Jarosław Chormański

Importance of water level dynamics for vegetation patterns in a natural percolation mire (Rospuda fen, NE Poland)

Although conservation of percolation mires is very important for the European biodiversity, our understanding of their functioning is still insufficient, as most of the studied sites are to some extent degraded. We present a study on the relationship between vegetation patterns, hydrochemical gradients and water level fluctuations carried out in the Rospuda valley (NE Poland), which was recently discovered for science as a uniquely preserved fully functioning percolation mire. Vegetation composition, mire water chemistry and water level dynamics were studied along five transects perpendicular to the valley. Eight major vegetation types were identified: brown moss-small and slender sedge fens, Sphagnum-small sedge fens, brown moss-tall sedge fens, tall sedge-reed fens, pine-birch fen woodlands and shrublands, spruce fen woodlands, inundated alder woodlands, alder spring fen woodlands. The seasonal dynamics of water table was revealed as the major factor explaining vegetation patterns. The studied chemical parameters were relatively homogeneous in the whole mire—there is a rather uniform type of mineral-rich nutrient-poor subsurface water all across the fen.

Groundwater Modelling and Hydrological System Analysis of Wetlands in the Middle Biebrza Basin

In the presented approach, a three dimensional finite-difference steady-state groundwater model was applied to analyze the groundwater flow system of the Middle Biebrza Basin. Study contains analysis of hydrogeological and morphological outline of the area, as well as the description of developed groundwater model including conceptual model description, model calibration and sensitivity analysis of parameters. Analysis of volumetric water budget of the model within assumed boundary conditions indicated that groundwater resources of the analyzed part of the Middle Biebrza Basin in approximately 80% come from lateral inflow from the adjacent plateaus. Analysis of spatial distribution of groundwater discharge indicated that the most intensive groundwater inflow to the top peat layer is concentrated within the “Czerwone Bagno”, where the peatlands are not degraded and wetland habitats develop naturally, not being directly impacted by drainage ditches and canals.

Application of the WetSpa distributed hydrological model for catchment with significant contribution of organic soil. Upper Biebrza case study

Application of the WetSpa distributed hydrological model for catchment with significant contribution of organic soil. Upper Biebrza case study The paper treats on hydrological distributed model adaptation for a catchment with significant contribution of wetland. The WetSpa model was applied to analyzing the effects of topography, soil type, and land use cover on the runoff characteristics for upper Biebrza catchment. The derivation of parameter maps and analysis of the daily runoff as reaction of the catchment on rainfall was performed. The semi-automated calibration of the model was executed using PEST module. Then, the assessment of that crucial processes was done by calculating errors of mathematical models performance as well as hydrograph comparison. Error values, have shown that the model efficiency was estimated to be good for high flows, but unsatisfactory for low flows. This initial modeling approach gives possibility to ask question about limitation and needs of wetland catchment for rainfall-runoff modeling. Zastosownie hydrologicznego modelu o parametrach rozłożonych WetSpa w zlewni o znaczącym udziale gleb organicznych, na przykładzie górnej Biebrzy Artykuł dotyczy adaptacji modelu hydrologicznego o parametrach rozłożonych w zlewni o znaczącym udziale gleb organicznych. Zastosowany model WetSpa umożliwił dokonanie analizy wpływu topografii, rodzaju gleb i użytkowania terenu na charakterystyki odpływu w zlewni górnej Biebrzy. W pierwszym etapie określono parametry przestrzenne w postaci map, a następnie obliczano dobowy odpływ jako reakcję zlewni na opad. Do kalibracji wykorzystano procedurę półautomatyczną, stosując program PEST. Następnie przeprowadzono ocenę najważniejszych procesów, obliczając błędy modelowania matematycznego oraz porównując hydrogramy odpływu. Wielkości błędów pokazały wysoką skuteczność modelu w przypadku symulacji przepływów wysokich, lecz niesatysfakcjonujące wyniki w obliczaniu przepływów niskich. Ta wstępna analiza dała możliwość zadania pytan o granice i potrzeby w modelowaniu opad-odpływ na obszarach mokradłowych.

Understanding the Long Term Ecosystem Stability of a Fen Mire by Analyzing Subsurface Geology, Eco-Hydrology and Nutrient Stoichiometry – Case Study of the Rospuda Valley (NE Poland)

We explored the background of differences in long–term stability between two parts in an undisturbed mire system (Rospuda fen, NE Poland). We re-constructed the Holocene history of the mire and compared it with current vegetation, water level dynamics, water chemistry and nutrient availability in two basins: A, where the mire terrestrialised a deep gyttja–filled lake, and B, where peatland developed directly on fluvial sands. The current vegetation of sedge–moss fens was described in 10 relevés from each basin, groundwater was sampled from piezometers and analysed for major ions, while its relative water level was recorded during three years. N and P content was measured in above ground vascular plant samples collected within the relevés. Fens in basin A were stable in the past, whereas fens in basin B switched between open and wooded or reed–dominated phases. In basin B, where trees are more abundant, we found higher water fluctuations, occurrence of river floods and a higher N:P ratio than in basin A. Our interpretation follows that the subsurface geology of fen basin may govern mire stability by determining its hydrological–buffering capacity, which may affect N:P ratios. Our results suggest that P–limited fens are more vulnerable for changes in water level.

Temporal variability of the selected flood parameters in the Biebrza River valley

Temporal variability of the selected flood parameters in the Biebrza River valley The paper presents the application of the hydrodynamic one-dimensional model of river flow based on St Venant equations for calculation of annual floods characteristics in the Lower Biebrza River Basin situated in the Northeast of Poland. This model was combined with the Digital Elevation Model (DEM) for determining of area of flooding, its mean depth and flood volume. The model was calibrated using measurements of flood extent and verified comparing calculated flood extent to satellite images. The water level values calculated with the numerical model of flood-flow for cross-sections were next used to determine the digital model of the floodwater table in the valley. Then, inundation extent maps and water depth maps were calculated for whole area of the valley by overlaying the DEM and water table layers. This procedure, flood simulations with the hydrodynamic model and GIS analysis for determinations of inundation extent, was repeated for each day of the analyzed period of 1966-2000. A set of each year maximum calculated areas of flooding with related mean water depths and flood volumes was created and it was submitted to the trend analysis in order to determine possible change tendencies. Statistical analysis of three above described time series of annual flood characteristics was conducted with the use of moving average technique and linear regression method. Moving averages were calculate in two variants: with time step of 5 years and of 10 years. Next, linear trends were calculated by linear regression method. The results indicate that the developed hydrodynamic model of river flow combined with the DEM was useful for the calculation of annual maximum floods in the Lower Biebrza Valley and their parameters. Analysis of calculated flood parameters variability within the analyzed time period of 1961-2000 show decreasing trends for investigated area. This means that results of climate changes are perceptible in investigated area and they form serious danger to riparian wetlands. Czasowa zmienność wybranych parametrów wezbrań w dolinie rzeki Biebrzy W artykule przedstawiono zastosowanie jednowymiarowego hydrodynamicznego modelu przepływu w rzece bazującego na równaniach Saint Venanta do obliczenia charakterystyk maksymalnych rocznych zalewów rzecznych w basenie dolnej Biebrzy, usytuowanym w północno-zachodniej Polsce. Model ten został połączony z Numerycznym Modelem Terenu (NMT) dla wyznaczenia zasięgu zalewu, jego średniej głębokości i objętości. Model został skalibrowany z wykorzystaniem pomiarów zasięgu zalewu i zweryfikowany poprzez porównanie obliczonego zasięgu zalewu ze zdjęciami satelitarnymi. Rzędne zwierciadła wody obliczone modelem numerycznym przepływu dla przekroi poprzecznych były dalej użyte do wyznaczenia cyfrowego modelu zwierciadła wody w dolinie. Następnie mapy zasięgu zalewu i mapy jego głębokości zostały obliczone dla całego obszaru doliny poprzez nałożenie NMT i warstw zwierciadła wody. Ta procedura, obliczanie wezbrań przy pomocy modelu hydrodynamicznego i analiza GIS dla określenia zasięgu zalewu, została powtórzona dla każdego dnia w analizowanym okresie 1961-2000. Utworzony został zbiór maksymalnych rocznych zasięgów zalewu wraz z odpowiadającymi im średnimi głębokościami i objętościami wezbrania, który został poddany analizie trendów w celu określenia możliwych tendencji zmian. Przeprowadzona została analiza statystyczna trzech powyżej opisanych serii czasowych charakterystyk rocznych wezbrań z zastosowaniem techniki średnich ruchomych i analizy regresji. Średnie ruchome obliczono dla dwóch wariantów: z krokiem czasowym 5 lat i 10 lat. Następnie obliczono trendy liniowe metodą regresji liniowej. Uzyskane rezultaty wykazały, że opracowany hydrodynamiczny model przepływu w rzece połączony z NMT był przydatny do obliczania maksymalnych rocznych zalewów rzecznych w basenie dolnej Biebrzy i ich charakterystyk. Analiza zmienności obliczonych parametrów wezbrania dla okresu 1961-2000 wykazała istnienie trendów malejących dla badanego obszaru. Oznacza to, że rezultaty zmian klimatycznych są zauważalne w badanym obszarze i stanowią one poważne zagrożenie dla mokradeł przybrzeżnych.

The flood extent in the lower Biebrza basin calculated by the 1D flow model for different land use scenarios

The flood extent in the lower Biebrza basin calculated by the 1D flow model for different land use scenarios The flood extent in the lower Biebrza basin calculated by the 1D flow model for different land use scenarios. An application of an steady 1D flow model for determination of a flood extent in the natural river valley is discussed in this paper. The Pasche method was used to calculate the total Darcy-Weisbach friction factor for each cross section according to the type of vegetation and flow interaction between the main channel and vegetated areas. In this approach friction caused by interaction between the main channel and vegetated areas are taken into account. The model was applied to the Biebrza Valley, fairly undisturbed river-marginal peatland, located in the north-east of Poland. Actual land use carried out in the National Park was analyzed to determine the influence of changes in the vegetation structure on the flood extent in the river valley. The obtained results show variation of a flooded area in relation to the vegetation of the floodplain. Zastosowanie jednowymiarowego modelu hydrodynamicznego do wyznaczania zasięgu zalewu w Basenie Dolnym Biebrzy przy różnym sposobie użytkowania. W artykule przedstawiono jak różny sposób użytkowania doliny Basenu Dolnego Biebrzy wpływa na zasięg zalewów oraz ich średnią głębokość. Obliczenia przeprowadzono dla przepływu maksymalnego oraz średniej wartości zaobserwowanych przepływów maksymalnych z wielolecia, obejmującego okres 1965-1996. Obliczone jednowymiarowym modelem hydrodynamicznym rzędne zwierciadła wody wykorzystano za pomocą technik GIS i Numerycznego Modelu Terenu do określenia zasięgu oraz średniej głębokości zalewów. Zastosowany model hydrodynamiczny na podstawie ogólnego prawa przepływu Darcy-Weisbacha oraz procesy wymiany pędu i masy pomiędzy korytem głównym a terenami zalewowymi w ujęciu zaproponowanym przez Pasche, pozwala na uwzględnienie w obliczeniach wpływu porastającej tereny zalewowe roślinności. Cztery scenariusze użytkowania doliny realizowane są w modelu obliczeniowym poprzez przestrzenną zmienność chropowatości absolutnej roślinności porastającej dolinę rzeki. Scenariusze obejmują działania w zakresie ekstensywnego użytkowania terenów podmokłych, jak koszenie, karczowanie i wypasanie rozległych obszarów łąk. Przeanalizowano również scenariusz, w którym rozległe obszary torfowisk nie są objęte użytkowaniem, lecz są pozostawione do naturalnej sukcesji.

Automatic Calibration of the WetSpa Distributed Hydrological Model for Small Lowland Catchments

Contemporary requirements of environment protection created the need to study the hydrological regime of those catchments in which valuable and endangered wetland habitats exist. In consequence, water management scenarios are elaborated which contribute to restoration of those habitats. Keeping desired wetland status by means of water management was possible when the factors influencing catchment runoff process have been recognized. The example of the catchment, in which the swamps and the peatlands have gained high protection status, is the Biebrza River, located in North-Eastern Poland. The factors which influence the runoff of the Biebrza River alone, were subject to a wide range of research, while the runoff process in the Biebrza tributaries has not yet been well recognized. In the Upper Basin of the Biebrza River the main tributaries are: the Sidra River and the Kamienna River. For the catchment areas of those rivers WetSpa model was applied for runoff simulation basing on soil-atmosphere-plant mass balance at a catchment scale. Hydrological processes simulated included: precipitation, evapotranspiration, plant canopy interception, soil interception, infiltration and capillary rise, ground water flow. Global model parameters were calibrated for the catchment of the Kamienna River and for the catchment of the Sidra River and the comparison was made for the values of global parameters for each catchment. The model quality was verified on the independent data set. The model performance was estimated to be satisfactory for high flows, but unsatisfactory for low flows in both catchments. The differences in the runoff process for both catchments concerned climatic factors, influencing evapotranspiration, precipitation and snow thawing.

Prediction accuracy of selected spatial interpolation methods for soil texture at farm field scale

Abstract Soil texture was examined in four crop fields with areas of 10 to 45 ha located in northern and central Poland. In each field, from 21 to 60 soil samples were collected using stratified sampling. The content (%) of soil particles, i.e., sand, silt and clay, was then evaluated using laboratory methods. The apparent electrical conductivity (ECa) was measured and used as ancillary data for the interpolation of soil texture. The obtained data were used to compare selected spatial interpolation methods according to the accuracy of prediction. The examined methods were evaluated based on the results of cross-validation tests. Two methods of validation were used: leave-one-out cross-validation and validation based on a test set of points, with approximately 30% randomly selected. The smallest root mean square error (RMSE) for the prediction of sand, silt and clay was observed for ordinary cokriging in which ECa was used as a covariate. The other three methods, i.e., inverse distance weighting, radial basis functioning and ordinary kriging, had very similar RMSE values, which were approximately 10% higher compared to ordinary cokriging

Spatial and temporal variability of the interception in the natural wetland valley, the lower Biebrza basin case study

Abstract Spatial and temporal variability of the interception in the natural wetland valley, the lower Biebrza basin case study. The paper presents the research carried out in the lower basin of Biebrza River valley in order to identify interception for natural wetland plant communities. Maximum interception, i.e. the largest amount of water, expressed in millimeters, which can be captured and retained by plant canopy from rainfall is one of the key parameters of the water cycle modeling. Maximum interception was determined based on the difference of the masses of wet and dry fresh plant samples. Collection of plant material samples took place during the five measurement sessions, which began immediately after the flood recedes, and then lasted until the end of the growing season. Interception spatial variability was analyzed on the basis of the results of maximum interception measured for selected plant aggregations in the different sampling points. The obtained values were extrapolated to the area of the lower basin of Biebrza River using vegetation map of the Biebrza National Park. By conducting a test sessions in the five coming months, the maps of the spatial variability also show changes over time. Methodology used in the described tests allowed for obtaining of satisfactory results. They present, in a correct way, variation occurring between the plant aggregations due to their morphology. In most cases the results are consistent with data from the literature. As results of the analysis of spatial variability of the maximum interception, the highest values were found for the plant communities located in the immediate vicinity of the river channel. With the increase of the distance from river towards the valley edges the maximum interception values decrease. These changes can be seen in the form of strips parallel to the river channel, which corresponds to the plant zones. Obtained map of spatial variability of the maximum interception, which is the results of extrapolation of the values assigned to plant communities, has a high correlation with the map resulting from the analysis of satellite images Streszczenie Przestrzenna i czasowa zmienność intercepcji w naturalnej dolinie bagiennej, analiza przypadku dolnego basenu rzeki Biebrzy. W artykule przedstawiono badania przeprowadzone w dolnym basenie doliny rzeki Biebrzy mające na celu rozpoznanie procesów intercepcji w naturalnych zbiorowiskach roślinnych obszarów mokradłowych. Intercepcja maksymalna, czyli ilość wody wyrażona w milimetrach jaką roślina może przechwycić i zatrzymać z opadu atmosferycznego, jest jednym z kluczowych parametrów modelowania cyklu wodnego. Intercepcja maksymalna została określona na podstawie różnicy mas próbek suchych i mokrych świeżych roślin. Pobór materiału roślinnego odbywał się podczas pięciu sesji pomiarowych, które rozpoczęto bezpośrednio po ustąpieniu zalewu i które trwały do końca okresu wegetacyjnego. Przestrzenna zmienność intercepcji była analizowana na podstawie wyników pomiarów intercepcji maksymalnej dla wybranych zespołów roślinnych w różnych punktach pomiarowych. Otrzymane wartości ekstrapolowano na obszar dolnego basenu Biebrzy z wykorzystaniem mapy roślinności Biebrzańskiego Parku Narodowego. Dzięki przeprowadzeniu sesji pomiarowych w kolejnych miesiącach, mapy zmienności przestrzennej przedstawiają również zmiany zachodzące w czasie. Zastosowana w opisanych badaniach metodyka pozwoliła na uzyskanie zadawalających wyników. Prezentują one w sposób prawidłowy zmienność występującą między zespołami roślinnymi, związaną z ich morfologią. W większości przypadków wyniki są zgodne z danymi z literatury. W wyniku analizy przestrzennej zmienności intercepcji maksymalnej najwyższe wartości stwierdzono dla zbiorowisk położonych w bezpośrednim sąsiedztwie koryta rzecznego. Wraz ze wzrostem odległości od rzeki ku brzegom doliny wartości intercepcji maksymalnej maleją. Zmiany widoczne są w postaci pasów równoległych do koryta rzecznego, które odpowiadają strefom roślinnym. Mapa zmienności przestrzennej intercepcji maksymalnej, która powstała w wyniku ekstrapolacji wartości przypisanych zespołom roślinnym, wykazuje dużą korelację z mapą powstałą w wyniku analizy zdjęcia satelitarnego.

Analysis of urbanization impact on changes in river discharge – a case study of the Biała river catchment

Abstract The article presents a simulation of urbanization impact on runoff changes in an urbanized catchment. Application of a distributed hydrological WetSpa model enabled comprehensive use of Landsat satellite images as a source of data about contemporary and historical land cover in the catchment. The analyses conducted for the Biała river catchment, with over 60% of the area being urbanized, revealed a significant influence of changes in the size of urbanized area on runoff hydrograph.