Mapping drought hazard using SPI index and GIS Case study: Fars province, Iran

Abstract

Kuraklık, ekonomi ve çevreyi etkileyen ana doğal tehlikelerden biridir. Dünya çapındaki yarı-çorak ve çorak olarak sınıflandırılan bölgeler, kuraklık düzenli olarak kuraklık ile karşılaşmaktadır. Kuraklığın önemli ve etkin sonuçlarından bazıları, yoksulluk oranu, sağlık, ekosistem servisleri, arazi uygunluğu ve ekonomik gelişme üzerinde etkilere sahiptir.Ne yazık ki, güncel iklim değişim modelleri önümüzdeki 40 yılda dünya çapında yarı-çorak ve çorak bölgelerdeki olası kuraklığın, bu bölgelerde artacak olan çoraklık ve azalacak olan yağış ile, şiddet ve yoğunluğunun artacağını tahmin etmektedir. Yoğun nüfuslu, özellikle çorak ve yarı-çorak çevrelerdeki hükümetler, tarımsal ve şehir kullanımı için su ihtiyaçlarının karşılanmasında ve çevreye yetecek kadar doğada su bırakılması konusunda, mevcut taze su kaynaklarının kullanımı konusunda çelişki yaşamaktadır. Bunlara ek olarak, Avrupanın bazı bölgeleri, Afrika, avustralya ve batı Amerika'yı da içeren, zaten su stresinde olan dünya çapında yarı-çorak ve çorak bölgelerde taze su kaynaklarında öngörülen azalma ve iklim değişikliği modellerinde tahmin edilen yağışlardaki azalma ve küresel taze su kaynaklarının yaklaşık 200 yıldır neredeyse sabit olarak kalması da bu konudaki küresel önemi ortaya çıkarmaktadır.Bu sorunlarla başedebilmek ve kuraklık tehlikesi ile ilgili farklı hususları belirlemek için; kuraklık tehlikesinde mekansal farklılıklar, kuraklığın atmosferik dolaşım indisleri kapsamında tahmini ve kuraklık etkilerinin azaltılması gibi önemli çabalar ve metodolojiler geliştirilmiştir.Buna çalışmalardan yararlanılarak, daha fazla çaba kuraklık indisleri geliştirmek için harcanmıştır. Kuraklık indisleri, kuraklık tehlikesinin daha erken tanımlanması ile yoğunluğunun ve yüzey dağılımının belirlenip tahmin edilmesini sağlamaktadır. Yirminci yüzyıl boyunca, farklı değişkenler ve parametrelere göre birçok kuraklık indisi geliştirilmiştir.Kuraklık indislerinin kuraklığın zaman ve mekana bağlı olarak izlenmesinde önemi büyüktür. Kuraklık erke uyarı sistemleri temel olarak kuraklık indislerinin sağladığı bilgiye kullanırlar. Kuraklık indislerinin büyük çoğunluğu sabit bir zaman ölçeği kullanır. Fakat bazı sabit zaman ölçekli kuraklık indisleri, kalibrasyon ve mekansal karşılaştırma konusunda birçok probleme neden olmaktadır. Bu tür karşılaştırma problemlerin çözümü için bilimadamları, farklı zaman ölçeklerinde hesaplanabilen, farklı kullanılabilir su kaynakları için uygulanabilen standartlaştırılmış kuraklık indisi (SPI) olarak tanımlanan farklı indisler geliştirdiler. Coğrafi Bilgi Sistemleri (CBS) doğal ya da insan kaynaklı farklı tür tehlikelerinçalışılmasında ise büyük rol oynamaktadır. Bu tehlikelerden biri de kuraklıktır. Kuraklık tehlikesinin izlenmesi ve ileriye dönük öngörüsünün yapılabilmesi için CBS ile birlikte kullanılabilecek ve coğrafi bilgi sistemine entegre edilebilecek algoritmalara ihtiyacı vardır. SPI ise kuraklık tehlikesinin izlenip ileri dönem olası kuraklıkların tahmini için CBS ile kullanılmasında önemli bir algoritma sağlamaktadır.Çalışma bölgesi olan Iran da çok düşük atmosferik yağış oranına ssahip olan kuru bir bölgedir. Örnek olarak İran'daki ortalama yağış oranı, dünyadaki ortalama yağuş oranının üçte birinden daha azdır. Buunla birlikte, yağış zamanları ve mekanları, suyun ülkedeki ana tüketicisi olan tarım ihtiyaçlarını da karşılayamamaktadır. İran'daki Fars vilayeti, şimdiye kadar mısır üretimde ve özellikle buğday mahsulünde dikkate değer sonuçlara erişmiş bir vilayettir. Fakat diğer bir yandan, bölgede günümüzde görülmeye başlanan kuraklık, bölgeye ait kapsamlı bir su kaynakları yönetimi ve karar destek sistemi ile güvenilir bir kuraklık bölgesi, kuraklık süresi ve kuraklık şiddeti tahmini çalışmasını gerektirmektedir.Bu tez çalışmasında kuraklık tehlikesini çalışmak ve haritalandırmak için Standartlaştırılmış Kuraklık İndisi (SPI) ve Coğrafi Bilgi Sistemleri ile mekansal enterpolasyon analizleri kullanılmıştır. Bu yöntemlerin seçilme nedenleri daha önce de bahsedildiği gibi pratik ve efektif sonuç veren basit yöntemler olmasıdır. Bu çalışmada kullanılan indisleme yönetminin temeli yağış miktarıdır.Bu tezde kuraklık tehlikesini çalışmak için, Fars vilayetindeki 10 istasyondan elde edilen aynı zaman periyodunda 13 yıllık (1994-2006) ve 17 istasyondan aynı zaman periyodunda elde edilen 5 yıllık (2007-2011) yağış verileri kullanılmıştır.Tezde yapılan çalışmada daha iyi sonuç elde edebilmek için üç farklı mekansal enterpolasyon modeli kullanılmış ve karşılaştırılmıştır. Bu üç modelden en iyi sonucu veren ağırlıklandırılmış ters uzaklık (Inverse Distance Weighted – IDW) yöntemi çalışma bölgesi için seçilmiştir. Analizler sonunda en düşük SPI değeri ve kuraklık büyüklüğü Fars vilayetinin kuzey bölgesindeki Sadedorodzan istasyonunda görülmekte olduğu hem 1994-2011 yılları arasında 17 istasyondaki veriler hem de 2007-2011 yılları arasında 10 istasyondaki veriler göz önüne alındığında belirlenmiştir. 1994-2006 yılları arasında veri temin edilen 10 istasyonda ise en düşük SPI değerleri Lamerd istasyonunda görülmektedir. 1994'ten 2011'e kadar yapılan enterpolasyon analizleri sonucunda elde edilen haritalar göstermektedir ki, Fars vilayetinde kuraklık güneyde başlamış ve hızlı bir şekilde önce kuzeye, sonra sırasıyla kuzeydoğu ve kuzeybatıya yayılmıştır. Bu belirlenen hareket Fars vilayetinde kuraklığın tahmini ve yönetimi amacıyla kullanılacaktır. Bu tez çalışması, Fars bölgesi için kuraklık tehlikesi konusunda yapılan ilk uygulamadır. Çalışma kapsamında elde edilen sonuçlar ve yöntem, iklim değişikliğinin bölgesel şehir planlamacılar, tarımsal ve çevresel stratejiler konusundaki karar vericiler için kullanışlı ve faydalı olduğunu göstermektedir. Bu sonuçlar ve yöntem, sadece Güney İran için değil aynı kuraklık tehlikesi problemini yaşayan diğer ülke ve bölgeler için de kullanışlı olacaktır.

Drought is one of the main natural hazards affecting the economy and the environment of large areas .Semi-arid and arid regions worldwide regularly confront drought. Some of the potentially significant and far reaching consequences of drought include impacts on: poverty rates, health, ecosystem services, land sustainability, and economic development. Unfortunately, recent climate change models predict that over the next 40 years, semi-arid and arid regions worldwide will experience an increase in the severity and intensity of drought as these regions encounter more aridity and less precipitation. Most populated regions, especially in arid and semi-arid environments, are experiencing substantial conflicts over freshwater resources as governments try to meet agricultural and urban water demands and leave flows for the environment. And while the global supply of freshwater resources has been nearly constant for the last 2,000 years recent predictions from climate change models suggest less precipitation and hence further reductions in freshwater supplies in many of the already water-stressed semi-arid and arid regions worldwide, including parts of the Europe, Africa, Australia, and western United States. Important efforts for developing methodologies to quantify different aspects related to droughts have been made, such as the spatial differences in the drought hazard, the prediction of droughts by means of the use of atmospheric circulation indices and the mitigation of drought effects. However, more efforts have been made to develop drought indices, which allow an earlier identification of droughts, their intensity and surface extent. During the twentieth century, several drought indices were developed, based on different variables and parameters.Drought indices are very important for monitoring droughts continuously in time and space , and drought early warning systems are based primarily on the information that drought indices provideThe majority of drought indices have a fixed time scale. Some of them have many problems related to calibration and spatial comparability. To solve these problems, scientists developed other indices like the Standardized Precipitation Index (SPI),which can be calculated at different time scales to monitor droughts in the different usable water resources.in recent years, Geographic information system (GIS) has played a key role in studying different types of hazards either natural or man-made. As well as, Iran is a dry land with very low atmospheric precipitation such that rainfall in Iran is less than one third of the average rainfall throughout the world. Meanwhile, the precipitation time and its place do not conform to an agricultural need which is the main consumer of water in the country. Fars province has had remarkable record in crop production especially wheat yield in the country. On the other hand, comprehensive management and decision making in the field of water resources requires reliable prediction of drought area, duration and severity.To study drought and mapping this thesis Standardized Precipitation Index (SPI) and spatial interpolation in GIS is used. It is practical and simple method. The base of this index is precipitation. To study the drought, Records from10 stations within the same period of 13 years (1994-2006) and 17 stations within the same period of (2007-2011) in scale of annual. For better results three spatial interpolation is compared and Inverse Distance Weighted (IDW) interpolation is more practical for this study area. The result of analysis, is showed that the least SPI and drought magnitude has happened in Sadedorodzan station , in the north of Fars province for 17 stations between 1994-2011 and 10 stations between 2007-2011. For 10 stations during 1994-2006 ,the least SPI is related to the Lamerd station. Figures that produced by interpolation method between 1994-2011 illustrated that drought was generated in the south and it was rapidly extended to north and northeast and northwest. This prediction is used in Fars province to manage the drought .It is the first attempt of its kind in this region and studying such researches by taking into consideration of climate changes may prove to be useful for regional planners, and policy makers for agricultural and environmental strategies, not only in Southern Iran but also in other countries facing similar problem.