Mudurnu çayı havzasında SWAT modeli uygulaması ve iklim değişikliği etkilerinin değerlendirilmesi
SWAT model implementation and evaluation of climate change effects in the Mudurnu river basin
Yazar: ABDULKADİR BAYCAN
Danışman: DOÇ. DR. OSMAN SÖNMEZ
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Hidrolik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering ; İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
İklim değişikliği tüm dünyada hidrolojik döngü ve insani yaşam kaynakları üzerinde menfi ve müspet etkileri olan aşırı hidrolojik olaylara neden olmaktadır. Küresel ısınmadaki artış eğilimi, tüm dünyada yağış miktarını etkileyecek olan yüzey suyunun ve toprak neminin buharlaşma hızını maksimuma çıkartmaktadır. Hidrolojik döngüdeki bu tür değişiklikler, hem yüzey hem de yer altı suyunun akışını ve mevcudiyetini ve nihayetinde de nehir akışını etkileyecektir. Bu çalışma kapsamında, Sakarya, Düzce ve Bolu illerinde yer alan Mudurnu Çayı Havzası'nda SWAT (Soil and Water Assessment Tool) hidrolojik modeli ile analiz yapılarak havzadaki iklim değişikliği etkileri değerlendirilmiştir. Hidrolojik model sonuçları ile gözlem verilerinin uyumluluğunu arttırarak güvenilir sonuçlar elde etmek için SWAT-CUP (SWAT Calibration and Uncertainty Programs) programı SUFI-2 (Sequential Uncertainty Fitting) algoritması ile kalibrasyon ve validasyon işlemi yapılmıştır. Model performans kriteri olarak Determinasyon Katsayısı (R²), Nash-Sutcliffe Verimliliği (NSE), Yanlılık Yüzdesi (PBIAS), Kök Ortalama Kare Hatasının Gözlem Verilerinin Standart Sapmasına Oranı (RSR), p-faktörü ve r-faktörü kullanılmıştır. Havzada bulunan üç adet AGİ'ye göre yapılan kalibrasyon işlemi sonucu performans skor ve dereceleri olarak Dokurcun AGİ için; R²=0.87, NSE=0.87, PBIAS=3.7, RSR=0.37 ve "çok iyi", Gebeş AGİ için; R²=0.91, NSE=0.91, PBIAS=-4.0, RSR=0.30 ve "çok iyi", Yağbasan AGİ için; R²=0.80, NSE=0.80, PBIAS=-2.5, RSR=0.45 "iyi" ve "çok iyi" sonuçları elde edilmiştir. Validasyon işlemi sonucunda ise Dokurcun AGİ için; R²=0.80, NSE=0.78, PBIAS=-7.8, RSR=0.47 "iyi" ve "çok iyi", Gebeş AGİ için; R²=0.87, NSE=0.87, PBIAS=-3.6, RSR=0.36 ve "çok iyi", Yağbasan AGİ için; R²=0.72, NSE=0.71, PBIAS=-11.8, RSR=0.54 "tatmin edici" ve "iyi" sonuçları elde edilmiştir. Bu sonuçlar dikkate alındığında Mudurnu Çayı Havzası için oldukça başarılı bir hidrolojik model kurulmuştur. Oluşturulan bu hidrolojik model, havzada iklim değişikliğinin etkilerini analiz etmek amacıyla kullanılmıştır. İklim modeli olarak CMIP5 kapsamındaki EC-Earth2 iklim modelinin RCA4 bölgesel iklim modeli kullanılarak ölçeği küçültülmüş 2021-2100 periyodu için RCP4.5 ve RCP8.5 senaryoları verileri EURO-CORDEX projesinden temin edilerek kullanılmıştır. İklim modeli verileri yağış için dört yöntem, sıcaklık için üç yöntem kullanılarak yanlılıklardan (bias) arındırılmak için düzeltme işlemine tabi tutulmuştur. Bu yöntemlerden hangisinin daha iyi sonuçlar verdiğini analiz etmek amacıyla yağış için 6 adet, sıcaklık için 4 adet iklim indisi kullanılmıştır. İklim indisleri için gözlem ve model verilerinin uyumluluğu incelenmiş ve en iyi sonucu veren yanlılık (bias) düzeltme yönteminin dağılım haritalaması (DM) olduğu tespit edilmiştir. Bu düzeltilmiş iklim verileri kullanılarak 2026-2100 periyodu RCP4.5 ve RCP8.5 senaryoları verileri aylık zaman diliminde aynı periyotta, mevsimsel ve yıllık zaman diliminde ise 2026-2060 ile 2061-2100 periyotlarında analiz edilmiştir. EC-Earth2 iklim modeli gelecek simülasyonunda meteorolojik parametreler açısından sonuçlar incelendiğinde havzanın Sakarya bölgesi için; genel olarak Aralık-Nisan arası sulak dönemde yağışların arttığı, Temmuz-Eylül arası kurak dönemde ise yağışlarda azalma meydana geldiği görülmüştür. RCP8.5 senaryosunda bu artış ve azalışların daha fazla olduğu tespit edilmiştir. RCP4.5 senaryosunda yıllık toplam yağış miktarında 70 mm civarında artış olurken, RCP8.5 senaryosunda değişim olmamıştır. Mudurnu bölgesi sonuçları incelendiğinde; Sakarya bölgesine benzer şekilde genel olarak Aralık-Nisan arası sulak dönemde yağışların arttığı, Mayıs-Eylül arası kurak dönemde ise yağışlarda azalma meydana geldiği görülmüştür. RCP8.5 senaryosunda bu artış ve azalışların daha fazla olduğu tespit edilmiştir. RCP4.5 senaryosunda yıllık toplam yağış miktarında 50 mm civarında artış olurken, RCP8.5 senaryosunda 25 mm artış olmuştur. Sıcaklıklar açısından Sakarya bölgesi maksimum ve minimum sıcaklıklarında yılın tümünde düzenli ve belirgin bir artış olmaktadır. RCP4.5 senaryosunda ortalama yıllık maksimum sıcaklıkta yaklaşık 2 °C, RCP8.5 senaryosunda ise yaklaşık 3 °C artış görülmektedir. Yıllık ortalama minimum sıcaklıkta ise RCP4.5 senaryosunda 1,5 °C, RCP8.5 senaryosunda ise yaklaşık 2,5 °C artış görülmektedir. Mudurnu bölgesi maksimum ve minimum sıcaklıklarında Sakarya bölgesine benzer şekilde yılın tümünde düzenli ve belirgin bir artış olmaktadır. RCP4.5 senaryosunda ortalama yıllık maksimum sıcaklıkta yaklaşık 2,5 °C, RCP8.5 senaryosunda ise yaklaşık 4 °C artış görülmektedir. Yıllık ortalama minimum sıcaklıkta ise RCP4.5 senaryosunda 2,5 °C, RCP8.5 senaryosunda ise yaklaşık 3,5 °C artış görülmektedir. İklim değişikliğinin akarsu akımları üzerindeki etkisi açısından sonuçlar incelendiğinde; Aralık-Mart arası sulak dönemde Mudurnu Çayı ana kolu üzerinde bulunan Dokurcun AGİ için RCP4.5 senaryosunda %113 (10 m³/s), RCP8.5 senaryosunda %130 (11 m³/s), Gebeş AGİ için RCP4.5 senaryosunda %56 (12 m³/s), RCP8.5 senaryosunda %65 (15 m³/s) artış görülmektedir. Dinsiz Çayı üzerinde bulunan Yağbasan AGİ için Aralık-Mart arası sulak dönemde RCP4.5 ve RCP8.5 senaryosunda sırasıyla %9 (1 m³/s) ve %8 (1 m³/s) artış görülmektedir.

Abstract:
Climate change causes extreme hydrological events that have negative and positive effects on the hydrological cycle and human life resources all over the world. The increasing trend in global warming maximizes the evaporation rate of surface water and soil moisture, which will affect the amount of precipitation all over the world. Such changes in the hydrological cycle will affect the flow and availability of both surface and groundwater, and ultimately river flow. Hydrological models are tools used to analyze data on water resources, plan and manage the use of water resources, develop water resource management policies, and assess their environmental impact. However, in order for the model to produce correct results, the parameters must be selected correctly and the model must be calibrated with the observed data. For the correct management of water resources and the assessment of the hydro-climatological effects of climate change, general circulation model (GCM) data can be applied to the basin models and results can be obtained in the future projection. Within the scope of this study, the effects of climate change in the basin were evaluated by analyzing the Mudurnu Stream Basin in the provinces of Sakarya, Düzce and Bolu with the SWAT (Soil and Water Assessment Tool) hydrological model. The hydrological model of the basin was created by using the digital elevation model, land use and cover map, soil map, daily total precipitation, daily maximum temperature and daily minimum temperature data of Sakarya and Mudurnu meteorological observation stations. The model was operated in a monthly time step during the 1978-1995 period, the first three years of which were the warm-up period. In order to analyze the accuracy of the hydrological model results, the model results and the data of Dokurcun, Gebes and Yagbasan stream gauging stations in the basin were compared. In order to obtain reliable results by increasing the compatibility of the hydrological model results with the observation data, calibration and validation process was performed with the SWAT-CUP (SWAT Calibration and Uncertainty Programs) program SUFI-2 (Sequential Uncertainty Fitting) algorithm. While the calibration process was done for ten years in the 1981-1990 period, the validation process was done for five years in the 1991-1995 period. Coefficient of Determination (R²), Nash-Sutcliffe Efficiency (NSE), Percent Bias (PBIAS), Ratio of Root Mean Square Error to Standard Deviation of Observation Data (RSR), p-factor and r-factor were used as model performance criteria to analyze the calibration results and hence the performance of the hydrological model. As a result of the calibration process performed according to the three SGSs in the basin, performance scores and grades for Dokurcun SGS; R²=0.87, NSE=0.87, PBIAS=3.7, RSR=0.37 and "very good" for Gebes SGS; R²=0.91, NSE=0.91, PBIAS=-4.0, RSR=0.30 and "very good" for Yagbasan SGS; R²=0.80, NSE=0.80, PBIAS=-2.5, RSR=0.45 "good" and "very good" results were obtained. As a result of the validation process, for Dokurcun SGS; R²=0.80, NSE=0.78, PBIAS=-7.8, RSR=0.47 "good" and "very good", for Gebes SGS; R²=0.87, NSE=0.87, PBIAS=-3.6, RSR=0.36 and "very good" for Yagbasan AGI; R²=0.72, NSE=0.71, PBIAS=-11.8, RSR=0.54 "satisfactory" and "good" results were obtained. Considering these results, a very successful hydrological model has been established for the Mudurnu Stream Basin. This hydrological model was used to analyze the effects of climate change in the basin. As the climate model, the data of the RCP4.5 and RCP8.5 scenarios for the 2021-2100 period, which was scaled down by using the RCA4 regional climate model of the EC-Earth2 climate model within the scope of CMIP5, were obtained from the EURO-CORDEX project and used. For climate model precipitation data, four methods, linear scaling (LS), local intensity scaling (LI), power transformation (PT) and distribution mapping (DM) were applied, and for temperature data, linear scaling (LS), variance scaling (VS) and distribution mapping (DM) three methods were used to correct the biases. In order to analyze which of these methods gives better results, 6 climate indices, monthly mean, standart deviations, coefficient of variation, 90th percentile, probability of wet days and intensity of wet days, were used for precipitation data, and 4 climate indices, monthly mean, 10th percentile, 90th percentile, standart deviation were used for temperature data. The compatibility of the observation and model data for the climate indices was examined and it was determined that the bias correction method that gave the best results for both precipitation and temperature data in both Sakarya MOS and Mudurnu MOS data was distribution mapping (DM). Using these adjusted climate data, the data of the 2026-2100 period RCP4.5 and RCP8.5 scenarios were analyzed in the same period in the monthly time frame, and in the 2026-2060 and 2061-2100 periods in the seasonal and annual timeframe. When the results in terms of meteorological parameters are examined in the EC-Earth2 climate model future simulation, for the Sakarya region of the basin; In general, it has been observed that precipitation increases in the wet period between December and April, and decreases in precipitation in the dry period between July and September. It has been determined that these increases and decreases are more in the RCP8.5 scenario. While there was an increase of around 70 mm in the annual total precipitation in the RCP4.5 scenario, there was no change in the RCP8.5 scenario. When the results of Mudurnu region are examined; similar to the Sakarya region, it was observed that precipitation increased in the wet period between December and April, and decreased in the dry period between May and September. It has been determined that these increases and decreases are more in the RCP8.5 scenario. While there was an increase of around 50 mm in the annual total precipitation in the RCP4.5 scenario, there was an increase of 25 mm in the RCP8.5 scenario. In terms of temperatures, there is a regular and significant increase in the maximum and minimum temperatures of the Sakarya region throughout the year. In the RCP4.5 scenario, an increase of approximately 2 °C is observed in the average annual maximum temperature, and approximately 3 °C in the RCP8.5 scenario. In the annual average minimum temperature, an increase of 1.5 °C is observed in the RCP4.5 scenario and approximately 2.5 °C in the RCP8.5 scenario. Similar to Sakarya region, there is a regular and significant increase in the maximum and minimum temperatures of the Mudurnu region throughout the year. In the RCP4.5 scenario, an increase of approximately 2.5 °C is observed in the average annual maximum temperature, and approximately 4 °C in the RCP8.5 scenario. In the annual average minimum temperature, an increase of 2.5 °C in the RCP4.5 scenario and approximately 3.5 °C in the RCP8.5 scenario is observed. When the results are examined in terms of the effect of climate change on stream flows; during the wet period between December and March, for Dokurcun SGS on the main tributary of Mudurnu Stream, 113% (10 m³/s) in RCP4.5 scenario, 130% (11 m³/s) in RCP8.5 scenario, for Gebes SGS 56% (12 m³/s) in RCP4.5 scenario, 65% (15 m³/s) in RCP8.5 scenario increase is observed. For Yağbasan AGI located on Dinsiz Stream, an increase of 9% (1 m³/s) and 8% (1 m³/s) is observed in the RCP4.5 and RCP8.5 scenarios, respectively, in the wet period between December and March.