Urmia lake desiccation as a new source of dust in themiddle east: Investigation of the anthropogenic impactsand climatic factors on drying up of urmia lake

Abstract

Son yıllarda, Aral Denizi, Ölü Deniz, Poopó Gölü, Eyre Gölü ve Mead Gölü gibi sukütlelerinin bazıları, çoğunlukla insan kaynaklı faaliyetler ve iklim değişikliği nedeniylekurumaktadır. Bu göllerin kurumasından kaynaklanan çölleşme ve tuzlanma, insanlarınsağlığı ve çevre üzerinde olumsuz etkileri olan toprak bozulmalarına ve toz fırtınalarınayol açmıştır. İran'ın en büyük gölü olan Urmiye Gölü, su yüzeyinin büyük bölümünüson 20 yılda, tarımsal gelişme ve havzadaki yağışların azalması nedeniyle kaybetti.Sonuç olarak, bu eşsiz gölün su yüzeyinin % 90'ından fazlası tuz gövdesine dönüştü.Urmiye Gölü için kapsamlı bir rehabilitasyon planı hazırlamak esastır. Böyle bir planınhazırlanmasında kritik bir adım, su bütçesi (denge) değişikliklerini ve Urmiye Gölü'nünsu seviyesindeki düşüşe neden olan gerçek faktörleri belirlemektir. Öte yandan, AraziKullanımı Arazi Örtüsünün dinamiklerini anlamak, havza'da sürdürülebilir bir suyönetim sistemine sahip olmamızın ana konularından biridir. Uzaktan algılamateknolojisi ve Coğrafi Bilgi Sistemleri (CBS), bir çevresel yönetim sistemi sağlamak,çevresel bozulmayı önlemek ve doğru ve etkili bir şekilde hareket etmek için zamaniçinde sistematik ve rastgele değişikliklerin belirlenmesine yardımcı olabilir.Bu alanlarda ayrıntılı çalışma yapılmaması nedeniyle bu tezin temel amacı;1- 1975 ve 2019 yılları arasında havza'da uzun süreli tuzlaşma ilerlemesinin, araziörtüsü değişikliklerinin ve sulanan alanların gelişiminin izlenmesi. Bu aşamada, araziincelemesi verileri ile birlikte, hidro-iklimsel verileri, Landsat uydu görüntülerini vegörüntü işleme tekniklerini kullanıldı. Tarım arazileri ve gölün ekosistemi arasındakietkileşimi anlamak sürdürülebilir bir su kaynakları yönetim sisteminin belirlenmesineyardımcı olur. Bu bölümde, LULC değişimlerini ve havzadaki tarımsal gelişimi izlemekiçin Maksimum Olabilirlik Sınıflandırması (MLC) yöntemi kullanılmıştır. Bitki örtüsüdeğişiklikleri ve tuzlanma ilerlemesi, sırasıyla Normalleştirilmiş Fark Bitki Örtüsüİndeksi (NDVI) ve toprak Tuzluluk İndeksi (SI) kullanılarak incelenmiştir.2-Kuraklık analizine ve su bütçesi denklemine dayanarak Urmiye Gölü'nün kurumasınasebep olan temel faktörlerin belirlenmesi. Bu bölümde, gölün üzerinde, iklimdeğişikliğinin etkilerini antropojenik faktörlerden ayırmak için yeni bir hipotez veyöntem önermek üzere Urmiye Gölü hakkında çok disiplinli ve kapsamlı bir araştırmayapılmıştır. Urmiye Gölü etrafındaki meteorolojik istasyonların yağış verilerinden eldeedilen Standart Yağış İndisi (SPI), kuraklık durumunu ve Urmiye Gölü kurumaüzerindeki etkilerini belirlemek için analiz edildi.3- İran'ın kuzeybatısında ve Türkiye'nin doğusundaki yerel ve bölgesel hava kirliliğiüzerindeki etkilerin belirlenmesi amacıyla, İran'da (Urmiye ve Tebriz) bulunan 2 havakalitesi istasyonunun ve Türkiye'nin doğusundaki 5 istasyonun PM10 verilerin (Hakkari,Van, Ağrı, Iğdır ve Kars), Terra MODIS ve Aqua MODIS AOD, Ozon İzleme Aracının (OMI) Ultraviyole Aerosol Endeksi verileri 2010-2017 yılları arasında analiz edildi.İklim faktörlerinin rolünü vurgulayan çalışmaların aksine Urmiye Gölü'nünkurumasında, bu çalışmanın hipotezi, antropojenik faktörlerin gölün kuruluğundakirolünün iklim faktörlerinden daha önemli olduğunu ve göl yatağının Orta Doğu'dakiyeni bir toz kaynağı olarak bilinebileceğini belirtmektedir. Bu çalışma, kentleşme, arazikullanımı değişikliği ve zaman içindeki tarımsal genişlemenin su döngüsününbozulmasına ve gölün kademeli olarak kurumasına neden olduğunu göstermektedir.Yanlış su ve tarım politikalarının iklim değişikliğiyle birlikte havzanın ortamında datuzlanma, çölleşme ve hava kirliliğine yol açan olumsuz etkileri olmuştur. Buçalışmanın sonuçları, İran'ın kuzeybatısında su krizini çözmek için özellikle UrmiyeGölü Havzasında su kaynakları yönetiminde kullanılma potansiyeline sahiptir.Bu çalışmanın sonuçları, gölün su yüzeyinin 1995'teki 5982 km2'den 2006'da 4058km2'ye düştüğünü göstermiştir. 2014 yılına kadar gölün toplam %90 alan'ı kurudu. Suyüzey alanı 2014'ten sonra yağışlardaki artış ve barajlardan daha fazla subırakılmasından dolayı arttı. Sulanan alanların alanı 2018'de yaklaşık 4850 km2 olaraktahmin edilmiştir, çalışma döneminde azami alanı (2011'de 5525 km2) ilekarşılaştırıldığında % 12 oranında bir düşüş göstermiştir. Urmiye Gölü'nün küçülmesiile tuz ve tuzdan etkilenen alanların genişletilmesi arasındaki ters korelasyon sözkonusudur. Havzadakı arazi örtüsü değişiminin kesin sonuçları, gölün mevcutkoşullarının 2013'teki koşullarına çok benzer olduğunu ve gölün geri kazanılmasınınmümkün olduğunu göstermiştir. Nehirlerden gelen su, özellikle 1998 ve 2002 yıllarıarasında son derece azalmıştır. Genel olarak, havzada 2003 ve 2010 yılları arasındaılımlı kuraklık koşulu meydana gelmiştir, ancak 2003, 2004 ve 2007 yılları normalşartlarla yıllar olarak kabul edilebilir. Göle girdi akışındaki çarpıcı düşüşün bir sonucuolarak, Urmiye Gölü bölgesi aşırı derecede azalmıştır. Urmiye Gölü'nün su dengesi1985'ten 2010'a değişmiştir ve SPI sonuçları Urmiye Gölü'nün hem antropojenik hemde iklim faktörlerinden etkilendiğini göstermiştir. Ancak, Urmiye Gölü ve havzasıüzerindeki insan etkileri iklim faktörlerinden daha fazladır. Azalmış nehirlerin göledeşarjı, Urmiye Gölü'nün hacminin azalmasında ana faktör olarak bilinir. Kuraklık,Urmiye Gölü'nün büzülmesini arttırmış ve hızlandırmıştır. Ayrıca, yeraltı suyu veyüzeysel su kaynaklarının aşırı kullanımı ve tarım alanlarının geliştirilmesi ve sukaynaklarının yanlış yönetilmesi ile Urmiye Gölü'ne su girişi önemli ölçüde azalmıştır.Urmiye Gölü'nden yeraltı suyu çıktısı üstlenilen önceki çalışmalara rağmen, buçalışmanın sonuçları gölden önemli miktarda yeraltı suyu çıktığını göstermiştir. Bufaktör, Urmiye Gölü'ne yakın bölgelerde yeraltı suyu tuzlanmasının sebeplerinden biriolabilir.Bu çalışmanın nihai sonuçları, Urmiye Gölü'nün hacmini azaltan değişkenlerdeki büyükdeğişikliklerin 1998'den beri başladığını göstermiştir. Antropojenik ve iklim değişikliği,sırasıyla 1998–2010 döneminde Urmiye Gölü'ndeki büzülme üzerinde % 80 ve% 20etkilere sahiptir. Bu çalışmanın sonuçlarına göre, Urmiye ve Iğdır istasyonlarındakiPM10 konsantrasyonları diğer istasyonlardan daha yüksekti. Her iki istasyonda da, yıllıkortalama PM10 konsantrasyonu, 2013'ten sonra belirgin bir şekilde artarken, diğeristasyonlarda önemli bir değişiklik gözlenmedi. Urmiye'de (104.247 μg/ m3) ve Iğdır'da(129.757 μg /m3) maksimum yıllık ortalama PM10 konsantrasyonları sırasıyla 2015 ve2017'de gözlenmiştir. Aylık ve mevsimlik PM10 varyasyonlarının analizi, kışın İran veTürkiye'de yüksek düzeyde PM10 konsantrasyonunu oluşturduğunu göstermiştir.Sonuçlar İran ve Türkiye'deki AOD değerlerinin kuvvetle korele olduğunu göstermiştir.Toplamda, 2010-2017 yılları arasında gölün tüm kısımlarını kapsayan kutuda ortalamaAOD değerlerinin 129 günde birden fazla olduğu gözlemlenmiş ve bu durum gölün kurumuş tabanından gelen hava kirliliği ve toz emisyonunun göstermektedir. Gölün batıkısmında ve gölün doğu kısmında günlük ortalama AOD, sırasıyla 0.348 ve 0.508 idi.Gölün doğu kısmındaki tuzlanma ve çölleşme yoğunluğu, bu kısımdaki üst düzeyAOD'lerin kaynağı olabilir.Urmiye Gölünün restorasyonu, İran'ın kuzeybatısın'daki çevre sorununun tekçözümüdür. İklim değişikliği ile adapte olmak ve değişen bir iklim altında sürdürülebilirbir su kaynakları yönetim sistemi sağlamak, gölü canlandırmanın en etkili yolu olabilir.Yöre halkına suyun önemini anlamaları, su tasarrufu becerilerinin öğretilmesi, tarımsalyöntemlerin iyileştirilmesi, tarımsal su yönetimi ve düşük su kullanımlı bitkilerinyetiştirilmesi göl rehabilitasyonunda olumlu rol oynayabilir. Barajlardan göle daha fazlasu bırakmak ve havza'da tarım alanların azatılması ve ayrıca yeni baraj ve kuyularınkurulmasının durdurulması gerekmektedir.

In recent decades, some of the world's water bodies, such as the Aral Sea, Dead Sea,Lake Poopó, Lake Eyre and Lake Mead have been shrinking mostly due to human-inducedactivities and climate change. Desertification and salinization caused by thedrying up of these lakes have led to soil degradation and dust storms, which havenegative impacts on people's health and the environment as well. Urmia Lake, thelargest inland lake of Iran has lost most of its water surface area over the past 2 decadesmainly due to agricultural development and decreasing precipitation in the basin. As aresult, more than 90% of the water surface area of this unique hypersaline lake haschanged to saline body.Preparing a comprehensive rehabilitation plan for Urmia Lake is essential. A criticalstep for preparing such a plan is quantifying the water budget (balance) changes and realfactors that cause the decline in the water level of Urmia Lake. On the other hand,understanding the dynamics of Land Use Land Cover (LULC) is one of the main issuesto have a sustainable water management system in Urmia Lake Basin. Remote sensingtechnology and Geographical Information Systems (GISs) can help to determine thesystematic and random changes over time to provide an environmental managementsystem, prevent environmental degradation and act correctly and effectively.Due to the lack of detailed studies in these fields, the main objectives of this thesis are;1- Monitoring the long-term salinization progress, land cover changes and developmentof irrigated lands in Urmia Lake Basin between 1975 and 2019. This study used hydroclimaticdata, Landsat satellite images, and image processing techniques in conjunctionwith field survey data to analyze the interaction between agricultural lands and UrmiaLake ecosystem. Understanding the interaction between agricultural lands and UrmiaLake ecosystem helps to determine a lake recovery plan and a sustainable waterresources management system in the northwestern Iran. In this section, MaximumLikelihood Classification (MLC) method was used to monitor Land Use Land Cover(LULC) changes and agricultural development in the basin. Vegetation changes andsalinization progress were investigated using Normalized Difference Vegetation Index(NDVI) and soil Salinity Index (SI), respectively.2- Determining the underlying factors for the drying up of Urmia Lake based on droughtanalysis and water budget equation. In this section, a multidisciplinary andcomprehensive investigation were performed on Urmia Lake to propose a newhypothesis and method to separate the effects of climate change from anthropogenicfactors in the shrinkage of Urmia Lake. Standardized Precipitation Index (SPI) derived from precipitation data of meteorological stations around Urmia Lake was analyzed toidentify drought condition and its effects on the Urmia Lake desiccation.3-Investigating the impacts of Urmia Lake desiccation on the local and regional aerosolpollution in the northwestern Iran and eastern Turkey using hourly ground observationPM10 data of 2 air quality stations located in the northwestern Iran (Urmia and Tabriz)and 5 stations located in the eastern Turkey (Hakkari, Van, Agri, Igdir and Kars),meteorological data of MERRA-2, Aerosol Optical Depth (AOD) data of Terra MODISand Aqua MODIS and Ultraviolet Aerosol Index data of Ozone Monitoring Instrument(OMI) observed between 2010 and 2017.Contrary to studies that emphasize the role of climatic factors in the shrinkage of UrmiaLake, the hypothesis of this study states that the role of anthropogenic factors in thedryness of the lake is more important than climatic factors and lake bed can be knownas a new source of dust in the Middle East. This study shows how urbanization, land usechange and agricultural expansion over time have led to disruption of water cycle andgradual drying up of Urmia Lake. Misguided water and agricultural policies along withclimate change have had negative impacts on Urmia Lake environment leading up tosalinization, desertification and air pollution as well.The results of this study indicated that the water surface area of Urmia Lake decreasedfrom 5982 km2 in 1995 to 4058 km2 in 2006. In other words, slightly over one third ofthe lake dried up during the period of 1995 until 2006. Nearly 90% of the total areadried up by 2014. The water surface area has increased after 2014 due to increase inprecipitation and releasing more water from dams to the lake.The input runoff has decreased extremely especially in the years between 1998 and2002. In general, moderate drought condition has occurred in the basin between 2003and 2010, but 2003, 2004 and 2007 could be considered as years with normal condition.As a result of the dramatic decrease in input runoff into the lake, the area of Urmia Lakehas decreased extremely. Water balance changes of Urmia Lake from 1985 to 2010 andSPI results indicated that Urmia Lake has been affected by both anthropogenic andclimatic factors. However, human impacts on the lake and its basin are more excessivethan climatic factors. Decreased rivers discharge into the lake could be known as themain factor in decline of the volume of Urmia Lake. Droughts have intensified andaccelerated the shrinkage of Urmia Lake. In addition, with the overuse of groundwaterand surface water resources and developing of agricultural lands and mismanagement ofwater resources, the water input into Urmia Lake has decreased significantly. Despiteprevious studies which assumed groundwater output from Urmia Lake is negligible, theresults of this study indicated a significant output of groundwater from the lake. Thisfactor can be one of the reasons of groundwater salinization in regions close to UrmiaLake. The final results of this study indicated that major changes in the variables, whichreduced the volume of Urmia Lake, started since 1998. Anthropogenic and climatechange have roughly 80% and 20% effects on Urmia Lake shrinkage in period 1998–2010, respectively.The area of irrigated lands was estimated about 4850 km2 in 2018, which indicated adecrease by 12% comparing with its maximum area (5525 km2 in 2011) in the studyperiod. Inverse correlation between shrinking Urmia Lake and expanding the area ofsalt and salt affected lands is concerning. The final results of land cover change in thebasin indicated that the current conditions of Urmia Lake (2018–2019) is very similar toits conditions in 2013 and lake recovery is possible. Based on the results of this study, PM10 concentration in Urmia and Igdir stations werehigher than other stations. At both stations, the annual mean PM10 concentrationsignificantly increased after 2013, while, no significant changes were observed at otherstations. The maximum annual mean concentrations of PM10 at Urmia (104.247 μg/m3)and Igdir (129.757 μg/m3) were observed in 2015 and 2017, respectively. The analysisof monthly and seasonal PM10 variations indicated that winter accounts for high levelPM10 concentration in the northwestern Iran and eastern Turkey. The results indicatedthat AOD values in the northwestern Iran and eastern Turkey were strongly correlated.In total, 129 days with mean AOD values more than 1 were observed in box coveringall parts of the lake between 2010 and 2017, which indicated the severity of aerosolpollution and dust emission from the dried bottom of the lake. The daily mean AOD inthe west part of the lake and east part of the lake was 0.348 and 0.508, respectively. Theextensive of salinization and desertification in the eastern part of the lake and prevailingwind direction from west to east can be the reasons of high level AODs in this part.Restoration of Urmia Lake is the only solution of the environmental problem in thenorthwestern Iran. Compromise with climate change and providing a sustainable waterresources management system under a changing climate can be the most effective waysto revive the lake. Teaching the local people to understand the importance of water,training water saving skills, improvement of agricultural methods, agricultural watermanagement and cultivation of low-water-use crops can play positive role in the lakerehabilitation. People should be discouraged from growing crops that consume a lot ofwater and they should be courage to grow crops which modify the unfair effects of soiltexture. It seems better to release more water from dams to the lake and stop theestablishment of new dams and wells in the basin.