Analysis and modeling of the effects on changes in discharge in fire-damaged and harvested forests

A forest fire started in the county of Västmanland on the 31st of July in the summer of 2014. As a result of a dry summer and hard winds, the fire rapidly increased in size and came to be the largest fire in modern Swedish history, covering a massive area of 14 000 hectares. Forest fires have been common historically and have occurred on a frequent basis in boreal woods, but due to more effective fire fighting over the years it has been possible to extinguish the majority of the fires before they have been able to increase in size. However, expected changes in the climate such as higher temperatures and less precipitation extend the fire season and large fires may therefore occur more frequently in the future. The aim of this study is to analyse how the discharge alter as result of forest fires and trees felled due to fire damage. SMHI’s model named HYPE was used in order to identify any possible differences in discharge. The model has been developed by SMHI to enable the calculation of discharge in areas where there are no available monitoring stations. It has however never been determined how fire damaged areas should be represented in this model. It was during this project therefore required to calibrate those parameters in the model that supposedly are correlated to the effects of fires. Discharge has been registered by SMHI between 1979 and 1998 in Valsjöbäcken, which is one of the fire-damaged watersheds in 2014. The data was used to calibrate the model for the period before the fire to eliminate any deviations that may have caused existent differences. The results were then evaluated both visually and by utilising the Nash Sutcliffe’s efficiency coefficient. After the fire, the Department of Aquatic Sciences and Assessment at SLU placed a monitor at Valsjöbäcken to register the water depth. Discharge measurements were also performed and used to create a rating curve to convert registered water levels to discharge. As a result of running simulations in HYPE, it was shown that significant alterations had occurred in terms of hydrological attributes in the affected area. The largest differences were noticed during spring flood and wet periods in the late summer and autumn period. It was also shown that the discharge registered after the fire was greater than the discharge calculated by the model. The high discharge during springtime is explained by the fact that the snow melted much faster. Also, the loss of vegetation allowed more precipitation to reach ground level and evaporation was decreased, which led to more water available for discharge in the area. After the fire, the increase in higher water levels in combination with a decrease of the capability for the ground to hold water resulted in a higher discharge. By calibrating the affected parameters, it was possible to see an increase in the Nash Sutcliffe’s efficiency coefficient. The coefficient reached 0.830 compared to the previous 0.567, which confirms the observed hydrological changes.I Västmanlands län startade den 31 juli 2014 en skogsbrand som utvecklades till den största branden i svensk modern historia. Den torra sommaren i kombination med starka vindar gjorde att branden spred sig snabbt och ett område på ca 14 000 hektar drabbades. Historiskt sett har skogsbränder varit frekvent förekommande i boreala skogar men i takt med att brandbekämpningen effektiviserats släcks de flesta bränderna innan de hinner sprida sig. Förväntade klimatförändringarna med ett varmare och torrare klimat skulle förlänga brandssäsongen, vilket innebär att stora bränder riskerar att förekomma mer frekvent i framtiden. Syftet med denna studie är att undersöka om och i så fall hur vattenföringen förändras till följd av skogsbränder och avverkning av brandskadad skog. För att identifiera eventuella skillnader användes HYPE-modellen som är framtagen av SMHI för att beräkna flödet i vattendrag där det inte finns tillgängliga mätstationer. Det är dock inte bestämt hur brandskadade områden ska representeras i modellen. För att efterlikna de nya förhållandena utfördes därför under projektets gång en kalibrering av de parametrar som antogs kunna påverkas av en brand. Från ett av de brandskadade avrinningsområdena, Valsjöbäcken, finns uppmätta flöden mellan 1979 och 1998 från en av SMHIs mätstationer. Dessa flöden användes för att kalibrera modellen för perioden innan branden. På så vis kunde det uteslutas att eventuella skillnader i flöde efter branden berodde på befintliga avvikelser i modellen. Resultaten utvärderades både visuellt och med hjälp av Nash Sutcliffes effektivitetskoefficient. Tryckgivare placerades ut i Valsjöbäcken efter branden av Institutionen för vatten och miljö vid SLU för att registrera vattennivån. Det utfördes även flödesmätningar i Valsjöbäcken som användes till att skapa en avbördningskurva för att kunna omvandla den uppmätta vattennivån till uppmätt flöde. Simuleringar i HYPE efter branden visade att betydande förändringar skett gällande områdets hydrologiska egenskaper. De största skillnaderna observerades under vårfloden och fuktigare perioder under sensommar och höst. Det uppmätta flödet efter branden var större än det modellerade flödet under i stort sett hela den undersökta tidsperioden. De stora flödena under våren berodde på att snösmältningens hastighet ökade. Förlusten av vegetation bidrog till att mer nederbörd nådde markytan och att avdunstningen minskade vilket resulterade i mer tillgängligt vatten i området. Mer tillgängligt vatten, i kombination med att markens vattenhållande förmåga minskade och andelen ytavrinning ökade, bidrog även det till större flöden efter branden. Efter kalibrering av de berörda parametrarna steg värdet för Nash Sutcliffes effektivitetskoefficient från 0,567 till 0,830 vilket bekräftar de hydrologiska förändringarna.