Havza ölçeğinde tarımsal su kullanımının hidrolojik model tabanlı su ayak izi metodu ile tespit ve optimize edilmesi
Determination and optimization of agricultural water use at basin scale by hydrological model based water footprint method
Yazar: MUHAMMED SUNGUR DEMİR
Danışman: DOÇ. DR. ABDULLAH MURATOĞLU
Batman Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Bütünleşik su kaynakları yönetimi = Integrated water resource management

Özet:
Geçtiğimiz yüzyıl boyunca küresel ve bölgesel su stresi problemleri artış göstermiştir. Bu problemin önemli nedenleri arasında küresel ısınma, iklim değişikliği, nüfus artışı gibi faktörler yer almaktadır. Bununla birlikte, küresel su tahsisinin %80'inden fazlasını kullanan tarım sektörü, artan su kıtlığının en önemli sebebi olarak öne çıkmaktadır. Bu nedenle, son yıllarda araştırmacılar, tarımda su tüketimini azaltmaya yönelik çalışmalara odaklanmıştır. Özellikle 21. yüzyılın başlarında geliştirilen su ayak izi (SA) konsepti, tarımsal üretimin su kaynakları üzerindeki etkilerinin detaylı bir şekilde incelenmesine ve su tüketimini azaltmaya yönelik stratejilerin analizine olanak tanımaktadır.
Ceyhan Havzası, ülkemizin üç farklı iklim bölgesinin kesişiminde yer aldığı için yüksek iklim ve mahsul çeşitliliğine sahip önemli bir tarım bölgesidir. Bu nedenle, havzadaki tarımsal su kullanımı oldukça fazladır. Bu çalışmanın temel amacı, Ceyhan Havzası'nda yetiştirilen tarımsal ürünlerin hidrolojik model tabanlı detaylı SA analizlerini gerçekleştirmek ve mevcut ürün desenini optimize ederek tarımsal su kullanımını azaltmaya yönelik tedbirler sunmaktır. Bu bağlamda, mevcut çalışma üç temel aşamada gerçekleştirilmiştir. İlk aşamada, 2011-2021 yılları arasındaki iklim verileri kullanılarak SWAT modeli ile havzanın hidrolojik modeli oluşturulmuştur. İkinci aşamada, tarımsal yönetim uygulamaları SWAT modeline işlenmiş ve incelenen ürünlerin mavi, yeşil ve gri SA miktarları belirlenerek haritalandırılmıştır. Son aşamada, çok amaçlı optimizasyon yöntemi kullanılarak havzadaki ürün deseni, mavi ve toplam SA parametreleri üzerinden optimize edilmiştir. Bu çalışma, literatürdeki diğer araştırmalardan temel olarak üç yönden farklılık göstermektedir. i) literatürdeki SA çalışmaları çoğunlukla ampirik yöntemlerle gerçekleştirilmişken, mevcut çalışmada hidrolojik model tabanlı SA analizleri yapılarak yüksek mekânsal ve zamansal çözünürlüklü sonuçlar elde edilmiştir. Bu sayede ürün deseni önerileri net bir şekilde haritalandırılabilmiştir. ii) Önceki çalışmalarda ürün deseni ayarlamaları genellikle mahsul odaklı gerçekleştirilmişken, bu çalışmada su yönetimi odaklı ürün deseni optimizasyonu yapılmıştır. iii) SA konseptinde en önemli bileşen olan mavi SA, amaç fonksiyonunda ağırlıklandırılarak çeşitli senaryolar altında optimum ürün deseni haritaları oluşturulmuş ve havzaya en uygun çözüm araştırılmıştır. 
Bu çalışmanın temel bulgularına göre, mevcut durumda bütün ürünlerde genel olarak mavi su ayak izinin havzanın kuzey kesimine, yeşil su ayak izinin ise havzanın güneyine doğru arttığı tespit edilmiştir.  Öte yandan, ürün deseni optimizasyonu ile toplam su ayak izinde %23.4 (614 milyon m3) oranında bir düşüş; mavi su ayak izinde ise %47.9'luk (464 milyon m3) bir azalma potansiyeli ortaya konmuştur. Buna göre, sadece Ceyhan Havzası'nda ürün deseni optimizasyonu ile su kaynakları üzerindeki insani müdahale değişmeksizin 480 bin ton ek buğday üretimi yapılabileceği ve yıllık yaklaşık 5.6 milyon kişiye yetecek kadar tatlı su tasarrufunun sağlanabileceği tespit edilmiştir. Bu çalışmanın tarımsal üretimde su tüketiminin azaltılmasına yönelik sunduğu çözüm önerilerinin, ülkemizdeki su yönetimi çalışmalarına katkı sağlaması beklenmekte olup gelecekte ekonomik analizler ile birlikte bölgenin sulama alt yapısı ve çiftçi alışkanlıkları gibi parametrelerin değerlendirilerek, ürün deseni önerilerinin uygulanabilirliğini artırmaya yönelik araştırmaların yapılabileceği düşünülmektedir.

Abstract:
Over the past century, global and regional water stress problems have increased. Significant causes of this problem include factors such as global warming, climate change, and population growth. Additionally, the agricultural sector, which consumes more than 80% of global water allocation, stands out as the most critical reason for the increasing water scarcity. Consequently, in recent years, researchers have focused on studies to reduce water consumption in agriculture. Specifically, the water footprint (WF) concept, developed in the early 21st century, enables a detailed examination of the impacts of agricultural production on water resources and the analysis of strategies to reduce water consumption.
The Ceyhan Basin, located at the intersection of three different climate zones in Turkey, is a significant agricultural region with high climate and crop diversity. Therefore, agricultural water use in the basin is quite high. The primary aim of this study is to conduct detailed WF analyses of agricultural products grown in the Ceyhan Basin based on a hydrological model and to propose measures to reduce agricultural water use by optimizing the current crop pattern. In this context, the present study was conducted in three main stages. In the first stage, the basin's hydrological model was created using the SWAT model with climate data from 2011-2021. In the second stage, agricultural management practices were processed into the SWAT model, and the blue, green, and grey WF amounts of the examined products were determined and mapped. In the final stage, a multi-objective optimization method was used to optimize the crop pattern in the basin based on blue and total WF parameters.
This study differs fundamentally from other research in the literature in three main ways: i) while WF studies in the literature have mainly been carried out using empirical methods, the present study achieved high spatial and temporal resolution results through hydrological model-based WF analyses, allowing for clear mapping of crop pattern recommendations; ii) previous studies typically focused on crop-centric adjustments, whereas this study conducted water management-focused crop pattern optimization; iii) the blue WF, the most critical component in the WF concept, was weighted in the objective function, creating optimal crop pattern maps under various scenarios to find the best solution for the basin.
According to the main findings of this study, the current general trend shows an increase in the blue WF towards the northern part of the basin and an increase in the green WF towards the southern part. On the other hand, with crop pattern optimization, a potential reduction of 23.4% (614 million m³) in the total WF and a 47.9% (464 million m³) decrease in the blue WF was demonstrated. Accordingly, it was found that by optimizing the crop pattern in the Ceyhan Basin alone, an additional 480,000 tons of wheat could be produced without changing human intervention on water resources, and approximately 5.6 million people could be supplied with enough freshwater annually. The solution proposals offered by this study to reduce water consumption in agricultural production are expected to contribute to water management studies in Turkey, and future research evaluating parameters such as the region's irrigation infrastructure and farmer habits, along with economic analyses, is anticipated to increase the applicability of crop pattern recommendations.