Sediman taşınım modellemesi ve yönetimi
Sediment transport modeling and management
Yazar: ROUHOLLAH NASIRZADEHDIZAJI
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ DİLEK EREN AKYÜZ
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / İnşaat Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Arazi kullanımı = Land use ; Erozyon = Erosion ; Havza yönetimi = Basin management ; Orman yangınları = Forest fires ; Ormansızlaşma = Deforestation ; Çökeller = Sediments

Özet:
Toprak ve su kaynaklarının sürdürülebilir kullanımı için erozyonun önlenmesi, bir başka deyişle sediman akımının sınırlandırılması gereklidir. Sedimanın hareketi; toprağın rüzgâr, su ve diğer aşındırıcı etkiler nedeniyle yer kabuğundan ayrılması, başka bölgelere taşınması ve birikmesi ile oluşur. Çeşitli doğal veya yapay, doğrudan veya dolaylı etkenlerle oluşan sediman taşınımı; su kalitesini, sucul canlıların yaşamını, arazi kullanımını, su yapılarının ömürlerini (örneğin barajlar, iskeleler, dalgakıranlar) etkileyebilir. Ayrıca, sediman taşınımı havzanın hem morfolojik hem de ekolojik yapısında önemli değişikliklere neden olabileceğinden, havza yönetimi açısından da önemlidir. Bu yüzden sediman miktarı ve hareketini doğru bir şekilde tahmin edilebilmesi, modellenmesi ve yönetilmesi çevresel sorunların sürdürülebilir bir yönetimle giderilebilmesi için gereklidir. Erozyon ve sediman hareketlerinde meydana gelen değişimlerin önemli bir nedeni doğal olaylar veya antropojenik faaliyetler sonucunda arazi kullanımda meydana gelen değişimlerdir. Buna ormanların bozulması, tarım arazisi haline dönüştürülmesi örnek olarak verilebilir. Bu tip doğal ortamlardaki bozulmalar hidrolojik parametrelerde ve süreçlerde de değişiklikler meydana getirmektedir. Bunların oluşturduğu en önemli fark yüzeysel akış miktarındaki artıştır. Bu yüzden özellikle nehirlerin mansap kısımlarında sediman miktarlarında da önemli derecede bir artış meydana gelir. Bu artış orman ekosistemlerinin bozulmasının en yaygın yolu olan orman yangınları ile daha fazla tetiklenir. 
Bu tez çalışmasında arazi kullanımının yüzeysel akış ve toprak erozyonuna etkilerinin daha iyi anlaşılabilmesi ve sonuçlarını tahmin edilebilmesi için yayılımlı hidrolojik modelleme yöntemleri kullanılmıştır. İstanbul'a su temin eden ve çok yakın bir konumda olan Göksu ve Çanakdere havzaları çalışma alanı olarak seçilmiştir. Bu havzalarda sürdürülebilir sediman yönetimi için SWAT (Toprak Su Değerlendirme Aracı) hidrolojik modeliyle yağış-akış ve sediman modelleri kurularak mevcut durum ve arazi değişiminin etkilerini ölçebilecek senaryolar oluşturulmuştur. Ölçüm verileri yardımıyla mevcut duruma göre çalıştırılan model kalibre edilmiştir (temel model). Daha sonra ise iki farklı senaryo grubu tasarlanarak çalışma alanındaki orman yangınlarından (3 senaryo) ve tarım arazilerindeki değişimden (3 senaryo) kaynaklanan arazi kullanımındaki değişikliğin sediman verimi ve taşınması üzerinde etkileri toplam 7 senaryo ile incelenmiştir.
Birinci senaryo grubunda farklı büyüklükteki orman yangınlarının akım ve sediman üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Bunun için olası orman yangınlarının havza ölçeğinde sediman yükü üzerindeki etkisi, yanmış bölgelerin mekânsal konfigürasyonu ve modelin farklı parametrelerindeki değişiklikleri dikkate alınarak incelenip sonuçlar elde edilmiştir. Yangın sonrası koşullarda, su verimi 151,8 mm'den 256,6 mm'ye yaklaşık %70 artarken, sızma oranları yangın öncesi ile karşılaştırıldığında %37 azalma göstermektedir. Buna göre, yangın etkisinden sonraki su verimi artışı, daha çok yüzeysel akışın (%14,5) meydana gelmesine sebep olmuştur. Sonuçlara göre alt havzalarının hidrolojik ağına taşınan ve aşınan sediman miktarı, mevcut duruma göre 116,3 ile 196,2 ton ha-1 arasında değişmekte olup, yangın sonrası koşullar için yangının olmadığı duruma kıyasla yaklaşık 2 kat artarak 95,9 ton ha-1'lik bir erozyon artışına karşılık gelmektedir.
İkinci senaryo grubunda ise ormansızlaşma (yangın sonrası veya orman ağaçlarının kesildiği) sonrasında orman alanlarının tarımsal faaliyetlere dönüştürülmesinin havzadaki sediman miktarlarında meydan getirdiği değişim araştırılmıştır. Orman arazilerini kuru tarıma dönüştürmek o bölgelerdeki toprağın yapısını değiştirerek dağılımını etkiler. Tarımsal faaliyetlerde erozyon ve toprağın aşınması, tarım alanında yüzeydeki toprağın su ve rüzgârın doğal fiziksel veya kimyasal kuvvetlerle veya çiftçilik faaliyetlerinden (örneğin sürme veya toprak işleme gibi) kaynaklı mekanik kuvvetler yoluyla meydana gelir. Arazi kullanımı değişikliklerinin, yani ormanların tarımsal faaliyetler için bozulmasının, alt havza ölçeğinde yüzeysel akış ve sediman verimi üzerindeki etkisi; arazi kullanımı değişikliğinden önceki sediman verimine kıyasla 3,5 kat artış göstermiştir. Sediman veriminde meydana gelen bu önemli artış; sediman kaynaklı azot ve fosfor miktarında, yangın öncesine kıyasla sırasıyla 2 kat ve 2,5 kat daha yükselmiştir. Su verimi ise yaklaşık 144 mm'den 179 mm'ye kadar artış göstermiştir başka bir ifadeyle yüzeysel akış %24 oranında artmıştır.
Tezin bir sonraki aşamasında ise SWAT hidrolojik modelinden elde edilen yağışın havzada oluşturduğu pik akım değerleri HEC-RAS hidrolik ve sediman modelinde girdi olarak kullanılmıştır. Dolayısıyla arazideki değişikliğin nehirdeki akım ve sediman hareketi üzerindeki etkileri de incelenmiştir. Başka bir değişle, olası arazi kullanımı/örtü değişikliklerinin akarsu akışı ve bunların sediman yükü üzerindeki etkilerini analiz etmek için hidrolik ve sediman modellerinden de faydalanılmıştır. Hidrolik model çıktılarından elde edilen sonuçlara göre taşkın yayılım alanı havzadaki akım istasyonlarından ölçülen en yüksek debilere göre 1,7 km2 iken yangın senaryosundan elde edilen pik debilerde 2,15 km2 olarak 0,4 km2 lik artış göstermiştir. Sediman model sonuçlarına bakıldığında, akım ve sediman gözlem istasyonundan ölçülen pik debide membadan mansaba 219x103 m3, yangın sonrası model pik debisinde ise yaklaşık 30 kat kümülatif hacim miktarında artış olduğu bulunmuştur.
Göksu ve Çanakdere akarsuları üzerinde Sungurlu ve Osmangazi barajlarının yapılması planlandığından sediman kaynakları ve yönetimi ile ilgili önerilerin sunulması, sediman miktarındaki değişiminin araştırılması ülke ekonomisi açısından da gerekli ve faydalıdır. Yönetim uygulamaları açısından, bu çalışmadaki bulgular Göksu ve Çanakdere nehirlerinin havzasındaki hidrolojik riskler ve çevre sorunlarının ele alınmasında bir altlık olarak kullanılabilir. Su havzalarının hidrolojik arazi kullanımı/örtü değişikliklerinin etkisinin değerlendirilmesi, değişikliklerin oluşturduğu yüzeysel akış ve erozyon miktarındaki artışı kontrol altına almada ve azaltmada kritik bir adımdır. Hidrolojik modellerin geliştirilmesi, toprak erozyonu ve sedimantasyonun olumsuz etkileriyle başa çıkmak için yönetim uygulamalarına etkin bir şekilde yardımcı olabilir. Bu modeller, arazideki değişikliklerin hidrolojik süreçler üzerindeki etkileri önceden belirlemesi sayesinde, karar vericiler oluşabilecek çevresel sorunların etkilerini sınırlandırma ve en uygun sorun azaltma yönetim planlamaları hazırlanmasında ve uygulanmasında yardımcı olabilmektedir.
Genel olarak, bu tezin literatüre toplam katkısı ana hatları ile aşağıda üç madde ile belirtilmiştir. 1) Literatürde çalışma alanında herhangi bir mevcut hidrolojik model çalışması bulunmamaktadır, bu tez kapsamındaki çalışmalar ve araştırmalar literatürdeki bu boşluğu dolduracaktır. 2) Çalışma alanında İstanbul'a su temin etmek için iki ana su regülatör yapısı bulunduğundan, havzadaki sediman kaynaklarının incelenmesi ve belirlenmesi karar vericiler için kritik öneme sahiptir. Sonuçlar, sediman taşınım miktarını azaltmak, su kalitesini iyileştirmek ve kaynak yönetimini sürdürmek için önerilerin formüle edilmesinde önemli ipuçları sağlar. 3) Su havzasındaki akarsular üzerinde Sungurlu ve Osmangazi Barajları olmak üzere iki baraj planlanmıştır. Bu çalışmadan elde edilen sonuçlar, baraj proje tasarımına ekonomi ve çevre açısından rehberlik edebilecektir. Bu nedenle havzalardaki sediman veriminin azaltılmasıyla barajların ömrü uzatılabilecek ve rezervuarlarda sediman depolanması için ayrılan ölü hacmi miktarı azaltılabilecektir.

Abstract:
Erosion and sedimentation issues and their impact on water resources and the environment are unavoidable and remain significant challenges for watershed management with high soil erosion rates. Erosion processes remove rock or soil and lead to the formation of mineral sediment. The sediment moves with water (i.e., surface runoff), wind, ice, and deposits in new locations by gravity acting on the particles. The water's kinetic energy causes to wash of sediments down from the surface into a stream and eventually to the river's delta. There are complex interactions on the scale of river sections and basins, which affect the movement of sediments and the generation of habitat types in the river. sediment can accumulate under, in, or around structures such as bridges, conduits, reservoirs, and water intakes. This process leads to cracks in the riverbed, severe stream instability, and ultimately abnormal flow around engineering structures such as bridge piers or culverts. Unlike frequent low-flow flood events, rare high-flow flood events can transport more sediment, leading to sudden sediment accumulation. Different phenomena such as ground deformations or landslides can also lead to the overrun of sediments in the river system and form an unexpected build-up of sediments deposition. In addition, sediment is also crucial in watershed management as it can lead to significant changes in the morphology and ecological structure of watersheds. Therefore, accurate estimations, modeling, and management of sediment load and transport are essential for solving environmental problems with sustainable management.
This thesis aims to conduct a sediment modeling study for sustainable sediment management in the Göksu and Çanakdere basins located in Istanbul and Kocaeli provinces. Different scenarios were carried out by establishing flow and sediment models. To this end, the SWAT hydrological model was used to simulate the impact of land use change on water and sediment yields in the basin. First, the model was developed according to the current situation and calibrated with the observed data for flow and sediment. Then, the impact of different land-use changes scenarios, such as forest fires (3 scenarios) and deforestation (3 scenarios), in the study area, on sediment loads was investigated. In addition, peak flow values obtained from the hydrological model were applied to the HEC-RAS hydraulic and sediment models to examine the effects of the land-use change on the hydraulic and sediment movement. Hence, the effects of the land-use change on the water and sediment movement were examined in this way.
In the first scenario group and post-fire conditions, water yield increased from 151.8 mm to 256.6 mm, an increase of about 70%, while permeability decreased by 37% compared to pre-fire. Therefore, the increase in water yield following the fire resulted in an increase in runoff (14.5%). According to the results, the amount of sediment transported, and the soil eroded into the hydrological network of its sub-basins ranged between 116.3- and 196.2-tons ha-1, resulting in an almost 2-fold increase for post-fire conditions compared to the no-fire situation. This corresponds to an increased erosion rate of 95.9 tons ha-1. In the second scenario group, there was a 3.5-fold increase in sediment yield after deforestation (and using these areas for agricultural activities) compared to before land-use change. After a significant increase in sediment yield, organic nitrogen and phosphorus were obtained to be 2 times and 2.5 times higher, respectively, than before the fire. Water yield increased from about 144 mm to 179 mm, resulting in a 24% increase in surface runoff. Based on the results obtained from the HEC-RAS hydraulic model, and according to the highest flow rates measured from the meteorological stations in the basin, the flooded area in the downstream areas was obtained as 1.7 km2, while with the peak flow rates obtained from the fire scenarios, the flooded area has increased by 0.4 km2 and reached to 2.15 km2. When the sediment model results are examined, in the measured peak flow from the meteorological stations, an increase of 219x103 m3 from the upstream to the downstream in sediment cumulative volume has been obtained, and while in the peak flows after the fire events with maximum the burnt areas, the cumulative volume has increased about 30 times.
Therefore, with the help of the models and methods presented in this paper, it will be possible to estimate and mitigate environmental problems of different phenomena, such as wildfires or deforestation, before they arise in the future. In addition, by examining and identifying existing sediment resources within the watershed, recommendations can be made to reduce and manage sediment transport from identified sources. Since Sungurlu and Osmangazi dams are planned to be built on Göksu and Çanakdere rivers, it is necessary and beneficial for the country's economy to present suggestions about sediment sources and management to investigate the change in sediment. To this end, we investigated the potential of applying the SWAT hydrological model to examine the impact of land-use/cover changes on sediment loads. 
The purpose of this study is to evaluate the hydrological consequences of possible land-use/cover changes and their effects on streamflow and use runoff and erosion models to analyze their respective impacts on sediment load. For this purpose, we designed land-use change (i.e., forest fires and deforestation) scenarios. To predict the hydrological response to the changes, we applied the rainfall-runoff model using the meteorological and basin characteristic data (land-use, soil, and topography). The model is calibrated using observed flow and suspended sediment concentration data. 
In terms of management practices, the findings in this study can be used in dealing with hydrological risks and environmental issues in the Göksu and Çanakdere rivers' watershed. Assessing the impact of land-use/cover changes on the hydrological response of watersheds is a critical step in reducing the likelihood of excessive surface runoff and erosion rates after changes. The development of hydrological models can effectively help management practices deal with the adverse effects of land use/cover changes, such as soil erosion and sedimentation. The consequences of land use/cover changes on hydrological services can help decision-makers choose better post-changes mitigation and management plans to limit the impact of the land use/cover changes on the sediment load and its environmental issues.
In general, to demonstrate the total contribution of this thesis, we outline the following three main aspects. 1) There are no hydrological model studies available in the study area in the existing literature, and the current research will fill this gap in the literature. 2) Since there are two main water regulator stations to supply water to mega-city Istanbul, examining and identifying existing and possible sediment resources in the watershed is critical for decision-makers. The results provide essential clues in formulating recommendations to reduce sediment transport, improve water quality and maintain resource management. 3) Two dams, Sungurlu and Osmangazi Dams, are planned on the streams in the water basin. The results of this study will guide the economic and environmental design of the dam project. Therefore, reductions in sediment yield in their basins extend the life of dams and reduce the dead volume in reservoirs. By applying the rainfall-runoff model of the Göksu and Çanakdere Rivers basin, we designed scenarios similar to land use/cover change (forest fires and deforestation) previously observed in the basin to provide relevant mitigation strategies to deal with natural threats and hydrological risks.