Forest damage, waterflow and digital elevation models : a case study of Krkonose National Park, Czech Republic

Abstract

In the 1970's, a widespread deterioration in forest health in Europe was observed, first for the European fir and, subsequently, also for many other tree species. Now a large portion of the forests in Europe is affected by forest decline to varying degrees.
The first aim of the study is to investigate if forest damage and forest die-back have lead to a change in waterflow. The study area is the mountain range Krkonae National Park in northern Czech Republic. The national park is situated in a region well known as the Black Triangle, where Germany, Poland and Czech Republic meet. Acidic emissions of sulphur dioxide have caused massive deforestation of spruce mono-cultures, especially at and above the elevations of 750 m above sea level. Forest die-back till today involves a loss in forest cover of about 25%, or about 8,000 ha, of the total area.
Seven catchments in the national park were investigated regarding degree of forest damage, clear-cuts, topography, catchment size and age offorest stands. The results were then compared with changes in waterflow approximately over the period 1984-1992. The method used for investigating waterflow changes was to remove the effects of precipitation by making a ratio between data of waterflow and precipitation. In general, waterflow slightly decreased during the period whereas there was an increase in forest damage and clear-cuts. These results indicate a weak relationship between waterflow and forest changes. However, large deforestation was detected in waterflow, especially for the catchments smaller than 10 km2.
To be able to model waterflow changes and soil erosion in the national park in the future it is of great importance to have reliable elevation maps of the area. Hence, the second aim of the study is to evaluate Digital Elevation Models (DEMs) and Digital Terrain Models (DTMs) of different resolutions (15-m and 30-m resolution maps) regarding elevation, slope and aspect in the Krkono§e National Park The field data for the investigation was collected in the national park with UPS receiver, angle meter and compass.
Root Mean Square Error (RMSE) was calculated for the differences between field values and DEMs/DTMs. The results show that regarding elevation, the higher resolution DEM had lower RMSE values, but in slope and aspect, the lower resolution DTAls had lower RMSE. This result is probably due to that the 30-m measurements were performed in more open areas. An RMSE of approximately 3 m in elevation in both 15-m and 30-m resolution layers must be regarded as a minor error.

Abstract (Swedish)

Populärvetenskaplig sammanfattning: Denna studie omfattar undersökningar av skogsskador, vattenflöden och höjdmodeller i Krkonose Nationalpark i norra Tjeckien. Nationalparken är belägen i ett område kallat Europas Svarta Triangel. Detta namn kommer av de kraftiga svaveldioxidutsläppen från stora kolkraftverk i Tyskland, Polen och Tjeckien under de senaste decennierna. Utsläppen har resulterat i en kraftig försurning och skogsdöd i området och stora delar av skogen har avverkats. Sedan 1500-talet har skogen även avverkats och använts som energikälla, och den ursprungliga blandskogen har successivt ersatts av den ekonomiskt optimala granen Picea abies. Tyvärr tål inte denna gran de rådande förutsättningarna i nationalparken, både vad gäller klimat och föroreningar, och stora skogsbestånd har blivit kraftigt skadade.

Det första syftet med studien var att undersöka skogsdöd och kalhyggen i sju olika dräneringsområden och deras effekt på vattenflödet. Hänsyn togs också till höjd och storlek av områdena som varierade mellan 3-82 km2. Resultatet visade att de stora områdena hade ett mer utjämnat flöde, både i hela tidsserien (1982-1997) och säsongsvis, vilket stämmer väl överens med tidigare studier. De högre belägna områdena hade ett större vattenflöde, speciellt under sommaren, vilket kan förklaras av både högre nederbörd och senare snösmältning.

Förändringsstudier av vegetationskartor och skogsskadekartor från 1984, 1990 och 1992 visade en kraftig ökning av kalhyggen och skogsskador under perioden. Vattenflödesdatan för samma period undersöktes och för att utesluta nederbörd som en orsak till flödesförändringar, gjordes en kvot mellan de vattenflöde och nederbörd. Denna metod kan endast användas för att indikera förändringar, eftersom hänsyn ej har tagits till den viktiga evapotranspirationen som är både avdunstning av vatten och växternas andning. Det förväntade resultatet var ett ökande flöde över perioden, med tanke på att skogens interceptionsförmåga, d v s dess förmåga att lagra nederbörd på trädens blad och grenar, har försämrats. Detta kunde inte tydligt påvisas med denna metod. Den korta tidsperioden i kombination med få nederbördsstationer kan ha bidragit till resultaten. Dock syntes en kraftig flödestopp i ett av de mindre områdena där stora delar av skogen hade avverkats samma år.

För att i framtiden kunna modellera vattenflödesförändringar och markerosion i nationalparken är det viktigt med en tillförlitlig digital höjdmodell. Denna består av ett antal celler som täcker en viss yta av verkligheten, d v s upplösningen. Det andra syftet var därför att utvärdera befintliga höjd- och terrängmodeller (avseende sluttningsvinkel och sluttningsriktning) med 15- och 30-m upplösning över parken. I en fältstudie mättes höjden med en differentiell GPS-mottagare (Global Positioning System) som tar emot signaler från minst fyra satelliter för höjd- och positionsbestämning. Sluttningsvinkeln mättes med en vinkelmätare och sluttningsriktningen med en kompass. De 104 uppmätta punkterna användes därefter för att jämföras med samma punkter i den digitala datan. Höjdmodellerna hade ett medelfel på ca 3 m, vilket får anses vara bra med tanke på upplösningen. Dock kunde ett systematiskt fel påvisas i alla digitala modeller. Felet kan ha uppstått under framställningsprocessen från papperskarta till den färdiga digitala modellen, t ex vid digitalisering eller interpolering. Detta systematiska fel har inte vidare undersökts i arbetet.

• author: Lyborg, Jessica and Thurfjell, Lilian
• supervisor: Petter Pilesjö
• organization: Dept of Physical Geography and Ecosystem Science
• alternative title: Skogsskador, vattenflöden och digitala terrängmodeller : en fallstudie från nationalparken Krkonose, Tjeckien
• year: 1999
• type: H1 - Master's Degree (One Year)
• subject: Earth and Environmental Sciences
• keywords: forest damage, physical geography, geography, digital elevation models, waterflow, Czech Republic, Krkonose National Park
• publication/series: Lunds universitets Naturgeografiska institution - Seminarieuppsatser
• report number: 55 A
• language: English
• id: 2019229
• date added to LUP: 2011-07-11 07:46:52
• date last changed: 2023-03-10 13:40:20