Aktif uzaktan algılama verileri ve CBS destekli hidrolojik model kullanılarak Büyükçekmece havzasının incelenmesi
Investigation of Buyukcekmece water basin by using active remote sensing data and GIS-supported hydrologic model
Yazar: MEHMET ZEKİ İMAMOĞLU
Danışman: PROF. DR. ELİF SERTEL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Geomatik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Jeodezi ve Fotogrametri = Geodesy and Photogrammetry
Dizin: Havza modellemesi = Basin modelling ; Uydu görüntüleri = Satellite images

Özet:
Hızla gelişen dünyanın değişen koşullarıyla birlikte su kaynaklarımızın farklı amaçlar için kullanımı da hızla artmaktadır. Nüfus oranlarındaki artışlarla, şehirlere olan göçlerin de artması su kaynaklarımızı önemli ölçüde etkilemektedir. Bununla beraber son yüzyıl içerisinde tabiatta meydana gelen tahribatların sonucu olarak toprak ve su ile birlikte havanın da bileşimi önemli ölçüde bozulmuştur. Hızla artan sanayi ve yerleşim bölgelerinden çıkan sera gazları ile çevre ve atmosferin büyük miktarda kirlenmekte ve küresel ölçekte havanın ısınma eğilimi de giderek artırmaktadır. Bunun bir sonucu olarak, bugün küresel iklim değişiklikleri ile karşı karşıyayız. Özellikle sanayi devriminden sonra hız kazanan iklim değişikliği ile birlikte, mevcut hidrolojik, ekolojik koşullar gibi çevre koşulları da hızlı bir şekilde değişim geçirmektedir. İklim değişimi ile birlikte atmosferde meydana gelen ısınmanında etkisi ile hidrolojik döngü de değişmektedir. İklim ve hidrolojik döngüdeki bileşenlerin değişimi su kaynaklarımızı da etkilemektedir. Bu nedenle su kaynaklarının belirlenmesi, korunması ve sürdürülebilir bir şekilde yönetilmesi oldukça önem kazanmaktadır. Su kaynakları ile ilgili planlamalar yapılırken mutlaka iyi bir havza yönetim planlaması da yapılmalıdır. 
Bu çalışmada en önemli doğal kaynaklarımızdan topraklarımızın kullanılmasının planlanması, değişimlerinin izlenmesi ve karar vericilere toprak bileşenlerine ilişkin ve özellikle toprak nemine ait mekansal veri sunulması için bir model geliştirilmesi amaçlanmıştır. Bununla beraber bu çalışma kapsamında uygulanan hidrolojik model yardımı ile İstanbul'un bugünkü su ihtiyacının büyük bir bölümünü karşılayan Büykçekmece Baraj Gölü'nün havzasındaki su bütçesi bileşenlerinden, gerçek evapotranspirasyon, zemin nemi, potansiyel evapotranspirasyon, perkolasyon, taban akışı, toplam akış, yıllık yağış, yüzeysel akış ve kar erimesi değerleri ile bu değerlerin zamansal değişimleri ortaya konulmuştur. Tezde uygulanan model yardımıyla nüfus artışı, arazi kullanımı değişimi gibi nedenlerle gelecekte meydana gelebilecek farklı senaryoların su bütçesi üzerindeki değişimlerinin öngörülmesi için bir altyapı sağlanmıştır.
Çalışmanın ilk aşamasında, İstanbul'un en büyük içme suyu havzalarından olan Büyükçekmece havzasındaki farklı konumlardan alınan toplam 42 adet toprak örneğinin, laboratuvar ortamında toprak bileşenlerinden olan toprak nemi, kireç, pH, karbon, azot ve tuzluluk değerleri yapılan analizler ile belirlenmiştir. Arazi çalışması ile koordinat bilgileri de alınan örnek noktalarının sayısı ve çalışma alanındaki noktaların dağılımı belirlenirken, şimdiki arazi örtüsü/kullanımı, noktalara olan ulaşım altyapısı, yükseklik, toprak çeşidi ve konumsal dağılım gibi parametreler Coğrafi Bilgi Sistemi (CBS) içerisinde değerlendirilmiştir. 16 Temmuz 2010, 09 Ağustos 2010 ve 02 Eylül 2010 tarihlerinde toprak örnekleri alınmış ancak, bu tarihlere eş zamanlı olarak sadece 16 Temmuz ve 02 Eylül tarihlerinde RADARSAT-1 uydu verileri alınabilmiştir. Laboratuvar ortamındaki analizler sonucu elde edilen toprak bileşenlerine ait değerler ile RADARSAT-1 uydu verilerinin geri saçılım (betanought) değerleri arasında ne tür bir ilişki olduğuna bakılmıştır. Yapılan regresyon analizleri sonucunda RADARSAT-1 verileri ile toprak bileşenlerinden olan toprak nemi arasında önemli bir ilişki belirlenmiş olup, diğer toprak bileşenleri kireç, pH, karbon, azot, tuzluluk ve toprak bünyesi arasında önemli bir ilişki belirlenememiştir. Bununla beraber regresyon analizi sonucu elde edilen eşitlikler RADARSAT-1 verilerine uygulanarak farklı tarihlere ait toprak nemi haritaları oluşturulmuştur. Özellikle yersel olarak çalışma zorluğu olan alanlar da ve daha geniş alanlarda yapılacak olan toprak nemi belirleme çalışmalarında uygun uzaktan algılama verisinin kullanılması ve yersel olarak toplanan örnekleme noktalarının sıklığının artırılmasının daha hassas ve güvenilir sonuçlar vereceği öngörülmektedir.
Çalışmanın ikinci aşamasında,farklı enterpolasyon yöntemleri kullanılarak toprak bileşenlerine ilişkin haritalar üretilmiştir. Öncelikle jeoistatistik yöntemlerden Ordinary Kriging yöntemi ile toprak örneklerinin alındığı noktalar kullanılarak toprak pH, kireç ve tuz içeriğine ilişkin haritalar oluşturulmuş ve çalışma bölgesine ait alansal toprak bileşenleri haritaları üretilmiştir. Aynı zamanda bu noktalara ait toprak nemi sonuçları, Radarsat-1 verilerinin geri yansıtım değerleri ve farklı enterpolasyon yöntemleri uygulanarak, çalışma bölgesine ait alansal toprak nemi haritaları üretilmiş ve bu haritaların CBS 'ne entegrasyonu ile farklı mekansal analizler gerçekleştirilmiştir. Sonrasında, oluşturulan modelin doğruluk analizini yapmak için toplam nokta sayısının yaklaşık % 20 si kadarı olan 11 kontrol noktası belirlenerek ilk olarak 25 nokta ile, ikincil olarak ta 25 nokta içerisinden homojen dağılımlı 10 nokta daha kontrol noktası olarak belirlenerek 15 nokta ile regresyon analizleri ve farklı enterpolasyon yöntemlerinden Inverse Distance Weighting (IDW), Global Polynominal Interpolation (GPI), Local Polynominal Interpolation (LPI), Radial Basis Functions (RBF), Kriging, Kokriging yöntemleri uygulanarak elde edilen sonuçlar kendi aralarında karşılaştırılmıştır. Yapılan değerlendirmeler sonucunda, genel olarak en sağlıklı sonuçların Ordinary Kriging yöntemiyle elde edildiği görülmüş olup, noktasal olarak değerlendirme yapıldığında diğer enterpolasyon yöntemlerinin de iyi sonuçlar verdiği ve nokta sayısının fazla olmasının daha optimum sonuçlar verdiği ve RMS hatalarının daha düşük olduğu belirlenmiştir. Ayrıca, Inverse Distance Weighting (IDW), Local Polynominal Interpolation (LPI) ve Radial Basis Functions (RBF) yöntemleri de Ordinary Kriginge benzer sonuçlar hesaplamış olup, Radar verisi ile elde edilen sonuçlar bu çalışma bölgesinde diğer yöntemlere nazaran daha düşük doğrulukta sonuçlar vermiştir. 
Çalışmanın son aşamasında ise Soil and Water Assesment Tool (SWAT) model yazılımı kullanılarak çalışma alanı olan Büyükçekmece havzasının hidrolojik modellemesi yapılmıştır. Modelde arazi örtüsü/kullanım verisi olarak, CORİNE verisinden üretilmiş 1990 ve 2006 yıllarına ait arazi örtüsü/kullanım haritaları FAO veri setine dönüştürülüp kullanılarak arazi örtüsü/kullanım değişimlerinin model sonuçlarına etkisi değerlendirilmiştir. Model sonucunda her iki farklı tarih için gerçek evapotranspirasyon, zemin nemi, potansiyel evapotranspirasyon, perkolasyon, taban akışı, toplam akış, yıllık yağış, yüzeysel akış ve kar erimesi su bütçesi bileşenlerine ait değerler üretilmiştir. SWAT model sonuçları ile yapılan analizlerde arazi örtüsü/kullanım değişiminin hidrolojik bileşenlerden Gerçek ET , Zemin nemi, Perkolasyon, Taban akışı üzerinde daha etkili olduğu belirlenediği için bu bileşenlere yönelik iki farklı periyotta tüm havza için haritalar ve her alt havza için hidrolojik bileşenlere ait grafikler oluşturulmuştur. Hidrolojik bileşenlere ait haritalar 1990 ve 2006 yılına ait arazi örtüsü/kullanım haritaları kullanılarak elde edilen sonuçları 1985-1990 ve 1991-2010 tarihleri arası için yıllık ortalamalar alınarak oluşturulmuştur. Bu şekilde yapılmasındaki amaç 1990 ve 2006 yıllarında karşılaşılan arazi örtüsü/kullanım değişimlerinin aynı zaman diliminde bileşenlere olan etkisini irdelemektir. Çalışmada üretilen bilgileri yorumlamak için alt havzalara ait arazi örtüsü/kullanım değişimleri çizelgeleri ve su bütçesi bileşenlerine ait her iki farklı tarih için grafikler oluşturulmuştur. Arazi örtüsü/kullanımında olan değişimler su bütçesi bileşenlerinin bazılarında önemli değişimlere sebep olmuşken, diğerlerinde ise herhangi bir değişime neden olmadığı tespit edilmiştir. Ayrıca,model sonucunda üretilen su bütçesi bileşenleri ile Büyükçekmece Havzasının su potansiyeli ile ilgili öngörüde bulunmak için Toplam Akış verisi ile havza alanı kullanılarak su potansiyeli hesaplanmıştır.

Abstract:
Together with changing conditions of the rapidly developing world, use of our water resources for various purposes is also on the rise. Increase in population as well as increase in migration to cities have major impacts on our water resources. Furthermore, the composition of the air together with water and soil has significantly been spoiled due to damages that occurred in the last century in nature. The environment and the atmosphere is heavily polluted by greenhouse gases released from settlement and industrial regions that grow rapidly and on a global scale the temperatures tend to rise more and more rapidly. As a consequence, today we are facing global climate changes. 
Together with the speeding climate change particularly after the industrial revolution, the existing envvironmental conditions including hydrological and ecological ones are undergoing a rapid change. With the effect of the warming in the atmosphere together with climate change, the hyrdological cycle is also subject to change. The change in composition of climate and hydrological cycle also affect water resources. Therefore, identification, protection and sustainable management of water resources have gained substantial importance. When planning on water resources, it is a must to conduct good basin management planning as well.
This study aims at planning the use of the soil, one of the most significant natural resource, monitoring its changes and developing a model to provide spatial data on components of soil, particularly soil humidity to decision makers. Furthermore, with the help of the hydrological model applied within this work, various data was obtained from water budget components of Büyükçekmece Reservoir that meets a significant amount of water need in Istanbul today including real evapotranspiration, percolation, ground humidity, potential evapotranspiration, percolation, ground floww, total flow, annual precipitation, surface flow and snowmelt values and their temporal changes. With the help of the model applied in the thesis,a basis was povided to foresee changes in water budgets in cases of different scenarios that may occur in the future due to various reasons including population increase and use of terrain.
At the first stage of th study, a total of 42 soil samples taken from different parts of Büyükçekmece basin, one of the largest potable water basins of İstanbul, were analysed for their soil humidity, lime, pH, carbon, nitrogen and salinity rates among soil components in laboratory. While number and distribution of the spots on the field were identified together with terrain work and coordinates data, certain parameters including terrain plantation and use, transportation infrastructure to the sample spots, altitude, soil type and positional distribution were evaluated within the Geographical Information System (GIS). Soil samples were taken on 16 July 2010, 09 August 2010 and 02 September 2010 but RADARSAT-1 satellite data was received only on 16 July and 2 September simultaneous to the days above. The type of the relation between values of the soil components obtained upon laboratory analyses and those from backscattered (betanought) from RADARAST-1 data was examined. 
The regression analyses conducted showed a significant relation between RADARSAT-1 and soil humidity from soil components, while other components of lime stone, pH, carbon, nitrogen and salinity have not shown any significant relation Furthermore, soil humidity maps for different dates were formed based on the RADARSAT-1 data by applying equations obtained upon regression analysis. It is foreseen that increasing the frequency of sampling locations collected locationally and using remote sensory data in identification of soil humidity in larger areas and particularly areas with spatial challenges will provide more sensitive and reliable results.  
At the second stage of the study, maps on soil components were generated by using different interpolation methods. Initially spatial soil component maps were generated by using the spoits where soil samples were taken with the Ordinary Kriging method, one of the geostatistical methods, to define soil pH, lime and salinity content. Soil humidity results on these points, backscatter values of Radarsat-1 data and different methods of interpolation were used to generate spatial soil humidity map of the study area and different spatial anaylses were conducted with the integration of these maps with the GIS. Consequently, 11 control points - 20% of the total points - were identified to conduct accuracy analysis of the model; first with 25 points, then secondly 10 homogeneously distributed points from the 25 points were identified as controlpoints to apply regression analyses and different interpollation methods Inverse Distance Weighting (IDW), Global Polynominal Interpolation (GPI), Local Polynominal Interpolation (LPI), Radial Basis Functions (RBF) Kriging, Kokriging were used to compare results among each other. 
The evaluations showed that generally the most accurate results were obtained with Ordinary Kriging method while other interpolation methods also gave good results when spatial evaluation was conducted, that the higher number of points gave more optimum results and that RMS errors were lower. Furthermore Inverse Distance Weighting (IDW), Local Polynominal Interpolation (LPI) ve Radial Basis Functions (RBF) methods also showed to calculate similar results to Ordinary Kriging while results obtained by radar data gave lower accurate results compared to other methods in this study area. 
At the final stage of the study, a hydrological modelling was conducted for Büyükçekmece basin which is the work field of the study by using Soil and Water Assesment Tool (SWAT) model software. The terrain cover from 1990 and 2006 generated from CORINE as model terrain cover / usage data to be converted into FAO data set and the impact of terrain cover / usage changes on the model outcomes were evaluated. 
At the outcome of the model values for both dates on real evapotranspiration, percolation, base flow, annual precipitation, surface flow and snowmelt water budget components were generated. As the real ET, ground humidity, percolation were identified to be more effective on base flow, graphics and maps of hydrological components for all the basin in two different periods were formed. The outcomes of hydrological component maps that were generated by using the 1990 and 2006 terrain cover maps were formed by taking annual averages of 1985-1990 and 1991-2010 periods. 
The purpose of such an evaluation is to examine the impact of terrain cover / use changes encountered in 1990 and 2006 to the components of the same periods of time. In order to interpret the data generated in the study, terrain cover / use change maps for lower basins as well as graphics for two different water budget component for each period were generated. While changes in terrain cover / use caused significant changes on the basis of water budget component; it was seen to have no such change in other ones. Again,the Total Flow data and basin areas was used to calculate water potential in order to foresee the water potential of Büyükçekmece basin with the water budget components generated as an outcome of the model.