Sediment yükü ve nehir akımlarının SWAT modeli ile tahmin edilmesi ve frekans analizleri
Modeling sediment yield and streamflow using SWAT model and frequency analysis
Yazar: ERKAN KARAKOYUN
Danışman: DOÇ. DR. NİHAT KAYA
Fırat Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Hidrolik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Erozyon = Erosion ; Havza modellemesi = Basin modelling ; Murat Nehri = Murat River ; Çökeller = Sediments

Özet:
Havza üzerinde doğru ve güvenilir bir akım ve sediment tahmini yapmak su kaynakları yönetim uygulamalarında önemlidir. Bu çalışmada, su yönetimi uygulamalarını geliştirmek için akarsu akışını, sediment verimini ve toprak erozyonuna yatkın alanların alt havza ölçeğinde belirlenmesi için Toprak ve Su Değerlendirme Aracı (Soil and Water Assessment Tool, SWAT) kullanılmıştır. Türkiye'nin en büyük ve en yüksek su potansiyeline sahip havzası olan Fırat-Dicle havzasının, Murat Nehri havzası olarak adlandırılan, üst kısmı çalışma alanı olarak seçilmiştir. Oluşturulan model, sediment ve akım tahmini için kalibrasyon (2006-2010) ve doğrulama (2011-2013) periyotlarında çalıştırılmıştır. Aylık akım tahmini için elde edilen değerler, E21A074 ve E21A077 istasyonlarında kalibrasyon periyodunda sırasıyla NSE: 0.57, 0.77, R2: 0.57, 0.77 ve PBIAS: -7.4, -6.6 olarak, doğrulama periyodunda ise NSE:0.50, 0.75, R2: 0.53, 0.78, PBIAS: 15.6, -3.1 olarak elde edilmiştir. Günlük akım modelleme sonuçlarına göre ise E21A074 ve E21A077 istasyonlarında kalibrasyon periyodunda elde edilen performans istatistiklerine göre sırasıyla NSE: 0.56, 0.45, R2: 0.57, 0.46 ve PBIAS: -15.0, 7.7 olarak, doğrulama periyodunda ise NSE: 0.55, 0.50, R2: 0.56, 0.50 ve PBIAS: 1.20, 1.20 olarak bulunmuştur. Bununla beraber, her iki istasyondan alınan sediment verileri ile modelleme sonuçları karşılaştırılmış ve E21A074 istasyonu için kalibrasyon ve doğrulama periyodunda NSE: 0.54, 0.69, R2: 0.67, 0.68 ve PBIAS: -33.8, 4.6 olarak, E21A077 istasyonunda ise NSE: 0.62, 0.35, R2: 0.68, 0.56 ve PBIAS: -3.2, -77.2 olarak elde edilmiştir. 
Akım ve sediment tahmininin yanında SWAT modelinden elde edilen sonuçlar ile havzanın hidrolojik analizi de yapılmıştır. Alt havza ölçeğinde oluşturulan toprak kaybı haritası incelendiğinde toplam havza alanının % 3.9' unun çok şiddetli ve %21.3' ünün ise şiddetli toprak erozyonu koşulları altında olduğu belirlenmiştir. Bunun yanında havzanın arazi kullanımı ve topografik özellikleri incelendiğinde en yüksek toprak kaybının çorak arazilerde ve arazi eğiminin %25'ten fazla olduğu alt havzalarda meydana geldiği gözlemlenmiştir. Özellikle 65, 66, 74, 75, 76, 137 ve 139 numaralı alt havzalar en yüksek yüzey akışı, tortu verimi ve toprak erozyonunu ürettiği tespit edilmiştir. 
Sonuç olarak, SWAT modeli Murat Nehri havzasında günlük ve aylık bazda akım ve sediment verimini tahmin etmedeki kullanılabilirliği kanıtlanmış ve bu sonuçların SWAT modelinin su kaynakları yönetiminde araştırmacılara yön gösterecek bir araç olduğu belirlenmiştir. Ayrıca SWAT modelinden elde edilen sonuçlarla havzanın hidrolojik parametreleri belirlenmiş olup sonuçların bu bölgede yapılacak hidrolojik çalışmalara rehberlik edeceği düşünülmektedir.

Abstract:
Predicting accurate and reliable streamflow and sediment in the watershed is crucial in water resource management practices. In this study, the Soil and Water Assessment Tool (SWAT) was used to determine stream flow, sediment yield, and erosion-prone areas at the sub-basin scale to improve water management practices. The Murat River Basin, located in the upper part of the Euphrates-Tigris basin, the largest and highest water potential in Turkey, has been selected as a study area. Calibration (2006-2010) and validation (2011-2013) processes were carried out with these determined parameters. The created model was run in calibration (2006-2010) and validation (2011-2013) periods for sediment and streamflow estimation. Based on the monthly streamflow prediction at the stations E21A074 and E21A077, the values of NSE, R2, and PBIAS were calculated as NSE:0.57,0.77, R2:0.57, 0.77 and PBIAS:7.4, -6.6 in the calibration period, and NSE:0.50, 0.75, R2:0.53, 0.78 and PBIAS: 15.6, -3.1 in the validation period, respectively. For the daily-based simulation, the NSE:0.56, 0.45, R2:0.57, 0.46, and PBIAS: -15.0, 7.7 were found in the calibration period, and NSE:0.50, 0.75, R2:0.53, 0.78, and PBIAS: 15.6, -3.1 were found in the validation period at the stations E21A074 and E21A077, respectively. Besides, the monthly sediment yield results obtained from two stations were compared with SWAT model results and the values of NSE:0.54, 0.69, R2:0.67, 0.68 and PBIAS: -33.8, 4.6 in the calibration and validation period in the station E21A074 and NSE:0.62, 0.35, R2:0.68, 0.56 and PBIAS: -3.2, -77.2 were found in the calibration and validation period for the station E21A077.
In addition to the flow and sediment estimation, the hydrological analysis of the basin was also carried out with the results obtained from the SWAT model. It was determined that 3.9% of the total basin was under very severe and 21.3% under severe soil erosion conditions shown in the sub-watershed-based soil erosion map. In addition, based on the land use and topographic characteristics of the basin were examined. It was observed that the highest soil loss occurred in barren lands and sub-basins with a slope of more than 25%. Especially the sub-watersheds 65-66-74-75, 76, 137, and 139 produce the highest surface flow, sediment yield, and soil erosion. 
As a result, the applicability of the SWAT model in estimating the flow and sediment yield on a daily and monthly basis in the Murat River basin has been proven and it has been determined that it is a suitable tool that will guide researchers in water resources management. In addition, the hydrological parameters of the basin have been determined with the results obtained from the SWAT model, and it is thought that the results will guide the studies to be carried out in this region.