Modelling climate change impacts at Altinapa reservoir watershed

Abstract

İklim değişikliğinin kurak ve yarı-kurak bölgelerde havza hidrolojisini ve su kalitesini ciddi biçimde etkilemesi beklenmektedir. Akdeniz Havzası'nda yer alan Türkiye, iklim değişikliğine karşı hassas ülkelerden biridir. Bu çalışmanın temel konusu, Türkiye'nin İç Anadolu Bölgesi'nde yer alan Konya ilinde bulunan Altınapa Baraj Gölü Havzası'ndaki iklimsel değişikliklerin su miktarı ve kalitesi üzerindeki etkisini değerlendirmektir. Çalışma kapsamında, SWAT (Soil and Water Assessment Tool) modeli kullanılarak Altınapa Baraj Gölü Havzası'ndaki akarsu akımı, rezervuar hacmi ve su kalitesi modellenmiştir. Hidrolojik modeller belirsizlikler içermektedir ve belirsizlik analizleri başarılı bir model için önemli şartlardan biridir. Güvenilir model sonuçları elde etmek için, SWAT-CUP programında bulunan dört farklı algoritma, SUFI-2(Sequential Uncertainty Fitting),Parasol (Parameter Solution),GLUE( Generalized Likelihood Uncertainty Estimation )ve PSO (Particle Swarm Optimization), kullanılmış ve sonuçlar karşılaştırılmıştır. Karşılaştırma kriteri olarak, Determinasyon Katsayısı (R2), Nash-Sutcliffe Efficiency (NSE), p-faktörü ve r-faktörü kullanılmıştır. Sonuç olarak, SUFI-2 algoritması, bu çalışmaya uygun belirsizlik analiz algoritması olarak belirlenmiştir. SWAT modelinde, havza 18 alt havza ve 159 hidrolojik tepki birimine ayrılmıştır. Çalışma alanında gözlemlenen akım verileri ve SUFI-2 algoritması kullanılarak yapılan akım için yapılan kalibrasyonda, NSE değeri 0.55 ve R2 değeri 0.56 olarak belirlenmiştir. Model doğrulaması sırasında NSE 0.51 ve R2 0.54 olarak gerçekleşmiştir. Toplam azot ve sediment yükleri için de kalibrasyon ve doğrulama gerçekleştirilmiştir. Söz konusu değerler model performansının yeterli düzeyde olduğunu göstermektedir. Altınapa Baraj Gölü Havzası'ndaki hidrolojik süreçleri ve su kalitesini başarıyla temsil eden SWAT modeli olası iklimsel değişiklikler altında akarsu akımı, rezervuar hacmi ve su kalitesindeki değişiklikleri araştırmak için kullanılmıştır. İklim modeli olarak GFDL-ESM2M, HadGEM2-ES, MPI-ESM-MR küresel modelleri, 2021-2098 dönemi için iki temsili konsantrasyon rotası (RCP4.5 ve RCP8.5) için kullanılmıştır. Yıllık ve mevsimsel hava sıcaklığı analiz sonuçlarına göre, 2021-2098 döneminde hem RCP4.5, hem de RCP8.5 senaryosuna göre yukarı yönlü eğilim göstermektedir. HadGEM2-ES modeline göre, yağış, akarsu akımı ve rezervuar hacmi 2021'den 2098'e kadar düşüş eğilimi gösterirken, GFDL-ESM2M ve MPI-ESM-MR modelleri, RCP4.5 senaryosu altında bu parametrelerde yukarı yönlü eğilimler ve RCP8.5 senaryosu altında düşüş eğilimleri göstermektedir. GFDL-ESM2M ve MPI-ESM-MR modellerinin yağış, akarsu akımı ve rezervuar hacmi tahminleri havzada gözlemlenen değerlerden daha düşüktür, bu durum gelecekte havzadaki su kaynaklarının azalacağına işaret etmektedir. Bu tür iklimsel ve hidrolojik değişikliklerin Altınapa Baraj Gölü su kalitesi üzerindeki etkileri olması beklenen bir durumdur. Bu çalışmada SWAT hidrolojik modelini iklim modelleriyle birleştirilerek, gelecekteki iklim değişikliğin su kalitesi üzerindeki etkileri tahmin edilmiştir ve bu kapsamda Altınapa Baraj Gölü'ne taşınan sediment ve toplam azot miktarındaki değişimler incelenmiştir. Sonuç olarak, RCP4.5 senaryosu altında 2021-2098 döneminde farklı küresel iklim modelleri farklı eğilimler tahmin etmiştir. RCP8.5 senaryosu altında ise 2070-2098 döneminde sediment ve toplam azot taşınımında azalma görüleceği tahmin edilmiştir.

Climate change can have severe impacts on water availability and quality in semi-arid regions. Turkey, located in the Mediterranean region, is among the countries vulnerable to climate change. In this study, the main objective was to assess the impact of climatic changes on water quantity and quality at the Altınapa Reservoir Watershed, located in the Konya province. We used the Soil and Water Assessment Tool (SWAT) to model streamflow, reservoir volume, and water quality. To obtain reliable model results during model calibration/validation, we compared the performance of four calibration and uncertainty analysis algorithms (Sequential Uncertainty Fitting (SUFI-2), Parameter Solution (ParaSol), Generalized Likelihood Uncertainty Estimation (GLUE), and Particle Swarm Optimization (PSO)) available in the SWAT-CUP program. The Nash-Sutcliffe Efficiency (NSE), determination coefficient (R2), p-factor, and r-factor were used as the comparison criteria and the SUFI-2 was found to be the most feasible technique for model calibration and validation. In SWAT hydrologic model, the watershed was delineated into 18 subbasins and 159 hydrological response units. The model was calibrated and validated for streamflow, sediment, and total nitrogen and used for investigating the possible changes in streamflow, reservoir storage and water quality in the future. Climate projection data were obtained from GFDL-ESM2M, HadGEM2-ES, MPI-ESM-MR global circulation models under two representative concentration pathway scenarios (RCP4.5 and RCP8.5) for the 2021-2098 period. Results show that upward trends in air temperatures are expected under both RCP4.5 and RCP8.5 scenarios. According to the HadGEM2-ES model, precipitation, streamflow, and reservoir storage showed a downward trend from 2021 to 2098, while GFDL-ESM2M and MPI-ESM-MR models projected upward trends in these parameters under the RCP4.5 scenario and downward trends under the RCP8.5 scenario. Precipitation, streamflow, and reservoir storage predictions of GFDL-ESM2M and MPI-ESM-MR models were considerably lower than those observed in the basin in recent decades, which show that water resources will decrease in the future. Sediment and total nitrogen transport to the Altınapa Reservoir will be variable, with both upward and downward trends, during the 2021-2098 period under the RCP4.5 scenario. Both sediment and total nitrogen transport would decrease during the 2070-2098 period under the RCP 8.5 scenario, which is parallel to downward trends expected in streamflow during the same time period.