Investigating the hydroclimatic changes in the euphrates-tigris basin under a changing climate

Abstract

Fırat ve Dicle Havzası'nın sınıraşan suları tarihden günümüze Orta Doğu'nun ana tatlı su kaynağı olmuştur. Havza başlıca Irak, Türkiye, İran ve Suriye toprakları üzerinde yer almakta ve havzanın suları sulama, enerji üretimi, domestik ve hayvancılık amaçlı olarak kullanılmaktadır. Fırat ve Dicle nehirlerinin kaynağı ise dağlık bölgelerde bulunan karla kaplı alanlardır. Karla beslenen bu iki nehirin sularının da insan kaynaklı iklim değişikliğinden etkilendiği önceki çalışmalarda gözlemler ve modellerle gösterilmiştir. Fakat modelleme çalışmaları, kaynak ülkesi olan Türkiye sınırları içerisinde gerçekleşen Güneydoğu Anadolu Projesi (GAP) kapsamında gerçekleştirilen sulama projelerinin etkisini hesaba katmamıştır. Günümüze kadar GAP kapsamında planlanan sulama projelerinin yaklaşık olarak dörtte biri gerçekleşmiştir. Gelecekte bu planlanan sulama alanlarının tamamının uygulanması sonucunda (arazi örtüsünü değiştirmesi nedeniyle), iklim değişikliğinin de etkisiyle bölgenin halihazırda azalmakta olan su kaynaklarının kırılganlığının artacağı öngörülmektedir. Bu tez çalışmasında, Fırat-Dicle Havzası'ndaki insan kaynaklı faaliyetlerin bölgenin iklimi ve su kaynaklarına etkisi kapsamlı bir şekilde araştırılmaktadır. Çalışmanın araştırma soruları bölge hakkında daha önce yapılmış araştırmaları tamamlayıcı olarak tasarlanmıştır. Bu amaçla, tez kapsamında dört ana araştırma konusu detaylı bir şekilde incelenmiştir. Öncelikle, havzayı kapsayan Yakın Doğu bölgesi için çeşitli uydu verileri ve yeni bir meteorolojik reanaliz veri seti detaylı bir şekilde analiz edilmiştir. Bölgedeki su kaynaklarındaki azalma ve bu azalmanın kar örtüsündeki değişim ile olan ilişkisi irdelenmiştir. İkinci olarak, bölgenin ikliminin en iyi şekilde benzetimleyen bir Küresel Sirkülasyon Modeli'ni (KSM) tespit edebilmek amacıyla, uluslararası bir çaba olan CMIP5 deneyleri kapsamında kullanılan mevcut küresel iklim modelleri Türkiye ve Fırat-Dicle Havzası için değerlendirilmiştir. Bu seçilen KSM'nin çıktıları kullanılarak bu tez çalışmasının omurgasını oluşturan dinamik olarak ölçek küçültme amaçlı çalıştırılan bölgesel iklim modeli çalıştırılmıştır. Üçüncü olarak, bölgesel iklim modeli sulama projelerinin olmadığı, günümüzdeki ve tamamlanması durumlarını gösteren üç farklı altlık harita ile çalıştırılarak, sulamanın bölgenin hidroiklimine etkisi araştırılmıştır. Hatta bu benzetimlerden bazıları kullanılarak uç değer analizi yapılmış ve sulamanın maksimum sıcaklıklara etkisi de incelenmiştir. Son olarak, sera gazı emisyonlarından kaynaklı iklim değişikliği ve arazi örtüsünün değişmesinin bütünleşik etkisi modelleme çalışması yardımıyla kestirilmiştir. Kaynak bölgesi ve GAP bölgesindeki değişen iklim koşulları altındaki su bütçesi hesaplanmıştır.Bütün havzanın su kaynaklarındaki azalmayı doğrulamak ve değişim miktarını hesaplamak amacıyla yerçekimsel uydu olarak bilinen GRACE verileri kullanılmıştır. Küresel bir veri seti olan GRACE, 2002-2016 yılları arasındaki depolanan toplam su miktarındaki anomaliye dair bilgi vermektedir. Fırat-Dicle Havzası'ndaki 1000 metreden yukarıdaki alanlarda depolanan su miktarındaki değişime bakıldığında yılda 27.4 mm'lik bir azalma eğilimi olduğu hesaplanmıştır. Literatürdeki çalışmalarda, daha kısa zaman aralığı için yapılan GRACE analizleri bu bölgede benzer bir trendden bahsetmişlerdir. Su miktarındaki azalmanın ana nedeni olarak ise, özellikle 2007 yılından sonra görülen uzun süreli kuraklı dönemindeki yeraltı sularından yapılan su takviyesi gösterilmiştir. Bu tez çalışmasında, su miktarındaki azalmanın bölgenin asıl su kaynağı olan kar örtüsü ile ihmal edilemeyecek kadar büyük ölçüde bir ilişki olduğu öne sürülmüştür. Geniş bir alana sahip Fırat-Dicle Havzası'ndaki seyrek gözlem ağı yerine, farklı uydu verileri ve meteorolojik reanaliz verisi kullanılarak tüm Yakın Doğu bölgesindeki kar verileri analiz edilmiştir. Farklı zamansal çözünürlüklerine sahip uydu ve reanaliz verileri GRACE verisi ile karşılaştırıldıklarında istatistiksel olarak anlamlı korelasyonlar bulunmuştur. Ayrıca yüksek çözünürlüklü MODIS verisi, kar örtüsünün yerde kalma süresindeki endişe verici azalmayı ortaya çıkarmıştır. Özellikle havzanın kaynak bölgeleri olan Toros ve Zagros dağlarının yüksek kısımlarında (1000 m'den yüksek) on yılda 4 haftaya ulaşan azalmalar hesaplanmıştır.CMIP5 modelleri arasından Türkiye ve Fırat-Dicle Havzası'nı en iyi temsil eden modeli seçmek amacıyla, 1971 ve 2000 yılları arasındaki benzetimlerin sıcaklık ve yağış çıktıları kullanılarak kapsamlı bir analiz yapılmıştır. Model çıktıları gridlenmiş yüksek çözünürlüklü (0.5°x0.5°) gözlem verisi olan CRU ile karşılaştırılmıştır. 45 tane küresel model çıktısının her biri farklı yersel çözünürlüğe sahip olduğu için öncelikle hepsi gözlem verisi olan CRU'nun çözünürlüğüne uyarlanmıştır. Sonrasında model ve gözlem arasındaki temel istatistikler incelenmiş, gözleme göre en az hata verme oranlarına göre performance sıralası yapılmıştır. Ayrıca Taylor diagramları kullanılarak gözleme en yakın modeli bulmak amaçlanmıştır. Tez kapsamında su bütçesi hesapları ön planda olduğu için, performans sıralamalarında modellerin yağışı benzetimleyebilmelerine ağırlık verilmesi sonucu, EC-EARTH isimli küresel modelinin seçilmesine kanaat getirilmiştir. EC-EARTH modelinin çıktıları sonraki aşamalarda çalıştırılacak bölgesel iklim modelinde başlangıç ve sınır değeri olarak kullanılmak üzere hazırlanmıştır.RegCM4 isimli bölgesel iklim modeli arazi örtüsü ve iklim değişikliğinin etkilerini benzetimlemek için ana araç olarak kullanıldı. Model öncelikle günümüz iklim koşulları altında farklı sulama seviyelerini ve barajları gösteren arazi kullanımı haritaları ile üç farklı benzetim için çalıştırılmıştır. Bu üç harita Avrupa Çevre Ajansı ve Devlet Su İşleri'nden alınan veriler yardımı ile RegCM'in önceden tanımlı altlık haritası da kullanılarak oluşturulmuştur. NNRP reanaliz verisi başlangıç ve sınır koşulu olarak kullanılarak 1991-2010 yılları arasında önce Doğu Akdeniz-Karadeniz bölgesi üzerinde 48 km, sonra da Türkiye üzerinde 12 km çözünürlükte ölçek küçültülmüştür. RegCM4 modelinin kara yüzeyi modelindeki bir özellik de kullanılarak yer yüzeyindeki süreçler 3 km yüksek çözünürlükte modellenmiştir. Bölgesel iklim modelinin performansı sıcaklık ve yağış için CRU, terleme-buharlaşma için GLDAS verisi kullanılarak değerlendirilmiştir. Bu üç benzetimin sonuçlarının kendi aralarında kıyaslanması neticesinde, aynı iklim koşullarında GAP bölgesindeki sulama yapılan alanların artması bölgesel bir soğumaya (0.8 °C'ye varan bir değişim), yağış miktarlarında küçük bir miktarda artışa (en fazla %7), ve en önemlisi terleme-buharlaşma seviyelerinde istatistiksel olarak anlamlı artışa neden olmuştur. Günümüzdeki sulama miktarları (GAP sulama projelerinin %25'i) hiç sulama olmayan koşullara göre %51'lik bir terleme-buharlaşma artışına neden olurken, sulama projelerinin tamamlanması durumunda %114'lük bir artış modellenmiştir. Bulunan bu değerlerle Fırat ve Dicle Havzası'nın Türkiye'deki kısmının su bütçesi hesaplandığında görüldü ki; kaynak bölgesinde saklanan tüm suyun kullanılması durumunda diğer havza ülkelerine de salınacak su göz önünde bulundurulursa, GAP kapsamında planlanan tüm sulama projeleri için yeterli su miktarı bulunmamaktadır. Bu çarpıcı sonuç, günümüz iklim koşullarının değişmeyeceği kabulu ile elde edilmiştir. Bu sebeple, sera gazı emisyonları kaynaklı bölgede öngörülen iklim değişikliği koşullarını da hesaba katmak ve gelecek dönemlere ait benzetimler için EC-EARTH modeli kullanılarak RegCM4 çalıştırılmıştır.Gelecek için benzetimler 2046-2065 ve 2081-2100 dönemleri olmak üzere yüzyılın ortası ve sonu için iki farklı senaryo (RCP4.5 ve RCP8.5) kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Ayrıca değişimleri hesaplayabilmek için hiç sulama olmayan ve gelecekteki sulamanın tamamlanması koşullarını gösteren iki adet arazi kullanımı haritası da kullanılarak, karşılaştırmalar yapılmıştır. Bu sayede atmosferin kompozisyonundaki değişim ve arazi örtüsü değişikliğinin etkileri hem ayrı ayrı hem de birlikte incelenmiştir. Yüzyılın ortasına ait model çıktıları GAP bölgesinde sulamanın soğutma etkisinden kaynaklı bir sıcaklık değişimi gözlenmemiştir. Fakat bu etki tamamen yerel olup Türkiye'nin geri kalan bölgelerinde 2.5 °C'ye varan sıcaklık artışları elde edilmiştir. Yüzyılın sonunda ise kötümser senaryo (RCP8.5) göstermiştir ki, Türkiye'deki sıcaklık projeksiyonları 5 °C'ye ulaşırken, GAP bölgesindeki sıcaklık artışı 2 °C seviyelerindedir. RCP4.5 senaryosu yüzyılın ortası ve sonu için bu bölge üzerinde küçük miktarda yağış artışı gösterirken, RCP8.5 GAP bölgesinde genelde azalmaya işaret etmektedir. Son olarak, terleme-buharlaşma değerleri aynı günümüz döneminde olduğu gibi gelecekte de GAP bölgesi üzerinde istatistiksel olarak anlamlı bir şekilde artabilir. Bu durumda, buharlaşma ile su kaybı daha yüksek miktarlara ulaşabilir. Nitekim gelecek için su bütçesi hesabı yapıldığında, sulama projelerinin tamamı uygulamaya geçilirse, GAP bölgesinin su ihtiyacını karşılamak için kaynak bölgesinin su rezervi yeterli görünmemektedir. Tabii bu hesaplar Fırat nehrinden diğer havza ülkelerine gönderilecek yıllık 15.8 milyar m3 su üzerinden yapılmıştır. Gelecekte bu suyun paylaşılmaması durumunda dahi, kötümser senaryoya göre yüzyılın sonrasında GAP'ın su ihtiyacı kaynak bölgesinde tutulan su miktarından fazla olabilir.Çalışma kapsamında yapılan benzetimler mevcut su kullanımı yöntemlerinin gelecekte de devam etmesi durumunda bizlere kötüye giden durumu işaret ediyorlar. Daha önce yapılan çalışmalarda da gösterildiği üzere, daha etkin sulama yöntemleri kullanılarak buharlaşma ile olan su kaybı miktarı azaltılabilir. Başka bir adaptasyon yöntemi ise, barajların daha serin olan kaynak bölgesinde tutulması ve hatta yüzey alanı daha küçük barajların inşa edilmesi göz önünde bulundurulabilir. Ya da GAP kapsamında planlanan sulama projelerinin sürdürülebilirliği konusu baştan dikkatlice gözden geçirilmelidir. Tarihte Fırat ve Dicle'nin sınıraşan sularının havza ülkeleri arasında paylaşımı konusunda nice anlaşmazlıklar olmuştur. Bu çalışma insan kaynaklı iklim değişikliklerinin bölgenin hidroiklimsel koşullarını zorlayacağını ortaya koymuştur. Buharlaşma nedeniyle öngörülen su kaybının artışının gerçekleşmesi, havza ülkeleri arasındaki anlaşmazlığın daha zorlu duruma gelebileceğine işaret etmektedir. Bu sebeple karar alıcılar bölgenin iklim değişikliğine karşı olan kırılganlığını göz önünde bulundurarak, uzun vadeli su kaynakları yönetimi ve politikaları geliştirmelidirler.

From the beginning of human history, the transboundary waters of the Euphrates and Tigris Basin (ETB) have been the main freshwater resources of the Middle East region. The basin is located on the territories of four major riparian countries (Iraq, Turkey, Iran, and Syria). These waters have been primarily used for irrigation, energy production, domestic use, and livestock. The Euphrates and the Tigris rivers are fed by the snowmelt from the surrounding high mountains. Previous studies showed that the waters of these two rivers are being affected by anthropogenic climate change. However, particularly the modeling studies did not include the effects of the extensive irrigation schemes that have been applied within the scope of the Southeastern Anatolian Project (GAP). GAP is the largest regional development project carried out by Turkey within the headwaters of the basin. GAP includes such investments as irrigation schemes and the construction of major dams. At the current stage of GAP, 22 dams and 19 hydroelectric power plants have been planned, and over the one fourth of the planned irrigation projects are complete. In the future, a total area of approximately 1.8 million hectares will be irrigated. Since the beginning of 90s, the applied irrigation plans have already caused massive land use and land cover (LULC) changes in the region. We estimate that the water resources of the region will be more vulnerable due to the combined effects of greenhouse forcing and LULC changes. In this thesis, we carefully investigate the effects of human-induced changes on the regional climate and water budget of the ETB.The research questions of the thesis are designed holistically with the previous studies about the basin in mind. For this purpose, we conducted comprehensive research under four main topics. First, several remote sensing products and a meteorological reanalysis data set were analyzed for the Near East region. The relationship between the decline in the water resources and snowpack is investigated. Secondly, the outputs of several General Circulation Models (GCMs) from CMIP5 were compared over the basin in order to find the `best` performing GCM in simulating the climate of the region. The outputs of the selected GCM are used as initial and boundary conditions to force the regional climate model for dynamical downscaling. Thirdly, the hydroclimatic effects of the LULC changes are assessed by comparing the results of three simulations. These simulations are performed under the current climate conditions by using three land use map that show the different irrigation levels. We also analyzed these outputs to conduct an extreme value analysis in order to understand the effects of irrigation on regional maximum temperatures. Lastly, we investigated the combined effect of the changes in the atmospheric composition and LULC. We calculated the water budgets of the headwaters and the GAP region under the changing climate.Gravimetric satellite data from GRACE is used to investigate the terrestrial water resources of the basin, and to calculate the change in trends. Globally available GRACE data give information on the terrestrial water storage anomalies between 2002 and 2016. We found that the Euphrates and Tigris Basin has a negative water storage anomaly trend of 27.4 mm per year for the areas above 1000 m. Our finding is consistent with the results from previous studies which use the same data set but for a shorter time period. As the reason of the decline in water resources, they pointed out the groundwater use particularly after the long-term drought in 2007. In this study, we claim that there is a significant relationship between the decline in both water resources and the montane snowpack in the headwaters. Owing to the sparse observational network in the Near East region, we employed several remotely sensed satellite products (optical, passive microwave, and gravimetric) and a new meteorological reanalysis data set in order to analyze the snowpack in the ETB. Comparisons between the GRACE and the remote sensing products showed statistically significant correlations for different elevation thresholds. Moreover, high resolution MODIS data indicate a worrying reduction in snow-cover duration. We calculated significant declines up to 4 weeks per decade for the areas above 1000 m, particularly over the Taurus and Zagros mountains known as headwaters of the basin.In order to select a GCM amongst the CMIP5 models that represents the climate of Turkey and the Euphrates and Tigris Basin, we analyzed several temperature and precipitation outputs between 1971 and 2000. Those outputs were compared with a high resolution (0.5°x0.5°) gridded observational data set, namely Climate Research Unit (CRU). Since all models have different spatial resolutions, model outputs were regridded to the spatial resolution of CRU. Then, these models were ranked according to their statistics. We also used the Taylor diagrams to detect the GCM that produces similar values to the observations. Since the focus of the study is on the water budget, the weight is given to the precipitation performance of the models. As a result, the EC-EARTH model was selected to drive the regional climate model for the future scenarios.A regional climate model, RegCM4, was employed to simulate the individual and combined effects of irrigation induced LULC changes and climate change. Historical simulations were produced by using three different land use maps which reflect the increase of irrigated and dammed areas. These three maps were created by using the data from the European Environmental Agency and the Turkish State Hydraulic Works based on the default land use map of RegCM4. Results of a reanalysis data set (NNRP) were used to force the RegCM4 model in order to produce dynamically downscaled high resolution regional data over the Eastern Mediterranean and Black Sea region in 48 km, and in a nested domain over Turkey in 12 km. By enabling the subgrid feature of the land surface model of RegCM4, land surface variables were computed at a horizontal resolution of 3 km. To evaluate the model results, CRU temperature and precipitation data, and Global Land Data Assimilation System (GLDAS) evapotranspiration data were used. Comparisons between these three simulations revealed that irrigation causes a local cooling over the GAP region (up to 0.8 °C) and a slight increase in precipitation (spatially averaged 7%). Simulation results indicate that irrigation projects have significantly altered the regional water budget due to an increase in evapotranspiration of around 51% (partly irrigated) and 114% (fully irrigated) compared to pre-GAP conditions. The dramatically increasing water demand of the semi-arid irrigated region is currently barely compensated by the headwaters of the ETB. Taking into account the committed water release to the downstream countries shows that there might not be enough water for all the planned irrigation schemes in the GAP region. These concerning results are found by assuming that the current climate conditions are stationary. However, the future projections from the previous studies pointed towards the changing climate conditions due to anthropogenic greenhouse gas emissions. For this purpose, we performed future simulations by forcing the RegCM4 model with the outputs of EC-EARTH and adding the planned irrigation schemes on them.Future simulations are produced with two scenarios (RCP4.5 and RCP8.5) for the middle (2046-2065) and the end (2081-2100) of the century. To be able to account for the LULC changes, we also used two land use maps that show no irrigation and fully irrigated conditions. In this way, we addressed both individual and integrated effects of LULC change and greenhouse forcing. The results from future simulations for mid-century show an insignificant temperature increase over the GAP region due to irrigation's cooling effect. But, this cooling effect is completely local. Significant temperature increases are projected up to 2.5 °C in the rest of Turkey. Moreover, the severe scenario (RCP8.5) estimates that increase in temperature reaches up to 5 °C at the end of the century, while this change is around 2 °C in the GAP region. The simulations with RCP4.5 scenario produced a slight increase in precipitation for both future periods, a decline in precipitation is projected with RCP8.5 scenario. Lastly, as in the historical simulations, significant increase in evapotranspiration is estimated in the GAP region. So, water loss through evapotranspiration is projected to have higher values. Hence, the future water budget for fully irrigated conditions indicates that water storage in the headwaters is not enough for the water demand of the GAP region. Taking into account the water release to the downstream countries (15.8 billion m3 per year) shows that future irrigation plans are unsustainable. Even if this water will not be released, the water needed for irrigation in the GAP region is projected to be more than the stored water in the headwaters according to the severe scenario at the end of the century. The results of the thesis paint a bleak picture for future water availability in the ETB in case of continuing on the current water use plans. In the previous studies, it is showed that using different irrigation techniques can help to reduce water loss by increasing the irrigation efficiency. Another adaptation method is to build new deeper dams with a smaller surface area in the colder headwaters. Additionally, the sustainability of the planned irrigation schemes can be reevaluated by considering the results from future projections. The water dispute in the ETB among the riparian countries is a long-standing complex issue of transboundary water sharing. The water loss through the increased evapotranspiration may play a crucial role in shaping the future of water resources management and policies in this water-stressed region.