Development of a methodology for the estimation of the dynamic evolution of the flood - related hydrological behavior of periurban catchments under post - fire conditions

Abstract

The primary aim of this dissertation is the development of a methodological framework to theoretically estimate the dynamic evolution of hydrological parameters that affect flood risk as a function of time, following the occurrence of forest fires. The research focuses on flood risk assessment under post-fire conditions for Mediterranean periurban catchments. To this end, a methodological framework to theoretically estimate the dynamic evolution of hydrological parameters that affect flood risk as a function of time, following the occurrence of forest fires has been developed. For this research the term “hydrological recovery” was introduced for the first time in international literature in order to describe the (post-fire) stage when the hydrological response of a burnt catchment has recovered, for all practical (hydrological response) purposes, to its pre-fire state. It is suggested that hydrological recovery may occur earlier than (a more complete) “environmental recovery”, which is achieved when the catchment’s natural reforestation and ecosystem rebalance occur – a process that often takes several years (if at all) after a major fire event. First, the impact of forest fires on a catchment has been examined from a spatiotemporal perspective. This impact depends strongly on fire extent and Fire Severity. Time periods of variable duration and different hydrological impact, directly associated with the status of vegetation regrowth, were identified within each severity class. Then, initial conditions are examined in terms of soil moisture. Curve Number (CN), Initial Abstraction (IA), Standard Lag (TP), Peaking Coefficient (CP) and Muskingum K coefficient were selected for this research and the change in their values for different initial conditions has been quantified. The time interval between the occurrence of a fire event and the analyzed flood events was also taken into consideration. Hence, a set of equations was developed to express the post-fire evolution in time of each examined hydrological parameter. The study area is Rafina catchment, a typical Mediterranean periurban area in Eastern Attica region, particularly prone to floods and forest fires. The application of the equations yielded the final values of the hydrological parameters, used for simulations of historic floods. For all examined flood events the simulated peak flows, runoff volumes and times to peak match well to the corresponding values derived from observed datasets, when available. A detailed sensitivity analysis that verifies the efficiency of the proposed methodology was also performed and representative flood maps were produced for the study area. It is concluded that the post-fire impact is very intense during the first post-fire period, while it is sharply decreasing with time, until hydrological recovery occurs and the post-fire hydrological footprint vanishes. This impact is not the same on all examined hydrological parameters, while the calibration of all 5 parameters yields optimum simulations. Finally, it is concluded that the incorporation of the proposed methodology in a hydrological model yields accurate and representative simulations.

Πρωταρχικός στόχος της παρούσας έρευνας είναι η ανάπτυξη ενός ολοκληρωμένου πλαισίου για αποτελεσματική εκτίμηση του πλημμυρικού κινδύνου στο πολύπλοκο, ευμετάβλητο και ευαίσθητο περιαστικό περιβάλλον. Η έρευνα εστιάζει στην εκτίμηση του πλημμυρικού κινδύνου υπό μεταπυρικές συνθήκες για Μεσογειακές περιαστικές λεκάνες απορροής. Έτσι, αναπτύχθηκε ένα μεθοδολογικό πλαίσιο για τη θεωρητική εκτίμηση της δυναμικής εξέλιξης των υδρολογικών παραμέτρων που επηρεάζουν τον πλημμυρικό κίνδυνο ως συνάρτηση του χρόνου, μετά την εκδήλωση δασικών πυρκαγιών. Για την εκπόνηση της έρευνας εισήχθη για πρώτη φορά στη διεθνή βιβλιογραφία ο όρος «υδρολογική επαναφορά» για να περιγράψει το (μεταπυρικό) στάδιο όταν η υδρολογική απόκριση λεκάνης απορροής που έχει καεί, έχει επανέλθει, από κάθε πρακτική (υδρολογικής απόκρισης) απόψη, στην κατάσταση που βρισκόταν πριν την πυρκαγιά. Προτείνεται ότι η υδρολογική επαναφορά μπορεί να επέλθει νωρίτερα από την (πιο πλήρη) «περιβαλλοντική επαναφορά», η οποία επιτυγχάνεται με φυσική αναδάσωση και επανάκτηση της ισορροπίας των οικοσυστημάτων – μία διαδικασία που συχνά χρειάζεται αρκετά χρόνια μετά από μία σημαντική δασική πυρκαγιά για να επέλθει, αν τελικά επέλθει. Αρχικά εξετάζεται η χωροχρονική επίδραση των δασικών πυρκαγιών σε λεκάνη, η οποία εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την έκταση και τη σφοδρότητα της πυρκαγιάς. Σε κάθε κλάση σφοδρότητας εντοπίζονται χρονικές περίοδοι μεταβλητής διάρκειας και διαφορετικής υδρολογικής επίδρασης, σε άμεση συσχέτιση με την κατάσταση αναγέννησης της βλάστησης. Στη συνέχεια, εξετάζονται οι αρχικές συνθήκες ως προς την εδαφική υγρασία. Για την έρευνα επιλέχθηκαν: ο Αριθμός Καμπύλης (CN), οι Αρχικές Απώλειες (IA), η Τυπική Υστέρηση (TP), ο Συντελεστής Αιχμής (CP) και ο Συντελεστής Muskingum K και ποσοτικοποιήθηκε η αλλαγή των τιμών τους για διαφορετικές αρχικές συνθήκες. Το χρονικό διάστημα μεταξύ της εκδήλωσης της πυρκαγιάς και του υπό εξέταση πλημμυρικού επεισοδίου επίσης ελήφθη υπόψη. Στο πλαίσιο αυτό, αναπτύχθηκαν εξισώσεις για τον υπολογισμό της μεταπυρικής εξέλιξης στο χρόνο των εξεταζόμενων υδρολογικών παραμέτρων. Περιοχή μελέτης είναι η λεκάνη απορροής του ρέματος Ραφήνας, μία τυπική Μεσογειακή περιαστική περιοχή στην Ανατολική Αττική, ιδιαίτερα επιρρεπής σε πλημμύρες και πυρκαγιές. Η εφαρμογή των εξισώσεων έδωσε τις τελικές τιμές των υδρολογικών παραμέτρων, που χρησιμοποιήθηκαν για προσομοιώσεις ιστορικών πλημμυρών. Για όλα τα εξεταζόμενα πλημμυρικά επεισόδια οι προσομοιωμένες παροχές αιχμής, όγκοι απορροής και χρόνοι ανόδου είναι σε καλή συμφωνία με τις αντίστοιχες τιμές που προκύπτουν από παρατηρήσεις, όταν διατίθενται. Έγινε επιπλέον λεπτομερής ανάλυση ευαισθησίας που επαληθεύει την αποτελεσματικότητα της προτεινόμενης μεθοδολογίας και καταρτίστηκαν αντιπροσωπευτικοί πλημμυρικοί χάρτες για την περιοχή μελέτης. Συμπεραίνεται ότι η επίδραση της πυρκαγιάς είναι πολύ έντονη κατά την πρώτη μεταπυρική περίοδο, ενώ μειώνεται απότομα με το χρόνο μέχρι να επέλθει υδρολογική επαναφορά και να εξαφανιστεί το μεταπυρικό υδρολογικό αποτύπωμα. Η επίδραση δεν είναι η ίδια σε όλες τις εξεταζόμενες υδρολογικές παραμέτρους, ενώ η βαθμονόμηση και των 5 παραμέτρων δίνει βέλτιστες προσομοιώσεις. Εν τέλει, συμπεραίνεται ότι η ενσωμάτωση της προτεινόμενης μεθοδολογίας σε υδρολογικό μοντέλο καταλήγει σε ακριβείς και αντιπροσωπευτικές προσομοιώσεις.