Darlık havzasının model destekli hidrolojik analizi
Model supported hydrological analysis of Darlik watershed
Yazar: GÖKHAN CÜCELOĞLU
Danışman: DOÇ. DR. ALİ ERTÜRK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Hidrolojik modelleme = Hydrological modelling ; Su bütçesi = Water budget

Özet:
Dünyadaki gelişmeye ve artmakta olan nüfusuna bağlı olarak su kaynaklarının farklı amaçlar için kullanımına yönelik talepler de hızla artmaktadır. Bu durumun yanı sıra son bir kaç on yıllık sürede etkisini daha belirgin bir şekilde gösteren iklim değişikliği de su kaynaklarını önemli ölçüde etkilemektedir. Bu nedenle su kaynaklarının belirlenmesi, korunması ve sürdürülebilir bir şekilde yönetilmesi oldukça önem kazanmıştır.Türkiye'nin en kalabalık şehri olmanın yanı sıra dünyanın en büyük şehirleri arasında yer alan İstanbul'un nüfusu sürekli artmaktadır. Türkiye'deki toplam nüfusunun %18,2'sinin (yaklaşık 13.500.000 kişi) İstanbul il sınırları içerisinde yaşamakta olduğu bilinmektedir. Gelecekte bu nüfusun daha da artmasıyla birlikte İstanbul'un su kaynaklarının altında kalacağı baskı oldukça fazla olacaktır. Bu nedenle İstanbul'un sahip olduğu sınırlı su kaynaklarının sürdürülebilirlik çerçevesi içerisinde yönetilmesi çok büyük önem taşımaktadır.İstanbul'un günlük su ihtiyacı yaklaşık olarak 2.250.000 m3'tür. Bu ihtiyacın çok büyük bir kısmı şehrin civarında yer alan yüzeysel su kaynaklarından sağlanmaktadır. Darlık Baraj Gölü şehrin en büyük 5. Baraj gölüdür. İstanbul'a su sağlayan diğer kaynakların hemen hemen hepsi şehrin son yıllarda hızla artan nüfusu ile birlikte şehir merkezinde kalmıştır. Bu duruma istisna olarak Darlık Baraj Gölü bu değişimden 30 yıldır hemen hemen hiç etkilenmemiştir. Bu nedenle bu çalışmanın sonucunda İstanbul'un baskı altındaki diğer su kaynakları ile şehirleşme etkisi altında olmayan bir kaynağının karşılaştırılması mümkün olacaktır.Bu çalışma kapsamında geliştirilen hidrolojik model İstanbul'un bugünkü su ihtiyacının %11'ini karşılayan Darlık Baraj Gölü'nün havzasında su bütçesini ortaya konulmuştur. Yüzeysel akış, taban akışı, günlük buharlaşma miktarı ve yeraltı suyu akımı bu model sayesinde ortaya konmuştur. Kurulan model yardımıyla nüfus artışı, arazi kullanımı değişimi gibi nedenlerle gelecekte meydana gelebilecek farklı senaryoların su bütçesi üzerindeki değişimlerinin ön görülmesi için bir altyapı sağlanmıştır.Bu çalışma ile Darlık Deresi 1972 ile 1974 hidrolojik yılları için kalibre edilmiş ve 1978 ile 1982 hidrolojik yılları için doğrulanmıştır. 1986 ile 2011 hidrolojik yılları arasında çalıştırılan model ile havzanın su bütçesi bu yıllar için ortaya koyulmuştur. Model sonuçlarına göre, Havza'ya düşen yağışın %33'ü yüzeysel akışı, %4'ü yüzey altı akışını oluşturmakta ve %11'i evapotranspirasyon ile atmosfere dönmektedir. Havza üzerindeki yağışın %27'si sızma sürecine uğramakta olup, yağışın %12'si yeraltı suyunun beslenilmesinde kullanılmaktadır.Yapılan çalışmada kış aylarında Darlık Deresi'ndeki toplam akışın %83'ünü yüzeysel akış, %2'sini yüzey altı akış ve %15'lik kısmını yeraltı suyu akışının oluşturduğu görülmüştür. Yaz aylarında ise Dere'deki toplam akışın %25'ini yüzeysel akış, %23'ünü yüzey altı akış, ve %52'lik kısmını ise yeraltı suyu akışının oluşturduğu belirlenmiştir. Bu sonuçlar Darlık Havza'sındaki ekosistemin yaz aylarındaki devamlılığın sağlanmasının büyük ölçüde yeraltı suyu akımlarına bağlı olduğunu göstermektedir.

Abstract:
Use of water resources has been changing dramatically by the increase of population and water demand in the world. As well as increase of population in the world in the last decades, climate change also affected the water resources. Thus identification, protection and sustainable management of water resources have become crucial.İstanbul which is the most crowded city of Turkey, is also among the world?s highly populated cities, and its population is increasing day by day so that water resources of this metropolitan are under excessive stress. Today, population of this huge metropolitan is about 13.500.000 and this mega city needs approximately 2.250.000 m3 water per day. Considerable amount of this demand -almost all- is supplied from the dams around the city and by interbasin water transfer.Darlık Reservoir is in the north-east of Istanbul, located between 41°08' and 40°50' North latitude and between 29°30' and 29°42' east longitudes. The Reservoir supplies the 12% of İstanbul?s demand, has 209 km2 catchment area is one of the important reservoirs of this city. Darlık Watershed is in the Kocaeli Peninsula, which includes many surface water resources. About 60% of area of Darlık Watershed is İstanbul and rest of the watershed is in Kocaeli. Distance between Reservoir and Şile is about 7 km. Darlık Watershed is on one of the high rainfall zones of İstanbul. Elevation of the watershed varies between 7 m and 633 m. Average elevation of the watershed is 235 m. Highest elevations are observed in the south region of the watershed. One of the significant characteristic of Darlık watershed that is not urbanized area. There are seven villages in the watershed, and their total population is about 1813 capita in 2010. Darlık Watershed is mainly covered by forests, mid-sized agricultural areas and grasslands. Despite the fact that land use of Istanbul has changed dramatically over the past decades, Darlık watershed has not been severely affected by this conversion. For these reasons Darlık Reservoir is an important water resource of Istanbul. Darlık watershed that is relatively pristine compared to the other watersheds in Istanbul, could also be used for generating background conditions, as defined by the European Community based Water Framework Directive (WFD) for the Region.While planning and assessing future water budget of big cities resources hydrologic models are the integral part of sustainable watershed management approach. Using hydrological models play a significant role in watershed management. They give practical and useful information to local and national decision makers, and scientists studying in the region. It is expected that this model will be useful about addressing the water resources management problems of watersheds of Istanbul.The model, used in this study, reveals the water budget of the Darlık Reservoir, which supplies 11% of water demand of İstanbul. Due to the model, surface runoff, base flow, groundwater flow, percolation and evapotranspiration can be estimated according to the given meteorological condition.In this study, a base, which can be used for forecasting the water budget components depending on changing meteorological parameters and land use properties, was created. Under different conditions in the watershed, this base can be used for calculating water budget components of watershed.WEAP (Water Evaluating and Assessment Program) is used as the hydrological model in this study. WEAP is a practical tool for water resource management, and is distinguished by its integrated approach for simulating water systems and by its policy orientation. Usage of WEAP model has been increased over the past few years in all over the world. However, there is limited study in Turkey with WEAP model.In order to calibrate model results, observed stream flow hydrograph has been separated into components as surface runoff and base flow. Web based hydrograph analysis tool (WHAT) is used for hydrograph analysis. Model results and observed flowrate compared to obtain high correlation coefficient model. Model coefficients, that are identified by model, were calibrated according to 1972 and 1974 hydrological years. In order to calibrate observed stream hydrograph, which was calculated with model, DSI flow rate observations were used. Correlation coefficients between 1971, 1972, 1973 and 1974 were found as 0.89, 0.97, 0.79, and 0.79, respectively. In calibration processes daily data were used such as precipitation, temperature, humidity, wind and cloudiness were used as meteorological parameters.Hydrological years between 1978 and 1982 were used for validation of model. 1978, 1979, 1980 and 1982 were validation years and correlation coefficient for these years were 0.75, 0.91, 0.84 and 0.76, respectively. 1981 hydrological year was not used for validation because of missed data. Model was run between 1986 and 2011 hydrological years.According to the results of model it was revealed that 33% and 4% of precipitation constitutes the surface runoff and subsurface flow, respectively. 11% of total precipitation turns back to the atmosphere by evapotranspiration. 27% of precipitation infiltrates and 12% percolates to the groundwater storage.Between 1986 and 2011 hydrological years components of stream flow were calculated. Surface flow constituted 83% of stream flow. Percentage of subsurface flow and groundwater flows were 2% and 15%, respectively. In summer months ratio of surface flows to stream flows decrease to 25%, while subsurface flow and groundwater flow increase to 23% and 52%. These results show that sustainability of Darlık Watershed ecosystem in summer months depends on groundwater flows. According to the DSI study the surface flow of Darlık Watershed was 96 billion m3 between 1972 and 1990. Model, which was used in this study calculated surface flow as 98.8 billion m3 for same period. It seems that model runs with 3% error margin.However all these results are related with all Darlık Watershed, this models also allows to user to determine the water budget components in subbasin detail. Each subbasin which has specific charecteristics and important for the all watershed can be evaluate.Hydrological model of Darlık Watershed that is the subject of this study is the integral part of an integrated study. The results from this study (The hydrological model itself and spatially and temporally high resolution water budget components) can be used to develop water quality, sediment transport and ecosystem models of the watershed.Water quality of reservoirs, used for drinking water supply, are important as much as water quantity. Hydrological models are the integral part of the water quality models.This study forms a base for the water quality and ecosystem models of Darlık Watershed, but in order to analyze the water quality of this watershed further studies should be conducted in the future.