Hidroloji

Hidroloji, Dünya’nın sularının oluşumunu, dağılımını, hareketini, özelliklerini ve çevre ile olan ilişkilerini kapsayan bir bilim dalıdır.^[1] Atmosferik, yüzeysel ve yeraltı alanlarında suyun sıvı, katı ve buhar halindeki çeşitli formlardaki davranışını anlamaya odaklanır.^[1]

Hidrolojinin merkezinde, okyanuslardan ve kara yüzeylerinden buharlaşma, bulutlarda yoğunlaşma, yağmur veya kar şeklinde yağış, toprağa süzülme (infiltrasyon), akarsu ve nehirlere akış ve bitki örtüsünden terleme (transpirasyon) gibi süreçleri içeren suyun sürekli dolaşımını tanımlayan hidrolojik döngü yer alır.^[2] Bu döngü, Dünya’nın su dengesini korur; suyun yaklaşık %97’si okyanuslarda, %2’si buz olarak ve %1’den azı nehirlerde, göllerde ve yeraltı sularında erişilebilir tatlı su olarak depolanır.^[1] Hidrologlar, küresel olarak yılda ortalama 990 milimetre olan yağış oranları gibi akıları nicelendirmek ve bunların mekansal ve zamansal değişimlerini modellemek için ampirik ölçümler ve fiziksel ilkeler uygularlar.^[2]

Hidroloji; su kaynakları yönetimi, taşkın ve kuraklık tahmini ve kirlenme risklerinin değerlendirilmesi gibi kritik uygulamalara bilgi sağlar; burada doğru tahmin, yalnızca doğrulanmamış modellere değil, ölçüm cihazlarından, uydulardan ve izotopik izleyicilerden gelen verilere dayanır.^[1] Temel alt dallar arasında, nehir akışlarını ve rezervuar dinamiklerini analiz eden yüzey suyu hidrolojisi ve debiyi hidrolik eğim ve geçirgenlikle ilişkilendiren Darcy yasası tarafından yönetilen yeraltı suyu akışını inceleyen hidrojeoloji yer alır.^[3] Akifer tükenmesini izlemek için NASA’nın GRACE misyonu gibi uzaktan algılamadaki gelişmelere rağmen, heterojen verilerin iklim değişkenliği ortasında entegre edilmesindeki zorluklar devam etmekte ve spekülatif anlatılar yerine titiz, gözleme dayalı yaklaşımlara duyulan ihtiyacı vurgulamaktadır.^[1]

Giriş

Tanım ve Kapsam

Hidroloji, suyun Dünya üzerindeki oluşumunu, dağılımını, hareketini ve özelliklerini, çevredeki ortamla etkileşimleri de dahil olmak üzere inceleyen bilimsel disiplindir.^[1] Bu, suyun fiziksel hallerini (sıvı, katı ve buhar) ve atmosfer, kara yüzeyi, yeraltı ve okyanuslar arasındaki dolaşımını yöneten süreçleri kapsar.^[4] Hidrologlar, doğal değişkenliği ve arazi kullanımı veya iklim değişikliklerinden kaynaklanan değişimler gibi insan kaynaklı etkileri anlamak için bu dinamikleri analiz ederler.^[5]

Hidrolojinin kapsamı, öncelikle yüzeylerden buharlaşma, atmosferde yoğunlaşma, yağmur veya kar olarak yağış, toprağa süzülme, kara üzerinde akış ve okyanuslara veya yeraltı suyu depolamasına nihai dönüşü içeren sürekli bir süreç olan hidrolojik döngü etrafında döner.^[2] Anahtar alt alanlar şunları içerir: nehirleri, gölleri ve akarsuları inceleyen yüzey suyu hidrolojisi; yeraltı akışına ve akifer beslenmesine odaklanan yeraltı suyu hidrolojisi; ve yağış oluşumu gibi atmosferik su etkileşimlerini ele alan hidrometeoroloji.^[6] Geleneksel olarak Dünya merkezli olsa da, prensipler benzer şekilde dünya dışı su sistemlerine de uygulanır, ancak ampirik veriler Mars gibi gezegen cisimleriyle sınırlıdır.^[4]

Hidroloji, büyük nehir havzalarında saniyede 100.000 metreküptü aşabilen taşkınlar veya akarsu debisinin tarihsel normların 20. yüzdelik diliminin altına düştüğü kuraklıklar gibi olayları tahmin etmek için akış denklemlerinin matematiksel modellemesi ve yağış kayıtlarının istatistiksel analizi gibi nicel yöntemleri entegre eder.^[7] Tamamen biyolojik su süreçlerini hidrobiyolojiye bırakarak hariç tutar, ancak su kütlelerinde kirletici taşınımı gibi kimyasal yönleri bünyesine katar.^[8] Bu sınırlandırılmış ancak geniş kapsam, küresel tatlı su mevcudiyetinin toplam su hacminin yaklaşık %2,5’i olduğu ve sadece %0,3’ünün kolayca erişilebilir olduğu su kaynağı değerlendirmesindeki uygulamaları destekler.^[1]

Önemi ve Disiplinlerarası Doğası

Hidroloji, Dünya’nın toplam su arzının sadece yaklaşık %2,5’ini oluşturan ve %1’inden azı insan kullanımı için kolayca erişilebilir olan su kaynaklarının sürdürülebilir yönetiminin temelini oluşturur; bu da verimli dağıtımı ve kalite değerlendirmesini tarım, sanayi ve evsel ihtiyaçlar için hayati hale getirir.^[2] Disiplin, insan kaynaklı değişiklikler nedeniyle yoğunlaşan taşkınlar ve kuraklıklar gibi hidrolojik aşırılıkların tahmin edilmesini sağlar; örneğin, barajlar ve sulamadan kaynaklanan akarsu düzenlerindeki büyük ölçekli değişiklikler, küresel akışı yeniden şekillendirmiş ve deniz seviyesi değişimlerine katkıda bulunmuştur.^[9] Toplumsal açıdan, hidrolojik içgörüler altyapı tasarımını, kirlilik kontrolünü ve adaptasyon stratejilerini bilgilendirerek dünya çapında on milyarlarca dolar olarak tahmin edilen suyla ilgili felaketlerden kaynaklanan yıllık ekonomik kayıpları azaltır.^[2]

Alanın önemi çevre korumasına kadar uzanır; ormansızlaşma, kentleşme ve iklim değişkenliği ile şiddetlenen su döngüsündeki bozulmalar, hidrolojik akılarla iç içe geçmiş ekosistemleri, biyolojik çeşitliliği ve karbon sekestrasyon süreçlerini etkiler.^[10] Son uydu gözlemleri, kıtasal su depolamasındaki dalgalanmaların %57’sinin insan yönetimi tarafından etkilendiğini ortaya koymakta ve hidrolojinin Orta Doğu gibi bölgelerde yeraltı suyu tükenmesi gibi antropojenik etkileri nicelendirmedeki rolünü vurgulamaktadır.^[11] Bu analitik kapasite, sınır aşan nehir anlaşmalarından restorasyon projelerine kadar politika kararlarını destekleyerek, arazi kullanımı değişiklikleri ve emisyonlar tarafından yönlendirilen güçlendirilmiş döngü pertürbasyonlarına karşı direnç sağlar.^[12]

Hidrolojinin disiplinlerarası karakteri, akışkanlar dinamiği için fiziği, çözünen madde taşınımı için kimyayı ve havzalardaki biyojeokimyasal etkileşimler için biyolojiyi içeren fiziksel bilimleri entegrasyonundan kaynaklanır.^[13] Yağış modellemesinde meteorolojiyle, akifer karakterizasyonunda jeolojiyle ve hidrolik yapılarda inşaat mühendisliğiyle örtüşürken; sosyo-hidroloji gibi gelişmekte olan alt alanlar, taşkın rejimlerinde politika kaynaklı değişiklikler gibi geri beslemeleri ele alarak birleşik insan-su sistemlerini incelemek için sosyal bilimleri bünyesine katar.^[14] Bu sentez, kentsel su kırılganlıklarını tahmin etmek için uzaktan algılama verilerini sosyoekonomik modellemeyle harmanlayan işbirlikçi çabalarda görüldüğü gibi bütünsel araştırmaları kolaylaştırır.^[15] Bu tür alanlar arası yaklaşımlar, tahmin doğruluğunu artırır ve ekosistem sağlığından küresel değişim azaltımına kadar çok yönlü zorlukları bilgilendirir.^[16]

Tarihçe

Antik ve Modern Öncesi Katkılar

Erken medeniyetler, tarım ve kentsel tedarik için su yönetimi yoluyla pratik hidroloji sergilediler. MÖ 3000 civarında Mezopotamya ve Antik Mısır’da sulama sistemleri mevsimsel nehir taşkınlarını dizginledi; Mısırlılar, tarımsal verimleri tahmin etmek için Nil taşkınlarını ölçmek üzere nilometreler geliştirdiler.^[17] İndus Vadisi Uygarlığı (MÖ 2600-1900), gelişmiş kentsel drenaj, kuyular ve rezervuarlar içeriyordu; bu da yüzey ve yeraltı sularının sistematik kontrolünü gösteriyordu.^[18] Bu çabalar, teorik modeller yerine taşkın döngülerinin ve toprak neminin ampirik gözlemini önceliklendirerek kurak bölgelerde üretim fazlasını mümkün kıldı.^[19]

Yunan filozofları MÖ 6. yüzyıldan itibaren kavramsal anlayışı ilerlettiler. Miletli Thales (MÖ 624-546), suyun ilksel madde olduğunu öne sürerek, toprağın su üzerinde yüzdüğünü ve nemin yaşamı sürdürdüğünü gözlemleyerek erken jeofizik fikirleri etkiledi.^[20] Aristoteles (MÖ 384-322), Meteoroloji adlı eserinde hidrolojik döngüyü tanımladı; okyanuslardan buharlaşarak bulutların oluştuğunu, yağmur veya kar olarak yağışın düştüğünü ve nehirler yoluyla suyun geri döndüğünü açıkladı ve kaynaklar için yeraltı kökenlerini reddederek süzülmeyi (infiltrasyonu) savundu.^[20] Hipokrat da buharlaşma, yoğunlaşma ve yağış süreçlerini ana hatlarıyla belirterek bunları su kalitesi yoluyla sağlıkla ilişkilendirdi.^[21] Bu katkılar, gözlemsel kısıtlamalarla sınırlı olsa da, efsaneden rasyonel nedenselliğe geçişi sağladı.

Roma mühendisliği su dağıtımı için altyapıya vurgu yaptı. MÖ 312’ye gelindiğinde Aqua Appia su kemeri Roma’yı besliyordu; MS 1. yüzyıla gelindiğinde 500 km’yi aşan bir ağın parçası olarak, kanallar, tüneller ve kemerler aracılığıyla 0,34 m/km’lik hassas eğimlerle yerçekimi akışını kullanıyordu.^[22] Vitruvius, De Architectura (MÖ 15) eserinde kaynak bulma, su kemeri inşası ve saflık için su testini detaylandırarak hidrolojiyi mimariyle bütünleştirdi.^[23] Bu tür sistemler, günlük 1 milyon metreküpe varan kentsel talebi yöneterek akış dinamiklerinin nedensel kontrolünü gösterdi.^[24]

Ortaçağ İslam dünyasında alimler yeraltı suyu ve hidrolik bilgisini geliştirdiler. Ebu el-Karaci (yaklaşık 953-1029), Gizli Suların Çıkarılması adlı eserinde akiferlerden yararlanmak için kanat (qanat) inşasını, akış ölçümünü ve sızıntı prensiplerini analiz ederek hidrojeolojinin temellerini attı.^[25] El-Biruni (973-1048), su seviyesi hesaplamaları için geometrik yöntemler kullanarak yeraltı depolaması ve kaynak çıkışı dahil olmak üzere tam hidrolojik döngüyü tanımladı.^[26] Saha deneylerine ve matematiğe dayanan bu çalışmalar, süzülme ve çıkarmanın nedensel modellerini ilerleterek Avrasya su mühendisliğini etkiledi.^[27]

19. Yüzyıl Temelleri

19. yüzyıl, Avrupa ve Kuzey Amerika’daki hızlı sanayileşme ve nüfus artışının ortasında kentsel su temini, sulama, nehir taşımacılığı ve taşkın kontrolüne yönelik pratik taleplerin etkisiyle hidrolojide nitel gözlemlerden nicel deney ve ölçüme doğru çok önemli bir geçişe işaret etti. Daha önce öncülük edilen hacimsel yağış değerlendirmeleri gibi deneysel yöntemler sistematik uygulama kazandı ve mühendislerin havzalardaki su dengelerini nicelendirmesini sağladı. Bu dönem, felsefi spekülasyon yerine ampirik veri toplamayı vurguladı ve ilerlemeler yeraltı suyu akış dinamikleri ve yüzey suyu ölçümünde yoğunlaştı.^[23]^[28]^[29]

Bir mihenk taşı gelişmesi, Fransız mühendis Henry Darcy (1803-1858) tarafından 1856’da formüle edilen ve değişen hidrolik yükler altında kum kolonlarından su sızıntısı üzerine laboratuvar deneylerinden türetilen Darcy yasasıydı. Yasa, gözenekli bir ortamdan geçen akış hızının hidrolik eğim ve kesit alanıyla orantılı, ortamın uzunluğuyla ters orantılı olduğunu belirtir ve şu şekilde ifade edilir: Q = KA (Δh/L), burada K hidrolik iletkenliktir. Bu ampirik ilişki, akiferlerdeki laminer akışı tahmin etmek için ilk titiz çerçeveyi sağladı, hidrojeolojinin temelini attı ve yeraltı suyu hareketinin sonraki modellerini etkiledi. Darcy’nin çalışması, belediye kuyu tasarımı ve filtrasyon sistemleri gibi gerçek dünya ihtiyaçlarını ele aldı ve yeraltı rezervuarları hakkında doğrulanmamış varsayımlara başvurmadan basınç gradyanları ve akış arasındaki nedenselliği gösterdi.^[30]^[31]

Yeraltı suyu çalışmaları çoğaldı; Avrupalı araştırmacılar akiferleri ve artezyen kuyularını haritalandırdı ve 1800’lerin başından beri akan sondajların gözlemleri yoluyla basınç güdümlü akış mekanizmalarını ortaya çıkardı. Jules Dupuit, 1863’te Darcy’nin prensiplerini kuyulara doğru radyal akışa genişletti ve kuyu verimlerini akifer iletkenliği (transmissivity) ve düşüme (drawdown) dayalı olarak nicelendiren basınçlı koşullar altında kararlı durum deşarjı için denklemler türetti. Amerika Birleşik Devletleri’nde, kurak bölgelerde sulama için yüzyıl ortası araştırmaları bölgesel yeraltı suyu envanterlerini teşvik etti, ancak sistematik federal çabalar 19. yüzyılın sonlarını bekledi. Bu araştırmalar, yeraltı depolamasının sonlu doğasını vurgulayarak, tükenmez yeraltı denizleri hakkındaki önceki mitlere meydan okudu.^[32]^[33]

Yüzey hidrolojisi, 1840’lar-1870’lerde İngiltere ve Almanya’daki ulusal ağlar tarafından kolaylaştırılan standartlaştırılmış akarsu akışı ve yağış ölçümleriyle ilerledi. Robert Manning gibi mühendisler, akışı hidrolik yarıçap, eğim ve pürüzlülükle ilişkilendiren açık kanal hızı için ampirik formüller (onlarca yıllık veriye dayanarak 1890’da yayınlandı) geliştirdi ve bu da mühendislik tasarımları için nehir debisi tahminlerini iyileştirdi. Meteoroloji derneklerine bağlı yağmur ölçerlerin çoğalması, havza çapında yağış haritalamasını mümkün kıldı ve yerel yağış hacimlerinin okyanusal sızma olmadan gözlemlenen akışı sürdürebileceğini doğruladı; bu, biriken 19. yüzyıl verileriyle 17. yüzyıl havza kapanım ilkelerinin bir doğrulamasıydı. Bu araçlar, taşkın zirvelerinin ve düşük akışların nedensel analizlerini destekleyerek hidrolojiyi inşaat mühendisliği ile bütünleştirdi.^[29]^[23]^[34]

20. Yüzyıl Bilimsel Olgunlaşması

20. yüzyılın başları, genişletilmiş sistematik gözlem ağları ve temel teorik çalışmalarla hidrolojinin kurumsallaşmasına işaret etti. Amerika Birleşik Devletleri Jeolojik Araştırmalar Kurumu (USGS), Oscar E. Meinzer’in 1923 tarihli ulusal kaynakların kapsamlı değerlendirmesiyle yeraltı suyu çalışmalarını ilerletti ve bölgesel verileri akifer depolaması ve verimi için nicel çerçeveler halinde sentezledi.^[35] Eş zamanlı olarak, 1922’de kurulan Uluslararası Hidrolojik Bilimler Birliği (IAHS), araştırma standartları ve veri paylaşımı konusunda küresel işbirliğini teşvik ederek hidrolojiyi geçici mühendislikten koordineli bilimsel araştırmaya kaydırdı.^[28] Bu çabalar ampirik ölçümü vurguladı; dünya çapında çoğalan akarsu ölçüm istasyonları, su akılarının nedensel analizi için gerekli olan uzun vadeli veri setlerinin derlenmesini sağladı.

Teorik olgunlaşma, 1930’larda yüzey ve yeraltı süreçlerinin fizikten beslenen modelleriyle hızlandı. Leroy K. Sherman, 1932’de, taşkın akış hidrograflarını aşırı yağıştan türetmek için doğrusal bir sistem yaklaşımı olan birim hidrograf kavramını tanıttı; bu kavram gözlemlenen havza tepki sürelerine dayanıyordu ve ölçülen olaylara karşı doğrulandı.^[36] Robert E. Horton, 1933-1940 civarında sızma kapasitesi teorisini geliştirerek, toprağın yağışı emme hızını yüzey koşullarının bir fonksiyonu olarak nicelendirdi ve böylece Hortonian yüzey akışını, toprak geçirgenliğini aşan yağış yoğunluğunun neden olduğu doygunluk fazlası akış olarak açıkladı. Yeraltı suyunda, C. V. Theis’in 1935 denklemi, ısı iletimi analojilerini kullanarak pompalanan kuyulara geçici radyal akışı modelledi ve kararlı durum dengesini varsaymadan düşümü tahmin etmek için akifer depolama katsayısını ve iletkenliğini dahil etti.^[37] Bu türetmeler, sınırlı hesaplama araçlarına rağmen hidrolojinin analitik titizliğini kurarak, ampirik korelasyonlar yerine temel prensip mekaniğini önceliklendirdi.

II. Dünya Savaşı sonrası gelişmeler, entegre simülasyon için gelişen dijital hesaplamadan yararlandı ve 1960’larda hidrolojinin ayrı bir yerbilimi olarak birleşmesiyle sonuçlandı. 1966’da Norman H. Crawford ve Ray K. Linsley tarafından yayınlanan Stanford Havza Modeli IV, hidrolojik döngüyü tutma (interception), evapotranspirasyon, toprak nemi ve öteleme (routing) için depolamalara ayırarak ve havza tepkilerini tahmin etmek için gözlemlenen verilerle kalibre edilerek erken bir sürekli yağış-akış simülatörünü temsil etti.^[38] Journal of Hydrology (1963) ve Water Resources Research (1965) gibi uzmanlaşmış dergiler, deterministik mühendislik formülleri yerine olasılıksal ve süreç tabanlı yöntemleri vurgulayarak hakemli söylemi kurumsallaştırdı.^[39] Yüzyılın sonunda bu gelişmeler, hidrolojiyi tanımlayıcı hidrolojiden, Darcy yasası uzantıları ve kütle dengesi gibi nedensel mekanizmalarla bilgilendirilen tahmin modellemesine dönüştürdü, ancak heterojen saha verilerini teorik ideallere ölçeklendirmede zorluklar devam etti.^[40]

2000 Sonrası Gelişmeler ve Zorluklar

Yerçekimi Geri Kazanımı ve İklim Deneyi (GRACE) uydularının 2002’de fırlatılması, hassas yerçekimi alanı ölçümleri yoluyla karasal su depolama değişimlerinin küresel olarak izlenmesini sağlayarak hidrolojik gözlemde çok önemli bir ilerlemeye işaret etti.^[41] 2018’den beri GRACE-FO tarafından sürdürülen bu misyonlar, Orta Doğu ve Hindistan’ın akiferleri gibi yeraltı suyu rezervlerindeki büyük ölçekli tükenmeleri nicelendirdi ve 2002’den 2016’ya kadar bazı bölgelerde yılda 20 km³’ü aşan kayıp oranlarını ortaya çıkardı.^[41] Toprak nemi için SMOS (2010) ve yüzey suyu kapsamları için SWOT (2022) dahil olmak üzere tamamlayıcı uydu sistemleri, hidrolojik değişkenlerin mekansal ve zamansal çözünürlüğünü artırdı ve akı tahminlerini iyileştirmek için yer tabanlı ağlarla entegre oldu.^[42]

Hidrolojik modelleme, artan hesaplama yetenekleri ve veri asimilasyon teknikleri ile ilerledi; uzaktan algılama girdilerini ve parametre optimizasyonu için makine öğrenimini içeren dağıtık, fizik tabanlı çerçevelere doğru kaydı.^[40] 2000 sonrası gelişmeler, süreç temsillerini istatistiksel yöntemlerle harmanlayan hibrit modelleri içerir; bu modeller, test havzalarındaki akış simülasyonlarında belirsizliği %30’a kadar azaltan topluluk (ensemble) tahmin sistemlerinde gösterildiği gibi, taşkınlar ve kuraklıklar gibi aşırılıkların tahminlerini geliştirir.^[43] Bu ilerlemeler, iklim modelleriyle daha iyi entegrasyonu kolaylaştırarak, evapotranspirasyonun ısınma derecesi başına %5-10 artarak bölgesel su dengelerini değiştirdiği 21. yüzyıl senaryolarının simülasyonlarına izin verir.^[44]

Kalıcı zorluklar arasında, modellemede geleneksel istatistiksel varsayımları karmaşıklaştıran, iklim değişkenliği ve insan müdahalelerinin neden olduğu durağan olmama (non-stationarity) durumu yer alır.^[45] 2019 tarihli bir topluluk değerlendirmesi, hidrolojik süreçlerin mekan ve zamanda ölçeklendirilmesi, kara-atmosfer arayüzlerindeki geri beslemelerin nicelendirilmesi ve su depolama değişikliklerinde iklim kaynaklı sinyallerin antropojenik sinyallerden ayırt edilmesi gibi 23 çözülmemiş problemi tanımladı.^[45] Küresel olarak 2000 yılından bu yana santigrat derece başına %7 artan yağış aşırılıklarıyla birlikte su döngüsünün gözlemlenen yoğunlaşması, sel risklerini ve su kıtlığını şiddetlendirirken, gelişmekte olan bölgelerdeki veri boşlukları kapsamlı değerlendirmeleri engellemektedir.^[46] Bunları ele almak, kentsel genişlemenin büyük şehirlerde akış katsayılarını %20-50 oranında değiştirmesi nedeniyle sosyo-ekonomik faktörleri dahil etmek için disiplinlerarası yaklaşımları gerektirir.^[47]

Temel Hidrolojik Süreçler

Hidrolojik Döngü: İlkeler ve Bileşenler

Hidrolojik döngü, suyun Dünya yüzeyi, atmosferi ve yeraltı ortamları arasındaki sürekli hareketini ifade eder; faz değişikliklerini, taşınımı ve çeşitli rezervuarlarda depolamayı içerir. Bu döngü, Dünya üzerinde kapalı bir sistem olarak işler ve kütle korunum ilkesi tarafından yönetilen, insan zaman ölçeklerinde ihmal edilebilir net su kütlesi kazancı veya kaybı ile çalışır. Birincil itici güçler, buharlaşma ve faz geçişleri için enerji sağlayan güneş radyasyonu ve akış ile yeraltı suyu hareketi gibi yokuş aşağı akışları etkileyen yerçekimidir. Güneş ısınmasından kaynaklanan enerji dengesizlikleri, nemi küresel olarak yeniden dağıtan atmosferik sirkülasyona yol açar.^[3]^[48]^[49]

Temel bir ilke, belirli bir alan ve dönem için girdileri, çıktıları ve depolama değişikliklerini nicelendiren su dengesi denklemidir: yağış (P) eşittir evapotranspirasyon (ET) artı akış (R) artı depolama değişimi (ΔS), veya P – ET – R = ΔS. Bu denklem, küçük havzalardan küresel sisteme kadar her ölçekte uygulanır ve saha ölçümleri ve modelleme yoluyla döngü bileşenlerinin nicelendirilmesini sağlar. Dengeden sapmalar, ölçüm hatalarını veya hesaba katılmamış akıları gösterir ve döngünün varsayımlar yerine ampirik doğrulamaya dayandığını vurgular. Küresel olarak döngü, yılda yaklaşık 577.000 kilometre küp suyu işler ve okyanuslar buharlaşmanın %85’inden fazlasına katkıda bulunur.^[50]^[51]

Temel bileşenler şunları içerir:

Buharlaşma (Evaporasyon): Sıvı suyun, öncelikle okyanuslardan ve kara yüzeylerinden buhara faz değişimidir; güneş ısınmasıyla moleküler kinetik enerjinin artması ve su moleküllerinin moleküller arası kuvvetleri yenerek atmosfere girmesiyle gerçekleşir. Sıcaklık, nem, rüzgar ve yüzey alanından etkilenir. Küresel olarak yılda yaklaşık 505.000 kilometre küp transferden sorumludur; oranlar soğuk çöllerde sıfıra yakınken tropikal okyanuslarda yılda 2 metrenin üzerine çıkar.^[52]^[53]
Terleme (veya buharlaşma ile birleştiğinde evapotranspirasyon): Bitki stomalarından su buharı salınımıdır; bitki örtüsüyle kaplı araziler için ayrılmaz bir parçadır ve ormanlık alanlarda biyolojik alım nedeniyle tek başına buharlaşmayı %40-60 oranında aşabilir. Bu süreç döngüyü ekosistemlere bağlar ve küresel tahminler yıllık 72.000 kilometre küp civarındadır.^[2]^[53]
Yoğunlaşma (Kondansasyon): Atmosferik buharın sıvı damlacıklara veya buza dönüşerek bulut ve sis oluşturmasıdır; atmosferik dinamikleri besleyen gizli ısı yoluyla enerji salınımı için esastır. Yağıştan önce gelir ve troposferde her yerde bulunur.^[54]
Yağış (Presipitasyon): Yoğunlaşmış suyun yağmur, kar, dolu veya diğer formlarda serbest bırakılmasıdır; Dünya yüzeyine yılda yaklaşık 505.000 kilometre küp su döndürür ve dağılımlar orografik yükselme, yakınsama bölgeleri ve iklim modelleri tarafından şekillendirilir. Ölçüm cihazları ve radarla yapılan ölçümler, kurak bölgelerde yılda 100 mm’nin altından ekvatoryal bölgelerde 10.000 mm’nin üzerine kadar mekansal değişkenliği doğrulamaktadır.^[55]^[2]
Süzülme (Infiltrasyon) ve Perkolasyon: Yüzey suyunun toprak gözeneklerine girmesi ve ardından akiferlere doğru aşağı yönlü hareketi; toprak dokusu, doygunluk ve hidrolik iletkenlik tarafından yönetilir. Süzülme oranları killerde saatte milimetrelerden kumlarda saatte santimetrelere kadar değişir ve yağışı yeraltı depolaması ile yüzey akışı arasında bölüştürür.^[3]^[56]
Akış ve yeraltı akışı: Fazla suyun kara üzerinden veya toprak içinden akarsulara ve okyanuslara hareketi; yeraltı suyundan gelen baz akışı ve doygunluk fazlası veya süzülme fazlası mekanizmalarından gelen hızlı akışı içerir. Küresel olarak, akış yılda yaklaşık 47.000 kilometre küp tutar, nehir debisi için kritiktir ve oranları %20-50 değiştirebilen arazi kullanımı değişikliklerinden etkilenir.^[2]^[6]

Bu bileşenler dinamik olarak etkileşime girer; nemli iklimlerde artan buharlaşmanın yağışı artırması gibi geri beslemelerle birlikte döngünün istikrarı jeolojik çağlar boyunca güneş girdisinin sabitliğine dayanır. Yerel evapotranspirasyonu artıran sulama gibi antropojenik etkiler, modern değerlendirmelere giderek daha fazla entegre edilmektedir ancak temel ilkeleri kökten değiştirmezler.^[57]^[49]

Yağış Oluşumu ve Ölçümü

Yağış, bulut parçacıklarının (sıvı damlacıklar veya buz kristalleri) yukarı yönlü hava akımlarını yenip yerçekimi etkisiyle yüzeye düşmelerini sağlayan mikrofiziksel süreçler yoluyla büyümesinden kaynaklanır. Sıcaklıkların 0°C ile -40°C arasında değiştiği karışık fazlı bulutlarda baskın mekanizma Wegener-Bergeron-Findeisen sürecidir; burada buz kristalleri, buza göre aşırı doymuş ancak sıvı suya göre doymamış çevre ortamından su buharının birikmesiyle hızla büyür.^[58] Bu farklılık, buz üzerindeki denge doygunluk buhar basıncının aşırı soğumuş sıvı damlacıklarına göre daha düşük olmasından kaynaklanır; bu da buharın tercihen buz parçacıklarına yayılmasına neden olur. Buz parçacıkları daha sonra kenarlaşma (riming – aşırı soğumuş damlacıkların birikmesi) veya kar taneleri ya da iniş sırasında yağmura dönüşebilen graupel oluşturmak üzere diğer buz parçacıklarıyla birleşme yoluyla büyür.^[59] Buzun olmadığı 0°C’nin üzerindeki daha sıcak bulutlarda yağış, öncelikle çarpışma-birleşme (collision-coalescence) süreciyle gelişir; burada farklı boyutlardaki bulut damlacıkları, farklı terminal hızlar, türbülans ve elektrostatik kuvvetler nedeniyle çarpışır ve yağış olana kadar büyümeye devam eden daha büyük damlalar oluşturmak üzere birleşir.^[60] Bu mikrofiziksel yollar, yüzey ısınması ve kararsızlığın neden olduğu konvektif yükselme, nemli havanın arazi engellerini aşarken orografik yükselmesi ve daha sıcak havanın daha yoğun soğuk hava kütlelerinin üzerine yükseldiği cephesel zorlama dahil olmak üzere yükselme mekanizmalarından kaynaklanan adyabatik soğuma yoluyla ilk bulut oluşumunu gerektirir.^[61] ^[62]

Konvektif yağış, yoğun güneş ısınmasının adyabatik olarak soğuyan termaller oluşturduğu, damlacık düşme hızlarını aşan güçlü yukarı akımlara sahip kümülüs bulutlarını teşvik ettiği tropikal ve yaz kıtasal rejimlerinde baskındır.^[63] Orografik yağış, zorunlu yükselmenin yoğunlaşmayı ve gizli ısının serbest bırakılmasını teşvik etmesi nedeniyle rüzgar alan yamaçlarda artar ve genellikle çevredeki ovalardan daha yüksek toplamlar verir; örneğin, yıllık yağış bu yükselme nedeniyle dağ bariyerlerinde 2-5 kat artabilir.^[64] Cephesel sistemler, özellikle kademeli eğimli sıcak cepheler veya daha dik oklüzyonlu soğuk cepheler, daha geniş alanlarda stratiform yağış üretir; oranlar tipik olarak konvektif patlamalardan daha düşüktür (1-10 mm/saat) ancak daha uzun süre devam eder.^[65] Ampirik gözlemler, sıcak bulutlardaki küresel yağışın %90’ından fazlasının çarpışma-birleşmeye dayandığını, soğuk süreçlerin ise orta enlemlere hakim olduğunu, ancak her ikisinin de derin konvektif fırtınalarda etkileşime girebileceğini doğrulamaktadır.^[66]

Yağış ölçümü, doğrudan nokta gözlemlerini mekansal kapsama için uzaktan algılama ile birleştirir, ancak her yöntem kalibrasyon gerektiren belirli sapmalar getirir. Yer tabanlı yağmur ölçerleri, suyu bir alıcıya yönlendiren bir huni aracılığıyla birikimi yakalayarak referans standardını sağlar; ABD Ulusal Hava Durumu Servisi, rüzgar tutma eksikliğini en aza indirmek için 20. yüzyılın başlarından beri kullanılan, 0,01 inç (0,25 mm) hassasiyetinde manuel okumalar için 10:1 yükseklik büyütme tüpüne sahip 8 inç çapında kayıtsız bir ölçer kullanır.^[67] Robert Hooke’un 1695 tasarımından bu yana faaliyette olan ve 20. yüzyılda geliştirilen devrilen kovalı (tipping-bucket) ölçerler, yağışı kalibre edilmiş bir hacimde (örneğin devrilme başına 0,2 mm) devrilen eşleştirilmiş kovalara yönlendirir ve ayrık olayları elektronik olarak kaydetmek için manyetik bir dilli anahtarı tetikler; otomatik ağlar için uygundur ancak sıçrama kayıplarına ve 50 mm/saat’i aşan şiddetli yağmurlarda eksik tahmine yatkındır.^[68] ^[69] Bu aletler yüksek zamansal çözünürlük sağlar ancak rüzgar (%5-20’ye kadar eksik yakalama), buharlaşma ve yerleşimden kaynaklanan sistematik hatalarla nokta verilerini temsil eder; Küresel Yağış Klimatoloji Merkezi (GPCC) gibi küresel ağlar, aynı yerde bulunan korumalı ölçerlerden türetilen transfer fonksiyonları aracılığıyla bunları ayarlar.^[70]

Uzaktan yöntemler, yansıtma veya emisyon imzalarını kullanarak yağış hacmini tahmin eder. ABD tarafından 1992’den itibaren konuşlandırılan 159 S-bandı Doppler sisteminden oluşan NEXRAD ağı gibi hava radarları, ampirik Z-R ilişkileri (örneğin Z = 300 R^1.4, burada R mm/saat cinsindendir) aracılığıyla geri dönen yankı yoğunluğundan (Z, mm⁶/m³ cinsinden) yağmur oranlarını çıkarır; 1 km çözünürlükte saatlik birikim haritaları üretir ancak düşük kotlarda aşma, ışın genişlemesi ve dolu/zayıflama artefaktları nedeniyle tahminleri ±%30 oranında saptırabilir.^[71] ^[72] NASA’nın GPM (2014’te fırlatılan) gibi misyonları aracılığıyla uydu gözlemleri, buz saçılmasının pasif mikrodalga tespiti ve emisyonunu kızılötesi bulut tepesi vekilleriyle birleştirerek her 30 dakikada bir küresel kapsama sağlar ancak dolaylı geri kazanımlar ve damla boyutu dağılımları hakkındaki varsayımlar nedeniyle ölçerlere göre %20-50’lik karekök ortalama hatalara sahiptir.^[73] NOAA’nın ürünlerinde olduğu gibi radar, ölçer ve uydu verilerini harmanlayan çok sensörlü mozaikler, ölçer ağları aracılığıyla radarı sapma-düzelterek kıtasal ölçeklerde belirsizlikleri %10-15’e düşürür.^[74]

Yöntem	Prensip	Güçlü Yönler	Sınırlamalar	Tipik Doğruluk
Standart Yağmur Ölçer	Huni toplama ve hacimsel ölçüm	Sıvı yağış için doğrudan, hassas	Nokta verisi; rüzgar/buharlaşma hataları	Sakin koşullarda ±%1–5^[67]
Devrilen Kova (Tipping Bucket)	Elektronik sayımlı ayrık hacim devrilmesi	Otomatik, gerçek zamanlı	Yoğun yağmuru eksik tahmin eder; mekanik aşınma	±%2–10, >50 mm/saat için daha kötü^[68]
Radar (ör. NEXRAD)	Z-R aracılığıyla yansıtmadan yağmur oranına	Mekansal kapsama (100–200 km menzil)	Kalibrasyon gerektirir; meteorolojik olmayan yankılar	Ölçer sapma düzeltmesi olmadan ±%20–30^[72]
Uydu (ör. GPM)	Hidrometeorlar için Mikrodalga/IR vekilleri	Küresel, sık	Dolaylı; kara/buz üzerinde zayıf	Ölçerlere kıyasla ±%20–50^[73]

Buharlaşma, Terleme ve Atmosferik Nem

Buharlaşma, Dünya yüzeyindeki veya açık su kütlelerindeki sıvı suyun su buharına dönüştüğü fiziksel süreçtir; öncelikle moleküler kinetik enerjiyi artıran güneş radyasyonunun soğurulmasıyla, su moleküllerinin moleküller arası kuvvetleri yenerek atmosfere girmesine izin veren bir faz değişimidir.^[75] Bu süreç hava-su arayüzünde meydana gelir ve doymuş yüzey ile üzerindeki doymamış hava arasındaki buhar basıncı gradyanı tarafından yönetilir; difüzyon ve türbülanslı karışım, akıyı sürdürmek için buharın uzaklaştırılmasını kolaylaştırır.^[76] Buharlaşma oranlarını etkileyen temel meteorolojik faktörler arasında net güneş radyasyonu, hava sıcaklığı, nem (buhar basıncı açığı olarak nicelendirilir) ve türbülanslı taşınımı artıran rüzgar hızı yer alır; yüzeye özgü faktörler su sıcaklığı, tuzluluk ve açık su için rüzgar etkili uzunluğu (fetch length) kapsar.^[77]^[78]

Buharlaşma oranları, sığ göller için tava katsayıları (genellikle 0,7-0,8) aracılığıyla göl veya rezervuar değerlerine dönüştürülebilen standartlaştırılmış açık su tahminleri sağlayan A Sınıfı buharlaşma tavaları gibi ampirik yöntemler kullanılarak ölçülür, ancak bunlar düşük rüzgar veya yüksek nem koşullarında olduğundan fazla tahmin yapar; daha hassas saha teknikleri arasında toprak nemi kaybını tartmak için lizimetreler ve mikrometeorolojik kuleler aracılığıyla türbülanslı akıları doğrudan nicelendiren eddy kovaryans (girdap eşdeğişim) sistemleri bulunur.^[79] Küresel hidrolojik döngüde, okyanuslardan açık su buharlaşması hakimdir ve toplam atmosferik su buharı girdisinin yaklaşık %86’sına katkıda bulunur; kara yüzeyi buharlaşması kalanı ekler, ancak doğrudan nicelendirme, havza ölçeğindeki tahminler için kara yüzeyi sıcaklığını ve bitki örtüsü indekslerini entegre eden MODIS’tekiler gibi uydu türevli ürünlere dayanır.^[80]

Terleme (transpirasyon), bitkilerin osmoz ve kapilarite yoluyla köklerden topraktan su çektiği, ksilem damarları yoluyla taşıdığı ve öncelikle yapraklardaki stoma gözeneklerinden buharlaşma ile aynı buhar basıncı açığı tarafından yönlendirilen ancak bitki fizyolojisi tarafından modüle edilen buhar olarak serbest bıraktığı biyolojik süreçtir.^[81] Işık, CO₂ konsantrasyonu, toprak nemi mevcudiyeti ve absisik asit gibi hormonlardan etkilenen stoma iletkenliği bu akıyı düzenler ve oranlar optimal koşullar altında gün ışığı saatlerinde zirveye ulaşır; küresel olarak terleme, karasal evapotranspirasyonun yaklaşık %61’ini oluşturur, yağışın %39’unu atmosfere geri döndürür ve gölgelik soğutma ve nem artırma yoluyla bölgesel iklimler üzerinde geri bildirim uygular.^[82] Kuraklık sırasında, azalan toprak nemi terlemeyi sınırlar, bu da suyu koruyan ancak atmosferik nem katkılarını azaltan stoma kapanmasına yol açar ve aşağı havza yağış modellerini etkiler.^[83]

Topraktan, su kütlelerinden buharlaşma ve bitki örtüsünden tutma (intersepsiyon) artı terlemenin birleşik akısı olan Evapotranspirasyon (ET), karasal su dengesinde kritik bir bağlantıyı temsil eder ve genellikle potansiyel ET için enerji mevcudiyetini aerodinamik ve yüzey direnci terimleriyle dengeleyen ve gerçek su mevcudiyeti için ayarlanan Penman-Monteith denklemi ile tahmin edilir.^[77] Küresel ölçeklerde karasal ET, yıllık ortalama 65.000-70.000 km³ civarındadır ve arazi örtüsüne bağlı değişimler gösterir; ormanlar, kurak çalılıklardan (<200 mm/yıl) daha yüksek oranlar (1.000 mm/yıla kadar) sergiler ve ısınma kaynaklı buhar basıncı açıklarına bağlı olarak on yılda 7-10 mm’lik bir artış gibi eğilimleri değerlendirmek için uzaktan algılama yoluyla giderek daha fazla izlenmektedir.^[84] Bu süreçler nemi atmosfere aktarır; burada su buharı olarak (hacimce hava kütlesinin tipik olarak %0,1-4’ü, küresel ortalama özgül nem ~%1) bulunur ve adveksiyon ve konveksiyon yoluyla yatay ve dikey taşımayı mümkün kılar.^[85]

ET’den gelen atmosferik nem, subtropikal yüksek basınçlar ve orta enlem siklonları dahil olmak üzere büyük ölçekli sirkülasyon modelleri aracılığıyla kutuplara taşınır ve yeniden dağıtılır; atmosferik nehirler olarak bilinen yoğunlaşmış filamentler, 250 kg/m/s’yi aşan dar, geliştirilmiş entegre buhar taşıma koridorları aracılığıyla bazı kıyı bölgelerinde yıllık yağışın %80’ine kadarını sağlar.^[86] Bu buhar akışı, kıtasal ET’nin geri dönüştürülmüş yağışa (muson bölgelerinde %30-50) katkıda bulunduğu kara-okyanus su dengesini sürdürür, ancak ısınmadan kaynaklanan dengesizlikler ortaya çıkar; ısınma, Clausius-Clapeyron ilişkisine göre nem tutma kapasitesini artırır (~°C başına %7), bu da bitki örtüsü veya toprak kısıtlamaları hakimse orantılı ET artışları olmaksızın aşırılıkları potansiyel olarak yoğunlaştırır.^[87] Hidrolojik modeller, bölgesel su bütçelerini kapatmak için yeniden analiz verilerinden ampirik sapma (diverjans) hesaplamalarını vurgulayarak, nem yakınsamasını tahmin etmek için bu dinamikleri bünyesine katar.^[88]

Süzülme, Perkolasyon ve Toprak Suyu Dinamikleri

Süzülme (Infiltrasyon), yağış, sulama veya yüzey akışından gelen suyun, yerçekimi ve kapilar kuvvetlerin etkisi altında öncelikle gözenekler ve çatlaklar yoluyla zemin yüzeyinden toprağa girdiği fiziksel süreçtir. İlk süzülme oranı tipik olarak yüksektir, ancak toprak gözenekleri doldukça ve yüzey sızdırmazlığı oluştukça zamanla azalır ve toprağın doymuş hidrolik iletkenliği tarafından belirlenen sabit bir minimum hıza yaklaşır. Süzülmeyi kontrol eden faktörler arasında toprak dokusu (örneğin kumlar, daha büyük gözenekler nedeniyle killerden daha hızlı süzülür), yapı, organik madde içeriği, bitki örtüsü (sıkışmayı azaltır ve makro gözenekleri artırır), önceki toprak nemi (daha ıslak topraklar daha az süzülür) ve yoğunluk ve damla boyutu gibi yağış özellikleri (yüksek yoğunluklu yağmur, yüzey sızdırmazlığına neden olarak sıkıştırılmış killerde oranları 1 cm/saat’in altına düşürebilir) yer alır. Ampirik ölçümler, doymuş koşullar altında gevşek kumlarda 10 cm/saat’in üzerinden ağır killerde 0,1 cm/saat’in altına kadar değişen süzülme kapasitelerini göstermektedir.^[89]

Süzülme oranlarını tahmin etmek için yaygın olarak kullanılan modeller arasında ampirik Horton denklemi yer alır: f_p(t) = f_c + (f_0 – f_c) e^(-kt), burada f_p(t) t zamanındaki süzülme kapasitesi, f_0 başlangıç kapasitesi (toprağa bağlı olarak genellikle 5–50 cm/saat), f_c nihai sabit oran (doymuş iletkenliğe yaklaşan, tipik olarak 0,1–5 cm/saat) ve k, saha verilerinden veya kalibrasyondan türetilen bir bozunma sabitidir (0,1–1 saat⁻¹). Bu model, birçok saha deneyinde gözlemlenen zamana bağlı düşüşü yakalar ancak yeraltı süreçleri için fiziksel temelden yoksundur. Fiziksel tabanlı Green-Ampt modeli, aşağı doğru ilerleyen keskin bir ıslanma cephesi varsayar ve süzülme oranı i şu şekilde verilir: i = K_s (ψ_f + F + Δh) / F, burada K_s doymuş hidrolik iletkenlik (örneğin tınlı topraklar ile kumlar için 0,5–50 cm/saat), ψ_f ıslanma cephesi emme yüksekliği (matrik potansiyel için tipik olarak 5–30 cm), F kümülatif süzülme derinliği ve Δh yüzey göllenme yüksekliğidir (genellikle başlangıçta ihmal edilebilir). Kümülatif süzülme F(t), F – ψ_f Δθ ln(1 + F / (ψ_f Δθ)) = K_s t olarak örtük (implicit) şekilde çözülür; burada Δθ = θ_s – θ_i, başlangıçtaki θ_i ile doymuş θ_s arasındaki hacimsel su içeriği değişimidir; bu model, toprak verileriyle kalibre edildiğinde olay bazlı simülasyonlar için iyi performans gösterir ve fırtınalar sırasında 10–50 cm’ye kadar derinlikleri tahmin eder.^[89]

Perkolasyon, süzülen suyun yerçekimsel drenajını, yanal sızıntıdan veya kapilar yükselmeden farklı olarak vadoz (doymamış) bölgeden yeraltı suyu tablasına doğru tanımlar. Doymuş koşullarda, Darcy yasasını izler: q = –K (dh/dl), burada q özgül deşarj (örneğin akiferlerde 10⁻³ ila 10⁻¹ cm/sn), K hidrolik iletkenlik (toprak tipine göre 10⁻⁶ ila 10⁻² cm/sn arasında değişir) ve dh/dl hidrolik eğimdir (dikey akış için genellikle 1’e yakındır). Doymamış perkolasyon daha yavaştır ve doğrusal değildir; Darcy yasasını bir su tutma eğrisiyle birleştiren Richards denklemi tarafından yönetilir, çünkü su içeriği θ derinlikle ve matrik potansiyel ψ_m (negatif, tipik topraklarda -10 ila -100 cm) ile azalarak, etkili iletkenliği doygunluğa kıyasla büyük ölçüde azaltır. Saha çalışmaları, tarım topraklarında yağış sonrası 0,1–5 cm/gün perkolasyon oranlarını göstermektedir; bu, geçirgen bölgelerde yıllık yağışın %10-30’unda akiferleri beslemek için yeterlidir, ancak kil ufukları gibi düşük geçirgenlikli katmanlarda sıfıra yakındır.^[90]

Toprak suyu dinamikleri, kök bölgesinde ve altında depolama, yeniden dağıtım ve akı süreçlerini entegre eder; bu süreçler toprak su potansiyeli ψ = ψ_m + ψ_g + ψ_o gradyanları tarafından yönlendirilir. Burada matrik potansiyel ψ_m (kapilar ve adsorptif kuvvetler, doymamış topraklarda baskındır) doygunlukta 0 ile kalıcı solma noktasında -15.000 cm arasında değişir, yerçekimi potansiyeli ψ_g = –z (yükseklik yükü) ve ozmotik potansiyel ψ_o (çözünen madde etkileri, tatlı topraklarda minördür). Depolama kapasitesi, tarla kapasitesi (θ_fc ≈ 0,2–0,4 m³/m³, ψ_m = -33 cm’de, drenajdan sonra yerçekimine karşı tutulan miktar) eksi solma noktası (θ_wp ≈ 0,05–0,15 m³/m³, -15.000 cm’de) ile nicelendirilir ve tınlı topraklarda metre derinlik başına 0,1–0,25 m bitki tarafından kullanılabilir su sağlar; θ(ψ) eğrisindeki histerezis, ıslanma ve kuruma yollarında tutmanın farklı olduğu anlamına gelir ve beslenme verimliliğini etkiler. Hareket adveksiyon (toplu akış) ve difüzyon yoluyla gerçekleşir; kök su alımı ekinlerde günde 0,5 cm’ye varan oranlarda depolamayı tüketen yerel gradyanlar oluştururken, topraktan buharlaşma ψ_m akıyı sınırlayana kadar kapilarite yoluyla suyu yukarı çeker. Lizimetrelerden elde edilen ampirik veriler, kış sonrası beslenmenin gözenekleri θ_s ≈ 0,3–0,5 seviyesine kadar doldurduğu, ardından yazın tükenmenin yaşandığı mevsimsel dinamikleri göstermektedir; bu durum kuraklık direncini ve besin süzülmesini etkiler (örneğin nitratların >1 cm/gün perkolasyonda mobilize olması).^[91]^[92]

Akış Oluşumu ve Yüzey Akışı

Akış (Runoff) oluşumu, fazla yağışın kara üzerinde akışa ve kanal deşarjına dönüştürüldüğü fiziksel süreçleri kapsar; bu durum öncelikle yağmur veya kar erimesi arazi yüzeyinin depolama, tutma (intersepsiyon) veya süzülme kapasitesini aştığında gerçekleşir. Bu, toprak özellikleri, topografya ve önceki koşullardan etkilenen, yüzey akışının zamanlamasını, hacmini ve tepe oranlarını belirleyen farklı mekanizmalar yoluyla meydana gelir. Nemli bölgelerde, doygunluk fazlası yüzey akışı hakimdir; burada topraklar tarla kapasitesine ulaşır ve yağış yoğunluğundan bağımsız olarak ek suyun göllenmesine ve yokuş aşağı akmasına neden olur.^[93]^[94] Tersine, süzülme fazlası yüzey akışı (Hortonian akış olarak da bilinir), yağış yoğunluğu toprağın süzülme oranını aştığında ortaya çıkar ve geçirimsiz veya kabuklanmış yüzeylerde yaygın tabaka akışına yol açar.^[95]^[96]

Doygunluk fazlası mekanizmalar genellikle kısmi alan katkılarını içerir; burada yalnızca alçak veya ıslak bölgeler akış üretir ve uzun süreli yağmurla dinamik olarak genişlerken, süzülme fazlası yüksek yoğunluklu fırtınalar altında daha düzgün bir kapsama alanı üretir.^[97] Makro gözenek akışı ve ara akış (interflow) gibi yeraltı yolları da suyu kanallara yanal olarak ileterek hızlı yüzey tepkisine katkıda bulunabilir.^[95]^[98] Bu süreçler, depolama veya yağış oranlarındaki eşiklerin orantısız akış artışlarını tetiklediği doğrusal olmama durumu sergiler; bu durum, hızlı akış tepkilerinin yeraltı bağlantısallığı ile ilişkili olduğu deneysel havzalarda gözlemlenmiştir.^[99]

Akışı modüle eden temel faktörler arasında yağış özellikleri (50 mm/saat’i aşan yoğunluk kumlu topraklarda süzülmeyi bastırabilirken, 6 saati aşan süreler doygunluğu teşvik eder) ve havza özellikleri yer alır; havza özellikleri arasında Manning denklemine göre (v = (1/n) R^2/3 S^1/2) akış hızını artıran yamaç dikliği ve bitki örtüsünün etkili yağışı tutma yoluyla %10-30 oranında azalttığı arazi örtüsü bulunur.^[100] Toprak tipi süzülme kapasitesini yönetir; killerde <5 mm/saat iken kumlarda >50 mm/saat’tir ve önceki nem, fazla akış için eşikleri düşürerek tepkiyi güçlendirir.^[101] Kentleşme, toprakları sıkıştırarak ve geçirimsiz yüzeyleri artırarak akışı şiddetlendirir ve aynı olay için tepe deşarjlarını 2-6 kat artırır.^[102]

Yüzey akışı oluştuktan sonra, havzalardaki topografik yakınsama ile ince tabaka akışından konsantre rill ve yarıklara (gullies) evrilir; burada akış derinliği ve hızı yokuş aşağı artar, yatak ve kıyı malzemelerini aşındırır ve kayma gerilimi (τ = ρ g R S) ile ölçeklenen oranlarda tortu taşır.^[103] Kaynak alanlarında, aralıklı akarsular dinamik bağlantısallık sergiler; akış sürekliliği beslenme oranlarına ve evapotranspirasyon açıklarına bağlıdır ve genel havza hidrograflarını etkiler.^[104] Bu dinamiklerin dağıtık hidrolojik çerçevelerde modellenmesi, sel risklerini tahmin etmek için katkıları (örneğin, süzülme fazlası zirvelerine karşı daha yavaş çekilme eğrileri sağlayan doygunluk fazlası) bölümlere ayırır ve çeşitli iklimlerde 100 yıllık dönüş periyotlarına kadar olan olaylar için ölçülen verilere karşı yapılan doğrulamada %20’den az hata gösterir.^[99]^[105]

Yeraltı Suyu Beslenmesi ve Depolama

Yeraltı suyu beslenmesi, suyun vadoz bölgeye sızdığı ve akiferlerin doymuş bölgesine süzüldüğü hidrolojik süreçtir; öncelikle yağış, kar erimesi veya akarsular ve göller gibi yüzey suyu kütlelerinden kaynaklanır.^[106] Bu doğal yenilenme, geçirgen topraklarda ve jeolojik oluşumlarda dikey aşağı doğru hareket yoluyla gerçekleşir; oranlar yerel koşullara bağlı olarak yıllık yağışın %1’inden azı ile %30’u arasında değişir.^[107] Yapay besleme, süzülme havzaları, perkolasyon göletleri veya doğrudan enjeksiyon kuyuları dahil olmak üzere mühendislik yöntemleriyle bu süreci geliştirir ve yağışlı dönemlerde depolamayı artırmak için fazla yüzey suyunu yeraltına yönlendirir.^[108]^[109]

Beslenme oranlarını etkileyen temel faktörler arasında yağış yoğunluğu ve evapotranspirasyon gibi iklimsel değişkenler, toprak geçirgenliği ve akifer gözenekliliği gibi jeolojik özellikler, akışa karşı süzülmeyi etkileyen topografik özellikler ve tutma ve terleme kayıplarını modüle eden bitki örtüsü yer alır.^[110] Kumlu veya çatlaklı topraklar daha yüksek süzülme oranlarını kolaylaştırırken, kil açısından zengin veya sıkıştırılmış yüzeyler bunları azaltır; örneğin kentleşme geçirimsiz örtüyü artırarak etkilenen bölgelerde doğal beslenmeyi %50’ye kadar azaltır.^[111] Su tablasına olan derinlik de rol oynar: sığ tablalar daha hızlı doygunluğu teşvik eder ancak doymamış bölge depolamasını sınırlayabilirken, daha derin tablalar daha fazla perkolasyona izin verir ancak beslenme olaylarına daha yavaş tepki verir.^[112] Ormansızlaşma veya tarım dahil olmak üzere arazi kullanımı değişiklikleri, azaltılmış evapotranspirasyon yoluyla beslenmeyi artırabilir, ancak sulama dönüş akışları değişken katkıda bulunur ve genellikle kurak bölgelerde temel oranlara %10-20 ekler.^[113]

Beslendikten sonra yeraltı suyu, akiferlerde doymuş gözenek boşlukları veya çatlaklar olarak depolanır ve depolama katsayısı (storativity) ilkesine göre yönetilir (hidrolik yükteki birim düşüş başına birim yüzey alanı başına salınan su hacmi).^[114] Serbest (unconfined) akiferlerde depolama, yerçekimi drenajı altında boşaltılabilir suyu temsil eden özgül verime (tipik olarak 0,01-0,30) dayanırken, basınçlı (confined) akiferler matris sıkışması ve sıvı genleşmesi yoluyla 10⁻⁵ ila 10⁻³ mertebesinde daha düşük elastik depolama sergiler.^[107] Akiferler, Dünya’nın tatlı suyunun yaklaşık %30’unu tutan geniş rezervuarlar olarak hareket eder; küresel depolama değişiklikleri, NASA’nın GRACE misyonu gibi uydu gravimetrisi ile izlenir ve bu misyon, beslenmeyi aşan aşırı çekim nedeniyle 2002-2016 yılları arasında büyük sistemlerde yıllık 200 km³’ü aşan net kayıplar tespit etmiştir.^[115] Depolama bölgelerindeki akış laminer ve yavaştır, yılda ortalama 0,3-30 metredir ve hidrolik gradyanlar tarafından kaynaklar veya nehirler gibi boşalım alanlarına yönlendirilir.^[116]

Beslenme oranlarının tahmini, değişkenlik ve belirsizliği hesaba katmak için birden fazla yöntem kullanır; bunlar arasında beslenmeyi yağış eksi evapotranspirasyon, akış ve depolama değişikliklerine eşitleyen su dengesi yaklaşımı; akarsu hidrograflarından baz akışı ayırma; ve δ¹⁸O veya klorür kütle dengesi gibi çevresel izotopları kullanan izleyici teknikleri yer alır.^[117] MODFLOW gibi sayısal modeller, sahaya özgü tahminler için bunları saha verileriyle entegre ederken, Toprak Koruma Servisi Eğri Numarası gibi ampirik yöntemler arazi örtüsünün süzülme üzerindeki etkilerini ayarlar.^[118] Yöntemler arası doğrulama, nemli bölgelerde %20-50’lik tutarsızlıkları ortaya koyarak entegre yaklaşımlara olan ihtiyacı vurgular; örneğin, özgül verime ve beslenme sonrası olaylarda yük artışına dayanan su tablası dalgalanma yöntemleri, ılıman akiferlerde 100-300 mm/yıl tahminleri vermiştir.^[119]^[120] Bu teknikler sürdürülebilir yönetimi bilgilendirir, çünkü beslenme, küresel olarak nehir debisine %40-50 oranında katkıda bulunan baz akışlarını sürdürür.^[121]

Hidrolojinin Dalları

Yüzey Suyu Hidrolojisi

Yüzey suyu hidrolojisi, suyun Dünya’nın kara yüzeyindeki dinamiklerini inceler; buna akarsular, nehirler, göller, rezervuarlar ve sulak alanlar boyunca hareketi ile alttaki peyzajla etkileşimleri dahildir. Bu alan, tutma, süzülme ve buharlaşma kayıpları hesaba katıldıktan sonra öncelikle yağış fazlasından türetilen yüzey sularının oluşumuna, taşınmasına ve depolanmasına odaklanır. Temel süreçler arasında, suyun rill ve yarıklarda yoğunlaşmadan önce yamaçlar boyunca tabaka halinde aktığı kara yüzeyi akışı ve kanal eğimi, pürüzlülük ve hidrolik yarıçap ile akış hızını ilişkilendiren açık kanal direnci için Manning denklemi gibi hidrolik prensipler tarafından yönetilen kanallı akış yer alır.^[122]

Havza özellikleri, yüzey suyu davranışı üzerinde birincil kontrolü uygular; topografya akış yollarını ve toplanma sürelerini etkilerken, toprak tipi, arazi örtüsü ve jeoloji süzülme oranlarını ve akış katsayılarını belirler. Örneğin, kentsel asfalt gibi geçirimsiz yüzeyler, yağış ile akarsu tepkisi arasındaki gecikme sürelerini azaltarak tepe deşarjlarını artırır ve sel risklerini yükseltir. Ölçülen havzalardan elde edilen ampirik veriler, önceki toprak nemi koşullarının akış hacimlerini nedensel olarak modüle ettiğini ortaya koymaktadır; doymuş topraklar, kuru önceki durumlara kıyasla nemli bölgelerde genellikle olay yağışının %50’sini aşan daha yüksek doğrudan akış fraksiyonları verir. Tortu taşınımı bu akışlara eşlik eder; hızdan kaynaklanan kayma gerilimi kritik eşikleri aşarak yatak ve kıyı malzemelerini aşındırır ve bunları aşağı havzada biriktirerek zamanla kanal morfolojisini şekillendirir.^[123]

Yüzey suyu akılarını nicelendirmek, ağırlıklı olarak akarsu debisi ölçümü olmak üzere standartlaştırılmış ölçüm tekniklerine dayanır. ABD Jeolojik Araştırmalar Kurumu (USGS), birden fazla derinlikte ve enine kesitte akım ölçerler aracılığıyla elde edilen akış hızı profilleriyle kesit alanını entegre eden hız-alan yöntemini kullanır ve ideal koşullar altında %5 dahilinde doğru deşarj tahminleri verir. Yıllık USGS ölçümlerinin %75’inden fazlası, mekanik veya akustik Doppler akım ölçerlerle sığ akarsularda (wading) yapılırken, akustik Doppler akım profilleyicileri (ADCP’ler) gibi akustik yöntemler, köprülerden veya teknelerden invaziv olmayan bir şekilde daha derin veya türbülanslı akışları ele alır. Tekrarlanan ölçümlerden geliştirilen seviye-debi anahtar eğrileri (rating curves), su seviyesini ölçülmeyen dönemler için akış oranlarına dönüştürerek personel ölçümleri (staff gauges) veya basınç transdüserleri aracılığıyla sürekli izlemeyi mümkün kılar.^[124]^[125]^[126]

Hidrograf analizi, depolama-deşarj ilişkilerini çıkarmak için baz akışı olay akışından ayıran ve fazla yağışı bir havzanın geçmiş fırtınalardan ampirik olarak türetilen dürtü tepki fonksiyonu ile evriştiren birim hidrograf teorisini kullanarak zirveleri tahmin eden temel bir analitik araç oluşturur. Taşkın sıklığı tahmini, geri dönüş periyotlarını hesaplamak için uzun vadeli kayıtlardan (genellikle on yıllara yayılan) yıllık maksimum serilere uydurulan log-Pearson Tip III gibi istatistiksel dağılımları kullanır; USGS verileri, iklim değişkenliğinin hidrolojik değişmezlik varsayımlarına meydan okuyan durağan olmama durumunu getirdiğini göstermektedir. Bu yöntemler, yüzey sularının birçok ABD şehrinde belediye ihtiyaçlarının %75’inden fazlasını karşıladığı su kaynağı yönetiminde ve kararsız akış için Saint-Venant denklemlerine dayalı baraj yıkılması taşkınını simüle eden yönlendirme (routing) modelleriyle kanıtlandığı üzere tehlike azaltmada uygulamaları destekler.^[127]^[128]

Yeraltı ve Hidrojeoloji

Yeraltı hidrolojisi, toprak boşluklarının hem su hem de hava tuttuğu doymamış bölge ile boşlukların tamamen suyla dolu olduğu ve yeraltı suyunu oluşturduğu doymuş bölgeyi ayırt ederek, zemin yüzeyinin altındaki su hareketini ve depolamayı inceler.^[129] Hidrojeoloji, yeraltı suyunun akiferlerdeki dağılımı, gözenekli ortamlardan akışı ve ana kayalarla kimyasal etkileşimleri dahil olmak üzere jeolojik bağlamına odaklanır. Akiferler, kuyulara kullanılabilir su hacimleri sağlayan kum, çakıl veya çatlaklı ana kaya gibi geçirgen malzemelerden oluşur.^[129] ^[129]

Akiferler; üst sınırı su tablasında atmosferik basınca maruz kalan serbest (unconfined) veya üstte ve altta düşük geçirgenlikli katmanlarla sınırlanan ve artezyen kuyularında basınçlı akışı sağlayan basınçlı (confined) olarak sınıflandırılır.^[129] Boşluk hacmi fraksiyonu olan gözeneklilik depolamayı yönetir; pekişmemiş kumlar %20-40 gözeneklilik sergilerken, kristal kayalar %5’ten azını gösterir.^[130] Hidrolik iletkenlik K (birim m/sn) ile nicelendirilen geçirgenlik, iletim kolaylığını belirler; çakıllar K ≈ 10⁻² m/sn’ye ulaşırken, killer ≈ 10⁻¹⁰ m/sn’dir.^[130] Transmissivity (İletkenlik) T = K × akifer kalınlığı, bölgesel akış değerlendirmesi için bunları entegre eder.^[131]

Yeraltı suyu akışı, 1856’da ampirik olarak formüle edilen Darcy yasasına uyar: deşarj Q = –K A (Δh/Δl), burada A kesit alanı, Δh/Δl hidrolik eğimdir; akışı yol uzunluğuyla ters, yük farkı ve iletkenlikle orantılı olarak bağlar.^[132] Bu laminer akış varsayımı, kumlar üzerindeki kolon deneyleriyle doğrulanan tipik akifer hızları (10⁻⁶ ila 10⁻³ m/sn) için geçerlidir.^[133] Beslenme, yağıştan veya kaybeden akarsulardan aşağı doğru süzülme yoluyla gerçekleşirken, deşarj kaynaklar, nehirlere baz akışı veya sığ sistemlerde evapotranspirasyon olarak tezahür eder.^[3] ^[3]

Araştırma, doğrudan örnekleme için kuyuları ve düşüm analizinin T ve depolama katsayısı S‘yi (serbest için boyutsuz, özgül verim fraksiyonu; basınçlı için sıkıştırılabilir) verdiği pompalama testlerini kullanır.^[131] Theis denklemi geçici akışı modeller: s = (Q/4πT) W(u), burada u = r² S/(4T t), parametre tahmini için gözlemlenen düşüme uydurulur.^[131] Sondaj deliği özdirenci ve sonik loglama dahil olmak üzere jeofiziksel araştırmalar, kapsamlı sondaj olmadan akifer geometrisini ve özelliklerini belirler.^[134] Bu yöntemler sürdürülebilir yönetimi destekler, çünkü aşırı pompalama depolamayı tüketir; küresel değerlendirmeler kurak bölgelerde yılda 1 m’yi aşan akifer düşüşleri göstermektedir.^[3]

Hidrometeoroloji ve Atmosferik Etkileşimler

Hidrometeoroloji, Dünya yüzeyi ile alt atmosfer arasındaki su ve enerji akılarının transferini araştırmak için meteoroloji ve hidrolojiyi entegre eder. Bu disiplin, yağışın oluşumu ve dağılımı da dahil olmak üzere hidrolojik süreçlerin atmosferik itici güçlerini ve evapotranspirasyon yoluyla yüzeyin atmosferik koşullar üzerindeki etkilerini vurgular. Temel etkileşimler suyun faz değişiklikleri yoluyla gerçekleşir; örneğin okyanuslardan ve karadan buharlaşma, bulut oluşumunu ve fırtına sistemlerini besleyen küresel atmosferik nemin sırasıyla yaklaşık %86’sına ve %14’üne katkıda bulunur.^[135]^[53]^[136]

Karasal hidrolojinin birincil girdisi olan yağış, su buharının soğuduğu ve bulutlar içinde damlacıklara veya buz parçacıklarına çekirdeklendiği atmosferik yoğunlaşma süreçlerinden kaynaklanır. Orografik yükselme, cephesel sistemler ve konvektif kararsızlık temel mekanizmalardır; küresel yıllık yağış toplamı yaklaşık 505.000 km³’tür ve bunun kabaca üçte ikisi okyanuslara, üçte biri karaya döner. Buharlaşma ve terleme, topluca evapotranspirasyon, buhar basıncı açığı, rüzgar hızı ve radyasyon gibi faktörlerle karakterize edilen atmosferik talebe yanıt vererek gizli ısıyı yukarı doğru aktarır ve sınır tabakası kararlılığını modüle eder. Bu akılar, musonlar veya kuraklıklar gibi bölgesel hava modellerini etkileyen günlük ve mevsimsel varyasyonlar sergiler.^[137]^[138]^[139]

Hidrometeorolojik değişkenlerin ölçümü yer tabanlı ağlara, uzaktan algılamaya ve modellemeye dayanır. Yağış, birikimleri yoğunluğa göre değişen doğruluklarla kaydeden yağmur ölçerleri kullanılarak nicelendirilir—standart devrilen kovalı ölçerler 0,2 mm çözünürlükte ölçüm yapar ancak rüzgar etkileri nedeniyle şiddetli yağmuru %10-20’ye kadar eksik tahmin eder—ve ampirik olarak kalibre edilmiş Z-R ilişkileri aracılığıyla oranları tahmin etmek için yansıtmayı tespit eden hava radarları ile desteklenir. 2014’te fırlatılan NASA’nın Küresel Yağış Ölçümü (GPM) misyonundakiler gibi uydu platformları, neredeyse gerçek zamanlı izleme için mikrodalga ve kızılötesi verileri entegre ederek 10 km’ye kadar çözünürlüklerle küresel kapsama sağlar. Evapotranspirasyon tahminleri, türbülanslı akıları doğrudan ölçen eddy kovaryans kulelerinden veya NOAA tahminlerinde kullanılan Noah modeli gibi meteorolojik zorlamaları içeren kara yüzeyi modellerinden türetilir.^[140]^[136]^[141]

Hidrometeorolojik modeller, taşkınlar veya su mevcudiyeti gibi olayları tahmin etmek için atmosferik ve hidrolojik simülasyonları birleştirir. Hidrolojik bileşenlerle entegre Hava Araştırma ve Tahmin (WRF) modeli gibi fiziksel tabanlı yaklaşımlar, enerji ve nem bütçelerini 1-10 km’lik ızgara ölçeklerinde çözer ve topluluk (ensemble) yöntemleriyle tahmin becerilerinin geliştiğini gösteren gözlemlere karşı doğrulanır—örneğin, deterministik çalışmalara göre yağıştaki karekök ortalama hataları %15-30 azaltır. Bu araçlar, saatlik olarak güncellenen hidrometeorolojik verilerden türetilen önceki nem indekslerini kullanan ABD Ulusal Hava Durumu Servisi’nin Ani Sel Rehberliği (Flash Flood Guidance) dahil olmak üzere operasyonel sistemleri bilgilendirir. Toprak nemi anormalliklerinin atmosferik konveksiyonu değiştirdiği geri besleme döngüleri, kuru toprakları artan duyulur ısı akılarına ve orta enlemlerde bastırılmış yağışa bağlayan çalışmaların kanıtladığı gibi, giderek daha fazla dahil edilmektedir.^[142]^[138]^[143]

Ekohidroloji ve Biyolojik Etkiler

Ekohidroloji, hidrolojik süreçler ile biyolojik sistemler arasındaki karşılıklı etkileşimleri, özellikle bitki örtüsünün, toprak biotasının ve ekosistemlerin su akılarını nasıl modüle ettiğini ve aynı zamanda onlardan nasıl şekillendiğini inceler. Bu alan, toprak gözeneklerinden havzalara kadar uzanan ölçeklerdeki geri beslemeleri analiz etmek için ekoloji ve jeofizik ilkelerini bütünleştirir; su mevcudiyetini ve ekosistem verimliliğini etkileyen bitki aracılı terleme ve kök kaynaklı toprak yapısı değişiklikleri gibi mekanizmaları vurgular.^[144]^[145]

Bitki örtüsü, yüzey akışını azaltan ve toprak nemi dinamiklerini değiştiren yağışın tutulması (intersepsiyon), süzülmenin artırılması ve terleme yoluyla temel hidrolojik süreçler üzerinde derin bir kontrol uygular. Örneğin, bitki kanopileri yağışı tutarak yere ulaşmasını geciktirir ve atmosfere geri buharlaşmayı teşvik ederken, kök sistemleri çıplak toprağa kıyasla süzülme oranlarını birkaç kata kadar artıran makro gözenekler oluşturur.^[146]^[6] Yarı kurak meralar gibi su kısıtlı ortamlarda, bitki örtüsünün daha fazla toprak suyu depolamasını kolaylaştırarak ve yüzey akış hızlarını azaltarak akışı azalttığı gösterilmiştir; çalışmalar çalıdan ota geçişin süzülmeyi artırabileceğini ve erozyonu engelleyebileceğini göstermektedir.^[147] Bitkili havzalarda genellikle yağışın %70’ini veya daha fazlasını oluşturan evapotranspirasyonun önemli bir kısmından sorumlu olan terleme, toprak suyunu yukarı doğru çekerek yeraltı suyu beslenmesini ve akarsu akış zamanlamasını etkiler; daha yoğun kanopiler gölgeleme ve azaltılmış rüzgar hızları yoluyla bu etkiyi güçlendirir.^[6]^[148]

Kıyı şeridi (riparian) bölgeleri ve sulak alanlar, kıyıları stabilize ederek, sel enerjisini dağıtarak ve kök alımı ve mikrobiyal aktivite yoluyla besinleri filtreleyerek bu biyolojik-hidrolojik geri beslemeleri güçlendirir; bu da su kalitesini ve baz akış katkılarını etkiler. Kıyı şeridi ekosistemlerinde, bitki terlemesi akarsu evapotranspirasyon kayıplarını azaltabilirken, yeraltı suyuna erişen ve yeniden dağıtan derin köklü türler aracılığıyla yeraltı suyu beslenmesini artırabilir.^[149]^[150] Kurak bölgelerdeki istilacı ılgın gibi yerli olmayan kıyı bitkilerinin, terleme oranlarını artırarak hidrolojik akıları değiştirdiği ve büyüme mevsimlerinde etkilenen havzalarda akarsu akışlarını %10-50 oranında tüketebileceği belgelenmiştir.^[151] Sulak alanlar, doymuş topraklar ve su üstü bitki örtüsü aracılığıyla denitrifikasyonu ve fosfor tutulumunu teşvik ederek mansap ötrofikasyonunu azaltırken, yüksek akışlar sırasında depolama ve kademeli salınım yoluyla hidrolojik aşırılıkları tamponlar.^[150]

Mikroplar ve makrofauna dahil olmak üzere toprak biotası, organik maddeyi ayrıştırarak toprak gözenekliliğini ve agregasyonunu iyileştirerek hidrolojik süreçlere daha fazla aracılık eder; böylece süzülmeyi artırır ve sıkışma kaynaklı yüzey akışını azaltır. Örneğin solucanlar ve mantarlar, hidrolik iletkenliği artıran biyogözenekler oluşturur; saha çalışmaları biyolojik olarak aktif topraklarda süzülme oranlarının 2-5 kat daha yüksek olduğunu göstermektedir. Daha büyük ölçeklerde, otlatma veya yangın gibi ekosistem bozulmaları bu etkileri sekteye uğratarak, bozulmuş meralarda yüzey akışını %20-100 oranında artırabilen bitki örtüsü yapısında değişikliklere yol açar.^[147] Bu etkileşimler, iklim değişkenliği ortasında hidrolojik direnci sürdürmek için yerli kıyı türlerinin restorasyonu gibi biyolojik unsurların yönetilmesine yönelik ekohidrolojinin vurgusunu altını çizer.^[152]

Kentsel ve Antropojenik Hidroloji

Kentsel hidroloji, öncelikle kentsel arazi örtüsünün tipik olarak %25 ila %75’ini oluşturan yollar, binalar ve otoparklar gibi geçirimsiz yüzeylerin genişlemesi yoluyla kentsel gelişimden kaynaklanan doğal hidrolojik süreçlerdeki değişiklikleri inceler.^[153] Bu yüzeyler toprak süzülmesini %50 ila %90 oranında azaltarak yeraltı suyu beslenmesinin azalmasına ve aynı yağış olayları için gelişmemiş alanlara göre 2 ila 5 kat daha yüksek olabilen artan yüzey akış hacimlerine yol açar.^[154] ^[155] Tepe deşarjları hızlanır, genellikle 1,5 ila 10 kat artar ve gecikme süreleri saatlerden dakikalara kısalır, bu da kentsel havzalarda ani selleri ve akarsu erozyonunu şiddetlendirir.^[156] ^[157]

Evapotranspirasyon, bitki örtüsünün kaldırılması ve ısı adası etkileri nedeniyle kentsel ortamlarda azalır, bu da akışı daha da yoğunlaştırırken, alıcı su kalitesini bozan tortular, besinler ve ağır metaller dahil olmak üzere yağmur suyundan kaynaklanan kirletici yüklerini yükseltir.^[158] Amerika Birleşik Devletleri ve Çin gibi çeşitli bölgelerdeki ampirik çalışmalar, kentleşmenin sel risklerini yoğunlaştırdığını doğrulamaktadır; örneğin, kıyı şehirlerindeki hızlı gelişme, 20. yüzyılın ortalarından bu yana yıllık sel zirvelerinde %20 ila %50 artışlarla ilişkilendirilmiştir.^[159] ^[160] Geçirgen kaldırımlar ve tutma havzaları gibi yeşil altyapıyı içeren azaltma stratejileri, bir miktar süzülmeyi geri kazandırabilir ve uygulanan havzalarda akışı %10 ila %30 oranında azaltabilir, ancak ölçeklenebilirlik yoğunluk kısıtlamalarıyla sınırlı kalmaktadır.^[161]

Antropojenik hidroloji, suyu küresel olarak yeniden dağıtan büyük ölçekli altyapı ve arazi kullanımı değişiklikleri dahil olmak üzere su döngüsüne yapılan daha geniş insan müdahalelerini kapsar. 2020 itibariyle dünya çapında 58.000’den fazla büyük yapıyı barındıran barajlar ve rezervuarlar, Mead Gölü’nün hacminin 15 katına eşdeğer olan yaklaşık 7.000 kilometre küp suyu tutar; mevsimsel akışları değiştirir, bazı nehirlerde mansap tortu taşınımını %90’a kadar azaltır ve buharlaşma modellerini etkiler.^[162] ^[12] Sulama, küresel tatlı su kullanımının %70’ini oluşturarak yıllık yaklaşık 2.700 kilometre küp su çeker ve 1950’lerden bu yana yeraltı suyu seviyelerinin 30 metre düştüğü High Plains’de gözlemlendiği gibi akiferlerin yerel olarak tükenmesine neden olur.^[11]

İnsan faaliyetleri, karasal su depolamasındaki gözlemlenen değişkenliğin %57’sini yönlendirerek yönetilen havzalardaki doğal iklim dalgalanmalarını geride bırakmaktadır; 2002’den 2020’ye kadar olan uydu verileri, aşırı çekim nedeniyle kurak bölgelerde artan kurumayı ve barajlı alanlarda ıslanmayı ortaya koymaktadır.^[11] ^[163] Tarım için ormansızlaşma, etkilenen biyomlarda terlemeyi %20 ila %40 oranında azaltarak yüzey akışını ve toprak erozyonunu hızlandırırken, iklim etkileşimleri bu etkileri birleştirir; bu durum, insan modifikasyonlarının projeksiyonlarda hidrolojik belirsizliği artırdığını gösteren çoklu model analizleriyle kanıtlanmıştır.^[49] ^[164] Düzenlenmiş kaynaklara bağımlı 2 milyardan fazla insan için su güvenliğini sağlarken, bu müdahaleler genellikle değişen ekosistemlerde tuzlanma ve biyolojik çeşitlilik kaybı gibi istenmeyen sonuçlara yol açmaktadır.^[165]

Gözlem ve Veri Toplama

Yer Tabanlı Ölçüm Teknikleri

Hidrolojide yer tabanlı ölçüm teknikleri, yağış, akarsu akışı, yeraltı suyu seviyeleri, toprak nemi ve evapotranspirasyon dahil olmak üzere temel su döngüsü değişkenlerini nicelendirmek için doğrudan, yerinde enstrümantasyonu kapsar. Bu yöntemler, hidrolojik süreçlerin ampirik doğrulaması için kritik öneme sahip hassas, yerelleştirilmiş veriler sağlar, ancak doğası gereği noktaya özgüdür ve alansal temsil için kapsamlı ağlar gerektirir.^[166] Aletler tipik olarak sabit istasyonlara yerleştirilir, genellikle sürekli kayıt için otomatikleştirilir ve veriler saniyelerden saatlere kadar aralıklarla kaydedilir. Rüzgar, buharlaşma veya enstrümantasyon kaymasından kaynaklanan hatalar analizlerde yayılabileceğinden, standartlara göre kalibrasyon doğruluğu sağlar.^[167]

Yağış, öncelikle zaman içindeki yağış hacmini yakalayan yağmur ölçerleri aracılığıyla ölçülür. Otomatik ağlarda yaygın olan devrilen kovalı (tipping bucket) ölçerler, önceden tanımlanmış bir hacim (örneğin 0,2 mm) tahterevalli mekanizmasını devirene kadar suyu bir hunide biriktirir ve dijital kayıt için elektriksel bir darbeyi tetikler; 200 mm/saat’e kadar yoğunluklara uygundurlar ancak değişiklik yapılmazsa yüksek rüzgarlarda veya karda eksik yakalama yaparlar. USGS tarafından kullanılan Belfort veya Ott Pluvio modelleri gibi tartılı yağış ölçerler, 0,01 mm çözünürlükle ve rüzgar kalkanları aracılığıyla minimum rüzgar sapmasıyla donmuş formlar dahil olmak üzere kesin toplamlar için bir terazide kütle birikimini kaydeder. Haftalık olarak okunan manuel standart ölçerler, referans kıyaslamaları sağlar ancak gerçek zamanlı yetenekten yoksundur. USGS ve NWS istasyonları gibi ağlar, saatlik ve günlük toplamlar için bunları entegre eder.^[168]^[169]

Akarsu debisi veya deşarjı, seviyeyi (su derinliği) periyodik ölçümlerden geliştirilen anahtar eğrileri aracılığıyla hız veya kesit alanıyla birleştirerek ölçülür. Seviye, şamandıra sensörleri veya basınç transdüserleri ile durgunlaştırma kuyuları kullanılarak kaydedilir ve milimetre hassasiyetine ulaşılır. Hız profilleme, dikey bir kesit boyunca birden fazla derinlikte akış hızıyla orantılı pervaneleri döndüren mekanik akım ölçerleri veya Doppler kayması yoluyla hızı tespit etmek için ses dalgaları yayan, 0,1 ila 20 m derinliklerde %1-2 doğrulukla temassız ölçümleri mümkün kılan akustik Doppler akım profilleyicilerini (ADCP’ler) kullanır. USGS bunları 8.000’den fazla ABD sahası için standartlaştırır ve deşarjı Q = A × V olarak hesaplar; burada A alan ve V ortalama hızdır.^[124]^[170]

Yeraltı suyu seviyeleri ve basınçları, akifer hidroliği ile dengelenmek üzere belirli derinliklerde filtrelenmiş açık uçlu muhafazalar olan piezometreler veya gözlem kuyuları ile izlenir. Su seviyeleri elektrikli iskandil şeritleri, basınç transdüserleri veya hidrostatik yükü kaydeden veri kaydedicilerle 0,01 m çözünürlükle ölçülür; piezometreler, sıvı basıncını frekans sinyallerine dönüştüren titreşen tel veya gerinim ölçer transdüserleri kullanarak gözenek basınçlarını spesifik olarak izole eder. USGS protokolleri, pompalama kaynaklı düşümler gibi mevsimsel dalgalanmaları izlemek için aylık manuel kontrolleri ve sürekli günlüğü içerir ve iletkenlik tahmini için Jacob’ın mesafe-düşüm yöntemini kullanır. Bu kurulumlar, beslenmeyi veya boşalımı yönlendiren gradyanları tespit eder.^[129]^[171]

Süzülme ve depolama değerlendirmesi için hayati önem taşıyan toprak nemi içeriği, toprak karotlarının 105°C’de fırında kurutulmasıyla gravimetrik olarak nicelendirilir ve hacimsel su içeriği θ, (ıslak kütle – kuru kütle)/toprak hacmi olarak verir; 0,01 m³/m³’e kadar doğrudur ancak yıkıcı ve emek yoğundur. Yerinde alternatifler arasında, dalga kılavuzları boyunca elektromanyetik darbeler gönderen ve yayılma hızından θ‘yı çıkaran (suyun dielektrik geçirgenliği ~80 iken toprak için 4’tür) zaman alanlı reflektometre (TDR) probları bulunur; bunlar 10-100 cm uzunluklarda 0,02 m³/m³ saha hassasiyetine sahiptir. Nötron nem ölçerler, geri saçılmaları saymak için hidrojen tarafından yavaşlatılan hızlı nötronlar yayar, profiller için tahribatsızdır ancak erişim tüpleri ve radyolojik güvenlik gerektirir. Tansiyometreler, gözenekli kap dengesi yoluyla matrik potansiyeli ölçer ve tutma eğrileri yoluyla içerikle ilişkilendirir.^[167]^[172]

Evapotranspirasyon (ET), buharlaşma tavaları kullanılarak tahmin edilir; 50-75 mm derinliğe kadar doldurulmuş standart 1,2 m çaplı silindirler (A Sınıfı tava), burada günlük su seviyesi düşüşleri, tava katsayıları (çim referansı için 0,7) ile ayarlanarak açık su buharlaşmasına yaklaşır ancak adveksiyonu göz ardı ederek bitkili ET’yi olduğundan fazla tahmin eder. Tartılı lizimetreler, yük hücrelerinde 0,01 mm hassasiyetle yeniden tartılan beton monolitler (örneğin 2-6 m² yüzey, 1-3 m derinlik), kütle kaybı eksi drenaj/yağış olarak gerçek ET’yi doğrudan yakalar ve doğal koşullar altında ürüne özgü oranları izole eder; Wyoming’dekiler gibi sahalar, toprak-bitki-atmosfer akılarını izleyen teraziler aracılığıyla haftalık ET bildirir. Bu yer gerçekleri daha geniş tahminleri kalibre eder.^[173]^[174]

Uzaktan Algılama ve Uydu Teknolojileri

Hidrolojide uydu uzaktan algılama, su döngüsü bileşenlerini nicelendirmek için yörüngedeki platformlardan elektromanyetik spektrum gözlemlerini kullanır ve seyrek yer ağlarının sınırlamalarını aşan küresel kapsama alanı sunar.^[175] Sensörler, yağış, toprak nemi, yüzey suyu kapsamı, kar örtüsü ve evapotranspirasyonla ilgili sinyalleri tespit ederek ölçüm yapılmayan havzalarda ve uzak bölgelerde izlemeyi mümkün kılar.^[176] Pasif mikrodalga, aktif sentetik açıklıklı radar (SAR) ve gravimetrik teknikler bulutlara nüfuz eder ve her türlü hava koşulunda veri sağlarken, MODIS üzerindekiler gibi optik sensörler atmosferik girişimle sınırlıdır.^[177]

17 Mart 2002’de fırlatılan Yerçekimi Geri Kazanımı ve İklim Deneyi (GRACE) gibi gravimetri misyonları, yeraltı suyu da dahil olmak üzere toplam su depolamasındaki aylık değişiklikleri çıkarmak için karasal yerçekimi anormalliklerini ölçer ve yaklaşık 300-400 km’lik havza ölçeğinde çözünürlük sağlar.^[178] 22 Mayıs 2018’de konuşlandırılan GRACE-FO, 2002-2015 yılları arasında Kaliforniya’nın Central Valley’i gibi bölgelerde 100 km³’ün üzerinde yıllık yeraltı suyu kaybının tespitiyle kanıtlandığı üzere, kuraklık ve akifer tükenmesi değerlendirmeleri için kütle yeniden dağılımlarını izleyerek bunu genişletmektedir.^[179] Bu veriler, çıkarma ve çökme arasındaki nedensel bağlantıları ortaya koymaktadır ancak yeraltı suyunu toprak nemi veya yüzey suyu sinyallerinden ayırmak için ayrıştırma modelleri gerektirir.^[180]

Yağış tahmini, 27 Şubat 2014’te fırlatılan Küresel Yağış Ölçümü (GPM) çekirdek uydusu gibi, çift frekanslı yağış radarını ve mikrodalga görüntüleyicileri her 30 dakikada bir güncellenen 0,1° x 0,1° ızgaralı ürünler için entegre eden ve Tropikal Yağış Ölçüm Misyonu’nun (TRMM) 1997-2015 veri setine göre sel tahminini geliştiren misyonlara dayanır.^[175] GPM’nin algoritmaları, pasif mikrodalga parlaklık sıcaklıklarını radar yansımalarına karşı kalibre ederek orta enlemlerde %10-20 doğruluk sağlarken karmaşık arazilerde daha yüksek hatalar verir.^[181]

Toprak nemi haritalaması, 31 Ocak 2015’te fırlatılan ve akış tahmini ve tarımsal kuraklık izleme için kritik olan 9-36 km çözünürlüklü yüzey ölçümleri (0-5 cm derinlik) için L-bandı radyometrisi kullanan Toprak Nemi Aktif Pasif (SMAP) misyonu ile ilerledi.^[182] SMAP, donma-çözülme durumlarını tespit eder ve gravimetrik verilere karşı doğrular, ancak 2015’teki aktif radar arızası pasif modlara güvenmeyi kaydırarak çözünürlüğü azalttı.^[183] Sentinel-1 SAR ile sinerjiler, nehir deşarjı tahmini için daha yüksek çözünürlüklü (10 m) su baskını haritalamasını mümkün kılar.^[184]

Mekansal-zamansal uyumsuzluklarda (örneğin, GRACE’in aylık ortalamasının kısa vadeli olayları kaçırması) ve bitki örtüsü veya topografyadan kaynaklanan geri alma (retrieval) yanlılıklarında zorluklar devam etmekte olup, operasyonel hidroloji için yerinde ölçerler ve modellerle füzyonu gerektirmektedir.^[185] Yapay zeka güdümlü ölçek küçültme dahil olmak üzere gelişmekte olan entegrasyonlar, SMAP kaynaklı yüzey suyu fraksiyonlarıyla gerçek zamanlı sel modellemesinde görüldüğü gibi su yönetimi için faydayı artırır.^[186] Hakemli doğrulamalar bu teknolojilerin ampirik değerini teyit etse de, kurumsal veri politikaları ve işleme gecikmeleri yer yöntemlerine kıyasla zamanlılığı sınırlayabilir.^[187]

Veri Kaynaklarının Entegrasyonu ve Kalite Kontrolü

Hidrolojide, veri kaynaklarının entegrasyonu, modelleme ve tahmin için tutarlı veri setleri üretmek amacıyla yer tabanlı aletlerden, uzaktan algılama platformlarından ve uydu misyonlarından gelen heterojen gözlemleri birleştirir. Akış ölçerler ve yağmur ölçerler gibi yer ölçümleri yüksek çözünürlüklü yerel veriler sağlarken seyrek kapsama alanından muzdariptir; NASA’nın Küresel Yağış Ölçümü (GPM) misyonundakiler gibi uydu türevli ürünler ise geri alma algoritmalarından kaynaklanan doğal belirsizliklerle küresel kapsama sunar. Topluluk (ensemble) Kalman filtresi (EnKF) gibi veri asimilasyon teknikleri, model durumlarını gözlemlerle güncelleyerek bu kaynakları sırayla birleştirir ve model tahminleri ile ölçümler arasındaki kovaryans tahmini yoluyla hataları en aza indirir; örneğin EnKF, SMOS gibi uydulardan gelen toprak nemini kara yüzeyi modellerine asimile etmek için uygulanmış ve test edilen havzalarda akış tahminlerini %20-30 oranında iyileştirmiştir.^[188]^[189] Benzer şekilde, Küresel Kara Veri Asimilasyon Sistemi (GLDAS), varyasyonel veya sıralı yöntemlerle ölçek uyumsuzluklarını ele alarak tutarlı hidrolojik alanlar oluşturmak için uydu toprak nemini, kar örtüsünü ve yerinde verileri entegre eder.^[189]

Kalite kontrolü (QC), veri güvenilirliğini sağlamak için entegrasyondan önce gelir ve ona eşlik eder; Dünya Meteoroloji Örgütü (WMO) standartlarıyla uyumlu otomatik ve manuel prosedürleri içerir. İlk QC, aralık kontrolleri (örneğin, 500 mm/gün’ü aşan yağış) ve evapotranspirasyonun mevcut suyu aşmadığının doğrulanması gibi iç tutarlılık testleri kullanarak mantıksız değerleri işaretler; mekansal kontroller, gözlemleri komşu istasyonlarla karşılaştırarak bölgesel ortalamalardan üç standart sapma ötesindeki aykırı değerleri reddeder.^[190] Hidrolojik veritabanları için Entegre Kalite Kontrol Süreci’ndekiler gibi gelişmiş çerçeveler, zaman serilerindeki anormallik tespiti için makine öğrenimini kullanır ve Kore nehir havzalarındaki doğrulama veri setlerinde %95’in üzerinde doğruluk oranlarıyla sensör arızalarından kaynaklanan yanlış okumaları tanımlar.^[191] WMO yönergeleri, uluslararası ağlarda tekdüzeliği korumak için veri değişimi sırasında daha üst düzey bölgesel kontrollerle birlikte meta veri doğrulama ve kopya kaldırma dahil olmak üzere gözlem istasyonlarında rutin QC’yi zorunlu kılar.^[192]

Entegrasyon ve QC’deki zorluklar, kış fırtınaları sırasında uydu verilerinde katı yağışın eksik tahmini veya ölçüm okumaları üzerindeki kentsel ısı adası etkileri gibi sistematik sapmalardan kaynaklanır ve nicelik haritalama veya çok kaynaklı füzyon algoritmaları yoluyla sapma düzeltmesini gerektirir. ODM Tools gibi açık kaynaklı araçlar, kullanıcıların veritabanlarını sorgulamasına, zaman serilerini çizmesine ve USGS gibi ajansların standartlarıyla uyumlu işaretleme şemaları uygulamasına olanak tanıyarak görselleştirme ve QC’yi kolaylaştırır. Entegrasyon sonrası doğrulama, genellikle GRACE uydularından asimile edilen yeraltı suyu depolamasını kuyu gözlemleriyle karşılaştırmak gibi bağımsız veri setlerine karşı çapraz doğrulamayı kullanır ve EnKF uygulamalarında kovaryans enflasyonu yoluyla çözülebilen tutarsızlıkları ortaya çıkarır. Bu süreçler güvenilir hidrolojik uygulamaların temelini oluşturur, ancak sınırlı hesaplama altyapısı nedeniyle uzak veya gelişmekte olan bölgeler için gerçek zamanlı QC’de boşluklar devam etmektedir.^[193]^[194]

Modelleme ve Analitik Yöntemler

Kavramsal ve Toplu Modeller

Kavramsal hidrolojik modeller, birbirine bağlı depolamalar (toprak nemi rezervuarları gibi) ve yönlendirme (routing) fonksiyonları aracılığıyla yağışın evapotranspirasyon, süzülme ve akışa ayrılması gibi su döngüsünün temel bileşenlerini taklit eden basitleştirilmiş, genellikle ampirik veya yarı ampirik yapılar aracılığıyla havza süreçlerini temsil eder.^[195] Toplu (lumped) varyantlar, akıların veya durumların dahili mekansal dağılımlarını çözmeden, öncelikle havza çıkışında çıktılar üretmek için tekdüze girdiler (örneğin, alansal yağış ve potansiyel evapotranspirasyon) uygulayarak tüm havza boyunca mekansal heterojenliği birleştirir.^[195] Bu yaklaşım, fiziksel olarak açık türetmelerin aksine, kütle dengesi denklemlerine ve gözlemlenen verilerden türetilen parametreli ilişkilere dayanır.^[196]

Bu modellerin geliştirilmesi, analitik çözümlerin ötesinde yinelemeli simülasyonları mümkün kılan dijital bilgisayarların ortaya çıkmasıyla 20. yüzyılın ortalarında hızlandı. Erken örnekler arasında, süzülme fazlası ve doygunluk fazlası akış mekanizmalarını simüle etmek için dikey toprak katmanlarını çoklu depolamalara ayıran, 1962’de Crawford ve Linsley tarafından tanıtılan Stanford Havza Modeli (Stanford Sentezi olarak da bilinir) yer alır.^[197] 1970’lerde İsveç Meteoroloji ve Hidroloji Enstitüsü tarafından geliştirilen HBV modeli, üç tepki rutini (kar erimesi, toprak nemi muhasebesi ve yönlendirme) ve tipik olarak 10-15 kalibre edilmiş parametre ile 1975’teki parametrizasyonundan bu yana İskandinavya’da sel tahmini için yaygın olarak uygulanan tutumlu (parsimonious) bir toplu yapıyı örneklendirir.^[198] Diğer dikkate değer modeller arasında Tank kaskad serisi (örneğin, akış yönlendirmesi için doğrusal rezervuarlar, 1960’larda Japonya’da ortaya çıkmıştır) ve GR4J (günlük akış simülasyonu için dört parametre) gibi Fransa’dan GR (Génie Rural) ailesi yer alır.^[199]

Toplu kavramsal modellerin güçlü yönleri, hesaplama verimliliklerinde, düşük veri gereksinimlerinde ve uygulama kolaylıklarında yatmaktadır; bu da onları gerçek zamanlı tahmin ve dağıtık alternatiflerin kapsamlı parametrizasyon gerektirdiği veri kıtlığı olan bölgeler için uygun hale getirir.^[200] Genellikle 1000 km²’nin altındaki nemli havzalar için kalibrasyonda 0,7’yi aşan Nash-Sutcliffe verimliliklerine ulaşırlar; bu, mekansal değişkenliğin kritik olmadığı durumlarda daha karmaşık modellerle karşılaştırılabilir düzeydedir.^[201] Bununla birlikte sınırlamalar, tarihsel verilere kalibrasyona aşırı bağımlılığı içerir; bu durum, eşsonuçluluğa (benzersiz süreç tanımlaması olmadan benzer uyumlar sağlayan çoklu parametre setleri) ve ölçülmemiş havzalara veya değişen iklimlere zayıf aktarılabilirliğe yol açabilir, çünkü hidrolojik tepkideki durağanlık varsayımları, değişen arazi kullanımı veya değişkenlik altında başarısız olabilir.^[196] Kurak veya heterojen arazilerde, hesaba katılmayan mekansal etkiler nedeniyle tepe akışlarının aşırı tahmini veya baz akış çekilmesinin eksik tahmini kaydedilmiştir.^[202]

Uygulamalar, HBV gibi modellerin ulusal sistemlere (örneğin, 1980’lerden beri İsveç’in sel uyarısı) entegre edildiği su kaynağı yönetimi ve rezervuar operasyonlarında kısa vadeli akış tahmini gibi operasyonel hidrolojiyi kapsar.^[198] Araştırmada, model karşılaştırması için ölçüt görevi görürler; artan yapısal karmaşıklığın her zaman tahmin becerisini bir tutumluluk eşiğinin ötesinde artırmadığını ortaya koyarlar. Bu durum, toplu ve yarı dağıtık kurulumların günlük zirveler için benzer hidrograf simülasyonları verirken düşük akış doğruluğunda ayrıştığı karşılaştırmalı çalışmalarda gösterilmiştir.^[203] Kalibrasyon tipik olarak, gözlemlenen deşarja karşı hataları en aza indirmek için karıştırılmış karmaşık evrim (shuffled complex evolution) gibi optimizasyon algoritmalarını kullanır ve sağlamlığı değerlendirmek için bölünmüş örnek testi (split-sample testing) yoluyla doğrulama yapılır.^[204] Sınırlı süreç gerçekçiliği eleştirilerine rağmen, kalıcı kullanımları, fiziksel heterojenlik etkili bir şekilde toplandığında gözlemlenen tepkileri yeniden üretmedeki ampirik etkinliklerinin altını çizer.^[201]

Fiziksel Tabanlı Dağıtık Modeller

Fiziksel tabanlı dağıtık hidrolojik modeller, yağış tutma, evapotranspirasyon, yüzey akışı, yeraltı akışı ve kanal yönlendirmesi gibi süreçleri mekansal olarak ayrıklaştırılmış bir ızgara veya ağ üzerinde tanımlayan temel fiziksel denklemleri çözerek bir havza boyunca su hareketini ve depolamasını simüle eder.^[205] Bu modeller, arazideki, toprak özelliklerindeki, bitki örtüsündeki ve meteorolojik girdilerdeki mekansal heterojenliği açıkça temsil ederek kavramsal veya toplu yaklaşımlardan farklılaşır ve çoklu ölçeklerde hidrolojik tepkilerin ayrıntılı tahminlerini sağlar.^[206] Temel denklemler arasında kara ve kanal akışı için Saint-Venant denklemleri, değişken doymuş yeraltı akışı için Richards denklemi ve evapotranspirasyon için enerji dengesi yöntemleri yer alır.^[207]

Bu modellerin geliştirilmesi 1970’lerde başladı; Système Hydrologique Européen (SHE), havza hidrolojisi için deterministik, dağıtık bir çerçeve oluşturmak üzere Avrupa araştırma kurumları arasında işbirlikçi bir proje olarak 1977’de başlatılan öncü bir çabayı temsil ediyordu.^[207] SHE ve halefi MIKE SHE, sonlu farklar yoluyla üç boyutlu yeraltı suyu akışını, Richards denklemini kullanarak tek boyutlu doymamış bölge akışını ve kinematik veya difüzif dalga yaklaşımlarıyla iki boyutlu kara akışını entegre eder.^[208] Diğer dikkate değer örnekler arasında, yüzey ve yeraltı etkileşimleri için açık sonlu hacim çözümlerini kullanan Izgaralı Yüzey Yeraltı Hidrolojik Analizi (GSSHA) ve tortu ve çözünen madde taşınımını içeren bir SHE uzantısı olan SHETRAN yer alır.^[209]^[210]

Bu modeller, karst sistemleri veya kurak havzalar gibi veri azlığı olan bölgelerde sel simülasyonu uygulamalarında gösterildiği gibi, süreç tabanlı içgörüler sağlama ve karmaşık arazi veya arazi kullanım değişkenliğini ele alma konusunda avantajlar sunar.^[211]^[212] Bununla birlikte, genellikle saha ölçümlerinden veya pedotransfer fonksiyonlarından türetilen hidrolik iletkenlik ve gözeneklilik gibi dağıtılmış parametreler üzerinde kapsamlı girdi verileri talep ederler; bu da parametrizasyonda zorluklara ve çoklu parametre setlerinin benzer çıktılar verdiği eşsonuçluluğa yol açar.^[205] İnce mekansal çözünürlüklere ve doğrusal olmayan kısmi diferansiyel denklemler için yinelemeli çözücülere duyulan ihtiyaç nedeniyle hesaplama talepleri yüksektir ve büyük havzalar için yüksek performanslı hesaplama gerektirir.^[213]

Kalibrasyon tipik olarak, belirsizliği nicelendirmek için genellikle Bayes yöntemlerini veya çok amaçlı optimizasyonu kullanarak fiziksel gerçekçiliği korurken van Genuchten toprak tutma eğrisi katsayıları gibi belirsiz parametrelerin ayarlanmasını içerir.^[206] Son gelişmeler, dağıtılmış çerçeveler içinde korunum yasalarını uygulayan fizik bilgili sinir ağlarında görüldüğü gibi, hesaplama maliyetlerini azaltmak için parametre tahmini veya vekil modelleme için makine öğrenimini entegre etmektedir.^[214] Bunlara rağmen, gözlemlenen verilere karşı doğrulama esastır; Nash-Sutcliffe verimliliği gibi performans ölçütleri, hidrografları yeniden üretmedeki etkinliklerini vurgularken, ölçekleme sorunları nedeniyle aşırı olaylarda tepe akışlarında potansiyel eksikliklere işaret eder.^[215]

İstatistiksel ve Stokastik Yaklaşımlar

Hidrolojideki istatistiksel yöntemler, risk değerlendirmesini ve tasarımı desteklemek için yağış kayıtları veya akarsu ölçümleri gibi ampirik verilerden değişkenliği nicelendirir ve ilişkileri çıkarır. Frekans analizi, olasılık dağılımlarını aşırı hidrolojik olaylara uydurarak, belirli geri dönüş periyotları için büyüklüklerin tahmin edilmesini sağlar; seller için Gumbel, Log-Pearson Tip III ve Genelleştirilmiş Aşırı Değer gibi dağılımlar yaygın olarak uygulanır; Log-Pearson Tip III, yıllık tepe akışlarındaki çarpıklığı ele almadaki esnekliği nedeniyle ABD Jeolojik Araştırmalar Kurumu tarafından tercih edilmektedir.^[216] Bu teknikler veri durağanlığını varsayar ancak model yeterliliğini doğrulamak için Kolmogorov-Smirnov gibi uyum iyiliği testlerini içerir ve 30-50 yıllık ölçülen veriden 100 yıllık bir sel yüzdelik dilimi gibi tahminler verir.^[217]

Zaman serisi analizi, arazi kullanımı değişikliklerinden veya iklim değişkenliğinden kaynaklanan eğilimler nedeniyle genellikle otokorelasyon, mevsimsellik ve durağan olmama sergileyen hidrolojik verilerdeki zamansal yapıyı ele alır. Otoregresif entegre hareketli ortalama (ARIMA) modelleri, günlük akış gibi değişkenleri tahmin etmek için serileri otoregresif (AR), entegrasyon için fark alma (I) ve hareketli ortalama (MA) bileşenlerine ayırır; dereceler otokorelasyon fonksiyon grafikleri ve Akaike Bilgi Kriteri ile seçilir.^[218] Spektral analiz, Fourier dönüşümlerini kullanarak yağıştaki yıllık döngüler gibi baskın periyodiklikleri tanımlarken, sahte regresyonlardan kaçınmak için modellemeden önce durağanlık testleri (örneğin Genişletilmiş Dickey-Fuller) yapılır.^[219] 1970’lerden bu yana hidrolojiye uyarlanan Box-Jenkins metodolojisine dayanan bu yöntemler, kısa vadeli tahminleri kolaylaştırır ancak on yıllara yayılan uzun vadeli seriler için eğilim gidermeyi (detrending) gerektirir.^[218]

Stokastik yaklaşımlar, belirsizliği simüle etmek ve gözlemlenen kayıtların ötesinde sentetik gerçekleştirmeler üretmek için hidrolojik süreçleri olasılıksal sistemler olarak modeller ve baraj operasyonları gibi tasarım senaryolarındaki veri kıtlığını ele alır. Teknikler arasında, akış gibi sürekli değişkenler için otoregresif hareketli ortalama (ARMA) süreçleri ve yağış oluşumları gibi ayrık olaylar için Markov zincirleri yer alır; varyans ve gecikme korelasyonları gibi istatistiksel momentleri korur.^[220] Monte Carlo simülasyonları, güvenilirlik analizi için topluluklar (ensembles) üreterek girdi belirsizliklerini modeller aracılığıyla yayar; örneğin, rezervuar verimi tahmininde, binlerce sentetik giriş sekansı, değişen talepler altında başarısızlık olasılıklarını değerlendirir.^[221] Gelişmekte olan Bayes stokastik çerçeveleri, parametreleri fiziksel anlayıştan gelen önsel bilgilerle güncelleyerek, 1950 sonrası kayıtlarda gözlemlenen durağan olmama durumuna karşı sağlamlığı artırır.^[221] 1960’lardan itibaren hidrolojide resmileştirilen bu yöntemler, aleatorik (rastgele) değişkenliği açıkça nicelendirerek tamamen deterministik simülasyonlardan daha iyi performans gösterir.^[221]

Belirsizlik Nicelendirmesi ve Doğrulama

Hidrolojik modellemede belirsizlik nicelendirmesi, çeşitli kaynaklardan gelen hataların akış tahminleri veya yeraltı suyu seviyeleri gibi model çıktılarına yayılmasını ele alarak, tahminlerin nokta tahminlerine aşırı güvenmek yerine gerçek dünyadaki değişkenliği yansıtmasını sağlar.^[222] Birincil kaynaklar arasında, ölçer eksik yakalaması veya mekansal değişkenlikten etkilenen yağış ölçümleri gibi girdi verisi yanlışlıkları; çoklu parametre setlerinin benzer çıktılar verdiği parametre eşsonuçluluğu; ve modellerin yeraltı akış heterojenliği gibi süreçleri yakalamada başarısız olduğu yapısal eksiklikler yer alır.^[223] ^[224] Bu belirsizlikler tahminlerde büyüyebilir; çalışmalar, girdi zorlamalarının küresel hidrolojik simülasyonlarda toplam varyansın %50’sine kadar katkıda bulunduğunu göstermektedir.^[225]

Yaygın nicelendirme yöntemleri, olası sonuçların topluluklarını (ensembles) oluşturmak için olasılıksal çerçevelere dayanır. Monte Carlo örneklemesi, parametreleri veya girdileri değiştirerek binlerce gerçekleştirme üretir ve güven aralıklarını tahmin eder; örneğin, uyarlanabilir Markov zinciri Monte Carlo varyantları, toprak hidrolik iletkenliği gibi parametreler üzerindeki önsel bilgileri dahil ederek Bayes çıkarımı altında sonsal dağılımları verimli bir şekilde örnekler.^[226] ^[227] 1990’larda geliştirilen Genelleştirilmiş Olabilirlik Belirsizlik Tahmini (GLUE) yaklaşımı, Monte Carlo koşularından parametre setlerini reddetmek veya ağırlıklandırmak için gayri resmi olabilirlik ölçümleri kullanır ve Gauss hataları varsaymadan tahmin sınırları üretir, ancak resmi Bayes titizliğinden yoksun olduğu için eleştirilmiştir.^[228] Bayes yöntemleri, önselleri olabilirliklerle güncelleyerek bunu resmileştirir ve WASMOD gibi kavramsal modellere uygulamalarda gösterildiği gibi, deşarj tahmininde genellikle GLUE’den daha dar güvenilir aralıklar verir.^[229]

Doğrulama, model çıktılarını bağımsız gözlemlerle karşılaştırarak model güvenilirliğini değerlendirir, kalibrasyonu aşırı öğrenmeden (overfitting) ayırır. Teknikler arasında, bir dönemde (örneğin 1980-2000) kalibre edilen modellerin başka bir dönemde (2001-2020) doğrulandığı, durağan olmayan iklimlerde performans düşüşlerini ortaya çıkaran bölünmüş örnek testi; ve akış değerlendirmesinden önce toprak nemi gibi iç durumların uydu verilerine karşı doğrulandığı vekil değişken doğrulaması yer alır.^[230] ^[231] Nash-Sutcliffe verimliliği (NSE) gibi metrikler uyumu nicelendirir; NSE > 0,5 kabul edilebilir günlük akış simülasyonunu gösterir, ancak eşsonuçluluk genellikle evapotranspirasyon veya baz akış indekslerini içeren çok kriterli doğrulamayı gerektirir.^[232] Topluluk Kalman filtreleri gibi sıralı veri asimilasyonu, doğrulama sırasında durumları ve parametreleri dinamik olarak güncelleyerek operasyonel ayarlarda gerçek zamanlı tahminlerdeki belirsizliği %20-30 oranında azaltır.^[233]

Tercihli akış gibi modellenmemiş süreçlerden kaynaklanan bilinmeyen yapısal hatalar gibi epistemik belirsizlikler nedeniyle zorluklar devam etmektedir; GLUE ve benzeri yöntemler bunları yaklaşık olarak tahmin eder ancak çoklu model toplulukları olmadan tam olarak çözemez.^[222] Ampirik çalışmalar, tam belirsizlik yayılımının hesaplama açısından yoğun olduğunu ve büyük ölçekli uygulamalarda rutin kullanımı sınırladığını vurgulamaktadır, ancak makine öğrenimi vekillerindeki gelişmeler Bayes sonsallarını verimli bir şekilde yaklaştırmak için ortaya çıkmaktadır.^[234] Doğrulama, görünür model becerisini şişiren ölçülmüş veri sapmalarıyla (örneğin kentsel yerleşim etkileri) gözlem hatalarını hesaba katmalıdır; bu nedenle sağlam uygulama, toplam hata çerçeveleri aracılığıyla hem model hem de verideki belirsizliği bütünleştirir.^[224]

Uygulamadaki Alanlar

Su Kaynakları Mühendisliği ve Yönetimi

Su kaynakları mühendisliği, toplumsal talepleri karşılamak üzere suyu yakalamak, depolamak, dağıtmak ve arıtmak için altyapı tasarlamak, inşa etmek ve işletmek amacıyla hidrolojik, hidrolik ve geoteknik ilkelerin uygulanmasını kapsarken sel ve kıtlık gibi riskleri azaltır. Bu disiplin, su mevcudiyetini tahmin etmek ve sistem kapasitelerini bilgilendirmek için hidrolojik döngünün nicel değerlendirmelerini—yağış, buharlaşma, süzülme ve akışı kapsayan—entegre eder. Örneğin mühendisler, kurak mevsim arzı için depolamayı tepe akışları sırasında sel zayıflatmasıyla dengeleyen rezervuarları boyutlandırmak için havza ölçeğinde hidrolojiyi analiz eder.^[235]^[236]^[56]

Temel altyapı, yüzey suyu çevirme ve yeraltı suyu çıkarma için barajlar, su kemerleri ve pompa istasyonlarını içerir; tasarımlar, enerji kayıplarını ve buharlaşmayı en aza indirmek için akışkanlar mekaniği kullanılarak optimize edilir. Amerika Birleşik Devletleri’nde 90.000’den fazla baraj akışları düzenler ve gerçek zamanlı hidrolojik verilere dayalı yapılandırılmış salınımlar yoluyla 20. yüzyılın ortalarından bu yana tahmini 1 trilyon dolarlık hasarı önleyen sel kontrolü sağlar. Kanal ve boru hattı ağları sulama ve kentsel arzı kolaylaştırır; burada merkezi pivotlar gibi basınçlı sistemler, yerçekimi ile beslenen karık yöntemleri için %50-70’e kıyasla optimal koşullar altında %91’e varan uygulama verimliliklerine ulaşır.^[237]^[238]^[239]

Sel yönetimi stratejileri, nehir kanallarını taşmayı önlemek için sınırlayan setler gibi yapısal önlemlere ve olasılıksal sel modellemesi ile bilgilendirilen havza bölgelemesi gibi yapısal olmayan yaklaşımlara dayanır. Muskingum yöntemi gibi denklemleri kullanan ampirik yönlendirme analizleri, rezervuarlardaki tepe zayıflamalarını tahmin ederek kontrollü havzalarda mansap su baskınlarını %30-50 oranında azaltan tasarımlara olanak tanır. Doğrultma ve genişletme dahil olmak üzere kanal iyileştirmeleri taşıma kapasitesini artırır ancak uzun vadeli birikmeyi (aggradation) önlemek için tortu taşınımı hesaplamaları gerektirir.^[240]^[241]

Sulama mühendisliği, küresel tatlı su çekimlerinin %70’lik tarım payına karşı koymak için verimliliği önceliklendirir; damla sistemleri kurak bölgelerde derin süzülme kayıplarını %10’un altına indirir. ABD çiftlik araştırmaları, 2023’te fıskiye ile sulanan dönümün yerçekimi ile sulananı 12,6 milyon geçtiğini ve sahaya özgü yönetim altında dönüm başına %15-30 su tasarrufu ile ilişkili olduğunu göstermektedir. Ancak havza ölçeğindeki analizler, yerelleştirilmiş verimlilik kazanımlarının ekimi genişletmeye teşvik edebileceğini ve tahsis sınırlarıyla eşleştirilmediği takdirde net tüketimi potansiyel olarak artırabileceğini ortaya koymaktadır.^[238]^[239]^[242]

Atık su yönetimi, yeniden kullanım veya deşarjdan önce %95 kirletici giderimi sağlayan mühendislik sulak alanları veya gelişmiş oksidasyon tesislerinde olduğu gibi suyu geri kazanmak için hidrolojik girişleri arıtma süreçleriyle bütünleştirir. Entegre su kaynakları yönetimi (IWRM) çerçeveleri, verimi korumak için aşırı sömürülen akiferlerdeki besleme artışı gibi sürdürülebilirliği zorunlu kılmak için ampirik izlemeyi vurgulayarak bu unsurları sektörler arasında koordine eder. Doğrulanmamış modellerin kapasiteleri olduğundan fazla tahmin ettiği veri kıtlığı olan bölgelerde zorluklar devam etmekte ve sezgisel yaklaşımlar yerine doğrulanmış, fizik tabanlı simülasyonlara duyulan ihtiyacı vurgulamaktadır.^[243]^[244]^[245]

Taşkın ve Kuraklık Riski Değerlendirmesi

Hidrolojide sel riski değerlendirmesi, altyapı tasarımı, acil durum planlaması ve sigorta fiyatlandırmasını desteklemek için aşırı akarsu olaylarının olasılığını ve büyüklüğünü nicelendirmeye odaklanır. Temel yöntemler arasında, belirtilen geri dönüş periyotları için akışları tahmin etmek üzere akış ölçerlerden alınan tarihsel yıllık tepe deşarj kayıtlarına istatistiksel dağılımlar (Log-Pearson Tip III veya Gumbel gibi) uygulayan sel frekans analizi yer alır. Geri dönüş periyodu T, T = 1/p olarak hesaplanan ortalama tekerrür aralığını temsil eder; burada p yıllık aşılma olasılığıdır; örneğin, 100 yıllık bir sel, p = 0.01’e karşılık gelir, bu da herhangi bir yılda %1 aşılma şansı anlamına gelir.^[246]^[247] Bu yaklaşım hidrolojik kayıtlarda durağanlık varsayar, ancak son analizler frekans tahminlerini değiştirebilecek arazi kullanımı değişiklikleri ve iklimsel değişimlerden kaynaklanan zorlukları vurgulamaktadır.^[248]

Hidrolojik ve hidrolik modelleme, mekansal olarak açık risk haritalaması için frekans analizini genişletir. Hidrolojik Mühendislik Merkezi’nin Hidrolojik Modelleme Sistemi (HEC-HMS) gibi yağış-akış modelleri yağış girdilerinden tepe akışlarını simüle ederken, HEC-RAS gibi bir boyutlu veya iki boyutlu hidrolik modeller sığ su denklemlerini çözerek sel baskını kapsamlarını ve derinliklerini belirler. Bu araçlar, tehlike bölgelerini değerlendirmek için LiDAR’dan gelen topografik verileri ve arazi örtüsü bilgilerini entegre eder; risk, nüfus yoğunluğu ve varlık değerleri gibi kırılganlık faktörlerinin üzerine bindirilmesiyle daha da iyileştirilir. Hakemli çerçeveler, taşkın yatağı yönetiminde kullanılan olasılıksal risk haritaları üretmek için Entegre Risk Bağlantıları yaklaşımında olduğu gibi tehlike, maruziyet ve kırılganlık bileşenlerinin yinelemeli bağlantısını vurgular.^[249]^[250]

Kuraklık riski değerlendirmesi, su temini ve ekosistemler üzerindeki etkileri öngörmek için akarsu debisi, rezervuar seviyeleri ve yeraltı suyu gibi hidrolojik değişkenlerdeki açıkları değerlendirir. Temel araçlar arasında, yağış zaman serilerine bir gama dağılımı uydurarak ve sapmaları standart bir normal değişkene dönüştürerek meteorolojik kuraklığı nicelendiren Standartlaştırılmış Yağış İndeksi (SPI) gibi standartlaştırılmış indeksler yer alır; -1,0 ila -1,49 arasındaki SPI değerleri orta dereceli kuraklığı, -2,0’ın altı ise aşırı koşulları gösterir. Hidrolojik kuraklık için indeksler, akış anormalliklerine dayanan Akış Kuraklık İndeksi (SDI) veya simüle edilmiş ya da gözlemlenen deşarjlardan türetilen Standartlaştırılmış Akış İndeksi (SRI) gibi yayılma etkilerini içerir.^[251]^[252] Değişken Süzülme Kapasitesi (VIC) modeli gibi çerçevelerde toprak nemi muhasebesi de dahil olmak üzere çok değişkenli modeller, hidrolojik etkileri tahmin etmek için meteorolojik açıkları su dengesi boyunca yayar.^[253]

Uygulamada, bu değerlendirmeler rezervuar işletim kuralları ve sulama planlaması gibi uyarlanabilir stratejileri bilgilendirir ve topluluk simülasyonlarından elde edilen olasılıksal projeksiyonlar tahmin belirsizliğini hesaba katar. Örneğin, GRACE uydu gravimetrisi, Orta Doğu gibi bölgelerde 100 km³’ü aşan çok yıllık yeraltı suyu tükenmelerini tespit ederek hidrolojik kuraklığı aşırı kullanımla ilişkilendirmiş ve risk bölgelemesini bilgilendirmiştir. Geriye dönük analizlerde olduğu gibi tarihsel olaylara karşı doğrulama, parametrizasyon hatalarına yatkın tekil metriklere bağımlılığı azaltarak süre ve şiddet gibi kuraklık özelliklerini yakalamak için çok indeksli topluluklara duyulan ihtiyacı vurgulamaktadır.^[254]^[255]

Tarımsal Su Kullanımı ve Sulama Optimizasyonu

Tarım, küresel olarak tatlı suyun en büyük tüketicisini oluşturur ve toplam çekimlerin yaklaşık %70’ini oluşturur; sulama, değişken hidrolojik koşullar ortasında mahsul üretimini sürdürmek için baskın kullanımı temsil eder.^[256] Bu pay, yağmurla beslenen tarımın düzensiz yağış ve toprak suyu açıklarıyla sınırlı olduğu düşük gelirli ülkelerde %90’ın üzerine çıkar.^[257] Evapotranspirasyon (ET), akifer beslenmesi ve akış ölçümleri dahil olmak üzere hidrolojik değerlendirmeler, yüzey ve yeraltı suyu kaynaklarının tükenmesini önleyerek tarımsal talepleri havza ölçeğindeki su mevcudiyetine karşı dengelemek için stratejileri bilgilendirir.^[258]

Karık ve havza taşkını gibi geleneksel yüzey sulama teknikleri, düşük başlangıç maliyetleri nedeniyle birçok bölgede yaygındır ancak %50-70 gibi düşük uygulama verimliliklerinden muzdariptir; bu da önemli buharlaşma, derin süzülme kayıpları ve düzensiz su dağılımına yol açar.^[259] Buna karşılık, suyu bitki köklerinin yakınındaki damlatıcılar aracılığıyla yavaşça uygulayan damla sulama sistemleri, %80-95 verimlilik elde ederek, yabani ot büyümesini ve besin süzülmesini en aza indirirken yüzey yöntemlerine göre su kullanımını %20-50 azaltır.^[260] ^[261] Yağmurlama ve pivot sistemleri %70-85 gibi orta düzeyde verimlilik sunar, ancak rüzgar sürüklenmesi ve buharlaşma nemli veya rüzgarlı ortamlarda kazanımları azaltabilir.^[262]

Sulama Yöntemi	Tipik Verimlilik (%)	Yüzey Sulamaya Göre Su Tasarrufu (%)
Yüzey (karık/taşkın)	50-70	–
Yağmurlama	70-85	10-30
Damla	80-95	20-50

Sulamanın optimizasyonu, gerçek zamanlı ürün ET, toprak nemi eşikleri ve yağış tahminlerine dayalı olarak uygulamaları planlamak için toprak-bitki-atmosfer su dengelerini simüle eden hidrolojik modellere dayanır.^[263] RZWQM veya SWAP gibi araçlar, açıkları tahmin etmek için sahaya özgü verileri entegre eder ve su kıtlığı olan ortamlarda %20-30 su tasarrufu sağlarken verimleri koruyan, tam ET gereksinimlerinin %70-80’ini uygulayan kısıntılı sulama stratejilerini mümkün kılar.^[264] Uydulardan elde edilen uzaktan algılama kaynaklı ET tahminleri planlamayı daha da iyileştirir; Landsat verilerinin modellerle birleştirildiği ABD Ortabatı çalışmalarında gösterildiği gibi, uygulamaları gerçek ürün ihtiyaçlarıyla hizalayarak aşırı sulamayı azaltır.^[265]

Verimlilik kazanımlarına rağmen hidrolojik paradokslar ortaya çıkmaktadır: damla veya hassas sistemlerden sağlanan çiftlik içi tasarruflar, nehirlere ve akiferlere dönüş akışlarını azaltabilir; genişleyen ekim alanları hektar başına düşüşleri dengelerse mansap kıtlıklarını şiddetlendirebilir. Bu fenomen, verimlilik politikalarının yeraltı suyu pompalamasını yanlışlıkla yoğunlaştırdığı Kaliforniya’nın Central Valley bölgesinde gözlemlenmiştir.^[242] Bu nedenle model tabanlı optimizasyon, istenmeyen tükenmeyi önlemek için beslenme dinamikleri ve birleşik yüzey-yeraltı suyu kullanımı dahil olmak üzere havza ölçeğinde hidrolojiyi içermelidir; hakemli analizler, süzülme oranlarındaki mekansal değişkenliği hesaba katmak için programların gözlemlenen lizimetre verilerine karşı doğrulanmasını vurgulamaktadır.^[266] Damla sistemleri için hektar başına 500-2000 $ kurulum maliyetlerini hesaba katan ekonomik değerlendirmeler, optimize edilmiş rejimler altında pamuk ve sebze gibi ürünlerde %10-20 verim artışıyla geri dönüşlerin altını çizmektedir.^[267]

Kirletici Taşınımı ve Su Kalitesi

Hidrolojik sistemlerde kirletici taşınımı, kirleticilerin yüzey suyu, yeraltı suyu ve vadoz bölgeler yoluyla hareketini ve dönüşümünü ifade eder; öncelikle adveksiyon, dispersiyon ve reaktif süreçler tarafından yönetilir. Adveksiyon, kirleticilerin akışkanın hızında toplu taşınımını gerektirirken, dispersiyon akış yolları ve hızlarındaki değişimlerden kaynaklanır ve kütlenin (plume) yayılmasına yol açar; bunlar matematiksel olarak genellikle bozunma veya sorpsiyon için reaksiyon terimlerini içerecek şekilde genişletilen adveksiyon-dispersiyon denklemi ile tanımlanır.^[268] ^[269] Yeraltı suyunda, düşük hızlar kirletici kalış sürelerini uzatarak akifer malzemelerine sorpsiyon yoluyla gecikmeyi artırırken, yüzey suyu seyreltme ile daha hızlı adveksiyon özelliğine sahiptir ancak yüksek akışlar sırasında yeniden süspansiyon riski taşır.^[270]

Kirletici kaderi ve taşınımı için hidrolojik modeller, kütle göçünü ve konsantrasyon profillerini tahmin etmek için bu süreçleri entegre ederek su kalitesi değerlendirmesine yardımcı olur. Adveksiyon-dispersiyon-reaksiyon (ADR) denklemi, hidrodinamik dispersiyon (mekanik karıştırma ve moleküler difüzyonu birleştiren) ve birinci dereceden bozunma terimlerini birleştirerek zaman ve mekan içindeki çözünen madde değişikliklerini simüle eder.^[269] SWAT ve HSPF gibi havza ölçekli modeller, hidrolojiyi tarımsal akış gibi yayılı kaynaklardan gelen kirletici yüklemesiyle birleştirerek, değişen arazi kullanımı ve iklim senaryoları altında besin ve tortu taşınımını tahmin eder; hakemli değerlendirmelerden elde edilen performans metrikleri, çeşitli havzalarda kalibrasyon için Nash-Sutcliffe verimliliklerinin genellikle 0,5’i aştığını göstermektedir.^[271] Bu araçlar, saha çalışmalarında tipik olarak 0,1 ila 10 metre olan ve akifer heterojenliği ile ölçeklenen dispersivite gibi parametreleri nicelendirir.^[268]

Uygulamada, bu tür modelleme, iyileştirme ve uyumluluk konusundaki düzenleyici kararları destekler; örneğin, redoks koşullarına bağlı olarak bozunma yarı ömürlerinin aylardan yıllara değiştiği gübrelerden kaynaklanan on yıllık nitrat kütlelerini simüle ederek kuyuların etrafındaki koruma bölgelerini belirler.^[272] Su kalitesi etkileri arasında, aşırı fosfordan kaynaklanan ötrofikasyon (göllerde 0,02 mg/L civarındaki eşikler) ve patojenlerden veya arsenik için 10 ppb gibi EPA sınırlarını aşan ağır metallerden kaynaklanan sağlık riskleri yer alır.^[273] İzleyici testlerine karşı doğrulama, ölçülmemiş heterojenlikten kaynaklanan model belirsizliklerini ortaya çıkararak, genel varsayımlar yerine sahaya özgü kalibrasyon ihtiyaçlarını vurgular.^[274] Gelişmekte olan uygulamalar, düşük biyobozunurlukları nedeniyle uzun menzilli yeraltı suyu göçünü tahmin etmek için bölümleme odaklı modeller gerektiren per- ve polifluoroalkil maddeleri (PFAS) ele almaktadır.^[275]

İklim ve Çevre ile Etkileşimler

Doğal İklimsel Değişkenlik ve Uzun Dönemli Döngüler

Doğal iklimsel değişkenlik, antropojenik etkilerden bağımsız olarak yıllardan bin yıllara kadar uzanan zaman ölçeklerinde yağış, buharlaşma, yüzey akışı ve yeraltı suyu beslenimindeki dalgalanmaları yönlendiren atmosferik ve okyanusal dolaşım modellerindeki salınımları kapsar. Bu varyasyonlar, birleşik okyanus-atmosfer etkileşimleri gibi iklim sisteminin iç dinamiklerinden ve güneş ışınımı ile Dünya’nın yörüresel parametreleri gibi dış zorlamalardan kaynaklanır. Hidrolojide bunlar, su mevcudiyetindeki periyodik kaymalar olarak tezahür eder; sel sıklıklarını, kuraklık oluşumlarını ve havza ölçeğindeki akışları etkiler ve genellikle gözlemsel kayıtlardaki kısa vadeli eğilimleri gölgede bırakır.^[276]

El Niño-Güney Salınımı (ENSO), 2-7 yıllık yıllar arası ölçeklerde işleyerek, derin hidrolojik etkilere sahip kısa vadeli değişkenliği örneklendirir. Orta ekvatoryal Pasifik’teki anormal ısınma ile karakterize edilen El Niño evreleri sırasında, küresel telebağlantılar (uzaktan bağlantılar) Güneybatı Amerika Birleşik Devletleri, Güneydoğu Güney Amerika ve Güney Afrika gibi bölgelerde yağışı azaltarak akışların azalmasına ve kuraklık risklerinin artmasına yol açar; tersine, La Niña evreleri bu alanlarda yağışı artırarak yüzey akışını ve sel potansiyelini yükseltir.^[277] ENSO sinyalleri, toprak nemi hafızası ve havza depolama etkileri nedeniyle akışa yağıştan daha kalıcı bir şekilde yayılır; Pasifik On Yıllık Salınımı (PDO) sıcak evreleriyle birleşen El Niño sırasında yağış ve akışta gözlemlenen azalmalar buna örnektir.^[276]

PDO (20-30 yıl) ve Atlantik Çok Yıllık Salınımı (AMO, 60-80 yıl) dahil olmak üzere on yıllık ila çok on yıllık salınımlar, ENSO telebağlantılarını modüle eder ve hidrolojik döngülere daha uzun vadeli modeller dayatır. Kuzey Pasifik’teki önde gelen deniz yüzeyi sıcaklığı anomalileriyle tanımlanan PDO, ENSO kaynaklı yağış aşırılıklarını güçlendirir veya zayıflatır; sıcak PDO evreleri orta enlem havzalarındaki El Niño kuraklık sinyallerini güçlendirerek Kuzey Amerika’daki yıllar arası akış değişkenliğini azaltır.^[278] Benzer şekilde, pozitif AMO evreleri, bitişik Amerika Birleşik Devletleri genelinde azalan yaz yağışları ve artan sıcaklıklarla ilişkilidir; bu durum Atlantik’ten nem taşınımını değiştirerek kuraklık süresini şiddetlendirir ve AMO etkilerinin ENSO ile etkileşime girerek çok yıllık su kaynağı eğilimlerini şekillendirdiği akışlara kadar uzanır.^[279]^[280]

Paleoklimatik zaman ölçeklerinde, Milankovitch döngüleri—Dünya’nın yörüresel dış merkezliği (100.000 yıl), eksen eğikliği (41.000 yıl) ve yalpalamasındaki (19.000–23.000 yıl) değişimler—buzul-buzullararası geçişleri yöneten güneşlenme değişikliklerini yönlendirerek küresel hidrolojiyi derinden yeniden şekillendirir. Bu döngüler muson yoğunluklarını ve kıtasal su dengelerini değiştirir; örneğin, yalpalama zorlaması buzullararası dönemlerde Kuzey Yarımküre’de yaz güneşlenmesini artırarak Asya muson yağışlarını ve akarsu tortu taşınımını yoğunlaştırırken, buzul maksimumları deniz seviyelerini 120 metreden fazla düşürerek kıta sahanlıklarını açığa çıkarır ve nehir yataklarını yeniden yönlendirir.^[281] Bu yörüresel hızlandırma, göl seviyelerinden ve speleotemlerden (mağara oluşumları) elde edilen vekil kayıtlarda kanıtlandığı üzere, uzun vadeli yeraltı suyu depolama ve akifer beslenim modellerini etkiler.^[282]

Güneş döngüleri, özellikle 11 yıllık Schwabe güneş lekesi aktivitesi döngüsü, toplam güneş ışınımındaki yaklaşık %0,1’lik değişimler yoluyla daha ince etkiler yaratır ve atmosferik dolaşım kaymaları yoluyla bölgesel yağışları etkiler. Artan güneş aktivitesi, güçlendirilmiş Hadley hücresi dinamikleri aracılığıyla ekvatorun kuzeyinde ve ekvatoryal bölgelerde artan yağışla ilişkilidir ve potansiyel olarak musona bağımlı havzalarda mevsimsel akışı değiştirir; ancak, küresel hidrolojik döngü amplifikasyonu okyanusal salınımlara kıyasla marjinal kalır. Bu doğal zorlamalar, hidrolojik modelleme ve tahminlerde içsel değişkenliği dış sürücülerden ayırma ihtiyacını vurgulamaktadır.^[284]

Gözlemlenen Hidrolojik Değişiklikler: Veriler ve Eğilimler

Kara alanları üzerindeki küresel yağış, 20. yüzyılın başlarından bu yana mütevazı bir genel artış göstermiş olup, 1901’den son yıllara kadar on yılda yaklaşık 0,03 inçlik bir ortalama oran sergilemiştir; ancak subtropikal bölgelerde azalmalar ve daha yüksek enlemlerde artışlar dahil olmak üzere bölgesel varyasyonlar belirgindir.^[285]^[286] 150 yılı aşkın uzun vadeli istasyon verilerinin analizi, aşırı yağış toplamlarında tekdüze bir küresel yoğunlaşma olmadığını, ancak kara bölgelerinin çoğunluğunun dağılım genelinde daha yoğun yağışlı gün yağışlarına doğru eğilimler sergilediğini göstermektedir.^[287] Günlük yağış değişkenliği, 1900’den 2020’ye kadar küresel olarak on yılda yaklaşık %1,2 oranında artmıştır; özellikle Avrupa, Avustralya ve doğu Kuzey Amerika’da olay sıklığındaki değişimlere katkıda bulunmaktadır.^[288]^[289]

Akış eğilimleri mekansal heterojenlik sergiler; küresel alan ağırlıklı deşarj, son kırk yılda yağış modelleri ve arazi kullanımından etkilenerek yılda 0,09 mm/yıl² oranında istatistiksel olarak anlamlı olmayan bir yukarı yönlü eğilim göstermektedir.^[290] Bitişik Amerika Birleşik Devletleri’nde, 1930’lardan bu yana Kuzeydoğu ve Orta Batı’da yedi günlük düşük akışlar genel olarak artarken, yüksek akışlar karışık sinyaller sergilemektedir; 9.000’den fazla küresel istasyondan alınan yıllık maksimum günlük akışlar, aşırılıklarda tutarlı bir dünya çapında eğilim göstermemektedir.^[291]^[292] Zirve nehir deşarjlarının son zamanlardaki küresel senkronizasyonu, 4.407 hidrometrik istasyondan alınan verilere dayanarak, potansiyel olarak iklim değişkenliğindeki telebağlantılarla bağlantılı olarak 1980’lerden bu yana ortaya çıkmıştır.^[293]

Yeraltı suyu depolaması, 2002’den itibaren GRACE uydu gravimetrisi ile ölçüldüğü üzere dünya çapında çok sayıda büyük akiferde azalmıştır; kuzeybatı Hindistan (2002–2008) ve güneybatı ABD (altı akiferde 15 yıl boyunca toplam -90 km³) gibi bölgelerde kümülatif kayıplar 100 km³’ü aşmaktadır.^[178]^[294] Bu tükenmeler, Orta Doğu, kuzey Hindistan ve Kaliforniya’nın Merkez Vadisi gibi sıcak noktalarda belirgin olan beslenmeyi geride bırakan çekim oranlarından kaynaklanmaktadır; ancak Mississippi Deltası’nın bazı kısımları gibi bazı alanlar zemin doğrulaması gerektiren değişken sinyaller göstermektedir.^[295]^[296]

Evapotranspiration küresel olarak artmış ve ortalama kuraklık şiddetini tahmini olarak %40 oranında artırmıştır; bu durum, sıcaklıkla birlikte potansiyel buharlaşma artarken gerçek oranların toprak nemi geri bildirimlerine yanıt vermesinden kaynaklanmaktadır.^[297] Kuraklık sıklığı ve süresi artmış, çok yıllı olaylar dünya çapında daha yaygın hale gelmiştir; örneğin meteorolojik kuraklık endeksleri, ölçüme göre projeksiyonlar değişse de, ısınma altında genişleyen kurak alanlara işaret etmektedir.^[298]^[299]

Kar örtüsü ve buzul kütle dengesi yaygın negatif eğilimler sergilemekte olup, ABD referans buzulları 1950’ler-1960’lardan bu yana artan oranlarda kütle kaybetmekte ve küresel buzul geri çekilmesi, azalan birikim ve artan erime yoluyla belgelenmektedir.^[300] 2018’den bu yana kar yağışındaki son düşüşler, dağlık bölgelerde mevsimsel kar derinliğini ve buzul sağlığını daha da zayıflatarak yaz akış katkılarının düşmesine neden olmuştur.^[301] Bu değişiklikler hidrolojik rejimleri değiştirmekte olup, kar erimesinin baskın olduğu havzalarda on yıllar boyunca daha erken zirve akışları gözlemlenmektedir.^[302]

Antropojenik İklim Etkileri: Kanıtlar ve Tartışmalar

İnsan kaynaklı sera gazı emisyonları, sanayi öncesi dönemlerden bu yana küresel iklimi yaklaşık 1,1°C ısıtmış ve hidrolojik döngüyü, öncelikle ısınma derecesi başına yaklaşık %7’lik Clausius-Clapeyron ilişkisini izleyen artan atmosferik su buharı kapasitesi yoluyla etkilemiştir.^[303] Bu artışın, karadan ve okyanuslardan buharlaşmayı yoğunlaştırması ve potansiyel olarak yağış modellerini, akışı ve toprak nemi dinamiklerini değiştirmesi beklenmektedir.^[303] Gözlemsel kayıtlar, yüksek atmosferik nem içeriği ve özellikle tropiklerde ve yüksek enlemlerde yağış eksi buharlaşma (P-E) modellerindeki değişimler dahil olmak üzere, küresel ölçekli değişikliklerde saptanabilir insan parmak izlerini göstermektedir.^[303]

Ampirik kanıtlar, antropojenik zorlamayı belirli hidrolojik değişimlerle ilişkilendirmektedir. 1950-2020 yılları arasındaki küresel nehir akış verilerinin 2024 analizi, 50° N üzerindeki enlemlerde akış mevsimselliğindeki azalmayı insan iklim etkilerine bağlamış; modeller, sera gazı senaryoları altında azalan bahar zirvelerini ve yükselen kış diplerini simüle etmiştir.^[304] Benzer şekilde, parmak izi çalışmaları, antropojenik ısınmanın kara alanları üzerindeki aşırı yağış olaylarının sıklığını ve yoğunluğunu artırdığını ve olay atfetme çerçevelerindeki termodinamik ölçekleme ile tutarlı olduğunu göstermektedir.^[305] Kuraklıklar için çoklu model değerlendirmeleri, insan etkisinin 20. yüzyılın ortalarından bu yana Akdeniz ve güneybatı Kuzey Amerika gibi bölgelerde sıcaklığa bağlı buharlaşma ve yağış açıkları üzerindeki birleşik etkiler yoluyla kuraklığı artırdığını bulmuştur.^[306] NASA’nın GRACE uydu misyonları, Orta Doğu ve Kaliforniya gibi akiferlerde yeraltı suyu tükenmesini belgelemekte olup, bazı çalışmalar artan talebin ortasında kısımları iklim kaynaklı kuruma eğilimlerine bağlamaktadır.^[307]

Tartışmalar, atfetme güveni ve antropojenik sinyallerin doğal değişkenlikten ayrılması üzerinde yoğunlaşmaktadır. Hidrolojik kayıtlar genellikle, bölgesel ölçeklerde modellenen sera gazı tepkileriyle rekabet edebilen veya bunları aşabilen yağış ve akışta on yıllık dalgalanmalar üretebilen El Niño-Güney Salınımı (ENSO) ve Pasifik On Yıllık Salınımı (PDO) gibi iç modlardan güçlü etkiler sergiler.^[308] Judith Curry ve Ross McKitrick gibi iklim bilimcilerin de aralarında bulunduğu eleştirmenler, optimal parmak izi alma gibi IPCC tespit-atfetme yöntemlerinin doğal zorlamaları ve model yapısal hatalarını sistematik olarak düşük ağırlıklandırdığını ve su döngüsü değişikliklerinde insan hakimiyetine dair aşırı güvenli iddialara yol açtığını ileri sürmektedir.^[309] Curry, McKitrick ve diğerleri tarafından ortaklaşa yazılan 2025 ABD Enerji Bakanlığı incelemesi, IPCC hidrolojik projeksiyonlarının, tarihsel olarak artık yüksek kabul edilen denge iklim duyarlılığı değerlerine dayanarak yağış yoğunlaşmasını ve kuraklık risklerini abarttığını, geçici tepkilerin ise paleoklimat vekilleri ve enstrümantal verilerde daha zayıf sinyaller gösterdiğini vurgulamaktadır.^[310]

Modeller ve gözlemler arasındaki tutarsızlıklar daha fazla anlaşmazlığa neden olmaktadır. Küresel modeller ısınma altında P-E için “ıslak daha ıslak, kuru daha kuru” paradigmasını öngörürken, uydu ve gösterge verileri 2020 itibariyle kara su döngüsünde evrensel bir yoğunlaşma olmaksızın bölgesel olarak heterojen eğilimler ortaya koymaktadır; bazı alanlar, çözümlenmemiş bulut geri bildirimlerine ve kara-atmosfer etkileşimlerine atfedilebilecek durgunluk veya düşüşler göstermektedir.^[303] Sel rejimlerinde, olay atfetme çalışmaları geçmiş olaylarda insan etkisini iddia etmektedir, ancak daha düşük tarihsel ısınma seviyeleri sınırlı nedensellik ima etmekte ve doğal değişkenlik dönüş periyotlarındaki varyansın çoğunu açıklamaktadır.^[311] Bu tartışmalar, arazi kullanım değişikliği ve aerosol etkileri gibi karıştırıcı faktörlerin genellikle saf iklimsel zorlama yerine yerel sinyallere hakim olduğu hidrolojideki nedensel zincirleri izole etmenin zorluklarını vurgulamaktadır.^[312] Genel olarak, antropojenik etkiler toplu ölçümlerde belirgin olsa da, Güney Yarımküre’deki veri azlığı ve model dengeleme sorunları nedeniyle sağlam nicelleştirme zor olmaya devam etmektedir.

Adaptasyon Stratejileri ve Alarmist Öngörüler

Hidrolojik bağlamlardaki alarmist öngörüler, sıklıkla su mevcudiyetinde ve aşırılıklarda ciddi bozulmalar öngörür ve bunları öncelikle su döngüsünü yoğunlaştıran antropojenik sera gazı emisyonlarına atfeder. Örneğin IPCC’nin Altıncı Değerlendirme Raporu, yüksek emisyon senaryoları altında yüzyılın ortasına kadar sel ve kuraklıkları potansiyel olarak şiddetlendirerek, belirli bölgelerde artan şiddetli yağış olayları ve kuraklık öngörmektedir.^[46] Bu tür tahminler, milyarlarca insanı etkileyen kıtlığı önlemek için sert küresel azaltım çağrılarını desteklemektedir, ancak bölgesel yağış ve akış dinamiklerini simüle etmede kabul görmüş belirsizliklere sahip modellere dayanmaktadırlar.^[313]

Ancak, gözlemlenen hidrolojik eğilimler genellikle bu projeksiyonlardan ayrışır ve doğal değişkenlik, modellenen antropojenik sinyalleri maskeler veya onlarla çelişir. Örneğin Amerikan Ortabatısında, bölgesel iklim modelleri hidrolojik döngü yoğunlaşması öngörmektedir, ancak 1948-2007 yılları arasındaki uzun vadeli veriler, yüzey sıcaklığı veya su dengesi bileşenlerinde tutarlı eğilimler ortaya koymamakta ve model-gözlem uyumsuzluklarını vurgulamaktadır.^[313] Benzer şekilde, Birleşik Krallık kayıtları, Atlantik Çok Yıllık Salınımı gibi on yıllık salınımların sinyallere nasıl hakim olabileceğini vurgulayarak, bazı kuruma projeksiyonlarına karşı çıkan yaz ıslanma eğilimleri göstermektedir.^[314] Küresel olarak, insan etkisi nehir akışlarını değiştirmiş olsa da (ıslak bölgelerde artan yüksek akışlar ve kuru bölgelerde azalan düşük akışlarla kanıtlandığı üzere), büyüklük alarmist senaryolara kıyasla mütevazı kalmaktadır ve veri sınırlamaları nedeniyle tespit zorlukları devam etmektedir.^[315]

Tasarlanmış dayanıklılık ve esnek yönetimi vurgulayan adaptasyon stratejileri, değişkenliği kanıtlanmış müdahalelerle ele alarak, belirsiz projeksiyonlara güvenmekten ampirik olarak daha iyi performans göstermiştir. Hollanda’nın 2007–2019 yılları arasında uygulanan “Room for the River” (Nehre Alan Açma) girişimi, setlerin yerini değiştirmiş, taşkın yataklarını genişletmiş ve saniyede 16.000 metreküpe kadar Ren zirve deşarjlarını idare etmek için depolamayı artırmış, emisyon kesintilerine başvurmadan sonraki yüksek su olaylarında hasarları önlemiştir.^[316] Amerika Birleşik Devletleri’nde, Florida’daki akifer depolama ve geri kazanım sistemleri, tahsisleri optimize etmek ve 1980’lerden bu yana değişken yağışlar ortasında kaynakları sürdürmek için gerçek zamanlı tahminleri entegre ederek, kuraklık kullanımı için yağışlı dönemlerde yeraltı suyunu yenilemiştir.^[317] Kıyı tamponları ve sulak alan restorasyonu gibi doğa tabanlı çözümler, koşullu etkinliği daha da göstermektedir: 2025 tarihli bir analiz, uygun şekilde yerleştirildiğinde hedeflenen havzalarda sel zirvelerini %20-50 oranında azalttığını ve katı azaltım odaklı paradigmalarda bulunmayan ekosistem ortak faydaları sağladığını bulmuştur.^[318]

Bu adaptasyonlar, spekülatif uzun vadeli zorlamalar yerine arazi kullanımı ve altyapı gibi nedensel faktörleri önceliklendirerek maliyet etkinliğini ortaya koymaktadır; örneğin, ABD EPA’nın 2010’dan bu yana suyun yeniden kullanımı üzerine vaka çalışmaları, kentsel kaynakların öngörülen kıtlık azaltımından daha düşük maliyetle sürdürüldüğünü bildirmekte ve hidrolojik zorlukları adaptasyon taban çizgileri olmadan varoluşsal olarak çerçeveleyen anlatılara karşı çıkmaktadır.^[319] Projeksiyonların riskleri abarttığı durumlarda—yağış kaynaklı kıtlık eleştirilerinde olduğu gibi—kaynaklar, bölgeleri hem doğal döngülere hem de mütevazı antropojenik değişimlere karşı tamponlayan çeşitlendirilmiş kaynak kullanımı gibi doğrulanabilir iyileştirmelere kaymaktadır.^[320] Bu kanıta dayalı yaklaşım, doğrulanmamış alarmizmden kaynaklanan politika bozulmalarını hafifleterek adaptasyonun nedensel gerçekçilikteki rolünü vurgulamaktadır.

Zorluklar, Tartışmalar ve Çözülmemiş Problemler

Temel Çözülmemiş Bilimsel Sorular

Uluslararası Hidrolojik Bilimler Birliği (IAHS) tarafından 2019 yılında yürütülen topluluk odaklı bir çalışma, tahmin yeteneklerini ve süreç tabanlı modellemeyi engelleyen temel anlayış boşluklarını vurgulayarak, hidrolojide çözülmemiş 23 problem (UPH) tanımlamıştır. IAHS Bilimsel Toplantısı sırasında küresel uzman girdileriyle derlenen bu problemler altı tematik kümede toplanmıştır: yağış-akış tepkilerinde zaman değişkenliği, uzay ve ölçek sorunları, tahmin için kapanış sorunları, yeraltı akış dinamikleri, bitki örtüsü-su bağlantıları ve hidrolojik sistemlerin manzaralar ve toplumlarla birlikte evrimi. Girişim, birçoğunun eksik ampirik verilerden ve teorik çerçevelerden kaynaklandığını belirterek, araştırmayı artımlı uygulamalar yerine temel bilimsel zorluklara yeniden odaklamayı amaçlamıştır.^[45]

Zaman değişkenliği zorluklarının merkezinde, 20. yüzyıla dayanan modellerdeki istatistiksel durağanlık varsayımlarını geçersiz kılan, toprak evrimi veya iklimsel zorlamalar gibi nicelleştirilmemiş faktörlerin yönlendirdiği potansiyel olarak on yıllar boyunca akış katsayılarındaki kaymalar gibi hidrolojik tepkilerdeki durağan olmayan durumların açıklanması yer alır. Sızma oranlarının lizimetre ölçümleri (tipik olarak 0,1-1 m²) gibi küçük ölçekli deneylerin, geçici (ad hoc) parametreler olmadan havza ölçeğindeki davranışları (10³–10⁶ km²) tahmin etmede başarısız olması nedeniyle uzay ve ölçek sorunları devam etmektedir; bu durum, ölçek büyütme ekstrapolasyonunun zirve akış tahminlerinde %20-50’yi aşan belirsizlikler getirdiği Avrupa Sel Farkındalık Sistemi’nde kullanılanlar gibi dağıtık modellerdeki kalıcı hatalarla kanıtlanmaktadır. Kapanış sorunları, güvenilir tahminler için gereken minimum veriyi sorgular; örneğin, yağış ve deşarj zaman serileri bazı istatistiksel modeller için yeterli olsa da, nedensel süreç anlayışı, genellikle 1 km’den daha ince çözünürlükte bulunmayan yeraltı ve bitki örtüsü verilerini talep ederek deterministik tahminleri sınırlar.^[45]

Yeraltı dinamikleri, özellikle çift gözeneklilik modellerinin saha izleyici testlerinde gözlemlenen hızlı kirletici taşınımını (örneğin, yalnızca matris difüzyonunun önerdiğinden 10-100 kat daha hızlı geçiş eğrileri) yetersiz tahmin ettiği vadoz bölgelerindeki tercihli akış yollarının ve kalış sürelerinin nicelleştirilmesi konusunda belirsizliğini korumaktadır. Bitki örtüsü-hidroloji etkileşimleri, kök su alımının ve terlemenin mekansal toprak nemi modellerini nasıl düzenlediği hakkında sorular ortaya çıkarmaktadır; ampirik çalışmalar korelasyonlar gösterse de stoma iletkenliğini türler arasında ksilem hidroliği ve kuraklık koşullarıyla bütünleştiren mekanistik modellerden yoksundur. Birlikte evrimsel problemler, tarihsel su yönetiminin kanal morfolojisini ve sel rejimlerini nasıl değiştirdiği gibi geri bildirimleri ele almakta ve Mississippi gibi düzenlenmiş nehirlerde azalan tortu verimleri (1950’lerin baraj inşaatlarından bu yana %50-70 düşüş) gibi eski etkilerin (legacy effects) yüzyıllara yayıldığı antropojenik olarak değiştirilmiş havzalarda atfetmeyi zorlaştırmaktadır. Bu UPH’ler, ampirik boşlukları kapatmak için entegre gözlemevlerine ve deneylere duyulan ihtiyacı vurgularken, GRACE-FO’dan (2018’de fırlatılan) uydu gravimetrisi gibi uzaktan algılamadaki ilerlemelerin yer doğrulaması olmadan ölçeklendirmeyi çözüp çözemeyeceği konusundaki tartışmalar devam etmektedir.^[45]^[45]

Ölçüm ve Veri Sınırlamaları

Hidrolojik ölçümler; aletsel hatalar, örnekleme sınırlamaları ve çevresel faktörler dahil olmak üzere birçok belirsizlik kaynağına tabidir ve genellikle yağış ve akış gibi temel değişkenler için ±%10-40’lık genel hata sınırları ile sonuçlanır.^[321] Bu belirsizlikler, ölçüm koşullarındaki olaya özgü varyasyonların istatistiksel modelleme varsayımlarına meydan okuyan durağan olmayan hatalar getirdiği veri toplamada epistemik boşluklardan kaynaklanır.^[322] Yer tabanlı ağlar, doğrudan gözlemler sağlasa da, özellikle uzak veya topografik olarak karmaşık arazilerde seyrek mekansal kapsamdan muzdariptir ve bu da hidrolojik akışların ve depolamaların yetersiz temsiline yol açar.^[323]

Yağmur ölçerleri (plüviyometreler) aracılığıyla yapılan yağış ölçümleri, rüzgar etkileri ve buharlaşma nedeniyle sistematik eksik yakalama hataları sergiler; düzeltme faktörleri ölçüm aleti tipine ve fırtına özelliklerine göre değişir; insan operasyonundan veya alet arızasından kaynaklanan rastgele hatalar yanlışlıkları daha da artırır.^[324] Nokta ölçekli ölçüm verileri, yağışta bulunan mekansal değişkenliği yakalamada başarısız olur ve ölçülmeyen alanlarda belirsizliği artıran enterpolasyonu zorunlu kılar.^[325] Akış ölçümü, genellikle göz ardı edilen seviye ölçümündeki hataların yüksek akışlar sırasında önemli ölçüde yayıldığı ve aşırı durumlarda sel frekansı tahminlerini birkaç kata kadar saptırdığı seviye-debi ilişkilerinden türetilen anahtar eğrilerine dayanır.^[326]^[327]

Yeraltı suyu seviyesi izleme, yetersiz kuyu ağlarından kaynaklanan sınırlamalarla karşı karşıyadır; veri boşlukları doğru kontur haritalamasını ve akış sistemi anlayışını engeller; özel izleme kuyuları maliyetlidir ve özellikle sürekli gözlem için kaynağı olmayan bölgelerde seyrektir.^[328]^[329] Zaman uyumsuzlukları, değişken ölçüm protokollerinden veya ekipman arızalarından kaynaklanırken, erişim engelleri ve yetersiz işbirliği havzalar arası veri entegrasyonunu engeller.^[330] Uydu kaynaklı yağış veya yerçekimi tabanlı yeraltı suyu tahminleri gibi uzaktan algılama yaklaşımları, kaba mekansal-zamansal çözünürlükler, atmosferik parazit ve yer doğrulamasına (ground truth) karşı doğrulama zorluklarıyla mücadele ederek ince ölçekli hidrolojik uygulamalar için güvenilirliklerini sınırlar.^[176]^[331]

Hidrolojik modellerde veri asimilasyonu bu sınırlamaları güçlendirir; çünkü yağış ve zorlamalardan kaynaklanan girdi belirsizlikleri parametre tahmini yoluyla yayılır ve kalibrasyon verisi kıtlığına duyarlı tahminler verir.^[223] Küresel eşitsizlikler sorunları daha da kötüleştirir; gelişmekte olan bölgeler hem yüzey hem de yeraltı gözlemlerinde derin boşluklar sergiler ve kalıcı ekonomik ve lojistik kısıtlamalara rağmen gelişmiş izleme protokollerine duyulan ihtiyacı vurgular.^[332]

Su Tahsisinde Politika ve Toplumsal Tartışmalar

Kurak ve yarı kurak bölgelerdeki su tahsis politikaları genellikle, kullanımı su kütlelerine bitişik arazi mülkiyetine bağlayan kıyı hakları (riparian rights) ve arazi yakınlığına bakılmaksızın “zamanda ilk olan, hakta ilktir” iddialarını önceliklendiren öncelikli kullanım hakkı (prior appropriation) şeklindeki rakip doktrinlere dayanır. Doğu ABD eyaletlerinde yaygın olan kıyı sistemleri, arazi sahipleri arasında makul kullanımı vurgular ancak haklar kesin olarak nicelleştirilmediği için kıtlık sırasında verimsizliklere yol açabilir.^[333] Buna karşılık, batı eyaletlerinde baskın olan öncelikli kullanım hakkı, saptırma altyapısına yatırımı teşvik eder ancak kıdemli hak sahiplerinin azalan arzın ortasında tam yetki talep etmesi durumunda çatışmaları şiddetlendirir; ayrılmazlık tartışmalarının yeniden tahsisi engellediği Kaliforniya’daki 1914 öncesi iddialarla örtüşmelerde görüldüğü gibi.^[334] Bu doktrinler, Nesli Tükenmekte Olan Türler Yasası gibi federal politikaların, eyaletlerin yerel kontrolü ihlal ettiğini düşündüğü ek kısıtlamalar getirmesiyle düzenleyici katılık yaratır ve verimli tahsis için gereken esnek fiyatlandırma ve transferleri sınırlar.^[335]

Amerika Birleşik Devletleri’nde, Colorado Nehri Havzası eyaletler arası tahsis tartışmalarını örneklendirir; burada 1922 Colorado Nehri Anlaşması, yıllık yaklaşık 16,5 milyon acre-foot suyu yukarı havza eyaletleri (Colorado, Utah, Wyoming, New Mexico) ve aşağı havza eyaletleri (Arizona, Kaliforniya, Nevada) ile Meksika’nın 1944 anlaşması kapsamındaki 1,5 milyon acre-foot payı arasında bölüştürmüştür. Nehrin ortalama 13,5 milyon acre-foot akışını aşan aşırı kullanım, 2000 yılından bu yana kuraklık ve ısınma nedeniyle %20’lik akış azalmasıyla birleşince zorunlu kesintileri tetiklemiştir; 2023 yılında ABD Islah Bürosu bir kıtlık ilan ederek Arizona ve Nevada için Lake Mead salınımlarını %9 oranında azaltmıştır. Müzakereler Haziran 2025 itibarıyla durmuş olup, yukarı havza eyaletleri aşağı havza tarımının (%80 tüketim) tarihsel aşırı kullanımıyla orantılı kesintilere direnirken, Kaliforniya kıdemli haklarını savunmaktadır; 2026 yılına kadar anlaşmaya varılamaması, Yüksek Mahkeme müdahalesi veya tek taraflı federal eylem riskini taşır.^[336] Toplumsal gerilimler, kentsel büyüme ile tarımsal taleplerden kaynaklanmaktadır; şehir kullanımı için tarlaların nadasa bırakılması gibi gönüllü transfer önerileri, potansiyel gelirde yıllık 1 milyar doları aşan ekonomik kayıpları gerekçe gösteren çiftçilerin muhalefetiyle karşılaşmaktadır.^[337]

Yeraltı suyu tahsis tartışmaları bu sorunları yoğunlaştırmaktadır; Arizona ve Idaho gibi eyaletlerde düzenlenmemiş pompalama, kapsamlı ölçüm veya üst sınırları zorlayan federal bir mülkiyet yetkisi olmaksızın 20. yüzyılın ortalarından bu yana akiferleri milyarlarca acre-foot tüketmiştir. Aşırı çekim vergileri veya sübvansiyonların kaldırılmasına yönelik politika önerileri, bu tür önlemlerin beslenim değişkenliğini göz ardı ettiğini ve gıda fiyatlarını şişirebileceğini savunan tarım lobileriyle çatışmaktadır; 2024 yılında batı yeraltı suyu çalışmaları için yapılan bir girişim, mülkiyete dayalı pompalama haklarının kısıtlanması korkusuyla Cumhuriyetçi direnişle karşılaşmıştır.^[338] Kaliforniya’da, 2014 Sürdürülebilir Yeraltı Suyu Yönetimi Yasası, 2040 yılına kadar aşırı çekimi (overdraft) engellemek için yerel planları zorunlu kılmaktadır ancak uygulama gecikmekte, 2023 itibarıyla 21 havza hala kritik aşırı çekim durumundadır ve bu da çevreci grupların yüzey akışlarını tehdit eden kontrolsüz tükenmeye karşı davalarını körüklemektedir.^[339]

Uluslararası alanda, sınıraşan havzalar tartışmaları güçlendirir; paylaşılan nehirlerin %40’ı, nüfus artışı ve azalan yağışlar altında 2050 yılına kadar kıtlık kaynaklı anlaşmazlık riski altındadır. 11 ülkeyi kapsayan Nil Havzası, yukarı havzadaki Etiyopya’nın Büyük Etiyopya Rönesans Barajı’nın (2022’den beri faaliyette, kapasite 74 milyar metreküp) suyunun %97’si için nehre güvenen aşağı havzadaki Mısır tarafından itiraz edildiğini görmektedir; Mısır varoluşsal tehditleri gerekçe göstererek akışlar üzerinde veto yetkisi talep ederken, Etiyopya Nil suyunun %85’ine katkıda bulunan dağlık bölgeleri üzerinde egemenlik iddia etmektedir.^[340] Benzer şekilde, Mekong Nehri anlaşmazlıkları, Çin’in yukarı havza barajlarının kurak mevsim akışlarını %30’a kadar azaltmasını ve veri saklama iddiaları ortasında tahsis anlaşmalarının yaptırımdan yoksun olduğu Vietnam ve Kamboçya’daki aşağı havza pirinç üretimini etkilemesini içerir.^[341] Genellikle askerileştirilmiş olmaktan ziyade “sıradan” olan bu çatışmalar, eşitlik tartışmalarını vurgular; aşağı havza devletleri hegemonik yukarı havza kontrolünü iddia ederken, ampirik veriler bağlayıcı olmayan maddelerle zayıflatılmış olsa da anlaşmalar yoluyla havzaların %70’inde işbirliği olduğunu göstermektedir.^[342] Yerli ve marjinalleştirilmiş gruplar, Navajo’nun 2012’den beri çözülmemiş 700.000 acre-foot talebi gibi ABD kabile yerleşimlerinde olduğu gibi, tarihsel anlaşmaların yerli öncelikli kullanımları nasıl göz ardı ettiğini vurgulayarak sıklıkla orantısız yükler taşımaktadır.

Araştırma Organizasyonları ve Kurumları

Uluslararası ve Hükümetlerarası Kuruluşlar

1975’te kurulan UNESCO Hükümetlerarası Hidroloji Programı (IHP), Birleşmiş Milletler sistemi içinde hidrolojik araştırmaları, su kaynakları yönetimini ve eğitimi geliştirmeye adanmış tek hükümetlerarası girişim olarak hizmet vermektedir.^[343] Ardışık aşamalarla işleyen programın mevcut IHP-IX (2022–2028) aşaması, yeraltı suyu yönetimi, ekohidroloji ve iklim adaptasyon stratejileri dahil olmak üzere su güvenliği için bilime dayalı çözümleri vurgulamaktadır.^[343] IHP, ulusal komiteler aracılığıyla 193 UNESCO Üye Devleti arasında uluslararası işbirliğini kolaylaştırır ve hidrolojik gözlemleri entegre etmek için 2025’te başlatılan IHP-WINS gibi veri paylaşım platformlarını destekler.^[344] Faaliyetleri, hidrolojik izleme ve gelişmekte olan bölgelerde kapasite geliştirme için küresel ağları koordine etmeyi, politika odaklı anlatılar yerine ampirik değerlendirmeleri önceliklendirmeyi içerir.^[345]

1950’de kurulan uzmanlaşmış bir BM ajansı olan Dünya Meteoroloji Örgütü (WMO), iç su döngüleri için gözlem, tahmin ve veri değişimini kapsayan dünya çapında operasyonel hidrolojiye liderlik eder.^[346] Hidroloji ve Su Kaynakları Programı (HWRP) aracılığıyla WMO, Hidrolojik Uygulamalar Kılavuzu (6. baskı, devam eden güncellemeler) gibi yönergelerle uygulamaları standartlaştırarak, üye devletlere sel tahmini, kuraklık izleme ve entegre su kaynakları yönetiminde yardımcı olur.^[347] 2010’dan beri uygulanan WMO Hidrolojik Gözlem Sistemi (WHOS), 100’den fazla ülkeden gerçek zamanlı küresel veri erişimi sağlayarak, tek tip antropojenik sürücüleri varsaymadan kanıta dayalı risk azaltımını destekler.^[348] WMO Hidroloji Komisyonu (CHy), 2023 değerlendirmeleri itibarıyla küresel nehir havzalarının %70’inde yetersiz kalan ölçüm ağı yoğunluğu gibi ölçüm zorluklarını ele almak için uzmanları bir araya getirir.^[349]

Bu kuruluşlar, hidrolojik modellemeyi sosyoekonomik verilerle bütünleştirerek kıtlık eşiklerini alarmist projeksiyonlar yerine ampirik olarak değerlendiren, 2010 yılında ortak UNESCO-WMO himayesinde başlatılan Nehir Havzalarında Su Kıtlığı Küresel Çerçevesi gibi girişimlerde işbirliği yapmaktadır.^[343] IHP uzun vadeli araştırma gündemlerine ve WMO operasyonel sistemlere odaklanırken, her ikisi de modellenmiş ekstrapolasyonlar yerine ulusal servislerden gelen doğrulanabilir verileri önceliklendirir, ancak kurak bölge gözlemleri için fon boşlukları devam etmektedir.^[350]

Ulusal Araştırma Ajansları

Amerika Birleşik Devletleri’nde, ABD Jeolojik Araştırmalar Kurumu (USGS) Su Kaynakları Misyon Alanı, 13.000’den fazla gerçek zamanlı istasyon ve periyodik değerlendirmeler aracılığıyla akış, yeraltı suyu seviyeleri ve su kalitesinin sürekli izlenmesi dahil olmak üzere ulusal ölçekli hidrolojik araştırmaları denetler. 1879’da USGS’nin bir parçası olarak kurulan bu program, sel, kuraklık ve kirletici taşınımını tahmin etmek için hidrolojik modeller geliştirerek, Ulusal Su Bilgi Sistemi aracılığıyla erişilebilir verilerle federal ve eyalet su yönetimi kararlarını destekler.^[351]

Kanada Çevre ve İklim Değişikliği Kurumu tarafından işletilen ve 1988’den beri Saskatoon’da bulunan Kanada Ulusal Hidroloji Araştırma Merkezi (NHRC), kar birikimi, buz sıkışması selleri ve permafrost erimesinin su döngüleri üzerindeki etkileri gibi soğuk bölge hidrolojisi üzerine araştırmaları vurgular. Tesis, izotopik analiz ve hidrometrik testler için laboratuvarlara ev sahipliği yaparak, kuzey su kaynakları politikalarını ve Arktik hidrolojisi üzerine uluslararası işbirliklerini bilgilendiren çalışmaları mümkün kılar.^[352]

Birleşik Krallık Ekoloji ve Hidroloji Merkezi (UKCEH), Doğal Çevre Araştırma Konseyi altında 1997’de kurulmuş olup, yağış-akış modellemesi ve nehirlerde çözünen madde taşınımı dahil olmak üzere havza ölçekli süreçler üzerine araştırmalar yürütür. UKCEH, Plynlimon deneysel havzaları gibi sahalardan uzun vadeli veri setlerini sürdürerek, ulusal sel uyarı sistemlerine ve değişen arazi kullanımı altında hidrolojik aşırılıkların değerlendirilmesine katkıda bulunur.^[353]

Almanya’nın Koblenz merkezli yüksek federal ajansı olan Federal Hidroloji Enstitüsü (BfG), Ren gibi büyük nehirlerin hidrodinamik modellemesi, tortu dinamikleri ve ekolojik akış gereksinimlerini kapsayan federal su yolları araştırmalarına odaklanır. İkinci Dünya Savaşı sonrası su otoritelerinin yeniden yapılanmasından bu yana faaliyette olan BfG, izleme ağlarını işletir ve navigasyon güvenliği ve sel savunma altyapısı konusunda veriye dayalı tavsiyeler sağlar.

Avustralya’nın Commonwealth Bilimsel ve Endüstriyel Araştırma Örgütü (CSIRO), 1 milyon kilometrekareyi kapsayan Murray-Darling Havzası değerlendirmelerinde gösterildiği gibi, yeraltı suyu-yüzey suyu etkileşimleri ve yönetilen akifer beslenimi fizibilitesi üzerine havza çapında çalışmalar yürüterek hidrolojiyi su araştırma portföyüne entegre eder. 1926’da kurulan CSIRO’nun çabaları, ulusal su tahsis çerçevelerine yardımcı olan uydu kaynaklı evapotranspirasyon tahminlerini ve kuraklık dayanıklılığı için senaryo modellemelerini içerir.^[354]

Fransa’nın 1968’de kurulan ulusal jeolojik araştırması Bureau de Recherches Géologiques et Minières (BRGM), binlerce sondaj kuyusundan alınan litolojik ve piyezometrik verilere dayanarak metropol ve denizaşırı topraklardaki akiferleri tanımlayan BDLISA veritabanı gibi araçlar aracılığıyla hidrojeolojik araştırmalara liderlik eder. BRGM’nin araştırması, sürdürülebilir yeraltı suyu çekim limitlerini ve öngörülen iklim senaryoları altında beslenim simülasyonlarını vurgulayarak bölgesel su ajanslarını aşırı işletim riskleri konusunda bilgilendirir.^[355]

Mesleki Topluluklar ve İşbirlikleri

Hidrolojik bilimlerdeki en eski uluslararası topluluk olarak 1922’de kurulan Uluslararası Hidrolojik Bilimler Birliği (IAHS), hidrolojik süreçlerin küresel anlayışını ilerletmek, sürdürülebilir su yönetimini teşvik etmek ve suyla ilgili riskleri azaltmak için Uluslararası Jeodezi ve Jeofizik Birliği (IUGG) altında kar amacı gütmeyen bir kuruluş olarak faaliyet göstermektedir.^[356] 150’den fazla ülkede 12.000’den fazla üyesiyle IAHS, iki yılda bir düzenlenen bilimsel toplantılar, istatistiksel hidroloji ve kar-buz hidrolojisi gibi konularda uzmanlaşmış komisyonlar ve Hydrological Sciences Journal ve 1924’e kadar uzanan açık erişimli “Red Books” serisi dahil yayınlar aracılığıyla işbirliğini kolaylaştırır.^[356]

1964 yılında kurulan Amerikan Su Kaynakları Birliği (AWRA), havza yönetimi ve modelleme gibi hidrolojik yönlere güçlü bir vurgu yaparak su kaynaklarında bilgi alışverişini, eğitimi ve mesleki gelişimi teşvik etmeye adanmış çok disiplinli bir meslek kuruluşu olarak hizmet vermektedir.^[357] AWRA, yıllık konferanslar, web seminerleri ve politika odaklı etkinlikler düzenlerken, entegre su bilimi üzerine hakemli araştırmaları yaymak için Journal of the American Water Resources Association gibi kaynaklar yayınlar.^[357]

1981 yılında kurulan Amerikan Hidroloji Enstitüsü (AIH), hidrologlar, hidrojeologlar ve teknisyenler için sertifikasyon programları aracılığıyla yetkinliği, etik standartları ve kamu yararını korumayı vurgulayarak hidroloji ve ilgili alanlardaki profesyoneller için bir belgelendirme organı olarak işlev görür.^[358] Kuruluşundan bu yana 1.400’den fazla kişiyi sertifikalandırmış, sempozyumlar ve standart geliştirme yoluyla uygulamalı hidrolojideki ilerlemeleri desteklemiştir.

1956’da kurulan Uluslararası Hidrojeologlar Birliği (IAH), hidrolojik çalışmanın kritik bir alt kümesi olan yeraltı suyu kaynaklarının bilimsel anlayışını, sürdürülebilir kullanımını ve korunmasını geliştirmek için dünya çapında 4.600’den fazla üyeyi birleştirir.^[359] IAH, akifer yönetimi gibi konularda kongreler, bölgesel bölümler ve çalışma grupları yürüterek teknik raporlar ve eğitim girişimleri yoluyla küresel yeraltı suyu politikasına katkıda bulunur.^[359]

Bu topluluklar, veri paylaşımı ve hidrolojik aşırılıklar üzerine ortak araştırmalar için ulusal organlarla ortaklık kuran IAHS komisyonları gibi disiplinler arası girişimlerde sıklıkla işbirliği yapar ve akademik, profesyonel ve uygulamalı hidroloji arasında köprü kurmadaki rollerini vurgular.^[360]