Investigation of the Effects of Global Climate Change on Precipitation and Temperature for the Snowpack in Kırkgöze Mountainous Basin Expected for 2050 with HSPF Model Program

Abstract

In this study, HSPF model inputs were re-calibrated to model the Kırkgöze Basin’s hydrological behavior in terms of snow accumulation and depletion attitudes. Spatial characterization was defined earlier by using the BASINS program for the application of the HSPF model inputs. By using the HSPF model program, basin and climate characterization were constructed and the effects of climate change impact based on temperature and precipitation trends investigated upon snow accumulation and depletion simulations at 3 different locations. Temperature and precipitation are the most important indicators of climate change. Especially for the basins fed from snowfall, withdrawing the snow-melting period to earlier times will affect the streamflows. The rise in temperature leads to early snow melting and as a result, the hydrological regimes of the rivers change. The analysis performed using HSPF such a conceptual model with a complex structure conveniently for the snowmelt dominated mountainous basins in the Eastern Anatolian Region of Turkey at three different stations with various aspects and altitudes. The effects of climate change trends over precipitation and temperature values have been analyzed to determine their impacts on snowpack for the year 2050 in the eastern mountainous regions of Turkey. According to the climate forecasts for the next 40-year period based on the 2011 data, at higher altitudes, the melting period can shift up to 15 days earlier from the snowpacks having the north aspect and 25 days from the south aspects. It was concluded that rain on snow events and the rain falling directly on bare land as a result of early melting had significant effects on observed flow rates. Peak flows released from the highland snowpacks can reach up to 1.4 times at daily scale. At some locations, this indicates a significant increase in flood flow rates for the following period. Flood protection structures should be resized according to global climate change impacts to serve for the future period throughout their economic lives. Besides, snowcovered areas will gradually decrease, as the snow will begin to accumulate at higher elevations, it is important to make future projections of the existing facilities in Eastern Anatolia, where winter sports in different disciplines are still performing.

Keywords

• Snowmelt Modeling
• Energy and Mass Balance
• HSPF Model
• Kırkgöze Basin
• Climate Change
• Winter Sports

Küresel İklim Değişikliğinin Yağış ve Sıcaklık Üzerindeki Etkilerinin Kırkgöze Dağlık Havzasındaki Kar Kütlesi Üzerinde 2050 Yılı İçin Beklenen Etkilerinin HSPF Model Programı İle İncelenmesi

Öz

Bu çalışmada Kırkgöze Havzası’nın kar birikme ve erime dönemlerindeki hidrolojik davranışını modellemek için kullanılan HSPF model parametreleri güncellenerek kalibre edilmiştir. BASINS programında önceden alansal karakterizasyonu yapılmış olan havzanın HSPF model programı ile havza ve iklim karakterizasyonu yapılarak üç farklı noktada kar birikmesi ve erimesi davranışları modellenmiş ve yağış ve sıcaklık parametrelerinin öngörülen iklim değişikliği trendlerinin bölgedeki karın birikme ve erime süreçleri üzerindeki etkileri simüle edilmiştir. Sıcaklık ve yağış, iklim değişikliğinin en önemli göstergeleridir. Özellikle kar yağışından beslenen havzalar için, karların erime döneminin erkene çekilmesi akarsu akımlarını etkiler. Sıcaklık artışı, kar erime dönemlerinin erkene çekilmesine sebep olmakta ve bunun sonucunda akarsuların hidrolojik rejimleri değişmektedir. Kavramsal yapıdaki karmaşık bir model olan HSPF modeli ile Türkiye’de kar erimesinin etkili olduğu dağlık havzalarda farklı yükseklik ve bakıdaki üç farklı noktada gerçekleştirilen analizler ile Türkiye’nin Doğu Anadolu Bölgesi’ndeki iklim değişikliği sonucu öngörülen yağış ve sıcaklık trendlerinin karın birikmesine ve erimesine olan etkisi 2050 yılı tahminleri ile ortaya konulmuştur. 2011 yılı verileri referans alınarak gelecekteki 40 yıllık periyod için gerçekleştirilen tahminlere göre erime dönemi yüksek rakımlarda kuzey bakıda 15 gün, güney bakıda ise 25 gün kadar öne kayabilmektedir. Çalışmada kar örtüsü üzerine yağan yağmurun ve erken erime sonucu çıplak arazi üzerine yağarak direk akışa geçen yağmurun gözlenen debiler üzerinde önemli etkilerinin olduğu sonucuna varılmıştır. Büyük kar kütlelerinden salınan pik debiler günlük bazda 1.4 kata kadar çıkabilmektedir. Bu ise ilerleyen dönemde bazı lokasyonlarda taşkın debilerinde önemli bir artışa işaret etmektedir. Bu nedenle taşkın koruma yapılarının ekonomik ömürleri boyunca hizmet verebilmesi için küresel iklim değişikliği trendleri gözönünde tutularak boyutlandırılması gerektiği sonucunu doğurmaktadır. Ayrıca karın zamanla daha yüksek kotlarda birikmeye başlayacak olması ile karla kaplı alanların azalacak olması özellikle farklı disiplinlerdeki kış sporlarının yapıldığı Doğu Anadolu’da mevcut bulunan tesislerin geleceğe yönelik projeksiyonlarının yapılması hususunda önem arz etmektedir.

Anahtar Kelimeler

• Kar Modellemesi
• Enerji ve Kütle Dengesi
• HSPF Modeli
• Kırkgöze Havzası
• İklim Değişikliği
• Kış Sporları

References

1. Acar, R., Şenocak, S., & Şengül, S. (2009). Snow hydrology studies in the mountainous eastern part of Turkey. Paper presented at the 2009 IEEE International Conference on Industrial Engineering and Engineering Management.
2. Acar, R., Şenocak, S., Şengül, S., Coşkun, T., & Balık Şanlı, F. (2009). Erzurum Kırkgöze Havzasında Kar Erimesine Etki Eden Meteorolojik Ölçümlerin Üç İstasyonda Karşılaştırılması. Paper presented at the III. Ulusal Kar Kongresi.
3. Al‐Abed, N. A., & Whiteley, H. R. (2002). Calibration of the Hydrological Simulation Program Fortran (HSPF) model using automatic calibration and geographical information systems. Hydrological processes, 16(16), 3169-3188.
4. Anderson, E. A. (1968). Development and testing of snow pack energy balance equations. Water Resources Research, 4(1), 19-37.
5. Anderson, E. A., & Crawford, N. H. (1964). The synthesis of continuous snowmelt runoff hydrographs on a digital computer, Department of Civil Engineering: Stanford University, Stanford, California, Technical Report.
6. Anonymous. (1956). Summary report of the snow investigations: North Pacific Division. US Army Corps Eng., Portland, Oreg. 437pp.
7. Anonymous. (1998). Engineering and Design: Runoff from Snowmelt (CECW–EH Engineer Manual 1110-2-1406). Retrieved from Washington, D.C.:
8. Anonymous. (2007). Better Assessment Science Integrating Point and Nonpoint Sources BASINS 4.0, User’s Manual. EPA-823-C-07-001, Washington, DC.

9. Bergman, M., Green, W., & Donnangelo, L. (2002). Calibration of storm loads in the South Prong watershed, Florida, using basins/HSPF 1. JAWRA Journal of the American Water Resources Association, 38(5), 1423-1436.
10. Bicknell, B. R., Imhoff, J. C., Kittle Jr, J. L., Donigian Jr, A. S., & Johanson, R. C. (1997). Hydrological simulation program—FORTRAN user’s manual for version 11. Environmental Protection Agency Report No. EPA/600/R-97/080. US Environmental Protection Agency, Athens, Ga.
11. Carrubba, L. (2000). HYDROLOGIC MODELING AT THE WATERSHED SCALE USING NPSM 1. JAWRA Journal of the American Water Resources Association, 36(6), 1237-1246.
12. Choi, W., & Deal, B. M. (2008). Assessing hydrological impact of potential land use change through hydrological and land use change modeling for the Kishwaukee River basin (USA). Journal of Environmental Management, 88(4), 1119-1130.
13. Crawford, N. H. (1999). Snowmelt Calibration. Hydrologic Journal. Retrieved from www.hydrocomp.com
14. Donigian, A. S., & Davis, H. H. (1978). User's Manual for Agricultural Runoff Management(ARM) Model. Available from the National Technical Information Service, Springfield VA 22161 as PB-286 366, Price codes: A 08 in paper copy, A 01 in microfiche. Report.
15. DSİ. (2009). Turkey Water Report. Retrieved from Republic of TURKEY:
16. El-Kaddah, D. N., & Carey, A. E. (2004). Water quality modeling of the Cahaba River, Alabama. Environmental geology, 45(3), 323-338.
17. Endreny, T. A., Somerlot, C., & Hassett, J. M. (2003). Hydrograph sensitivity to estimates of map impervious cover: a WinHSPF BASINS case study. Hydrological processes, 17(5), 1019-1034.
18. Güventürk, A. (2013). Impacts Of Climate Change on Water Resources on Eastern Mountainous Region Of Turkey. (Msc), Middle East Technical University, Ankara,Turkey.
19. Hayashi, S., Murakami, S., Watanabe, M., & Bao-Hua, X. (2004). HSPF simulation of runoff and sediment loads in the Upper Changjiang River Basin, China. Journal of Environmental Engineering, 130(7), 801-815.
20. Im, S., Brannan, K. M., Mostaghimi, S., & Cho, J. (2004). Simulating fecal coliform bacteria loading from an urbanizing watershed. Journal of Environmental Science and Health, Part A, 39(3), 663-679.
21. IPCC. (2007). Impacts, Adaptation, and Vulnerability (Eds. ML Parry, OF Canziani, JP Palutikof, PJ van der Linden, CE Hanson) (Vol. 4): Cambridge University Press, UK.
22. Rango, A., & Martinec, J. (1995). REVISITING THE DEGREE‐DAY METHOD FOR SNOWMELT COMPUTATIONS 1. JAWRA Journal of the American Water Resources Association, 31(4), 657-669.
23. Seaber, P., Kapinos, F., & Knapp, G. (1987). Hydrologic Unit Maps. United States Geological Survey Water-Supply Paper 2294. US Geological Survey: Anchorage, AK, USA.
24. Şengül, S. (2011). Dağlık Havzalarda Hidrolojik Çevrime Etki Eden Parametrelerin Coğrafi Bilgi Sistemleri ve HSPF Model Programıla İncelenmesi ve Kırkgöze Havzası Örneği. (PhD), Atatürk Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Erzurum, Türkiye. Şenocak, S. (2011). Kar Erimesi Akış Modelinin (SRM), Coğrafi Bilgi Sistemleri ve Uzaktan Algılama Teknikleri de Kullanılarak Dağlık Bölgelerde Uygulaması ve Erzurum Kırkgöze Havzası Örneği. (PhD), Atatürk Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Erzurum, Türkiye.
25. Shirinian-Orlando, A. A., & Uchrin, C. G. (2007). Modeling the hydrology and water quality using BASINS/HSPF for the upper Maurice River watershed, New Jersey. Journal of Environmental Science and Health, Part A, 42(3), 289-303.
26. Singh, P., & Singh, V. P. (2001). Snow and Glacier Hydrology (Vol. 3). Netherlands: Kluwer Academic Publishers.
27. Şorman, A. (2004). Importance of Hydro-Meteorological Data Bank for Use in Coupled Models and Disaster Management Using New Techniques (RS/GIS) in Turkey: EFCA.
28. Tzoraki, O., & Nikolaidis, N. P. (2007). A generalized framework for modeling the hydrologic and biogeochemical response of a Mediterranean temporary river basin. Journal of Hydrology, 346(3-4), 112-121.
29. Yucel, I., Güventürk, A., & Sen, O. L. (2015). Climate change impacts on snowmelt runoff for mountainous transboundary basins in eastern Turkey. International Journal of Climatology, 35(2), 215-228.