High flow, low flow and drought characteristics of Küçük Menderes river basin
Küçük Menderes havzasının yüksek akım, düşük akım ve kuraklık özellikleri
- Tez No: 706922
- Danışmanlar: PROF. DR. HAFZÜLLAH AKSOY
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Hidrolik ve Su Kaynakları Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 141
Özet
Su, bütün canlı organizmalarının yaşam döngülerinde oldukça önemli bir role sahiptir. Ekosistem, tarım, hayvancılık, endüstriyel üretim gibi pek çok alanda suyun önemi geçmişten günümüze teknolojide gerçekleşen bütün ilerlemelere ve gelişmelere rağmen değişmemiştir. Ne yazık ki Dünya'da artık kaçınılmaz olan iklim değişikliği, antropojenik faaliyetler sonucunda hızlanmış ve bu durum, su kaynakları üzerinde stres yaratmıştır. Günümüzde de iklim değişikliği ve bunun sonucunda ortaya çıkan su kıtlığı, özellikle kurak ve yarı kurak bölgelerde yaşayan toplumlar üzerinde büyük risk oluşturmaktadır. Ayrıca dünya nüfusunun hızla artması sonucunda, su kaynaklarının daha hızlı tüketilmesi de su kıtlığına sebep olmaktadır. Birleşmiş Milletler Dünya Bankası Üst Düzey Su Paneli (HLPW) sonuç raporuna göre 2050 yılından itibaren dünya nüfusunun yarısının su kıtlığı sonucu oluşacak stresten etkileneceği ve 2030 yılı itibari ile de 700 milyon insanın su kıtlığı nedeni ile yer değiştireceği öngörülmektedir. İklim değişikliği, kuraklık, nüfusun artmasına bağlı olarak tüketilen su miktarının (suya olan ihtiyacın) artması ve akarsu rejimlerindeki değişiklikler çeşitli disiplinler tarafından araştırılmış; gün geçtikçe artan risk, araştırmaların ve bu araştırmalarda farklı yöntemler geliştirilmesine ön ayak olmuştur. Bu çalışmanın amacı yarı kurak iklim özelliklerine sahip olan Küçük Menderes Nehir Havzasında meteorolojik ve hidrolojik veriler ile havzada yaşanmış kurak dönemlerin belirlenmesi, farklı akım indeksleri kullanılarak bölgede gerçekleşmiş kritik akımların tespit edilmesi ve tespit edilen bu indislerin frekans eğrilerinin elde edilmesidir. Böylece nehir havzasının kuraklık karakteristikleri belirlenirken, elde edilen frekans eğrileri ile belirli yıllarda dönüş aralıkları için akım değerleri okunarak, ilgilenilen dönemler için gelecek tahmini yapılabilecektir. Ayrıca havzanın geleceğe yönelik gidişatı hakkında bilgi sahibi olmak adına, belirlenen indislere Mann-Kendall trend testi uygulanmıştır. Bu analizler sonucunda bölgede bulunan su kaynaklarının yönetimi için alınacak önlemlerin belirlenmesi ve su kaynakları geliştirme projelerininin doğru bir şekilde planlanması için gerekli çıkarımların yapılması amaçlanmıştır. Küçük Menderes Nehir Havzasında ve yakın çevresinde bulunan 13 meteoroloji gözlem istasyonundan alınan aylık yağış verileri ile kuraklık analizi Standart Yağış İndeksi (SYİ) kullanılarak uygulanmıştır. SYİ 1, 3, 6, 9, 12 ve 24 aylık zaman ölçekleri için hesaplanmış, hesaplanan değerler grafikler ile görselleştirilmiştir. Grafiklerde yarı kurak, kurak ve aşırı kurak eşik değerlerin çizilmesi ile grafiklerin daha kolay yorumlanması amaçlanmıştır. Ayrıca her bir istasyon ve zaman ölçeği için en uzun kurak dönemler tespit edilmiş, tespit edilen kurak dönemlerin istasyonlar arasında uyum sağladığı görülmüştür. 12 ve 24 aylık zaman ölçeklerindeki SYİ değerleri hidrolojik kuraklığı temsil ettiğinden buradan elde edilen bilgiler, sınırlı uzunlukta olan akım verilerinin analiz sonuçlarının yorumlanması için de kullanılmıştır. Nehir havzasında hidrolojik kuraklığı temsil eden zaman ölçeklerindeki SYİ değerleri dikkate alındığında 1985 yılından 1990'lı yılların ortalarına kadar süren ve 1992 yılında zirve yapan uzun süreli bir kuraklık dönemi tespit edilmiştir. Aynı zamanda her bir SYİ zaman serisine Mann-Kendall trend testi uygulanarak, verilerin gelecekte hangi yönde eğilim gösterebileceği tespit edilmiştir. Ancak havzada bulunan meteoroloji gözlem istasyonlarının kayıt dönemlerindeki farklılıklardan dolayı Mann-Kendall trend testi sonucunda farklı istasyonlarda farklı yönde eğilim olduğu görülmüş ise de yaklaşık aynı tarihler arasındaki kayıt dönemine sahip olan akım veya yağış verileriyle hesaplanan indekslerin aynı yönde trende sahip olduğu belirlenmiştir. Debi Süreklilik Eğrileri gözlenmiş hidrolojik verilere göre akarsuda her bir yıl için debinin aşıldığı zaman yüzdesini verir. Akarsuyun düşük ve yüksek akım karakteristiklerini görselleştirmek ve bölgenin morfometrik özelliklerinin akımlar üzerindeki etkilerini anlamak için pratik bir araçtır. Nehir havzası içinde bulunan 5 akım gözlem istasyonuna ait veriler kullanılarak her bir istasyon için yıllık Debi Süreklilik Eğrileri çizilmiştir. Elde edilen yıllık Debi Süreklilik Çizgilerinden %1, %5, %10, %50, %90, %95 ve %99 aşılma yüzdelerine karşı gelen Q1, Q5, Q10, Q50 Q90, Q95 ve Q99 indeksleri okunarak her istasyonda her bir yüzdelik indeksi için zaman serileri elde edilmiştir. Literatürde sıkça kullanılan Genelleştirilmiş Ekstrem Değer (GEV), Log-Pearson Tip 3 (LP3), Gamma 2 (G2), Gamma 3 (G3), Log-normal 2 (LN2), Log-normal 3 (LN3), Weibull 2 (W2) ve Gumbel (G) olasılık dağılım fonksiyonları Anderson-Darling metodu ile test edilmiş, bunlardan en uygun olan olasılık dağılımının belirlenmesi ile bu indekslerin 2, 5, 10, 25, 50 ve 100 yıl dönüş aralıklı değerleri hesaplanmıştır. Elde edilen yüzdelik zaman serilerinin bazıları sıfır değerler içerdiği için sıfır içeren serilerde olasılık dağılım fonksiyonları belirlenirken toplam olasılık yasası kullanılmıştır. Toplam olasılık yasası ile sıfır ve sıfır olmayan akımların olasılıkları ayrı bir şekilde dikkate alınarak sıfır değerler de hesaba katılmıştır. LP3'ün verilere en çok uyan dağılım fonksiyonu olduğu gözlemlenmiştir. Yüzdelik-indeks-frekans eğrileri ilgilenilen yüzdelik indekste istenilen dönüş aralığında gelecek tahmini yapmak için kullanılabilen bir yöntemdir. Bu yöntemle elde edilen bilgiler ışığında tarımsal faaliyetlerin önemli olduğu havzada, iklim değişikliği veya su kıtlığıyla oluşabilecek riskler önceden belirlenerek bu doğrultuda önlemler alınabilir. Aynı zamanda yüksek akımı temsil eden Q1, Q5 ve Q10 yüzdelik indeksler ile elde edilen frekans eğrileri, oluşabilecek taşkın gibi riskleri belirlemek için kullanılabilecek bir yöntemdir. Bu amaçlarla bu frekans eğrileri her bir istasyon ve yüzdelik indeks için elde edilmiştir. Düşük akım değerleri olan Q90, Q95 ve Q99 serilerinin büyük bir kısmının sıfır değeri olduğundan yapılan analizlerinde bu indekslerin çoğu için frekans eğrilerinin çizilemediği görülmüştür. Ayrıca bu yüzdelikler için elde edilen frekans eğrileri, dönüş periyotları arttıkça önemli ölçüde azalması bölgenin su kaynaklarının risk altında olduğunu göstermektedir. Düşük akım analizinin, özellikle tarımsal faaliyetlerin önemli olduğu ve su rezervlerinin sınırlı olduğu bir bölgede, su kaynaklarının yönetimi ve geliştirilmesi adına önemli bir yeri vardır. Aynı zamanda kuraklığın düşük akımlar üzerindeki etkilerinin karmaşıklığı sebebiyle bu çalışmada düşük akım analizi farklı bir yöntem daha kullanılarak incelenmiştir. D-günlük minimum değerler ile düşük akım serileri oluşturulmuş ve bu serilere frekans analizi uygulanmıştır. D-günlük minimum değerler düşük akım çalışmaları için literatürde sıkça kullanılan bir yöntemdir. Bu çalışmada kullanılan D = 1, 7, 14, 30, 90 ve 273 günlük minimum debi değerleri çok sayıda sıfır akım içerdiğinden serilere en iyi uyan olasılık dağılım fonksiyonu seçiminde toplam olasılık yasası kullanılmıştır. Sıfır değerler atılarak Anderson-Darling testi ile GEV, LP3, G2, G3, LN2, LN3, W2 olasılık dağılım fonksiyonlarından verilere en iyi uyum sağlayan fonksiyon seçilmiştir. LP3'ün elde edilen serilere en çok uyan fonksiyon olduğu gözlemlenmiştir. Daha sonra her bir D-günlük minimum akımların 2, 5, 10, 25, 50 ve 100 yıl dönüş aralıklı değerleri hesaplanmıştır. Hesaplanan değerler ile düşük-akım-süre-frekans eğrileri oluşturulmuştur. Yapılan analiz sonucunda çoğu istasyonda uzun dönüş aralıkları için D = 1, 7, 14 günlük minimum debi sıfır değer almıştır ve frekans eğrileri çizilememiştir. Bu durum daha kısa dönüş aralıklarında ve uzun süreli D-günlük serilerde daha az belirgindir. SYİ'nde olduğu gibi yüzdelik indekslere ve D-günlük minimum değerlere Mann-Kendall trend testi uygulanarak verilerin zaman içerisinde artma veya azalma eğiliminde olup olmadığı incelenmiştir. Elde edilen sonuçlara göre, 2 akım gözlem istasyonunda hem yüzdelik indekste hem de D-günlük minimum değerlerde negatif bir trend görülmüştür. Ayrıca yüzdelik indeksinin yüksek akım değerlerinde bir istasyonda pozitif trend görülmüştür. Yapılan analizler sonucunda ulaşılan negatif trendler göz önünde bulundurulduğunda Küçük Menderes Nehir Havzasının daha kurak bir karaktere doğru ilerlediği görülmüştür. Bu çalışmada kullanılan SYİ, yüzdelik indeksler ve D-günlük minimum değerler ile yapılan analizler ile nehir havzası için benzer sonuçlar çıkarılmıştır. Küçük Menderes Nehir Havzasında bulunan akarsuların büyük bir kısmında akımın azalma ve kuruma tehdidi olduğu görülmüştür.
Özet (Çeviri)
Water plays an important role in all living life. The importance of water in many areas such as the ecosystem, agriculture, livestock or industrial production has not changed from the past to the present, despite technological advances. Unfortunately, climate change, which is a natural occurrence in the world, and its consequences have accelerated due to anthropogenic activities, which has led to stress on water resources. Today, climate change and the resulting water deficit pose a great risk to societies, especially to those living in arid and semi-arid regions. In addition, due to the rapid growth of the world's population, the available water for human consumption is decreasing both in terms of resources and quality. According to the United Nations World Bank High Level Panel on Water (HLPW) final report, it is predicted that half of the world's population will be affected by the stress caused by water scarcity as of 2050, and 700 million people will be displaced by 2030 due to water scarcity. In light of all these considerations, climate change, drought, changes in river regimes and the consequences of drought on the ecosystem have been investigated under various disciplines. The increasing risks of water scarcity have also led to the development of new research methods and an increasing number of research papers. This study aims to examine critical dry periods and determine the high- and low-flow characteristics of the Küçük Menderes River Basin in western Turkey by using a variety of tools such as the Standardized Precipitation Index (SPI), flow duration curves, percentiles obtained from the flow duration curves, and the D-day low flows. In addition, the study uses frequency analysis to derive frequency curves for the percentiles and the D-day low flows. In the study, precipitation and streamflow data obtained from 13 meteorological stations and 5 gauging stations, respectively, were analyzed. Also, the Mann-Kendall trend test was applied on the SPI, percentiles, and D-day low flow time series to check the existence of a trend. Drought analysis was carried out using the SPI time series obtained from 13 meteorological stations in the river basin and its surroundings. SPI was calculated for k = 1, 3, 6, 9, 12, and 24-month time scales, and the calculated SPIk time series were visualized in graphs. To make the graphs easier to interpret, the thresholds at the levels of the moderate, severe, and extreme drought were plotted on the graphs. In addition, the longest dry periods were determined for each station and time scale. It was found that the determined dry periods were compatible between stations. Since the SPI values at the 12- and 24-month time scales represent hydrological drought, the informations obtained by SPI12 and SPI24 were also used to interpret the results of the streamflow analysis. The Mann-Kendall trend test was used on each time scale of SPI series to determine their trends. However, due to the differences in the record periods of the meteorological stations, both positive and negative trends were seen as a result of the Mann-Kendall trend test in the river basin. It is thought that the reason for this situation is the noncommon recording period of the gauges. The indices calculated using the streamflow or the precipitation data with common record periods demonstrate the same direction of a trend. This helped us to interpret the flow indices despite the limited length of the data. For the flow analysis, annual flow duration curves (FDC) were obtained from the daily streamflow data of 5 gauging stations. FDCs are practical tool to visualize the characteristics of rivers such as the relationship between the magnitude and frequency of streamflow discharges, the high- and low-flow values, or to understand morphometric characteristics of the region. Q1, Q5, Q10, Q50 Q90, Q95, and Q99 percentiles corresponding to the 1%, 5%, 10%, 50%, 90%, 95% and 99% exceedance percentages of time, respectively, were determined from FDCs, and the time series for each percentiles were obtained. The best-fit probabilty distribution functions among the Generalized Extreme Value (GEV), Log-Pearson Type III (LP3), 2-and 3-parameter Gamma (G2, G3), 2-and 3-parameter log-normal (LN2, LN3), 2-parameter Weibull (W2), and Gumbel (G) were choosen by using the Anderson-Darling test for the frequency analysis to calculate 2, 5, 10, 25, 50, and 100-year return period of each percentile. Some low-flow percentiles series such as Q90, Q95, and Q99 contain zero values. Frequency analysis was carried out for these series according to the total probability theorem by discarding zero values but taking their presence into account. It was seen that the LP3 was the most common probability distribution function that best-fit the data. After the calculation of the return periods, the percentiles-frequency curves were derived. By the consideration of the percentiles-frequency curves, the risks that may occur due to high- or low-flow can be predicted in the river basin and measures to be taken can be decided. Low-flow analysis has a substantial importance in water resources management, especially in a region where agricultural activities are important and water reserves are limited. Due to the complexity of drought effects on low flows, this study examined low flow analysis using the D-day low flow method in addition to the low-flow percentiles. Low-flow time series were derived for D = 1, 7, 14, 30, 90, and 273-day minimum discharges, and frequency analysis was performed for the minimum of the D-day average discharges. Since the low-flow time series contain many zero flows, the total probabilty theorem was applied for the frequency analysis. Using the Anderson-Darling method, LP3 was found the most common best-fit distribution function to the D-day low flow disharges. The Mann-Kendall trend test was applied to the percentiles and minimum of the D-day low flow discharges to examine whether the data tend to increase or decrease over time. According to the results obtained, in 2 stations, downward trends were observed in both the percentiles and the minimum of the D-day average discharges. In addition, a positive trend was observed in one station at high-flow percentiles. Since the record periods of this station and some meteorological stations are similar, the positive trends of the high-flow indices, and SPI12 and SPI24 were evaluated together, and it is thought that the reason for the positive trend was related to the length of the record period. It was concluded that the Küçük Menderes River Basin is moving towards a drier climatological character for which precautionary measures should be taken.
Benzer Tezler
- Ege ve Batı Akdeniz Bölgesi'nde düşük akımların analizi ve mevsimselliğinin belirlenmesi
Analysis and determination of seasonality of low flow in the Aegean Region
DİLAN ÜNLÜ SÖNMEZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BİHRAT ÖNÖZ
- GR6J hidrolojik modelindeki artık yağış ayrıştırma sabitinin model kalibrasyonuna etkisi
Effect of residual rainfall separation constant on model calibration in the GR6J hydrological model
HALİL İBRAHİM DEMİR
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEHMET CÜNEYD DEMİREL
- İran'ın karun üst havzasındaki düşük akımların analizi
Low flow analysis of Iran?s Karun upper basin
FARROKH MAHNAMFAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BİHRAT ÖNÖZ
- Yüksek ve düşük akımların mevsimselliği Orta Fırat havzası uygulaması
Seasonality measurement of high and low flows application on Middle Firat catchment
ASLIHAN ALBOSTAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2007
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiEnerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BİHRAT ÖNÖZ