Evaluating the effects of soil data quality on the swat model runoff prediction performance in a highly industrialized catchment; case study in Saz-Çayirova stream, Turkey

Abstract

In this thesis study, the flow rate prediction performance of the model established by using the Specified Soil Database (SSM) formed by laboratory and field studies and the international Food and Agricultural Organization (FAO) soil databases as soil input layer for the Soil and Water Assessment Tool (SWAT) model was evaluated. Twenty-nine soil samples were collected representing the entire Saz-Çayırova. 7 soil physicochemical properties were analyzed out of 13 parameters. These parameters were configured in the GIS environment and the SSM database consisting of 15 different soil combinations was created. Differences between FAO and SSM are depth, hydraulic conductivity and texture values can be explained by the fact that the FAO database accepts average values for the whole of the Marmara Basin. Calibration and validation processes were applied for the the catchment outlet. Nash Sutcliffe Efficiency (NSE) value calculated between the predicted dataset produced using SSM and observation runoff was in acceptable range (0.44) even before calibration, while this value was below the threshold value (0.11) for FAO dataset. NSE were found as 0.66 and 0.35 for the models established with SSM and FAO, respectively. In this context, predictive performance of model established using SSM were seen to be acceptable for the Saz-Çayırova catchment. As a result of this thesis study, it has been concluded that even though the preparation of model input parameters and calibration processes required high labor intensity, the soil databases should be specified with laboratory and field studies for watersheds dominated by industrial or residential areas.Bu tez çalışmasında, Toprak ve Su Değerlendirme Aracı (SWAT) modeli için girdi olarak laboratuvar ve arazi çalışmaları ile oluşturulan spesifiye edilmiş toprak veritabanı (SSM) ve uluslararası Food and Agricultural Organization (FAO) toprak veritabanları kullanılarak kurulan SWAT'ın yüzeysel akışı tahminleme performansı değerlendirilmiştir. Bu doğrultuda, çalışma alanı olarak endüstriyel alanlar ile domine edilmiş Saz-Çayırova deresi seçilmiştir. SSM veritabanının hazırlanması için havzanın tamamını temsil eden 29 toprak örneği alınmış ve SWAT için gerekli 13 toprak parametresinden 7 tanesi analiz edilmiştir. Bu parametreler GIS ortamında yapılandırılarak 15 farklı toprak kombinasyonundan oluşan SSM veritabanı oluşturulmuştur. SWAT modeli çalıştırılmadan önce SSM ile FAO veritabanı sonuçları karşılaştırılmıştır. Toprak tekstürünü oluşturan parametreler FAO veritabanında yaklaşık eşit yüzdelikteyken, SSM veritabanında toplam kum ve silt içeriğinin %78 olması iki toprak veritabanı arasındaki en dikkat çekici farktır. SSM veritabanı sonuçları istatistik performans kriterleri göz önüne alınarak kalibrasyondan önce bile kabul edilebilir (NSE=0.44) seviyede bulunmuş iken, FAO veritabanı ile kurulan modelde akış tahmin performansı kabul edilebilir seviyenin altında bulunmuştur (NSE=0.11). Kalibrasyon işlemlerinden sonra, havza mansabında SSM veritabanı kullanılarak kurulan modelde FAO ile kurulan modele nazaran daha iyi sonuçlar bulunmuştur. SSM ve FAO ile kurulan model akış tahminleri için NSE değerleri sırasıyla 0.66 ile 0.35 bulunmuştur. Bu durum, noktasal kaynakların tanımlanmadığı ve endüstriyel alanlar ile çevrili Saz-Çayırova havzası için yeterli aralıkta bulunmuştur. Bu tez çalışması sonucunda, endüstriyel alanlar ile domine edilmiş havzalarda modelin kurulumu ve kalibrasyon işlemleri sırasında yüksek emek yoğunluğu gerektirmesine rağmen toprak veritabanlarının laboratuvar ve saha çalışmaları ile spesifiye edilmesi gerektiği bulunmuştur.