Komşu havzaların hidrolojik ve morfolojik olarak karşılaştırılması
Comparison of adjacent basins in terms of morphological and hydrological characteristics
Yazar: ARZU KÜTÜKCÜ
Danışman: DOÇ. DR. ŞİNASİ KAYA
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Geomatik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Coğrafya = Geography ; Jeodezi ve Fotogrametri = Geodesy and Photogrammetry

Özet:
Su havzalarının karakteristiklerinin belirlenmesi, havzalardan maksimum düzeyde yararlanma olanaklarının yaratılması açısından son derece önemlidir. Havza yapılarının ve morfolojik özelliklerinin hidrolojik süreç üzerinde oluşturduğu etkinin bilinmesi havza üzerinde yapılacak birçok çalışma için önemli parametrelerdir. Ayrıca havzalar üzerinde yapılan morfolojik analizler, niceliksel bilgiler elde etmemizi, bu bilgiler yardımıyla da incelenen havzaların hidrolojik yapısı hakkında bilimsel anlamda fikir sahibi olabilmemizi sağlarlar. Bu çalışmada, uzun bir vadi boyunca uzanan ve Ege denizine dökülen Büyük Menderes ve Gediz havzaları çalışma alanı olarak seçilmiştir.  Kullanılan Soil and Water Assesment Tool (SWAT) yazılımı ile her iki havza morfolojik özellikleri açısından incelenmiş olup morfolojik karakteristiklerinin havzalar üzerindeki hidrolojik etkileri ve komşu havzaların havza benzerlik parametreleri incelenerek  karşılaştırılması yapılmıştır. 
İncelenen Büyük Menderes ve Gediz havzaları isimlerini havza içinde etkili olan Büyük Menderes ve Gediz nehirlerinden almaktadırlar. Havzalar bölge için önemli su kaynaklarına sahip olup  su yönetimi bu havzalar için önem arz etmektedir. Arazi şekline bağlı olarak, havzaların morfolojik özelliklerinin hidrolojik karakteristikleri üzerindeki etkisi kaçınılmazdır.  Bu sebeple, seçilen Büyük Menderes ve Gediz Havzalarının morfolojik özellikleri hesaplanmıştır. Hesaplanan morfometrik parametreler havzaların hidrolojik karakteristikleri hakkında önceden bilgi sahibi olunmasına katkı sağlamıştır. Model yazılımı kullanılarak; arazi kullanım, toprak ve eğim verilerinin üst üste çakıştırılması sonucu  aynı hidrolojik tepkilere sahip tekil hidrolojik birimler belirlenmiştir. Modele yağış, sıcaklık, nem, güneş ışıması gibi meteorolojik veriler dahil edilerek akım, su ve sediment verimi simüle edilmiştir. Çalışmada ağırlıklı olarak belirlenen çalışma alanı için web üzerinden sunulan veriler kullanılmış ve bu verilerin durumu değerlendirilmiştir.   
Çalışmada 10 m Sayısal Yükseklik Modeli verisi kullanılarak Büyük Menderes ve Gediz Havzaları için Lineer (Akarsu Hiyerarşisi, Çatallanma Oranı, Ortalama Yüzeysel Akış Uzunluğu, Ana Kanal Uzunluğu, Kanal İndeksi, Vadi İndeksi, Hidrolik Kıvrımlılık İndeksi, Topografik Kıvrımlılık İndeksi, Standart Kıvrımlılık İndeksi); Alansal (Havza alanı, Havza uzunluğu, Havza çevresi, Form faktörü, Dairesellik oranı, Uzama oranı, Tekstür oranı, Akarsu sıklığı, Drenaj Yoğunluğu) ve Rölyef (Havza Rölyefi, Engebelilik Değeri, Dere Eğimi, Hipsometrik İndeks) morfometrik parametreleri hesaplanmış ve bu parametrelere göre havzaların hidrolojik reaksiyonları değerlendirilmiştir. Havzalara ait drenaj ağının çıkartılabilmesi için 10 m Sayısal Yükseklik Modeli verisi model arayüzünde girdi olarak kullanılmış, havzalar için çıkartılan drenaj ağı Strahler numaralandırma yöntemine göre mertebelendirilmiştir. Önemli morfolojik parametreler arasında yer alan çatallanma oranı, drenaj yoğunluğu ve akarsu sıklığı gibi parametreler çıkartılan drenaj ağları kullanılarak hesaplanmıştır. Bunun dışında diğer lineer, alansal ve rölyef morfometrik parametreleri de hesaplanarak havzalara ilişkin morfometrik analizler yapılmıştır. 
Model hidrolojik hesaplamaları oluşturulan Hidrolojik Birimler bazında yapılmıştır. Tüm havza için bu hesaplamalar toplanıp nihai sonuçlar elde edilmiştir. Oluşturulacak Hidrolojik Birimler için gerekli toprak ve arazi kullanım verilerinin doğruluğu ve ölçeği önem arz etmektedir. Model tarafından hesaplanan akım değerinin doğruluğu bu birimlerin doğru hesaplanmasına bağlıdır. Model dağınık bir dosya yapısı kullanmaktadır. Meteoroloji verilerinin modele dahil edilmesi gibi bazı işlemler model dışında farklı araçlar kullanılarak yapılmıştır. Model FAO-UNESCO toprak sınıflandırma sistemini kullanmaktadır. Arazi kullanım verileri için sınıflandırma sistemi ise CORINE arazi kullanım sınıflandırmasından farklıdır. 
Çalışmada seçilen iki havza incelenerek morfolojik yapının hidrolojik yapı üzerinde etkisi ve birbirine komşu iki havzanın gösterdiği tepkiler analiz edilmiştir. Elde edilen akım değerleri Büyük Menderes havzası için ölçülen akım değerlerinden yüksek, Gediz havzası için ise genellikle düşük hesaplanmıştır. Model toprak koruma faktörü değeri varsayılan olarak "1" değerini almaktadır. Buna göre hesaplamalar yapıldığında sediment verimi her iki havza için ölçülenden yüksek hesaplanmıştır. Bu değer düşürülerek hesaplamalar yapıldığında ölçülen sediment verimi değerlerine yakın sonuçlar elde edilmiştir. Hesaplanan morfolojik parametreler ile model simülasyon sonuçları uyumlu hesaplanmıştır. Ancak ölçülen değerler ile tahmin edilen değerler arasında farklılıklar bulunmaktadır. 
Çalışma kapsamında seçilen komşu iki havzada birbirine benzer hidrolojik tepki veren alanlar belirlenmiştir. Ayrıca hesaplanan morfometrik parametrelerden yararlanarak arazi hakkında önceden hidrolojik değerlendirmelerin yapılabilmesinin çalışmalardaki etkinliği ve verimliliği artıracağı ortaya konmuştur. Büyük Menderes ve Gediz havzası için yapılan bu hesaplama ve değerlendirmelerin tüm havzalar için kullanılması, yeni parametrelerin de eklenerek geliştirilmesinin havza yönetimi çalışmaları için yararlı olacağı sonucuna ulaşılmıştır.

Abstract:
Defining the characteristics of a basin is extremely important in terms of creating maximum utilization rate from a basin. Recognizing the impact of the structure of a basin on the hydrological process and its morphological characteristics is essential parameters for conducting a research on a basin. Morphological analyses carried out on basins enable us to acquire quantitative data and thus to gain scientific insight about the hydrological structure of the basin studied. In this study, the Büyük Menderes River Basin and Gediz River Basin, which extend across a long valley and flow into the Aegean Sea, were selected as the research field. Soil and Water Assessment Tool (SWAT) software was used to examine important morphological characteristics of the two basins and the hydrological effects of morphological characteristics on the basins and similarity parameters between the adjacent basins were reviewed and compared.
The Büyük Menderes Basin and Gediz River Basin are named after the Büyük Menderes River and Gediz River which have the biggest impact on the basin area. The basins bear significant water resources for the region and; in this context, water management of the basins is attached great importance. Depending on the landform, the morphological characteristics of the basins have an indispensable effect on the hydrological characteristics. To this end, the morphological characteristics of the Büyük Menderes Basin and Gediz Basin were identified and accordingly morphological parameters were calculated with a view to obtaining preliminary information on the hydrological characteristics of the basins. By using the model software; single hydrological units, which have the same hydrological reactions, have been defined by overlaying land use, soil and slope parameters. For the hydrological simulation in model software, meteorological data play an important role. Flow, water and sediment efficiency have been simulated by including meteorological data such as rainfall, temperature, humidity and solar radiation. In this study, for the stations located in the Buyuk Menderes River and Gediz River Basins, 26 years (1988 - 2014) of data were downloaded. While these data can be used in text format, required database table for the model is available by downloading Excel Macro file found in model home page.
Morphometric parameters such as Linear  (Stream Order, Bifurcation Ratio, Length of Overland Flow, Length of Main Channel, Channel Index, Valley Index, Hydraulic Sinuosity Index, Topographic Sinuosity Index, Standard Sinuosity Index); Areal (Basin Area, Basin Length, Basin Perimeter, Form Factor, Circularity Ratio, Elongation Ratio, Texture Ratio, Stream Frequency, Drainage Density); Relief (Relief Ratio, Ruggedness Number, River Gradient, Hypsometric Index)  morphometric parameters were calculated and hydrological reactions of the basins were evaluated from these parameters.To calculate the drainage network, Digital Elevation Model data at 10 m spatial resolution was used as an input in the model interface, and the obtained drainage network was ordered according to the Strahler's stream ordering method. The important parameters such as bifurcation ratio, drainage density and stream frequency were calculated by using the extracted drainage networks. Bifurcation ratio plays an important role in forecasting the hydrological regimes of the drainage basins. It provides information about the shape of the basin and its flow characteristics. If this ratio ranges between 3 and 5, this means that the geology of the basin is homogeneous. The Buyuk Menderes and the Gediz River Basins have relatively similar bifurcation ratios and indicate the characteristics of the this group. 
The model's hydrological calculations were carried out based on the Hydrological Units. Final results were obtained by summing up all the calculations for all the basin. The accuracy and scale of necessary soil and land use data bear importance for Hydrological Units to be obtained. The accuracy of flow value calculated by the Model depends on the accurate calculation of these units. Model uses a dispersed file structure. Some of the calculations such as including the meteorological data in the model were made with different tools than the model itself. The Model uses FAO-UNESCO soil classification system. However, the classification system used for the land use is different than CORINE (Coordination of Information on the Environment) Land Cover. 
In this study, the two basins were examined and the effect of the morphological characteristics on the hydrological structure as well as the reactions in the two adjacent basins were analyzed. In these morphologic analyses, the following results were obtained;
The Buyuk Menderes River Basin which has lower drainage density has a higher level of infiltration capacity compared to the Gediz River Basin. 
The time of concentration is shorter in the Gediz River Basin. The Gediz River Basin, which has a higher stream frequency parameter, has lower permeability than the Buyuk Menderes River Basin.
Due to the fact that both basins are narrow and elongated, the time of concentration is longer in each basin. The Gediz River Basin, whose texture ratio parameter is high, is less permeable. Because the Gediz River Basin has a high value of ruggedness number, it has a higher probability of peak flow. The Buyuk Menderes River Basin is more sloping and therefore the velocity of the flow of water is higher. 
The obtained flow values were higher than the flow values calculated for the Büyük Menderes River Basin, whereas they were lower than those of the Gediz River Basin. The Model is run with the default value "1" for the factor affecting the soil conservation. When the calculations were made according to this, for both of the basins the sediment efficiency were calculated higher than the obtained calculations. When the calculations were made after the default value was reduced, the obtained results were closer to the calculated value of sediment efficiency.  The calculated morphological parameters and model simulation results were compatible.  However, there are differences between the calculated values and estimated values. 
As a result of the study, it has been determined that Büyük Menderes Basin whose drainage intensity is lower than Gediz Basin have a good penetration feature. Accordingly, it is considered that it concentration time will be longer than Gediz Basin. It was seen that morphometric parameter of stream frequency took a high value in Gediz Basin and this supports the idea that ground of Gediz is not permeable. Again, when these two basins were analyzed in terms of texture parameter, it is inferred that Gediz basin whose texture parameter is high is less permeable than another one. When topography for basins was analyzed, it was determined that topography value of Gediz is higher than another. Accordingly, possibility of peak flow is higher in Gediz Basin. Specified parameters and results of other morphometric parameters calculated were also verified by running the SWAT model. Especially, equal amount of rainfall was provided for both basins by manipulating the rainfall data and in this case, reactions of the basins verified the pre-information taken from morphometric parameters calculated. One of the results calculated by using model is that permeability of Gediz Basin is low and amount of water collected on the surface is higher than of Büyük Menderes. When it was evaluated with underground water reserves, this data was verified with the help of the information that annual reserves of underground water of Büyük Menderes Basin is double the amount of Gediz Basin. With the help of the study, effects of morphological structure on hydrological structure and different reactions coming from these two basins which are neighbor to each other by analyzing these two basins. 
Similar areas of hydrological reaction have been identified for the two adjacent basins examined within the scope of the study. It is also observed that conducting pre-evaluations on hydrological characteristics of the land by means of using the morphological parameters would promote the efficacy and efficiency of the related studies. In addition, it is assumed that using all the calculations and evaluations obtained from this study on the Büyük Menderes Basin and Gediz Basin for all other basins would benefit the development and improvement of new parameters.