An integrated land use-hydrological model for the Bartin spring watershed

Abstract

Türkiye'nin kuzeybatısında yer alan Bartın memba havzası, Bartın, Amasra ve İnkumu şehir merkezlerinin su ihtiyacını karşılamaktadır. Su, hâlihazırda ilkbahar, sonbahar ve kış mevsimleri için yeterli olmasına rağmen, şehir merkezleri yaz mevsimlerinde su kıtlığı çekmektedir.Arazi kullanım değişimlerinin bir havzanın su bütçesi üzerinde önemli etkisi olduğu bilinmektedir. Bu çalışmanın amacı, Bartın memba havzası içerisinde arazi kullanım ve hidrolojik süreçleri modellemek ve geleceğe ait farklı arazi kullanım senaryoları altında su verimini tahmin etmektir. Bu amaçla, bütünleşik bir arazi kullanım-hidrodinamik modeli geliştirilmiştir. Arazi kullanım dinamik simülasyon modeli, STELLA dinamik simülasyon platformu kullanılarak oluşturulmuştur. MIKE SHE bilgisayar programı, havzanın hidrodinamiğini modellemek için kullanılmıştır. İki model arasındaki bağlantı, arazi kullanım modelinde üretilen ve hidrodinamik modele sağlanan LAI (Yaprak Alan İndisi) ve RD (Kök Derinliği) parametreleri sayesindedir.Dinamik arazi kullanım modeli, çeşitli orman meşcere gruplarını ve arazi kullanım kategorilerini, yüzölçümleri ve dönüşümleri ile birlikte temsil etmektedir. Model yapısal olarak gerçeklenmiş ve bir dizi hassasiyet testleri ile analiz edilmiştir. Model, geçmiş coğrafik veriler dikkate alınarak kalibre edilmiştir ve kalibrasyon sonuçları oldukça tatmin edicidir.Hidrodinamik model için kalibrasyonun hedefi, havzanın en son noktasındaki nehir debisidir. Kalibrasyon parametreleri ise alt toprak katmanlarının doygun hidrolik iletkenliği, eşik erime sıcaklığı değerleri, hava sıcaklığı ve kök derinlik değeridir. En uygun simülasyon, R=0.72 ve R2=0.52 korelasyon katsayıları ve 0.01 m3/s ortalama hata sonuçlarını üretmiştir. Hidrodinamik model ile yapılan hassasiyet analizleri, modelin arazi kullanım tipine oldukça hassas olduğunu göstermektedir. Şöyle ki, tamamen tarım alanları ile kaplı arazi kullanımı tamamen orman ile kaplı arazi kullanımına göre %25-33 daha fazla debi oluşturmaktadır. Hidrodinamik model, 3'e kadar olan Yaprak Alan İndisi (LAI) değerlerine hassasiyet göstermekte fakat daha yüksek değerlere karşı hassasiyetini yitirmektedir. Bununla birlikte model, doygun bölgedeki hidrolik iletkenliğe karşı çok hassas değildir.Arazi kullanım değişiminin havzanın su bütçesi üzerinde etkisini değerlendirmek için, kalibre edilmiş arazi kullanım-hidrodinamik modeli, geleceğe ait altı değişik arazi kullanım senaryosunu, 2006'dan 2026'ya kadar olan dönem için simüle etmek için kullanılmıştır. Bunlar, hâlihazır arazi kullanım uygulamalarında herhangi bir değişikliğin olmadığını kabul eden ana durum senaryosu, tarımdan ormana, ormandan tarıma, yapraklı meşcere ve karışık meşcereden ibreliye, ibreli meşcere ve yapraklı meşcereden karışığa ve ibreli meşcere ve karışık meşcereden yapraklıya dönüşüm senaryolarıdır. İbreli meşcere ve yapraklı meşcereden karışığa dönüşüm senaryosunun, 5.19 m3/s ile en yüksek ortalama debiye ve %66 ile en düşük evapotranspirasyon oranına neden olduğu öngörülmektedir. Diğer taraftan, tarımdan ormana dönüşüm senaryosunun, 4.54 m3/s ile en düşük ortalama debiye ve %71 ile en yüksek evapotranspirasyon oranına neden olduğu öngörülmektedir. Ortalama aylık debinin 1 m3/s'nin altında kalması düşük debi işareti olarak kabul edilmiştir. Tarımdan ormana dönüşüm senaryosunun toplam kurak yaz aylarının (Ağustos, Eylül ve Temmuz) %52'sinde düşük debiye sahip olduğu öngörülürken, bu oranın ibreli meşcere ve yapraklı meşcereden karışığa dönüşüm senaryosunda sadece %27 olduğu öngörülmektedir.Küresel iklim değişiminin su bütçesi üzerinde etkisini değerlendirmek için, 2006'dan 2060'a kadar olan yılları kapsayan bir uzun dönem simülasyonu gerçekleştirilmiştir. Bu dönem için, RegCM3 iklim modeli kullanılarak üretilen iklim verileri, ortalama yıllık yağışın yaklaşık %5.3 ve ortalama yıllık sıcaklığın yaklaşık %7.6 oranlarında ana durum tahmininden daha fazla olacağını öngörmektedir. Bütünleşik arazi kullanım-hidrodinamik model sonuçları, ana durum tahminine kıyasla, ortalama debinin yaklaşık %15 artacağını ve evapotranspirasyon oranının %5 azalacağını öngörmektedir. Bununla beraber, daha yüksek maksimum ve daha düşük minimum debiler öngörülmektedir. Bu da, gelecekte havzanın ekstrem akım koşullarına daha fazla maruz kalacağına işaret etmektedir.

The Bartın spring watershed located in northwestern Turkey supplies the water needs of the Bartın, Amasra and İnkumu city centers. Although the water is presently adequate for the spring, autumn and winter seasons, the city centers suffer water scarcity in summer seasons.It is widely recognized that land use changes have a significant impact on the water budget of a watershed. The purpose of this study is to model the land use and hydrological processes within the Bartın spring watershed and simulate the water yield under different future land use scenarios. For this purpose, a coupled land use-hydrodynamics model was developed. The land use dynamic simulation model was built using STELLA dynamic simulation platform while the MIKE SHE computer program was used to simulate the hydrodynamics of the watershed. The link between the two models is through the Leaf Area Index (LAI) and Root Depth (RD) parameters which are generated in the land use model and supplied to the hydrodynamics model.The dynamic land use model represents several forest stand groups and land use categories with their respective acreages and their conversions. The model was structurally validated and analyzed through a series of sensitivity tests. It was calibrated with respect to the historical geographical data and the calibration results are quite satisfactory.The calibration target for the hydrodynamics model was the river discharge at the downstream end of the watershed, while the calibration parameters were the saturated hydraulic conductivity of the deeper soil, the threshold melting temperature values and the RD value. The optimal simulation produced correlation coefficients, R=0.72 and R2=0.52 with a mean error of 0.01 m3/s. Sensitivity analyses of the hydrodynamics model indicate that it is quite sensitive to the land use type; complete agricultural cover would yield 25-33% higher discharge compared to a completely forested watershed. The hydrodynamics model is also sensitive to the LAI up to a value of 3 and becomes insensitive for higher values. The model however, is not strongly sensitive to hydraulic conductivity of the saturated zone.To evaluate the impact of land use change on the water budget of the watershed, the calibrated land use-hydrodynamics model was used to simulate six different future land use scenarios over the period from 2006 to 2026. These six scenarios are the base case which assumes no change in current land use practices, agriculture to forest, forest to agriculture, deciduous and mixed to coniferous, coniferous and deciduous to mixed and coniferous and mixed to deciduous conversions. The conversion of coniferous and deciduous to mixed scenario is predicted to yield the highest average discharge with 5.19 m3/s and the lowest evapotranspiration ratio of 66%. On the other hand, the conversion of agricultural areas to forest scenario is predicted to lead to the lowest average discharge of 4.54 m3/s and highest evapotranspiration ratio of 71%. The monthly discharge lower than 1 m3/s was assumed to be an indicator of low discharge. The scenario of agriculture to forest predicts that 52% of the dry summer months (August, September and July) have low discharge, whereas for the coniferous and deciduous to mixed scenario, only 27% of the dry summer months are predicted to have low discharge.A long term simulation covering the years from 2026 to 2060 was also performed to assess the impact of global climate change on the water budget. The climate data which were generated using RegCM3 climate model predict a mean annual precipitation and temperature about 5.3% and 7.6% higher than the base case simulation. Results of the integrated land use-hydrodynamics model indicate an increase in the river discharge of about 15% and a decrease in the evapotranspiration of about 5% compared to the base case. In addition, higher maximum discharges and lower minimum discharges are also predicted indicating the watershed will be more susceptible to extreme discharge conditions in the future.