Виявлення негайного впливу пожежі на стік у погано оціненому гірському басейні вічної мерзлоти

  • Завантажити цитату
  • https://doi.org/10.1080/02626667.2014.959960
  • CrossMark

Спеціальний випуск: Моделювання тимчасово-змінних водозборів

  • Повна стаття
  • Цифри та дані
  • Список літератури
  • Цитати
  • Метрики
  • Передруки та дозволи
  • PDF
  • EPUB

Анотація

Резюме

ВСТУП

Пожежі призводять до швидких короткострокових та довгострокових змін навколишнього середовища, що включають зміни рослинного покриву, властивостей ґрунту, тепла та потоків води між атмосферою та грунтом, гідрологічного режиму, ерозії та масового руху.

впливу

Післяпожежні гідрологічні зміни широко аналізувались у теплих і сухих середовищах, таких як Середземне море, Австралія, Південна Африка та США (Scott 1993, Cosandey та ін. 2005, Нірі та ін. 2005, Шексбі та Доерр 2006, Соуліс та ін. 2012, Stoof та ін. 2012, Чжоу та ін. 2013, 2014), в основному на схилах та на малих вододілах (Lavabre та ін. 1993, Скотт 1993, Россо та ін. 2007, Суліс та ін. 2012, Stoof та ін. 2012). Дуже мало досліджень впливу пожежі на гідрологію було проведено в середніх і великих басейнах (Shakesby and Doerr 2006) або в холодних регіонах (Buttle and Metcalfe 2000, Owens та ін. 2013).

Більшість досліджень, присвячених теплим і сухим водозборам, повідомляють про збільшення пікових скидів і загального стоку. Зменшені перехоплення та втрати води в смітті, усунена транспірація та утворення гідрофобного шару грунту зазвичай називають факторами, що впливають на сухопутний потік та збільшення загального потоку (Shakesby and Doerr 2006; Neary та ін. 2005). Навпаки, деякі дослідження в більших і холодних басейнах показали суперечливі результати. Наприклад, Оуенс та ін. (2013) не виявив жодної суттєвої різниці між піковим потоком до та після пожежі над водозбором 158 км 2 у центральній Британській Колумбії, Канада, за винятком попереднього початку (до 2 тижнів) освіжі. Близький та ін. (2005) повідомили про зменшення потоку танення снігу на сильно обпалених вододілах. Вони пов’язали це з нижчою щільністю дерев над обпаленим вододілом, що дозволило збільшити вплив снігового покриву на випаровування. Зайберт та ін. (2010) виявили середній піковий приріст потоку на 120% після сильних лісових пожеж, що призвели до повного знищення великих ділянок лісу на водозбірних ділянках, де переважають сніги в Каскадних горах, США.

Хоча були задокументовані глибокі наслідки пожежі на снігу, грунті та ландшафтних характеристиках, що зумовлюють гідрологічні процеси в холодних регіонах, все ще потрібні значні зусилля для просування нашого розуміння впливу лісових пожеж на гідрологію водозбору у холодних середовищах. У всьому світі таких досліджень дуже мало (Buttle and Metcalfe 2000, Seibert та ін. 2010), і автори не знають жодного для Сибіру. Боротися з нестаціонарною поведінкою ландшафту після пожежі є складним завданням (Thirel та ін. 2015), і він ще не був належним чином включений в гідрологічні та екологічні моделі (Hinzman та ін. 2003). Деякі автори застосовують підхід моделювання для оцінки впливу пожежі на гідрологічні процеси (Lavabre та ін. 1993, Бісон та ін. 2001, пров та ін. 2010, Зайберт та ін. 2010, Ebel 2013). У цих дослідженнях моделі, відкалібровані за попередніми даними, використовуються як індикатори змін після збурення (Сейберт та ін. 2010, Lavabre та ін. 1993), а в деяких випадках і як інструменти для дослідження природи цих змін (Seibert та ін. 2010, Ebel 2013).

Метою даної роботи є оцінка впливу лісових пожеж на гідрологічний режим покритих багаторічно мерзлотою вододілів Східного Сибіру та дослідження використання моделі гідрографа (Виноградов та Виноградова 2010, Виноградов та ін. 2011, Семенова та ін. 2013) як інструмент для врахування перехідної поведінки вічномерзлих ландшафтів за допомогою динамічного набору параметрів моделі. Хоча на місці спостереження є ключовими для виявлення тенденцій місцевих ландшафтних умов та отримання розуміння динаміки рівня процесів, у досліджуваному регіоні Сибіру мережі спостережень надзвичайно розріджені. Дані дистанційного зондування та продукти застосовувались для заповнення цієї прогалини.

МІСЦЕ ДОСЛІДЖЕННЯ: БАСЕЙН РІКИ ВІТІМ

Місця дослідження - басейн річки Вітим, колія Романівки (18 200 км 2 - вихід 1 на рис. 1) та вкладений басейн річки Вітімкан, Івановський колектор (969 км 2 - вихід 2 на рис. 1). Вони були обрані на основі даних дистанційного зондування MODIS Burned Area як вододіли, які сильно постраждали від пожежі в 2003 році. Відсоток обпаленої площі басейнів після пожежі в 2003 році становив 49% (Vitim) і 78% (Vitimkan).

Опубліковано в Інтернеті:

Рис. 1 Розташування басейнів річок Вітим та Вітімкан (вкладені).

Рис. 1 Розташування басейнів річок Вітим і Вітімкан (вкладені).

Басейни розташовані в зоні суцільної мерзлоти Східного Сибіру в басейні річки Верхня Лена. Низький вміст вологості в поверхні влітку 2002 року та бездощовий період у квітні – травні 2003 року спричинили великі пожежі типу «повзання» (Ісаєв 2011) у травні – червні 2003 року по всьому Забайкальському регіону Східного Сибіру (Форкель та ін. 2012). Вибір досліджуваних водозбірних басейнів визначався великою площею пожежних порушень та наявністю гідрометеорологічних даних.

Дані дистанційного зондування пожежі

Виріб MCD45A1 - зона спалення MODIS - надає інформацію про день горіння на основі кожного пікселя. Дані доступні у вигляді щомісячних композитів з 2000 по 2013 рр. Просторова роздільна здатність колекції версії 5, яка була використана в цьому дослідженні, становить 500 м (Boschetti та ін. 2009). Алгоритм спаленої площі відображає день горіння за допомогою багаточасових даних про відбиття поверхні суші на основі загального методу виявлення змін, описаного Роєм та ін. (2002, 2005).

Гідрологічні та метеорологічні дані

Це дослідження базується на використанні щоденних даних, отриманих від Російської державної гідрометеорологічної мережі (метеорологічних та гідрологічних станцій). Є дані про щоденні скиди за період 1958–2004 рр. Для басейну річки Вітімкан (вихід Івановського) та 1958–2010 рр. Для басейну річки Вітим (вихід Романівки). Ми отримали метеорологічний ряд (добові значення глибини опадів, середньої температури повітря та відносної вологості повітря) для п’яти метеорологічних станцій (рис. 1) від Всеросійського науково-дослідного інституту гідрометеорологічної інформації - Світового центру даних (http: //aisori.meteo. ru/ClimateR) та Сибірський науковий кластер систем Землі, Єнський університет (Eberle та ін. 2013; http://artemis.geogr.uni-jena.de/gsod-siberia/).

Основні характеристики метеорологічних станцій узагальнені в таблиці 1. Короткі прогалини (до 5 днів) у даних про температуру повітря та відносну вологість заповнювались значеннями, інтерпольованими між попередньою та наступними датами. Більші прогалини в температурі та вологості повітря, а також проміжки будь-якої довжини в опадах заповнювались даними найближчої станції на тій же приблизній висоті.

Опубліковано в Інтернеті:

Таблиця 1 Характеристика метеорологічних станцій, які використовувались у дослідженні. Ідентифікатор станції див. На рис. 1.

Для поліпшення якості даних про опади застосовується щоденний сітчастий алгоритм опадів Афродіта (Ятагай та ін. 2012). Алгоритм базується на комплексній схемі інтерполяції, що враховує орографічний вплив на розподіл опадів. Дані надаються щодня з просторовою роздільною здатністю 0,25 ° (див. Рис. 1), що складається з 4 та 41 осередків сітки для басейнів Vitimkan та Vitim, відповідно. Дані оброблялись за період 1966–2003 рр.

ВИЗНАЧЕННЯ ЗМІН ПОТРІБЛЕННЯ ПОЖЕЖОМ

Весняна повінь у річках Вітим та Вітімкан зазвичай починається на початку травня. Широкі події стихійних пожеж у травні – червні 2003 року були пов’язані з дуже сухими умовами та призвели до надзвичайно низького потоку в річках Вітим та Вітімкан. З початку травня до середини липня 2003 року на станції Троїцький Прийськ було зафіксовано лише 53 мм опадів порівняно з довгостроковим середнім значенням 162 мм. Глибина потоку становила 19 мм на річці Вітімкан та 5 мм на річці Вітим порівняно з довгостроковими середніми значеннями 131 та 54 мм відповідно. Перша буря після пожежі призвела до загальної кількості опадів 66 і 76 мм за 9 днів на станціях Карафтіт і Троїцький Прийськ відповідно, і призвела до піку повені з глибиною потоку 48 мм у басейні річки Вітімкан 27 липня 2003 року. дощі на початку серпня (34 і 64 мм за 5 днів на станціях Карафтіт та Троїцький Прийськ) спричинили другий пік повені 49 мм 11 серпня 2003 року у річці Вітімкан. Загальний потік у липні – серпні 2003 р. Був найвищим значенням за весь період спостереження (1958–2003 рр.). Відповідні повені в басейні річки Вітім (вихід Романівка) сталися 29 липня і 13 серпня і склали 8,5 і 8,1 мм, тому не можуть розглядатися як екстремальні події.

Для комбінованого аналізу даних про опади та витрати для басейну річки Вітімкан ми використовували станцію Романівка, хоча вона розташована поза басейном, оскільки має найнадійнішу серію спостережень (без пропусків). На рис. 2 представлена ​​залежність різниці між річними сумами опадів на станції Романівка від потоку на виході Івановського з річки Вітімкан. Тісний взаємозв'язок (з коефіцієнтом кореляції 0,85) та наявність негативних відмінностей між опадами та витратою свідчать про значну недооцінку великих подій опадів, що відбуваються на великих висотах станцією, розташованою в долині річки Вітим. Потік у 2003 р. Виділяється із отриманих взаємозв’язків і свідчить про наявність інших факторів, крім недооцінки екстремальних опадів, можливо впливу вогню. Оцінка впливу пожежі на витрату в 2003 році із спостережуваного співвідношення (рис. 2) дає приблизне значення збільшення потоку на 100–125 мм.

Опубліковано в Інтернеті:

Рис. 2 Зв'язок між спостережуваною річною (гідрологічним роком) глибиною потоку (Р.0) у басейні річки Вітімкан та різниця між опадами та глибиною стоку (P - Р.0) на станції Романівка, 1966–2003.

Рис. 2 Зв'язок між спостережуваною річною (гідрологічним роком) глибиною потоку (Р.0) у басейні річки Вітімкан та різниця між опадами та глибиною стоку (P - Р.0) на станції Романівка, 1966–2003.

Ми також провели парний аналіз даних про потоки двох вкладених вододілів, щоб виявити можливі пожежні зміни гідрологічного режиму. Статистично значуща залежність загального стоку за липень – серпень у басейнах річок Вітімкан та Вітим за 1958–2002 рр. Та значний випадок 2003 р. (Рис. 3) свідчить про те, що приблизно 125–150 мм спостережуваного збільшення басейн річки Вітімкан може бути пов'язаний із пожежею. Зв’язок, показаний на рис. 3, має коефіцієнт кореляції 0,89.

Опубліковано в Інтернеті:

Рис. 3 Зв'язок між глибиною стоку за липень – серпень у Вітімкані (FIv) та Vitim (FРим) басейни річок, 1958–2003.

Рис. 3 Зв'язок між глибиною потоку за липень – серпень у Вітімкані (FIv) та Vitim (FРим) басейни річок, 1958–2003.

ГІДРОЛОГІЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ

У цьому дослідженні ми застосували детерміновану гідрологічну модель Гідрограф (Виноградов та Виноградова 2010, Виноградов та ін. 2011, Семенова та ін. 2013) для виявлення змін стоку на водозборах, що постраждали від пожежі, вивчення факторів, що спричиняють ці зміни, та моделювання процесів у нестаціонарних умовах. Використання моделі Hydrograph базувалося на її здатності адекватно працювати в подібних умовах вічної мерзлоти. Як показала Семенова та ін. (2013) та Лебедєвої та Семенової (2013, 2012), модель використовує властивості ґрунтово-рослинного покриву як вихідні параметри і не вимагає калібрування, що дає можливість не тільки виявити зміни після порушення водозбору, але й змоделювати їх шляхом внесення змін параметрів моделі відповідно до спостережуваних змін властивостей ландшафту.

На думку Семенової та ін. (2013) та Виноградова та ін. (2011), досліджені басейни спочатку окреслили на обчислювальні елементи. З точки зору топографії басейни були представлені гексагональною сіткою репрезентативних точок (РП). Кожна RP характеризується висотою, широтою, аспектом та нахилом. Для басейну Вітімкану було призначено чотирнадцять RP, а для басейну Вітим - 28. За ландшафтом басейни були розділені на кілька комплексів формування стоків (RFC, еквівалентні одиницям гідрологічного реагування): голі скелі на хребтах, рідкісний модриновий ліс на високогірних схилах гір, густий модриновий ліс з розвиненим підліском та моховим покривом на нижніх частинах схилів і в долинах річок. Параметри RFC, що відображають властивості домінуючих ландшафтів, не усереднюються за спостережуваною мінливістю в межах конкретного ландшафту, а натомість визначаються з незначних деталей і перестають мати будь-яке значення на рівні розгляду через їх просторову незначність. З точки зору вертикального розмежування ґрунтовий стовп був розділений на 20 обчислювальних шарів ґрунту (CSL), кожен товщиною 10 см.

Гідрологічні процеси моделюються на РП, що мають унікальні топографічні характеристики та набір параметрів моделі, що відносяться до одного з RFC. Комбінований тепловий та водний баланси розраховуються для кожного шару грунту. Вода не перетікає з верхнього шару в нижній, поки вміст вологи у верхньому шарі не досягне своєї водоутримуючої здатності. Кількість просоченої води обмежується здатністю інфільтрації ґрунтового горизонту (насиченою гідропровідністю). Залишкова вода, яка не може просочитися вниз, направляється до грунтово-стокових елементів, які утворюють горизонтальний підземний потік. Такі властивості шарів ґрунту, як пористість, здатність до інфільтрації та здатність утримувати воду, змінюються в присутності льоду.

Модель Hydrograph включає процедуру накопичення, перерозподілу та танення снігу. Модель враховує перехоплення опадів на основі експоненціальної функції максимального зберігання перехоплення рослинністю. Випаровування з кожного шару ґрунту є функцією доступної вологості ґрунту, співвідношення між потенційним коефіцієнтом випаровування та максимальною водозберігаючою здатністю та часткою внеску даного шару ґрунту в загальне випаровування, значення якого залежить від ґрунту тип і глибина поширення кореневої системи рослинності. Коефіцієнт потенційного випаровування пропорційний добовому дефіциту вологи в повітрі, а також відповідає річному циклу розвитку рослинності.

Формування поверхневого, грунтового та підземного потоків моделюється відповідно до концепції стоків (Виноградов та ін. 2011). Елементи стоку представляють ділянки водозбору (поверхневі та підземні), які піддаються впливу і вносять воду в неканальну або підземну дренажну систему схилу. Для кожного елемента стоку існує експоненціальна залежність між об’ємом води та виливом із двома гідравлічними параметрами. RP не пов'язані між собою і вносять стік різних типів безпосередньо в мережу каналів. Передача потоку в канальній мережі басейну здійснюється за допомогою методу гідрографа із запізненням.

Кожен ландшафт характеризується певним режимом взаємодії вічної мерзлоти та гідрології (Семенова та ін. 2013). Таким чином, глибина активного шару в оголених породах глибока (> 2,0 м), і вода завжди тече нижче поверхні. Глибина активного шару у вологому густому модриновому лісі з моховим покривом становить менше 1 м, і зазвичай відбувається поверхневий або дрібний підземний потік. Модриновий ліс на крутих схилах має глибину відтавання близько 1,3–2,0 м і є проміжним між двома іншими типами гідрологічного режиму, поєднуючи глибокий та мілководний підземний потік залежно від фази відтавання ґрунту. Виходячи із подібності ландшафтів, описаних Семеновою та ін. (2013) до тих, що зустрічаються в поточних басейнах, параметри моделі, пов'язані з ґрунтово-рослинним покривом, були оцінені відповідно.

Ми використовували дистанційно вимірюваний 10-денний часовий ряд Fcover - дробове покриття зеленої рослинності (набір даних GEOV1, Barrett and Kasischke 2013) - для оцінки річних часових змін параметрів рослинності (таких як альбедо, затінення рослинності, коефіцієнт випаровування та місткість перехоплення) . Середні значення чотирьох фенологічних дат, що відповідають основним фазам росту вегетації, оцінювались наступним чином: 7 травня, 1 липня, 20 липня та 1 жовтня.

Для компенсації нестачі та нерепрезентативності метеорологічних даних для районів з високими висотами були введені поправки на температуру повітря та кількість опадів. Для обліку збільшення опадів із збільшенням висоти та температури повітря застосовували процедуру нормування добових опадів за середньорічними значеннями та корекцію добових значень температури повітря за значенням градієнта. Середнє річне число опадів було вказано для кожної РП залежно від її висоти на основі регіональної залежності між річною глибиною та висотою опадів (Семенова, 2008). Цей взаємозв'язок був побудований на основі даних понад 20 метеорологічних станцій, які експлуатувались нещодавно або в минулому в регіоні в діапазоні висот 500-1500 м. Середньомісячний градієнт температури оцінювався між метеостанціями Романівка (920 м) і Карафтіт (1321 м). Він коливається від –0,55 ° C/100 м у квітні до 0,70 ° C/100 м у грудні. Інтерполяція температури повітря від метеостанцій до РП проводилася з використанням розрахункових значень градієнта температури повітря та різниці висот між станціями та РП.

Результати моделювання стоку