SWAT Modeli ve Karar Ağaçları Yaklaşımları İle Toprak Erozyonunun Modellenmesi: Yarışlı Gölü Alt Havzası Örneği

Abstract

Toprak erozyonu; yağış, yüzey akışı, rüzgâr ve depremler gibi etmenlerle toprak materyalinin bulunduğu yerden taşınması sonucu oluşan doğal bir süreçtir. Ancak yanlış arazi kullanımı ve arazi örtüsü değişimleri erozyon süreci hızlandırmakta ve çevresel tahribatın artmasına neden olmaktadır. Bu çalışmada ele alınan Yarışlı Gölü Alt Havzası madencilik faaliyetlerinin yoğun bir biçimde yürütülmekte olduğu bilinmektedir. Bu çalışmanın amacı 1990 ve 2023 yıllarına ait Landsat uydu görüntüleri kullanılarak SWAT (Soil and Water Assessment Tool) modeli ve karar ağaçları algoritmaları kullanılarak toprak erozyon miktarındaki değişimlerin tahmin edilmesi ve izlenmesidir. Çalışmada ele alından 1990-2023 tarihleri arasında bölgedeki arazi kullanımının önemli ölçüde değiştiği ortaya konulmuştur. Bu değişimin toprak erozyona olan etkisi SWAT hidrolojik modeli tercih tortu taşınımı ve sediman verimi kapsamında tahminleme uygulamaları gerçekleştirilmiştir. Makine öğrenmesi yöntemlerinden karar ağaçları algoritmasında erozyon çubukları ile elde edilen veriler eğitilerek Yarışlı Gölü Alt Havzası’nda toprak erozyonu süreci modellenmiştir. Bu çıktılarla elde edilen sonuçlar, 1990 yılında yüzeysel akışın yıllık ortalama 53,33 mm, sediman taşınımı ise 95,31 Mg/ha olduğunu göstermektedir. 2023 yılına gelindiğinde bu değerlerin sırasıyla 59,01 mm ve 99 Mg/ha’ya yükseldiği tespit edilmiştir. Toprak erozyon süreçlerine ilişkin mekânsal bulgular AUC-ROC (0.95) analizi ile doğrulanmıştır. Arazi kullanımı sınıflarının doğruluğu kappa katsayısı (0.92) ile test edilmiştir. Tüm doğrulama değerlerinin 1’e yakın olması modelleme yaklaşımının yüksek hassasiyette gerçekleştiğini göstermektedir. Karar Ağaçları ile oluşturulan erozyon tahmin haritası sonuçları, özellikle Yarışlı Gölü’nün kuzey ve güney sınırlarında, maden faaliyetlerinin yoğunlaştığı alanlarda yüksek erozyon hassasiyetine neden olduğu ortaya koymuştur. Sonuçlar, madencilik faaliyetlerinin doğal toprak örtüsünü bozduğunu ve yüzeysel sediman hareketinin arttığını göstermiştir. Genel olarak çalışma, SWAT modelinin fiziksel süreçleri analiz etme yeteneği ile Karar Ağaçları algoritmasının mekânsal görselleştirme gücünü birleştirerek, erozyon risk analizlerinde farklı modellerin bir arada kullanıldığı güçlü bir yaklaşım sunmuştur. Elde edilen bulgular, özellikle arazi yönetimi ve maden faaliyetlerinin planlanmasında mekânsal tahmin yöntemlerinin katkı sağlama potansiyelinin yüksek olduğunu göstermiştir.

Keywords

• Toprak Erozyonu
• SWAT modeli
• Karar Ağaçları
• Arazi Kullanımı Değişimi
• Yarışlı Gölü

Modeling of Soil Erosion Using the SWAT Model and Decision Tree Approaches: The Case Study of the Yarışlı Lake Sub-Basin

Abstract

Soil erosion, a natural process resulting from the displacement of soil material by rainfall, surface runoff, wind, and seismic activity, is increasingly intensified by intensive land use and associated land-cover changes, leading to accelerated degradation. The Yarışlı Lake Sub-Basin, characterized by extensive mining activities, provides the setting for this study, which aims to estimate and monitor changes in soil erosion between 1990 and 2023 through the integration of Landsat imagery, the Soil and Water Assessment Tool (SWAT), and decision tree algorithms. Findings reveal substantial land-use change over the study period, whose impact on erosion was assessed via SWAT simulations of sediment transport and yield. Complementary decision tree modeling, trained by field-based erosion pin data, enabled process-based estimation at finer spatial resolution. Results indicate that in 1990 annual surface runoff averaged 53.33 mm with sediment yield of 95.31 Mg/ha, while by 2023 these values rose to 59.01 mm and 99 Mg/ha, respectively. Spatial model performance was validated using an AUC-ROC value of 0.95, while land-use classification accuracy achieved a kappa coefficient of 0.92, both underscoring high reliability. The erosion susceptibility map derived from decision tree analysis identified heightened sensitivity along the northern and southern margins of Yarışlı Lake, coinciding with zones of concentrated mining activity. These outcomes demonstrate that mining has disrupted natural soil cover and intensified sediment mobilization. Overall, the research highlights a robust methodological framework combining the SWAT model’s capacity to analyze hydrological and sediment dynamics with the spatial visualization power of decision tree algorithms, thereby strengthening erosion risk assessment. The findings underscore the potential of spatial prediction approaches to guide land management and inform the sustainable planning of mining activities.

Keywords

• Soil Erosion
• SWAT Model
• Decision Trees
• Land Use Change
• Yarışlı Lake

References

1. Alaboz, P., Dengiz, O., Demir, S., & Şenol, H. (2021). Digital mapping of soil erodibility factors based on decision tree using geostatistical approaches in terrestrial ecosystem. Catena, 207, 105634.
2. Alevkayalı, Ç., Abi, B. (2023). Mekân Tabanlı Toprak Erozyonu Tahmin Modelleri: Bildiklerimiz Değişiyor Mu? Coğrafi Bilimler Dergisi, 21(2), 696-725. https://doi.org/10.33688/aucbd.1265625
3. Arena, F., Collotta, M., Luca, L., Ruggieri, M. & Termine, F.G. (2022). Predictive maintenance in the automotive sector: A literature review. Mathematical and Computational Applications, 27(1), 2. https://doi.org/10.3390/mca27010002
4. Arnold, J. G. & Fohrer, N. (2005). Current Capabilities and Research Opportunities in Applied. Watershed Modelling. Hydrol. Process., 19(3), 563-572. https://doi.org/10.1002/hyp.5611
5. Cürebal, İ. & Ekinci, D. (2006). Kızılkeçili Dere Havzasında CBS Tabanlı RUSLE (3D) Yöntemiyle Erozyon Analizi. Türk Coğrafya Dergisi, Issue 47, pp. 115-129.
6. Danacıoğlu, Ş., & Öngül, H. C. (2023). Güzelhisar Havzasında Endüstriyel Gelişmenin Arazi Kullanımı ve Arazi Örtüsü Özellikleri Üzerindeki Etkisinin Bulut Tabanlı Makine Öğrenme Teknikleri ile Değerlendirilmesi. Ege Coğrafya Dergisi, 32(1), 135-150.
7. Demirel, Ş., & Giray, S. (2019). Karar Ağacı Algoritmaları ve Çocuk İşçiliği Üzerine Bir Uygulama. Social Sciences Research Journal, 8(4), 52-65.
8. Demir, S., Oğuz, İ., Ciba, Ö.F. & Özer, E. (2017). Farklı Arazi Kullanımı Altında Meydana Gelen Toprak ve Yüzey Akış Kayıplarının Wepp Hillslope Modeli Kullanılarak Tahmin Edilmesi, Gaziosmanpaşa Üniversitesi Ziraat Fakültesi Dergisi, 97-104.

9. Dengiz, O., İmamoğlu, A., Saygın, F., Göl, C., Ediş, S. & Doğa, A. (2014). İnebolu Havzası’nın İcona Modeli İle Toprak Erozyon Risk Değerlendirmesi, Anadolu Tarım Bilim. Dergisi, 29(2):136-142.
10. Dutucu, A. A., & Mutlu, Y. E. (2022). Yuvacık Barajı Havzası'nda Erozyon Risk Analizi. Ege Coğrafya Dergisi, 31(2), 289-303.
11. Dutta, S., & Sen, D. (2018). Application of SWAT model for predicting soil erosion and sediment yield. Sustainable Water Resources Management, 4(3), 447-468.
12. Eloudi, H., Hssaisoune, M., Reddad, H., Namous, M., Ismaili, M., Krimissa, S., ... & Bouchaou, L. (2023). Robustness of optimized decision tree-based machine learning models to map gully erosion vulnerability. Soil Systems, 7(2), 50.
13. Fawcett, T. (2006). An introduction to ROC analysis. Pattern Recognition Letters, 27(8), 861-874.
14. Gaubi, I., Chaabani, A., Mammou, A. B. & Hamza, A. H. (2017). A GIS-Based Soil Erosion Prediction Using the Revised Universal Soil Loss Equation (RUSLE) (Lebna Watershed Cap Bon, Tunisia). Nat Hazards, Issue 86, pp. 219-239.
15. Gönençgil, B., & Halis, O. (2021). Samanlı Dağları’nın jeomorfolojik gelişimine ve uzun dönemli erozyon süreçlerine morfometrik yaklaşım. Türk Coğrafya Dergisi, (78), 109-126.
16. Gülşen, M. (2014). Eber Havzası’nda (Afyonkarahisar) toprak erozyonunun değerlendirilmesi. Yayımlanmamış yüksek lisans tezi, Afyon Kocatepe Üniversitesi Sosyal Bilimler Enstitüsü, Afyon.
17. Güner, Z. B. (2015). Veri Madenciliğinde Cart ve Lojistik Regresyon Analizinin Yeri: İlaç Provizyon Sistemi Verileri Üzerinde Örnek Bir Uygulama. Sosyal Güvence (6), 53-99.
18. Güneş, Z. & Kuşak, L. (2023). SWAT modelinin uygulanması- Tarsus (Berdan) Çayı, İçel Dergisi, 3(2), 58-64.
19. Gohel, H.A., Upadhyay, H., Lagos, L., Cooper, K. & Sanzetenea, A. (2020). Predictive maintenance architecture development for nuclear infrastructure using machine learning. Nuclear Engineering and Technology, 52(7), 1436-1442.
20. Hand, D. J., & Till, R. J. (2001). A simple generalisation of the area under the ROC curve for multiple class classification problems. Machine Learning, 45(2), 171-186.
21. Harita Genel Müdürlüğü. (2021). 1:25.000 ölçekli topografik haritalar _25K, M23c2_25K, M23c3_25K, M23c4_25K, M23d2_25K, M23d3_25K, M2d1_25K, M24_25Kd2, N23a2_25K, N23a1_25K, N23b1_25K, N23b_25K. Ankara.
22. Hasanuzzaman, M., & Shit, P. (2025). Assessment of gully erosion susceptibility using four data-driven models AHP, FR, RF and XGBoosting machine learning algorithms. Natural Hazards Research, 5(1), 36-47
23. İmamoğlu, A., Muhammed, B. & Dengiz, O. (2016). Çorum Alaca havzasında toprak erozyon duyarlılık faktörünün farklı enterpolasyon modeller kullanılarak konumsal dağılımlarının belirlenmesi. Toprak Su Dergisi, 5(1), (8-15). doi: 10.21657/tsd.15185
24. İkiel, C., Ustaoğlu, B., & Koç, D. E. (2020). Trakya'nın Erozyon Duyarlılık Analizi. Jeomorfolojik Araştırmalar Dergisi, (4), 1-14.
25. Jimeno-Sáez, P., Martinez-Espana, R., Casalí, J., Pérez-Sánchez, J., & Senent-Aparicio, J. (2022). A comparison of performance of SWAT and machine learning models for predicting sediment load in a forested Basin, Northern Spain. Catena, 212, 105953.
26. Kanar, E. & Dengiz, O. (2015). Madendere Havzası topraklarında arazi kullanım/arazi örtüsü ile bazı erozyon duyarlılık indeksleri arasındaki ilişkinin belirlenmesi. Türkiye Tarımsal Araştırmalar Dergisi, 2, 15–27.
27. Kavzoğlu, T. & Çölkesen, İ. (2010). Karar Ağaçları İle Uydu Görüntülerinin Sınıflandırılması: Kocaeli Örneği. Harita Teknolojileri Elektronik Dergisi, 2(1), 36-45.
28. Kızılelma, Y. & Karabulut, M. (2014). Mut Havzasında Erozyona Duyarlı Alanların Belirlenmesi. Uluslararası Sosyal Araştırmalar Dergisi, 7(31), pp. 439-456.
29. Lal, R. & Pierce, F. J. (1991). Soil management for sustainability. Soil and Water Conservation Society.
30. Llena, M., Vericat, D., Smith, M. W., & Wheaton, J. M. (2020). Geomorphic process signatures reshaping sub-humid Mediterranean badlands: 1. Methodological development based on High Resolution Topography. In Earth Surface Processes and Landforms. https://doi.org/10.1002/esp.4821.
31. Meteoroloji Genel Müdürlüğü. (2023). Meteorolojik veri arşivi. Erişim adresi: https://www.mgm.gov.tr
32. Neitsch, S. L., Arnold, J. G., Kiniry, J. R., Williams, J. R. & King, K. W. (2002). Soil and Water Assessment Tool: Theoretical documentation. Texas Agricultural Experiment Station. Grassland, Soil and Water Research Laboratory, Agricultural Research Service and Blackland Research Center, Texas Agricultural Experiment Station, Temple, Texas.
33. Orman ve Su İşleri Bakanlığı, (2013). Erozyonla Mücadele Eylem Planı 20132017, Ankara.
34. Özçelik, H., Çinbilgel, İ., Muca, B., Koca, A., Tavuç, İ., & Bebekli, Ö. (2014). Burdur ili karasal ve iç su ekosistem çeşitliliği, koruma ve izleme çalışmaları. Süleyman Demilrel Üniversitesi Fen Edebiyat Fakültesi Fen Bilimleri Dergisi, 9(2), 12-43.
35. Özdemir, K. & Güngör, Ö. (2019). Filyos Çayı Havzasında SWAT modelinin uygulanması. Necmettin Erbakan Üniversitesi Fen ve Mühendislik Bilimleri Dergisi, 1(2), 90–102.
36. Özşahin, E. (2016). Ergene Havzasında (Trakya) arazi kullanımı ve arazi örtüsü değişikliklerinin erozyon üzerine etkileri. Anadolu Tarım Bilimleri Dergisi, 31(1), 117-126.
37. Panagos, P., Borrelli, P., Meusburger, K., Alewell, C., Lugato, E. & Montanarella, L. (2015). Estimating the soil erosion cover-management factor at the European scale. Land Use Policy, 48, 38–50.
38. Peker, İ. B., & Cüceloğlu, G. (2022). SWAT (Soil and Water Assessment Tool) modeline genel bir bakış ve modelin Türkiye’deki uygulamaları. Çevre İklim ve Sürdürülebilirlik, 23(1), 9-26.
39. Renard, K. G., Yoder, D. C., Lightle, D. T. & Dabney, S. M. (2011). Universal Soil Loss Equation and Revised Universal Soil Loss Equation. In R. P. C. Morgan & M. A. Nearing (Eds.), Handbook of erosion modelling (pp. 137–167). Blackwell Publishing.
40. Saitoğlu, Y. S. (2015). Sınıflama ve Regresyon Ağaçları. Yayınlanmamış Doktora Tezi, Marmara Üniversitesi, Sosyal Bilimler Enstitüsü, İstanbul.
41. Saygın, F., Aksoy, H., Alaboz, P., Birol, M., & Dengiz, O. (2024). Estimation of soil erodability parameters based on different machine algorithms integrated with remote sensing techniques. International Journal of Environmental Science and Technology, 21(15), 9527-9540.
42. Selek, Z. & Arslan, C. (2025). Akarçay Havzası Hidrolojisinin SWAT Modeli ile Değerlendirilmesi. Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part C: Tasarım ve Teknoloji, 1-1.
43. Turan, İ. D., & Dengiz, O. (2024). Spatio-temporal dynamics of land use patterns on soil health in the Central Black Sea Region. Geoderma Regional, 38, e00846.
44. Tüfekcioğlu, M. (2018). Gully and Stream Bank Erosion and the Effectiveness of Control Measures in a Semi-Arid Watershed. Fresenius Environmental Bulletin, 27(12), 8233-8243.
45. Tüfekçioğlu, M. & Yavuz, M. (2016). Yusufeli Mikro Havzasında (Artvin) Yüzey Erozyonu Toprak Kaybının Tahmin Edilmesi ve Erozyon Risk Haritasının Oluşturulması. Artvin Çoruh Üniversitesi Orman Fakültesi Dergisi, 17(2), 188-199.
46. Tüfekçioğlu, M., Yıldırım, C. & Duman, A. (2020). Çoruh Nehri havzasına bağlı Oltu mikro havzasında kanal ve oyuntu erozyonuyla gerçekleşen toprak kaybının “erozyon çubuk yöntemiyle” belirlenmesi. Turkish Journal of Forest Science, 4(2), 333-350.
47. Yavuz, Ö. Ç., Karaman, E. & Yeşilyaprak, C. (2022). Makine öğrenmesi algoritmalarıyla astronomik gözlem kalitesi tahminine yönelik karar destek sistemi geliştirilmesi ve uygulanması. Trends in Business and Economics, 36(3), 289-303. http://doi.org/10.5152/TBE.2022.1049957
48. Yılmaz, O. S., Gülgen, F., Güngör, R. & Kadı, F. (2018). Uzaktan algılama teknikleri ile arazi kullanım değişiminin incelenmesi: Köprübaşı ilçesi örneği. Geomatik Dergisi (Journal of Geomatics), 10, 233–241.
49. Yılmaz, M., & Caran, Ş. (2019). Yarışlı Gölü (Burdur) yakın çevresindeki mermer sahalarının jeolojik özelliklerinin ve çevresel etkilerinin araştırılması. Sürdürülebilir Mühendislik Uygulamaları ve Teknolojik Gelişmeler Dergisi, 2(1), 57-67.
50. Zhao, L., Fang, Q., Hou, R., & Wu, F. (2021). Effect of rainfall intensity and duration on soil erosion on slopes with different microrelief patterns. Geoderma, 396, 115085. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2021.115085 İnternet Referansları https://www.dsi.gov.tr/Sayfa/Detay/744 son bağlantı tarihi 05/07/2023