Data-based analysis of drought propagation
Kuraklık ilerlemesinin veri tabanlı analizi
- Tez No: 866245
- Danışmanlar: PROF. DR. HAFZÜLLAH AKSOY
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Mühendislik Bilimleri, İnşaat Mühendisliği, Engineering Sciences, 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: 126
Özet
Kuraklık kavramının daha iyi anlaşılması için farklı kuraklık tipleri arasında kuraklığın nasıl ilerlediğinin incelenmesi önemlidir. Bu çalışmada kuraklık ilerlemesinin arkasındaki mekanizmalar dört ana başlıkta derinlemesine incelenmektedir: (1) Hidrolojik kuraklığın bir göstergesi olarak akarsu kuruma oranı, (2) Kuraklık olaylarının belirlenmesi, (3) Farklı kuraklık sınıfları arasında kuraklığın gelişimi ve (4) Meteorolojik kuraklıktan hidrolojik kuraklığa ilerleme. Bu alt konuların her biri için önerilen yöntemler bu çalışmanın farklı bölümlerinde detayları ile anlatılmış ve Türkiye'nin batısında yer alan Küçük Menderes, Gediz ve Ergene havzaları üzerinde yapılan uygulamalardan elde edilen sonuçlar sunulmuştur. Çalışmanın amaç ve kapsamının giriş mahiyetinde verildiği Bölüm 1'den sonra, kuraklık ve kuraklık ilerlemesini kapsayan çalışmanın dört alt konusu ile ilgili literatür Bölüm 2'de verilmiştir. Bu kapsamlı literatür taraması araştırma sorularını şekillendirmiştir: (1) Kuruyan akarsulardaki kuruma oranı, akım ve yeraltı suyundaki kuraklığı nasıl tetikler? (2) Akarsularda kurumayı bir kuraklık göstergesi olarak değerlendirebilir miyiz? (3) Kuraklığın henüz başında iken farklı şiddet sınıfları arasındaki gelişimini öngörebilir miyiz? (4) Meteorolojik bir kuraklığın hidrolojik bir kuraklığa nasıl ilerlediğini anlamak ve bu bilgiyi kuraklık tahmini için kullanmak mümkün müdür? Bu soruları yanıtlamak için uygulama yapılacak akarsu havzaları ve kullanılacak verinin tanıtıldığı Bölüm 3'ün ardından gelen her bir bölümde araştırma sorularından birine yanıt aranmaktadır. Bölüm 4'te akarsulardaki kuruma oranı ile akım ve yeraltı suyunda görülen kuraklıklar arasındaki bağlantı incelenmektedir. Burada ''kuruma döngüsü'' olarak tanıttığımız kavramla, aşırı yeraltı suyu kullanımının kuruyan akarsulardaki kuruma oranını değiştirdiği (artırdığı), bu değişimin de akım ve yeraltı suyu kuraklığını tetiklediği ifade edilmektedir. Nüfusun ve su ile ilişkili sektörlerin sürekli artan su talebi nedeniyle, akarsulardan ve yeraltından su çekimi gün geçtikçe artmaktadır. Bu nedenle, yağışlarda belirgin bir azalma olmadığı durumlarda bile yeraltı suyu akiferlerinde su seviyesi düşmekte ve akarsu sistemindeki akım miktarı azalmaktadır. Hatta bazı durumlarda, normalde yeraltı suyu tarafından beslenen bir akarsu, yeraltı su seviyesinin aşırı düşmesi sebebiyle yeraltı suyunu besleyen bir akarsuya ve belli dönemlerde de kuruyan bir akarsuya dönüşmektedir. Akarsularda akımın azalması ve kesintili hale gelmesi su temini açısından daha az tercih edilmelerine sebep olur. Bu şekilde kuruma döngüsü devam ettikçe, daha fazla su talebi ve akarsulardan daha az su arzı nedeniyle yeraltı suyu akiferinden daha fazla su çekileceğinden yeraltı suyu seviyesi daha da düşecektir. Bu bir çeşit kısır döngü olup bu çalışmada“kuruma döngüsü”olarak adlandırılmıştır. Bu yeni kavramı daha iyi anlamak için üç akarsu havzasından elde edilen yağış, akım, sıcaklık ve yeraltı suyu seviyesi verileri kullanılarak vaka analizleri yapılmış, sonuçların değerlendirilmesinde demografik verilerden de yararlanılmıştır. Havza bazlı ve istasyon bazlı analizlerin ortaya koyduğu sonuçlara göre akarsu havzalarında yağışlarda belirgin bir artış görülmemektedir. Buna karşın nüfus, sanayi, tarım, hidroelektrik vb. sektörlerin su talebi artmakta ve ek su kaynaklarına ihtiyaç duyulmaktadır. Bu talebi karşılayacak temel su kaynağı olan yeraltı suyu aşırı miktarda kullanılmakta, bu aşırı kullanım yeraltı suyu seviyesinin düşmesine sebep olmaktadır. Yeraltı suyu seviyesi düştükçe akarsulardaki akım azalmakta ve kuruma oranları artmaktadır. Kuruma döngüsünün her bir halkasında, yeraltı suyu seviyesi bir öncekinden de daha düşük bir seviyeye ulaşarak akarsudaki akım miktarını kademeli olarak azaltmaktadır. Bu döngünün uygun önlemler alınarak kırılmaması halinde susuz bir gelecek kaçınılmaz olacaktır. Kuraklık olayı, kuraklık indeksinin eşik değerin altında kaldığı süre boyunca meydana gelir. Ancak, kuraklığı kesintiye uğratan, süre olarak kısa ve büyüklük olarak zayıf bazı yağışlı dönemler de olabilir. Bu dönemler aslında hidrolojik olarak birbirine bağlı ardışık kuraklıkların birlikte değerlendirmesine engel olabilir ve kuraklık ilerlemesi hesaplarını etkileyebilir. Kuraklıklar arasındaki kısa ve zayıf yağışlı dönemleri ortadan kaldıracak yeni bir yöntem Bölüm 5'te sunulmuştur. Bu yöntem havza genelinde kuraklık olaylarının ortalama süre ve şiddetini incelemek için Gediz Havzası'nda uygulanmıştır. Çalışma, kuraklık süresinin ve şiddetinin havza boyunca büyük ölçüde değişmediğini, yine de inceleme alanına bağlı olarak bu küçük değişikliklerin önemli olabileceğini ortaya koymaktadır.“Kuraklığın gelişimi”kavramı, farklı kuraklık sınıfları arasındaki geçişe atıfta bulunarak Bölüm 6'da tanıtılmıştır. Bu bölümde Gediz Havzası'nda yer alan Akhisar Meteoroloji İstasyonu'nun yağış verileri kullanılarak literatürde mevcut halleriyle her bir kuraklık sınıfının görülme olasılığı, her bir kuraklık sınıfında beklenen kalma süresi ve beklenen ilk geçiş süresi hesaplanmıştır. Ayrıca iki yeni kavram tanıtılmış, bunlardan biri ile beklenen kalma süresi daha şiddetli veya daha hafif bir kuraklık sınıfına geçiş şeklinde ikiye ayrılmış, diğeri ile beklenen ilk geçiş süresi boyutsuzlaştırılmıştır. Sonuçlar, kuraklık şiddeti arttıkça kuraklık meydana gelme olasılığının azaldığını ve kuraklık şiddeti arttıkça her bir kuraklık sınıfında beklenen kalma süresinin azaldığını göstermiştir. En uzun beklenen kalma süresi aşırı kuraklık sınıfı için elde edilmiştir. Bu da bu sınıftaki kuraklığın kalıcılığı ve ısrarcılığını ortaya koymakta ve beklenen ilk geçiş zamanı ile bilginin kuraklığa karşı önleyici önlemlerin geliştirilmesinde önemini vurgulamaktadır. Bölüm 7'de, bu çalışmanın ana konusu olan“kuraklık ilerlemesi”kapsamlı bir şekilde incelenmiştir. Veri tabanlı istatistiksel analiz yöntemleri kullanılarak kuraklık ilerlemesinin tahmini için geliştirilen yöntem bu bölümde sunulmuştur. Uygulama kapsamında üç akarsu havzasının yağış ve akım verilerinin analizleri yapılmış; yağış verilerinden Standart Yağış Indeksi (SPI) ve akım verilerinden Akım Kuraklık Indeksi (SDI) hesaplanmış ve Bölüm 5'te sunulan yöntem kullanılarak kuraklık olayları belirlenmiştir. Kuraklık ilerlemesinin tespiti, bu çalışmada ilk kez tanımlanan bir yöntem ile yapılmıştır. Bu yönteme göre bir meteorolojik kuraklığın bir hidrolojik kuraklığa ilerlemesi için hidrolojik kuraklığın meteorolojik kuraklık başladıktan sonra ancak bitmeden başlamış olması gerekmektedir. Yağış ve akım gözlem istasyonları fiziksel yakınlıklarına ve ortak gözlem süresi uzunluklarına göre ikişerli olarak eşleştirilmiş, her bir istasyon çifti için SPI ve SDI'nin tüm zaman ölçeklerinde kuraklık ilerlemesi incelenmiştir. Bu yöntem ile meteorolojik kuraklığın ilerlemesini henüz hidrolojik kuraklık gerçekleşmeden tahmin etmek için basit bir araç olarak biçimlendirici kuraklık oranı (FDR) tanımlanmıştır. Her bir havza için FDR değerleri hesaplanmış, havzalar arası mekansal farklılıkları ve her bir havzada zamansal değişimleri incelenmiştir. Sonuçlar literatürde mevcut kuraklık ilerleme oranı (DPR) ile karşılaştırılmış, FDR'nin tahmin yeteneğinin belirgin şekilde daha yüksek olduğu görülmüştür. FDR, hidrolojik kuraklıklara neden olan meteorolojik kuraklıkların olasılığını ölçmek için yeni bir yaklaşımdır. Böyle basit bir araç karar mercilerine henüz hidrolojik kuraklık gerçekleşmeden bilgi vererek kuraklığın etkilerini azaltmaya yönelik önlemlerin alınmasında fayda sağlayabilir. Genel olarak, bu çalışma, kuraklık ilerlemesi mekanizmasını anlamak için yeni araçlar ve yöntemler ortaya koymaktadır. Çalışmanın her bölümünde önerilen yöntemlerin detayları ve vaka çalışmaları sunulmaktadır. Elde edilen bilgiler, benzer zorluklarla karşılaşan diğer bölgelerdeki kuraklıkla mücadele çalışmalarında kullanılabilir. Bu çalışmanın bulgu ve sonuçları ile literatüre yenilikçi katkılar yapılmıştır. Geliştirilen yöntem ve kavramlar, ek uygulamalar yapılmak suretiyle, literatüre yapılan katkının ileri düzeye taşınması için elverişlidir. FDR'nin yağıştaki kuraklığın akımdaki kuraklığa ilerlemesinin yanısıra yeraltı suyundaki kuraklığa ilerlemesinin anlaşılmasında da kullanılması mümkün görülmektedir.
Özet (Çeviri)
In order to better understand the drought, it is crucial to investigate its different types and how it evolves, which is known as drought propagation. This study provides an in-depth investigation of the mechanisms behind drought propagation, focusing on four key issues: (i) intermittency as an indicator of hydrological drought, (ii) identification of drought events, (iii) drought evolution, and (iv) propagation from meteorological drought to hydrological drought. The study utilizes a comprehensive data set from three river basins in western Turkey, namely Kucuk Menderes, Gediz, and Ergene, as robust case studies. After introduction in Chapter 1, the study begins with a literature review on drought in Chapter 2, which leads to the formulation of research questions. The study area and data are presented in Chapter 3. Chapter 4 presents the analysis of intermittency as an indicator of hydrological drought. The dataset from the three river basins is used to explore the link between intermittency in the streamflow and groundwater. It is seen that there has been an increase in water demand in the river basins, and the only solution for balancing the water demand and supply is the groundwater, which is already being overused. The overuse of groundwater causes the water table to descend, streamflow to decrease, and the intermittency ratio of streamflow to increase, resulting in a vicious cycle that leads to a no-water future if no action is taken. This part of the study introduces the concept of intermittency cycle and suggests the intermittency as an indicator of drought in streamflow and groundwater. Chapter 5 introduces a new method to identify drought events by eliminating short and weak wet periods between subsequent droughts. The method was applied in Gediz River Basin to examine the average duration and intensity of drought events across the basin. It was found that drought duration and intensity do not vary greatly over the basin, but the minor variation could be important depending on the practical problem being addressed. The focus of Chapter 6 is on the drought evolution referring to the transition between different drought classes. A method was proposed to calculate drought class probability, expected residence time, and expected initial transition time using precipitation data. Additionally, two new concepts are introduced to improve the proposed method. Results show that the probability of drought occurrence decreases as the drought severity increases, and the expected residence time in each drought class decreases as the drought severity increases from the near normal class to the severe drought class. Results also highlight the importance of considering the expected first transition time, with the longest time observed in the extreme drought class indicating the persistency of this particular class of drought. These findings can be useful in developing preventive measures against drought. Chapter 7 introduces the concept of Formative Drought Rate (FDR) as a potential prediction tool for drought propagation, and tests it on precipitation and streamflow data from three river basins in Turkey. Results show that the FDR is capable of providing prior information for the prediction of drought propagation, which is valuable for drought mitigation. The comparison with Drought Propagation Rate (DPR) from literature supports the use of FDR as a start-up tool, needing further testing in different basins to increase its reliability. Overall, this study introduces new tools and methods to understand drought propagation mechanism, with each chapter presenting the details of the tools and the methods through various case studies. The insights gained from this study can be applied in drought mitigation efforts in any region facing similar challenges. Further research and case studies can improve the tools and the methods and expand our knowledge on drought propagation. The insights gained from this study can suggest new avenues for the future research. The FDR is an open issue for further development. It could be applied to different data sets that represent different types of droughts, such as the groundwater level, to gain a better understanding of the propagation between droughts in precipitation, streamflow, and groundwater.
Benzer Tezler
- Türkiye geneli olasılık tabanlı kuraklık analizi
Drought analysis based on probabilistic approach in Türkiye
ALİ ALTAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. İSMAİL DABANLI
- Anadolu miyosen dönem Bovid'lerinin paleobiyocoğrafyası ve paleoekolojisi
Paleobiogeography and paleoecology analysis of Bovids of the anatolia miocene period
ALİ TAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
AntropolojiKırşehir Ahi Evran ÜniversitesiAntropoloji Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AHMET CEM ERKMAN
- Girişimcilik temelinde alternatif bir finansman modeli olan kitle fonlaması ve Türkiye'deki yatırımcılarına yönelik bir araştırma
Crowdfunding as an alternative financial model based on entrepreneurship and an investigation for investors in Turkey
FARUK ŞAHAP
- Performing flood and drought simulations by using coupled land surface and hydrologic models for climate and disaster resilient smart cities
İklim ve afete dirençli akıllı şehirler için arazi modeli ve hidrolojik modellerin bir arada kullanımı ile taşkın ve kuraklık benzeşimlerinin gerçekleştirilmesi
AYŞEGÜL KUZUCU
Doktora
İngilizce
2024
İnşaat MühendisliğiDokuz Eylül Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜLAY ONUŞLUEL GÜL
- Uzaktan algılama verileri kullanılarak kuraklık olaylarının alansal, zamansal ve frekans analizleri: Ege bölgesi örneği
Spatio-temporal and frequency analysis of drought events via remote sensing data: Case study of Aegean region
SEMRA KOCAASLAN KARAMZADEH
Doktora
Türkçe
2022
Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiBilişim Uygulamaları Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NEBİYE MUSAOĞLU