Farklı Erozyon Tahmin Modellerine Göre Akarsu Sedimantasyon Miktarının Belirlenmesine Bir Örnek: Naip Barajı Havzası (Tekirdağ, Türkiye)

Year 2023, Issue: 10, 1 - 19, 15.04.2023

Emre Özşahin

https://doi.org/10.46453/jader.1203890

Cited By: 1

Abstract

Barajlar, çok çeşitli faydaları olan mühendislik yapılarıdır. Bu yapıların uzun süre hizmet vermesi ekonomik ömürlerinin uzun olmasıyla ilişkilidir. Barajların ekonomik ömrünün uzunluğu, baraj rezervuarlarının siltasyonla dolması için geçen sürenin artmasına bağlıdır. Bunun için akarsu sedimantasyon miktarı, sediment verimi ve toprak erozyonu gibi rezervuar ömrünün belirlenmesinde kullanılan parametreler tahmin edilmeye çalışılmaktadır. Son zamanlarda yerbilimcilerin tarafından CBS (Coğrafi Bilgi Sistemleri) tabanlı uygulanan bazı yöntemlerle bu parametreler başarılı bir şekilde belirlenebilmektedir. Bu çalışmada CBS tekniklerine dayalı bir şekilde evrensel toprak kaybı denkleminin (USLE) revize (RUSLE) ve modifiye (MUSLE) versiyonları kullanılarak Naip barajı havzasında akarsu sedimantasyon miktarının tahmin edilmesi amaçlanmıştır. Böylece her iki erozyon modeline ait sonuçlara göre baraj havzasının toprak erozyon haritaları üretilmiş ve ortalama yıllık toprak kaybı miktarı hesaplanmıştır. Çalışma alanı Tekirdağ şehrinin içme suyunun karşılandığı bir baraj havzası olması bakımından incelemeye değer bulunmuştur. Dolayısıyla hem Naip barajının dolma süresi konusunda çıkarımlarda bulunulmuş hem de sürdürülebilir havza ve baraj yönetimi bakımından önemli veriler sunulmuştur. Toprak kaybının hesaplanmasında ve erozyon risk haritalarının oluşturulmasında çalışma verilerine göre yeniden düzenlenen ArcGIS Soil Erosion Tool kullanılmıştır. Çalışma sonucunda baraj havzasında 0.31 t haˉ¹ yˉ¹ (RUSLE) ve 0.36 t haˉ¹ yˉ¹ (MUSLE) miktarları arasında ortalama yıllık toprak kaybının yaşandığı belirlenmiştir. Bu sonuçlar batimetrik verilerle kontrol edilmiş ve RUSLE model sonucunun daha isabetli olduğu saptanmıştır. Dolayısıyla barajın yapımından beri (2015-2021) toplam taşınan sediment miktarının 6445.62 ton olduğu anlaşılmıştır. Buna göre toplam rezervuar hacmi, %11.95 oranında dolmuştur. Çok hafif erozyon riskinin görüldüğü sahada, yanlış arazi kullanımının izlendiği eğimli yamaçlarda erozyonun daha şiddetli bir şekilde etkili olduğu anlaşılmıştır. Bu çalışma evrensel toprak kaybı denkleminin (USLE) revize (RUSLE) ve modifiye (MUSLE) versiyonlarının akarsu sedimantasyon miktarının ve baraj rezervuarlarındaki depolanma süreçlerinin belirlenmesinde pratik bir şekilde kullanılabileceği göstermiştir. Ayrıca çalışma sonuçları baraj rezervuarının sedimantasyon yönetimi, barajın sürdürülebilirliği ve rezervuar ömrünün uzatılması için karar vericiler tarafından yardımcı ve yönlendirici bilgi şeklinde kullanılabilir.

Keywords

RUSLE, MUSLE, Erozyon, Sedimantasyon, Siltasyon, Erosion, Sedimentation, Siltation

Thanks

Makalenin arazi çalışmaları sürecinde yardımlarından dolayı sayın Doç. Dr. Hüseyin Sarı’ya ve Tekirdağ İl Afet ve Acil Durum Müdürlüğü personeline teşekkür ederim.

An Example for Determining River Sedimentation Amount Based on Different Erosion Prediction Models: The Naip Dam Basin (Tekirdağ, Türkiye)

Abstract

Dams are engineering structures offering a wide range of benefits. The service life of these structures is related to their long economic life. The length of their economic life depends on the increase in the time it takes for the dam reservoirs to fill with siltation. In this regard, parameters such as river sedimentation amount, sediment yield, and soil erosion used for determining reservoir life are tried to be estimated. These parameters can be determined successfully by some methods recently applied by geoscientists based on Geographic Information Systems (GIS). This study aimed to estimate the river sedimentation amount in the Naip dam basin (Turkey) by using the revised (RUSLE) and modified (MUSLE) versions of the Universal Soil Loss Equation (USLE) based on GIS techniques. Thus, based on the results of both erosion models, soil erosion maps of the dam basin were produced, and the average annual soil loss rates were calculated. Moreover the results of erosion models were compared with the bathymetric changes in the dam reservoir. The study area was found worthy of examination as it is the dam basin supplying the drinking water of Turkey’s Tekirdag city. Therefore, inferences were made about the filling time of the Naip dam, and important data were presented in terms of sustainable basin and dam management. The ArcGIS soil erosion tool, rearranged based on the study data, was used in calculating soil loss and creating erosion risk maps. The study found that annual average soil loss in the dam basin was between 0.31 t haˉ¹ yˉ¹ (RUSLE) and 0.36 t haˉ¹ yˉ¹ (MUSLE). These results were checked with bathymetric data and RUSLE model result was found to be more accurate. Hence, the total amount of sediment transported since the construction of the dam (from 2015 to 2021) was detected to be 6445.62 tons. Accordingly, the total reservoir volume was filled at the rate of 11.95%. Erosion was seen to have a more severe effect on slopes involving wrong land use in the area with a very low risk of erosion. The study indicated that RUSLE and MUSLE, the revised and modified versions of USLE, could be practically used in determination of river sedimentation amount and storage processes in dam reservoirs. In addition, the results of the study can be used by the decision makers as helpful and guiding information for the sedimentation management of the dam reservoir, the sustainability of the dam, and the extension of the reservoir life.

Keywords

RUSLE, MUSLE, Erosion, Sedimentation, Siltation

References

• ArcGIS. (2021). Soil Erosion Tool. https://www.arcgis.com/home/item.html?id=d9cf2bdcb64e47d39df8410cb6814d20.
• Arnoldus, H.M.J. (1977). Methodology used to determine the maximum potential average annual soil loss due to sheet and rill erosion in Morocco, FAO Soils Bulletin, 34:39-51.
• Arnoldus, H.M.J. (1980). An approximation of the rainfall factor in the Universal Soil Loss Equation, in: De Boodt, M. and Gabriels, D., Assessment of Erosion, pp.: 127-131, Chichester, UK, Wiley.
• Aşık, Y. (2016). Barajların Kontrolü ve Denetiminin Önemi. Gümüşhane Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, 6 (1):33-40. https://doi.org/10.17714/gufbed.2016.06.004.
• Atalay, İ. (1984). Soil erosion and its effects on the transportation and the modern sedimentation in Turkey. Ege Coğrafya Dergisi, 2:30-47.
• Bhatti, M.T., Ashraf, M., Anwar, A.A. (2021). Soil Erosion and Sediment Load Management Strategies for Sustainable Irrigation in Arid Regions. Sustainability, 13:3547. https://doi.org/10.3390/su13063547.
• Borrelli, P., Robinson, D.A., Panagos, P., Lugato, E., Yang, J.E., Alewell, C., Wuepper, D., Montanarella, L., Ballabio C. (2020). Land use and climate change impacts on global soil erosion by water (2015-2070). Proceedings of the National Academy of Sciences, 117 (36):21994-22001. https://doi.org/10.1073/pnas.2001403117.
• Bozyiğit, R., Kaya, B. (2017). Altınapa Baraji Havzasinda (Konya) Erozyon ve Önlemler. Marmara Coğrafya Dergisi, 36:285-303. https://dergipark.org.tr/tr/pub/marucog/issue/30253/330017.
• Chuenchum, P., Xu, M., Tang, W. (2020). Estimation of Soil Erosion and Sediment Yield in the Lancang–Mekong River Using the Modified Revised Universal Soil Loss Equation and GIS Techniques. Water, 12(1):135. https://doi.org/10.3390/w12010135.
• Cürebal, İ., Efe, R., Soykan, A., Sönmez, S. (2013). Üç Boyutlu Modelleme Kullanılarak Siltasyon Miktarının Ölçülmesi: Çaygören Barajı Örneği. UJES 2012, III. Ulusal Jeomorfoloji Sempozyumu Bildiriler Kitabı, s.: 729-738, Hatay.
• Desmet, P.J.J., Govers, G. (1996). A GIS-procedure for automatically calculating the USLE LS-factor on topographically complex landscape units, Journal of Soil and Water Conservation, 51 (5):427-433.
• Dindaroğlu, T., Canbolat, M. (2014). Erzurum İli Kuzgun Baraj Gölü Havzasında Gerçek ve Potansiyel Erozyon Risk Alanlarının CORINE Yöntemiyle Belirlenmesi. KSÜ Doğa Bilimleri Dergisi, 16 (4):8-15. https://dergipark.org.tr/tr/pub/ksudobil/issue/22839/243811.
• Djoukbala, O., Hasbaia, M., Benselama, O., Mazour, M. (2019). Comparison of the erosion prediction models from USLE, MUSLE and RUSLE in a Mediterranean watershed, case of Wadi Gazouana (N-W of Algeria). Modeling Earth Systems and Environment, 5:725-743. https://doi.org/10.1007/s40808-018-0562-6.
• DSİ. (2015). İnşa Halindeki Barajlar. DSİ (Devlet Su İşleri Genel Müdürlüğü) 11. Bölge Müdürlüğü, Edirne, Erişim Tarihi: 14/04/2015, Erişim Adresi: http://www2.dsi.gov.tr/bolge/dsi11/tekirdag.htm
• DSİ. (2020). D02A094 nolu Işıklar D. – Naipköy istasyonuna ait 1987-2014 aylık ortalama debi (m³/s) ölçüm sonuçları. DSİ (Devlet Su İşleri Genel Müdürlüğü) Etüt Planlama ve Tahsisler Dairesi Başkanlığı Rasatlar Şube Müdürlüğü, Ankara.
• Dutta, S. (2016). Soil erosion, sediment yield and sedimentation of reservoir: a review. Model. Earth Systems and Environment, 2:123. https://doi.org/10.1007/s40808-016-0182-y.
• Efe, R., Ekinci, D., Cürebal, İ. (2008). Erosion Analysis of Şahin Creek Watershed (NW of Turkey) Using GIS Based on RUSLE (3D) Method. Journal of Applied Science, 8 (1): 49-58.
• Erpul, G., Şahin, S., İnce, K., Küçümen, A., Akdağ, M.A., Demirtaş, İ., Çetin, E. (2018). Türkiye Su Erozyonu Atlası. Çölleşme ve Erozyonla Mücadele Genel Müdürlüğü Yayınları, Ankara.
• ESA WorldCover (2021). https://worldcover2021.esa.int/viewer.
• Ezzaouini, M.A., Mahé, G., Kacimi, I., Zerouali, A. (2020). Comparison of the MUSLE Model and Two Years of Solid Transport Measurement, in the Bouregreg Basin, and Impact on the Sedimentation in the Sidi Mohamed Ben Abdellah Reservoir, Morocco. Water, 12:1882. https://doi.org/10.3390/w12071882.
• Fıçıcı, M. (2021). Madra Barajı Havzasında erozyon analizi. Yayınlanmamış doktora tezi. Balıkesir Üniversitesi Sosyal Bilimler Enstitüsü, Balıkesir.
• Fraedrich, K. (2010). A Parsimonious Stochastic Water Reservoir: Schreiber’s 1904 Equation. Journal of Hydrometeorology, 11, 575-578. https://doi.org/10.1175/2009JHM1179.1.
• Hajigholizadeh, M., Melesse, A.M., Fuentes, H.R. (2018). Erosion and Sediment Transport Modelling in Shallow Waters: A Review on Approaches, Models and Applications. International Journal of Environmental Research and Public Health, 15(3):518. https://doi.org/10.3390/ijerph15030518.
• HGM. (2020). Tekirdağ İli SYM (5 m) verisi ve ortofotoları (2019). Harita Genel Müdürlüğü, Ankara.
• Ijam, A.Z., Al-Nawiseh, A.N., Ktishat, K. (2020). Storage Reduction of Mujeb Dam Reservoir in Jordan due to Sedimentation. Journal of Environment and Earth Science, 10 (6):124-131. https://doi.org/10.7176/JEES/10-6-10.
• İkiel, C., Ustaoğlu, B., Koç, D.E. (2020). Trakya Yarımadası’nda Erozyon Duyarlılık Analizi. Jeomorfolojik Araştırmalar Dergisi 4:1-14. https://dergipark.org.tr/tr/pub/jader/issue/53577/666287.
• Lazzari, M., Gioia, D., Piccarreta, M., Danese, M., Lanorte, A. (2015). Sediment yield and erosion rate estimation in the mountain catchments of the Camastra artificial reservoir (Southern Italy): A comparison between different empirical methods. Catena, 127:323-339. https://doi.org/10.1016/j.catena.2014.11.021.
• Luo, Y., Lu, M., Wang, H., Qiu, A. (2019). Recent soil erosion in the Hongfeng catchment on the Guizhou Plateau, SW China revealed by analysis of reservoir sediments and soil loss modeling. Journal of Paleolimnology, 61:17-35. https://doi.org/10.1007/s10933-018-0042-z.
• MGM. (2021). Tekirdağ Meteoroloji İstasyonu Meteorolojik Gözlem Verileri (1950-2020). Tekirdağ Meteoroloji İstasyonu, Tekirdağ.
• Miranda, M.N., Rosa, C., Peres, A., Maia, R. (2021). Sedimentation assessment and effects in Venda Nova dam reservoir (Portugal). Science of The Total Environment, 766:144261. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.144261.
• Oğuz, K. (2015). Kurtboğazı barajı havzasında erozyon risk alanlarının belirlenmesi. Anadolu Tarım Bilimleri Dergisi, 30 (2):176-181. https://doi.org/10.7161/anajas.2015.30.2.176-181.
• Özşahin, E. (2014). Tekirdağ İlinde CBS Tabanlı RUSLE Modeli Kullanarak Erozyon Risk Değerlendirmesi. JOTAF / Tekirdağ Ziraat Fakültesi Dergisi, 11 (3):45-56.
• Özşahin, E. (2016a). Ergene Havzasında (Trakya) arazi kullanımı ve arazi örtüsü değişikliklerinin erozyon üzerine etkileri. Anadolu Tarım Bilimleri Dergisi, 31:117-126. https://doi.org/10.7161/anajas.2016.31.1.117-126.
• Özşahin, E. (2016b). Alakır Çayı Havzasında (Antalya) Toprak Kaybının Mekânsal Dağılışı ve Etkili Faktörler. JOTAF / Tekirdağ Ziraat Fakültesi Dergisi, 13 (2):123-134.
• Özşahin, E. (2016c). Çok Şiddetli Erozyon Probleminin Değerlendirilmesine Yönelik Pilot Bir Çalışma: Kavakdere Havzası (Trakya Yarımadası) Örneği. International Journal of Eurasia Social Sciences, 7 (2):100-119.
• Özşahin, E. (2021). Baraj Rezervuarındaki Alansal ve Hacimsel Değişikliklerin Zamansal ve Mekânsal Ölçekte Karşılaştırması: Naip Barajı Örneği (Tekirdağ/Türkiye). III. Uluslararası Coğrafya Eğitimi Kongresi Tam Metin Bildiriler Kitabı (UCEK – 2021), Editör: Prof. Dr. Hakan KOÇ, s.: 603-613, 14-17 Ekim 2021, Sivas Cumhuriyet Üniversitesi, Türkiye.
• Özşahin, E., Duru, Ü., Eroğlu, İ. (2018). Land Use and Land Cover Changes (LULCC), a Key to Understand Soil Erosion Intensities in the Maritsa Basin. Water, 10:335. https://doi.org/10.3390/w10030335.
• Özşahin, E., Eroğlu, İ., Yıldız, H. (2019). GIS Based Erosion Studies in Turkey. Proceedings of International Balkan and Near Eastern Social Sciences Congress Series- Tekirdağ / Turkey, March 09-10, 2019 / Ed. Dimitar Kirilov DIMITROV, Dimitar NIKOLOSKI, Rasim YILMAZ, pp.: 1251-1253.
• Palmieri, A., Shah, F., Dinar, A. (2001). Economics of reservoir sedimentation and sustainable management of dams. Journal of Environmental Management, 61 (2):149-163. https://doi.org/10.1006/jema.2000.0392.
• Panagos, P., Meusburger, K., Ballabio, C., Borrelli, P., Alewell, C. (2014). Soil erodibility in Europe: A high-resolution dataset based on LUCAS. Science of the Total Environment, 479-480:189-200. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2014.02.010.
• Panagos, P., Borrelli, P., Meusburger, C., Alewell, C., Lugato, E., Montanarella, L. (2015a). Estimating the soil erosion cover-management factor at European scale. Land Use Policy, 48C:38-50. https://doi.org/10.1016/j.landusepol.2015.05.021.
• Panagos, P., Borrelli, P., Poesen, J., Ballabio, C., Lugato, E., Meusburger, K., Montanarella, L., Alewell, C. (2015b). The new assessment of soil loss by water erosion in Europe. Environmental Science & Policy, 54:438-447. https://doi.org/10.1016/j.envsci.2015.08.012.
• Pınar, M.Ö., Şahin, S., Madenoğlu, S., Erpul, G. (2020). Derinöz Baraj Havzasinda Şiddetli Erozyon Alanlarinin Belirlenmesi Ve Rezervuar Sediment Yükünün Hesaplanması. Su Kaynakları, 5 (2):24-33. https://dergipark.org.tr/tr/pub/su/issue/56995/785518.
• Renard, K.G., Foster, G.R., Weesies, G.A., Porter, J.P. (1991). Revised Universal Soil Loss Equation (RUSLE). Journal Soil Water Conservation, 46:30-33.
• Renard, K.G., Foster, G.R., Weesies, G.A., McCool, D.K., Yoder, D.C. (1997). Predicting Soil Erosion by Water: A Guide to Conservation Planning with the Revised Universal Soil Loss Equation (RUSLE). Agriculture Handbook No. 703, USDA: Washington, DC, USA.
• Roslee, R., Sharir, K. (2019). Soil Erosion Analysis using RUSLE Model at the Minitod Area, Penampang, Sabah, Malaysia. Journal of Physics: Conference Series, 1358:012066. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1358/1/012066.
• Samad, N., Chauhdry, M.H., Ashraf, M., Saleem, M., Hamid, Q., Babar, U., Tariq, H., Farid, M.S. (2016). Sediment yield assessment and identification of check dam sites for Rawal Dam catchment. Arabian Journal of Geosciences, 9:466. https://doi.org/10.1007/s12517-016-2484-9.
• Sayl, K.N., Muhammad, N.S., El-Shafie, A. (2017). Optimization of area–volume–elevation curve using GIS–SRTM method for rainwater harvesting in arid areas. Environmental Earth Sciences, 76:368. https://doi.org/10.1007/s12665-017-6699-1.
• Schmutz, S., Moog, O. (2018). Dams: Ecological Impacts and Management. In: Schmutz, S., Sendzimir, J. (Eds.) Riverine Ecosystem Management. Aquatic Ecology Series, Volume: 8, Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-319-73250-3_6.
• Selek, Z., Pınarlık, M. (2019). Yeşilırmak Havzası Çakmak Barajı rezervuarındaki sediment birikiminin araştırılması. Politeknik Dergisi, 22(3):715-721. https://doi.org/10.2339/politeknik.457958.
• Şentürk, K., Sümengen, M., Terlemez, İ., Karaköse, C. (1998). 1:100 000 ölçekli Açınsama Nitelikli Türkiye Jeoloji Haritaları Bandırma-D4 Paftası. Maden Tetkik ve Arama Genel Müdürlüğü No: 64, Ankara.
• Snyder, N.P., Rubin, D.M., Alpers, C.N., Childs, J.R., Curtis, J.A., Flint, L.E., Wright, S.A. (2004). Estimating accumulation rates and physical properties of sediment behind a dam: Englebright Lake, Yuba River, northern California. Water Resources Research, 40: W11301. https://doi.org/10.1029/2004WR003279.
• Soukhaphon, A., Baird, I.G., Hogan, Z.S. (2021). The Impacts of Hydropower Dams in the Mekong River Basin: A Review. Water, 13(3):265. https://doi.org/10.3390/w13030265.
• Süleymanpaşa Belediyesi. (2021). Naip Barajı. https://www.suleymanpasa.bel.tr/bilgi/Naip-Baraj%C4%B1--246. Son Erişim Tarihi: 06.07.2021.
• Thiet, N.V., Orange, D., Laffy, D., Cu, P.V. (2012). Consequences of large hydropower dams on erosion budget within hilly agricultural catchments in Northern Vietnam by RUSLE modeling. Hanoi: IRD, 8 p. multigr. International Conference Sediment Transport Modeling in Hydrological Watersheds and Rivers, Istanbul (TUR), 2012/11/14-16.
• Williams, J.R. (1975). Sediment routing for agricultural watersheds. JAWRA Journal of the American Water Resources Association, 11:965-974.
• Wischmeier, W.H. (1978). Use and misuse of the universal soil loss equation. Journal of Soil and Water Conservation, 31:5-9.
• Wischmeier, W.H., Smith, D.D. (1978). Predicting rainfall erosion losses. Agriculture Handbook No. 537, 537:285-291. https://doi.org/10.1029/TR039i002p00285.
• Xu, Y., Shao, X., Kong, X., Peng, J., Cai, Y. (2008). Adapting the RUSLE and GIS to model soil erosion risk in a mountains karst watershed, Guizhou Province, China. Environmental Monitoring and Assessment, 141:275-286. https://doi.org/10.1007/s10661-322 007-9894-9.
• Zanaga, D., Van De Kerchove, R., Daems, D., De Keersmaecker, W., Brockmann, C., Kirches, G., Wevers, J., Cartus, O., Santoro, M., Fritz, S., Lesiv, M., Herold, M., Tsendbazar, N.E., Xu, P., Ramoino, F., Arino, O. (2022). ESA WorldCover 10 m 2021 v200. https://doi.org/10.5281/zenodo.7254221.
• Zhang, Y., Degroote, J., Wolter, C., Sugumaran, R. (2009). Integration of Modified Universal Soil Loss Equation (MUSLE) into a GIS Framework to Assess Soil Erosion Risk. Land Degradation and Development, 20:84-91. https://doi.org/10.1002/ldr.893.