Landslide Susceptibility Analysis of Kara Dere Basin (Erzincan) Using Analytical Hierarchy Process Method

Abstract

Landslides, as one of the primary natural hazards, are significant mass movements that cause considerable casualties and property damage. The objective of this study is to perform a landslide susceptibility analysis of the Kara Dere Basin, located in the northwest of the Erzincan Plain, and to spatially delineate potential risk areas. In this research, the Analytic Hierarchy Process (AHP), a Multi-Criteria Decision-Making (MCDM) method, and Geographic Information Systems (GIS) technology were utilized. Within the scope of the model, eleven different landslide-conditioning parameters were evaluated: slope, precipitation, lithology, NDVI, slope curvature, distance to streams, land use, elevation, great soil groups, aspect, and distance to roads. As a result of the weighting process applied via the AHP method, slope (25.10%) and precipitation (19.20%) were identified as the most influential factors in landslide occurrence. For the validation of the susceptibility map produced, the historical landslide inventory in the study area was randomly partitioned, utilizing 70% as training data and 30% as independent testing data. The validation procedure, performed using the Receiver Operating Characteristic (ROC) curve and the Area Under the Curve (AUC) technique, yielded an AUC value of 0.799, demonstrating that the model possesses a scientifically acceptable and reliable predictive capacity. According to the spatial analysis results, it was determined that 43% of the basin consists of high and very high-risk areas, 34% of moderate-risk areas, and 23% of low and very low-risk areas. The most susceptible regions were identified as the high-gradient terrains in the north and northeast of the basin. Furthermore, while certain sections of the Erzincan-Kelkit highway were observed to be located in high-risk zones, it was verified that the Ahmetli Village disaster housing, constructed following a historical landslide event, is appropriately situated in a low-risk area. It is anticipated that the resulting susceptibility map will serve as a crucial scientific baseline for future regional and spatial planning, as well as disaster risk management strategies.

Keywords

• GIS
• Landslide
• Remote sensing
• Kara dere basin
• Analytical hierarchy process

Supporting Institution

Atatürk University, Scientific Research Projects Coordination Unit (BAP)

Project Number

SDK-2023-12462

Ethical Statement

As no studies involving animals or humans were conducted in this research, ethics committee approval was not obtained.

Thanks

This study is based on a section of the doctoral thesis titled “Natural Disaster Risk Analysis of the Erzincan Depression,” which is being prepared by the first author under the supervision of the second author and supported by the Atatürk University Scientific Research Projects Coordination Unit (BAP) under project number SDK-2023-12462.

Kara Dere Havzasının (Erzincan) Analitik Hiyerarşi Süreci Metoduyla Heyelan Duyarlılık Analizi

Abstract

Doğa kaynaklı afetlerin başında gelen heyelanlar, can ve mal kayıplarına neden olan önemli bir kütle hareketidir. Bu çalışmanın amacı, Erzincan Ovası'nın kuzeybatısında yer alan Kara Dere Havzası'nın heyelan duyarlılık analizini gerçekleştirerek olası riskli alanları mekânsal olarak belirlemektir. Araştırmada Çok Kriterli Karar Verme (ÇKKV) yöntemlerinden biri olan Analitik Hiyerarşi Süreci (AHS) ve Coğrafi Bilgi Sistemleri (CBS) teknolojisi kullanılmıştır. Model kapsamında heyelanı tetikleyen eğim, yağış, litoloji, NDVI, eğim şekli, akarsuya mesafe, arazi kullanımı, yükselti, büyük toprak grupları, bakı ve yollara mesafe olmak üzere 11 farklı parametre değerlendirilmiştir. AHS yöntemiyle yapılan ağırlıklandırma sonucunda heyelan oluşumunda en etkili faktörlerin eğim (%25,10) ve yağış (%19,20) olduğu tespit edilmiştir. Üretilen duyarlılık haritasının doğruluk değerlendirmesi için çalışma alanındaki geçmiş heyelan envanteri rastgele ikiye bölünerek %70 eğitim ve %30 test verisi olarak kullanılmıştır. Alıcı İşletim Karakteristiği (ROC) eğrisi ve Eğri Altında Kalan Alan (AUC) tekniği ile yapılan doğrulama sonucunda 0.799 AUC değeri elde edilmiş olup, modelin bilimsel olarak kabul edilebilir ve güvenilir bir tahmin kapasitesine sahip olduğu kanıtlanmıştır. Analiz sonuçlarına göre havzanın %43'ünün çok fazla ve riskli, %34'ünün orta derecede riskli, %23'ünün ise az ve çok az riskli alanlardan oluştuğu saptanmıştır. En riskli bölgelerin havzanın kuzeyi ve kuzeydoğusundaki yüksek eğimli araziler olduğu belirlenmiştir. Ayrıca, Erzincan-Kelkit karayolunun belirli kesimlerinin yüksek riskli bölgede yer aldığı görülürken, geçmişteki heyelan sonrası kurulan Ahmetli Köyü afet evlerinin düşük riskli alanda bulunduğu doğrulanmıştır. Elde edilen bu duyarlılık haritasının, gelecekteki bölgesel ve mekânsal planlamalar ile afet risk yönetimi çalışmalarına önemli bir bilimsel altlık oluşturması öngörülmektedir.

Keywords

• CBS
• Heyelan
• Uzaktan algılama
• Kara dere havzası
• Analitik hiyerarşi süreci

Supporting Institution

Atatürk Üniversitesi, Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinasyon Birimi (BAP)

Project Number

SDK-2023-12462

Ethical Statement

Bu araştırmada hayvanlar ve insanlar üzerinde herhangi bir çalışma yapılmadığı için etik kurul onayı alınmamıştır.

Thanks

Bu çalışma, Atatürk Üniversitesi, Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinasyon Birimi (BAP) tarafından SDK-2023-12462 numaralı proje kapsamında desteklenen, birinci yazarın ikinci yazar danışmanlığında hazırlamakta olduğu “Erzincan Depresyonunun Doğal Afet Risk Analizi” başlıklı doktora tezinin bir bölümü esas alınarak hazırlanmıştır.

References

1. AFAD. (2021). İRAP afet risk azaltma planı. İçişleri Bakanlığı Afet ve Acil Durum Yönetimi Başkanlığı, Erzincan Valiliği İl Afet ve Acil Durum Müdürlüğü Yayınları.
2. Aghlmand, M., Onur, M. İ., & Talaei, R. (2020). Heyelan duyarlılık haritalarının üretilmesinde analitik hiyerarşi yönteminin ve coğrafi bilgi sistemlerinin kullanımı. Avrupa Bilim ve Teknoloji Dergisi, (Special Issue), 224–230.
3. Akgün, A., & Türk, N. (2010). Landslide susceptibility mapping for Ayvalik (Western Turkey) and its vicinity by multicriteria decision analysis. Environmental Earth Sciences, 61(3), 595–611.
4. Akıncı, H., Özalp, A. Y., & Kılıçer, S. T. (2015). Coğrafi bilgi sistemleri ve AHP yöntemi kullanılarak planlı alanlarda heyelan duyarlılığının değerlendirilmesi: Artvin örneği. Artvin Çoruh Üniversitesi Doğal Afetler Uygulama ve Araştırma Merkezi Doğal Afetler ve Çevre Dergisi, 1(1–2), 40–53.
5. Atalay, İ., & Bekaroğlu, N. (1973). Heyelanlar ve mühendislik uygulaması. Karayolları Genel Müdürlüğü Yayınları.
6. Avcı, V. (2016). Gökdere Havzası ve çevresinin (Bingöl güneybatısı) frekans oranı metoduna göre heyelan duyarlılık analizi. Marmara Coğrafya Dergisi, (34), 160–177.
7. Carrara, A., Sorisso-Valvo, M., & Reali, C. (1982). Analysis of landslide form and incidence by statistical techniques. Catena, 9(1), 35–62.
8. Choubey, V. D., & Litoria, P. K. (1990). Landslide hazard zonation in the Garhwal Himalaya, a terrain evaluation approach. In D. G. Price (Ed.), Proceedings of 6th International Association of Engineering Geology Congress, 6–10 August 1990, Amsterdam, Netherlands (pp. 65–72). Balkema.

9. Chung, C. J. F., & Fabbri, A. G. (2003). Validation of spatial prediction models for landslide hazard mapping. Natural Hazards, 30(3), 451–472.
10. Cihangir, M. E., & Görüm, T. (2016). Kelkit Vadisinin aşağı çığırında gelişmiş heyelanların dağılım deseni ve oluşumlarını kontrol eden faktörler. Türk Coğrafya Dergisi, (66), 19–28.
11. Çellek, S., Bulut, F., & Ersoy, H. (2015). AHP yöntemi’nin heyelan duyarlılık haritalarının üretilmesinde kullanımı ve uygulaması (Sinop ve yakın çevresi). Jeoloji Mühendisliği Dergisi, 39(2), 59–90. https://doi.org/10.24232/jeoloji-muhendisligi%20dergisi.295366
12. Dağ, S., & Bulut, F. (2012). Coğrafi bilgi sistemleri tabanlı heyelan duyarlılık haritalarının hazırlanmasına bir örnek: Çayeli (Rize, KD Türkiye). Jeoloji Mühendisliği Dergisi, 36(1), 35–62.
13. Dalkes, M., & Korkmaz, M. S. (2023). Analitik hiyerarşi süreci ve frekans oranı yöntemlerinin heyelan duyarlılık analizinde karşılaştırılması: Trabzon ili Akçaabat ve Düzköy ilçeleri örneği. Doğal Afetler ve Çevre Dergisi, 9(1), 16–38. https://doi.org/10.21324/dacd.1105000
14. Erener, A., & Lacasse, S. (2007). Heyelan duyarlılık haritalamasında CBS kullanımı. Ulusal Coğrafi Bilgi Sistemleri Kongresi, KTÜ, Trabzon, Türkiye.
15. Erinç, S. (1996). Jeomorfoloji I. DER Yayınları.
16. Fernandez, C. I., Del Castillo, T. F., El Hamdouni, R., & Montero, J. C. (1999). Verification of landslide susceptibility mapping: A case study. Earth Surface Processes and Landforms, 24(6), 537–544.
17. Fidan, S., & Görüm, T. (2020). Türkiye’de ölümcül heyelanların dağılım karakteristikleri ve ulusal ölçekte öncelikli alanlerin belirlenmesi. Türk Coğrafya Dergisi, (74), 123–134. https://doi.org/10.17211/tcd.731596
18. Gökçeoğlu, C., & Ercanoğlu, M. (2001). Heyelan duyarlılık haritalarının hazırlanmasında kullanılan parametrelere ilişkin belirsizlikler. Yerbilimleri, 23, 189–206.
19. Görüm, T., & Nefeslioğlu, H. A. (2015). Çok zamanlı heyelan aktivitesinin belirlenmesinde jeomorfolojik bir yaklaşım. Türk Coğrafya Dergisi, (65), 47–58.
20. Guzzetti, F., Carrara, A., Cardinali, M., and Reichenbach, P., 1999. Landslide hazard evaluation: a review of current techniques and their application in a multi-scale study, Central Italy. Geomorphology, 31, 181-216.
21. Gülenç, İ. F., & Aydın Bilgin, G. (2012). Yatırım kararları için bir model önerisi: AHP yöntemi. A Model Öneri Dergisi, 9(34), 97–107. https://doi.org/10.14783/od.v9i34.1012000233
22. JAKOB, Matthias (2000). “Theimpacts of logging on landslideactivity at Clayoquot Sound”, British Columbia. Catena, 38, 279-30.
23. Kavas, E. (2009). Analitik hiyerarşik süreç yöntemiyle İzmir ilinde heyelan duyarlılığının coğrafi bilgi sistemleri tabanlı incelenmesi. TMMOB Coğrafi Bilgi Sistemleri Kongresi (CBS2009), İzmir, Türkiye.
24. Kavzoğlu, T., & Şahin, E. K. (2012). Bulut bilişim teknolojisi ve bulut CBS uygulamaları. IV. Uzaktan Algılama ve Coğrafi Bilgi Sistemleri Sempozyumu, Bülent Ecevit Üniversitesi, Zonguldak, Türkiye.
25. Kızılkan, Y., Birinci, S., & Kaymaz, Ç. K. (2023). Endüstriyel gelişime uygun yerlerin belirlenmesinde CBS ve AHP entegrasyonu yaklaşımı: Palandöken, Aziziye ve Yakutiye (Erzurum). Ege Coğrafya Dergisi, 32(1), 69–88. https://doi.org/10.51800/ecd.1252412
26. Kopar, İ. (1995). Ünlükaya ve çevresinde kütle hareketleri [Yayımlanmamış yüksek lisans tezi]. Atatürk Üniversitesi.
27. Kopar, İ. (2010). Oluşmuş ve aktivitesini sürdüren karışık tip bir heyelan: Elmalı-Madenköprübaşı (İspir-Erzurum) heyelanı, sorunlar ve öneriler. Doğu Coğrafya Dergisi, 15(24), 191–209.
28. Kopar, İ., & Sevindi, C. (2018). Karışık tip eski bir heyelan kompleksi: Kirazlı-Altınçanak heyelanına (Uzundere-Erzurum-KD Türkiye) dair ilk jeomorfolojik bulgular ve heyelanın morfometrik özellikleri. Uluslararası Anadolu Gürcistan İlişkileri Sempozyumu, 339–359.
29. Koukis, G., & Ziourkas, C. (1991). Slope instability phenomena in Greece: A statistical analysis. Bulletin of the International Association of Engineering Geologists, 43(1), 47–60.
30. Kumtepe, P., Nurlu, Y., Cengiz, T., & Sütçü, E. (2011). Heyelan duyarlılık haritalarının hazırlanmasında coğrafi bilgi sistemlerinin kullanımı. Jeodezi, Jeoinformasyon ve Arazi Yönetimi Dergisi, (Special Issue: 2011/3).
31. Mehrotra, G. S., Sarkar, S., & Dharmaraju, R. (1992). Landslide hazard assessment in Rishikesh-Tehri area, Garhwal Himalaya, India. In D. H. Bell (Ed.), Proceedings of 6th International Symposium on Landslides, 10–14 February 1992, Christchurch, New Zealand (pp. 1001–1007). Balkema.
32. Myers, J., & Alpert, M. (1968). Determinant buying attributes: meaning and measurement. Marketing, 2, 13-20.
33. Ömerbeyoğlu, E., & Sevinç, N. (1991). Doğu Karadeniz bölgesi heyelanları ve karayollarımız. Türkiye 1. Ulusal Heyelan Sempozyumu, Bildiriler Kitabı, 64–71.
34. Öner, E., & Çiçek, İ. (1987). Heyelan olayları ve Karadeniz kıyı şeridinden örnekler. Jeomorfoloji Dergisi, 15, 53–64.
35. Özşahin, E. (2014). Tekirdağ ilinde coğrafi bilgi sistemleri ve analitik hiyerarşi süreci kullanarak heyelan duyarlılık analizi. Uluslararası Sosyal Bilimler Dergisi, 2(3), 167–186.
36. Öztürk, K. (2002). Heyelanlar ve Türkiye’ye etkileri. Gazi Üniversitesi Gazi Eğitim Fakültesi Dergisi, 22(2), 35–50.
37. Panchal, S., & Shrivastava, A. K. (2022). Landslide hazard assessment using analytic hierarchy process (AHP): A case study of National Highway 5 in India. Ain Shams Engineering Journal, 13(3), Article 101626.
38. Pourghasemi, H. R., Pradhan, B., & Gokceoglu, C. (2012). Application of fuzzy logic and analytical hierarchy process (AHP) to landslide susceptibility mapping at Haraz watershed, Iran. Natural Hazards, 63(2), 965–996.
39. Pradhan, B. (2013). A comparative study on the predictive ability of the decision tree, support vector machine and neuro-fuzzy models in landslide susceptibility mapping using GIS. Computers & Geosciences, 51, 350–365.
40. Roth, R. A. (1983). Factors affecting landslide-susceptibility in San Mateo County, California. Bulletin of the Association of Engineering Geologists, 20(4), 353–372.
41. Saatcıoğlu, M., & Arslan, M. (2016). Analitik hiyerarşi prosesi (AHP) yöntemi ile heyelan riski haritalarının oluşturulması. Türkiye Jeoloji Kurumu Bülteni, 59(4), 485–494.
42. Saaty, T. L. (1977). A scaling method for priorities in a hierarchical structure. Journal of Mathematical Psychology, 15(3), 234–281. https://doi.org/10.1016/0022-2496(77)90033-5
43. Saaty, T. L. (1980). The analytic hierarchy process. McGraw-Hill International Book Company.
44. Saaty, T. L. (1982). Decision making for leaders: The analytic hierarchy process for decisions in a complex world. Lifetime Learning Publications.
45. Saaty, T. L. (1984). The analytic hierarchy process: Decision making in complex environments. In Quantitative assessment in arms control: Mathematical modeling and simulation in the analysis of arms control problems (pp. 285–308). Springer.
46. Saaty, T. L. (1987). Rank generation, preservation and reversal in the analytic hierarchy decision process. Decision Sciences, 18(2), 157–177.
47. Saaty, T. L. (1988). What is the analytic hierarchy process? In G. Mitra, H. J. Greenberg, F. A. Lootsma, M. J. Rijkaert, & H. J. Zimmermann (Eds.), Mathematical models for decision support (pp. 109–121). Springer. https://doi.org/10.1007/978-3-642-83555-1_5
48. Saaty, T. L. (1990). How to make a decision: The analytic hierarchy process. European Journal of Operational Research, 48(1), 9–26.
49. Saaty, T. L. (2003). Decision-making with the AHP: Why is the principal eigenvector necessary. European Journal of Operational Research, 145(1), 85–91. https://doi.org/10.1016/S0377-2217(02)00227-8
50. Sevindi, C., Kopar, İ., & Kaya, G. (2004). Akdam (Kağızman-Kars) heyelanı. Doğu Coğrafya Dergisi, 9(11), 185–204.
51. Sür, Ö. (1972). Heyelan olaylarına sebep olan faktörler ve bunların Türkiye'de etkili olduğu alanlar. Coğrafya Araştırmaları Dergisi, (5–6), 111–142.
52. Taş, M. A. (2022). Tokat ilinde doğal afetler: Horoztepe'den günümüze 6000 yılda Tokat. Paradigma Akademi Yayınları.
53. Toprak-Su Genel Müdürlüğü. (1972). Erzincan ili toprak kaynağı envanter raporu. Toprak-Su Genel Müdürlüğü Yayınları.
54. Ulutaş, B., & Güler, N. (2017). AHP yöntemi ile heyelan riski haritalarının oluşturulması ve analizi (Konya örneği). Jeoloji Mühendisliği Dergisi, 41(1), 44–54.
55. Uromeihy, A., & Mahdavifar, M. R. (2000). Landslide hazard zonation of Khorshrostam area, Iran. Bulletin of Engineering Geology and the Environment, 58(3), 207–213.
56. Yalçın, A. (2007). Heyelan duyarlılık haritalarının üretilmesinde analitik hiyerarşi yönteminin ve CBS'nin kullanımı. Selçuk Üniversitesi Mühendislik, Bilim ve Teknoloji Dergisi, 22(3), 1–14.
57. Yalçın, A., Reis, S., Aydınoğlu, A. C., & Yomralıoğlu, T. (2011). A GIS-based comparative study of frequency ratio, analytical hierarchy process, bivariate statistics and logistics regression methods for landslide susceptibility mapping in Trabzon, NE Turkey. Catena, 85(3), 274–287.
58. Yaralıoğlu, K. (2001). Performans değerlendirmede analitik hiyerarşi prosesi. Dokuz Eylül Üniversitesi İktisadi ve İdari Bilimler Fakültesi Dergisi, 16(1), 129–142.
59. Yazgan, E. (2022). Analitik hiyerarşi süreci (AHS) yöntemini kullanarak havacılık sektörünün kalite süreçlerindeki insan faktörü risklerinin değerlendirilmesi. Avrupa Bilim ve Teknoloji Dergisi, (Special Issue 34), 14–18.
60. Yesilnacar, E., & Topal, T. (2005). Landslide susceptibility mapping: A comparison of logistic regression and neural networks methods in a medium scale study, Hendek region Turkey. Engineering Geology, 79(3–4), 251–269.