Fırat- Dicle ve Yeşilırmak havzalarında taşkın trend analizi
Trend analysis of flood events in Fırat- Dicle and Yeşilırmak basins in Turkey
Yazar: YAĞMUR NAMLI
Danışman: PROF. DR. BİHRAT ÖNÖZ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Hidrolik ve Su Kaynakları Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
İklim değişikliğinin günümüzde etkisini hissettirmesiyle, hidrometeorolojik değişkenlere yapılan trend analizlerinin önemi artmıştır. Trend analizleri çeşitli metotlarla yapılmaktadır. Bu metotlardan Ardışık Mann- Kendall testi dünyada uygulanan etkili yöntemlerdendir. Bu yöntemle ülkemizde taşkınlar üzerine herhangi bir çalışma yapılmamıştır. Bu sebeple bu yöntem, ülkemizdeki en önemli havzalardan Fırat-Dicle ve Yeşilırmak havzalarına uygulanarak taşkın trend analizi yapılmıştır. Bu yöntemin sonuçları, diğer yöntemlerle kıyaslanarak değerlendirilmiştir.
Her iki havza için de veri aralığı 1986-2011 yılları aralığını kapsamaktadır. DSİ'den alınan yıllık maksimum akım verileri kullanılmıştır. Bu çalışmada istasyon bazında ve havza bazında olmak üzere iki çeşit analiz yapılmıştır. Fırat – Dicle havzasında 14 akım gözlem istasyonunun maksimum akımları üzerinde çalışılmıştır. 
İstasyon bazında yapılan çalışmalarda verilerin öncelikle yıllara bağlı grafiği çizdirilmiştir. Maksimum akım verilerine Mann- Kendall trend analizi uygulanmıştır. H0:Trend yoktur hipotezi z olasılık değerlerine göre incelenmiştir. Z olasılık değerleri α=0,05 anlamlılık düzeyinde incelenmiştir. Bu trend analizinde iç bağımlılığın etkisinin olabileceği göz önünde bulundurularak iki farklı tip Pre- Whitening yapılarak iç bağımlılık etkisinin giderilmesi sağlanmıştır. İç bağımlılık giderilmiş z değerleri α=0,05 anlamlılık düzeyine gelen aralıkta incelenmiştir. Mann- Kendall trend analizi sonucunda 14 istasyondan 13'ünde azalan trend, 1 tanesinde artan trend tespit edilmiştir. Azalan trend çıkan istasyonların beşinin z değeri α=0,05 anlamlılık düzeyine denk gelen 1,96'dan büyük çıkmıştır. Artan trend sonucunu veren istasyondaki z değeri sıfıra çok yakın bir değer olup trendin önemli olduğu söylenemez. 1. Tip Pre- Whitening yapılan test sonucunda 1 istasyonda artan trend 13 istasyonda azalan trend gözlemlenmiştir. Azalan trend görünen istasyonların üçünün z değerleri, önemli trend kriterimiz olan 1,96'dan büyük değerler çıkmıştır. Bu üç istasyonda önemli derecede azalan bir trend vardır. Artan trend sonucu veren istasyonun z değeri oldukça küçük olup trendin önemli olmadığı sonucuna varılmıştır. 2. Tip Pre- Whitening testi sonucunda ise; 2 istasyonda artan trend 12 istasyonda azalan trend görülmüştür. Azalan trend görünen 12 istasyonun 5'inin z değerleri 1,96'dan büyük çıkmıştır. Bu istasyonlarda önemli oranda azalan trend gözlenmiştir. 
Ardışık Mann- Kendall testinin yapılışı, u(t) ve u'(t) parametrelerinin hesaplanarak yıllara bağlı grafiklerini çizdirmek şeklindedir. Bu grafikler trend hakkında ayrıntılı yorum yapabilme imkânı sunmaktadır. Hangi yıllar arasında trendin artışa geçtiği, hangi yıllar arasında azalışa geçtiği bu grafikten ayrıntılı bir şekilde gözlemlenebilmektedir. Aynı zamanda bu yöntemle bir değişim noktasının olup olmadığı da okunabilmektedir. u(t) ve u'(t) eğrilerinin birbirlerini kestiği ve sonrasında belirgin şekilde birbirinden ayrıldığı nokta, bir değişimin başlangıç noktası olabilir. Önem düzeyi olarak α=0,05 anlamlılık düzeyi seçilmiştir. Kesim noktasında u(t) veya u'(t)'nin bir tanesinin 1,96'dan büyük olması değişim noktasının dikkate değer ölçüde olduğunu göstermektedir. Ardışık Mann- Kendall testinin parametreleri olan u(t) ve u'(t) değerleri Akım Gözlem İstasyonlarında hesaplanmıştır. Bu değerlerin yıllara bağlı grafikleri çizdirilmiştir. Grafikten ayrıntılı bir şekilde trendin nerede başladığı nerede azalıp nerede artışa geçtiği gözlemlenmiştir. Aynı zamanda bu yöntemle her bir istasyon için bir değişim noktasının olup olmadığı belirlenmiştir. Her bir istasyonun değişim noktaları not edilerek havza bazında ortak bir değişim noktası yılı aranmıştır. Fırat- Dicle havzasında 1998 yılı bir değişim noktası olarak belirlenmiştir.
Fırat- Dicle Havzasında bölgesel olarak da bazı testler yapılmıştır. Bölgesel trend analizinde öncelikle parametrik test olan bölgesel Mann- Kendall testi yapılmıştır. Mann – Kendall testi sonucunda bütün istatistiki metotların (Mann- Kendall, 1. Tip Pre- Whitening, 2. Tip Pre- Whitening)  z değerleri 1,96'dan oldukça büyük çıkmış ve eksi değerler bulunmuştur. Bu da bu havzada önemli oranda azalan trendin olduğunu göstermektedir. 
Daha sonra p değerlerinin uniform dağılıma uygunluğunun kontrol edilmesi için 1. Tip q-q plot yöntemi kullanılarak bölgesel olarak trend analizi yapılmıştır. Bu trend analizinde referans olarak 45°'lik bir doğru alınmıştır. P değerleri küçükten büyüğe sıralanarak ve 10 tabanında logaritmik olarak çizdirilmiştir. Çizdirilen p değerleri referans çizgisi olan 45°'lik doğrudan ne kadar sapma gösterirse bölgede o denli önemli ölçüde trend vardır denilir. Fırat- Dicle havzasında referans çizgisinden bütün istatistiki metotlarda belirgin bir sapma görülmüştür. Bu sonuç, bu havzada trendin varlığını göstermektedir.
1998 yılının bu havzada değişim noktası olduğu belirlenmiştir. Bunun sağlaması ise 2. Tip q-q plot yöntemi ile yapılmıştır. Bu yöntemde 1998 yılı öncesindeki değerler ile 1998 yılından sonraki akım değerleri grafik olarak çizdirilmiş ve referans çizgisi olan 45° doğrusundan sapan akım değerlerinin çokluğuna bakılmıştır. Sonuç olarak referans çizgisinin altında kalan verilerin daha çok olduğu bulunmuş ve böylelikle 1998 yılından sonra akım değerlerinde bir azalma olduğu görülmüştür. Wilcoxon metodu ile 1998 yılından önceki ve 1998 yılından sonraki değerlerin aynı toplumdan gelip gelmediği ölçülmüştür. Sonuç olarak α=0,05 anlamlılık düzeyinde iki ayrı veri değerlerinin aynı toplumdan geldiği görülmüştür. 
1998 yılından önceki standart sapma, ortalama, maksimum akım değerleri, çarpıklık ve basıklık katsayıları, 1998 yılından sonraki değerlerle kıyaslanmıştır. 1998 yılı öncesindeki akım değerlerinin ortalama, standart sapma, maksimum, çarpıklık katsayısı ve basıklık katsayısı sonuçlarının tamamı 1998 yılı sonrası akım değerlerinin ortalama, standart sapma vs. değerlerinden büyük çıkmıştır. Bu da, bu istasyonda 1998 yılından sonra bir azalma olduğunu göstermektedir.
Yeşilırmak havzasında da benzer bir çalışma yapılmıştır. Yeşilırmak havzasında 10 Akım Gözlem İstasyonunun maksimum verileri üzerinde çalışılmıştır. Öncelikle Yeşilırmak Havzası'nın her bir istasyonunda yıllık maksimum akım verileri yıllara bağlı grafiği çizdirilmiştir. Verilere Mann- Kendall trend analizi uygulanmıştır. İki tip Pre- Whitening yapılarak iç bağımlılık etkisi giderilmiştir. Sonuçlar α=0,05 anlamlılık düzeyine gelen aralıkta incelenmiştir. Mann- Kendall trend analizi sonucunda 10 istasyondan 9'unda azalan trend 1 tanesinde artan trend tespit edilmiştir. 3 istasyonun z değeri α=0,05 anlamlılık düzeyine denk gelen 1,96'dan büyük çıkmıştır. Bu üç istasyonun tamamı azalan trend sonucunu vermiştir. 1. Tip Pre- Whitening yapılan test sonucunda 2 istasyonda artan trend 8 istasyonda azalan trend gözlemlenmiştir. 2 istasyondaki z değerleri önemli trend kriteri olan 1,96'dan büyük değerler çıkmıştır. Bu istasyonların ikisi de azalan trend sonucunu vermiştir. 2.Tip Pre- Whitening testi sonucunda ise; 3 istasyonda artan trend 7 istasyonda azalan trend görülmüştür. 3 istasyonun z değerleri 1,96'dan büyük çıkmıştır. Bu istasyonların tamamı azalan trendi göstermektedir.
Yeşilırmak havzasında Ardışık Mann- Kendall testinin parametreleri olan u(t) ve u'(t) değerleri hesaplanmıştır. Bu değerlerin yıllara bağlı grafikleri çizdirilmiştir. Bu grafiklerden ayrıntılı şekilde trendin hangi yıllar arasında ne durumda olduğu görülmüştür. İstasyonların çoğunda azalan trend gözlenmiştir. Aynı zamanda her bir istasyon için bir değişim noktasının olup olmadığı belirlenmiştir. Yeşilırmak havzasında çalışma yapılan yıllar arasında ortak bir değişim noktası yılı tespit edilmemiştir.
Yeşilırmak Havzası'nda bölgesel olarak yapılan trend analizinde öncelikle parametrik test olan bölgesel Mann- Kendall testi uygulanmıştır. Mann – Kendall testi sonucunda bütün istatistiki metotların  (Mann- Kendall, 1. Tip Pre- Whitening, 2. Tip Pre- Whitening)  mutlak z değerleri 1,96'dan oldukça büyük çıkmış ve eksi değerler bulunmuştur. Bu sonuç bu havzada önemli oranda azalan trendin olduğunu göstermektedir. 
Daha sonra p değerlerinin uniform dağılıma uygunluğun kontrol edilmesi için 1. Tip q-q plot yöntemi kullanılarak bölgesel olarak trend analizi yapılmıştır. Yeşilırmak Havzasında bütün istatistiki metotlarda referans çizgisinden belirgin bir sapma görülmüştür. Bu grafik sonuç olarak, bu havzada trendin varlığını göstermektedir.
Sonuç olarak, Fırat-Dicle ve Yeşilırmak havzalarında önemli oranda azalan trend bulunmuştur. İklim değişikliği tüm dünyayı olduğu gibi ülkemizi de etkilemektedir. İklim değişikliğinin sonucu olarak yeryüzü her geçen yıl daha çok ısınmaktadır. Özellikle kar erimeleri azaldıkça akarsulardaki akış miktarı da azalmaktadır. Bu iki havzada yıllara bağlı gerçekleşen azalmanın iklim değişikliğinin sonuçlarından biri olduğu düşünülmektedir. 
İki havzada yıllık maksimum akımlara uygulanan trend analizi yöntemlerinin tüm ülke bazında akarsu havzalarında yapılması, su kaynaklarımızın planlama ve işletme aşamalarında çalışan araştırmacı mühendislere ve uygulamadaki mühendislere önemli katkılar sağlayabilecektir.

Abstract:
Water is the most important natural resource for all living things. As the human population continuously increasing, the demand for water is also increasing day by day. However, the water resources of the world are ristricted. Therefore, the management of water resources has become very important today.
Climate change is one of the most important problems of the 21st century. Climate change is a long-term, large variation of climatic parameters. The causes of climate change are population growth, growing energy consumption, pollution, land use, development of industry and destruction of nature. Global warming is the most important impact of climate change. The sun's rays reflected from the earth because of the emission of greenhouse gases consisting of carbon dioxide, methane, nitrogen oxides and chlorofluorocarbon into the osmosis are kept by these gases before they reach space and are reflected back to the earth. This reflection causes the earth to warm up.
Due to the effect of climate change, importance of trend analysis has become more significant. Trend analyses have been carrying out by various methods. The Sequential Mann-Kendall method is one of the most effective methods in the world. There is no study that has been carried out on flood data with this method in Turkey. Therefore, this method has been applied to Fırat-Dicle and Yeşilırmak basins in Turkey for the first time on flood data.
The data range for both basins covers the 1986-2011 years. Annual maximum flow data is used in this study. The data are taken from The General Directorate of State Hydraulic Works (DSI). In this study, both station- based and area based tests were performed. Fourteen stations were studied in the Fırat – Dicle river basin. Firstly, the data and the years was plotted.
The Mann-Kendall trend test was applied to the maximum flood data. H0: No trend hypothesis was examined according to z probability values. Z probability values were examined in the range of α = 0.05 significance level.
In this trend test, two different types of Pre-Whitening have been applied to eliminate the effect of correlation. These z-values were also examined in the range of α = 0.05 significance level.
As a result of the The Mann-Kendall trend test; there are increasing trend in one station and decreasing trend in thirteen stations. In five of the declining trend stations, the value of z was greater than 1.96, which corresponds to α = 0.05 significance level. The z value of the station that has increasing trend is very close to zero and the trend is not significant. 
Type I Pre-Whitening test results showed that one station has increasing trend and other 13 stations have decreasing trend. The three of these stations have z values higher than 1.96. This means that there are significant decreasing trend in these three stations. The z value of the station, which has an increasing trend, is a quite small value so the trend is not important. 
As a result of Type II Pre-Whitening test, increasing trend was observed in two stations and decreasing trend was observed in twelve stations. In five stations, the z values are greater than 1.96.  A significant decreasing trend was observed in these five stations. The z values of the two stations, which have increased trend, are quite low and there is no significant trend.
The steps of the Sequential Mann-Kendall test is to calculate the u (t) and u'(t) parameters and to draw graphs the u(t), u'(t) values and the years. These graphs give detailed information about the trend. Which years trend has started to increase and which years have decreased can be understand from this graph. Furthermore, it can be examined whether there is a change point with this method. The point where the u(t) and u'(t) curves intersect each other and then distinctly diverged from each other may be the starting point of a change. α = 0.05 was chosen for significance level. If the intersection point is greater than 1.96, it indicates that the there is a significant change point.
For Fırat- Dicle Basin, the parameters of u(t) and u'(t), which are the parameters of the Sequential Mann-Kendall test, were calculated. These values were plotted against the years. The graph shows us when the trend started, when it began to increase or decrease. The graph also show us whether there is a change point for each station. The change points of each station were noted and a common year of change was determined on the basin. It was determined that in the Fırat- Dicle basin, the change point is 1998.
Some tests were carried out for the regional analysis in the Fırat- Dicle Basin area. In the regional analysis, the Regional Mann- Kendall test, which is the parametric test, was applied to the data. As a result of the Regional Mann- Kendall test, all statistical methods (The Mann- Kendall, Type I Pre– Whitening Test) have negative z values were significantly higher than -1.96. This shows that, there is a significant decreasing trend in this basin.
Then, in order to check the compatibility of uniform distribution, trend analysis was performed by using type I of q-q plot method. A 45° line was taken as a reference in this trend analysis. P values were sorted from small to large and were drawn logarithmically at base 10. These values are shown as 45° in our reference line. All statistical methods showed a deviation from the reference line in the Fırat- Dicle basin. This shows an existence of trend in this basin.
It was determined that the year 1998 was the beginning of the trend in this basin. This was cross checked by Type II of q-q plot method. In this method, the values before 1998 and the values after 1998were plotted at each axis. The multiplicities of the flow values, which are deviating from the 45° line, are examined. As a result, it was found that the data below the reference line were more common and thus a decrease in current values was observed after 1998.
Wilcoxon method was used to determine whether the values before 1998 and after 1998 are similar. As a result, it is observed that after 1998, the values were similar.
The standard deviation, average and maximum values before 1998were compared with the values after 1998. All of the values after 1998 were smaller than the values before 1998. This also shows that there is a decreasing in this station after 1998.
A similar study was carried out in the Yeşilırmak Basin.10 stations on the Yeşilırmak basin were studied. First of all, the annual maximum flow data of each station in Yeşilırmak Basin was plotted to have a preliminary comment.
The Mann-Kendall trend test was applied to the data. With two types of Pre-Whitening, the effect of correlation has been eliminated. The results were examined in the range of α = 0.05 significance level. As a result of the Mann-Kendall trend test, there has been an increasing trend in 1 out of 10 stations. The z value of 3 stations was greater than 1.96, which corresponds to α = 0.05 significance level. All of these three stations resulted in a decreasing trend. 
Type I Pre-Whitening test results showed that there was a decreasing trend in 2 stations. The z values in 2 stations were greater than 1.96, which is the selected significant trend criterion. The trend in both stations was found to be decreasing.
As a result of Type II Pre-Whitening test; Increasing trend in 3 stations. The z values of 3 stations were greater than 1.96. All of these stations show a decreasing trend.
The u(t) and u'(t) values of the Sequential Mann-Kendall test were calculated in Yeşilırmak basin. These values were plotted against years. These graphs give elaborate information about trends and which time span it occurred. Decreased trend was observed in most of the stations. Also, it was determined whether there was a change point for each station. A common change point was not determined between the studied years inYeşilırmak Basin.
For the regional trend analysis in Yeşilırmak Basin, the regional Mann- Kendall test, which is the parametric test, was applied to the data. As a result of The Mann - Kendall test, all statistical methods (The Mann - Kendall, Type I and Type II Pre- Whitening) z values were negative values and significantly higher than absolute value of 1.96. This shows us that there is a significant decreasing trend in this basin.
Then, in order to check the compatibility of uniform distribution, trend analysis was applied by using Type I q-q plot method. In the Yeşilırmak basin, a significant deviation from the reference line was observed in all statistical methods. This shows the existence of a trend in this basin.
As a result, a significant decreasing trend was found in the Fırat- Dicle and Yeşilırmak basins. Climate change affects Turkey as well as the whole world. As a result of climate change, the earth is getting warmer every year. As a result of this warming, the winter season is warmer and rain and snowfall are less. Factors affecting the flow rate of the river in increasing direction are rain, groundwater and snow melts. The most important factor reducing flow rate is evaporation. As the rainfall and snow melts decrease, the flow rate in the rivers also decreases. As the temperatures increase in summer, the evaporation on the stream increases. It is thought that the decrease in the years in these two basins is one of the consequences of climate change.
If this trend analysis methods applied to annual maximum flows in basins of all over the country, it can be useful for the engineers who are working in the planning and operation phases of water resources.