Ç.Ü Fen ve Mühendslk Blmler Dergs Yıl:2013 Clt:29-1 L-MOMENTLER VE STANDART YAĞIŞ İNDEKSİ (SYİ) YARDIMIYLA SEYHAN HAVZASI KURAKLIK ANALİZİ * Drought Analyss of The Seyhan Basn by Usng Standart Precptaton Index (SPI) and L-moments * Emre Topçu İnşaat Mühendslğ Anablm Dalı Neslhan SEÇKİN İnşaat Mühendslğ Anablm Dalı ÖZET Bu çalışmada Seyhan Havzası ndak 11 meteoroloj gözlem stasyonunun uzun yıllar aylık yağış serler kullanılarak Standart Yağış İndeks yöntem le havzada kuraklık ncelenmş ve Standart Yağış İndeks yöntem le belrlenen en kurak ayların yağış değerlerne L-momentler yöntemyle bölgesel frekans analz uygulanmıştır. Her stasyonun 3, 6, 9 ve 12 ay sürel SYİ değerler hesaplanmıştır. Kuraklık frekansı değerne göre kuraklığın en çok görüldüğü stasyon Karasalı ken en az görüldüğü stasyon Tufanbeyl dr. 3 ve 6 aylık mnmum yağış serlernden homojen bölgeler elde edlememştr. 9 aylık serde havza k kısma ayrılarak homojen alt havzalar elde edlmştr. 12 aylık serde se tüm havza homojen çıkmıştır. 9 aylık mnmum yağış sers çn homojen k bölgeye en y uyan dağılım Pearson Tp 3 ken 12 aylık yağış sers çn Genelleştrlmş Normal Dağılım dır. Anahtar Kelmeler : Seyhan Havzası, Standart Yağış İndeks (SYİ), L-momentler ABSTRACT The ams of ths study were to: (1) montor drought n the Seyhan Basn by usng Standart Precptaton Index (SPI) based on long-term monthly precptaton records of 11 meteorologcal statons and (2) carry out regonal frequency analyss usng L-Moments method based on recorded precptaton data of the most drought month for each year acqured from Standart Precptaton Index method for each staton. SPI values of each staton for 3, 6, 9 and 12-month tme scales were calculated. Accordng to the drought frequency values, the staton that have the hghest drought occurrence frequency s the Karasalı staton, whereas the staton that have the lowest drought frequency s the Tufanbeyl staton. Homogenous regons for 3 and 6-month tme scales mnmum precptaton seres couldn t be obtaned. Homogenous regons for 9-month tme scale mnmum precptaton seres were obtaned only by dvdng the whole basn nto two parts. The whole basn s homogenous for the 12-month tme scale mnmum precptaton seres. Accordng to the results, the Pearson Type 3 dstrbuton s found to be most sutable for two homogenous sub-basns wth respect to 9-month tme scale mnmum precptaton seres, whereas the Generalzed Normal dstrbuton s found to be most sutable for 12- month tme scale mnmum precptaton seres. Key Words : Seyhan Basn, Standart Precptaton Index (SPI), L-moments * Yüksek Lsans Tez-MSc. Thess - 19 -
Ç.Ü Fen ve Mühendslk Blmler Dergs Yıl:2013 Clt:29-1 Grş Kuraklık, br bölgede güncel yağışlarda meydana gelen eksklk veya azalma nedenyle görülen alışılmadık kuru hava koşuludur. Kuraklık klmsel br olaydır. Kuraklık genellkle, nsanların yaşam tarzlarını, aktvtelern etkler ve kullanılablr su kaynaklarında azalmayla sonuçlanır. Ürün üretkenlğnn azalması çftçlern daha az kazanmalarına neden olur. Bu da ürün fyatlarını arttırır şszlğe ve göçe sebep olur. Ürün mktarında azalma, malın ya da gıdanın dışarıdan pahalıya thal edlmesne neden olur. Bu kuraklığın ekonomk boyutudur. Kuraklık hayvan ve btk türlernde azalmaya neden olur. Vahş hayat, su ve hava kaltes, orman yangınları su kıtlığından etklenrler. Kuraklığın etkledğ br başka konu sosyal yaşamdır. Kuraklığın sosyal etkler genellkle su htyacını karşılamak steyenler arasında çıkan anlaşmazlıklar, halk sağlığı ve güvenlğ konusunda meydana gelen endşeler ve hayat kaltesnde azalmadır. Kuraklık, akademsyenler tarafından, etkledğ olaylara ve kuraklığın oluşumuna göre sınıflandırılır. Lteratürde en sık tanımı yapılan kuraklık türler meteorolojk, tarımsal ve hdrolojk kuraklıktır. Meteorolojk kuraklık hava durumu le lgldr. Ulaşılablr su kaynaklarında azalmaya neden olacak, en az 30 yıllık serdek yağış normallerne göre yağış mktarındak azalma le tanımlanır. Tarımsal kuraklık, çftlklerde, tarım arazlernde ya da otla beslenen hayvanların yayıldıkları meralarda, btklern ve çmlern gelşmek çn htyacı olan nemn toprakta belrl br değern altına düştüğünde meydana gelr. Hdrolojk kuraklık se akferlerdek, rezervuarlardak, barajlardak ve göllerdek su mktarının statstksel ortalamasının altına düştüğünde meydana gelmektedr. Tez çalışması çn seçtğmz Seyhan Havzası, Çukurova Ünverstes, Japon blm adamları ve Tübtak ın yaptığı analz sonuçlarına göre sıcaklık ortalama 2-3.5 C artacak ve yağış mktarında % 25-35 oranında azalacaktır. Hükümetlerarası İklm Değşklğ Panel nce (IPCC) Seyhan Havzası nın da bulunduğu Akdenz Bölges küresel ısınmaya karşı en hassas bölge olarak belrlenmştr. Analz yapmak çn öncelkle stasyonlardan sağlanan aylık yağış verler kullanılarak, kuraklık lteratüründe çok sık karşımıza çıkan Standart Yağış İndeks (SYİ) yöntem kullanılmıştır. İstasyonların, SYİ değerlerne göre kurak olma durumları, kuraklık frekansları bulunup gözlem süres boyunca kuraklığın nasıl değştğ araştırılmıştır. Çalışmanın dğer aşamasında dağılım parametrelern tahmn etmek çn L- Momentler teknğ kullanılarak 11 stasyona at SYİ analz sonucu le belrlenen en kurak ayların yağış mktarları değerlerne bölgesel frekans analz uygulanmıştır. Elde edlen homojen bölgelere Genelleştrlmş Normal, Genelleştrlmş Extreme Değer, Genelleştrlmş Lojstc, Genelleştrlmş Pareto, Pearson Type 3 ve Wakeby dağılımları uygulanarak tekerrür değerler bulunmuştur. Materyal ve Metot Materyal Seyhan Havzası Türkye dek 26 hdrolojk havzadan brdr. Havza 20450 km 2 alana sahp olup Türkye nn %2.82 sn oluşturur. Çalışma çn havzanın - 20 -
Ç.Ü Fen ve Mühendslk Blmler Dergs Yıl:2013 Clt:29-1 özellklernn yansıtacak 11 adet stasyon seçlmştr. Çalışmanın hassas sonuçlar vereblmes çn en az 20 yıl uzunluğunda kayıt tutmuş stasyonlardan elde edlen serler kullanılmıştır. Çalışmada kullanılan meteoroloj gözlem stasyonları ve kayıt yılları Çzelge 1 de görülmektedr. Çzelge 1. Çalışmada kullanılan meteoroloj gözlem stasyonları ve kayıt yılları Gözlem Süres Sıra İstasyon Adı İstasyon No Gözlem Yılları (Yıl) 1 Adana 17351 1970-2012 43 2 Çamardı 6893 1970-1994 25 3 Feke 6902 1970-1994 25 4 Karasalı 17936 1970-2012 43 5 Karataş 17981 1970-2012 43 6 Pınarbaşı 17802 1970-2010 41 7 Pozantı 17934 1970-1993 24 8 Sarız 17840 1970-2011 42 9 Tomarza 17837 1970-2010 41 10 Tufanbeyl 6204 1986-2012 27 11 Ulukışla 17906 1970-2012 43 Metot Standart Yağış İndeks Yöntem (SYİ) Standart Yağış İndeks 1993 yılında Mckee tarafından bölgesel kuraklığı tanımlamak ve değşmler gözlemleyeblmek çn gelştrlmştr. Herhang br zaman aralığında kurak peryotların şddetn ve özellklern belrlemek çn tasarlanmıştır. Mckee yağış mktarındak değşmn ya da kıtlığının toprak nem, akarsu akışı, yer altı suyu depolanması gb su kaynaklarını etkleyen hayat etmenlern nasıl etklendğn araştırmıştır. Kısa ya da uzun zaman aralıkları su kaynakları üzernde değşk anomaller gerçekleştrrler. Mckee kurak olayın SYİ değer sürekl -1 ve altında ken meydana geleceğn ve kurak dönemn SYİ değer poztf olunca bteceğn söylemştr. SYİ, araştırmacılar tarafından özellkle mevsmsel yan 3 ay ve 6 ay peryotluk ya da yıllık 12 ay ya da uzun sürel 24, 48, 72 ay gb peryotlar çn kuraklığı hesap etmede kullanılır. Bu çalışmada ayrıca kurak olarak belrlenen ay sayısı toplam gözlem ayı sayısına bölünerek stasyonların kurak olma frekansları elde edlmştr Standart Yağış İndeks esas olarak belrlenen zaman dlm çnde normal dağılıma dönüştürülmüş yağışın ortalamadan olan farkının standart sapmaya bölünmes le elde edlr (Eştlk 1) (McKee, 1993). - 21 -
Ç.Ü Fen ve Mühendslk Blmler Dergs Yıl:2013 Clt:29-1 (1) : Standart Yağış İndeks, : Yağış mktarı, : Yağış ortalaması : Standart sapma, j : stasyonu, : 1, 2,...,n stasyondak kronolojk kayıt sırasını göstermektedr. L-Momentler Teknğ L-Momentler, Hoskng (1986, 1990) tarafından gelştrlmştr. L-momentler yöntem parametre tahmn, bölgeselleştrme ve dağılım tanımlama gb problemler çözmede yaygın olarak kullanılmaktadır. L-momentler yöntem PWM yöntemlernn lneer br fonksyonudur. L-momentler Gebeyehu (1989) tarafından aşağıdak gb yazılablr. L r1 L- momentler; r rk r rk 1 1 k k M1,0, k k0 r (2) r=0 1 =L 1 =M 100 r=1 2 =L 2 =M 100-2M 101 =2M 110 -M 100 r=2 3 =L 3 =M 100-6M 101 +6M 102 =6M120-6M 110 +M 100 r=3 4 =L 4 =M 100-12M 101 +30M 102-20M 103 =20M 130-0M 120 +12M 110 -M 100 (3) 2 = 2 / 1 (L-varyasyon kaysayısı L-Cv) 3 = 3 / 2 (L-çarpıklık, L-Cs) 4 = 4 / 2 (L-basıklık, L-Ck) (4) Hoskng (1990, 1993) homojenlk test çn 3 statstk ölçünün hesaplanmasını önermştr. Bunlar; uyumsuzluk ölçüsü (D), heterojenlk ölçüsü (H), uygunluk ölçüsü (Z) dr. Uyumsuzluk ölçüsü (D ) Bu test L-moment oranlarına dayalıdır ve br grup stasyon çersndek uyumsuz stasyonları belrlemek çn kullanılır. Uyumsuzluk ölçüsü stasyon sayısına gore tanımlanır. Aşağıdak formül le hesaplanır. 3 T 4 u t, t, t T: Vektör yada matrsn transpozu u : Ağırlıksız grup ortalaması (5) - 22 -
Ç.Ü Fen ve Mühendslk Blmler Dergs Yıl:2013 Clt:29-1 A N u uu u T 1 (6) A: Karelernn toplamının matrs ve çapraz çarpımı T 1 u A u u 1 D N u 3 D : stasyonu n uyumsuzluk ölçüsü Heterojenlk Ölçüsü (Z) Bu ölçü br stasyon grubunun heterojenlk derecesn tespt etmek çn kullanılır. Aşağıdak eştlk (8) le bulunur. H V v v V : L-varyasyon katsayısı değerlernn ağırlıklı standart sapmasıdır. v : smüle edlmş verlern ortalamasıdır v se standart sapmasıdır. Hoskng ve Walls (1993) e göre, eğer H<1 se bölgenn kabul edleblr derecede homojen olduğunu, 1H<2 se bölgenn muhtemelen heterojen olduğunu, H2 se bölgenn kesnlkle heterojendr. Uygunluk Ölçüsü (Z) Hoskng ve Walls (1993) L-basıklık oranına bağlı uygunluk ölçüsü önermşlerdr. Bu test br stasyon grubuna uyan en y bölgesel frekans dağılımını belrlemek çn kullanılır. Dağılımın en y uyan olarak anılablmes çn Z DIST 1.64 ve 0 a yeternce yakın olmalıdır. Z DIST aşağıdak gb hesaplanır. Z R dst t 4 4 4 (9) R t 4 = belrl bölge çn gözlenmş örnek serlerden hesaplanan bölgesel ortalama L- basıklık değerler dst 4 = uygun dağılım smlasyonundan elde edlen ortalama L- basıklık değerler 4 = L- basıklık değerlernn stanadart sapması (Seçkn, 2009) (7) (8) - 23 -
Ç.Ü Fen ve Mühendslk Blmler Dergs Yıl:2013 Clt:29-1 Araştırma Bulguları ve Tartışma Bu çalışmada sadece kuraklık frekansı değerne göre en kurak stasyon olarak belrlenen Karasalı stasyonunun görsel analz sonuçlarına yer verlmştr. Havzada br ayda görülen en büyük SYİ değer 3 aylık peryotta 3.59 (olağanüstü yağışlı) le bu stasyondadır (Çzelge 2). Karasalı stasyonunda kuraklığın olduğu durumların oluşma frekansı % 50.9 olarak tespt edlmştr (Şekl 1). Ortalama yıllık SYİ ve aylık SYİ değerler grafk halne getrlmştr (Şekl 2 ve Şekl 3). Çzelge 2. Karasalı stasyonu çn 3, 6, 9 ve 12 ay peryodunda gözlenen en kurak ve en neml aylar ve SYİ değerler 3 Ay Sürel 6 Ay Sürel 9 Ay Sürel 12 Ay Sürel En Kurak Ay Nsan Temmuz Ekm Nsan Görüldüğü Yıl 1989 1989 1989 2008 SYİ Değer -3.6-2.98-2.42-2.15 En Neml Ay Mart Hazran Eylül Aralık Görüldüğü Yıl 1994 1994 1994 1994 SYİ Değer 3.59 3.42 3.45 3.31 Ortalama SYİ Değerne Göre 2007 2008 2008 2008 En Kurak Yıl SYİ Değer -0.88-1.36-1.70-1.84 Ortalama SYİ Değerne Göre 1988 1994 1994 1994 En Neml Yıl SYİ Değer 0.99 1.54 2.24 2.84-24 -
1971 1973 1975 1977 1979 1981 1983 1985 1987 1989 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 Kuraklık Yüzdes Ç.Ü Fen ve Mühendslk Blmler Dergs Yıl:2013 Clt:29-1 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 Kuraklık Yok Haff Kuraklık Orta Derece Kuraklık Şddetl Kuraklık Aşırı Kuraklık 3 Ay Sürel 50,7 34,7 8,4 3,1 2,9 6 Ay Sürel 48,0 36,5 8,6 5,7 1,2 9 Ay Sürel 48,1 36,7 8,3 5,7 1,0 12 Ay Sürel 49,4 34,5 9,1 5,2 0,8 Şekl 1. Karasalı stasyonunda kuraklık kategorlerne göre kuraklığın oluşma frekansları 12 Ay Sürel 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00-1,00-2,00-3,00 Şekl 2. Karasalı stasyonunun 12 aylık peryot çn yıllık ortalama SYİ değerler - 25 -
SYİ Ç.Ü Fen ve Mühendslk Blmler Dergs Yıl:2013 Clt:29-1 Karasalı 12 Ay Sürel 4 3 2 1 0-1 -2-3 0 48 96 144 192 240 288 336 384 432 480 528 Aylar Şekl 3. Karasalı stasyonu 12 aylık SYİ değerler Çamardı stasyonu haff kurak br stasyondur. Kurak olma yüzdes 48.3 tür. İklm az yağışlı ve kurak olma eğlm göstermştr. Pozantı stasyonu haff kurak br stasyondur. Kurak olma yüzdes 49.2 dr. 12 aylık peryot çnde görülen olağanüstü yağışlar son 10 yılda haff yağışlara dönüşmüştür. Pınarbaşı stasyonu da haff kurak br stasyondur ve kuraklık hadseler %46.3 olasılığında görülür. Havzada br ayda görülen en düşük SYİ değer 6 aylık peryot çn -3.75 (olağanüstü kuraklık) le bu stasyonda görülmüştür. Tufanbeyl stasyonu haff neml br stasyondur. %45.9 frekansında kuraklık yaşanır. Kuraklığın görülme sıklığının en az olduğu stasyondur. Sarız stasyonu haff kurak br stasyondur. Kuraklığın oluşma yüzdes 46.2 dr. Şddetl kuraklık %6.2 frekansıyla 3 aylık dönemde görülmüştür. Karataş stasyonu haff neml br stasyondur. Kuraklık %46.8 oranında meydana gelr. Tomarza stasyonu haff neml br stasyondur. Kuraklık yüzdes 46.8 dr. Adana stasyonu haff neml br stasyondur. Kuraklık yüzdes 47.7 dr. Haff kuraklık en fazla 6 aylık sürede, şddetl kuraklık se en fazla 12 aylık (yıllık) peryotta görülmüştür. 2000 l yıllardan sonra kuraklıkta an artışlar vardır. Feke stasyonu haff neml br stasyondur ve kuraklık %49.8 oranında oluşmaktadır. Ulukışla stasyonu haff neml br stasyondur. %47 oranında kuraklık olayları yaşanır. 2006 yılından sonra klm haff neml ken 2008 yılında haff kuraktır. L-Momentler yöntem uygulanınca havza 3 ve 6 aylık dönemlerde mnmum yağışlar açısından tamamen heterojen çıkmıştır yan stasyonlar tamamen brbrleryle uyumsuzdurlar. Heterojenlk ölçüsü olan H değer 1 değernn çok üstünde çıkmıştır. İstasyonları rakım, konum, yağış sers uzunluğu gb krterlere göre gruplandırarak yapılan frekans analz homojen bölge elde etmede başarısız olmuştur. Bu nedenle 3 ve 6 aylık mnmum yağış değerler tahmn etmede kullanılacak parametre ve dağılımlar bulunamamıştır. 9 aylık dönem çn se uyumsuz havzalar tespt edlmştr. Havza k parçaya bölününce k alt havza - 26 -
Ç.Ü Fen ve Mühendslk Blmler Dergs Yıl:2013 Clt:29-1 elde edlmştr. Bu havzalar heterojenlk ölçüsü H<1 değern sağladıklarından tamamen homojen çıkmışlardır (Çzelge 3). Çzelge 3. 9 aylık süre çn bölgelern heterojenlk ölçüler (H) ve Z uygunluk test sonuçları BÖLGE 1 BÖLGE 2 H1-0.21 0.59 Heterojenlk H2-1.5-0.23 H3-1.45-0.94 Gen. Extreme Value 1.25 1.33 Dağılımlar Gen. Normal 0.77 1.13 (Z) Pearson Type III -0.08 0.57 Gen. Pareto -1.12 Bu şlem stasyonların brbrlerne göre konumları ve rakım sevyeler kıyaslanarak seçlmeler sonucu olmuştur. 9 aylık süre çn 1. ve 2. bölgeye aynı anda uyan dağılımın Pearson Type III olduğu belrlenmştr. 12 aylık dönemde de havza 11 stasyon kullanarak yapılan bölgesel frekans analz sonucu tamamen homojen çıkmıştır (Çzelge 4). 12 aylık dönemde havza bütününe Genelleştrlmş Normal dağılımın en y uyduğu belrlenmştr. Dağılımların frekans eğrler Şekl 4 te görülmektedr. Çzelge 4. 12 aylık süre çn havzanın heterojenlk ölçüler (H) ve Z uygunluk test sonuçları Tüm İstasyonlar H1-0.06 Heterojenlk H2 0.68 H3 0.06 Gen. Extreme Value 1.04 Dağılımlar Gen. Normal 0.35 (Z) Pearson Type III -0.88-27 -
Q/Qort Tekerrür fonksyonu Ç.Ü Fen ve Mühendslk Blmler Dergs Yıl:2013 Clt:29-1 8 7 6 5 4 3 2 1 0-2 0 2 4 6 8 y=-ln(-ln(f)) GEV GNO PE3 WAKEBY Gözl.Değ. Şekl 4. 12 aylık süre çn havzaya at frekans eğrler Bu dağılımlar ve parametreler Seyhan Havzası nı kuraklık tehlkes le karşı karşıya bırakacak mnmum yağışların tahmnnde kullanılablr. Dğer çeştl yöntemler le yapılan kuraklık analzler le bu çalışmanın sonucu örtüşmektedr. Kaynaklar GEBEYEHU, A., 1989. Regonal Flood Frequency Analyss. The Royal Insttute of Technology, Stockholm, Sweden, Bulletn No. TRIVA-VBI-148. HOSKING, J.R.M., 1986. The Theory of Probablty Weghted Moments. Research Rep. RC 12210, 160 pp., IBM Research Dvson, Yorktown Heghts, NY. HOSKING, J.R.M., 1990. L-Moments:Analyss and Estmaton of Dstrbutons Usng Lneer Combnatons of Order Statstcs. J. Royal Statstcal Socety, 52(2): 105-124. HOSKING, J,R.M., WALLIS, J.R., 1993. Some Statstcs Useful n Regonal Frequency Analyss.Water Resour. Res., 29(2):271-281, IBM Research Dvson,Yorktown Heghts, New York. McKEE, T. B., DOESKEN, N. J., and KLEIST, J., 1993. The Relatonshp of Droght Frequency and Duraton to Tme Scales. Reprnts, 8th Conference on Appled Clmatalogy, Anahem, CA,USA, 179 184 p. SEÇKİN, N., 2009. L Momentlere Dayalı Gösterge-Sel Metodu İle Bölgesel Taşkın Frekans Analz. Çukurova Ünverstes, Fen Blmler Ensttüsü, İnşaat Mühendslğ Anablmdalı, Doktora Tez, Adana. TOPÇU, E., 2013. L-momentler ve Standart Yağış İndeks (SYİ) Yardımıyla Seyhan Havzası Kuraklık Analz. Çukurova Ünverstes, Fen Blmler Ensttüsü, İnşaat Mühendslğ Anablmdalı, Yüksek lsans Tez, Adana. - 28 -