COĞRAFİ BİLGİ SİSTEMLERİ YARDIMIYLA HAVZA KARAKTERİSTİKLERİNİN BELİRLENMESİ

Transkript

1 COĞRAFİ BİLGİ SİSTEMLERİ YARDIMIYLA HAVZA KARAKTERİSTİKLERİNİN BELİRLENMESİ Mustafa Utku YILMAZ 1, Evren ÖZGÜR 2, E. Beyhan YEĞEN 3 1 Kırklareli Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü, Kırklareli (utkuyilmaz@klu.edu.tr) 2 İstanbul Teknik Üniversitesi, Uçak ve Uzay Bilimleri Fakültesi, Meteoroloji Mühendisliği Bölümü, İstanbul (ozgurev@itu.edu.tr) 3 İstanbul Teknik Üniversitesi, İnşaat Fakültesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü, İstanbul (emineb@itu.edu.tr) ÖZET Coğrafi Bilgi Sistemleri (CBS) konuma dayalı gözlemlerle elde edilen her türlü coğrafi referanslı bilginin toplanması, saklanması, işlenmesi, kullanılması, analizi ve kullanıcıya sunulması işlevlerini bir bütünlük halinde yerine getiren bilgi sistemidir. CBS çevre bilimleri, hidroloji ve su kaynakları da dahil olmak üzere çok sayıda uygulama alanına sahiptir. Bu çalışmada, coğrafi bilgi sistemleri kullanılarak Çankırı havzasına ait sınırlar belirlenmiştir. Daha sonra havzanın alan, çevre, genişlik, minimum, maksimum ve ortalama yükseklik, bakı, ortalama eğim ve drenaj yoğunluğu gibi fiziksel ve akış karakteristikleri belirlenmiştir. Çalışma Çankırı-Şabanözü alt havzasında gerçekleştirilmiştir. Havza çıkış noktasının koordinatı 40 27' 24'' K ' 15'' D şeklindedir. Çalışmada NASA'nın Aster uydusundan alınan, 30- m yatay çözünürlüğe sahip sayısal yükseklik modeli verileri kullanılmıştır. Havzanın sınırları ArcGIS yazılımı kullanılarak belirlenmiştir. Ardından aynı yazılım yardımıyla havzaya ait fiziksel özellikler hesaplanmıştır. Son olarak, programdan elde edilen sonuçlar gözlem ve hesaplamalar ile karşılaştırılmıştır. ArcGIS programından elde edilen çıktılar iki önemli sonuç ortaya koymaktadır: Birincisi, CBS yazılımları gözlem ve hesaplamalara oldukça yakın sonuçlar göstermektedir. İkinci önemli sonuç ise sürecin klasik yöntemlere ve yaklaşımlara nazaran hızlı gerçekleşmesidir. Anahtar Kelimeler: CBS, havza, hidroloji, ArcGIS. DETERMINATION OF BASIN CHARACTERISTICS BY MEANS OF ABSTRACT GEOGRAPHICAL INFORMATION SYSTEMS Geographical Information Systems (GIS) is an information system which is used to collect, store, manipulate, manage and present all forms of geographical information. This geographical informations are obtained from location-based observations. GIS is widely used in scientific studies such as environmental science, hydrology and water resources. In this study, watershed boundaries were identified for Cankiri-Sabanozu subbasin by using GIS. After that, physical and flow characteristics of basin such as area, perimeter, width, minimum, maximum and mean elevation, aspect, mean slope and drainage density were defined. The study was carried out at Cankiri-Sabanozu small watershed area. The coordinate of river mouth is 40 27' 24'' N ' 15'' E. In the study, digital elevation data taken from Aster satellite of NASA were used. The data have 30-meter horizontal resolution. Watershed boundary of basin was defined by using ArcGIS software. Physical properties were calculated with the help of the same software. Finally, the results of the program were compared with observations and calculations. The results taken from ArcGIS indicate two important points. First important point is that GIS softwares can have very close approximation to the observation and calculation values. Second result indicate that the process can occur faster than ordinary methods and approaches. Key Words: GIS, basin, hydrology, ArcGIS.

2 1. GİRİŞ Coğrafi Bilgi Sistemleri (CBS), coğrafi temelli bilgilerin toplanması, depolanması, işlenmesi, analizi ve sunulması amacıyla bir araya getirilmiş olan donanım, yazılım, personel ve coğrafi veriler bütünü olarak adlandırılmaktadır (Huisman ve de By, 2009). CBS jeodezi, coğrafya, jeoloji, meteoroloji, ormancılık, hidroloji vb. birçok farklı disiplinde uygulama alanına sahiptir. Özellikle hidroloji ve su kaynakları alanlarında CBS kullanımı son yıllarda yaygınlaşmaya başlamıştır. Hidrolojide CBS kullanılan alanların başında yağış-akış modelleri, taşkın öngörüsü ve yönetimi, erozyon tahmini ve kontrolü ile su kalitesi tahmini ve kontrolü gelmektedir (Singh ve Fiorentino, 1996). Bunların dışında havza ile ilgili çalışmalarda da coğrafi bilgi sistemlerinin kullanımı son derece yaygındır. Havza ile ilgili kullanım alanlarına havza yönetimi, havza için sayısal yükselti modelinin çıkarılması ile havza sınırının oluşturulması ve özelliklerinin çıkarılması örnek olarak verilebilir. Yağışın akışa dönüşmesinde önemli rol oynayan havzanın karakteristiklerinin çok iyi anlaşılması gerekmektedir (Usul, 2008). CBS yazılımları kullanılarak, grid formatındaki yükseklik verilerinden drenaj havzaları ile drenaj ağları belirlenebilmekte; hidrolojik analizde önemli olan alan, eğim, yön, akış uzunluğu gibi drenaj havzasına ait veriler hesaplanabilmektedir (Smeome, 1997). Ülkemizde havzalar ile ilgili, coğrafi bilgi sistemlerinin kullanıldığı çok sayıda çalışma bulunmaktadır. Örneğin Bursa-Karacabey-İnkaya gölet havzası için yapılan bir çalışmada havza alanı, çevre uzunluğu, havza yükseklikleri, eğim, vb. birçok özelliği program yardımıyla belirlemiş ve elde edilen sonuçları gözlenmiş veriler ile karşılaştırılmıştır. Çalışma sonucunda özellikle havza alanı, havza maksimum yüksekliği ve ana su yolu eğimi gözlenen değerlere oldukça yakın sonuçlar ortaya çıkarmıştır (Aslan, 2005). Ülkemizde yapılmış olan güncel araştırmalara ise, 2014 yılında Çorlu Deresi havzası için yapılmış olan çalışma örnek verilebilir. ArcGIS yazılımı kullanılan bu çalışmada, sayısal topografik harita üzerinden klasik yöntemler yardımıyla belirlenmesi zor olan havza sınırlarının ve özelliklerinin CBS yardımıyla oluşturulacak sayısal yükseklik modeli kullanılarak kolay ve hızlı şekilde yapılabileceğine dair etkin yaklaşımlar ortaya konulmuştur (Bağdatlı ve Öztürk, 2014). Bu çalışmada ise, coğrafi bilgi sistemleri kullanılarak öncelikle havzanın sınırları ortaya koyulmuş ve havzaya ait bazı temel özellikler belirlenmeye çalışılmıştır. Daha sonra ise, programdan elde edilen sonuçlar, Köy Hizmetleri Genel Müdürlüğü tarafından aynı havza için yapılan çalışmadaki ölçüm ve gözlem sonuçları ile karşılaştırılmıştır. 2. VERİ VE YÖNTEM 2.1. Çalışma Alanı ve Veri Bu çalışmada, Çankırı-Şabanözü Mahmuthacılı Deresi havzası kullanılmıştır. Şekil 1, çalışmada kullanılan havzanın konumunu göstermektedir. Havza Çankırı iline 49 km, Şabanözü ilçesine 9 km mesafede yer almaktadır. Havza çıkış yerinin enlemi 40 27' 24'' Kuzey, boylamı ise 33 14' 15'' Doğu şeklindedir. Çalışma havzası, Kızılırmak nehri havzasında yer almaktadır (Sevinç ve diğ., 2000). Çalışmada ilk adım, ilgilenilen havzanın içinde bulunduğu sayısal yükseklik verisinin elde edilmesidir. Bunun için ASTER GDEM adı verilen küresel dijital yükseklik modelinden yararlanılmıştır. Sayısal

3 yükseklik modeli (DEM), havza topografik haritasının sayısallaştırılarak, 30m x 30m boyutlu hücrelere dönüştürülmesiyle oluşturulmuştur. Bu hücreli yapıya aynı zamanda grid adı da verilmektedir (Anonim, 1992). 2.2.Yöntem Şekil 1. Çalışmada kullanılan havzanın konumu. Çalışma kapsamında ESRI tarafından geliştirilen ArcGIS yazılımı kullanılmıştır. Yazılımdaki en önemli uygulama, tüm haritalama ve harita tabanlı sorgulama ya da analiz görevlerinin yerine getirilmesi işlemlerini gerçekleştiren ArcMap uygulamasıdır. Havza sınırının belirlenmesi için ArcMap uygulamasının Mekansal Analist (Spatial Analyst) adlı modülü kullanılmıştır. Sayısal yükseklik verisi CBS yazılımına aktarıldıktan sonra, havza sınırının belirlenmesi için ilk işlem, DEM'de yer alan boşlukların doldurulmasıdır. Bir hücre daha fazla yükseklik değerine sahip olan hücreler ile çevrildiğinde su, yükseklik değeri az olan bu hücreye doğru akacaktır. Boşluklar doldurulmadığı takdirde yüzey akışı oluşamaz. Fill Sinks komutu yardımıyla bu problem ortadan kaldırılır ve yükseklik değerleri yeniden düzenlemiş olur. Şekil 2, DEM'de oluşabilecek boşluk ve bu boşluğun doldurulmasını temsil etmektedir. Şekil 2. DEM'de oluşabilecek boşluk ve boşluğun doldurulması (Güreşci ve dig., 2012). DEM'de meydana gelen boşluk doldurulduktan sonra, akım yönünün belirlenmesi gerekmektedir. ArcGIS yazılımında yer alan Flow Direction fonksiyonu, verilen bir grid sistemi için akım yönünü hesaplamaktadır. Su akışı en düşük yükseklik değerine sahip gride doğru akacaktır. Akış yönünü

4 bilgisayar ortamında ifade etmek için 8 yönlü akım modeli kullanılır. Gridin akım yönünü gösterebilmek için Şekil 3'de belirtildiği gibi yönlere bağlı rakamsal değerler kullanılır (Güreşci ve dig., 2012). Şekil 3. Akım yönlerinin bilgisayar ortamında ifadesi (Güreşci ve dig., 2012). Şekil 4'de ise sırasıyla hücrelere ait yükseklik değerleri, akım yönleri ve bu yönlerin ArcGIS yazılımında kullanılacak olan veri tablosu görülmektedir. Şekil 4. Akım yönünün matematiksel ifadesi (Güreşci ve dig., 2012). Akım yönünün belirlenmesinden sonraki adım, akım kaynağının belirlenmesidir. Flow Accumulation fonksiyonu kullanılarak hücre içindeki toplam akımın hücreye nereden geldiği belirlenir. Bu işlem her hücre için ayrı ayrı yapılmaktadır. Bu sürecin tamamlanması sonucunda nehir kolları belirlenmeye başlamaktadır. Şekil 5, kümülatif akım yönünün şematik olarak gösterimini ifade etmektedir. (a) (b) (c) Şekil 5. Kümülatif akım yönü (Güreşci ve dig., 2012). Şekil 5a'da akım yönlerine bağlı olarak hücreler arasındaki akım ilişkileri görülmektedir. Kendilerine doğru akım oluşmayan hücrelere 0 değeri verilir. e hücresine 3, f hücresine ise 2 hücreden akış oluşmaktadır. i hücresi ise en az yükseklik değerine sahip olduğundan, diğer tüm hücrelerden akış

5 gerçekleşmektedir. Böylelikle her bir hücreye ait su toplama alanında kaç tane hücre sayısı olduğu belirlenebilir (Şekil 5c). Havza sınırının belirlenmesi için son aşamada ise, elde edilen kümülatif akımlar üzerine havza çıkış noktasının koordinatları girilerek o akışın geçtiği havza belirlenmektedir. Bunun için Mekansal Analiz modülünde yer alan Watershed adlı fonksiyondan yararlanılır. Havza sınırı belirlendikten sonra havzanın diğer tüm fiziksel özellikleri yazılım tarafından hesaplanabilmektedir. 3. ARAŞTIRMA SONUÇLARI VE TARTIŞMA Çalışmada dijital yükseklik verileri CBS ortamına aktarıldıktan sonra yöntemde anlatılan aşamalar sırasıyla uygulanmıştır. Öncelikle Çankırı-Şabanözü havzasını içine alan gridde yer alan boşluklar doldurulmuştur. Şekil 6, boşluk doldurma işlemi gerçekleştikten sonra yazılım tarafından ortaya çıkarılan ekran görüntüsünü göstermektedir. Şekil 6. Gridde yer alan boşlukların doldurulması. Gridde yer alan boşluklar doldurulduktan sonra akım yönü ve akım kaynağı belirlenmiştir. Şekil 7 sırasıyla incelenen havzanın bulunduğu griddeki akım yönleri ve akım kaynaklarını göstermektedir. Şekil 7. Su akım yönü ve akım toplamları.

6 Akım yönü ve akım kaynağı belirlendikten sonra, ana havza kollarının üzerinde incelenen alt havzanın çıkış noktasının koordinatları yazılıma girilerek havzanın sınırları belirlenir. Şekil 8, çalışmada kullanılan havzayı ve havzanın grid içindeki konumunu göstermektedir. Şekil 8. Çalışma havzası ve havzanın grid içindeki konumu. Havza sınırının belirlenmesinin ardından, havza eğim özellikleri ile havza bakı (yöney) dağılımları ortaya çıkarılmıştır. Bakı, yüzeyin kuzeyle yapmış olduğu açı değeri olarak adlandırılmaktadır. Havzanın eğimi ise, havzanın morfolojik özellikleri içerisinde yer alır ve özellikle taşkın ve heyelanların oluşumunda büyük bir etkiye sahiptir. Şekil 9 sırasıyla havza eğim özellikleri ve bakı dağılımını göstermektedir. Program sonuçlarına göre havzanın ortalama ve maksimum eğim değerleri sırasıyla %19.2 ve %82.4 olarak bulunmuştur. Programın bakı dağılım sonuçlarında ise havzanın gözlenmiş olan Kuzeybatı- Güneybatı doğrultusunda olduğu gözlenmiştir. Şekil 9. Havza eğim ve bakı (yöney) dağılımları. Tüm bu analizlerden sonra havzanın alan ve çevre uzunluğu ile diğer şekil analizleri gerçekleştirilmiştir. Tablo 1, havza özelliklerine ilişkin program sonuçları ile gözlenmiş değerlerin karşılaştırılmasını göstermektedir. Program sonucunda havzanın alanı 22.7 km 2, çevresi ise km olarak hesaplanmıştır. Havza alanı ve çevresinin ölçülen değerlerina bakıldığında programın havza alanı ve çevresini hesaplamada oldukça başarılı olduğu söylenebilir. Havza uzunluğu ve genişliği ise sırasıyla 12.2 km ve 2.86 km şeklindedir. Havza yükseklikleri 1066 m ile 1778 m arasında değişmektedir. Ortalama yükseklik

7 değeri ise 1313 m olarak bulunmuştur. Gözlem değerleri ile karşılaştırıldığında, her bir yükseklik değeri için program % 1'in altında bir hata ile yaklaşımda bulunmuştur. Tablo 1. Havza özelliklerine ait değerlerin karşılaştırılması. Havza Karakteristikleri Köy Hizmetleri Müdürlüğü Sonuçları ArcGIS Programında Belirlenen Sonuçlar Havza Alanı (km 2 ) Havza Çevre Uzunluğu (km) Havza Minimum Yüksekliği (m) Havza Ortalama Yüksekliği (m) Havza Maksimum Yüksekliği (m) Havza Yöneyi Kuzeybatı-Güneydoğu Kuzeybatı-Güneydoğu Havza Ortalama Eğimi (%) Toplam Su Yolları Uzunluğu (km) Havza Ağırlık Merkezinin Havza Çıkış Noktasına Uzaklığı (m) Drenaj Yoğunluğu (m/km 2 ) Çalışmada coğrafi bilgi sistemleri yardımıyla, sadece çıkış noktası bilinen bir havzanın sınırları belirlenmiş ve havzanın fiziksel ve akış karakteristikleri ortaya çıkarılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre CBS yazılımları gözlenen ve ölçülen değerlere oldukça yakın sonuçlar ortaya çıkarmaktadır. Sürecin uygulanma aşaması da klasik yöntemlere göre çok daha kısa sürmektedir. Sonuç olarak, coğrafi bilgi sistemleri hem araştırmacılara zaman kazandırması, hem de gözlenen değerlere yakın sonuçlar ortaya koyması sebebiyle havza ile ilgili problemlerde kullanılabilir. KAYNAKLAR Anonim. (1992). Grid Commands References. Arc/Info User's Guide, Environmental Systems Research Institute (ESRI), Inc., USA. Aslan, Ş. T. A. (2005). Coğrafi Bilgi Sistemi Olanakları ile Bazı Havza Özelliklerinin Belirlenmesi, KSÜ Fen ve Mühendislik Dergisi, 8 (2): Bağdatlı, M. C. ve Öztürk, B. (2014). Havza Morfolojik Özelliklerinin Belirlenmesinde Coğrafi Bilgi Sistemlerinin (CBS) Rolü, SAÜ Fen Bilimleri Dergisi, 18 (1): Güreşci, N. G., Seyrek, K. ve Sargın, A. H. (2012). Coğrafi Bilgi Sistemleri ile Hidroloji Uygulamaları, Devlet Su İşleri Genel Müdürlüğü, Teknoloji Dairesi Başkanlığı, CBS Şube Müdürlüğü. Huisman, O. ve de By, R. A. (2009). Principles of Geographic Information Systems, An Introductory Textbook (4th Edition), ITC, Enschede, The Netherlands.

8 Sevinç, A. N., Aykanlı, N., Akbay, Ş., Denli, Ö ve Acar, C. O. (2000). Köy Hizmetleri Genel Müdürlüğü Araştırma Havzalarının Hidrolojik Karakterleri Rehberi, Köy Hizmetleri Genel Müdürlüğü A.P.K. Dairesi Başkanlığı, Toprak ve Su Kaynakları Araştırma Şubesi Müdürlüğü, Yayın No: 113, Rehber No: 17, Menemen. Singh, V. P. ve Fiorentino, M. (1996). Geographical Information Systems in Hydrology, Springer Science Business Media B.V., Dordrecht. Smeome, C. M. (1997). Linking GIS Data to Hydrologic Models. watergis.pdf. Usul, N. (2008). Mühendislik Hidrolojisi, ODTÜ Yayıncılık, Ankara.