Impact of Meteorological Conditions on Water Quality of Mogan Lake

Transkript

1 Biyoloji Bilimleri Araştırma Dergisi 3 (2): 33-38, 2010 ISSN: , Meteorolojik Koşulların Mogan Gölü Su Kalitesine Etkileri Firdes YENİLMEZ 1 Fatih KESKİN 2 Ayşegül AKSOY 1* 1 Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Çevre Mühendisliği Bölümü, Ankara, TÜRKİYE 2 Devlet Su İşleri Genel Müdürlüğü, Ankara, TÜRKİYE * Sorumlu Yazar Geliş Tarihi : e-posta: aaksoy@metu.edu.tr Kabul Tarihi : Özet Bu çalışmada, sıcaklık, yağış, günlük güneşlenme şiddeti, rüzgar gibi meteorolojik değişkenlerin ve su kalitesi parametrelerinin aralarındaki ilişkiler Mogan Gölü için incelenmiştir. Çözünmüş oksijen, ph, toplam azot, toplam fosfor ve diğer su kalitesi parametreleri dikkate alınmıştır. Çalışmada periyoduna ait veriler kullanılmıştır. Su kalite parametrelerinin birbiriyle ve de meteorolojik değişkenlerlerle olan ilişkileri korelasyon analizi ve temel bileşenler analizi yardımıyla incelenmiştir. Sonuçlar, meteorolojik koşulların Mogan Gölü ndeki su kalitesini etkilediğine işaret etmiştir. Anahtar Kelimeler: Mogan Gölü, su kalitesi, ötrofikasyon, temel bileşenler analizi Impact of Meteorological Conditions on Water Quality of Mogan Lake Abstract In this study, the relationships between water quality parameters and meteorological variables, such as temperature, precipitation, daily solar radiation, wind, are investigated for Mogan Lake. Dissolved oxygen, ph, total nitrogen, total phosphorus, and other water quality parameters are taken into consideration. In the study, data belonging to period are utilized. The relationships within water quality parameters as well as between water quality parameters and meteorological variables are analyzed using the correlation analysis and principle component analysis. Results indicate that meteorological conditions impact the water quality in Lake Eymir. Keywords: Mogan Lake, water quality, eutrophication, principal component analysis GİRİŞ İklim değişikliğine ve su kaynaklarının bilinçsizce kullanılmasına bağlı olarak dünyanın birçok yerinde kullanılabilir su miktarı iyice azaltmaktadır [1]. Bu durum, hidrolojik döngüde önemli bir yere sahip olan ve aynı zamanda içme ve kullanma suyu temininde yararlanılan göller için özellikle önem arz etmektedir. Hidrolojik döngüdeki değişimler sudaki kirletici konsantrasyonlarını da etkilemekte, gölden su temin eden halkın sağlığı, göldeki mevcut flora ve fauna üzerinde olumsuz sonuçlar doğabilmektedir. Bu çalışma, Ankara için geçmiş yıllarda su temini açısından, günümüzde ise rekreasyonel açıdan büyük öneme sahip göllerden biri olan Mogan Gölü nün su kalitesini etkileyen faktörlerin belirlenmesini, meteorolojik koşulların göl su kalitesi için önemini irdelemeyi amaçlamaktadır. Su kalitesini etkileyen faktörlerin belirlenebilmesi amacıyla korelasyon analizinin yanında, istatistiksel analiz yöntemlerinden biri olan temel bileşenler analizi (TBA) kullanılmıştır. TBA kullanılarak su kalitesi ve meteorolojik veriler arasındaki ilişkiler belirlenmiş ve veri indirgenmesi gerçekleştirilmiştir. Bu kapsamda, çözünmüş oksijen (ÇO), ph, toplam azot (TN), toplam fosfor (TP) gibi tipik su kalite parametrelerinin hem birbiriyle hem de sıcaklık, yağış, rüzgar, güneşlenme şiddeti gibi meteorolojik parametrelerle ilişkileri TBA ile irdelenmiştir. TBA esas olarak çok sayıda birbiriyle ilişkili değişkenlerden oluşan veri setlerinde mümkün olduğunca veri setindeki değişimi koruyup, veri setinin boyutunu indirgemektedir. Bu, temel bileşenler adı verilen ve daha az sayıda bileşenin orijinal veri setindeki değişimin büyük bölümünü anlatabilen yeni bir set değişkenin tanımlanmasıyla mümkün olmaktadır [2]. Bu çalışmada da meteorolojik değişkenlerin su kalitesi parametreleriyle birlikte temel bileşenler içinde yer alıp almadığı irdelenmiştir. Çalışma Alanı Mogan Gölü, Ankara nın 20 km güneyinde o kuzey enlemi ve o doğu boylamında yer alan sığ bir tatlısu gölüdür (Şekil 1). Mogan ve kuzeyindeki Eymir göllerinin toplam yağış alanlarının 245 km 2 lik kısmı, 1990 yılında Bakanlar Kurulu Kararı ile Özel Çevre Koruma Bölgesi olarak ilan edilmiştir. Toplam 925 km 2 yağış alanına sahip olan gölün yüzey alanı, mevsimlere ve su derinliğine bağlı olarak km 2 arasında değişmektedir. Göl derinliği m arasındadır [3].

2 34 F. Yenilmez ve ark. / Bibad, 3 (2): 33-38, 2010 Sukesen, Başpınar, Yavrucak ve Çölovası Dereleri gölü besleyen en önemli akarsulardır. Göl suları Eymir Gölüne, Eymir Gölü ise İmrahor Deresine boşalım yapmakta, buradan Ankara içerisinden geçen İncesu Deresi aracılığı ile Ankara Çayına ulaşmaktadır. Ancak, yaklaşık son 5 yıldır su seviyesindeki düşüşler nedeniyle Mogan Gölü nden Eymir Gölü ne boşalım yok denecek kadar az olmuştur. Bunun bir nedeni de Mogan ve Eymir Gölleri arasındaki su boşaltma kapağının kapalı durumda olmasıdır [4]. Mogan Gölü Ankara için önemli bir doğal rekreasyon alanı olmasına rağmen son yıllarda evsel, endüstriyel ve tarımsal kaynaklı kirleticiler nedeniyle su kalitesi kötüleşmiştir [3]. Yapılan birçok çalışmada göl su kalitesinin hiperötrofik seviyede olduğu belirtilmiştir. Şekil 1. Mogan Gölü ve Gözlem Noktaları MATERYAL VE METOT Çalışmada kullanılmak üzere Mogan Gölü ne ait su kalitesi verileri ve meteorolojik veriler temin edilmiştir. Su kalitesi verileri Özel Çevre Koruma Kurumu Başkanlığı ndan (ÖÇKKB) temin edilmiştir. Çalışmada Şekil 1 de verilen göl içindeki gözlem istasyonlarına ait 2007 ve 2008 su kalitesi verileri kullanılmıştır. ÖÇKKB, Mogan Gölü su kalitesi ölçümleri için 2007 den itibaren akredite olmuş bir laboratuvarla çalışmaya başlamıştır. Bu nedenle, bu çalışma sadece 2007 ve 2008 yıllarıyla sınırlandırılmıştır. Bunun yanında, gölün donduğu zamanlarda ölçüm yapılmamış olması sebebiyle kış ayları dönemsel olarak çalışma kapsamında incelenememiştir. İncelenen su kalitesi parametreleri ÇO, askıda katı madde (AKM), ph, kimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ), klorofil-a (Chl-a), elektriksel iletkenlik, tuzluluk, nitrit azotu (NO 2 -N), amonyum azotu (NH 4 -N), TN, TP, toplam koliform, secchi derinliği ve su sıcaklığıdır. Çalışmada, belirli bir zamanda gölün farklı noktalarından (kuzey, güney ve orta) alınmış olan ölçümlerin ortalaması alınarak o zaman için ortalama konsantrasyon değerleri belirlenmiştir. Değerlendirme bu ortalama değerler üzerinden yapılmıştır. Meteorolojik veriler Devlet Meteoroloji İşleri Genel Müdürlüğü nden temin edilmiştir ve 2008 yıllarına ait hava sıcaklığı, yağış, 10 cm derinlikteki toprak sıcaklığı, basınç, rüzgar verileri Gölbaşı gözlem istasyonuna aittir. Bu istasyonda güneşlenme süresi ve güneşlenme şiddeti ölçümü yapılmadığından, ilgili yıllardaki bu parametre değerleri için en yakın istasyon olan Etimesgut istasyonuna ait veriler kullanılmıştır. Meteoroloji ve su kalitesi verileri bir araya getirilip, değişkenlerin birbirleri ile olan ilişkileri tanımlanmaya çalışıldığında büyük bir veri seti oluşmakta, dolayısıyla verinin analizi ve veriden bilgi elde edilmesi güçleşmektedir. Bu durumda TBA, değişken setini yeni boyutlarda korelasyonsuz değişkenlere çevirmek ve değişkenler arasındaki ilişkiye bağlı olarak önemliden önemsize doğru sıralamak için kullanılabilmektedir. Su kalitesi ve meteorolojik değişkenlerin yeni bir boyutta gösterilmesi ve aralarındaki korelasyon etkisinin yok edilmesi hem daha az sayıda veri ile uğraşılmasına, hem de parametreler arasındaki gerçek ilişkinin belirlenmesine yardımcı olmaktadır. TBA ile oluşturulan yeni ana değişken kümesi, değişimi en fazla açıklayabilenden (önem sırası) başlayarak oluşmaktadır. Bunun sonucunda, aslında n tane yeni bileşke denklemi elde edilebilmesine rağmen, oluşan bileşkelerden önem sırasına göre çok azının kullanımı ile verilerin büyük oranda açıklanabilmesi söz konusu olabilmektedir [5, 6]. Temel bileşenler analizinde her bir bileşenin hesaplanmasında aşağıdaki formül kullanılmaktadır. F = a ( X ) + a ( X 2) a 1 ( X 1 p p Bu denklemde, F bileşenin kendisini, X i değişkenin ölçü değerini, a 1p değişkeninin bileşen yükünü, p ise incelenecek toplam değişken sayısını ifade etmektedir. Bileşen yükü, değişken ile temel bileşen arasındaki korelasyonu ifade eden bir değer olup, orijinal değişkenlerin temel bileşenlere olan yansımasını göstermektedir. Yukarıdaki formülden de anlaşılacağı gibi orijinal veri setindeki ilişkilerine bağlı olarak birden fazla bileşen oluşmaktadır. Tüm değişkenlerin kovaryans matrisi veya korelasyon matrisinin kullanılması sonucu hesaplanan öz vektörler, bileşenlerin özdeğerlerinin (eigenvalue) hesaplanmasında kullanılmaktadır [7]. Böylece, değişkenlerin önem sırası, hesaplanan öz değerlerine bakılarak belirlenebilmektedir. Genel kabul olarak öz değerleri 1 in üzerinde olan bileşenler kullanılmaktadır [5, 6]. TBA nın uygulanması ve değişkenler arasındaki korelasyon ilişkilerinin ortaya çıkartılması amacıyla XLSTAT programı kullanılmıştır. Değişkenler arasındaki ilişkilerin kabul edilebilir bir ilişki olup olmadığına korelasyon değerlerinin %95 güvenirlilik sınırlarında test edilmesi sonucunda karar verilmiş olup, güvenilir bulunan korelasyonlardan elde edilen sonuçlar tartışılmıştır. Elde edilen tüm değişkenlere ait kabul edilebilir ilişkiler, TBA dan elde edilen sonuçlar yardımıyla da incelenmiş ve tartışılmıştır. )

3 F. Yenilmez ve ark. / Bibad, 3 (2): 33-38, BULGULAR Çizelge 1 de Chl-a, AKM, TN, TP, KOİ ve ÇO parametreleri ile yüksek korelasyon gösteren su kalite parametreleri ve meteorolojik değişkenler verilmiştir. Bu incelemede 0.6 dan daha yüksek korelasyon katsayısına sahip olan parametreler verilmiştir. TBA sonucunda 2007 ve 2008 yılları için elde edilen temel bileşenler Şekil 2 de listelenmiştir yılında KOİ ve ph arasında görülen pozitif yöndeki korelasyon, göle giren derelerin, yüklerin veya olası deşarjların içeriğine ve alg aktivitesine bağlı olabilir yılında Chl-a ile KOİ, yağış ve AKM arasında yüksek korelasyonlar gözlenmektedir. Bu parametrelerin yağış ile pozitif korelasyona sahip olması, su kalitesini belirleyen faktörler arasında göl içindeki mekanizmaların yanı sıra dış kaynaklı yüklerinde olabileceğine işaret etmektedir. Yağmur suyuyla taşınım ve buna bağlı olarak besin maddesindeki (nütriyent) artış, Chl-a konsantrasyonunda artışına sebep olabilir. Nitekim, 2007 yılında TN sadece yağış ile yüksek pozitif korelasyon göstermiştir yılında, AKM ile KOİ ve Chl-a arasındaki ilişki beklendiği gibi pozitif yöndedir yılındaki temel bileşenlere bakıldığında TN, ph, toplam koliform, KOİ ve yağışın aynı temel bileşen (F2) içinde yer aldığı görülmektedir. Bu da yine, azotlu bileşiklerin dış kaynaklı da olduğunu ve göle deşarj kanalıyla ulaşabildiğine işaret etmektedir. TN ve ph ın aynı temel bileşende yer alması, ph değişimlerine bağlı olarak sistemdeki azot türlerinin değişiminden ve buna bağlı olarak sistemde sınırlayıcı elementin değişmesinden kaynaklanabilir yılında, TP sıcaklık ve güneşlenme ile ilgili meteorolojik değişkenlerle negatif korelasyon göstermiştir. Aynı şekilde bu değişkenler ilk temel bileşen içinde yer almıştır. Bu da ısının ve güneşlenmenin alg konsantrasyonunu arttırmasıyla fosfor kullanımına bağlı olabilir. Bu da 2007 yılında gölün fosfor kısıtlı olduğu anlamına gelebilir yılında ise aynı durum TN için geçerlidir. Bu da 2008 yılında gölün azot kısıtlı olduğu izlenimini vermektedir. Bu durumun varlığını göstermek için 2007 ve 2008 yılllarında, Çizelge 2 de verilen OECD [8] kriterleri kullanılarak TN/TP oranlarına (Şekil 3) bakılmış, hangi besin maddesinin alg aktivitesini kısıtladığı irdelenmiştir. Şekil 3 te görülebileceği gibi 2007 yılında göl büyük oranda fosfor kısıtlıyken 2008 yılının büyük çoğunluğunda azot kısıtlıdır. Bu da TBA ile elde edilen sonuçların mantıklı olduğunu göstermektedir yılında TP ilk temel bileşen (F1) içinde yer alırken, 2008 yılında TN F1 içerisinde yer almıştır. Çizelge 1. Chl-a, AKM, TN, TP, KOİ ve ÇO ile yüksek (> 0.6) korelasyon gösteren parametreler Chl-a KOİ Yağış AKM 0.63 AKM - - ph KOİ Chl-a 0.63 TN Yağış 0.67 Günlük Güneşlenme Şiddeti Hava Sıcaklığı Toprak Sıcaklığı Su Sıcaklığı Günlük Güneşlenme Şiddeti Süresi Rüzgar TP Su Sıcaklığı Basınç Hava Sıcaklığı Toplam Koliform 0.76 Toprak Sıcaklığı NH 4 -N 0.75 Günlük Güneşlenme Şiddeti Ei Basınç KOİ Toplam Koliform 0.64 Yağış 0.97 ph 0.63 Chl-a 0.76 Rüzgar AKM 0.63 ÇO - - Elektriksel İletkenlik Tuzluluk -0.68

4 36 F. Yenilmez ve ark. / Bibad, 3 (2): 33-38, 2010 Şekil 2. Temel bileşenler Çizelge 2. Göllerde Kısıtlı besin maddesi tayini için TN ve TP oranları [8] TN/TP Kısıtlayıcı besin maddesi < 10 N N ve/veya P > 17 P Şekil yılları arasında Mogan Gölü nde gözlenen TN/TP oranları Elektriksel iletkenlik ve tuzluluk parametrelerinin göl hacmindeki değişimlere karşı hassas olduğu bilinmektedir yılı Ankara için oldukça kurak geçmiş, göl hacminde azalma gözlenmiştir. Ancak, 18 Mayıs 2008 tarihinden itibaren [9] Mogan Gölü ne Kızılırmak tan su verilmiştir. Kızılırmak suyunun kalitesi de göz önünde bulundurulduğunda elektriksel iletkenlik ve tuzluluk oranlarında önemli değişiklikler söz konusu olması muhtemeldir. Korelasyon analizi, 2008 yılında ÇO nun büyük ölçüde elektriksel iletkenlik ve tuzluluk ile ilişkili olduğunu ve beklendiği şekilde negatif bir korelasyonun mevcut olduğunu göstermektedir. TBA, F2 de yer alan ÇO nun 2008 yılında, göl su kalitesindeki değişimi anlatmak için kullanılabilecek bir parametre olduğuna işaret etmektedir. Her iki yıl için de rüzgar ve basıncın etkili parametreler olarak temel bileşenler içinde görünmesi, gölde karışıma (turnover) bağlı su kalitesi değişimindeki etkiye de işaret etmektedir. TBA, meteorolojik koşulların hem 2007 hem de 2008 yıllarında su kalitesi üzerindeki etkisini ortaya koymaktadır yılı için temel bileşenlerden F1 ve F2 incelendiğinde, F1 in su kalitesindeki değişimin %42 sini açıkladığı görülmektedir. Bu bileşen, çoğunlukla meteorolojik değişkenleri içermektedir. F2 çoğunlukla su kalite parametrelerini içermekte olup, F1 e ek olarak değişimin %22 lik kısmını açıklamaktadır yılına ait TBA sonuçlarına bakıldığında, Şekil 2 de listelenen 4 temel bileşen, toplamda veri setindeki değişimin %87 sini açıklamaktadır. Bazı parametreler, bulundukları bileşene etkileri açısından benzer önemlere sahip olduklarından birden fazla bileşende yer alabilmektedir (örneğin 2008 için basınç) yılında, yine meteorolojik koşulların su kalitesindeki değişimi anlatmakta kısıtlayıcı besin maddesi kadar etkin olduğu gözlenmiştir. İlk temel bileşen değişimin %38 ine karşılık gelmektedir yılında 3 temel bileşen, verideki değişimin toplamda %79 unu açıklamaktadır. Hem 2007 hem de 2008 yıllarına ait sonuçlar, su kalite parametrelerinin kendi aralarındaki yakın ilişkilere ek olarak, meteorolojik koşullarında su kalitesindeki değişim üzerine önemli bir etkiye sahip olduğunu ortaya koymuştur. Şekil 4 ve Şekil 5, sırasıyla temel bileşen setleri F1, F2 ve F3 ü oluşturan parametreler arasındaki ilişkileri göstermektedir. Daha kolay yorumlanabilmesi amacıyla, temel bileşen eksenler baz alınarak gösterilmiştir. Grafikler üzerindeki noktalardan her biri bir parametreyi temsil etmekte olup, grafiklerde yer alan parameterlerin birbirleriyle olan ilişkileri rahatlıkla görülebilmektedir. Grafiklerde yalnızca etkin olan parametrelere yer verilmiştir. Bu grafiklerde parametreler grafik merkezinden uzaksa ve birbirlerine yakın ise bu parametreler arasında pozitif korelasyon vardır. Söz konusu parametreler aynı hizada yatay veya düşey düzleme dik ise parametreler arasında korelasyon mevcut değildir. Parametreler merkeze göre çapraz bölgelerde yer alıyor ise parametreler negatif korelasyona sahiptirler.

5 F. Yenilmez ve ark. / Bibad, 3 (2): 33-38, Şekil yılı temel bileşenlerini oluşturan parametrelerin ilişkileri Şekil yılı temel bileşenleri oluşturan parametrelerin ilişkileri

6 38 F. Yenilmez ve ark. / Bibad, 3 (2): 33-38, 2010 Örneğin Şekil 4 te yer alan F1 ve F2 ilişkisinde KOİ ile ph ve toplam koliform (TK) arasında pozitif yönde, rüzgar ile ise negatif yönde bir korelasyonun mevcudiyeti açıkça görülmektedir. Benzer şekilde, Şekil 5 te F3 ve F2 ilişkisine bakıldığında, KOİ, AKM ve yağış (Y) arasında pozitif korelasyonlar mevcuttur. Şekil 4 ve 5 teki sonuçlar Çizelge 1 dekilerle karşılaştırıldığında, Şekil 4 ve 5 te daha fazla parametre arasında pozitif korelasyon varmış gibi görünmektedir. Bu farklılık, Çizelge 1 de sadece 0.6 nın üzerinde korelasyon katsayısına sahip parametrelerin dikkate alınmasından kaynaklanmaktadır. Grafiklerden de görüleceği üzere, temel bileşenlerin parametreler arasındaki değişimi açıklayabilme oranına (yüzdesine) göre parametreler arasında gruplaşma yada merkeze göre karşı tarafta olma oranı değişmektedir. Örneğin Şekil 5 te yer alan F1 ve F3 ilişkisi, toplamda %56 lık bir değişimi açıklayabilmektedir. Bu oran ile parametreler arasındaki gruplaşma (korelasyon katsayısının yüksekliğine ve işaretine bağlı olarak) artmaktadır. SONUÇ TBA ya göre Mogan Gölü nde, meteorolojik değişkenler ve su kalite parametreleri arasında önemli korelasyonlar mevcuttur. Bu sebeple, su kalitesinin belirlenmesi amaçlı örnekleme çalışmalarında meteorolojik parametre ölçümlerinin de yapılmasında yarar olabilir. Su kalitesinin değerlendirilmesinde meteorolojik koşullar da göz önünde bulundurulmalıdır. Su kalitesi izleme çalışmalarında ölçülecek parametrelerin sayısının azaltılması, analiz maliyetlerinin yüksek olduğu durumlarda önemli bir husus olabilir. Bu çalışmada elde edilen sonuçlar bazı parametrelerin su kalitesindeki değişimi anlatmak için daha önemli olduğunu ortaya çıkarmıştır. Su kalitesindeki değişimi yüksek oranda anlatan temel bileşenlerdeki parametrelerin ölçümünde gerekli özen gösterilmelidir. KAYNAKLAR [1] Öztürk, M., Çelik, R., Diyarbakır Ovasının Yeraltı Su Seviye Haritalarının Coğrafik Bilgi Sistemi (CBS) ile Tespiti, TMMOB 2. Su Politikaları Kongresi, Mart 2008, Ankara, s: [2] Jolliffe, I. T., Principal Component Analysis, Springer Series in Statistics, Second Edition. [3] Altınbilek, D., Kutoğlu, Y., Soyupak, S., Yazıcıgil, H., Usul, N., Doyuran, V., Göğüş, M., Gökçay, C., Günyaktı, A., Özsan, E., Sürücü, G., ve Merzi, N., Gölbaşı Mogan-Eymir Gölleri için su kaynakları ve çevre yönetim planı projesi, Teknik Rapor, Ankara Büyükşehir Belediye Başkanlığı, Ankara Su ve Kanalizasyon İdaresi Genel Müdürlüğü. [4] Elahdab, T., Investigation of Algae Distribution in Eymir Lake Using Site Measurements and Remotely Sensed Data, M.S. Thesis, Middle East Technical University, The Department of Environmental Engineering. [5] Everit B.S., Dunn G., Applied Multivariate Data Analysis, Oxford University Pres, ISBN: , New york. [6] Wold S., Esbensen K. and Geladi P., Principal Component Analysis, Chemom., Intell. Lab. System. Vol.2, pp [7] Bryman, A., Cramer, D., Quantitative data analysis with SPSS release 10 for Windows: A guide for social scientist, Routledge Inc. [8] OECD, Eutrophication of Waters-Monitoring, Assessment and Control, OECD. [9] Özel Çevre Koruma Kurumu Başkanlığı (ÖÇKKB), Gölbaşı Özel Çevre Koruma Bölgesi Mogan Eymir Gölleri Su Bütçesi, TR/Icerik_Detay.ASP?Icerik=275