SWAT MODELİNİN MOGAN HAVZASI İÇİN KURULUM AŞAMALARI Mogan Gölü Havzasında Tarımsal Faaliyetlerden Kaynaklanan Yayılı Kirliliğin ve Kontrol Yöntemlerinin SWAT Modeli ile Değerlendirilmesi Program Kodu: 3501 Proje No: 111Y284 Proje Yürütücüsü: Doç.Dr. Emre Alp ODTÜ Çevre Mühendisliği Bölümü Araştırmacı(lar): Doç.Dr. Elçin Kentel (ODTÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü) Danışman(lar): Aynur Hatipoğlu (Çevre ve Şehircilik Bakanlığı) Doç.Dr. Oğuz Başkan (Gıda, Tarım Ve Hayvancılık Bakanlığı - Toprak, Su Kaynakları Merkez Araştırma Enstitüsü Müdürlüğü) Prof.Dr. Hafize Şebnem Düzgün (ODTÜ Maden Mühendisliği Bölümü) Bursiyer(ler): Zeynep Özcan (ODTÜ Çevre Mühendisliği Bölümü) Meltem Nihan Aksoy (ODTÜ Çevre Mühendisliği Bölümü) Yunus Emre Hepgüneş (ODTÜ Çevre Mühendisliği Bölümü) Özge Yücel (ODTÜ Çevre Mühendisliği Bölümü) Gizem Gül Topal (ODTÜ Çevre Mühendisliği Bölümü) Gizem Aktoprak (ODTÜ Çevre Mühendisliği Bölümü) Emin Calbay (ODTÜ Çevre Mühendisliği Bölümü) Oya Özçelik (ODTÜ Çevre Mühendisliği Bölümü) Projeye Katkıda Bulunan Diğer Araştırmacılar Melike Kiraz (ODTÜ Çevre Mühendisliği Bölümü) Mahmut Cavur (Kuzgun Bilişim) Leili Nabdel (ODTÜ-Jeodezi ve Coğrafi Bilgi Teknolojileri E.A.B.D) Hilal Soydan (ODTÜ Maden Mühendisliği Bölümü) Uğur Alkan (ODTÜ Maden Mühendisliği Bölümü) Okan Bilge Özdemir (ODTÜ Enformatik Enstitüsü) KASIM 2014 ANKARA
EK 1 SWAT MODELİNİN MOGAN HAVZASI İÇİN KURULUM AŞAMALARI ArcGIS ortamında uzantı olarak çalışan SWAT ın menüsünden New SWAT Project ile yeni bir klasöre projenin kurulumu yapıldı (Şekil 117). Şekil 117. Proje kurulumu Daha sonra Watershed Delineator menüsünden havzanın belirlenmesi işlemine geçildi. Burada ilk olarak DEM haritası seçildikten sonra (Şekil 118) Dem projection setup kısmındaki Z değeri metre olarak seçildi (Şekil 119). Model iki şekilde derelerin yerlerini belirlemektedir. İlk seçenekte model otomatik olarak derelerin yerlerini belirlemektedir. İkinci seçenekte otomatik olarak oluşturulan dereler gerçeğe yakın çıkmazsa uydu görüntüsünden hazırlanan dereler shape dosyası olarak sisteme tanıtılabilir. Otomatik olarak hazırlanan dere ağı gerçeğe yakın çıkmadığı için uydu görüntüsünden hazırlanan burn in dosyası seçildi ve Flow direction and accumulation kısmında bulunan sarı kareye basılarak akış yönü ve birikimi hesaplandı. Şekil 118 de bulunan Area kısmına 600 ha girilerek dere kollarının daha detaylı çıkması sağlandı ve Create streams and outlets tuşuna basılarak network belirlendi. Bu işlemden sonra çalışma alanı dışında kalan 260
noktalar Delete ile silindi ve havzanın çıkış noktasına Add tuşuyla 1 adet nokta konuldu. Çölova Deresi ne ait outlet Outlet and Inlet Definition bölümündeki Inlet of draining watershed seçeneği kullanılarak inlet olarak seçildi. Add point source to each subbasin seçeneği kullanılarak her bir alt havzaya noktasal kirletici kaynağının koyulması sağlandı. Bu işlemin sebebi modelin daha sonraki aşamalarda havzaya noktasal kaynaklı kirletici eklenmesine izin vermemesidir. Bu işlemle havzaya eklenen noktasal kaynaklı kirleticilerin kirlilik yükü 0 dır. Daha sonra havzaya noktasal kaynaklı herhangi bir kirletici dahil olur veya böyle bir kirleticinin etkisi araştırılmak istenirse, Edit Swat Input menüsünden bu işlemi gerçekleştirmek mümkündür. Delineate watershed butonunun aktif olabilmesi için Whole watershed outlet seçilmesi gerekmektedir. Bu sebeple daha önce havza çıkışına konulan nokta Whole Watershed outlet tuşuyla havzanın çıkış noktası olarak seçilmiş ve havza sınırın belirlenmesi ve alt havzaların oluşturulması için Delineate watershed tuşuna basılmıştır. Ayrıca Reduced report output ve Skip stream geometry check kutucukları işaretlenerek Calculate subbasin parameters tuşuna basılmış ve bu işlemle havzanın parametre değerleri hesaplanmıştır. Calculation of Subbasin Parameters bölümünde gerçekleştirilebilecek bir diğer işlem ise havzaya rezervuar eklenmesi işlemidir. Havzada yapay/doğal göl veya bir rezervuar varsa Add or delete reservoir seçeneği kullanılarak eklenmelidir. Modelin sonraki aşamalarında bu işlem gerçekleştirilememektedir. Mogan Gölü Havzası içerisinde kalan Mogan ve Eymir Gölleri bu seçenek kullanılarak havzaya eklenmiştir. Son olarak Exit tuşuyla sistemden çıkılmış ve elde edilen haritalar GDB ye aktarılmıştır (Şekil 120). Bu işleme göre elde edilen havza sınırı, dereler ve alt havzalar Şekil 121 ve Şekil 122 de gösterilmiştir. Watershed delineation sonrası alan dağılımını havzalara göre gösteren Topographic Report seçilerek incelenebilir Şekil 123. 261
Şekil 118. Watershed Delineation işlemi 262
Şekil 119. Z değerinin seçimi. Şekil 120. Watershed Delineationdan elde edilen haritaların GDB ye aktarılması. 263
Şekil 121. Dereler ve havza sınırı. 264
Şekil 122. Alt havzalar ve havza sınırı. 265
Şekil 123. Topografik rapor seçimi. Watershed Delineation dan sonraki basamak olan HRU Analysis kısmıdır. Burada öncelikle arazi kullanımı (landuse) haritası sisteme tanıtılmıştır. Choose Grid Field dan Value seçilerek OK a basılmıştır (Şekil 125). Arazi kullanımı sınıflarının sisteme tanıtılması için Lookup Table oluşturulmuştur. Oluşturulan tablo Şekil 124 de gösterilmiştir. Şekil 124. Lookup Table: Arazi kullanımı Uydu Görüntüsüne yapılan Land Use Land Cover ile 9 tane sınıf elde edilmiştir. Bunlar su, orman, ekili arazi, yol, yerleşim, maden sahası, nadas, mera ve boş arazidir. Daha sonra Reclasiffy tuşuna basılarak sınıflar tekrar sınıflandırılmıştır (Şekil 125). 266
Arazi kullanımından sonraki aşama toprak sınıflarının sisteme tanıtılmasıdır. Soil Data sekmesinde (Şekil 126) toprak haritası tanıtıldıktan sonra çıkan kutucukta Input_FID seçilerek OK a basılmıştır (Şekil 127). Yine (Şekil 126) Value seçilerek OK a basılmış ve UserSoil Soil Database Option olarak seçilmiştir. Landuse da olduğu gibi toprak sınıflarının sisteme tanıtılması için Lookup table oluşturulmuştur. Oluşturulan Lookup Table Şekil 128 de gösterilmiştir. Tekrar Reclassify tuşuna basılıp toprak sınıfları sınıflandırılmıştır. HRU analizinde son aşama eğim (slope) sınıflarının oluşturulmasıdır. Son sekme olan Slope sekmesinde Multiple Slope seçeneği seçilerek Number of Slope Classes için 5 seçilmiştir (Şekil 130). Daha sonra Current Slope Class tan herbir sınıf tek tek seçilerek sırasıyla 1, 3, 5 ve 10 değerleri atanmıştır. Bütün sekmeler doldurulduktan sonra aktif olan Overlay tuşuna basılarak tanıtılan haritaların (arazi kullanımı, toprak ve eğim) üst üste getirilmesi işlemi yapılmıştır. 267
Şekil 125: Landuse veri kısmının doldurulması. 268
Şekil 126. Soil Data kısmının doldurulması Şekil 127. Toprak haritasının tanıtımından sonra çıkan kutucuk 269
Şekil 128. Lookup Table: Toprak sınıfları Şekil 129. Toprak veritabanı usersoil tablosu 270
Şekil 130. Soil sekmesinin doldurulması HRU Analysis menüsünün altında bulunan HRU Definition dan Multiple HRUs seçilerek Landuse, Soil ve Slope % değerleri girilmiş ve bu değerlere göre Create HRUs tuşuna basılarak HRU lar (Hydrologic Response Unit) hesaplanmıştır (Şekil 131). Buradaki değerler Şekil 132 de gösterilen HRU Analysis Report ta elde edilen ilk rapora bakılarak karar verilmiştir. Seçilen değerlerin altında bulunan toprak kullanımı, toprak ve eğim değeri varsa, küçük olduğundan dolayı yok sayılıp işleme devam edilmektedir. Yeni dağılımlar ise alt havzalar için geriye kalanlar üzerinden 100 % e tamamlanmaktadır. Şekil 132 de gösterilen ikinci rapora bakılarak yeni dağılımlar gözlemlenebilir. HRU Analizi sonucu elde edilen arazi kullanımı haritası Şekil 133 de, toprak haritası Şekil 134 ve eğim haritası Şekil 135 de gösterilmiştir. 271
Şekil 131. HRU Definition kısmının doldurulması. 272
Şekil 132. Overlaydan sonra elde edilen ilk rapor ve HRU Definitionı yapıldıktan sonra elde edilen raporların seçilmesi. 273
Şekil 133. HRU Analizi sonucu elde edilen Landuse haritası. 274
Şekil 134. HRU Analizi sonucu elde edilen Toprak haritası. 275
Şekil 135. HRU Analizi sonucu elde edilen eğim haritası. 276
HRU Analysis de gerekli işlemler yapıldıktan sonra Write Input Tables menüsünden Weather Data Definition kısmı doldurulmuştur. Bu kısımda tanıtılan veriler WGNmaker ile manuelindeki istenilen formatta hazırlanmış ve WGNmaker Macrosuna tanıtılarak SWAT için gerekli girdiler elde edilmiştir (Şekil 136). Daha sonra elde edilen istatistiksel tablo Access Databasedeki WGEN_user tablosuna girildi (Şekil 137). Weather Generator Data sekmesinde Locations Table dan WGEN_user seçildi (Şekil 138). Burada gerekli olan bütün bilgiler WGNmaker ile hesaplanarak database e aktarılmıştır. Rainfall sekmesinde (Şekil 139) Raingages seçilerek Locations Table kısmına SWAT ın istediği formatta hazırlanan yağmur dosyası tanıtıldı. Temperature Data sekmesinde (Şekil 140) Climate Stations seçilerek sıcaklık dosyası tanıtılmıştır. Daha sonra Relative Humidity Data sekmesinde (Şekil 141) Relative Humidity Gages seçilerek yine SWAT ın istediği formatta hazırlanmış olan nem dosyası tanıtıldı. Solar Radiation Data sekmesinde de (Şekil 142) Solar Gages seçildikten sonra güneş ışıması dosyası sisteme tanıtılmıştır. Son olarak Wind Speed Data sekmesinde (Şekil 143) Wind Gages seçilerek rüzgar doyası sisteme tanıtılmış ve OK tuşuna basılmıştır. Şekil 136. WgnMaker Excel Macrosu 277
Şekil 137. Access Database deki WGEN_user tablosu Şekil 138. Weather Data Definition kutucuğu 278
Şekil 139. Rainfall Data sekmesi Şekil 140. Temperature Data sekmesi 279
Şekil 141. Relative Humidity Data sekmesi Şekil 142. Solar Radiation Data sekmesi 280
Şekil 143. Wind Speed Data sekmesi Yine Write Input Tables menüsünün altında bulunan Write SWAT Database Tables açılarak (Şekil 144) Select All tuşuna basılarak bütün tablolar seçilmiş ve Create Tables tuşuna basılarak SWAT veritabanı tabloları oluşturulmuştur. 281
Şekil 144. Write SWAT Database Tables işlemi Edit SWAT Input menüsünden Databases, Point Source Discharges, Inlet Discharges, Reservoirs, Subbasins Data, Watershed Data, Rewrite SWAT Input Files ve Integrate APEX Model seçilerek sisteme tanıtılan veriler değiştirilebilir. Bu çalışma kapsamında SWAT modeli ne Mogan Gölü Havzası na herhangi bir noktasal kaynaklı kirletici girilmemiştir. Dolayısıyla Point Source Discharges sekmesiyle herhangi bir değişiklik yapılmamıştır. Ancak Çölova Deresi outleti modele inlet olarak tanıtıldığı için bu inlete ait veriler Inlet Discharges sekmesi kullanılarak girilmelidir. Çölova deresi outlet noktası na girilen verilerin Excel formatı Şekil 145 te gösterilmiştir. Ancak modele bu verilerin dbf olarak girilmesi gerekmektedir. 282
Şekil 145. Çölova deresi inlet girdi verileri Excel tablosu Daha önce Mogan ve Eymir Gölleri modele rezervuar olarak tanıtılmıştı. Bu aşamada modele tanıtılan rezervuarlara ait verilerin girilmesi gerekmektedir. Bu verilerin modele girilmesi ise Edit Swat Input menüsündeki Reservoirs seçeneği ile yapılmaktadır. Bu seçeneğe girildiğinde havzada daha önce tanıtılmış olan rezervuarlar listelenecektir ( Şekil 146). Değişiklik yapılmak istenen rezervuar bu listeden seçilir. Şekil 146. Reservuar seçim işlemi Bu çalışma kapsamında Eymir Gölü için girilen veriler Şekil 147 de gösterilmiştir. 283
Şekil 147. Eymir Gölü rezervuar girdileri Edit SWAT Input menüsündeki Subbasins Data sekmesinden alt havzalarla ilgili değişiklikler yapılabilir. Subbasins Data sekmesine girildiğinde değişiklik yapılabilecek 13 girdi tablosu vardır (Şekil 148). Bu tablolardan Management (.Mgt) tablosu havzada gerçekleştirilen tarımsal uygulamaların modele tanıtıldığı tablodur. Bu tabloda ilk sekme General Parameters sekmesidir (Şekil 149). Simulasyonların başlangıç yılı olan 2007 yılında havzada ekili arazilerde buğday ekili olduğu için Initial Land Cover buğday (winter wheat) olarak seçilmiştir. 284
Şekil 148. Subbasins Data girdi tabloları 285
Şekil 149. Subbasins Data/Management (.mgt)/general Parameters sekmesi Operations sekmesinde ise havzada ekili arazilerde hangi uygulamaların ne zaman gerçekleştirildiği ile ilgili veriler modele tanıtılmıştır (Şekil 150, Şekil 151 ve Şekil 152). 286
Şekil 150. Havzada gerçekleştirilen tarımsal uygulamalar - 1 Şekil 151. Havzada gerçekleştirilen tarımsal uygulamalar - 2 Şekil 152. Havzada gerçekleştirilen tarımsal uygulamalar - 3 287
Edit SWAT Input menüsünde gerekli değişiklikler yapıldıktan sonra model kullanıma hazır hale gelmiş ve son menü olan SWAT Simulation menüsüne geçilmiştir. Modeli çalıştırmak için Şekil 153 te de görülen simülasyon ayarları yapılmıştır. Setup SWAT Run tuşuna basıldıktan sonra Run SWAT tuşu ile model çalıştırılmıştır. Model çalışması bittikten sonra aynı menüde bulunan Read SWAT Output ile model sonuçları okunabilmektedir. Şekil 154 te görüldüğü gibi hangi işlemler için sonuçlar alınmak isteniyorsa onlar seçilmiş ve Import Files to Database tuşuyla modelin veritabanına aktarılması sağlanmıştır. Run SWATCheck e basılarak (Şekil 155) Hydrology, Sediment, Nitrogen Cycle, Phosphorus Cycle, Plant Growth, Landscape Nutrient Losses, Landuse Summary, Instream Processes, Point Sources ve Reservoirs sekmelerinden havzanın tamamı için kontroller yapılmıştır. Modelin kalibrasyonu manuel olarak SWAT Simulation menüsü altında bulunan Manual Calibration Helper ile yapılabilmektedir. Burada (Şekil 156) modelin kalibre edilmesinde kullanılacak parametreler Select Parameter ile seçilerek Mathematical Operations kısmından Value kısmına girilen sayı ile toplanabilir, çıkarılabilir veya değiştirilebilir. Daha sonra kalibre edilecek parametre için subbasins, landuse, soils ve slope kısmından değerler tek tek seçilebileceği gibi bütün havza için All seçilerek de uygulanabilir. Şekil 153. Simülasyon ayarları 288
Şekil 154. Read SWAT Output işleminin yapılması 289
Şekil 155. SWAT Check Şekil 156. Manual Calibration Helper 290