Ege ve Batı Akdeniz Bölgesi'nde düşük akımların analizi ve mevsimselliğinin belirlenmesi
Analysis and determination of seasonality of low flow in the Aegean Region
Yazar: DİLAN ÜNLÜ SÖNMEZ
Danışman: PROF. DR. BİHRAT ÖNÖZ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Hidrolik ve Su Kaynakları Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Batı Akdeniz bölgesi = Western Mediterranean region ; Düşük akım analizi = Low flow analysis ; Ege bölgesi = Aegean region ; Mevsimsellik = Seasonality

Özet:
Akarsuların rejimleri üzerinde klimatolojik, hidrojeolojik, morfolojik, morfometrik ve insan unsuruna bağlı etkenler vardır. Bu etkenler sonucunda akarsuda çeşitli bilimsel tanımları olan düşük akımlar meydana gelebilir. Düşük akımlar; hidroelektrik tesislerini, atıkların arıtılmasını, şehirlere su sağlanmasını, sulama sistemlerini, akarsu ulaşımını ve su kaynakları sistemlerinin işletilmesini etkiler. Düşük akım  dönemlerinde akarsudaki debi, hız, derinliğin azalması ve bu dönemde suyun ne şekilde kullanılacağına karar verilmesinin güçleşmesi düşük akımlar hakkında bilgi edinilmesini oldukça önemli kılar.
Bu çalışmada Gediz, Küçük Menderes, Büyük Menderes ve Batı Akdeniz Havzalarında düşük akımlar incelenerek düşük akımların mevsimselliği araştırılmıştır.
Öncelikle Gediz Havzası'na ait 8, Küçük Menderes Havzası'na ait 1, Büyük Menderes Havzası'na ait 7 ve Batı Akdeniz Havzası'na ait 5 istasyon olmak üzere toplamda 21 adet istasyona ait veriler DSİ'nin internet sayfasından elde edilmiştir. Veriler 1981-2011 yılları arasındaki günlük debi verileridir. Bu veriler su yılı dikkate alınarak işlenmiştir. Karışıklığı önlemek adına 1 Ekim'de başlayan su yılında yılın değiştiği kabul edilmiştir. Örneğin 1981 yılının verileri 1 Ekim 1980'den başlamaktadır.1982 yılının verileri 1 Ekim 1981'den devam etmektedir. Eksik olan birkaç yılın verisi regresyon analizi ile tamamlanmıştır.
Çalışılan 21 istasyon için 1981'den 2011 yılına kadar olan günlük debi değerleri ile akım grafikleri oluşturulmuş ve bazı yıllarda akımlardaki düşüşün diğer istasyonlarla paralellik gösterdiği görülmüştür.
Çalışılan her istasyon için, düşük akım karakteristiklerini iyi ifade eden ve genellikle düşey eksende debi yatay eksende aşılma yüzdesi olacak şekilde debi-süreklilik çizgileri çizildi. Ayrıca istasyonların debi-süreklilik çizgilerinin karşılaştırılabilmesi için istasyon akım debilerinin alana bölünmesi ile elde edilen birim debi kullanılarak her havza için bir grafik üzerinde debi-süreklilik çizgileri çizilmiştir.
Düşük akımların daha iyi tanımlanması için yapılan bu çalışmada, düşük akımları karakterize edebilmemizi sağlayan indeksler içinde, debi süreklilik çizgisinden de okunabilen zamanın %95'inde akarsuda aşılan debi olan Q_95 ve bu değerin havza alanına bölünmesi ile elde edilen q_95 debi değerleri seçilmiştir.
Bu çalışmada kış debi serisi 1 Ekim-29 Şubat aralığını kapsarken, yaz debi serisi 1 Mart-30 Eylül aralığını kapsamaktadır.
Her istasyon için yaz veya kış düşük akım baskınlığını gösteren mevsimsellik oranı (SR) sayısı bulunmuş ve istasyonların büyük bir kısmının yaz düşük akım etkisinde bulunduğu görülmüştür
Q_95 debi değerine eşit veya altında olduğu gözlemlerle hesaplanılan θ ve r parametrelerine dayanan mevsimsellik indeksi (SI) ile her istasyon için her yılın ortalama düşük akım günü (ODAG) ve mevsimselliğin derecesini anlamak adına her yılın ortalama r parametresi hesaplanmıştır. Her istasyonun 31 yıllık ortalama düşük akım günleri ve istasyonların ortalama r parametrelerinin de ortalaması hesaplanarak havzalara ait birim çember üzerinde gösterilmiştir.
Çalışılan 4 havzadan her biri için, 1981-2011 yılları boyunca Q_95'den küçük debiye sahip günlerin sayısı en fazla olan 4 istasyon seçilmiştir. Bu istasyonlarda çalışılan her yıl için Q_95'den küçük günlerin hangi ayda olduğu sayılmış ve bu günlerin aylık yüzdelikleri bulunarak mevsimsellik histogramları (SH'ları) çizilmiştir. Böylelikle düşük akım olarak varsaydığımız, Q_95'den küçük debiye sahip günlerin herhangi bir yılda hangi aylarda yoğunlaştığı görülebilmektedir.
Çalışılan 21 istasyonda 1981-2011 yılları boyunca Q_95'den küçük günler her ay için sayılarak toplanmış ve istasyonların 31 yıllık düşük akım günleri tablosu oluşturulmuştur. Aylara göre sayılmış bu günlerin aylara göre yüzdelikleri bulunarak düşük akım günlerinin dağılımı pasta grafiği şeklinde gösterilmiştir. Bu grafikler incelendiğinde çoğu istasyonda düşük akım günlerinin Ağustos ve Eylül aylarında daha büyük yüzdeliklere sahip olduğu görülse de Ekim, Kasım ve Aralık aylarında da görülen büyük yüzdelikler, önemli bir kış düşük akım bilgisine ulaşıldığının göstergesidir.
Bütün istasyonlarda çalışılan her yıl için bulunan q_95 değerlerine, her yılın yaz serisinin q_95'i ile kış serisinin q_95'i ve bütün istasyonların yıllık q_95'lerine bölgesel olacak şekilde trend analizi yapılarak Mann Kendall testiyle trend olup olmadığı araştırılmıştır. Trend bulunanlarda azalan trend bulunmuş ve iç bağımlılığın etkisinin giderilmesi sonucu var olan trendler kaybolmuştur. Mann Kendall testinde iç bağımlılığın etkisinin önemi anlaşılmıştır.
Bu çalışma ile Ege Bölgesi'ndeki 4 havzada düşük akımlar, düşük akımların mevsimselliği incelenmiş ve önemli bir düşük akım indeksi olan q_95 değerlerinde trend araştırılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre Akdeniz ikliminin görüldüğü bölgede bilinen yaz kuraklığını yanı sıra kış kuraklığının görülme oranının yüksekliği oldukça dikkat çekicidir. Ülke genelindeki havzalarda, son yılların da verileri elde edinilerek düşük akımların araştırılması ve özellikle kış kuraklığının incelenmesi faydalı olacaktır.

Abstract:
There are climatological, hydrogeological, morphological, morphometric and human-influenced factors that affect the regime of rivers. As a result of these factors, low flow can occur in a river, for which there are different scientific definitions. Low flows impact hydropower plants, waste treatment, urban water supply, irrigation systems, river transport and water management system operations. During low flow periods, the flow rate, velocity and depth of the river decrease and it is difficult to decide how to use the water during this time. For this reason, any information about low flow is very important. 
In this study, the seasonality of low flows was investigated by examining the low flow in Gediz, Küçük Menderes, Büyük Menderes and Batı Akdeniz basins.
First, the data from total of 21 stations, 8 of which belong to Gediz Basin, 1 to  Küçük Menderes Basin, 7 to Büyük Menderes Basin, and 5 to Batı Akdeniz Basin, were obtained  from the DSI website and compiled. The data are daily flow data between 1981-2011 and these data were processed considering the water year. In order to avoid confusion, it is accepted that the year changes in the water year, that starts on October 1. For example, the 1981 data begin on October 1, 1980. The 1982 data begin on  October 1, 1981. Regression analysis was use to fill in the missing data for some years. Regression analysis is the method used to find the linear relationship between the dependent variable y and the independent variable x, and then estimate the value of the dependent variable using the observed values of the independent variables.
Daily flow values and flow graphs from 1981 to 2011 were prepared for the 21 stations studied, as flows were observed during those years and it was found that the decline in flows paralleled other stations in some years.
For each station studied, flow duration curve was created that expressed well the characteristics of low flow generally on the vertical axis as a percentage that exceeds the flow on the horizontal axis. Once the flow duration curve has been determined, the discharge available in the stream for a given percentage of time can be read from this line.To compare station flow duration curves, the flow duration curves for each watershed were plotted on a graph using the unit discharge determined by dividing the station discharge by the area.
In this study, conducted to better define low flows, Q_95 the flow rate exceeded in the river 95% of the time, which can also be read from the flow duration curve, and the q_95 flow rate obtained by dividing this value by the area of the basin were selected as indices that allow us to characterize low flows.
The seasonality ratio (SR), which indicates the dominance of low flow in summer or winter, was determined for each station. To determine this number, the data were divided into the winter flow series from October 1 to February 29, and the summer flow series from March 1 to September 30. The dominance of low flows in summer or low flows in winter was determined by whether the SR number was less than or greater than 1. Since the SR number is generally less than 1 in the region studied, a dominance of summer low flow was determined. The difference of  SR value from 1 is the criterion of low flow dominance in summer or winter.
The average low flow day (ODAG) was determined for each year between 1981 and 2011 at 21 sampled stations using the seasonality index (SI) based on the parameters θ and r for days equal to or less than flow Q95 and which day in the calendar it coincided with.Using the average of the SI parameters, a day with average low flow  was determined for each station and these days were displayed on the unit circle of each basin. By taking the average of the average r parameters of the stations belonging to the basin, an average r parameter was found for each basin, showing the strength of the seasonality of the low flow when it approaches 1. The Gediz Basin with a parameter of r = 0.897 in August, July and April, the Küçük Menderes Basin in August with a parameter of r = 0.840, the Büyük Menderes Basin in March, April, June, July and August with a parameter of r = 0.872, the Batı Akdeniz Basin r = 0.938, having stations with average low flow days in February, April, July and August. Considering that the r parameter in the studied basins, especially in the Batı Akdeniz Basin is closed to the value of 1, we can see that there is a strong seasonality in low flows. It is an unusual and important result of the study that the average low flow day (ODAG) is observed in February, March and April.
For each of the 4 basins studied, the 4 stations with the highest number of days with flow rates below Q_95 during 1981-2011 were selected. For each year, the days when the flow was less than Q_95 were counted at these stations and seasonality histograms (SH's) were created by determining the monthly percentages of these days. This allows us to see in which months of the year the days with a flow rate below Q_95 which we assume to be low flow, are concentrated. Examination of the histograms shows that although the low flow days have varied over the years, they are generally in July, August, September and October.
During 1981-2011, days with less than Q_95 were counted at 21 stations for each month and the 31-year table of low flow days at the stations was constructed. The distribution of low flow days is presented in the form of a pie chart by determining the percentage of days counted by month. When these graphs are examined, it can be seen that the low flow days have higher percentages in August and September at most stations. However the high percentage in October, November and December indicate that an important winter low flow information has been reached. For example, at station 510 of the Gediz Basin, there are 3239 days, that are considered low flow and have been for 31 years. Of these days, 26% fall in August, 21% in September, 19% in July and 14% in October.In another example, at station 808 of Batı Akdeniz Basin, these percentages fall 17% in August, 35% in September, 17% in October, 12% in November and 7% in December. In this way, it is possible to obtain information about  how much low flow is concentreated in which month at the stations.
Trend analysis was applied to the q_95 values of each year, the q_95 values of  the summer series and the q_95 values of the winter series obtained at all stations during 1981-2011. A Trend is the increase or decrease in the value of a random variable over time in a time series. The purpose of studying this variation in random variables over time is to determine the order or irregularity in the hydrologic process and to make forward predictions. In this study, trend analysis was performed using the non-parametric Mann Kendall test. As a result of the test, the hypothesis "H0  no trend" is accepted for 9 of 21 stations, while this hypothesis is rejected for the remaining 12 stations, showing a decreasing  trend. However, with the Mann-Kendall test applied due to the internal dependence removal measures, it was concluded that the trend disappeared at stations other than station 701. According to the results of the Mann Kendall test applied to the q_95 values of the summer and winter series of  station data, some stations show a decreasing trend in summer and winter q_95 values, while others do not. It is suspected that internal dependence has an effect on these downward trends and the proposed methods to remove the effect of internal dependence were applied. The Mann Kendall test was applied to the series, believed to have eliminated the effect of internal dependence and decreasing trends were found to have disappeared. A decreasing trend was also observed in the regional trend analysis which was performed for all stations. It was concluded that interdependence may be a criterion that cannot be ignored in the non-parametric Mann Kendal test, which is often used to determine whether a statistically significant trend exists in hydrologic data.
In this study, low flows and the seasonality of low flows in 4 catchments in the Aegean region were investigated and the trend of q_95 values, which are an important low flow index, was examined. According to the results, in addition to the well-known summer drought in the Mediterranean climate region, the high rate of winter drought is quite remarkable.In the basins all over the country, it will be useful to study the low flows by obtaining the data of last years and especially studying the winter drought.