Low flow duration frequency curves and trend analysis

Su, insan hayatında önemli bir rol üstlenmektedir. Günümüzde mevcut suya erişim imkanı olmayan milyarlarca insanın yanı sıra, birçok ülkenin su kıtlığıyla karşı karşıya olduğu açıkça görülmektedir. Tarihsel kayıtlar incelendiğinde, düşük akımdan elde edilen bilgilerin tarım, enerji, navigasyon, şehir suyu temini ve endüstri gibi belirli su alanlarında operasyon ve tasarım aşamalarında kullanıldığı görülmektedir. Böylece, düşük akımların analizleri ve uzun süreli gözlemleri baz alınarak gözlem yapmanın önemi de anlaşılabilmektedir. Ayrıca daha önce birçok bilim adamı tarafından da yapılan çalışmalarda görüldüğü üzere düşük akım tahminleri sadece sektör bazında değil; karar verme mekanizmalarında, suyun sektörlere göre dağıtımının doğru planlanmasında ve havzaya ait uygun bir havza yönetim planı oluşturulmasında da etkilidir. Yakın literatür tarandığında özellikle 1990lı yıllardan günümüze birçok araştırmacının düşük akımla ilgili olarak kullanılan olasılık dağılım fonksiyonları, çeşitli bölgesel analiz metotları, Mann-Kendall gibi trend analizleri, simulasyonlar, stokastik süreçler, su dağıtımı planlaması, havzayla ilgi çeşitli senaryoların karşılaştırılması, düşük akım indeksleri ve geliştirilmesi, oluşum süreci, düşük akımı etkileyen faktörler gibi birçok konuda farklı ülkelerde yapılmış çalışmaları görmekteyiz. Özellikle son yıllarda literatürde konu hakkında yenilikçi yaklaşımlar, analizi daha iyi hale getirmek üzere yapılan çalışmalar gibi literatüre katkı sağlayan çalışmaların sayısında da artış gözlenmektedir. Bu da düşük akım çalışmalarının her dönem geçerliliğini korumakla birlikte, geliştirilecek yönlerinin de olduğunu ve su kaynaklarını daha etkili kullanmak adına çalışmanın sürdürüldüğünü göstermektedir. Su ihtiyacında artışa ve su temininde azalmaya neden olan bazı faktörler vardır. Ekonomi hızla büyüdükçe, su ihtiyacı da buna paralel olarak artış göstermektedir. Endüstriyel alanlarda görülen artış, artan su ihtiyacında etkili olmaktadır. Fakat su rezervinin bir sınırı olduğu unutulmamalı ve havzadaki su dağıtımı, tarım ve endüstri alanlarının genişlemesini planlamada dikkate alınmalı ve yakından incelenmelidir. Dünya nüfusunun artmasıyla birlikte insanların da su kaynaklarına ihtiyacı büyüyen nüfus oranında artış göstermektedir. Aynı zamanda, bazı bölgelerin iklim değişikliği ve küresel ısınma etkisiyle kuraklık ve su kıtlığı ile karşı karşıya kalacağı da aşikardır. Bu sebeplerden dolayı yakın gelecekte su savaşlarının yaşanacağı tahmin edilmektedir. Bu sebeple gözlenen verilerden gelecekte oluşabilecek düşük akımları tahmin edebilmek için yapılan bilimsel çalışmalarda kullanmak üzere birçok metot geliştirilmiştir. Düşük akım çeşitli faktörlerin bir araya gelmesi sonucunda oluşmaktadır. Bu faktörler temel olarak meteorolojik, hidrojeolojik, morfolojik ya da morfometrik olabilir. Klimatolojik faktörler küresel ısınmayı da kapsamaktadır. Havanın ısınmasıyla birlikte, temiz suyun etkileneceği ve bazı bölgelerde bu artışın düşük akımlarda daha düşük değerlerin oluşmasına yol açağı düşünülmektedir. Akarsulardaki kurak periyotlar, sulak zamanda zemine düşen ve buradan sızıp yeraltı suyuna ulaşan yağıştan oluşmaktadır. Bu nedenle yağış ve düşük akım arasında yüksek korelasyon bulunmaktadır. İklim değişiklikleri bir mevsimde su fazlalığına neden olabilirken, diğer mevsimde su kıtlığına neden olabilmektedir. Bu eksiklik veya fazlalığın zeminde ve yeraltı suyunda ilerlemesinde etkili olan faktör havza karakteristikleridir. Örnek olarak eğer yüzey geçirimli ise, kurak dönemlerdeki düşük akımlar kaya ya da kil olması durumuna göre daha yüksek olacaktır. Morfometrik etkiler; alan, yükseklik, eğim, drenaj yoğunluğu, akarsu ağı gibi faktörlerden oluşmaktadır. Bu faktörler düşük akımı değişik yönlerden etkilemektedir. Örneğin her ne kadar yağış yükseklikle artsa da, yağışın kar olarak düşmesi halinde yağış yüksek eğim ya da geçirimsiz zemin nedeniyle akarsuya ulaşamayabilir. Düşük akımlar çeşitli indislerle ifade edilirler. Bunlar arasına gözlenen en küçük değerin ya da ortalama değerin belirli bir yüzdesinin indis olarak alınması, taban akışı ayırma yöntemleri, düşük akım süre frekans eğrileri, düşük akım frekans analizi gibi yöntemler bulunmaktadır. Düşük akım serileri, gözlenen akım serilerinden belirli süreler için D-günlük minimum değerler alınarak oluşturulabilir. Bu çalışmada da bu yöntem izlenmiştir. Bu serilerle gözlemlenen seriler aynı kayıt uzunluğuna sahiptirler. Genellikle kuraklıkla karıştırılan bir terim olan düşük akım, kuraklıktan farklı olarak her sene görülür. Kuraklık ise birbirini takip eden düşük akım serileri sonucunda oluşan bir değerdir. Bu sebeple, düşük akımın her sene belirli bir değer aldığını ve her sene görüldüğü söylenebilir. Düşük akım-süre-frekans eğrileri bu metotlardan biridir. Düşük akım süre frekans eğrilerinde, çeşitli dönüş aralıkları için hesaplamalar yapılabilir. Bunun için gözlenen akım serileri, kendilerine en iyi uyan dağılıma uydurulur ve çeşitli olasılık değerleri için bu değerlere karşı gelen düşük akım değerleri okunarak düşük akım-süre-frekans eğrileri oluşturulur. Gediz Bölgesinde analiz yapılırken günlük akım değerleri arasında çok sayıda sıfır akım olduğu görüldüğünden, dağılım uydurmadan önce seri bu değerlerden temizlenerek dağılım uydurulmuş, sonrasında ise bu değerler eklenmiştir. Sıfır akımların işlenmesi toplam olasılık yasasına göre yapılmıştır. Sıfır akım teorisinde sıfır akımların olasılıkları ve sıfır olmayan akımların olasılıkları ayrı ele alınıp hesap yapılmaktadır. Bu yöntemle ilgili ayrıntılı bilgiye metodolojide yer verilmiştir. Böylece havzada bulunan 23 istasyona ait düşük akım süre frekans eğrileri, 2 yıl, 5 yıl, 10 yıl, 25 yıl, 50 yıl ve 100 yıl aralıklı d=1 gün, 7 gün, 14 gün, 30 gün, 90 gün ve 273 günlük minimum değerler üzerinden elde edilmiştir. Böylece gelecekte havzayla ilgili yapılacak planlamalarda yararlanılmak üzere bir zemin oluşturulması amaçlanmıştır. Analizde değerlendirilen istasyonlar, havzanın her tarafına yayılan, kesintisiz gözlem uzunluğu 1939- 2015 yılları arasında en az 10, en fazla 52 yıl olan istasyonlardan oluşmaktadır. Hesaplamalarda bu bağlamda toplamda 586 yıllık veri kullanılmıştır. Aynı zamanda istasyonlar arası çeşitlilik de mevcuttur, istasyonların alanları 15.5 km2 ile 5675. 2 km2 arasında değişiklik göstermektedir. Bu sayının ve çeşitliliğin düşük akım analizleri için oldukça yeterli olduğu düşünülebilir. Yapılan düşük akım süre frekans eğrileri analizleri Gamma, Log Pearson Tip 3, Weibull, Log Normal, Genel Ekstrem Değerler dağılımlarının gözlemlenen zaman serilerine uydurulması ile yapılmış, olasılık fonksiyonları havza genelinde gözlemlenen değerlere en iyi uyan dağılım olan Genel Ekstrem Değerler dağılımı ile oluşturulmuştur. Aynı zamanda ileriye yönelik bölgenin ya da istasyonun gidişatını analiz edebilmek amacıyla çeşitli trend analizleri kullanılmıştır. Literatürde Mann-Kendall, Spearman rho, Şen'in trend metodu gibi çeşitli trend analizi yöntemleri bulunmaktadır. Trend analizleri, gözlemlenen verilerin gidişatından yola çıkarak belirtilen seride yükselen ya da alçalan bir trend olup olmadığı konusunda bilgi verir. Temelinde, serinin geçmişşte gösterdiği davranışı gelecekte de sürdüreceği prensibi yatmaktadır. Mann-Kendall trend analizi, parametrik olmayan bir yöntem olması sebebiyle avantajlıdır. Gözlemlenen verinin dağılımından bağımsız olarak trend analizi uygulanır ve sonuçlar anlamlılık düzeyi dikkate alınarak yorumlanır. 2012 yılında ortaya atılan ve birçok araştırmacı tarafından da test edilen Şen trend analizi yönteminde ise seri iki yarıma ayrılarak incelenir. İlk yarı daha eski gözlem kayıtlarından oluşurken, ikinci yarı daha yakın geçmişşteki gözlemlerden oluşmaktadır. Trend analizinde bu iki yarım, büyükten küçüğe karşılaştırılarak birbirleriyle kıyaslanır ve trend gözlemlenir. Şen trend analizi, uygulamanın kolay olması, görsel olarak gözlemlenebilmesi yönleriyle de avantajlı olup diğer trend analizlerine yakın sonuçlar vermektedir. Yapılan analizlerde istasyonların çoğunda, uzun dönüş aralıkları için D-gün değerlerinin büyük bir kısmının sıfır değeri aldığı görülmüştür. 23 istasyondan 15'inin 100 yıl dönüş aralıklı D-1 gün değerlerinin sıfır olduğu gözlemlenmiştir. Bu sayı D-7gün için 15, D-14 gün için 14 istasyon, D-30 gün için 14, D-90 gün için 13 ve D-273 gün için 8 istasyon olarak kendini göstermiştir. Gözlemlerle uyumlu olarak yapılan trend analizlerinde de benzer sonuçlar elde edilmiştir. Buna gore 0.05 anlamlık seviyesi için Mann-Kendall trend analizinde 15 istasyonda azalan trend olduğu tespit edilmiştir ve bu sayı analiz eden istasyonların %65 ine tekabül etmektedir. Uygulanan Şen trend analizinde ise 18 istasyonda yani istasyonların %78'inde azalan trend görülmüştür. Her iki trend analizi de gözlemlenen sonuçları destekleyici sonuçlar vermiştir. Yapılan düşük akım sure frekans eğrileri ve iki farklı trend analizi yöntemi sonuçlarına göre Gediz havzasında akarsuların büyük bir kısmında akımın oldukça azaldığı ve trendin devam ettiği, birçok akarsuyun da kuruma tehdidiyle karşı karşıya olduğu belirlenmiştir.