Hydrological modeling and forecasting using HEC-HMS soil moisture accounting for a snow dominated basin in Turkey

Abstract

Artan dünya nüfusu, iklim değişikliği, taşkınlar ve kuraklıklar su kaynaklarının etkin yönetimini hidroloji biliminde kritik bir konu haline getirmektedir. Hidrolojik modelleme, kar modellemesi ve akım tahmini teknolojilerindeki gelişmeler dağlık bölgelerdeki su kaynaklarının etkin yönetimi, taşkın ve kuraklık riskini azaltmak ve hidroelektrik enerji üretimi için önemlidir.Fırat Nehri'nin membasında bulunan Karasu (Yukarı Fırat) Havzası (10,275 km2) uygulama alanı olarak seçilmiştir. Çalışmanın amacı, Sayısal Hava Tahmin verileri ile toprak nemi ve kar yöntemleri kullanılarak Karasu Havzası için ileriye yönelik deterministik akım tahmini yapmaktır. HEC-HMS kavramsal hidrolojik modeli 2002-2008 ve 2009-2015 yıllarında sırasıyla kalibre edilmiş ve doğrulanmıştır. Ayrıca, 2015 su yılının erime döneminde akım tahmini yapılmıştır. Model parametrelerini belirlemek için hem olay bazlı hem de sürekli hidrolojik modelleme yaklaşımları kullanılmıştır. Sürekli modelleme, geleneksel ve 'başlangıç-durum' yaklaşımları kullanarak yapılmıştır. Aynı zamanda, modelin kar su eşdeğeri ve toprak nemi sonuçlarının tutarlılığını değerlendirmek amacıyla karla kaplı alan ve toprak nemi uydu ürünleri kullanılmıştır. Model, kalibrasyon döneminde 0.88 NSE ve 29.52 m3/s RMSE ve doğrulama döneminde 0.82 NSE ve 25.65 m3/s RMSE performansı sağlamıştırBu çalısmada kar ağırlıklı bir havzada toprak nemi modeli uygulanmakta ve durum değişkenlerinin içsel tutarlılığının değerlendirmesi uydu ürünleri ile yapılmaktadır. Çalışma, sürekli yaklaşımla toprak nemi yöntemi ve deterministik akım tahmini ile uygulamalı hidroloji alanında önemli bir örnek oluşturmaktadır.

The ever increasing world population, climate change, floods and droughts make an effective management of water resources a crucial subject in hydrologic science. Advancements in hydrologic modeling, snow modeling and streamflow forecasting technologies are significant to the efficient water resources management, minimizing flood and drought risk and increased hydropower generation in mountainous regions.Karasu (Upper Euphrates) Basin (10,275 km2), a headwater of Euphrates River is selected as the pilot basin in this study. The aim of the study is to perform a forward-oriented deterministic streamflow forecasting with Numerical Weather Prediction data for Karasu Basin using Soil Moisture Accounting (SMA) and snow routine. A conceptual hydrological model HEC-HMS is calibrated and validated for 2002-2008 and 2009-2015, respectively. Furthermore, streamflow is forecasted for 2015 water year snowmelt period. Both event and continuous hydrologic modeling approaches are employed to determine the model parameters. Continuous modeling is done using conventional and start-state approaches which help to utilize multi method application. Also the satellite products for Snow Covered Area and Soil Moisture are used to assess the consistency of model results on Snow Water Equivalent and Soil Moisture. The model produced NSE and RMSE of 0.88 and 29.52 m3/s for calibration and 0.82 and 25.65 m3/s for validation, respectively.The study applies SMA model in a snow dominated basin and draws internal consistency evaluations of state variables with satellite data. The study sets precedence with continuous SMA and streamflow forecasting for applied hydrology.