İklim değişikliğinin İstanbul'un yüzeysel su kaynaklarına etkisi ve kuraklık dirençli bütünleşik su yönetimi
Climate change impacts on the surface water resources of Istanbul and drought resilient water management
Yazar: GÖKHAN CÜCELOĞLU
Danışman: PROF. DR. İZZET ÖZTÜRK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Çevre Bilimleri ve Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Ekonomik gelişmeler ile birlikte artan nüfus ve bununla birlikte iklim değişikliği tatlı su kaynakları üzerindeki baskıyı ve su kaynaklarına erişimdeki rekabeti her geçen gün artırmakta olup bu durumun gelecekte küresel ölçekte su krizlerine yol açması beklenmektedir. Hükümetlerarası İklim değişikliği Paneli'nin beşinci değerlendirme raporun farklı emisyon senaryoları için çalıştırılan küresel iklim modeli çıktıları Akdeniz Havzası'nda yirmi birinci yüzyıl sonlarına doğru sıcaklık artışları ile birlikte yağışlarda önemli ölçüde azalmalar görüleceğini vurgulamaktadır. Türkiye'nin de içerisinde yer aldığı Akdeniz Havzası'nın gelecekte küresel iklim değişikliğinden en fazla etkilenecek en kırılgan bölgelerden biri olacağı beklenmektedir. Yağış ve sıcaklıklardaki değişmelere paralel olarak, kişi başına düşen kullanılabilir su potansiyeli açısından hali hazırda su sıkıntısı çeken ülkeler arasında yer alan Türkiye'nin su kaynaklarının bu değişimlerden olumsuz yönde etkileneceği öngörülmektedir.
Dünya genelinde ve Türkiye'de içme-kullanma amaçlı su tüketimi miktarı toplam tüketim içerisinde görece düşük bir yüzdeye sahip olmasına karşın başta büyük şehirler olmak üzere içme-kullanma suyu ihtiyacı çoğunlukla yüzeysel su kaynaklarından temin edilmektedir. İklim elemanlarının zamansal ve mekânsal ölçekteki değişimleri, şehirlerdeki hızlı nüfus ve su tüketim miktarı artışı ile birlikte arazi kullanımındaki değişimler içme-kullanma suyu ihtiyacın yüzeysel su kaynaklarından karşılanmasında güçlüklere neden olmaktadır. İklim koşullarındaki değişikliklerden doğrudan etkilenecek olan yüzeysel su kaynaklarını etkileyen hidroklimatik ve insan kaynaklı süreçleri dikkate alan dinamik yaklaşımlarla risk yönetiminin yapılması büyük önem taşımaktadır.
İstanbul kayıtlı 15 milyon nüfusu ile Avrupa'nın en büyük şehri olmakla birlikte dünyanın en kalabalık şehirleri arasında yer almaktadır. Şehrin yaklaşık 3 milyon m3/gün olan ham su ihtiyacının neredeyse tamamı İstanbul ve civarında yer alan yüzeysel su kaynaklarından temin edilmektedir. İstanbul'un su ihtiyaçlarının güvenilir bir şekilde sağlanması ve olası kriz dönemlerinde karşılaşılabilecek risklerin en az seviyede tutulması önem taşımaktadır. Bu nedenle su kaynaklarının mevcut ve gelecekteki potansiyelinin matematiksel modeller aracılığı ile ortaya koyulması, su miktarının hem mekânsal hem de zamansal dağılımının iyi bilinmesi ve bunların şehrin gelecekteki su ihtiyaçları ile birlikte ele alınarak kapsamlı bir şekilde değerlendirilmesi gereklidir.
Bu çalışmanın amacı İstanbul'un yüzeysel su kaynaklarının potansiyelini matematiksel modeller ile ortaya koymak, iklim değişikliğinin mevcut su kaynaklarına olası etkilerini araştırmak ve su temin sistemini su arz ve talepleri ile birlikte iklim değişikliği senaryoları altında incelemektir. Bu çalışma ayrıca İstanbul'un su kaynakları sisteminin etkin yönetimine yardımcı olabilecek, gelecekte yapılacak planlama ve risk yönetimi çalışmalarına yönelik modelleme altyapısının oluşturulması amacını da taşımaktadır.
Bu kapsamda İstanbul'a içme-kullanma suyu temini amacı ile kullanılan havzaların su bütçesi bileşenleri hidrolojik proses modeli yardımı ile ortaya koyulmuştur. Hem referans dönem hem de gelecek yıllara ait su bütçesi ve akarsu debi tahminlerinde hidrolojik proses modeli olarak Soil and Water Assesment Tool (SWAT) modeli kullanılmıştır. Modelin kurulumunda küresel ve ücretsiz olarak elde edilebilen veri setlerinden yararlanılmıştır. Çalışma bölgesi için kurulan SWAT modeli, otomatik kalibrasyon ve belirsizlik analiz programı olan SWAT-CUP programı ile kalibre edilmiş, model kalibrasyonu ve belirsizlik analizi için program içerisinde yer alan SUFI2 algoritması kullanılmıştır. Model kalibrasyonunda çalışma bölgesi içerisinde yer alan ve Devlet Su İşleri (DSİ) tarafından işletilen 25 farklı akım gözlem istasyonuna ait akım rasatları kullanılmıştır. İklim değişikliğinin su kaynaklarına etkisinin araştırılmasında ihtiyaç duyulan yağış ve sıcaklık gibi iklim elemanları için küresel iklim modeli (GCM) çıktılarından yararlanılmıştır. Bu kapsamda GFDL-ESM2M, HadGEM2-ES, IPSL-CM5A-LR, MIROC ve NoerESM1-M olmak üzere beş farklı küresel iklim modelinin RCP 4.5 ve RCP 8.5 senaryolarına ait çıktıları istatiksel ölçek küçültme yöntemi ile çalışma bölgesine uyarlanarak değerlendirilmiştir. SWAT modeli referans dönem için 1977-2013 yılları için çalıştırılmış, iklim değişikliği projeksiyonları ise 2020-2099 yılları için gerçekleştirilmiştir. İstanbul'a içme-kullanma suyu temini amacı ile kullanılan rezervuarların su bütçelerine ilişkin simülasyonlar için Water Evaluation and Planning (WEAP) modeli kullanılmış. WEAP modeli, hidrolojik proses modelinden elde edilen su bütçesi bileşenleri, şehrin gelecekteki su ihtiyaçları ile birlikte rezervuarların fiziksel ve işletme verileri ile kurularak sistemin gelecekteki durumu ortaya koyulmuştur. Rezervuarlardaki su bütçesi simülasyonları 2020-2053 yılları için gerçekleştirilmiştir.
Hidrolojik proses modeli çıktılarına göre Melen Havzası ile birlikte İstanbul'un 1980-2013 referans dönemi için toplam mavi su potansiyeli 3.5 m3/yıl, yeşil su akışı 2.9 m3/yıl ve yeşil su deposu 0.9 milyar m3/yıl olarak belirlenmiştir. Şehrin yüzeysel akışa geçen ve dolayısıyla baraj göllerini besleyen toplam su potansiyelinin %75'ini (~2.6 milyar m3/yıl) Asya bölgesinde yer alan su kaynakları oluşturmaktadır. Melen Havzası yıllık 1.5 milyar m3'lük su potansiyeli ile sistemin yaklaşık %45'lik kısmını oluşturmaktadır ve İstanbul için önemli bir su kaynağı konumundadır. 
Beş farklı küresel iklim modeli ve iki farklı senaryo için yapılan gelecek dönem projeksiyonlarına ilişkin sonuçlar iklim modellerinin toplu değerlendirilerek sunulmuştur. Buna göre İstanbul'un mavi su potansiyeli RCP 4.5 senaryosuna göre yakın dönemde (2020-2050) %2, uzak dönemde (2070-2099) ise %12 mertebelerinde ve RCP 8.5 senaryosuna göre yakın dönemde (2020-2050) %12, uzak dönemde (2070-2099) ise %28 mertebelerinde azalacağı öngörülmektedir. 
Modelleme çalışmalarında İstanbul'a içme suyu temin edilen baraj göllerine ulaşan toplam akım değerinin referans dönem için ortalama değeri 108 m3/s olarak hesaplanmış, iklim projeksiyonlarına göre yakın dönemde her iki senaryo için benzer azalma miktarı elde edilmiş, (RCP 4.5 için %12 azalma ve RCP 8.5 için %15 azalma) uzak döneme ait sonuçlarda ise RCP 4.5 senaryosuna göre baraj göllerine ulaşan toplam akış miktarı %19 oranında azalırken, bu azalmanın RCP 8.5 senaryosuna göre %30 civarında olacağı öngörülmüştür.
Modelleme çalışmaları ve gözlem sonuçları değerlendirilerek hidrolojik kuraklığın etkisinin hissedilmeye başlandığı referans dönem değeri 90 m3/s olarak belirlenmiş, RCP 4.5 ve RCP 8.5 senaryoları için yapılan projeksiyonlarda sistemde 2050'li yılların sonuna kadar bu eşik değerin görülme sıklığı ve şiddetinde önemli bir değişiklik görülmemiştir. 2060'ların başından itibaren ise belirlenen hidrolojik kuraklık eşik değerinin görülme sıklığı ve şiddetinde önemli ölçüde artışlar görülmekte olup aynı zamanda su eksikliğinin görüldüğü ardışık yılların sayısının da artması beklenmektedir.
Su bütçesi simülasyonları Melen Baraj'ının devreye alınmaması yalnızca regülatörden su transferinin gerçekleşmesi durumunda İstanbul'un içme-kullanma su ihtiyacının karşılanmasında 2030'ların başından itibaren güçlüklerin olabileceğini göstermektedir. Melen Baraj'ının tamamlanması ile birlikte toplam su depolama kapasitesi önemli ölçüde artan su temini sistemi 2070 yılına kadar şehrin su ihtiyaçlarını karşılayabilecek potansiyele ulaşmaktadır.
Dinamik modelleme yaklaşımları su kaynakları sistemlerinin değerlendirilmesinde, havza yönetim ve planlamalarında kullanılan en etkin araçlardan biridir. Bu çalışma kapsamında geliştirilen su kaynakları modelleme altyapısı İstanbul'un su kaynakları sisteminin mevcut durumunun analizinin yapılmasına olanak sağlamış, aynı zamanda iklim değişiminin olası etkilerinin incelenmesine yardımcı olmuştur. Bu altyapı diğer su kaynakları sistemlerinin değerlendirilmesinde farklı amaçlara göre zenginleştirilerek uygulanabilir.

Abstract:
Along with climate change, the steady growth in population due to the economic improvements, have exacerbated the pressures on freshwater resources. Numerous studies explored that these factors will increase the competition in reaching available water resources and might lead the global water scarcity crisis. According to the fifth assessment report of the International Climate Change Panel, based on the results of global circulation model's outputs for different emission scenarios, Mediterranean region has emerged as one of the most prominent hot-spots. Large decrease in mean precipitation and an increase in temperatures is expected in this region throughout the 21st century. Turkey which is located in the Mediterranean region can be classified as a water-stressed country in terms of available freshwater potential per capita. These changes in precipitation and temperature pattern might have a serious impact on the water resources of Turkey.
Surface freshwater resources are the most readily available resources to provide the water demand of water users such as agriculture, industry, and municipalities around the world as well as in Turkey. However, household water usage composes relatively low percentages of the overall water use among these sectors, significant majority of this demand is supplied from the surface water resources especially for the big cities. Water supply systems of these megacities are facing serious challenges resulting from changes in both spatial and temporal structure of the hydroclimatic parameters, a rapid increase in population and water consumption as well as land use alterations. It is essential to integrate hydroclimatic variability with various user demands for climate risk management in water supply systems.
Istanbul with 15 million population, is not only the largest city of Turkey and Europe but also among the world most populated megacities. Its daily water demand (~3 million m3) is mainly provided from the surface water resources located in the neighboring districts. It is critically important for the public authority to supply sufficient water for meeting the user demands reliably. To mitigate the risk and impact of the climate change during the possible water-scarce periods. Thus, using mathematical models to predicting current and future water availability and their spatial and temporal distributions, including water demand projections is necessary.
The overall objective of the current study is to reveal water budget of the surface water resources of Istanbul and investigate possible impacts of the climate change on these resources under different climate scenarios considering the city's future water demand.  This study also aims to build a model framework that can help water resources managers in dealing with climate risk management and using planning studies regarding water supply systems.
In this context, water budget components of the water resources of Istanbul is estimated by using a physically based hydrological process model. For this purpose, the Soil and Water Assessment Tool (SWAT) was used to predict water potential and streamflow in watersheds used for water supply. Required data for SWAT model setup were compiled from freely available global datasets. The SWAT-CUP program, which is the automatic calibration and uncertainty analysis program developed for SWAT model, was used for calibration/validation of the model with uncertainty analysis using the Sequential Uncertanity Fitting (SUFI2) algorithm. Model calibration is conducted by using 25 gauge stations which are operated by State Hydraulic Works (DSI) in the study area. To investigate impacts of climate change, five Global Circulation Models (GCMs) (GFDL-ESM2M, HadGEM2-ES, IPSL-CM5A-LR, MIROC ve NoerESM1-M) outputs were selected. These GCMs outputs were statistically downscaled under two different representative concentration pathway scenarios (RCP4.5 and RCP8.5) over the study area. Based on the available data SWAT model was run between 1977 and 2013 as the reference period. For future climate projections, hydrological processs model simulation period was chosen as 2020-2099. Water Evaluation and Planning (WEAP) model is used for the simulations related to the water budget of reservoirs. Required input for the WEAP model setup compiled by output of the hydrological process model, future water demands of the city along with physical and operational data of the reservoirs. Water budget simulations conducted for the period of 2020-2053.
The results revealed that the annual blue-water potential of Istanbul is 3.5 billion m3, whereas the green-water flow and storage are 2.9 billion m3 and 0.7 billion m3, respectively. Watersheds located on the Asian side of the megacity Istanbul yield more blue-water resources compared to the European side and constitute 75% of the total potential water resources.  Melen Watershed has the highest water potential with 1.5 billion m3/year, it constitutes 45% of the total water resources of Istanbul so that this resource plays an essential role for the water supply system of the city.
In this study, to characterize uncertainties in the future climate and express the confidence of the impact assessment results, simulation results given as ensembles of the climate models and scenarios. Overall results showed that blue water potential of Istanbul will decrease by 2% according to the RCP 4.5 scenario for the near future (2020-2049) and 12% for far future (2070-2099). Based on the RCP 8.5 scenarios model results yield 12% and 28% decrease for near (2020-2049) and far (2070-2099) future, respectively.
The average annual inflow volume into reservoirs from all watersheds was estimated as 108 m3/s. During the near future (2020-2049), the average annual inflow volume is expected to decrease based on the ensemble results of all the climate projections. RCP 4.5 and RCP 8.5 simulations in the near future projected to have a decrease as compared to the historical period 12% and 15%, respectively. For the late century (2070-2099), the average annual inflow volumes corresponding to the ensemble climate projections are predicted to decrease by 12% for RCP 4.5 and 15% for RCP 8.5 simulations.
Based on the past events of severe drought periods in the system and considering annual precipitation data as well as the model simulation results, the threshold for the hydrological droughts during 1980-2013 was chosen as 90 m3/s. This threshold was used to evaluate the time of occurrence, intensity, and duration for climate projections. Outputs showed that during the early century, similar characteristics are expected for both RCP 4.5 and RCP 8.5 scenarios. However, starting from 2060s climate change projections showed a drastic increase in time of occurrence, intensity as well as the duration of the drought events for both representative concentration pathways.
Simulation of the multiple reservoirs in İstanbul water supply system showed that Melen Reservoir will play an essential role to supply water in the future. Scenario results without Melen Reservoir revealed water shortages especially in summer months in the system starting from the 2030s. With the operation of Melen Reservoir, the water supply system will be sufficient to meet various demands of the İstanbul by 2070. 
Dynamic modeling of water resources system is one of the key elements in watershed management and planning studies. The model framework developed in this study was applied to the water resources and supply system of İstanbul successfully. This approach was used to analyze the current situation and to investigate the climate change impacts on the water supply system. This methodology can also be used for other water supply systems depending on various goals.