• Descărcați citația
  • https://doi.org/10.1080/02626667.2014.959960
  • CrossMark

Ediție specială: Modelarea captărilor variabile temporar

  • Articol complet
  • Cifre și date
  • Referințe
  • Citații
  • Valori
  • Reimprimări și permisiuni
  • PDF
  • EPUB

Abstract

rezumat

INTRODUCERE

Incendiile sălbatice duc la schimbări rapide de mediu pe termen scurt și lung, care includ modificări ale acoperirii vegetației, proprietăților solului, fluxurilor de căldură și apă între atmosferă și sol, regimul hidrologic, eroziunea și mișcarea masei.

impactului

Modificările hidrologice post-incendiu au fost analizate pe larg în medii calde și uscate, precum Marea Mediterană, Australia, Africa de Sud și SUA (Scott 1993, Cosandey și colab. 2005, Neary și colab. 2005, Shakesby și Doerr 2006, Soulis și colab. 2012, Stoof și colab. 2012, Zhou și colab. 2013, 2014), în principal pe versanți și în bazine hidrografice la scară mică (Lavabre și colab. 1993, Scott 1993, Rosso și colab. 2007, Soulis și colab. 2012, Stoof și colab. 2012). Foarte puține studii privind impactul asupra incendiilor asupra hidrologiei au fost efectuate în bazine la scară medie și mare (Shakesby și Doerr 2006) sau în regiuni reci (Buttle și Metcalfe 2000, Owens și colab. 2013).

Majoritatea studiilor care se concentrează pe bazinele calde și uscate raportează o creștere a debitelor de debit de vârf și a debitului total. Intercepția redusă și pierderile de apă din gunoi, transpirația eliminată și formarea unui strat de sol hidrofob sunt denumite de obicei ca factori care influențează debitul terestru și creșterea debitului total (Shakesby și Doerr 2006; Neary și colab. 2005). În schimb, unele studii efectuate în bazine mai mari și mai reci au arătat rezultate contradictorii. De exemplu, Owens și colab. (2013) nu au dezvăluit nicio diferență semnificativă între debitul de vârf înainte și după incendiu pe un bazin de 158 km2 din centrul British Columbia, Canada, cu excepția începutului mai devreme (cu 2 săptămâni) al rufei. Neary și colab. (2005) au raportat o scădere a debitului de topire a zăpezii în bazinele de apă grav arse. Au raportat-o ​​la o densitate mai mică a copacilor peste bazinul ars ars, care a permis o expunere mai mare a zăpezii la evaporare. Seibert și colab. (2010) au constatat o creștere medie a debitului maxim de 120% după incendii severe care au condus la distrugerea completă a suprafețelor mari de pădure din bazinele hidrografice dominate de zăpadă din munții Cascade, SUA.

Deși au fost documentate efectele profunde ale focului asupra zăpezii, solului și caracteristicilor peisajului care conduc procesele hidrologice în regiunile reci, sunt necesare eforturi considerabile pentru a ne înțelege mai bine efectele incendiilor asupra hidrologiei bazinelor hidrografice în mediile reci. La nivel mondial, există foarte puține astfel de studii (Buttle și Metcalfe 2000, Seibert și colab. 2010) și autorii nu știu niciunul pentru Siberia. Abordarea comportamentului nestatic staționar post-incendiu este o provocare (Thirel și colab. 2015) și nu a fost încă încorporat în mod adecvat în modelele hidrologice și de mediu (Hinzman și colab. 2003). Unii autori adoptă o abordare de modelare în evaluarea impactului incendiilor asupra proceselor hidrologice (Lavabre și colab. 1993, Beeson și colab. 2001, Lane și colab. 2010, Seibert și colab. 2010, Ebel 2013). În aceste studii, modelele calibrate pe date pre-incendiu sunt utilizate ca indicatori ai modificărilor după perturbare (Seibert și colab. 2010, Lavabre și colab. 1993) și, în unele cazuri, ca instrumente pentru investigarea naturii acestor schimbări (Seibert și colab. 2010, Ebel 2013).

Scopul lucrării actuale este de a evalua impactul incendiilor de pădure asupra regimului hidrologic al bazinelor hidrografice acoperite de permafrost din Siberia de Est și de a investiga utilizarea modelului de hidrograf (Vinogradov și Vinogradova 2010, Vinogradov și colab. 2011, Semenova și colab. 2013) ca instrument pentru a ține cont de comportamentul tranzitoriu al peisajelor permafrost folosind un set dinamic al parametrilor modelului. Cu toate că in situ observațiile sunt cheia pentru detectarea tendințelor condițiilor de peisaj local și pentru a obține informații despre dinamica la nivel de proces, în regiunea studiată a Siberiei rețelele de observație sunt extrem de rare. Au fost aplicate date și produse de teledetecție pentru a umple acest gol.

SITE DE STUDIU: BAZINUL RIULUI VITIM

Siturile de studiu sunt bazinul râului Vitim, gabaritul Romanovka (18 200 km 2 - ieșirea 1 în Fig. 1) și bazinul râului Vitimkan cuibărit, gabaritul Ivanovsky (969 km 2 - ieșirea 2 în Fig. 1). Ele au fost selectate pe baza datelor de teledetecție MODIS Area Burned Area ca bazine de apă puternic afectate de incendiu în 2003. Procentele suprafeței arse ale bazinelor după incendiu în 2003 au fost de 49% (Vitim) și 78% (Vitimkan).

Publicat online:

FIG. 1 Amplasarea bazinelor hidrografice Vitim și Vitimkan (cuibărite).

FIG. 1 Amplasarea bazinelor hidrografice Vitim și Vitimkan (cuibărite).

Bazinele sunt situate în zona de permafrost continuu din Siberia de Est, în bazinul superior al râului Lena. Conținutul scăzut de umiditate la suprafață în vara anului 2002 și o perioadă fără ploaie în aprilie - mai 2003 au provocat evenimente extinse de incendii de tip „târâtoare” (Isaev 2011) în mai - iunie 2003 în întreaga regiune Transbaikal din Siberia de Est (Forkel și colab. 2012). Alegerea bazinelor de studiu a fost determinată de suprafața mare de perturbare a incendiilor și de disponibilitatea datelor hidrometeorologice.

Date de incendiu prin teledetecție

Produsul MCD45A1 - Zona arsă MODIS - oferă informații despre ziua de ardere pe bază de pixel. Datele sunt disponibile sub formă de compozite lunare din 2000 până în 2013. Rezoluția spațială a versiunii 5 a colecției, care a fost utilizată în acest studiu, este de 500 m (Boschetti și colab. 2009). Algoritmul zonei arse mapează ziua arderii folosind date de reflecție a suprafeței terenului zilnice multi-temporale bazate pe o metodă de detectare a modificărilor generice descrisă de Roy și colab. (2002, 2005).

Date hidrologice și meteorologice

Acest studiu se bazează pe utilizarea datelor zilnice obținute din rețeaua hidrometeorologică a statului rus (stații meteorologice și hidrologice). Datele zilnice de descărcare de gestiune sunt disponibile pentru perioada 1958-2004 pentru bazinul râului Vitimkan (priza Ivanovsky) și 1958-2010 pentru bazinul râului Vitim (priza Romanovka). Am obținut serii meteorologice (valori zilnice ale adâncimii precipitațiilor, temperaturii medii ale aerului și umidității relative) pentru cinci stații meteorologice (Fig. 1) de la Institutul de Cercetare All-Russian of Hydrometeorological Information - World Data Center (http: // aisori. meteo. ru/ClimateR) și clusterul științific al sistemului terestru siberian, Universitatea Jena (Eberle și colab. 2013; http://artemis.geogr.uni-jena.de/gsod-siberia/).

Principalele caracteristici ale stațiilor meteorologice sunt rezumate în Tabelul 1. Lacune scurte (până la 5 zile) în datele privind temperatura aerului și umiditatea relativă au fost completate de valori interpolate între datele anterioare și cele ulterioare. Datele de la cea mai apropiată stație la aceeași altitudine aproximativă au completat lacune mai lungi în temperatura și umiditatea aerului și goluri de orice lungime în precipitații.

Publicat online:

Tabelul 1 Caracteristicile stațiilor meteorologice utilizate în studiu. Vezi Fig. 1 pentru ID-ul stației.

Pentru a îmbunătăți calitatea datelor despre precipitații, algoritmul zilnic de precipitații pe grilă Afrodita (Yatagai și colab. 2012) a fost aplicat. Algoritmul se bazează pe o schemă cuprinzătoare de interpolare care ține cont de efectele orografice asupra distribuției precipitațiilor. Datele sunt furnizate zilnic cu o rezoluție spațială de 0,25 ° (vezi Fig. 1) constând din 4 și 41 de celule de rețea pentru bazinele Vitimkan și respectiv Vitim. Datele au fost prelucrate pentru perioada 1966-2003.

DETECTAREA MODIFICĂRILOR DE DEBIT INDUITE DE INCENDIU

Potopul de primăvară în râurile Vitim și Vitimkan începe de obicei la începutul lunii mai. Evenimentele extinse de incendii în lunile mai - iunie 2003 au fost asociate cu condiții foarte uscate și au dus la un debit extrem de scăzut atât în ​​râurile Vitim, cât și în cele Vitimkan. Doar 53 mm de precipitații au fost înregistrate în stația Troitsky Priisk de la începutul lunii mai până la mijlocul lunii iulie 2003, comparativ cu o valoare medie pe termen lung de 162 mm. Adâncimea debitului a fost de 19 mm la râul Vitimkan și de 5 mm la râul Vitim comparativ cu valorile medii pe termen lung de 131 și respectiv 54 mm. Prima furtună după incendiu a avut ca rezultat precipitații totale de 66 și 76 mm în 9 zile la stațiile Karaftit și, respectiv, Troitsky Priisk și a dus la un vârf de inundație cu adâncimea de curgere de 48 mm în bazinul râului Vitimkan la 27 iulie 2003. Ulterior precipitațiile la începutul lunii august (34 și 64 mm în 5 zile la stațiile Karaftit și Troitsky Priisk) au provocat un al doilea vârf de inundație de 49 mm la 11 august 2003 în râul Vitimkan. Fluxul total în iulie - august 2003 a fost cea mai mare valoare pentru întreaga perioadă de observație (1958-2003). Inundațiile corespunzătoare din bazinul râului Vitim (priza Romanovka) au avut loc la 29 iulie și 13 august și au fost de 8,5 și 8,1 mm, deci nu au putut fi considerate evenimente extreme.

Pentru analiza combinată a precipitațiilor și a debitului pentru bazinul râului Vitimkan am folosit stația Romanovka, chiar dacă este situată în afara bazinului, deoarece are cea mai fiabilă serie de observații (fără goluri). Figura 2 prezintă dependența diferenței dintre sumele anuale de precipitații la stația Romanovka de debit la ieșirea Ivanovsky a râului Vitimkan. Relația strânsă (cu un coeficient de corelație de 0,85) și prezența diferențelor negative între precipitații și debit sugerează subestimarea severă a evenimentelor de precipitații mari care apar la cote înalte de stația situată în valea râului Vitim. Fluxul din 2003 iese din relația obținută și arată prezența altor factori decât subestimarea precipitațiilor extreme, posibil influența focului. Evaluarea impactului focului asupra debitului în 2003 din relația observată (Fig. 2) oferă o valoare aproximativă a creșterii debitului de 100-125 mm.

Publicat online:

FIG. 2 Relația dintre adâncimea de curgere anuală (anul hidrologic) observatăR0) în bazinul râului Vitimkan și diferența dintre precipitații și adâncimea de curgere (P - R0) la stația Romanovka, 1966–2003.

FIG. 2 Relația dintre adâncimea de curgere anuală (anul hidrologic) observatăR0) în bazinul râului Vitimkan și diferența dintre precipitații și adâncimea de curgere (P - R0) la stația Romanovka, 1966–2003.

De asemenea, am efectuat o analiză pereche a datelor de debit ale celor două bazine hidrografice imbricate pentru a detecta posibile modificări ale regimului hidrologic induse de incendiu. Relația statistic semnificativă a debitului total pentru perioada iulie - august la bazinele hidrografice Vitimkan și Vitim pentru anii 1958–2002 și valorile aberante semnificative ale anului 2003 (Fig. 3) implică faptul că aproximativ 125-150 mm din debitul observat crește în bazinul râului Vitimkan poate fi legat de impactul focului. Relația prezentată în Fig. 3 are un coeficient de corelație de 0,89.

Publicat online:

FIG. 3 Relația dintre adâncimea debitului pentru perioada iulie - august în Vitimkan (FIv) și VitimFRom) bazine hidrografice, 1958–2003.

FIG. 3 Relația dintre adâncimea de curgere pentru perioada iulie - august în Vitimkan (FIv) și VitimFRom) bazine hidrografice, 1958–2003.

MODELARE HIDROLOGICĂ

În acest studiu am aplicat modelul hidrologic determinist Hidrograf (Vinogradov și Vinogradova 2010, Vinogradov și colab. 2011, Semenova și colab. 2013) pentru a detecta schimbările de scurgere în bazinele de apă afectate de incendiu, pentru a analiza factorii care cauzează aceste modificări și pentru a simula procesele în condiții non-staționare. Utilizarea modelului Hydrograph s-a bazat pe capacitatea sa de a performa în mod adecvat în medii similare de permafrost. După cum arată Semenova și colab. (2013) și Lebedeva și Semenova (2013, 2012), modelul utilizează proprietățile solului și a vegetației ca parametri de intrare și nu necesită calibrare, ceea ce oferă posibilitatea de a detecta nu numai modificările după perturbarea bazinului hidrografic, ci și de a le simula. prin introducerea modificărilor parametrilor modelului în funcție de modificările observate ale proprietăților peisajului.

Potrivit lui Semenova și colab. (2013) și Vinogradov și colab. (2011), bazinele studiate au fost mai întâi delimitate în elemente de calcul. În ceea ce privește topografia, bazinele au fost reprezentate de o grilă hexagonală de puncte reprezentative (RP). Fiecare RP se caracterizează prin altitudine, latitudine, aspect și pantă. Au fost repartizați paisprezece RP pentru bazinul Vitimkan și 28 pentru bazinul Vitimkan. În ceea ce privește peisajul, bazinele au fost împărțite în mai multe complexe de formare a scurgerilor (RFC, echivalent cu unitățile de răspuns hidrologic): roci goale pe creste, pădure de larice rare pe versanții muntoși cu înălțime ridicată, pădure densă de larice cu subpădurea dezvoltată și acoperire de mușchi pe părțile inferioare ale versanților și în văile râurilor. Parametrii RFC care reflectă proprietățile peisajelor dominante nu sunt calculați în medie la variabilitatea observată în cadrul peisajului specific, ci sunt determinați din detalii minore și încetează să mai aibă orice semnificație la nivel de considerație din cauza neglijabilității lor spațiale. În ceea ce privește delimitarea verticală, coloana de sol a fost împărțită în 20 de straturi de sol de calcul (CSL), fiecare cu grosimea de 10 cm.

Procesele hidrologice sunt simulate la RP-uri care posedă caracteristici topografice unice și un set de parametri de model legați de unul dintre RFC-uri. Bilanțurile combinate de căldură și apă sunt calculate pentru fiecare strat de sol. Apa nu curge dintr-un strat superior în unul inferior până când conținutul de umiditate al stratului superior nu atinge capacitatea sa de reținere a apei. Cantitatea de apă percolată este restricționată de capacitatea de infiltrare sol-orizont (conductivitate hidraulică saturată). Apa reziduală care nu se poate infiltra în jos este direcționată către elementele de scurgere a solului, care formează un flux orizontal subteran. Proprietățile straturilor solului, cum ar fi porozitatea, capacitatea de infiltrare și capacitatea de reținere a apei, se modifică în prezența gheții.

Modelul Hydrograph include o rutină pentru acumularea zăpezii, redistribuirea și topirea zăpezii. Modelul explică interceptarea precipitațiilor pe baza unei funcții exponențiale de stocare maximă de interceptare de către vegetație. Evapotranspirația din fiecare strat de sol este o funcție a umidității disponibile a solului, raportul dintre coeficientul potențial de evaporare și capacitatea maximă de reținere a apei și fracția de contribuție a unui strat de sol dat la evaporarea totală, a cărei valoare depinde de sol tipul și adâncimea de distribuție a sistemului radicular al vegetației. Coeficientul de evaporare potențială este proporțional cu deficitul zilnic de umiditate a aerului și urmează, de asemenea, ciclul anual de dezvoltare a vegetației.

Formarea suprafeței, solului și fluxului subteran este modelată conform conceptului de elemente de scurgere (Vinogradov și colab. 2011). Elementele de scurgere reprezintă zonele unui bazin hidrografic (de suprafață și subteran) care sunt expuse și contribuie cu apa la sistemul de drenaj non-canal sau subteran al pantei. Pentru fiecare element de scurgere, există o relație exponențială între volumul de apă și debit, cu doi parametri hidraulici. RP-urile nu sunt conectate între ele și contribuie la scurgeri de diferite tipuri direct în rețeaua de canale. Transmiterea debitului în rețeaua de canale a bazinului se realizează folosind o metodă de hidrograf lag-and-route.

Fiecare peisaj este caracterizat de un regim definit de interacțiuni permafrost - hidrologie (Semenova și colab. 2013). Ca atare, adâncimea stratului activ în rocile goale este adâncă (> 2,0 m) și apa curge întotdeauna sub suprafață. Adâncimea stratului activ în pădurea umedă și densă de zada cu acoperire de mușchi este mai mică de 1 m și de obicei are loc un debit superficial sau superficial. Pădurea de zada de pe versanți abrupți are o adâncime de dezgheț de aproximativ 1,3-2,0 m și este intermediară între celelalte două tipuri de regim hidrologic, combinând fluxul subteran profund și superficial, în funcție de faza de dezgheț a solului. Pe baza asemănării peisajelor descrise de Semenova și colab. (2013) față de cele întâlnite în bazinele actuale, parametrii modelului legați de sol și acoperirea vegetației au fost evaluați în consecință.

Am folosit serii temporale Fcover de 10 zile detectate de la distanță - acoperirea fracționată a vegetației verzi (set de date GEOV1, Barrett și Kasischke 2013) - pentru a evalua variația temporală anuală a parametrilor vegetației (cum ar fi albedo, umbrirea vegetației, coeficientul de evapotranspirare și capacitatea de stocare a intercepției) . Valorile medii ale celor patru date fenologice corespunzătoare fazelor principale ale creșterii vegetației au fost estimate astfel: 7 mai, 1 iulie, 20 iulie și 1 octombrie.

Pentru a compensa lipsa și lipsa de reprezentativitate a datelor meteorologice pentru zonele cu înălțime ridicată, au fost introduse corecții pentru temperatura aerului și precipitații. Pentru a ține cont de creșterile precipitațiilor odată cu inversarea altitudinii și a temperaturii aerului, s-a aplicat procedura de normalizare a precipitațiilor zilnice prin valorile medii anuale și corectarea valorilor zilnice ale temperaturii aerului în funcție de gradient. Precipitațiile medii anuale au fost specificate pentru fiecare RP în funcție de altitudinea sa, pe baza relației regionale dintre adâncimea anuală a precipitațiilor și cota (Semenova 2008). Această relație a fost construită pe baza datelor de la mai mult de 20 de stații meteorologice care au fost operate recent sau istoric în regiune în intervalul de înălțime 500-1500 m. Gradientul mediu lunar de temperatură a fost estimat între stațiile meteorologice Romanovka (920 m.a.s.l.) și Karaftit (1321 m.a.s.l.). Acesta variază de la –0,55 ° C/100 m în aprilie la 0,70 ° C/100 m în decembrie. Interpolarea temperaturii aerului de la stațiile meteorologice la RPs a fost realizată folosind valori estimate ale gradientului temperaturii aerului și ale diferenței de altitudine între stații și RPs.

Rezultatele simulărilor de scurgere