Development of drought intensity-duration-frequency curves based on standardized climatic indices using physical variables, deficit in precipitation and deficit in streamflow
Yağiş açiği ve akim açiği fiziksel değişkenlerini kullanan standartlaştirilmiş iklim i̇ndeksleri tabanli kuraklik şiddet-süre-frekans eğrilerinin geliştirilmesi
- Tez No: 840901
- Danışmanlar: PROF. DR. HAFZÜLLAH AKSOY, PROF. DR. KERSTIN STAHL
- Tez Türü: Doktora
- Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- 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: 132
Özet
Kuraklık, su kıtlığına neden olan ve nüfusu ekonomik, sosyal ve çevresel bakımdan ciddi şekilde etkileyen bir doğal afettir. Kuraklığın etkisi, artan nüfus, yükselen yaşam standartları, gelişen sanayi ile artan tarımsal, evsel ve endüstriyel su talepleriyle daha da ağırlaşmıştır. Diğer doğal afetlerle karşılaştırıldığında, kuraklık uzun bir süre boyunca yavaşça geliştiği ve sona erdikten sonra bile etkisi uzun dönem devam ettiği için kalıcı zarar veren afetler arasındadır. Su kaynaklarının sürdürülebilirliği açısından kuraklığı tüm yönleri ile anlamak tartışmasız önemlidir. Henüz tam olarak anlaşılmadığından kuraklık sadece bir hidrolojik olay olarak değil aynı zamanda hem teknik hem de sosyal bir sorun olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu durum, tezdeki kuraklık kavramlarını ve metodolojilerini nicel teknik bağlamından nitel sosyal bağlamlarına genişleterek incelemek için büyük bir motivasyon kaynağı oluşturmuştur. Tezin uygulama alanı olarak biri Türkiye'nin güneyinde Akdeniz iklimine sahip Seyhan Nehri Havzası, diğeri Almanya'nın güneybatısında nemli iklime sahip Kocher havzası olarak seçilmiş, farklı iklim özelliklerine sahip bu nehir havlarına ait yağış ve akış verileri kullanılmıştır. Literatürde, kuraklık yaygın olarak, bir bölgede yaşanan belli başlı kurak dönemlerderinlemesine ele alınmadan mevcut iklim veya hidrolojik veriler kullanılarak analiz edilir. Ayrıca, şiddet bakımından her bir kuraklık sınıfına ait görülme olasılığının kayan (rolling) zaman serisi ile değerlendirmek yaygın bir uygulama değildir. Durağan olmayan bu nicel analizin insan-su ilişkisini içeren nitel analiz ile birleştirilmesiyle Türkiye'de Seyhan Nehri Havzası'nda yapılan çalışma ile bu boşluğun doldurulması amaçlanmıştır. Bu nedenle, tezdeki birinci çalışma, tüm zaman serisini esas alan durağan analizin yanında her bir kuru döneme ve durağan olmayan kayan (rolling) zaman serisi analizine odaklanmaktadır. Havzadan seçilen 19 meteoroloji istasyonunun yağış zaman serisinden altı büyük kuru dönem belirlenmiştir. Bunlardan 1970-1974, 2002-2008 ve 2013-2015 yıllarını kapsayan ve sırasıyla 1974, 2008 ve 2014 kuraklıkları olarak da bilinen kurak dönemler, nehir havzasındaki birçok sektörü uzun süreli etkilediklerinden özellikle not edilmelidir. Her bir kuru dönem bahsedilen yöntemlerle analiz edilmiştir. Sonuçlar, her bir kuru dönemin kullanılmasıyla şiddetli kuraklık için önemli ölçüde daha yüksek olasılıkların hesaplandığını göstermektedir. Buna göre, çalışmadan elde edilen önemli bir sonuç, pratikte tüm veri kaydı bir bütün olarak kullanılarak kuraklığın şiddet bakımından hafife alınmaktadır. Ayrıca, bir kuru dönem uzunluğu bakımından önemliyken, bir diğeri şiddeti veya büyüklüğü bakımından önemli olabilir. Her kuru dönemin insan-su ilişkileri üzerinde etkisi vardır. Bunun önceden bilinmesi kuraklığın etkisinin azaltılması ve kuraklık yönetimi için stratejilerin geliştirilmesi bakımından önemlidir. Tezin ikinci çalışması, kuraklığın negatif etkilerini azaltmak, kuraklık yönetim stratejilerini geliştirmek ve kuraklığın daha iyi anlaşılması için kuraklığın istatistik özelliklerini araştırmaktadır. Gidiş (run) teorisine dayanan yaygın yaklaşımdan farklı olarak, bu çalışmadaki hipotez, kuraklığı bir kuru dönemden farklı tanımlamakta, her bir kuru dönemin farklı süreli kuraklıklardan oluştuğunu kabul etmektedir. Bu farkındalık bugüne kadar yapılan çalışmalara yansımamıştır. Tezin bu konuyu ele alan kısmı, kuru dönemlerin ve kuraklıkların istatistiksel özelliklerinin ne kadar farklı olduğunu, Standartlaştırılmış Yağış İndeksi (SPI) ile hesaplanan kuraklık şiddetinin toplam olasılık teoremi kullanılarak yapılan frekans analizi sonuçlarına göre ortaya koymaktadır. Bu kapsamda üç farklı kavram test edilmektedir: (1) Kuru dönem, (2) Kuru dönem kritik kuraklığı, (3) Yıllık kritik kuraklık. Sonuçlar, gidiş (run) teorisi kullanıldığında ele alınamayan çok sayıda kuraklığı ortaya çıkarmakta ve kuru dönemlerde maskelenen daha şiddetli kuraklıkları ortaya çıkarmakatdır. Kuraklığın büyüklük ve süresinin yanında özellikle şiddeti önemlidir. Kuru dönemler kritik kuraklıklara göre daha az şiddetlidir. Şiddet bakımından kuru dönem ve kritik kuraklık arasındaki fark, havza veya bölgesel ölçekte kuraklık yönetim planlarını etkileyebilecek kadar büyüktür. Bu durum, kuraklık çalışmalarında kuru dönemlerin içinde kalan kritik kuraklıkların ortaya çıkarılmasının ve uygulamada kullanılmasının uygun ve gerekli olduğunu göstermektedir. Üçüncü çalışmada, ikinci çalışmada tanımlanan kritik kuraklık kavramı kullanılarak kuraklık şiddet-süre-frekans (IDF) eğrileri geliştirilmiştir. Kuraklık IDF eğrileri, yağış ve akım açığına dayanmaktadır. Çünkü fiziksel olarak ölçülebilir değişkenler cinsinden kuraklık tahminleri yapmak etkili bir su yönetimi için önemlidir. Yağış ve akım açığının, yaygın olarak kullanılan standartlaştırılmış indeksler ile belirlenen kuraklık şiddetine göre nasıl değiştiği genellikle belirsizdir. Kuraklık indeksinin aynı bir değeri farklı bölgelerde ve hatta aynı bölgenin farklı aylarında farklı yağış ve akım açıklarına karşı gelmektedir. Tezdeki bu çalışma, indeks tabanlı kuraklık IDF eğrilerinin bu dezavantajını ortadan kaldırmak için kuraklığı SPI ve standart akım indeksi (SSI) cinsinden incelemekte ancak kuraklık IDF eğrilerini yağış veya akım açığına bağlı olarak geliştirmektedir. Bu açıkların değişimini incelemek için, yağış ile SPI ve akım SSI arasındaki ilişki kullanılmıştır. Kullanılan yöntem spesifik olarak her bir yıl için belirlenen farklı süreli her bir kritik kuraklık kümesine ait şiddet değerlerine uygulanan toplam olasılık teoremi ile birleştirilmiş frekans analizini kullanmaktadır. Uygulama amacıyla seçilen Seyhan Nehri (Türkiye) ve Kocher Nehri (Almanya) yağış ve akım verileri iklimsel ve hidrolojik bakımdan farklı iki duruma örnek teşkil etmektedir. Nehirler arasındaki farklılık yöntemin farklı hidrolojik koşullarda uygulabilirliğini ortaya koymaktadır. Sonuçlar, yağış ve akım açığının, havzaların mevsimselliğini, yağış miktarını ve akım özelliklerini yansıtmakta ve yıl içinde sistematik olarak değiştiğini göstermektedir. Bir istasyondaki yağış ve akım açığı bir aydan diğerine değişmetedir. Kış aylarında yaz aylarına göre daha yüksek yağış açıkları gözlenmiştir. Geliştirilen kuraklık IDF eğrileri, her iki havzada da geçmişte yaşanan kuru dönemlerden alınan kısa süreli kuraklıkların uzun dönüş aralıklarına ve dolayısıyla yüksek şiddete sahip olduğunu, göstermektedir. Bu durum havzalardaki gözlemle örtüşmekte ve IDF eğrilerinin uygulanabilirliğini göstermektedir. Geliştirilen kuraklık IDF eğrileri mevcut halleriyle, tarım, ekoloji, endüstri, enerji, su temini vb. bir dizi spesifik faaliyette kullanmak için fiziksel anlamı olan bir araç olarak kabul edilebilir. Tezin dördüncü çalışmasında, nicel yöntemler dışında kuraklık nitel bir yaklaşımla analiz edilmiştir. Nedensellik döngü diyagramı kullanılarak, kuraklık koşullarında insan ve su arasındaki çift yönlü geri bildirimlerin belirlenmesine odaklanmak için 2008 yılında Seyhan Havzasında gözlenen kuraklık olayı örnek alınmıştır. Bu kuraklık, akarsu havzasında şimdiye kadar kaydedilen en az yağış miktarıyla çakıştığı için kısa ama şiddetlidir. Bu önemli bir örnektir, çünkü Türkiye'deki su ile ilgili kamu kurumlarına havza ölçeğinde kuraklık yönetim planlarını başlatması için itici güç olmuştur. Bu kuraklık için toplanan nicelik ve nitelik veriler, nedensel döngü analizinde kullanılmıştır. Bu analiz, ekonomik destek sağlama, su yapısı yapma ve suyu koruma gibi kısa vadeli önlemlerin kuraklığa karşı geçici çözümler sağlayabileceğini ancak bunların aslında belki de kuraklığın etkisini artırabileceğini göstermiştir. Kuraklık koşullarında sürdürülebilir bir su varlığı ancak kuraklık yönetim planları gibi uzun vadeli çözümler ile sağlanabilir. Özetle tez, yeni metodoloji ve kuraklık kavramları önererek kuraklık araştırmalarına katkıda bulunmaktadır. Tez çalışmasının sonuçları, böyle bir kuraklık analizine duyulan ihtiyacın altını çizmektedir. Yeni önerilen kavramlar kullanıldığında elde edilen kuraklık şiddetinin literatürde mevcut yöntemler kullanıldığında elde edilen kuraklık şiddetinden farklı olduğunu ve bu farkın pratikte alınması gerekecek kadar büyük olduğunu ortaya koymaktadır. Ayrıca tez, kuraklık yönetim stratejileri için dikkate alınması gereken kuraklığın bölgeye özgü özelliklerine vurgu yapmaktadır.
Özet (Çeviri)
Drought is a natural disaster that causes water scarcity and affects the population seriously in many ways such as economic, social and environmental impacts. These effects have been further aggravated by rising demands for agricultural, municipal and industrial water, etc. due to the growing population coupled with rising life standards and increasing industrialization in the world. Compared to other natural hazards, drought is among the most damaging disasters as it develops slowly over a considerable period of time that may linger for several years even after the drought has terminated. How important the drought is in the sustainability of water resources requires an extra effort to understand and explain. Domestic use, agriculture, industry, energy, tourism and many more sectors are exposed to drought, which has a direct impact on ecology, economy and society. As one of the least understood hydrological phenomena, drought stands as both a technical and social problem. This is a great motivation to explore drought concepts and methodologies in this thesis by extending them from their quantitative technical context to qualitative social context. Case studies were performed in two river basins with different climatic characteristics. One is Seyhan River Basin in the south of Turkey with a Mediterranean climate, and another is the Kocher catchment in the southwestern corner of Germany with a humid subtropical climate. In the literature, the drought is commonly analyzed by the use of available hydroclimatic or hydrologic data with little in-depth consideration of specific major dry periods experienced over a region. Also, it is not a common practice to assess the probability of drought categories with a rolling time series and hence the changing knowledge for operational drought monitoring. A combination of such quantitative analysis with a comprehensive qualitative assessment of drought as a human-water relation aimed to fill this gap by performing a case study in the Seyhan River Basin, Turkey. Therefore, the first part of this thesis focuses on non-stationary rolling time series analysis together with the stationary full-record time series analysis and the individual major dry period analysis. Six major dry periods were identified from the precipitation time series of 19 meteorological stations. Dry periods extended over 1970-1974, 2002-2008, and 2013-2015, known also as droughts of 1974, 2008, and 2014, respectively, should particularly be noted among all as they affected several sectors in the river basin with the long-lasting deficit in water. Major dry periods were analyzed by rolling time series and full time series, and they were also analyzed individually. The results show that significantly higher probabilities were calculated for extreme droughts with the use of individual major dry periods. An important outcome of the study is that drought is underestimated in practice with the sole use of the whole data record. Also, a major dry period could be important in terms of its duration while another in terms of its severity or intensity. Each major dry period has its own impact on human-water relations that can be influential on drought mitigation, management and governance. The second part of the thesis investigates the statistical properties of drought characteristics for a better understanding of drought to mitigate its negative impacts and improve drought management strategies. Differently from the common approach based on the run theory, the hypothesis is that drought is different from the dry period and dry periods identify droughts of different durations. Up to now, no attention has been paid in this sense to the statistical properties of dry periods versus those of more severe and impactful droughts as separate phenomena. The study shows how different the statistical properties of dry periods and droughts are by quantifying them with the Standardized Precipitation Index (SPI) together with the total probability theorem-coupled frequency analysis. The study tests four concepts in this context: (1) Dry period, (2) Critical drought for a dry period, (3) Critical drought for a year. The results uncover the high number of droughts, which are not addressed in the run theory, and reveal more intense droughts that are masked within the dry periods. Specifically, the drought impact is more often related to drought intensity than severity and duration. In addition, the dry period is less intense than other concepts. Among the droughts newly proposed, critical droughts are the most intense concepts. This demonstrates that drought characteristics calculated for the drought concepts are different from the common approach of the dry period. The difference among the concepts is large enough to carry potential implications for local or regional scale drought management planning. In the third study, drought intensity-duration-frequency (IDF) curves were developed by using the critical drought identified in the second study. The drought IDF curves are based on precipitation and streamflow deficits because drought estimates in terms of physically measurable variables are key knowledge for effective water management. However, how these deficits vary with the drought event severity indicated by commonly used standardized indices is often unclear. Drought characteristics assigned the same value in the index are not necessarily the same in different regions, and in different months of the same region. The study investigates drought to remove this disadvantage of the index-based drought IDF curves and develop intensity-duration-frequency (IDF) curves in terms of the associated deficit. In order to study the variation of deficits, the link between precipitation and streamflow was used, and the associated indices, standardized precipitation index (SPI) and standardized streamflow index (SSI). More specifically, the analysis relies on frequency analysis combined with the total probability theorem applied to the critical drought severity. The critical drought has varying durations and it is extracted from dry periods. IDF curves in terms of precipitation and streamflow deficits for the most severe drought of each drought duration in each year are then subject to the comparison of statistical characteristics of droughts for different return periods. Precipitation and streamflow data from two catchments, the Seyhan River (Turkey) and the Kocher River (Germany) provide examples of two climatically and hydrologically different cases. A comparison of the two cases allows to test a similar method in different hydrological conditions. The results show that precipitation and streamflow deficits vary systematically reflecting seasonality and the magnitude of precipitation and streamflow characteristics of the catchments. Deficits change from one month to another at a given station. Higher precipitation deficits were observed in winter months compared to summer months. Additionally, major droughts experienced in both catchments on the IDF curves show that the major droughts have return periods at the order of years at short durations. This coincides with the observation in the catchments and shows the applicability of the IDF curves. The IDF curves can be considered a tool for the use in a range of specific activities of agriculture, ecology, industry, energy, water supply, etc. This is particularly important to end-users and decision-makers to act against the drought quickly and precisely in a more physically understandable manner. Other than quantitative methodologies, drought was also analyzed by a qualitative approach. Using the causal loop diagram, the drought event of 2008 observed in the Seyhan River Basin was taken as an example to focus on the identification of bidirectional feedback between humans and water under drought conditions. This particular drought is short but severe as it coincided with the least amount of precipitation ever recorded in the river basin. It is an important example because it gave an impetus to the governmental water authorities to initiate basin-scale drought management plans. The quantitative and qualitative data collected for this drought were used in the causal loop analysis. The causal loop diagram shows that short-term measures under economic, structural and conservation frameworks can only provide temporary solutions which may aggravate drought impact. A sustainable water availability under drought conditions can only be achieved by long-term reactions such as drought management plans. In summary, the thesis contributes to drought analysis research by proposing new methodologies and drought concepts. The outcomes of the study underline the need for such drought analyses. The analysis of the conceptualization reveals strong differences among the statistical properties of the drought characteristics. Moreover, the thesis emphasizes the region-specific characteristics of drought that need to be considered for drought management strategies.
Benzer Tezler
- Critical drought severity-duration-frequency curves based on precipitation deficit
Yağış açığı cinsinden kritik kuraklık şiddet-süre-frekans eğrileri
YONCA ÇAVUŞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAFZÜLLAH AKSOY
- Kuraklık indislerinin hidroklimatolojik verilere dayalı tahmini
Prediction of drought indices based on hydroclimatological data
BUĞRAYHAN BİÇKİCİ ARIKAN
Doktora
Türkçe
2018
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERCAN KAHYA
- A comprehensive assessment on various impacts of climate change in Western Black Sea and Euphrates-Tigris basins, Turkey
Türkiye'nin Batı Karadeniz ve Dicle-Fırat havzalarında iklim değişikliğinin muhtelif tesirlerinin geniş kapsamlı değerlendirilmesi
MUSTAFA NURI BALOV
Doktora
İngilizce
2019
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ABDÜSSELAM ALTUNKAYNAK
- İstanbul ili için 2000 yıllık afet veri tabanı hazırlanması çalışması
Study on development of 2000 years of disaster database for Istanbul city
MİNE NİLAY ÖZEYRANLI ERGENÇ
Doktora
Türkçe
2016
Jeofizik MühendisliğiKocaeli ÜniversitesiJeofizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞERİF BARIŞ
- Trakya'da su ayak izinin tarımsal ekosistemde belirlenmesi ve modellenmesi
Determination and modelling water footprint in agricultural ecosystem in thrace region
SERHAN YEŞİLKÖY
Doktora
Türkçe
2020
Meteorolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiMeteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. LEVENT ŞAYLAN