Stefan Ignar

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.

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.

Wetlands and Water Framework Directive: Protection, Management and Climate Change

In this chapter the general context of protection and management of wetlands in legal frameworks of water management is discussed. We present the background of the book, referring to its main conclusions and achievements. The main finding is that the existing regulations of the European environmental policy are sufficiently accurate and provide adequate tools to maintain good status of ecosystems as well as to restore the degraded ecosystems that provide a potential of reaching the favourable environmental status. However, implementation of these regulations requires attention and enhancement, as in selected cases it fails to fulfil their environmental objectives. We state that the main attention of the EU environmental policy the day before, when the good status of waters and aquatic ecosystems demanded by the water framework directive has to be met by the member states, should pay special attention at assessment of the implementation efficiency of existing legal regulations rather than at the development of the new ones. We conclude that in order to succeed with the adaptive management of wetlands facing climate change, social sciences should be more deeply involved in EU environmental policy inducing attitudes of managing authorities and users of valuable wetlands.

Wetlands in flux: looking for the drivers in a central European case

Planet Earth is undergoing significant changes which are driven by natural and anthropogenic factors. However, it is difficult to identify the drivers and their effect on the environment and ecosystems because there are many interdependencies. In this study we present a multi-parameter approach to assess the effect of changes in human-induced and natural drivers on a wetland ecosystem. The study area is one of the most prominent European wetlands: the Biebrza Basin, located in north-eastern Poland. We analysed long-term (ca. 1960–2000) changes in meteorology, hydrology, soil and vegetation, and also conservation history. This approach enabled us to identify interactions between environmental change and management. We found significant trends (1960–2012) indicating climate change: increases in temperature, evapotranspiration and earlier start of spring floods. We identified (1970–2000) a shift towards drier vegetation types after drainage. However, we also found that restoration measures that were implemented have mitigated climate change effects and have led to increases in soil moisture and wetter vegetation types. We conclude that, if carried out sufficiently frequently, the management measures implemented in the Biebrza Basin, which are a combination of different restoration measures (blocking drainage, not clearing aquatic vegetation, bush removal, mowing), can to some extent mitigate the effects of climate change.