Yağış-akış modellemesi için kozmik ışın nötron algılaması ile elde edilen toprak nemininin kullanılmasındaki fırsatlar ve zorluklar

Retrieving or estimating soil moisture is one of the most important elements of hydrology, since most of the hydrological studies consider the absence (drought) or excessiveness (flood) of water stored in the soil. Water stored in a basin has a very strong relation with the amount of soil moisture thus knowing the soil moisture significantly facilitates the estimation of other parameters of the hydrological cycle. For agricultural decision making systems, it is also vital to know whether the plants receive the amount of water necessary for their growth, which can be indicated by the amount of soil moisture. There are various ways of measuring soil moisture, where each technique has its own advantages and disadvantages. Some of these methods can provide very accurate measurements with very high costs or they may have very high temporal resolutions with limited spatial coverages. Among different methods, soil moisture measurement from recently invented Cosmic Ray Neutron Probes (CRNPs) has a good potential to be used in hydrological studies due to its larger spatial coverage, low cost and high temporal resolution. It is also possible to use this product together with satellite soil moisture products to obtain reliable soil moisture information with even more spatial coverage. The aim of this study is to assess the effectiveness of CRNPs in determination of soil moisture at basin scale, to validate satellite soil moisture products and to use the soil moisture information derived from CRNP and satellite products for improving hydrological modeling. For this study, the first CRNP of Turkey has been installed in Çakıt Basin, south of Turkey, and the neutron counts obtained from the CRNP have been converted into soil moisture values after a series of correction and conversion processes. The CRNP based soil moisture data have been used in the validation of different soil moisture satellite products to test the effectiveness of CRNPs in satellite product validation and assess the potential of using CRNPs in conjunction with satellite soil moisture products for studies covering relatively larger areas. The relation between soil moisture and evaporation is also investigated through CRNP soil moisture values. Finally, CRNP based soil moisture data have been introduced into the calibration of a conceptual hydrological model and it has been found that introducing CRNP soil moisture data into NAM conceptual model improves the model statistics of Çakıt Basin (421 km²) and one of its sub basins, Darboğaz sub-basin (121 km²). Using CRNP based soil moisture data to calibrate the NAM model increased the Kling-Gupta Efficiency score for the discharge data of Çakıt Basin from 0.56 (Calibration) and 0.42 (Validation) to 0.81 (Calibration) and 0.64 (Validation). Similar improvements were noted for most of the statistical measures for both Çakıt Basin and Darboğaz sub-basin.Toprak nemini ölçmek veya tahmin etmek, hidrolojinin en önemli unsurlarından olup hidrolojik çalışmaların çoğu toprakta depolanan suyun yokluğunu (kuraklık) veya fazlalığını (taşkın) dikkate alır. Bir havzada depolanan suyun toprak nemi miktarı ile çok güçlü bir ilişkisi vardır, bu nedenle toprak nemini bilmek hidrolojik döngünün diğer parametrelerinin tahminini önemli ölçüde kolaylaştırır. Tarımsal karar verme sistemlerinde, bitkilerin büyümeleri için gerekli olan miktarda su alıp almadıklarını bilmek de hayati önem taşımakla birlikte bu bilgi toprak nem miktarı ile oldukça ilişkilidir. Her teknik kendi avantaj ve dezavantajlarına sahip olmakla birlikte, toprak nemini ölçmenin çeşitli yolları vardır. Bu yöntemlerden bazıları çok yüksek maliyetlerle çok doğru ölçümler sağlayabilir veya sınırlı mekansal kapsama alanıyla çok yüksek zamansal çözünürlüklere sahip olabilir. Farklı yöntemler arasında, yakın zamanda icat edilen Kozmik Işın Nötron Sayaçlarından (CRNP'ler) toprak nemi ölçümleri, daha geniş mekansal kapsamı, düşük maliyeti ve yüksek zamansal çözünürlüğü nedeniyle hidrolojik çalışmalarda kullanılmak için iyi bir potansiyele sahiptir. Bu ürünü uydu toprak nemi ürünleri ile birlikte kullanarak daha fazla mekansal kapsama ile güvenilir toprak nemi bilgisi elde etmek de mümkündür. Bu çalışmanın amacı, havza ölçeğinde toprak nemi tayininde CRNP'lerin etkinliğini değerlendirmek, uydu toprak nemi ürünlerini doğrulamak ve CRNP ile uydu ürünlerinden elde edilen toprak nemi bilgilerini hidrolojik modellemeyi geliştirmek için kullanmaktır. Bu çalışma için Türkiye'nin ilk CRNP'si Türkiye'nin güneyindeki Çakıt Havzası'na kurulmuş ve CRNP'den elde edilen nötron sayıları bir dizi düzeltme ve dönüştürme işleminden sonra toprak nem değerlerine dönüştürülmüştür. CRNP'ye dayalı toprak nemi verileri, uydu doğrulamasında CRNP'lerin etkinliğini test etmek ve nispeten daha geniş alanları kapsayan çalışmalar için uydu toprak nemi ürünleri ile birlikte CRNP'leri kullanma potansiyelini değerlendirmek için farklı toprak nemi uydu ürünlerinin doğrulamasında kullanılmıştır. Toprak nemi ile buharlaşma arasındaki ilişki de CRNP toprak nemi değerleri üzerinden araştırılmıştır. Son olarak, kavramsal bir hidrolojik modelin kalibrasyonuna CRNP bazlı toprak nemi verileri dahil edilmiş ve CRNP toprak nemi verilerinin NAM kavramsal modeline dahil edilmesinin Çakıt Havzası'nda (421 km²) ve alt havzalarından biri olan Darboğaz alt havzası'nda (121 km²) model istatistiklerini geliştirdiği sonucuna ulaşılmıştır. NAM modelini kalibre etmek için CRNP bazlı toprak nemi verilerinin kullanılması, Çakıt Havzası debi verileri için Kling-Gupta Verimlilik skorunu 0,56 (Kalibrasyon) ve 0,42 (Doğrulama)'dan 0,81 (Kalibrasyon) ve 0,64 (Doğrulama)'ya yükseltmiştir. Hem Çakıt Havzası hem de Darboğaz Alt Havzası için istatistiksel ölçütlerin çoğunda benzer gelişmeler kaydedilmiştir.Ph.D. - Doctoral Progra