Tarım kaynaklı pestisitlerin SWAT ile havza ölçeğinde modellenmesi
Modeling agricultural pesticide pollution by SWAT model
Yazar: FATMA NİHAN DOĞAN
Danışman: DOÇ. DR. MAHMUT EKREM KARPUZCU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Çevre Bilimleri, Mühendisliği ve Yönetimi Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Havza ölçeği = Watershed scale ; Pestisitler = Pesticides ; Su kalitesi modellemesi = Water quality modelling ; Terkos Gölü = Terkos Lake

Özet:
Tarımsal kaynaklı yayılı kirleticiler özellikle tarım ilaçları, kontrolsüz ve aşırı kullanımlarından ötürü su kaynakları, doğa, insan ve diğer canlılar için tehlike oluşturmaktadır. Nüfus artışları ile birlikte tarım alanlarından maksimum verim alabilmek amacıyla gübre ve pestisitlerin kullanımı kaçınılmaz olmuştur. Piyasada farklı etken maddeli birçok pestisit çeşidinin olması ve bu pestisitlerin herhangi bir sınırlama olmaksızın satın alınıp kullanılabiliyor olması çevre için en büyük riski oluşturmaktadır. Bu çalışmada, İstanbul'da tarımsal faaliyetlerin yoğun yapıldığı Terkos Havzası ve drenaj alanındaki pestisit kirliliği karar destek sistemleri ile değerlendirilmiş, bu kirliliğin kontrolü ve giderimi için uygulanacak yöntemler belirlenmiştir.
Terkos Havzası, İstanbul için en önemli ve görece en temiz içme suyu kaynaklarındandır. Diğer İstanbul havzalarına göre Terkos Havzası, yoğun orman alanları ve az şehirleşmesi ile daha bakir alanlara sahiptir. Fakat havzadaki Terkos Gölü rezervuarı ve gölü besleyen nehir ağlarının çok yakınında tarımsal faaliyetlerin yapılması, tarım alanlarından nehre ve dolayısıyla rezervuara pestisit taşınımına yol açmaktadır. Pestisit endüstrisinin gelişmesiyle, bitki zararlılarına karşı çok çeşitli yeni ilaçların üretilip kullanıması su kaynaklarındaki pestisit kirliliğinin kontrolünü zorlaştırmaktadır. Ayrıca şu an kullanımı yasak fakat geçmişte kullanılmış, tarım alanlarında depolanan bozunmaya karşı dirençli pestisitler de su kaynakları için büyük risk oluşturmaktadır. Tarımsal sürdürülebilirliği sağlayacak şekilde tarım ilaçlarının kullanımın kontrol altına alınması sadece su kaynaklarını korumak için değil gıdalardaki kalıntı pestisit miktarını azaltarak gıda güvenliğini sağlamak, sucul ekosistemin iyileştirmek ve insan sağlığına yönelik tehditlerin azaltmak için de gereklidir.
Türkiye, Bütünleşik Havza Yönetimi anlayışını benimsemiş olup bu anlayış tarımsal kaynaklı kirleticilerin kontrolünü ve yönetimini içermektedir. Bu amaçla havza bazlı pestisit kullanımının ilk aşamasından su kaynaklarına ulaşana kadar tüm aşamalarında pestisit kirliliğinin yönetimine dair stratejiler geliştirilmelidir. Tarım ilaçlarının aşırı ve gereksiz kullanımını engelleyecek Entegre Pestisit Yönetimi, Zararlılarla Entegre Mücadele, Entegre Ürün Yönetimi, İyi Tarım Uygulamaları gibi yöntemlerin uygulanması pestisit kirliliğini kaynağında önlemeye yönelik faaliyetlerdir. Kullanılması muhtemel pestisitlerin izleme çalışmaları ile tespitinin yapılması ve bu kirleticilerin su ortamına ulaşana kadar uğradıkları dönüşümler ve izledikleri yolların karar destek sistemleri ile belirlenmesi ve En İyi Yönetim Uygulamaları (EİYU) olarak adlandırılan doğal arıtma yöntemleri ile pestisit kirliliğinin su kaynaklarına ulaşmadan kontrolünde önemli adımlardır.
Bu çalışmanın amacı, Terkos Havzası'nda tarımsal kaynaklı pestisitlerin su kaynaklarına etkisini tespit edebilmek, mevcut arazi kullanım şartlarında nasıl bir yol izlediklerini ve çevreye etkilerini bir karar destek sistemi olan SWAT (Soil Water Assessment Tool) modeli ile değerlendirmektir. Bu amaçla, öncelikle SWAT modeli yardımı ile havzanın su dengesi oluşturulmuş, hidrolojik modellemesi yapılmıştır. Hidrolojik modellemede havzaya ait topografik, arazi kullanımı ve iklimsel verilerin kullanılmasıyla havzanın su bütçesini çıkarılmış ve suyun havzadaki çevrimi tespit edilmiştir Hidrolojik modelleme, daha sonraki taşınım ve su kalitesi modellemesi için bir altlık görevi görmektedir. Hidrolojik modelin kalibrasyonu ve validasyonu sonunda, sediment ve pestisit taşınım ve akıbeti modellemesi gerçekleştirilmiştir. Pestisit taşınım ve akıbeti modelinin kalibrasyonu için havzadaki çeltik ve kuru tarımın yoğun olarak yapıldığı Karamandere'den numuneler alınmıştır. Pestisit modellemesi sonucunda, havzadaki kritik alanlar belirlenerek, bu bölgelere pestisit yükünü azaltmak amacıyla EİYU'lar eklenmiştir. EİYU'lar ile birlikte havzadaki pestisit kirliliğinin yönetimine dair yapılması gerekenler belirlenmiştir. Havzaya yapılan saha gezilerinde uzun yıllardır havzada tarım yapan çiftçiler, ziraii bayiler ve kalkınma kooperatifleri ile görüşülmüş, çeltik ve kuru tarım hakkında bilgiler edinilmiştir. Havzadaki durum su kaynakları, tarımsal faaliyet, orman habitatı, toprak korunumu, sosyal-ekonomik boyutuyla birlikte ele alınarak havzanın geleceğine dair görüş ve önerilerde bulunulmuştur.

Abstract:
Watersheds face many challenges with respect to intense agricultural activity, excess nutrient and pesticide use. Pesticides in the agricultural lands and water sources can lead to unintended consequences in sustainable water management. Pesticides have become indispensable for modern agriculture to sustain production in sufficient quantity and quality. Uncontrolled and excessive pesticide use poses serious danger for human health, natural sources and the environment. In order to sustain efficient pesticide pollution control, it is necessary to keep track of pesticide use and consumption data, to determine pesticide fate and transport mechanisms in the environment after application, and to conduct pesticide monitoring in surface waters prone to contamination by agricultural sources. Decision support systems such as water quality models capable of modelling pesticide fate and transport are important tools to evaluate alternative control methods and Best Management Practices (BMPs) in agricultural watersheds.
The demand for higher yields from croplands will consequently increase pressure to apply more pesticide likely resulting in more occurrence of pollution in the agricultural watersheds. Pesticides are most frequently detected within the streams in agriculture lands. Many obsolescent and broad-cast current used pesticide types are in the surface waters of Turkey. The pesticide contamination is a threat for the surface waters, also effects groundwater, soil and biota.Downstream transportation of the persistent pesticides poses a risk to even unpolluted waters and bed sediments. Water pollution and safe drinking water supply associated with pesticide loadings and sedimentation requires effective management strategies and policies in these watersheds. Therefore, it is important to analyze spatially and temporally fate of chemicals in the agricultural lands and their effects on water sources in order to have better management practices.
Hydrological models are increasingly used for this purpose to understand and identify detrimental effects of excess pesticide usage and critical source areas for agricultural pollution. SWAT (Soil and Water Assessment Tool) was used in this study to simulate pesticide fate and transport for achieving water safety and sustainable agricultural practices. Research in development of SWAT and associated tools shows that SWAT has particular strengths in simulating agricultural pollution at watershed scale, however, well parametrization and calibration of streamflow is necessary for more accurate simulations of sediment and pesticide loadings. The ability of SWAT in simulating flow has been demonstrated with generally successful results, while model performance for pesticide and sediment is not considered as satisfactory as flow simulations. The lack of studies in calibration and validation of sediment and pesticide is primarily due to scarcity of long-term, in-situ, high resolution datasets/monitoring. Moreover, it is important to perform uncertainty analysis given the uncertainties inherent in the hydrological model. A complete uncertainty analysis takes into account of all kind of uncertainties or errors caused by input data, measured data, conceptual model and model parameters. SUFI-2 algorithm is one such technique that is able to perform a combined calibration and uncertainty analysis. SWAT-CUP provides SUFI-2 algorithm which has high efficiency in achieving good prediction uncertainty ranges in the sense of a reasonable coverage of data points by the prediction.
Sediment modeling is also a controversial issue for water quality modeling. Sediment measurements are generally performed with point-in-time grab samples, and likely do not accurately represent the sediment amount that is present in the entire stream channel. The small shifts in timing and space in sediment measurements may cause large uncertainties in model results. Sediment amounts and erodibility of field/river are critical factors for sediment-related pesticide modeling/simulations. Pesticide fate and transport studies must incorporate soil erosion and sediment transport modeling. Especially, stormwater events lead to seepage of soils and sediments, resulting in the movement of pesticides in these compartments through the water courses.
In this study, Terkos Basin in Istanbul was selected as the study area to simulate the fate and transport of pesticides and apply Best Management Practices for the mitigation of pesticide pollution. Terkos Basin is an urban agricultural and forested watershed affected by poor land management, residential development, high agricultural activity. Agricultural activity in the basin largely depends on rainfed agriculture. Besides that, rice paddies especially near the Ormanlı Village is a major source for excess pesticide use. Evaluation of pollutant transport via surface runoff from agricultural lands and pesticide amounts in rice paddy waters are critical to protect Terkos Lake and its environment. Terkos Lake located in the watershed is one of the main reservoirs used for the supply of the drinking water in Istanbul. All stream networks within the watershed ends up in the Terkos Lake. Although the water resources in Terkos Basin are highly important for Istanbul, there are limited studies have investigated the effects of pesticide pollution in this area.
Terkos Basin is located in the north-western part of Istanbul, Turkey. The drainage area of the watershed is about 639 km2, and the dominant land use is forests with broad leaved/coniferous/mixed type. Terkos Lake, one of the main drinking water reservoirs of the city, is located in the downstream part of the watershed. Maximum water capacity of the reservoir is 162.3 million m3 per year. Elevations in the catchment range from 0 to 400 m and do not have high hilly terrain. Nearly half of the watershed area has a slope of less than 12%. The annual average rainfall is 135 mm which mostly falls during December. The average annual temperature is 17⁰C (varying from 5⁰C to 23⁰C). The dominant type of soil in the study area is Chromic Luvisols according to the FAO Soil Map. The Terkos River drainage network is intensively contaminated by agricultural activities especially in the southern part of the watershed.
ArcSWAT 2012 version by Texas A&M University was used for this study. SWAT discretizes a river basin into smaller sub-basins, and then each sub-basin is divided into hydrological response units (HRUs) with the unique combinations of land use, soil and surface slope. The watershed was delineated into sub-basins based on the DEM data. For the generation of the HRUs, the slope classes were arranged in four ranges (0%–6%, 6%–12%, 12%–20% and >20%). The SCS curve number method, variable storage, and Penman-Monteith method were selected to simulate rainfall-runoff, channel routing and evapotranspiration processes, respectively. The simulation period was from 2002 to 2013 for the hydrological calibration and 2014 to 2020 was selected as hydrological model validation. Hydrological models with sufficient flow calibration process can form an appropriate way to provide spatiotemporal assessment of sediment and pesticide transport. Chlorpyrifos and fenpropimorph were selected for dryland agricultural areas, bentazone was used for modelling in paddy fields. To improve simulation results and reduce the uncertainty in the model, management practices (tillage operations, planting and harvesting dates, pesticide application amount and dating) within the watershed were characterized. Information about management practices was gained from local farmers and local guide books. SWAT has challenges simulating rice paddy fields because of paddy fields' characteristics. Hydrology (drainage, overflow, evaporation etc.) and irrigation practices (wet-dry cycles) unique to paddylands confined SWAT model when compared to other croplands. Thereby, a field scale model 'RICEWQ' was used for the simulation of paddy fields. Water and sediment samples were collected from main river of watershed 'Karamandere River' near Ormanlı Village. Outputs of pesticide modeling include monthly pesticide loadings from field to river and transformation mechanism in river-sediment compartment. Critical areas prone to high pesticide concentration was identified via SWAT to apply Best Management Practices. BMPs are offered to find ecological solutions to the problems of the watershed in rural settlements in megacity Istanbul. Filter strips, reduction in use, vegetated ditches and constructed wetlands are used for the pesticide pollution control. The significiant reductions are observed at pesticide amounts in water sources of Terkos Basin.
The outcomes of this study will be useful in management of pesticide pollution in agricultural watersheds. Assessment of SWAT model with a whole perspective (mass balance changes, transport and transformation mechanism in water, field -surface water relations) in terms of pesticide fate and transport is a significiant contribution to the modelling literature. Despite the uncertainties related with field data deficiency, SWAT has a high potential in basin scale assessments.