Seyhan ve Çoruh akarsu havzalarında kuraklık analizi
Drought analysis in Seyhan and Çoruh river basins
Yazar: NUR BANU ÖZÇELİK
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, 2021
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Kuraklık, bilinen en eski uygarlıklardan günümüze kadar gelen, bir bölge üzerinde su miktarının normal zamanlarda sahip olunan su miktarından, bu bölgenin sahip olduğu iklim şartlarından bağımsız olarak düşük olmasıdır. Kuraklık her ne kadar doğal bir afet olsa da, iklim değişikliği, kontrolsüz nüfus artışı ve çevre kirliliği gibi sebeplerden etkileri daha çok hissedilmektedir. Ülkemiz için de gün geçtikçe kuraklık önemli bir sorun haline gelmektedir ve etkilerini normal yaşantımızda da karşımıza çıkmaya başlamıştır. Bu sebeple kuraklığın analizi ve gelecekteki şiddetiyle ilgili çalışmalar daha da önem kazanmıştır.
Bu çalışmada Seyhan Havzası için 7 adet akım gözlem istasyonunu ve Çoruh Havzası'nda 7 adet akım gözlem istasyonunu olmak üzere 20 yıllık aylık ortalama akım verileri kullanılarak hidrolojik kuraklık analizi yapılmıştır. Ayrıca her iki havza için de toplam 4 istasyonda 20 yıldan daha uzun dönemlerde kuraklık durumu incelenmiştir. Kullanılan akım gözlem istasyonları, Devlet Su İşleri Genel Müdürlüğü tarafından işletilmektedir. 
Hidrolojik kuraklık analizi ilk olarak kesintisiz serilere ihtiyaç duyulduğu için, eksik aylar ve yıllar için doğrusal regresyon analizi yapılmıştır. Regresyon analizinden sonra ise Akım Kuraklık İndisi (SDI) kullanılarak 1 ay, 3 ay, 6 ay, 9 ay ve 12 aylık zaman periyodları için kuraklık seviyesi hesaplanmış ve sonuçlara bağlı olarak kuraklık derecesi sınıflandırılmıştır. Hesaplanmış olan Akım Kuraklık İndisi değerlerine göre her bir istasyon için kurak dönemler belirlenmiştir. 
İkinci olarak, Akım Kuraklık İndisi değerleri kullanılarak, her bir istasyon için kurak dönemlerin görülme olasılığı hesaplanmıştır. Ayrıca veri uzunluğu sonuca etkisini irdelemek için Seyhan Havzası'nda bulunan E1801 istasyonun 20 yıllık ve 75 yıllık akım verileriyle hesaplanılan Akım Kuraklık İndisi sonuçlarının da olasılıkları hesaplanılarak karşılaştırılmıştır. Aynı şekilde Çoruh Havzası'nda bulunan E2304 istasyonu içinde 20 yıllık ve 48 yıllık akım kuraklık indisi sonuçlarının olasılıkları hesaplanmıştır. 
Akım Kuraklık İndisi sonuçları ile sonraki bölümde Mann-Kendall Trend testi kuraklığın belirli bir trendi takip edip etmediği irdelenmiştir. Trend testi SDI-1 ve SDI-12 periyodları kullanılmıştır. Seyhan Havzası'nda kuraklığın özellikle yaz aylarında şiddetlendiği SDI-1 sonuçları ile görülmektedir. Çoruh Havzası'nda ise SDI-12 sonuçlarında bütün istasyonlar için trend gözlenmemiştir. SDI-1 sonuçlarında ise D23A26 istasyonu için Mayıs ayında pozitif yönlü artan bir trend gözlenmiştir. 
Akım Kuraklık İndisi sonuçlarına bağlı olarak en son olarak ise frekans analizi yapılmıştır ve kritik kuraklık değerleri hesaplanmıştır. Kritik kuraklık şiddeti ise her bir istasyonda her yıl için seçilen kuraklık süresindeki maksimum kuraklık şiddetidir. Kritik kuraklık şiddetlerine, literatürde karşımıza yaygın olarak çıkan uygun olan olasılık dağılımlarının arasından en uygun olan olasılık dağılım fonksiyonu bulunarak  frekans analizi yapılmıştır. Bu amaçla Log-normal 2 (LN2), Log-normal 3 (LN3), Gama 2 (G2), Gama 3 (G3), Genel Ekstrem Değer (GEV), Log-Pearson Tip III (LP3), Weibull 2 (W2), Weibull 3 (W3) kullanılmıştır. Akım Kuraklık İndisi değerleri genel olarak GEV dağılımına daha uygun çıkmıştır. Ayrıca kritik kuraklık şiddetinin içeriğinde sıfır değerler de bulunmaktadır. Sıfır ve sıfır olmayan değerler dikkate alınarak frekans analizi için toplam olasılık yasası kullanılmıştır. Ortalama kritik kuraklık değerlerine frekans analizi ile 2, 5, 10, 25, 50 ve 100 yıllık dönüş aralıklarına karşılık gelen ortalama kritik kuraklık şiddeti bulunarak, her bir istasyona ait ortalama kuraklık şiddeti, süre ve frekans eğrileri elde edilmiştir. 
Aylık ortalama 20 yıllık akım verileri kullanılarak tezin son bölümünde ise run analizi yapılmıştır. Run analizinde negatif run değerleri üzerinde çalışılmıştır. Aylık ortalama akım değerli normal dağılıma uymadığı için Lognormal dağılım ve ampirik yöntem ile q=0.5, q=0.3 ve q=0.2 seviyeleri belirlenmiştir. Belirlenen her bir kesme seviyesi ile  kesme seviyesine bağlı olarak hesaplanan negatif run gidişler uzunlukları, Lognormal ve ampirik yöntem için kıyaslanmıştır. 20 yıl içerisinde gözlemlenen en büyük negatif run uzunluğuna göre bu kuraklık sürecinin kaç ay veya yılda bir tekrarlanacağını hesaplanmıştır. 
Bu tez ile Türkiye'nin farklı iklim özelliklerine sahip iki havzasının kuraklık durumu incelemiştir. Özellikle Çoruh ve Seyhan nehirleri üzerindeki hidroelektrik santralleri, suyun tarımsal kullanımı bölge ve ülke ekonomisinde hayati bir rol oynamaktadır. Bu nedenle havzalarda kuraklık konusunda yapılacak çalışmalar hem bölge hem de ülke ekonomisi için faydalı olacaktır.

Abstract:
Drought is one of the major natural hazards that occur all over the world. There are many definitions of drought; one of the most common, drought, is the period when the amount of water in a region is less than the amount of water available at normal times, regardless of the climatic conditions of that region. Due to the accelerated climate shifts and anthropogenic activities, drought affects more people worldwide.
Turkey is mainly located in a semi-arid climatic zone. Therefore it may face the risk of drought frequently. Its effects have begun to appear in our daily lives and bring economic, social, and environmental consequences. Therefore, studies on the analysis of drought and its future severity have gained more importance.
The main purpose of this study is to analyze drought in Seyhan and Çoruh river basins and predict future drought intensity. In this study, drought analyses were carried out with mean monthly streamflow data from gauging stations. The current gauging stations were used and operated by the General Directorate of State Hydraulic Works. From both river basins were chosen 7 stations with and we studied 14 stations.  
In terms of the data length effects, we have investigated short and long-term streamflow periods. All stations were performed for 20 years by Streamflow Drought Index. After that, we investigated station number E1801 in the Seyhan river basin for 75 years and station number E1805 in the Seyhan river basin for 72 years by Streamflow Drought Index. In the Çoruh river basin, we have examined station number E2304 for 48 years and station number E2326 station for 47 years. For calculation of Streamflow Drought Index, continuous series is necessary. For this purpose, linear regression analyses were performed for missing months and years. The missing data in the four stations were obtained by looking at the highest correlation coefficient between other stations. After that, we determined the best fit distributions. For the mean monthly streamflow data, the series investigated the drought level for the 1 month, 3 months, 6 months, 9 months, and 12 months periods using the Streamflow Drought Index (SDI). The drought degree has been classified based on Streamflow Drought Index results. For each time scale, we examined dry and wet periods. Based on the outcome, severe and extreme drought was investigated between 2007-2008 for 7 stations in the Seyhan river basin. For all stations in the Seyhan river basin, in 2001 and 2005, it was observed to vary between moderate and severe drought. In the Çoruh river basin, mild to moderate drought was observed at stations number D23A26 and D23A32 in 2000, 2001, and 2002, while intense and extreme drought was seen at the other 5 stations.
At this stage, based on the Streamflow Drought Index classification, the probability of the level of the drought was calculated. In addition, with this calculation was examined the effect of data length on the result. Station number E1801 (in the Seyhan river basin) determined the 20-year and 75-year streamflow drought index results and compared them.
SDI-1, SDI-3, SDI-6, SDI-9, and SDI-12, the percentage of wet and mild, moderate, severe, extreme drought levels for each period were determined. Furthermore, we calculated the probabilities of the 48-year and 20-year Streamflow Drought Index results in the station number E2304 located in Çoruh river basin. Although slight differences were observed for the station number E1801, the difference was relatively small at station number  E2304.
In the next chapter, based on SDI-1 and SDI-12 months, we investigated the drought severities trend. For this purpose, the Mann-Kendall Trend test was used and examined whether the drought followed a particular trend. The significance level for the trend test was chosen as 0.05. The SDI-1 results indicated that the drought in the Seyhan river basin was especially severe in the summer months. According to SDI-12, the drought severity trend increased gradually. It was observed at the stations number D18A12, D18A23, and E1820, but other selected stations showed no trend. In the Çoruh river basin, no trend was observed for all stations in the SDI-12 results. In the SDI-1 results, a positive increasing trend was observed for the station number  D23A26 in May. Therefore, we can interpret that drought severity has decreased in 20 years in this month. At station number D23A32, decreasing trends were observed in August and September. Based on the results of the Mann-Kendall trend test, we can understand that the drought was intensified within 20 years, mainly in the summer months and in September and October, with the exception of stations number E1825 and E1828 in the Seyhan river basin. Moreover, in this section, the Mann-Kendall trend test was applied to each SDI period of the station number E1801, with 75 years of data in the Seyhan river basin. A very strong negative trend was observed in the SDI-1 period, especially in October and summer months. In addition, strong negative trends were also observed in September in all SDI periods. Based on the 75-year years trend test, we inferred that drought increased in the region during these months. At the same time, we calculated the Mann-Kendall trend test for 48 years for the Çoruh river basin. No trend was found.
Frequency analyses were implemented based on the results of the Streamflow Drought Index. Firstly it was determined the critical drought severity, the maximum drought value, in each year. The intensity was obtained by dividing the critical drought severity by the determined month period. Frequency analysis was applied by finding the most appropriate probability distribution function among the most suitable probability distributions commonly encountered in the literature for critical drought intensities. For this purpose, the literature used mostly Log-normal 2 (LN2), Log-normal 3 (LN3), Gamma 2 (G2), Gamma 3 (G3), General Extreme Value (GEV), Log-Pearson Type III (LP3), Weibull 2 (W2) and Weibull 3 (W3). Streamflow Drought Index values were found to be more suitable for the GEV distribution in general. In addition, there are zero values in the content of critical drought severity. The law of total probability was used for frequency analysis, considering  zero and non-zero values. 
Intensity values were implemented corresponding to 2, 5, 10, 25, 50, and 100-year return periods with frequency analysis. The larger the return period, the larger the drought severity obtained in absolute value. The values corresponding to the whole return period were also negative.  The slope was observed in the return period of at most 100 years and from the SDI-1 calculation. SDI-9 and SDI-12 calculations are pretty close to each other. In the Seyhan river basin, average drought values were observed in the 5-year return of the stations, severe drought in the 10 and 25-year returns, and extreme drought values in the 50 and 100-year returns. 
In the Çoruh river basin, the average drought intensity values corresponding to the return periods of 10 and 25 years were severe. Extreme drought conditions were observed when the data corresponding to the data of 50 and 100 years.
In the last part of the thesis, run analysis was investigated. In this section, we studied only negative run values, and the average monthly streamflow data was used for 20 years. Since the monthly mean streamflow value does not fit the normal distribution, q=0.5, q=0.3, and q=0.2 levels were determined by lognormal distribution and empirical method. The autocorrelation coefficients of the series were examined, and it was decided that they were dependent series.
The truncation levels of the stations, determined according to the lognormal and empirical distribution, are generally close to each other. Differences were observed in mean and standard deviation values, run severities, run lengths, and run sums. The longest negative run length is 21 months. It was observed for q=0.5 in E1801 in the Seyhan River basin and E2325 in the Çoruh River basin. According to the longest negative run-length for each station, it was calculated how many years this drought process would be repeated. As the negative run length increases, the return period also increases. The return periods of the stations with a small maximum run length are expected to be observed again within 20 years. In particular, extensive return periods have been determined for the q=0.2 level.
This thesis aims to study the drought situation for two river basins in Turkey with different climatic characteristics. Based on the results of the study, short- and long-term measures can be taken for irrigation planning, drought risk management, and water resources planning. It was found that long droughts have occurred in the past in the Seyhan and Çoruh river basins, and severe and extreme droughts can be expected in the future. Based on all these calculations, the studies on droughts in these regions can be strengthened. In addition, agricultural use of water, especially in the hydropower plants on the Çoruh and Seyhan rivers, plays a vital role in the economy of the region and the country. For this reason, studies on drought in the basins will be beneficial for both the region and the country's economy.