Investigation of Akçat Basin under the pressure of point and diffuse source pollution loads using the swat model

Abstract

Yüzey suyundaki yüksek besin konsantrasyonları, su kalitesini ve ekolojiyi etkileyen ciddi bir sorundur. Akçat Deresi'ndeki azot ve fosfor yükünün su kalitesi konsantrasyonlarına etkisi, havzada tanımlanması ve ölçülmesi gereken bir kirlilik kaynağının varlığına işaret etmektedir. Bu tez çalışmasında, Toprak ve Su Değerlendirme Aracı (SWAT) modeli için girdi olarak laboratuvar ve arazi çalışmaları ile oluşturularak havza karakteristiğine göre revize edilmiş toprak veritabanı (SSM), yayılı ve noktasal kirlilik yükü olarak sınıflandırdığımız girdi parametreleri kullanılarak kurulan SWAT modeli ile nütrient kirliliğini havza genelinde tahminleme ve çözüm yöntemleri değerlendirilmiştir. Bu çalışmada, aylık simülasyonlarda SWAT verimliliğini değerlendirmek için gözlemlenen veri seti kullanılarak SWAT modeli oluşturulmuş, kalibre edilmiş ve doğrulanmıştır. Model, Akçat deresi havzasındaki farklı su kaynağı parametrelerini akış ile beraber azot ve fosfor odaklı simüle etmek amacıyla 2000-2022 yılları arasındaki akışı simüle etmiş ve Temmuz 2020 ile Mart 2022 tarihleri arasında akışa bağlı olarak TN, TP ve NO3 parametrelerinin model performansını değerlendirmiştir. Model parametrelerini optimize etmek ve model belirsizliğini incelemek için bir optimizasyon algoritması olan SUFI-2 kullanılarak SWAT-CUP yazılımı çalışmaya dahil edilmiştir. Model 2000'den 2016'a kadar kalibre edilmiş ve 2017'den Mart ayının 2022 tarihine kadar aylık olarak doğrulanmıştır. Gözlemlenen minimum ve maksimum TN ve TP yükleri havza genelinde nispeten düşük değişkenliğe sahipken, modellenen TN ve TP yükleri nispeten yüksek değişkenlik göstermektedir. İki kirletici için modellenen maksimum yükler Şubat, Mart, Nisan ve Ekim aylarında gözlemlendi. Bu aylar tarım ve mera alanlarına organik ve inorganik gübrelerin uygulandığı ayları temsil etmektedir. Bu tez çalışması sonucunda, tarımsal alanlar ile domine edilmiş havzalarda yayılı kirlilik yükünün akıbetini değerlendirmek ve modelin kalibrasyon işlemleri sırasında yüksek emek yoğunluğu gerektirmesine rağmen toprak veritabanının laboratuvar ve saha çalışmaları ile elde edilerek kirliliğin toprakta başlayan tarımsal aktiviteler ile beraber hidrolojik döngü ile su kalitesini ne ölçüde etkilediği değerlendirilmiş ve en iyi yönetim uygulamaları senaryoları ile su kalitesi istenilen değerlere ulaştırmaya yönelik değerlendirmeler yapılmasını hedeflemiştir.Surface water nutrient concentrations are a major issue that have an impact on ecology and water quality. The impact of Akçat Stream's nitrogen and phosphorus load on water quality concentrations suggests that the basin has a pollution source that needs to be located and quantified. In this thesis study, the soil database (SSM), which was created with laboratory and field studies and revised according to the basin characteristics, as input for the Soil and Water Assessment Tool (SWAT) model, and the input parameters we classified as diffuse and point pollution load, were used to determine the nutrient pollution in the basin. Estimation and solution methods were evaluated throughout. In this thesis study, to evaluate SWAT effectiveness in monthly simulations, the observed data set was used in the construction, calibration, and validation of the SWAT model. The model simulated the flow from 2000 to 2022 to simulate various water resource characteristics in the Akçat stream basin, with a focus on nitrogen and phosphorus as well as flow, and the model performance of TN, TP, and NO3 parameters was evaluated based on the flow between July 2020 and March 2022. SUFI-2, an optimization procedure, was used in the study with SWAT-CUP software to improve model parameters and investigate model uncertainty. After calibration, the model from 2000 to 2016 and verified monthly from 2017 to March 2022. Observed minimum and maximum TN and TP loads have relatively low variability across the basin, while modeled TN and TP loads show relatively high variability. Modeled maximum loads for the two pollutants were observed in February, March, April and October. These months represent the months when organic and inorganic fertilizers are applied to agricultural and pasture areas. As a result of this thesis study, it is aimed to evaluate the fate of the diffuse pollution load in the basins dominated by agricultural areas and to determine the extent to which pollution affects the hydrological cycle and water quality together with the agricultural activities that start in the soil, by obtaining the soil database through laboratory and field studies, although it requires high labor intensity during the calibration processes of the model. evaluated and aimed to make evaluations to reach the desired values of water quality with best management practice scenarios.