Ergene (Trakya) havzasının hidrojeolojik incelemesi ve sayısal modellemesi
Hydrogeological investigation and numerical modeling of Ergene (Thrace) basin
Yazar: MURAT BEREN
Danışman: PROF. DR. HAKAN HOŞGÖRMEZ
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Jeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Jeoloji Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Jeoloji Mühendisliği = Geological Engineering
Dizin: Drenaj havzaları = Drainage basins ; Hidrojeoloji = Hydrogeology ; Hidrojeolojik harita = Hydrogeological map

Özet:
Ergene Havzası, hem İstanbul'a yakın bir konumda hem de Trakya Bölgesi gibi yerleşimin ve sanayileşmenin yoğun ve ekonomik açıdan büyük bir öneme sahip bir bölgede yer almaktadır. Bu sebeple Ergene Havzası'nda su kaynaklarının kalitesi, sanayi yoğunluğu ve etkileri, çevre kirliliğinin boyutlarının belirlenmesi, sosyo-ekonomik yapı ve çevre düzeni planı gibi birçok konuda çeşitli çalışmalar mevcuttur. Son yıllarda hidrojeolojik çalışmalar alt havza bazında yapılmış, sanayileşmenin yoğun olduğu Çorlu-Çerkezköy Alt havzaları çalışmalara en çok konu olan bölge olmuştur. Bu çalışmada da sanayileşme ve nüfusun giderek arttığı Lüleburgaz Alt havzası ele alınmıştır. Çalışma kapsamında Lüleburgaz alt havzasında güncel jeolojik ve hidrojeolojik çalışmalar yapılmış, yüzey ve yeraltısuları miktar ve kalite yönünden incelenmiş, yüzey ve yeraltısuyu ilişkisi değerlendirilmiş ve sayısal modelleme çalışmaları yapılmış, geleceğe yönelik senaryolar ile havzadaki yeraltısuyu seviye değişimlerinin nasıl olacağı konusunda tahminlerde bulunulmuştur. Bu amaçlarla iki dönem boyunca saha ve laboratuvar çalışmaları yapılmış, toplam 26 adet su örneğinin fiziko-kimyasal nitelikleri değerlendirilmiş, havzanın hidrolojik bilançosu hazırlanmış ve ayrıca sayısal akım modeli oluşturularak, farklı senaryolarda havzayı ne gibi tehlikelerin beklediği öngörülmüştür.
Çalışmaya konu olan alt havza yaklaşık 2150 km2 alana sahip olup Trakya Bölgesinin yaklaşık olarak tam ortasında yer almaktadır. Havza, morfolojik olarak Ergene Nehrinin aktığı bölgede 50-100 m. ortalama yüksekliğe sahiptir. Havzanın kuzeyine doğru 1000 m'ye yakın yükseltiler mevcuttur. Havzanın jeolojisi incelendiğinde kuzey sınırını temelde bulunan metamorfitler ve magmatik kayaçlar sınırlandırmaktadır. Bu birimlerden Tekedere Grubu (Pzt) biyotitli kloritli gnays ve şistlerden, Kırklareli Grubu gnays ve metagranitlerden, Kocabayır Grubu metaçakıltası, metakumtaşı, kuvarso-feldispatik şistlerden, Mahya Grubu ise fillatlar ve şistlerden oluşmaktadır. Temel birimlerin üzerine uyumsuz olarak gelen İslambeyli Formasyon (Tei), şeyl, kumtaşı ve silttaşı ardalanmasından, Soğucak Formasyonu (Tes) kireçtaşlarından, Pınarhisar Formasyonu (Top) kumtaşı, çakıltaşı ve yer yer kireçtaşlarından, Süloğlu Formasyonu (Tos) şeyllerden, Ergene Formasyonu (Tme) konglomera, kumtaşı, silttaşı ve kiltaşı ardalanmasından, Sinanlı Formasyonu (Tms) kiltaşı katkılı kireçtaşlarından, Trakya Formasyonu (Tnt) ise çakıltaşı, kumtaşı ve kiltaşı ardalanmasından oluşmaktadır.
Çalışma alanına ait yağış verileri MGM'den temin edilmiş, ortalama yağış 581.4 mm, Thortwaite yöntemiyle de ortalama buharlaşma terleme 436.4 mm olarak belirlenmiştir. Akış verileri DSİ'den alınmış ayrıca SCS-CN yöntemiyle de hesaplanan akış verileri gerçek akış verileriyle karşılaştırılmıştır. Sonuç olarak Lüleburgaz Alt Havzasında ortalama yağış 1250 x 106 m3/yıl, ortalama buharlaşma ise 938 x 106 m3/yıl olarak hesaplanmıştır. Geriye kalan 312 x 106 m3/yıl (AGİ ölçümlerinde son 5 yıl ortalama 335 x 106 m3/yıl olarak ölçülmüştür) toplam akış olarak ölçülmüştür. SCS-CN yöntemi ile ortalama yüzeysel akış değeri 157.6 x 106 m3/yıl olarak hesaplanmış, akım gözlem istasyonlarından ise 135.8 x106 m3/yıl olarak bulunmuştur. AGİ değerinin ölçülen verilerden olması sebebiyle bu değer baz alınmıştır. Geriye kalan 176.2 x 106 m3/yıl ise süzülme olarak kabul edilmiştir. Çalışma alanı için toplam boşalım ile beslenim arasındaki fark yaklaşık sadece 9 x106 m3/yıl olarak bulunmuştur. Son yıllarda kaçak kuyuların ve kuyulardan çekimin artması ve yeraltısuyu seviyesindeki her yıl gerçekleşen 0.6-1.2 metrelik düşüm sebebiyle emniyetli kullanılabilecek yeraltısuyu miktarı uzun bir süredir aşılmış görünmektedir.
Çalışma alanındaki yeraltısuyu ölçüm kuyularından alınan veriler ile yeraltısuyu seviye haritası çizilmiştir. Bu haritaya göre yeraltısuyu akış yönünün Ergene Nehrinin kuzeyinde kuzeydoğudan güneybatıya, Ergene Nehrinin güneyinde ise güneydoğudan kuzeybatıya doğru olduğu görülmüştür.
Çalışma alanı içerisinde 1 kaynak, 3 akarsu ve 22 kuyudan yüzey ve yeraltısuyu örnekleri, 2 dönem (2017 bahar ve 2017 güz) toplanmış, analizleri yapılıp kullanılabilirlikleri ise TSE-266 (2005) ve WHO (2008) izin verilebilir üst sınır değerlerine göre değerlendirme yapılmıştır. Ph, elektriksel iletkenlik, çözünmüş oksijen miktarı gibi fiziksel parametreler kuyu başında ölçülmüştür. Majör anyon ve katyon değerleri ile ikincil birleşenler ACME Analiz laboratuvarında yapılmıştır. Analizler sonucunda Scholler, Piper, Gibbs, İyon Değişim, Durov, ABD Tuzluluk Laboratuvarı ve Wilcox Diyagramları ile sular değerlendirilmiştir. Analizler sonucunda bazı örneklerin kirlilik parametrelerinin izin verilen üst sınır değerlerin üzerinde olduğu belirlenmiştir. 
Yeraltısuyu akım modellemesi çalışmalarında Visual Modflow Flex 7.0 programı kullanılmıştır. Modelleme çalışması için jeolojik-hidrojeolojik veriler (kilin hidrolik iletkenliği 5x10-7 m/s, porozitesi 0.45, kumlu akiferin hidrolik iletkenliği 0.0001 m/s, porozitesi 0.35), hesaplanan yağış ve buharlaşma değerleri, akiferin beslenme miktarı, rasat kuyularındaki yeraltısuyu seviyeleri, işletme kuyularına ait debi miktarları girdi parametresi olarak kullanılmıştır. Sınır koşulları olarak sabit yük ve ayrıca akarsular programa tanımlanmıştır. Model alanında bulunan rasat kuyularından ölçülmüş olan yeraltısuyu seviye değerleri ve hidrolik yük değerleri kullanılarak modelin kalibrasyonu yapılmıştır. Model koşturulması sonucu sahada ölçülen ve modelde hesaplanan yeraltısuyu seviyesi değerleri arasındaki korelasyon katsayısı 0.9 olarak bulunmuştur. Ayrıca normalize kök kare ortalaması %5.29 olarak hesaplanmıştır. Toplamda 6 farklı senaryo daha oluşturulmuş, kuyulardan çekilen su miktarının %100 arttığı varsayılarak 10 yıl sonrası için oluşturulan senaryoda yeraltısuyu seviyesinin deniz seviyesinin altına düştüğü görülmektedir.

Abstract:
Ergene Basin is located both close to Istanbul and in a region such as Thrace Region where settlement and industrialisation are dense and of great economic importance. For this reason, there are various studies on many subjects in Ergene Basin such as the quality of water resources, industrial density and its effects, determination of the dimensions of environmental pollution, socio-economic structure and environmental layout plan. In recent years, hydrogeological studies have been conducted at the sub-basin level, and the Çorlu-Çerkezköy sub-basins have been the most studied areas where industrialization is intensive. In this study, the Lüleburgaz sub-basin, where industrialization and population are increasing, was also addressed. Within the scope of the study, current geological and hydrogeological studies were carried out in the Lüleburgaz sub-basin, surface and groundwater quantity and quality were examined, the relationship between surface and groundwater was evaluated, numerical modeling studies were conducted, and predictions were made regarding how groundwater levels in the basin would change in the future. For these purposes, field and laboratory studies were carried out for two periods, physico-chemical properties of a total of 26 water samples were evaluated, the water balance sheet of the basin was prepared, and also a numerical flow model was created to predict what kind of hazards await the basin in different scenarios.
The sub-basin under study covers an area of approximately 2150 km2 and is located roughly in the center of the Thrace Region. Morphologically, the basin has an average elevation of 50-100 m. in the region where the Ergene River flows. There are elevations close to 1000 m. towards the north of the basin. When the geology of the basin is analysed, the northern border is bounded by metamorphites and igneous rocks. Among these, Tekedere Group (Pzt) consists of biotite-chlorite gneisses and schists, Kırklareli Group includes gneisses and metagranites, Kocabayır Group comprises metasandstones, metasiltstones, and quartz-feldspathic schists, and Mahya Group is composed of phyllites and schists. Overlying these foundational units, the unconformably deposited İslambeyli Formation (Tei) consists of shales, sandstones, and siltstones, Soğucak Formation (Tes) is primarily composed of limestones, Pınarhisar Formation (Top) consists of sandstones, conglomerates, and occasional limestones, Süloğlu Formation (Tos) comprises shales, Ergene Formation (Tme) includes conglomerates, sandstones, siltstones, and claystones, Sinanlı Formation (Tms) is characterized by limestone with claystone interbeds, and Trakya Formation (Tnt) is made up of conglomerates, sandstones, and claystones in succession.
Precipitation data for the study area was obtained from the Turkish State Meteorological Service (MGM), with an average rainfall of 581.4 mm, while the average evaporation and transpiration, calculated using the Thortwaite method, was determined to be 436.4 mm. Flow data was acquired from the General Directorate of State Hydraulic Works (DSI), and the flow data calculated using the Soil Conservation Service Curve Number (SCS-CN) method was compared with actual flow data. As a result, the average annual precipitation in the Lüleburgaz Sub-Basin was estimated to be 1250 x 106 m3/year, while the average evaporation and transpiration was 938 x 106 m3/year. The remaining 312 x 106 m3/year (as measured by flow measurement station data with an average of 335 x 106 m3/year over the last 5 years) was measured as the total flow. The average surface runoff value calculated using the SCS-CN method was 157.6 x 106 m3/year, while it was found to be 135.8 x 106 m3/year from flow observation stations. Since the flow measurement station value is based on measured data, this value was taken as the reference. The remaining 176.2 x 106 m3/year was considered as groundwater recharge. The difference between total discharge and recharge for the study area is approximately only 9 x 106 m3/year. In recent years, the increase in illegal wells and groundwater extraction, along with an annual drop in groundwater levels ranging from 0.6 to 1.2 meters, has led to the apparent overuse of safe groundwater resources for an extended period.
A groundwater level map was created using data obtained from groundwater measurement wells in the study area. According to this map, the groundwater flow direction is observed to be from northeast to southwest in north of the Ergene River, and from southeast to northwest in south of the Ergene River.
Within the study area, a total of 1 spring, 3 rivers, and 22 well samples were collected during 2 periods (spring and autumn of 2017). Their analyses were conducted, and their suitability was assessed according to the permissible upper limit values specified by TSE-266 (2005) and WHO (2008) standards. Physical parameters such as pH, electrical conductivity, and dissolved oxygen levels were measured at the wellheads. Major anion and cation values along with secondary constituents were analyzed at the ACME Analysis Laboratory. Based on the analysis results, the waters were evaluated using Scholler, Piper, Gibbs, Ion Exchange, Durov, US Salinity Laboratory, and Wilcox Diagrams. As a result of the analyses, it was determined that some samples exceeded the permissible upper limit values for pollution parameters.
The Visual Modflow Flex 7.0 program was used in groundwater flow modeling studies. Geological-hydrogeological data (clay hydraulic conductivity 5x10-7 m/s, porosity 0.45; sandy aquifer hydraulic conductivity 0.0001 m/s, porosity 0.35, calculated precipitation and evaporation values, aquifer recharge rates, groundwater levels in monitoring wells, and discharge rates from production wells were used as input parameters for the modeling work. Initial head conditions and river boundaries were defined in the model. Calibration of the model was performed using groundwater level measurements and hydraulic head values obtained from monitoring wells within the model area. The correlation coefficient between the measured groundwater levels in the field and the calculated groundwater levels in the model was found to be 0.9. Additionally, the normalized root mean square error was calculated to be 5.29%. In total, 6 different scenarios were created, and in a model designed for 10 years into the future assuming a 100% increase in water extraction from the wells, it is observed that the groundwater level falls below the sea level.