HRU was generated. The spatial resolution of this model is higher than the first one. In this setup, the model calibration and sensitivity analysis were also performed by SWAT-CUP using SUFI-2 method. The parameter to which the model is most sensitive is the CN2 parameter, except at gauge station D06-A027. At D06-A027 gauge station, the model is mostly sensitive to RCHRG_DP.gw parameter. Following CN2 parameter, at D06-A001, D06-A011, D06-A013 and D06-A025 gauge stations the model is mostly sensitive to soil parameters. For example, SOL_BD (layer #) and SOL AWC(layer).sol are ranked as second and third parameters that the model is sensitive to at these gauge stations. The model is mostly sensitive to groundwater parameters at D06-A026 and D06-A027 gauge stations. However, at gauge station D06-A042 the model is sensitive to various parameter categories like soil, groundwater, main channel input parameters, and HRU input parameters. This gauge station is the only station that include main channel input parameters in top five most sensitive parameters. In terms of model performance, R2 values range from 0.57 to 0.72 for calibration, and 0.33 to 0.79 for validation. NSE values range from 0.45 to 0.70 for calibration, and 0.09 to 0.75 for validation. PBIAS values range from -4.1 to 52.9 for calibration, and -48.2 to 24.2 for validation. KGE values range from 0.26 to 0.72 for calibration and 0.36 to 0.73 for validation. Climate change is another important factor that adversely affects the water resources in the watershed. Within this study rainfall and temperature trends is taken from CLIMA-HYDRO project. HadGEM2-ES global climate model with RCP8.5 emission scenario is used to evaluate climate change impact on Kucuk Menderes Watershed water resources in 2051-2060 period. Although, an overall decrease is expected to be seen but in some gauge stations and at the watershed outlet increases is encountered. The main reason behind this is the annual temperature and rainfall trends and uncertainties happening in both watershed and the model. A daily, monthly or seasonal trend could have bettered the model outcomes respectively. As this study is one of the first watershed modeling studies for the watershed, it will contribute to the different studies to be done in water resources management. The results of this study could serve as a basis for a wide range of studies in the watershed such as water budget determination and sectoral water allocation, future water quality modeling studies and understanding impact of best management practices applications to prevent further deterioration in water quantity and quality within the watershed and studies regarding impact of climate change within the watershed.
Benzer Tezler
- Application of a water quality model for the Küçük Menderes River
Küçük Menderes Nehri için su kalitesi modelinin uygulanması
NİLSU GEVREKÇİOĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Çevre MühendisliğiDokuz Eylül ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALPER ELÇİ
- Küçük Menderes havzasının hidrolojik modellemesi için gerekli bazı parametrelerin uzaktan algılama ile saptanması üzerine bir araştırma
An Investigation on determination of some parameters using remote sensing techniqus to use hydrological modelling of Küçük Menderes basin
HÜSEYİN KORKMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2000
ZiraatEge ÜniversitesiTarımsal Yapılar ve Sulama Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSA AVCI
- Three dimensional numerical modelling of recharge: Case study: Eğri creek sub-basin, İzmir
Besleme üç boyutlu sayısal modellemesi: Örnek çalışma: Eğri dere alt-havzası, İzmir
YAVUZ ŞAHİN
Doktora
İngilizce
2022
Mühendislik Bilimleriİzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsüİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÖKMEN TAYFUR
PROF. DR. ALPER BABA
- İklim değişikliğinin toprak tuzluluğu üzerine olası etkilerinin modellenmesi: Selçuk (İzmir) örneği
Modelling climate change's possible impact on soil salinity Selçuk (Izmi̇r) exapmple
SAHAR SADAT SEYED SALAMAT
- Aydın yöresinde incir kurutmada kullanılacak olan doğal akımlı bir güneş enerjili kurutucunun modellenmesi
Modelling of a solar dryer with natural convection which will be used around Aydın for fig drying
NECMİYE APAYDIN
Yüksek Lisans
Türkçe
2007
ZiraatAdnan Menderes ÜniversitesiTarım Makineleri Ana Bilim Dalı
PROF.DR. BÜLENT COŞKUN