Büyük orman yangını geçirmiş alanlarda yersel ölçüm ve serpinti radyonüklid yöntemleri (Berilyum-7 ve Sezyum-137) kullanılarak toprak erozyonu hızının belirlenmesi
Determination of erosion rate in wildfire areas using field measurement and fallout radionuclides (Beryllium-7 and Caesium-137) methods
Yazar: CİHAN YILDIZ
Danışman: PROF. DR. TOLGA GÖRÜM
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Katı Yer Bilimleri Ana Bilim Dalı / Jeodinamik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Coğrafya = Geography
Dizin: Toprak erozyonu = Soil erosion

Özet:
Büyük orman yangınları yol açtığı büyük ekonomik kayıpların ve kimi zaman da neden olduğu can kayıplarının yanı sıra doğal ekosistem üzerinde de önemli değişikliklerin ortaya çıkmasına yol açar. Orman yangınlarının flora ve fauna popülasyonundaki değişimler, toprak ve ana kaya özelliklerinin değişmesi, yüzeysel akış ve erozyon miktarındaki artışlar, heyelan ve moloz akmalarının artışı gibi doğrudan alanda yol açtığı değişimler ilk akla gelenlerdir. Ancak bunlara ek olarak orman yangınının gerçekleştiği alanın kaynaklık ettiği çevre alanlarda da sedimantasyon miktarında artış, su kalitesinde azalma gibi önemli ekolojik sorunların da tetikleyicisi olduğu bir gerçektir.   Ekstrem doğa olaylarının neden olduğu değişimlerin geçmiş jeolojik dönemlerde belirli periyotlarda gerçekleştiği ve doğanın bu tür değişimlerin etkilerine uyum sağlama eğiliminde olduğu bilimsel bir gerçeklik olsa da günümüzde meydana gelen doğal olayların hem ortaya çıkışında hem de etkileriyle mücadele edilmesinde insan etkisinin çok önemli bir paya sahip olduğu da yadsınamaz bir gerçekliktir. Bu bağlamda yoğun nüfus baskısıyla karşı karşıya kalan orman alanlarının çevresinde özellikle Akdeniz iklim bölgesinde küresel ısınmanın yol açtığı uzun ve daha kurak yaz döneminde gerçekleşen orman yangınları geniş alanları etkilemektedir. Gerek yangın sırasında yangın şiddetinin etkisiyle toprak özelliklerinin değişmesine bağlı olarak gerekse yangın sonrasında yangına maruz kalan arazideki hâlâ ekonomik değere sahip olan ağaçların kesilmesi, taşınması ve arazinin yeniden ağaçlandırılmasına yönelik ilgili merciler tarafından uygulanan ağaçlandırma ve diğer silvikültür çalışmaları sonucunda arazinin tekrar yangın öncesindeki şartlara ulaşması onlarca yılı alabilmektedir. 
Bu çalışmada Türkiye'nin güneybatı kıyısında Akdeniz iklimi etkisindeki Güneybatı Toroslar'da yer alan Göcek'in kuzeyinde 10 Temmuz 2019 tarihinde meydana gelen orman yangını ile Antalya İli, Kumluca ilçesi, Adrasan kuzeyinde 24-29 Haziran 2016'da toplam 15 km2 ormanlık alanda etkili olan orman yangınından sonra arazide meydana gelen değişimlerin erozyon hızına etkileri Türkiye'de ilk defa serpinti radyonüklidleri yönteminden yararlanılarak tespit edilmiştir. Çalışmada bu yöntemin dışında yangın alanındaki jeomorfik özellikler ile yangın şiddeti arasındaki ilişkileri ortaya koymak amacıyla  İHA (İnsansız Hava Aracı) kullanılmıştır. Ayrıca doğrudan arazi ölçümlerine dayalı olarak yersel ölçüm yöntemleri kullanılmıştır. Bunlara ek olarak, kullanılan farklı yöntemler arasındaki validasyonun da sağlanması açısından yersel LİDAR ölçümünden de yararlanılarak yüksek çözünürlüğe sahip nokta bulutlarından elde edilen verilerle de diğer yöntemlerden elde edilen sonuçların desteklenmesi amaçlanmıştır. Ayrıca ülkemizde yürürlükte olan mevzuatlar gereği orman yangınları sonrasında yanan arazilerin kısa sürede yanmış ağaçlardan temizlenmesini kapsayan boşaltma kesimi (ing. salvage logging) yoluyla arazinin doğal yapısının büyük ölçüde zarar görmesinin yol açtığı antropojenik tahribatın bitki örtüsünün yenilenme hızı üzerindeki etkisi, Antalya ili Alanya ilçesi Sapadere mevkiinde 30 Haziran-2 Temmuz 2017 tarihleri arasında yangına maruz kalan 20.7 km2'lik alana ait Spot uydu görüntüleri kullanılarak NDVI analizi ile ortaya koyulmuştur.
Çalışmada serpinti radyonüklidleri yönteminin, sarp arazi koşullarında örnek alınmasının zorluğu dışında orman yangını geçirmiş arazilerde erozyon hızının tespiti açısından elverişli sonuçlar verdiği görülmüştür. Son yıllarda kullanımı ve teknolojisi hızlı bir şekilde artan İHA tabanlı ölçüm ve analiz teknolojilerinin erişilmesi güç alanlarda ve özellikle de dönemsel değişimlerin incelendiği çalışmalarda başarılı sonuçlara ulaşılmasını sağladığı görülmüştür. Yersel ölçüm yöntemlerinden istenilen sonucun alınabilmesinin ise kurulan düzeneklerin dış etkilerden azami ölçüde korunabilmesine bağlı olduğu ve ülkemizde orman yangını sonrasında uygulanan restorasyon çalışmalarında başvurulan yöntemler göz önüne alındığında yersel ölçüm yöntemlerinden sonuç almanın ülkemiz şartlarında oldukça zor olduğu tecrübe edilmiştir. 
 Çalışma sonucunda, 2 yıl boyunca gerçekleştirilen arazi çalışmaları ve kullanılan metodlar ile gelecekte daha pratik ve hızlı sonuç verebilecek bir yöntem olarak serpinti radyonüklidlerinin orman yangını geçirmiş arazilerde meydana gelen erozyonun ölçülmesinde etkili bir yöntem olduğu ortaya koyulmuştur. Ayrıca İstanbul Teknik Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Birimi'nin (Proje No: 41755) ve TÜBİTAK-2232 Uluslararası Lider Araştırmacılar Programı (Proje No: 118C329) desteği ile geliştirilen bu çalışma, ülkemizde henüz yaygınlaşmamış olan orman yangını geçirmiş arazilerde serpinti radyonüklidleri ile erozyon hızının tespit edilmesine yönelik çalışmalar için öncülük etmesinin yanı sıra çok yüksek çözünürlüklü topoğrafik modelleme ile alansal, hacimsel hesaplama çalışmalarının da entegre edilmesiyle bu alandaki çalışmalara ivme kazandırılabilecek ve farklı disiplinlerden araştırmacıları da bir araya getirebilecek bir çalışma olmuştur. Gerçekleştirilen çalışma ile orman yangını geçirmiş arazilerde meydana gelebilecek; erozyon, birikim, moloz akmaları ve heyelan gibi zamansal değişimlerin bölgesel etkilerinin incelenebileceği ve bu tür olayların yol açabileceği tehlikelerin öngörülebileceği ortaya koyulmuştur. Çalışmada özellikle yangın sonrasında yapılan boşaltma kesimleri ve takip eden iyileştirme çalışmalarının yangın sonrası gelişebilecek moloz akma tehlikesini neredeyse beş katı bir hızda artırdığı ve bitki örtüsünün doğal yenilenme süresini de olumsuz etkilediği sonucuna ulaşılmıştır.

Abstract:
In addition to the huge economic losses and sometimes loss of life caused by large wildfires, they also lead to significant changes in the natural ecosystem. Changes in flora and fauna populations, changes in soil and bedrock properties, increases in runoff and erosion, landslides and debris flows are the first things that come to mind. However, in addition to these, it is a fact that wildfires also trigger important ecological problems such as increased sedimentation and decreased water quality in the surrounding areas where the wildfire occurs. Although it is a scientific reality that the changes caused by extreme natural events have occurred in certain periods in past geological periods and that nature tends to adapt to the effects of such changes, it is also an undeniable reality that human influence has a very important share in both the emergence and combating the effects of natural events that occur today. In this context, wildfires affect large areas around forest areas that face intense population pressure, especially in the Mediterranean climate zone during the long and drier summer period caused by global warming. It may take decades for the land to return to pre-fire conditions, due to changes in soil properties caused by the effect of fire intensity during and after the fire, as well as the cutting and transportation of trees that still have economic value in the fire-affected land, and the afforestation and other silvicultural works carried out by the relevant authorities for land reforestation.
Chapter 1 of this thesis focused on the theoretical and conceptual framework regarding wildfire. In this context, the geological history of wildfires is briefly mentioned and attention is drawn to the fires in the Mediterranean basin and the expected increases in the number of these fires due to global warming. Geomorphic effects that occur as a result of the loss of vegetation and changes in the physical-chemical properties of the soil after the forest fire, leading to accelerated erosion by increasing surface runoff, were examined. In addition, debris flows, landslides, etc. that may occur in these lands after a forest fire. The fact that natural disasters make these areas critical areas is discussed. It was emphasized that it is necessary to examine the erosion processes in these areas with reliable methods in order to follow the changes occurring in the critical zone in detail. Chapter 2 focuses on the location and boundaries of the research areas, as well as their climate, vegetation, soil and geological characteristics. Chapter 3 discusses the methodology and design of this study. In this context, terrestrial measurement methods, fallout radionuclides method, photogrammetry methods and analyzes used in the laboratory stage are emphasized. In Chapter 4, the effects of land morphological features on erosion are discussed specifically in the Dalaman-Göcek study area. In the rest of this section, the findings obtained from the methods applied in the study are discussed. In Chapter 5, the results obtained as a result of the study are discussed separately on the basis of the applied methods, and then evaluated as a whole and the difficulties encountered within the scope of this research are stated in order to benefit similar studies that can be conducted in the future. This section also focuses on possible suggestions for future studies on the subject.

In this study, the effects of the changes in the landscape after the forest fire that occurred on July 10, 2019 in the north of Göcek, which is located in the Southwest Taurus Mountains in the Mediterranean climate on the southwest coast of Turkey, and the forest fire that occurred on June 24-29, 2016 in the north of Adrasan in Kumluca district of Antalya province, which was effective in a total of 15 km2 forest area, on the erosion rate were determined by using the fallout radionuclides method for the first time in Turkey. In addition to this method, UAV (Unmanned Aerial Vehicle) was used to reveal the relationships between geomorphic features in the fire area and fire severity. In addition, ground measurement methods based on direct field measurements were used. In addition to these, in order to ensure validation between the different methods used, it was aimed to support the results obtained from other methods with data obtained from point clouds with high resolution by utilizing terrestrial LIDAR measurement. In addition, the effect of anthropogenic damage caused by the destruction of the natural structure of the land through salvage logging, which involves clearing the burned lands from burnt trees in a short time after forest fires in accordance with the legislation in force in our country, on the regeneration rate of vegetation cover was revealed by NDVI analysis using Spot satellite images of  20.7 km2 area exposed to fire between June 30 and July 2, 2017 in Sapadere district of Alanya district of Antalya province.
As a result of the study, it was seen that fallout radionuclides, apart from the difficulty of sampling in steep landscape conditions, provide favorable results in terms of determining the erosion rate in forest fire-affected areas. It has been observed that UAV-based measurement and analysis technologies, which have rapidly increased in use and technology in recent years, provide successful results in hard-to-reach areas and especially in studies examining periodic changes. It has been experienced that obtaining the desired results from ground-based measurement methods depends on the maximum protection of the established devices from external influences, and considering the methods used in post-wildfire managements applied in our country, it is very difficult to obtain results from ground-based measurement methods under the conditions of our country.
As a result of the study, it was revealed that fallout radionuclides are an effective method for measuring erosion in forest fire affected areas as a method that can provide more practical and faster results in the future with the field studies carried out for 2 years and the methods used. In addition, with the support of Istanbul Technical University Scientific Research Projects Unit (Project No: 41755) and TUBITAK-2232 International Leading Researchers Program (Project No: 118C329), this study, has been a pioneering study for studies on the determination of erosion rate with fallout radionuclides in forest fire-affected areas, which have not yet become widespread in our country, as well as a study that can accelerate the studies in this field by integrating very high resolution topographic modeling and areal and volumetric calculation studies and bringing together researchers from different disciplines. The study demonstrated that the regional effects of temporal changes such as erosion, deposition, debris flows and landslides that may occur in areas that have experienced forest fires can be examined and the hazards that such events may cause can be predicted. In particular, the study concluded that post-fire clear-cutting and subsequent remediation efforts increase the risk of debris flow almost five times faster and negatively affect the natural regeneration period of vegetation. Regarding future studies on the subject, it is worth noting that leaving at least some parts of the areas exposed to forest fires to their natural state would be a more accurate approach than current practices. Only with such an approach will it be possible to effectively investigate critical zone processes such as geomorphic, pedological, water quality and plant regeneration that occur after fire in these environments, through interdisciplinary studies.