Flood Discharge Estimation in Ungauged Basins Using Synthetic Unit Hydrographs and GIS

Öz

Flooding refers to the adverse effects caused by rivers overflowing their banks due to various reasons, affecting surrounding land, residential areas, and infrastructure. At the watershed scale, particularly in cases where flow monitoring stations are absent, hydrographs must be generated to analyze rainfall-runoff relationships for flood assessments. This study aims to generate synthetic hydrographs, analyze rainfall-runoff relationships, and estimate flood discharges for different return periods in a predominantly forested sub-watershed located in the Sarıyer district of Istanbul. The study analyzed extreme rainfall by calculating 24-hour maximum values for return periods of 2 to 100 years using four common probability distribution functions: Normal, Log-Normal, Log-Pearson Type III, and Gumbel. Among these methods, Log-Pearson Type III yielded higher rainfall values, and given the extreme nature of floods, it was preferred for discharge calculations. In the second stage of the study, flood hydrographs specific to the watershed were generated for different return periods using the DSI, Mockus, and Snyder unit hydrograph methods, incorporating watershed physical characteristics and dimensionless unit hydrograph coordinates. The results indicated that the DSI and Mockus methods produced similar and higher peak discharge values (Qₘₐₓ = 67.44 and 63.76 m³/s, T=100 years), whereas the Snyder method resulted in lower peak discharge (Qₘₐₓ = 32.17 m³/s for T = 100 years) but a longer hydrograph duration. Overall, it was concluded that the DSI and Mockus methods are more suitable for flood analysis in forested and relatively small watersheds (≈10 km²) due to their effectiveness in generating hydrographs for flood assessments. This study contributes to the literature by offering a comparative evaluation of three widely used synthetic unit hydrograph methods, specifically tailored for a forest-dominated ungauged basin in an urbanizing region of Istanbul, providing actionable insights for flood estimation in data-scarce, forested urban catchments.

Anahtar Kelimeler

• Geographical information systems (GIS)
• Synthetic unit hydrograph
• Flood
• Mockus
• Snyder

Etik Beyan

There is no need to obtain ethics committee permission for the prepared article. There is no conflict of interest with any person/institution in the prepared article.

Akım Gözlemi Olmayan Havzalarda Sentetik Birim Hidrograf Yöntemleri ve CBS Kullanılarak Taşkın Debilerinin Tahmini

Öz

Taşkın, bir akarsuyun çeşitli nedenlerle yatağından taşarak çevresindeki arazi, yerleşim alanları, altyapı tesisleri ve ekosistem üzerinde oluşturduğu olumsuz etkiler olarak tanımlanabilir. Havza ölçeğinde, özellikle akım gözlem istasyonlarının bulunmadığı durumlarda, taşkın analizleri için yağış-akış ilişkileri için hidrograflar oluşturulmalıdır. Bu çalışmada, İstanbul, Sarıyer ilçesinde yer alan ve büyük ölçüde ormanlık niteliğindeki bir alt havza için sentetik hidrografların oluşturulması, yağış-akış ilişkilerinin analiz edilmesi ve farklı tekerrür aralıkları için taşkın debilerinin hesaplanması amaçlanmıştır. Ekstrem yağış analizleri kapsamında, Normal, Log-Normal, Log-Pearson Tip III ve Gumbel olasılık dağılım fonksiyonları kullanılarak çeşitli tekerrür aralıkları (T = 2, 5, 10, 25, 50, 100 yıl) için 24 saatlik maksimum yağış değerleri hesaplanmıştır. Log-Pearson Tip III yöntemiyle elde edilen yağış değerlerinin daha yüksek olduğu belirlenmiş ve taşkınların ekstrem doğası göz önüne alındığında, debi hesaplamalarında bu yöntemin kullanılması tercih edilmiştir. Çalışmanın ikinci aşamasında, havzanın fiziksel özellikleri ve boyutsuz birim hidrograf koordinatları kullanılarak, DSI, Mockus ve Snyder birim hidrograf yöntemleri aracılığıyla çeşitli tekerrür aralıkları için havzaya özgü taşkın hidrografları üretilmiştir. Sonuçlar, DSI ve Mockus yöntemlerinin birbirine yakın ve yüksek pik debi değerleri ürettiğini (T = 100 yıl için Qₘₐₓ sırasıyla 67,44 ve 63,76 m³/s), buna karşın Snyder yönteminin daha düşük pik debi değerleri (T = 100 yıl için Qₘₐₓ = 32,17 m³/s) ancak daha uzun süreli bir hidrograf oluşturduğunu ortaya koymuştur. Genel olarak, DSI ve Mockus yöntemlerinin, ormanlık ve nispeten küçük havzalarda (≈10 km²) taşkın analizlerinde kullanılacak hidrografın oluşturulması açısından daha uygun olduğu sonucuna varılmıştır. Bu çalışma, İstanbul'un kentleşen bir bölgesinde, ormanlık alanların hâkim olduğu ölçüm istasyonu bulunmayan bir havza için özel olarak uyarlanmış üç yaygın sentetik birim hidrograf yönteminin karşılaştırmalı bir değerlendirmesini sunarak, veri yetersizliği yaşanan bölgelerde hidrolojik modelleme konusunda literatüre katkı sağlamaktadır.

Anahtar Kelimeler

• Coğrafi bilgi sistemleri (CBS)
• Sentetik birim hidrograf
• Taşkın
• Mockus
• Snyder

Etik Beyan

Hazırlanan makale için etik kurul izni alınmasına gerek yoktur. Hazırlanan makalede herhangi bir kişi/kurumla çıkar çatışması bulunmamaktadır.

Kaynakça

1. F. Binici and T. Aksoy, “Şehirleşmenin Taşkın Üzerindeki Etkisi,” GSI J. Serie C: Advancements Inf. Sci. Technol., vol. 5, no. 1, pp. 64–76, 2022.
2. T. Akkuş, “Doğal Afetlerin Toplumsal Tarihe Etkileri Üzerine Yerel Bir Örnek: 1931–1941 Döneminde Edirne ve Çevresindeki Taşkinlar ve Sonuçları,” Uludağ Univ. J. Soc. Sci., vol. 24, no. 44, pp. 69–96, 2023.
3. Z. P. McEachran, J. Kietzmann, and M. Johnston, “Parsimonious streamflow forecasting system based on a dynamical systems approach,” J. Hydrol., vol. 641, 2024.
4. O. Sönmez, M. Öztürk, and E. Doğan, “İstanbul derelerinin taşkın debilerinin tahmini,” Sakarya Univ. J. Sci., vol. 16, no. 2, pp. 130–135, 2012.
5. A. A. Kumanlıoğlu and S. B. Ersoy, “Akım gözlemi olmayan havzalarda taşkın akımlarının belirlenmesi: Kızıldere Havzası,” DEU Eng. Sci. J., vol. 20, no. 60, pp. 890–904, 2018.
6. B. B. Bantchina and K. S. Gündoğdu, “Watershed Characteristics and Synthetic Unit Hydrographs Determination using Geographical Information Systems,” J. Biol. Environ. Sci., vol. 15, no. 45, pp. 27–34, 2021.
7. P. Dutta and S. Deka, “Reckoning flood frequency and susceptibility area in the lower Brahmaputra floodplain using geospatial and hydrological approach,” River, vol. 2, no. 3, pp. 384–401, 2023.
8. U. Ahad, U. Ali, M. Inayatullah, and A. R. Shah, “Flood Frequency Analysis: A Case Study of Pohru River Catchment, Kashmir Himalayas, India,” J. Geol. Soc. India, vol. 98, no. 12, pp. 1754–1760, 2022.

9. A. I. Shah and N. D. Pan, “Evaluation of probability distribution methods for flood frequency analysis in the Jhelum Basin of North-Western Himalayas, India,” Cleaner Water, vol. 2, 2024.
10. S. Malik and S. C. Pal, “Potential flood frequency analysis and susceptibility mapping using CMIP5 of MIROC5 and HEC-RAS model: A case study of lower Dwarkeswar River, Eastern India,” SN Appl. Sci., vol. 3, no. 1, 2021.
11. N. Usul, Engineering Hydrology, Ankara: ODTÜ Basımevi, 2001.
12. I. Gevrek and A. Irvem, “Antakya’da taşkına neden olan yan derelerde hidrograf analizi ile taşkın tahmini,” Mustafa Kemal Univ. J. Agric. Sci., vol. 26, no. 3, pp. 533–542, 2016.
13. Y. Koca, “Rize iyidere alt havzası ikizdere kesiti için birim hidrografın belirlenmesi,” Uzmanlık Tezi, T.C. Orman ve Su İşleri Bakanlığı, Ankara, 2014.
14. A. Istanbulluoglu, F. Konukcu, and I. Kocaman, “Precise determination of Turkish spillway sizes from synthetic unit hydrographs to prevent flood damage,” Acta Agric. Scand., Sect. B - Soil Plant Sci., vol. 54, no. 3, pp. 114–120, 2004.
15. F. F. Snyder, “Synthetic unit hydrographs,” Trans. Am. Geophys. Union, vol. 19, pp. 447–454, 1938.
16. H. Çelik, “Sel Kontrolünde Hidroloji,” ÇEM Sel Kontrolü Semineri, Afyonkarahisar, 2012.
17. O. Sönmez, T. Hırca, and F. Demir, “Akım Ölçümü Olmayan Nehirlerde Farklı Yağış Akış Modelleri ile Tekerrürlü Taşkın Debisi Hesabı: Mudurnu Çayı Örneği,” in Proc. 5th Int. Symp. Innov. Technol. Eng. Sci., Baku, Azerbaijan, pp. 2017, Sep. 29–30.
18. M. E. Yurdakul, “Güney Sapanca Havzası taşkın yayılım haritalarının modellenmesi: Keçi Deresi örneği,” M.S. thesis, Sakarya Univ., Inst. Nat. Sci., Sakarya, 2019.
19. K. Gezici, E. Kesgin, and H. Agaccioglu, “Hydrological assessment of experimental behaviors for different drainage methods in sports fields,” J. Irrig. Drain. Eng., vol. 147, no. 9, 2021.
20. K. Gezici and S. Şengül, “Estimation and analysis of missing temperature data in high altitude and snow-dominated regions using various machine learning methods,” Environ. Monit. Assess., vol. 195, no. 4, 2023.
21. B. Çirağ and M. Firat, “Two-dimensional (2D) flood analysis and calibration of stormwater drainage systems using geographic information systems,” Water Sci. Technol., vol. 87, no. 10, pp. 2577–2596, 2023.
22. S. Mukherjee et al., “A watershed-scale multi-approach assessment of design flood discharge estimates used in hydrologic risk analyses for forest road stream crossings and culverts,” J. Hydrol., vol. 632, Art. no. 130698, 2024.
23. A. Q. A. B. A. Aziz et al., “Estimation of flood frequency using statistical method: river basin for Sungai Jijan Malaysia,” IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci., vol. 1453, Art. no. 012053, 2025.
24. K. Saplıoğlu, “Calibration of Linear Muskingum Model Coefficients and Coefficient Parameters Using Grey Wolf and Particle Swarm Optimization,” Water Resour. Manage., vol. 39, pp. 999–1014, 2025.