COĞRAFİ BİLGİ SİSTEMİ İLE TOPRAK KAYBI VE SEDİMENT VERİMİ TAHMİN MODELİNİN (EST) OLUŞTURULMASI VE SEYHAN KÖRKÜN ALT HAVZASINA UYGULANMASI*

Transkript

1 COĞRAFİ BİLGİ SİSTEMİ İLE TOPRAK KAYBI VE SEDİMENT VERİMİ TAHMİN MODELİNİN (EST) OLUŞTURULMASI VE SEYHAN KÖRKÜN ALT HAVZASINA UYGULANMASI* Modellng for Estmaton of Sol Loss and Sedment Yeld Usng Geographc Informaton System (EST) and Applcaton to Seyhan-Korkun Sub watershe 1 Ahmet İRVEM Ç.Ü.Fen Blmler Ensttüsü Tarımsal Yap.ve Sulama Anablm Dalı Kazım TÜLÜCÜ Ç.Ü.Zraat Fakültes Tarımsal Yap.ve Sulama Bölümü ÖZET Br havzada erozyon sonucu meydana gelen toprak kaybının ve taşınan sedment mktarlarının blnmes, toprak ve su kaynaklarının gelştrlmesne yönelk havza çalışmaları çn öneml br krterdr. Türkye akarsularında sedment gözlem stasyonlarının ve gözlemlernn yetersz oluşu nedenyle taşınan sedment mktarları amprk denklemler le tahmn edlmeye çalışılmaktadır. Son yıllarda Coğraf Blg Sstem (CBS) kullanılarak amprk denklemlern gelştrlmes ve kullanımı hız kazanmıştır. Bu çalışmada, CBS kullanılarak Ünversal Toprak Kaybı Denklem n (USLE) temel alan erozyonla toprak kaybı ve sedment verm tahmn model (EST) gelştrlmştr. Gelştrlen modelde, erosv yağışlar, araz kullanımı, btk örtüsü, araz eğm, ve sedment letm oranı parametreler kullanılmış ve model Seyhan Havzasında bulunan Körkün alt havzasına uygulanmıştır. Uygulamada ILWIS (CBS) paket programı kullanılmıştır. Uygulama sonucunda toprak kaybı ve sedment verm tahmn yapılmış, tahmn edlen sedment verm gözlenen değerlerle kıyaslanarak yapılan değerlendrme sonucunda modeln tahmn kablyetnn düşük olmasına rağmen tahmn edlen ve gözlenen değerlern ortalamaları arasında statstksel olarak öneml br fark olmadığı, bazı yıllarda hatalı gözlemlern yapılmış olableceğ, bu yıllar dkkate alınmadığında modeln tahmn kablyet stenen düzeye geldğ tespt edlmştr. Modelde, sedment letm oranının tahmn sonucunda en etkl parametre olduğu, bu oranın genş havzalarda belrlenmes çn ayrı br çalışmanın yapılması gerektğ belrlenmştr. ABSTRACT Amounts of sol loss and sedment yeld are mportant parameters, whch have to be known for studes on sol water resources development n a basn. Because of nsuffcent sedment measurement staton and observaton perods, emprcal methods are used for estmaton sol loss and sedment yeld n Turkey. The recent new emprcal model development and applcaton have ncreased usng Geographc Informaton System (GIS). In ths study, sol loss and sedment yeld estmaton model (EST), whch s based on Unversal Sol Loss Equaton (USLE) wth GIS was developed. Parameters such as erosv ranfall, land use, surface cover, slope and sedment delvery rato were used n the model. Korkun sub watershed, located n Seyhan Rver basn n Turkey, was chosen for the model applcaton. ILWIS (GIS) Package has been used for applcaton. Comparson between measured and predcted sedment yeld showed that model predcton performance was low. But, there was no statstcally sgnfcant dfference between the mean values of model result and measured data. When sedment observaton suspected of beng false for two years were not consdered, the model predcton performance mproved. Sedment delvery rato was the man factor effectng sedment yeld n the model. It was found that further study s needed to estmate sedment delvery rato for the large basns. Grş 1 Doktora Tez-PhD-Thess

2 Su erozyonu sonucu meydana gelen toprak kaybı ve sedment taşınımı dünyada olduğu kadar ülkemz çn de öneml br sorun olmaya devam etmektedr. Çepel (1996) tarafından ülkemz topraklarının %79.18 nde orta ve şddetl dereceler arasında erozyon sorunu olduğu belrtlmektedr. Ayrıca, EİE dares ölçümlerne göre her yıl 500 mlyon ton toprağın akarsularla denz, göl ve barajlara taşındığı tahmn edlmektedr. Toprak ve su kaynaklarının korunması ve gelştrlmesne lşkn çalışmalarda erozyon sonucu meydana geleblecek toprak kayıplarının ve taşınan sedment mktarlarının blnmes gerekldr. Oysak ülkemzde sedment gözlemlernn yetersz olduğu veya hç yapılmadığı havzalar vardır. EİE (2000) e göre, 1999 yılı tbar le ülkemzde 26 ana akarsu havzasında sadece 114 adet sedment gözlem stasyonu mevcuttur. Bu nedenle ölçümü olmayan alanlar çn br çok amprk modeller gelştrlerek toprak kaybı ve sedment taşınımı tahmn edlmeye çalışılmıştır. Bu modellerden Ünversal toprak kaybı denklem (USLE) dünyada yaygın olarak kullanılmaktadır. USLE denklem parametrelernn, farklı toprak özellkler, araz kullanımı ve araz eğmne göre küçük deneme parsellernde yapılmış çalışma sonuçları benzer özellktek alanlara CBS le aktarılablmektedr. CBS le havzalar stenlen boyutlardak hücrelere bölünerek aynı özellklere sahp küçük ve homojen alanlar yaratılablmektedr. Bu alanlar çn USLE model parametrelernn seznlenmes ve bu parametreler kullanılarak yapılacak hesaplamalar sonucu her hücre çn toprak kaybı ve sedment verm mktarları bulunablmektedr. (Kothyar ve Jan, 1997). USLE denklem ve CBS kullanılarak yapılan toprak kaybı tahmn çalışmalarında, 50 km 2 den küçük alanlarda y sonuçlar alınmıştır (Mtra ve ark., 1998; Kumar ve Das, 2000; Molnar ve Julen, 1998; Bogard ve ark., 1986; Jan ve ark., 2001). Bu nedenle, toprak kaybı ve sedment verm tahmn çalışmalarında kullanılan tüm verlern CBS le analz edlerek değerlendrlmesyle, daha büyük havzalar çn daha doğru, ekonomk ve hızlı br şeklde toprak kaybı ve sedment verm tahmn yapablme olanağı vardır. Bu çalışma le USLE parametrelernn CBS teknğ kullanılarak tahmn edlmes ve elde edlen parametreler yardımıyla genş havzalarda toprak kaybı ve sedment verm tahmnne yönelk br modeln gelştrlmes amaçlanmıştır. Materyal ve Metot Materyal Bu çalışmada USLE denklem parametreler ve CBS le oluşturulan erozyonla toprak kaybı ve sedment verm tahmn model (EST) Seyhan Havzasında (SH) bulunan Körkün Alt Havzasına (KAH) uygulanmıştır. KAH ın alanı 1460 km 2 olup Seyhan havzasının yaklaşık % 7 sn kaplamaktadır. KAH da yer alan Körkün çayının en yüksek akışı 528 m 3 /sn, en düşük akışı 1.59 m 3 /sn, ortalama debs se m 3 /sn olarak ölçülmüştür (EİE, 2000). Güneyde yağış ortalaması yaklaşık 900 mm ken kuzeyde ortalama 350 mm ye kadar azalmaktadır. Körkün alt havzasında %23 orman, %37 mer a, %25.73 dağlık kayalık alanlar ve %14.27 sn se tarım alanları ve yerleşm alanları oluşturmaktadır. Model uygulamasında ILWIS yazılım programı kullanılmıştır. Bu program le KHGM Toprak ve Su Kayakları, Ulusal Blg Merkez tarafından oluşturulan 1/25000 ölçekl toprak özellkler ve araz kullanım hartaları le Harta Genel Komutanlığı tarafından hazırlanmış 1/ ve 1/ ölçekl topoğrafk hartalar kullanılmıştır. Çalışma alanı ve çevresnde üçü pluvograf kayıtlı olmak üzere 8 adet YGİ verler le ver tabanı oluşturulmuştur. Ayrıca 1820 nolu akım gözlem stasyonu akım ve sedment verler kullanılmıştır. Metot Bu çalışma, modeln oluşturulması, uygulanması ve model sonuçlarını değerlendrlmes şeklnde sürdürülmüştür. Çalışmanın genel akış şeması Şekl 1 de verlmştr. Oluşturulan EST modelnde kullanılacak USLE denklem aşağıdak şeklde fade edlmektedr. A = R K LS C (1) A = n A = 1 (2)

3 Burada, A, tüm alanda meydana gelen toprak kaybı (ton/yıl), A,. hücrede meydana gelen toprak kaybı (ton/yıl), R,. hücrenn erosv yağış faktörü (MJ mm/ha-h), K,. hücrenn toprak aşınım değer (ton/ha h/ha MJ mm), LS,. hücrenn eğm uzunluğu ve dereces değer, C,. hücrenn btk örtüsü bağlı C değerdr. HAVZA VERİLERİ -HİDROMETEOROLOJİK -FİZİKSEL ÖZELLİKLER CBS SEZİNLENEN USLE PARAMETRELERİ (R, K, LS, C) SEDİMENT İLETİM ORANI HARİTALAMA -R DEĞERİ -K DEĞERİ -LS DEĞERİ -C DEĞERİ USLE TAHMİN EDİLEN SEDİMENT VERİMİ TAHMİN EDİLEN TOPRAK KAYBI Şekl 1. Çalışmanın genel akış şeması Erosv yağmur faktörü, pluvograf kayıtlarından seçlen erosv yağmurların br kısım özellkler Denklem (3) de kullanılarak hesaplanmıştır (Doğan 2002). Pluvograf kaydı olmayan YGİ lern R değer Fourner ndeks le belrlenmştr. R I m 100 KE = (3) Burada, R, erosv yağış faktörü (ton-m/ha),, yağmurun 30 dakkalık maksmum şddet (cm/saat), KE, yağmurun toplam knetk enerjs (ton-m/ha-cm) olup Denklem (4) le hesaplanmaktadır. I m KE = n [ log I ] h =1 (4) Toprakların aşınıma duyarlık faktörü (K): K değer %9 eğme sahp 22.1 m eğm uzunluğundak br araz brmnde brm erosv faktör, R le hektardan kaybolan toprağın ton olarak fadesdr. Erozyona etkl tüm faktörlern sabt olması halnde, toprakların fzksel özellklernn farklı olmasından dolayı toprakların aşınma dereceler de farklı olmaktadır (Tülücü, 2002a). Bu çalışmada, Doğan ve ark. (2000) yapmış olduğu çalışmalar sonucu farklı büyük toprak grupları çn elde edlen K değerler kullanılmıştır. Eğm uzunluğu eğm dereces faktörü (LS): Havzalarda, CBS le LS değernn belrlenmesnde Toxopeus (2000), %21 den küçük eğml alanlar çn Denklem (5), %21 den daha büyük eğml alanlar çn Denklem (6) yı gelştrmştr. Bu çalışmada, LS değerlernn belrlenmesnde bu denklemler kullanılmıştır.

4 L LS = ( Sn( S ) Sn( S ) ) (5) 72.6 LS L = ( Sn( S ) Cos( S ) (6) Btk örtüsü faktörü (C): Bu faktör, btk yetşen br alanda meydana gelen toprak kaybının, devamlı nadas (btksz ve eğm yönünde sürülü) br alanda oluşan toprak kaybına oranı olarak tanımlanmaktadır ve her k alan çn USLE denklemnn dğer parametreler aynı olmaktadır. Bu çalışmada C değerlernn belrlenmesnde, toprak örtüsü ve araz kullanımına göre C değerlernn belrlenmesne lşkn çalışma sonuçları dkkate alınmıştır. Sedment letm oranı (SDr): Bu oran, Bagerello ve Ferro (1999) tarafından aşağıda verlen Denklem (7) le hesaplanmıştır. SDr L exp ϕ (7) s = Burada, SDr,. hücrenn sedment letm oranı, ϕ katsayı L,. hücrenn su yolu uzunluğu (m), s,. hücrenn eşt uzunlukta bölünmüş akarsu parçalarının eğmdr (%). EST Model le Havza Sedment Verm Tahmn: Yıllık sedment mktarı Denklem (2) le Denklem (7) nn çarpımı sonucu, yıllık sedment verm se sedment mktarlarının havza alanına bölünmesyle elde edlmştr. Gözlenen sedment verm: EİE ye at 1820 nolu akım ve sedment gözlem stasyonu kayıtları dönen nokta, gdş, varyans ve ortalamanın durağanlık testler le homojenlk testler yapılarak verlern kullanılablrlğ sağlanmıştır (Tülücü, 2002b). Bu verlerden ölçülen günlük akım ve ölçümü yapılan sedment mktarları arasında regresyon lşks kurulmuş, bu lşkden yıllık gözlenen sedment mktarları belrlenmştr. Model sonuçlarını kıyaslama yöntemler: Modeln güvenlrlğnn ve duyarlılığının belrlenmesnde, yüzde tahmn hatası (Sngh ve ark., 1999), Nash ve Sutclffe katsayısı (E) ve eşlenk çft örnek test kullanılmıştır (Nash ve Sutclffe, 1970: Grunwald ve Norton 1999 dan). Araştırma Bulguları Çalışma alanında, Karasalı çn 362, Nğde çn 210 ve Ulukışla çn 132 adet bağımsız yağış bulunmuştur. Bu verlerden Denklem (8) kullanılarak elde edlen R değerler ve Fourner ndeks yaklaşımı le elde edlen F değerler arasında elde edlen lşk kullanılarak çalışma alanı ve çevresnde pluvograf kaydı bulunmayan stasyonlar çn R değerler belrlenmştr. Bu değerler ILWIS te kullanılarak, noktasal ve alansal R değerler hartalanmıştır. Çalışma alanı Büyük Torak Grupları Hartası (Şekl 2) ve Çzelge 2 de verlen K değerler kullanılarak K değerler hartası oluşturulmuştur (Şekl 3). Çzelge 2. KAH büyük toprak grupları çn seznlenen K değerler Sembol Büyük Toprak Grupları K Değerler U Kreçsz kahvereng topraklar 0.20 B Kahvereng topraklar 0.20 K Kolüvyal topraklar 0.18 N Kreçsz kahvereng orman toprakları 0.15 M Kahvereng orman toprakları 0.20 E Kırmızı kahvereng akdenz toprakları 0.15 H Hdromorfk alüvyal toraklar 0.15 T Kırmızı akdenz toprakları CK Çıplak kayalık Y Yerleşm NY Nehr yatağı 0.001

5 LS değerler Denklem (5) ve Denklem (6) le hesaplanarak hartalanmış ve en büyük LS değer 16.6 en küçük se olarak elde edlmştr. Çalışma alanı C değerlernn belrlenmes ve hartalanmasında araz kullanım hartası ve C değerler kullanılmıştır (Çzelge 3). Çzelge 3. KAH da araz kullanımına göre belrlenmş C değerler Araz kullanımı C değerler Kuru tarım (nadaslı) 0.38 Kuru tarım (nadassız) 0.07 Sulu tarım 0.28 Bahçe 0.05 Mera 0.09 Orman 0.05 Fundalık 0.09 Bağ 0.09 Yerleşm alanı 1 Kayalık 1 Nehr yatağı 1 Sedment letm oranı, Denklem (7) kullanılarak hesaplanmış ve hartalanmıştır. Sedment letm oranının 50X50 m hücrelerde %0 le %70 arasında değştğ görülmüştür. Şekl 2. Toprak grupları hartası Şekl 3. K değerler hartası Toprak kaybı ve sedment verm tahmn sonuçları: Körkün alt havzasında EST model parametrelern veren K, LS ve C değerler hartaları çakıştırılarak K. LS. C hartası elde edlmştr. Bu harta le daha önce oluşturulmuş 19 adet alansal R değer hartalarının çakıştırılmasıyla 1980 den 1999 yılına kadar hücrelerde meydana gelen toprak kaybı ve sedment verm değerler yıllık olarak hesaplanmış, sonuçlar Çzelge 4 te verlmştr. Hesaplanan en fazla sedment verm 1981 yılında ton/km 2 olurken en az sedment verm se 1982 yılında ton/km 2 olarak tahmn edlmştr. Dğer yollarda sedment verm tahmn değerler 40 le 150 ton/km 2 arasında değşmektedr. Dünyanın br çok bölgesnde yapılan çalışmalarda sedment vermnn 2 ton/km 2 olarak gözlendğ gb ton/km 2 olarak tespt edldğ de blnmektedr (Wallng, 1994). Değşmn bu kadar büyük olması sedment vermne çok sayıda faktörün etkl olmasından kaynaklanmaktadır. Gözlenen sedment verm: Körkün alt havzasındak tek stasyon olan 1820 nolu AGİ nn 1980 den 1999 yılına kadar olan akım ve sedment verlernn yapılan statstksel analz sonucunda düzeltlmeden kullanılableceğ sonucuna varılmıştır. Akım ve sedment verler kullanılarak yapılan regresyon analz sonucunda belrgnlk katsayısı R 2 = 0.79 olarak bulunmuş ve elde edlen denklem yardımıyla günlük akım verlernden gözlenen sedment mktarları bulunarak Çzelge 4 de verlmştr. Çzelge 4. Çalışma alanında tahmn edlen ve gözlenen toprak kaybı ve sedment vermler

6 Yıllar Toprak kaybı mktarları (ton/km 2 ) Gözlenen sed. verm (ton/km 2 ) Tahmn edlen sed. verm (ton/km 2 ) Tartışma ve Sonuçlar Çalışmanın amacı doğrultusunda oluşturulan EST Modelnn R, K, LS ve C değerlernn hesaplanması, hartalanması ve çakıştırılması şlemler, ILWIS paket programı le hassas ve hızlı br şeklde yapılablmştr. Model parametrelernden R değer, Wschmeer ve Smth (1978) n önerdğ şeklde ve Fourner ndeks yaklaşımıyla elde edlen R değerlernn çalışma havzasının güneynden kuzeyne doğru azaldığı görülmüştür. Çalışma alanında, elde edlen sonuçlara göre en yüksek toprak kaybı 1981 yılında, ton/km 2 olarak en düşük se 1982 yılında ton/km 2, en yüksek sedment verm 1981 yılında ton/km 2, en düşük se 1982 yılında, ton/km 2 olarak elde edlmştr. Gözlem sonuçlarına göre Körkün alt havzası çn hesaplanan uzun yıllık ortalama sedment verm 122 ton/km 2 dr Sedment letm oranı kullanılan katsayı (ϕ ) gözlem sonuçları dkkate alınarak 0.2 olarak belrlenmş ve havza ortalama sedment verm 90 ton/km 2 olarak bulunmuştur. Bu katsayı çalışma alanı çn 0.1 alındığında yrm yıllık ortalama sedment verm 250 ton/km 2 ; bu katsayı 0.3 alındığında yrm yıllık ortalama sedment verm 50 ton/km 2 olmaktadır. Bu duruma göre, 0.1 katsayısı kullanıldığında model yüksek, 0.3 katsayısı kullanıldığında se model düşük tahmn yapmıştır. Bu katsayının sedment verm tahmnnde en etkl parametre olduğu görülmüştür. Gözlenen ve tahmn edlen sedment verm mktarlarını kıyaslamada, ortalamalar arasında fark olup olmadığını test etmek amacıyla eşlenk t-test kullanılmış, bu testn sonucuna göre % 5 önem düzeynde ortalamalar arasında fark görülmemştr. Modeln tahmn kablyet (E), yılları arasında 0.45 olarak bulunmuştur. Gözlem değerler le tahmn değerler arasındak en büyük fark 1980 ve 1991 yıllarında görülmüştür. Bu da modeln tahmn kablyetn azaltmıştır. Bu yıllardan özellkle 1980 yılında yaşanan taşkın olayının gözlem ve tahmn sonuçları arasında büyük br farka neden olduğu düşünülmektedr yılında se yağışlar dğer yılların ortalamalarının üzernde çıkması o yıl yapılan gözlemn hatalı olableceğ sonucunu vermektedr ve 1991 yılları dkkate alınmadığında E =0.64, R 2 =0.77 olarak bulunmuştur. Kaynaklar BAGERELLO, V., FERRO, V., Assessment of Sol Eroson. CIGR Handbook of Agrcultural Engneerng Vol:1. Land And Water Engneerng. (H.N. VAN LİER edtör).,asae. St. Joseph, MI, s BOGARDI, I., BARDOSSY, A., FOGEL, M., and DUCKSTEIN, L., Sedment Yeld From Agrcultural Watersheds. Journal of Hydraulc Engneerng, ASCE 112, (1): ÇEPEL, N., Toprak Erozyonu, Ülkemz Boyutları ve Orman-Erozyon İlşks. Tema Vakfı 8. Erozyon Eğtm Kursu Notları, Adana, s.1-15.

7 DOĞAN, Türkye Yağışlarının Erozyon Oluşturma Gücü ve Ünversal Toprak kaybı Eştlğnn Yağış Erozyon İndeks Değerler. Köy Hzmetler Genel Müdürlüğü, Ankara Araştırma Ensttüsü Müdürlüğü Yayınları, Genel yayın No:220, Rapor Yayın No: R-120, Ankara, 211 s. DOĞAN, O., KÜÇÜKÇAKAR, N., CEBEL, H., ve AKGÜL, S., Türkye Büyük Toprakları K Faktörler. Köy Hzmetler Genel Müdürlüğü. Ankara Araştırma Ensttüsü Müdürlüğü Yayınları, Ankara, 170 s. EİE, Türkye Akarsularında Süspanse Sedment Gözlemler ve Sedment Taşınım Mktarları. Yayın No:20-17, Elektrk İşler Etüt İdares Genel Müdürlüğü, Ankara, 617 s. GRUNWALD, S., and NORTON, L.,S., An AGNPS-Based Runoff and Sedment Yeld Model For Two Small Watersheds n Germany. Transacton Of ASAE, 42 (6): JAIN, S., K., KUMAR, S., and VARGHESE, J., Estmaton of Sol Eroson for a Hmalayan Watershed Usng GIS Technque. Water Resources Management, 15: KOTHYARI, C. U., and JAIN, S., J., K., Sedment Yeld Estmaton Usng GIS. Hydrologcal Scence Journal, 42 (6): KUMAR, A., and DAS, G., Dynamc Model of Daly Ranfall, Runoff and Sedment Yeld for a Hmalayan Watershed. Journal of Agrcultural Engneerng Research, 75 (1): MITRA, B., SCOTT, H., D., DİXON, J., C., and MCKIMMEY, J., M., Applcatons of Fuzzy Logc to the Predcton of Sol Eroson n a Large Watershed. Geoderma, 86: MOLNAR, D., K., and JULIEN, P., Y., Estmaton of Upland Eroson Usng GIS. Computer & Geoscences, 24 (2): SINGH, R., SUBRAMANIAN, K., and REFSGAARD, J., C., Hydrologcal Modellng of Small Watershed Usng MIKE SHE for Irrgaton Plannng, Agrcultural Water Management (41): TOXOPEUS, A., G., Clbodas:The Eroson Issue, ILWIS applcaton Gude, Internatonal Insttute for Aerospace Survey and Earth Scence (ITC).Enschede, The Netherlands, s TÜLÜCÜ, K., 2002a. Su Kaynaklarının Planlanması. Ç.Ü. Zraat Fakültes Genel Yayın No:175, Ders Ktapları Yayın No: 53, Ç.Ü. Yayınları :169, Ç.Ü. Zraat Fakültes Ofset Atölyes, Adana, 303 s. TÜLÜCÜ, K., 2002b. Uygulamalı Hdroloj. Ç.Ü. Zraat Fakültes Genel Yayın No:138, Ders Ktapları Yayın No: 43, Ç.Ü. Yayınları :188, Ç.Ü. Zraat Fakültes Ofset Atölyes, Adana, 315 s. WALLING, D., E., Measurng Sedment Yeld from Rver Basns. Sol Eroson Research Methods (R. LAL Edtör) Chapter 3. Sol and Water Conservaton Socety and St. Luce Press, 339 s. WISCHMEIER, W., H., and SMITH, D., D., Predctng Ranfall Eroson Losses a Gude to Conservaton Plannng. Agrculture Handbook No: 537, USDA, Washngton, 57 s.