Prediction of Soil Erosion Using the RUSLE (3D) Model: A Case Study of the Atikhisar Dam Basin (Çanakkale)

Abstract

The Atikhisar Dam Basin, located within the borders of Çanakkale province in northwestern Turkey, has a surface area of 336.3 km². This study was carried to determine the soil erosion susceptibility and distribution of the Atikhisar Dam Basin, as well as to estimate the annual average soil loss. To achieve this objective was used the Geographic Information System-based Revised Universal Soil Loss Equation (RUSLE). To apply the equation to the basin, were created to data layers rainfall, soil, land use, slope length, slope steepness, and erosion control factors. Subsequently, the layers were overlayed, calculations were made, and erosion susceptibility classes were created. Thus, the spatial distribution of erosion susceptibility classes and the estimated annual soil loss amount were determined. As a result of the study, five erosion susceptibility classes, distinguished as very low, low, moderate, severe, and very severe, were defined in the Atikhisar Dam Basin. Accordingly, very low erosion susceptibility was found in 31.1% of the basin, low in 38.7%, moderate in 5.0%, severe in 7.8%, and very severe in 21.9%. An average calculation resulted in an erosion susceptibility of 11.7 tons/ha/year.

Keywords

• Soil erosion
• sedimentation
• Atikhisar Dam
• RUSLE
• geographical information systems

RUSLE (3D) Modeli Kullanılarak Toprak Erozyonu Tahmini; Atikhisar Barajı Havzası Örneği (Çanakkale)

Abstract

Türkiye’nin kuzeybatısında Çanakkale ili sınırları içinde bulunan Atikhisar Barajı Havzası, 336.3 km2 yüzölçümüne sahiptir. Bu çalışma, Atikhisar Barajı Havzası’nın toprak erozyonu duyarlılığı ile dağılışının belirlenmesi, aynı zamanda yıllık ortalama toprak kaybı miktarının tahmini amacıyla yapılmıştır. Bu amaca ulaşmak için Coğrafi Bilgi Sistemleri tabanlı Düzenlenmiş Evrensel Toprak Kaybı Denklemi (Revised Universal Soil Loss Equation - RUSLE) kullanılmıştır. Denklemin havzaya uygulanabilmesi için havzanın yağış, toprak, arazi kullanımı, eğim uzunluk ve eğim diklik ve erozyon önleyici faktörlere ait veri katmanları oluşturulmuştur. Sonrasında katmanlar çakıştırılarak hesaplamalar yapılmış ve erozyon duyarlılık sınıfları oluşturulmuştur. Böylece erozyon duyarlılık sınıflarının mekânsal dağılımı ile yıllık tahmini toprak kaybı miktarı belirlenmiştir. Çalışma sonucunda Atikhisar Barajı havzasında çok hafif, hafif, orta şiddetli, şiddetli ve çok şiddetli olarak ayırt edilen beş düzey erozyon duyarlılık sınıfı tanımlanmıştır. Buna göre havzanın %31.1’inde çok hafif, %38.7’sinde hafif, %5.0’inde orta şiddetli, %7.8’sinde şiddetli ve son olarak %21.9’unda ise çok şiddetli erozyon duyarlılığı tespit edilmiştir. Ortalama bir hesap ile 11.7 ton / ha / yıl erozyon duyarlılığı hesaplanmıştır.

Keywords

• Toprak Erozyonu
• Sedimantasyon
• Atikhisar Barajı
• RUSLE
• Coğrafi Bilgi Sistemleri

References

1. Arnoldus, H.M.J. (1980). An approximation of the rainfall factor in the universal soil loss equation, pp. 127-132. In: De Boodt, M. and Gabriels, D., Eds., Assessment of erosion, John Wiley and Sons, New York.
2. Atalay, İ. (1983). Soil erosion and its effects on the transportation and modern sedimentation in Turkey. Ege Coğrafya Dergisi, 2: 31-48.
3. Atalay, İ. (2011). Toprak oluşumu, sınıflandırılması ve coğrafyası. Meta Basım Matbaacılık, İzmir.
4. Atalay, İ. ve Cürebal, İ. (2018). Türkiye’de erozyonu önleme ve erozyon miktarını belirlemeye yönelik çalışmalar, ss. 296-327. Atalay, İ., Uygulamalı Hidrografya içinde, META Basım Matbaacılık Hizmetleri, İzmir.
5. Atalay, İ., Altunbaş, S. ve Siler, M. (2019). The importance of marl deposits on the soil formation, land use and land degradation in Turkey. International Soil Congress Proceedings Book, Ankara.
6. Atalay Dutucu, A. ve Mutlu, YE. (2022). Yuvacık Barajı Havzası’nda Erozyon Risk Analizi. Ege Coğrafya Dergisi, 31(2): 289-303. DOI:10.51800/ecd.1133879
7. Avrupa Çevre Ajansı (2018). European Environment Agency, CORINE Land Cover. https://www.eea.europa.eu/publications/COR0-landcover (Erişim T.: 17.06.2018).
8. Aykır, D. ve Fıçıcı, M. (2022). Çıldır Gölü Havzasında Erozyon Risk Analizi. Jeomorfolojik Araştırmalar Dergisi, 9: 38-49.

9. Bhatti, MT., Ashraf, M. and Anwar, AA. (2021). Soil erosion and sediment load management strategies for sustainable irrigation in arid regions. Sustainability, 13:3547. https://doi.org/10.3390/su13063547.
10. Borrelli, P., Robinson, D.A., Panagos, P., Lugato, E., Yang, J.E., Alewell, C., Wuepper, D., Montanarella, L. and Ballabio C. (2020). Land use and climate change impacts on global soil erosion by water (2015-2070). Proceedings of the National Academy of Sciences, 117 (36):21994-22001. https://doi.org/10.1073/pnas.2001403117.
11. Cooley, K. R. (1980). Erosivity “R” for individual design storms, pp. 386-397. In W.G. Knisel (Ed.), CREAMS: A field-scale model for chemicals, runoff, and erosion from agricultural management systems (USDA-SEA Conservation Research Rep. No. 26). Washington, DC: USDA.
12. Cürebal, İ. ve Ekinci, D. (2006). Kızılkeçili Deresi Havzasında CBS tabanlı RUSLE (3d) yöntemiyle erozyon analizi. Türk Coğrafya Dergisi, 47: 115–130.
13. Cürebal, İ., Efe, R., Soykan, A. ve Sönmez, S. (2012). Üç boyutlu modelleme kullanılarak siltasyon miktarının ölçülmesi: Çaygören Barajı Örneği. UJES 2012, III. Ulusal Jeomorfoloji Sempozyumu Bildiriler Kitabı, ss. 729-738, Hatay.
14. DEMIS (2021). Dinamik Erozyon Modeli ve İzleme Sistemi (DEMİS), Çevre Şehircilik ve İklim Değişikliği Bakanlığı, Çölleşme ve Erozyonla Mücadele Genel Müdürlüğü, https://cem.csb.gov.tr/dinamik-erozyon-modeli-ve-izleme-sistemi-demis-i-108100 / https://webdosya.csb.gov.tr/db/cem/icerikler/dem-s-20240925111716.pdf
15. Desmet, PJJ. & Govers, G. (1996). A GIS procedure for automatically calculating the USLE LS factor on topographically complex landscape units. Journal of Soil and Water Conservation, 51: 427–433.
16. D.S.İ. (1967). Çanakkale Atikhisar projesi planlama raporu.
17. Doğan, O., Cebel, H., Küçükçakar, N., Akgül, S. (2000). Türkiye büyük toprak gruplarının erozyona duyarlılık ''K'' faktörleri, Köy Hizmetleri Genel Müdürlüğü APK Dairesi Başkanlığı Toprak ve Su Kaynakları Araştırma Şube Müdürlüğü; Yayın No:111. Rehber No:17, Ankara. https://kutuphane.tarimorman.gov.tr/vufind/MyResearch/UserLogin
18. Durak, M. (2024). Erosion analysis of Kuruçay Stream basin (Edremit—Balikesir, Türkiye). Journal of the Bulgarian Geographical Society 51: 23–44. https://doi.org/10.3897/jbgs.e128013
19. Dutta, S. (2016). Soil erosion, sediment yield and sedimentation of reservoir: a review. Model. Earth Systems and Environment, 2:123. https://doi.org/10.1007/s40808-016-0182-y.
20. Efe, R., Ekinci, D. ve Cürebal, İ. (2008a). Erosion analysis of Fındıklı Creek Catchment (NW of Turkey) using GIS based on RUSLE (3d) method. Fresenius Environmental Bulletin, 17(5): 568–576.
21. Efe, R., Ekinci, D. ve Cürebal, İ. (2008b). Erosion analysis of Şahin Creek Watershed (NW of Turkey) using GIS based on RUSLE (3d) method. Journal of Applied Science, 8 (1): 49–58.
22. Efe, R., Soykan, A., Cürebal, İ. ve Sönmez, S. (2008). Türkiye’de antroposen döneminde doğal çevre bozulmasını etkileyen antropojenik faktörler. Tücaum V. Ulusal Coğrafya Sempozyumu Bildiriler Kitabı, Ankara.
23. Erpul, G., Şahin, S., İnce, K., Küçümen, A., Akdağ, MA., Demirtaş, İ. ve Çetin, E. (2018). Türkiye su erozyonu atlası. Çölleşme ve Erozyonla Mücadele Genel Müdürlüğü Yayınları, Ankara.
24. Ezer, A. (2015). An Assessment of Soil Erosıon Usıng Rusle Model: A Case Study From The Marmara Region. Master Thesis, Boğaziçi University, İstanbul.
25. Fıçıcı, M. (2021). Madra Barajı Havzasında erozyon analizi. Yayınlanmamış doktora tezi. Balıkesir Üniversitesi, Balıkesir.
26. Fıçıcı, M. ve Soykan, A. (2022). MPSIAC & RUSLE yöntemleriyle karşılaştırmalı erozyon analizi: Madra Barajı Havzası. Jeomorfolojik Araştırmalar Dergisi, 8: 28-47. https://doi.org/10.46453/jader.1020922
27. Fural, Ş., Kükrer, S., Cürebal, İ. ve Aykır, D. (2021). Spatial distribution, environmental risk assessment, and source identification of potentially toxic metals in Atikhisar dam, Turkey. Environ Monit Assess., 193: 268. https://doi.org/10.1007/s10661-021-09062-6
28. Gaubi, I., Chaabani, A., Mammou, AB. and Hamza, AH. (2017). A GIS-based soil erosion prediction using the revised universal soil loss equation (RUSLE) (Lebna Watershed Cap Bon, Tunisia). Nat Hazards, 86: 219-239. Ilgar, R. (2010). Water risk assessment and spatial analysis of Atikhisar dam using by GIS. Middle East Journal of Scientific Research, 5 (5): 359-365.
29. İkiel, C., Ustaoğlu, B. ve Koç, DE. (2020). Trakya Yarımadası’nda erozFyon duyarlılık analizi. Jeomorfolojik Araştırmalar Dergisi, 4: 1-14.
30. Kale, S. ve Acarlı, D. (2019a). Shoreline change monitoring in Atikhisar Reservoir by using remote sensing and geographic information system (GIS). Fresenius Environmental Bulletin, 28 (5): 4329-4339.
31. Kale, S. ve Acarlı, D. (2019b). Spatial and temporal change monitoring in water surface area of Atikhisar Reservoir (Çanakkale, Turkey) by using remote sensing and geographic information system techniques. Alinteri J. of Agr. Sci., 34(1): 47-56. DOI: 10.28955/alinterizbd.574361
32. Kifelew, M.S., Mesalie, R.A., Shumey, E.E. et al. (2022). Identification of erosion hot spot area using GIS and gully contribution for reservoir sedimentation in the case of Abrajit reservoir, Upper Blue Nile Basin, Ethiopia. Sustain. Water Resour. Manag., 8, 93. https://doi.org/10.1007/s40899-022-00680-7.
33. Koca, N. (2005). Atikhisar Barajı’nın (Çanakkale) çevresel ve ekonomik etkileri. Doğu Coğrafya Dergisi, 10 (14): 209 – 233.
34. Lane, LJ., Renard, KG., Foster, GR. and Laften, JM. (1992). Development and application of modern soil erosion prediction technology-the USDA experience. Soil and Water Management and Conservation, 30: 893-912.
35. Lazzari, M., Gioia, D., Piccarreta, M., Danese, M. and Lanorte, A. (2015). Sediment yield and erosion rate estimation in the mountain catchments of the Camastra artificial reservoir (Southern Italy): A comparison between different empirical methods. Catena, 127:323-339. https://doi.org/10.1016/j.catena.2014.11.021.
36. Lorito, S., Pavanelli, D., Bigi, A., Stanchi, S. and Vianello, G. (2004). Introduction of GIS-based RUSLE model for land planning and environmental management in three different Italian ecosystems. Department of Environmental and Agricultural Science and Technology (DiSTA), Bologna University, Italy.
37. Luo, Y., Lu, M., Wang, H. and Qiu, A. (2019). Recent soil erosion in the Hongfeng catchment on the Guizhou Plateau, SW China revealed by analysis of reservoir sediments and soil loss modeling. Journal of Paleolimnology, 61:17-35. https://doi.org/10.1007/s10933-018-0042-z.
38. Mahmood M. Al-Mamari, Sameh A. Kantoush, Tahani M. Al-Harrasi, Ali Al-Maktoumi, Karim I. Abdrabo, Mohamed Saber and Tetsuya Sumi (2023). Assessment of sediment yield and deposition in a dry reservoir using field observations, RUSLE and remote sensing: Wadi Assarin, Oman. Journal of Hydrology, 617, Part A, February 2023, 128982.
39. Mater, B. (2004). Toprak coğrafyası. Çantay Kitabevi, İstanbul.
40. Millward, AA. and Mersey, JE. (1999). Adapting the RUSLE to model soil erosion potential in a mountainous tropical watershed. Catena, 38: 109-129.
41. Miranda, MN., Rosa, C., Peres, A. and Maia, R. (2021). Sedimentation assessment and effects in Venda Nova dam reservoir (Portugal). Science of The Total Environment, 766: 144261. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.144261.
42. Mitasova, H., Hofierka, J., Zlocha, M. and Iverson, LR. (1996). Modeling topographic potential for erosion and deposotion using GIS. Journal of Geographical İnformation Science, 10 (5): 629-641.
43. Moore, RR. (1979). Rainfall erosivity in East Africa: Kenya, Tanzania, Uganda. Geografiska Annaler, 61: 147-156. Moore, I. and Burch, G. (1986a). Physical basis of the length-slope factor in the universal soil loss equation. Soil Science Society of America Journal 50, 1294–1298.
44. Moore, I. and Burch, G. (1986b). Modeling erosion and deposition: topographic effects. Transactions of ASAE, 29 (6): 1624–1640.
45. Moore, ID. and Wilson, JP. (1992). Length-slope factors for the revised universal soil loss equation: simplified method of estimation. Journal of Soil and Water Conservation, 47: 423–428.
46. Mutlu, YE. ve Soykan, A. (2018). Rusle (3d) modeli kullanılarak toprak erozyonu tahmini: Havran Çayı Örneği. Jeomorfolojik Araştırmalar Dergisi, 1: 50–66.
47. Mutlu, YE., Soykan, A. ve Fıçıcı, M. (2021). Kille Çayı (Balıkesir) Havzasında erozyon risk analizi. Jeomorfolojik Araştırmalar Dergisi, 6: 98-111.
48. Nearing, MA., Yin, SG., Borelli, P. and Polyakov, OV. (2017). Rainfall erosivity: an historical rewiew. Catena, 157: 357-362.
49. Özelkan, E. (2019). Uzaktan algılama ile belirlenen baraj gölü alanının zamansal değişiminin meteorolojik kuraklık ile değerlendirilmesi: Atikhisar Barajı (Çanakkale) örneği. Türk Tarım ve Doğa Bilimleri Dergisi, 6 (4): 904–916.
50. Özelkan, E. ve Karaman, M. (2018). Baraj göllerindeki meteorolojik ve hidrolojik kuraklığın etkisinin çok zamanlı uydu görüntüleri ile analizi: Atikhisar Barajı (Çanakkale) örneği. Ömer Halisdemir Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 7 (2): 1023-1037.
51. Özşahin, E. (2011). Zeytinli Çayı Havzası’nın (Balıkesir) erozyon analizi. e-Journal of New World Sciences Academy Nature Sciences, 4A0036, 6 (1): 42-56.
52. Özşahin, E. (2014). Tekirdağ İlinde CBS tabanlı RUSLE modeli kullanarak erozyon risk değerlendirmesi. Tekirdağ Ziraat Fakültesi Dergisi, 11(2): 45-56.
53. Özşahin, E. (2016). Ergene Havzasında (Trakya) arazi kullanımı ve arazi örtüsü değişikliklerinin erozyon üzerine etkileri. Anadolu Tarım Bilimleri Dergisi, 31:117-126. https://doi.org/10.7161/anajas.2016.31.1.117-126.
54. Özşahin, E., Eroğlu, İ. ve Yıldız, H. (2019). GIS based erosion studies in Turkey, pp. 1251-1253. In: Ed. Dimitar Kirilov DIMITROV, Dimitar NIKOLOSKI, Rasim YILMAZ, Proceedings of International Balkan and Near Eastern Social Sciences Congress Series, Tekirdağ / Turkey, March 09-10, 2019.
55. Özşahin, E., Duru, Ü. and Eroğlu, İ. (2018). Land Use and Land Cover changes (LULCC), a key to understand soil erosion ıntensities in the Maritsa Basin. Water, 10: 335. https://doi.org/10.3390/w10030335.
56. Özşahin, E. (2023). Farklı erozyon tahmin modellerine göre akarsu sedimantasyon miktarının belirlenmesine bir örnek: Naip Barajı Havzası (Tekirdağ, Türkiye). Jeomorfolojik Araştırmalar Dergisi, 10: 1-19. https://doi.org/10.46453/jader.1203890
57. Özşahin, E. (2024). Spatiotemporal changes of soil erosion rate in the pre-and post-dam construction periods (1990-2018) determined through RUSLE and GIS: the case of the Kavak River Basin, East Thrace, Türkiye. Environ Dev Sustain. https://doi.org/10.1007/s10668-024-05381-z
58. Öztürk, D. (2022). Atikhisar Baraj Gölü batimetrisinin Landsat-5 TM uydu görüntüsünden stumpf algoritması kullanılarak belirlenmesi. Coğrafya Dergisi, 45: 97-110.
59. Pektezel, H. (2015). Gelibolu Yarımadası’nda CBS tabanlı RUSLE (3d) yöntemiyle erozyon duyarlılık analizi. Akademik Sosyal Araştırmalar Dergisi, 17: 131-151.
60. Palmieri, A., Shah, F. and Dinar, A. (2001). Economics of reservoir sedimentation and sustainable management of dams. Journal of Environmental Management, 61 (2):149-163. https://doi.org/10.1006/jema.2000.0392.
61. Panagos, P., Borrelli, P., Poesen, J., Ballabio, C., Lugato, E., Meusburger, K., Montanarella, L. and Alewell, C. (2015). The new assessment of soil loss by water erosion in Europe. Environmental Science & Policy, 54, December 2015, pp. 438-447.
62. Pandey, A., Mathur, A., Mishra, SK. and Mal, BC. (2009) Soil erosion modeling of a Himalayan Watershed using RS and GIS. Environmental Earth Sciences, 59: 399-410.
63. Renard, KG., Foster, GR., Weesies, GA. and Porter, JP. (1991). RUSLE: revised universal soil loss equation. Journal of Soil and Water Consevation, 46: 30-33.
64. Renard, KG., Foster, GR., Weesies, GA., McCool, DK. and Yoder, DC. (1997). Predicting soil erosion by water: a guide to conservation planning with the revised universal soil loss equation. U.S. Department of Agriculture, Agriculture Handbook 703, USA.
65. Rijks, D., Tens JM. and Vossen, P. (1998). Agrometeorological applications for regional crop monitoring and productions assessment. EUR 17735 EN, pp: 505.
66. Schreiber, P. (1904). Über die beziehungen zwischen dem niederschlag und der wasserführung der flüsse in Mitteleuropa. Meteor, Z., 21: 441-452.
67. Snyder, NP., Rubin, DM., Alpers, CN., Childs, JR., Curtis, JA., Flint, LE. and Wright, SA. (2004). Estimating accumulation rates and physical properties of sediment behind a dam: Englebright Lake, Yuba River, northern California. Water Resources Research, 40: W11301. https://doi.org/10.1029/2004WR003279.
68. Soukhaphon, A., Baird, IG. and Hogan, ZS. (2021). The impacts of Hydropower Dams in the Mekong River Basin: a review. Water, 13(3):265. https://doi.org/10.3390/w13030265.
69. T.C. Orman ve Su İşleri Bakanlığı, Çölleşme ve Erozyon ile Mücadele Genel Müdürlüğü. (2013-2017). Erozyon ile Mücadele Eylem Planı. www.cem.gov.tr
70. Toptepe, E. (2011). Atikhisar barajı havzasının sürdürülebilirlik değerlendirmesi. Yüksek Lisans Tezi, Çanakkale Onsekiz Mart Üniversitesi, Çanakkale.
71. Thiet, NV., Orange, D., Laffy, D. and Cu, PV. (2012). Consequences of large hydropower dams on erosion budget within hilly agricultural catchments in Northern Vietnam by RUSLE modeling. Hanoi: IRD, 8 p. multigr. International Conference Sediment Transport Modeling in Hydrological Watersheds and Rivers, Istanbul (TUR), 2012/11/14-16.
72. Wischmeier WH, Johnson CB, Cross BV (1971). A soil erodibility nomograph for farm-land and construction sites, J. Soil and Water Conserv. 26: 189-193.
73. Wischmeier, WH. and Smith, DD. (1978). Predicting rainfall erosion losses: a guide to conservation planning. U S Department of Agriculture Habdbook, Washington D C.
74. Zeng, C., Wang, S., Bai, X., Li, Y., Tian, Y., Li, Y., Wu, L. and Luo, G. (2017) Soil erosion evolotion and spatial correlation analysis in a typical karst geomorphology using RUSLE with GIS. Solid Earth, 8: 721-736.