Water balance of small forest catchment of potentially low storage capacity

Obszar Wielkopolski jest częścią Niżu Środkowoeuropejskiego o szczególnie niekorzystnych warunkach ze względu na kształtowanie się zasobów wodnych. Stan ten determinowany jest głównie przez cechy klimatu regionu tj. relatywnie niską sumę opadów rocznych i nieodpowiedni ich rozkład w ciągu roku, a także wysokie wartości parowania. Istotne znaczenie modulujące mają tu także niektóre nieklimatyczne cechy fizjograficzne, występujące w przeważającej części regionu, głównie rodzaj zalegających gruntów. Ponadto, ewapotranspiracja stymulowana jest miejscowo przez pokrycie roślinne. W artykule przedstawiono wstępne wyniki bilansowania hydrologicznego dla typowej dla regionu Wielkopolski nizinnej zlewni o potencjalnie niekorzystnych warunkach retencji tj. wysokim stopniu lesistości, pokryciu miąższą warstwą gruntów piaszczystych, w warunkach relatywnie wysokiej ewapotranspiracji. Bilansowano zlewnię Trojanki położoną w Puszczy Zielonka w centralnej Wielkopolsce. Bilansowania dokonano w przeciętnym roku opadowym (2001/2001), następującym po okresie długim o przeciętnych warunkach opadowych. Okres ujemnych zmian retencji przebiegał od końca kwietnia do połowy września, przy czym maksymalna wartość obniżenia retencji wystąpiła w czerwcu (-27,7 mm), zaś maksymalna wartość przyrostu zmian retencji wystąpiła w lutym (50,2 mm). Przeciętny odpływ jednostkowy ze zlewni wynosił 2,5 dm3∙s-1∙km-2. Miesiące o maksymalnej i minimalnej wartości warstwy odpływu to odpowiednio styczeń (8,8 mm) i wrzesień (3,6 mm). Wartości ekstremalne ewapotranspiracji wystąpiły w grudniu (6,7 mm) i maju (90,1 mm). Bilans roczny został zamknięty zwyżką zmian retencji równą 52 mm. Zlewnia cechuje się stosunkowo szybką odbudową retencji i odpływu w przypadku wystąpienia sprzyjających warunków meteorologicznych. Podobnie, w przypadku ustania korzystnych dla alimentacji warunków meteorologicznych, następuje szybkie obniżenie poziomu retencji oraz wartości odpływu ze zlewni. Jednak w zlewni nie wystąpiło zjawisko długookresowego załamania się odpływu w okresie letnim w warunkach ujemnego klimatycznego bilansu wodnego. Stąd można przypuszczać, że główny zbiornik stabilnej retencji w zlewni, aktywny w przeciętnym roku opadowym, stanowią wody gruntowe. Ponadto wydaje się, że dość znaczą rolę odgrywa tu także część strefy aeracji poza silnym oddziaływaniem parowania bezpośrednio z gruntu i sczerpywania wody przez roślinność. Stwierdzono, że roślinność leśna łącznie z wierzchnimi warstwami gruntu może wpływać na obniżenie wartości odpływu z badanej zlewni o ok. 20 do 40% w porównaniu z zlewniami rolniczymi regionu.Wielkopolska region covers the area of North European Plain with particularly unfavorable water conditions. These conditions are determined by the climate prevailing in the region, namely relatively low annual rainfall and high evapotranspiration with usually unfavorable distribution of these meteorological elements over a year. Important modulating influence can be attributed also to some non-climatic physiographical characteristics typical in vast parts of the region, mainly soil properties. In addition, evapotranspiration may be stimulated locally by vegetation. The paper comprehends initial results of hydrologic balancing of lowland catchment typical for the region of Wielkopolska. The balancing was carried out in Trojnaka Stream catchment placed in Puszcza Zielonka forest (the central Wielkopolska). High forest cover proportion, deep layer of sandy soils and high evapotranspiration shape the storage capabilities in the tested catchment. The balancing covered the average annual rainfall year (2001/2002) following average long-term rainfall period. The Period of the negative retention changes occurred from the end of April until the mid of September. The maximum decrease and increase of storage change depth occurred respectively in June (-27,7 mm) and February (50,2 mm). Average specific discharge in investigated catchment equaled 2,5 dm3∙s-1∙km-2 with maximum and minimum runoff depth respectively in January (8,8 mm) and September (3,6 mm). Extreme amounts of evapotranspiration occurred respectively in December (6,7 mm) and May (90,1 mm). Annual change of storage equaled 52 mm. Both storage and runoff rebuilding abilities of the catchment, if favorable meteorological conditions would occur, are relatively high. On the other hand, while the favorable meteorological conditions for the catchment alimentation stopped, the significant decrease of storage and runoff followed. In addition, the long-term storage decrease did not occur during negative climatic balance period in the catchment. Thus, it may be fairly assumed that more stable forms of retention in the catchment, active over an average annual rainfall year, are related to zone of saturation and the part of aeration zone, which is not susceptible to direct evaporation from soil and vegetation uptake. Forest cover along with upper soil layers in investigated catchment may cause the reduction of runoff level by approximately 20 to 40% in comparison with natural catchments of the region

Variability of groundwater level depth in uneven-aged forest stands of swam habitats

W pracy przeanalizowano kształtowanie się stanów wód gruntowych w różnowiekowych drzewostanach leśnych siedlisk bagiennych na tle warunków meteorologicznych (temperatury powietrza i opadów atmosferycznych). Badania przeprowadzono w latach hydrologicznych 2002–2005 na 7 powierzchniach doświadczalnych, zlokalizowanych na terenie Puszczy Zielonka oddalonej o około 6 km na północny wschód od granic miasta Poznania. W toku prowadzonych badań stwierdzono, że największą dynamiką zwierciadła wód gruntowych charakteryzują się powierzchnie badawcze z drzewostanami średnich klas wieku, zaś najmniejszą drzewostany najstarsze (V klasy wieku) i w mniejszym zakresie – I klasy wieku. Uzyskane wyniki badań, przez swoją niejednoznaczność, jak również ze względu na krótki ciąg pomiarowy, nie pozwalają przyjąć ani całkowicie odrzucić tezy o istnieniu zależności pomiędzy wiekiem drzewostanu a stanami wód gruntowych w leśnych siedliskach bagiennych.The paper covers research on groundwater level depth dynamics in unevenaged forest stands of swamp habitats as influenced by meteorological conditions (air temperature and rainfall). The research period comprised hydrological years 2002–2005 with 7 experimental plots examined. The area of investigation was located in Puszcza Zielonka ca 6 km NE of Poznań. Variability of groundwater levels, especially at shallow water locations, tends to show cyclic regularity, modulated for particular years by irregularity of weather conditions – mainly the precipitation and temperature, but physiographical features such as soil, vegetation, drainage network, water bodies, surface relief affect water conditions significantly nevertheless as a exclusively modulating factor. The results of the research prove the main effect of air temperature and precipitation on pattern of groundwater level dynamics in forest swamp habitats as a general regularity. The above mentioned conclusion supports additionally the results of recent research on climatic water balance for the area of experimental plots location. Anyway, the question arises about no expected distinction in groundwater level depth between the extreme years as far as precipitation is concerned (the years 2003, 2002 and 2005). No groundwater level dynamics decrease along with increase of groundwater level depth observed was another irregularity. Probably significant, modulating influence on groundwater dynamics in forest swamp sites may be ascribed to forest stand age. Along with maturing of forest stand, for example, changes the dynamics of stand biomass growth, which is strongly related to transpiration level and uptake of water from soil by plants. Described above phenomena may explain variability of groundwater level dynamics patterns for the experimental plots. The results of research were affected by employing relatively short groundwater level data series and very inconsistent meteorological conditions of the research period (pluvial and thermal). Thus, the current stage of research cannot justify drawing more accurate and distinct conclusions. The thesis of forest stand age impact on groundwater level depth variability requires broader explanation and cannot be supported or rejected basing on the current research results. The project opened in 2002 year is continued to achieve assumed research objectives

Variability of groundwater level depth in uneven-aged forest stands of marshland habitats

The paper covers research on groundwater level depth dynamics in unevenaged forest stands of swamp habitats as influenced by meteorological conditions (air temperature and rainfall). The research period comprised hydrological years 2002-2005 with 7 experimental plots examined. The area of investigation was located in Puszcza Zielonka ca 6 km NE of Poznań. It has been found that the highest dynamics of groundwater level depth occurs for the experimental plots of the middle-aged stands, the lowest dynamics of groundwater depth level occurs for the older forest stands (80 to 100 years) and in lesser extent in the youngest forest stands (up to 20 years). However it should be noted that the research data were collected in a short time span, thus the conclusions concerning relations between groundwater level and forest stand age described here should only be considered as a initial thesis requiring further explanation to be proven or rejected in the course of further research

Seasonal changeability of groundwater in floodplain forest on the Uroczysko Warta

Teren badań znajduje się na obszarze leśnictwa Czeszewo w Uroczysku Warta w Nadleśnictwie Jarocin. Uroczysko Warta jest kompleksem leśnym zlokalizowanym na terasie zalewowej lewego brzegu rzeki Warty, pomiędzy 332 a 337,5 km jej biegu oraz ujściowym odcinkiem rzeki Lutyni (0 do 3,2 km). Średnia suma opadów atmosferycznych w rejonie badań za okres lat 1951–2000 wynosi 546 mm. Zmienność opadów rocznych w poszczególnych latach może być bardzo duża: raz na 10 lat sumy opadów mogą spadać do około 380 mm. Widoczna jest cykliczność wieloletnia występowania lat wilgotnych i posusznych. Ocenę sezonowych zmian stanów wód gruntowych przeprowadzono na podstawie monitoringu, w okresie od marca 2009 roku do maja 2011 roku. Pomiary prowadzono w 26 piezometrach automatycznie oraz wykorzystano obserwacje na 7 łatach wodowskazowych zainstalowanych na starorzeczach i rzece Lutyni. Lasy łęgowe należą do najbardziej złożonych ekosystemów. Regulacja koryt rzek, budowa obwałowań i zbiorników retencyjnych przyczyniły się do ograniczenia występowania zalewów i redukcji obszarów zalewowych i w rezultacie do degradacji lasów dolinnych. W Polsce jedynie 0,2% całkowitej powierzchni siedlisk łęgowych zajmują lasy łęgowe. Uroczysko Warta stanowi jedno z najważniejszych skupisk tych siedlisk. Wybudowanie w środkowym biegu rzeki Warty zbiornika Jeziorsko przyczyniło się do zmiany reżimu rzeki. Stąd w Uroczysku Warta zastosowano system urządzeń wodno-melioracyjnych, którego celem jest odtworzenie warunków hydrologicznych korzystnych dla zachowania ekosystemów lasów łęgowych łącznie z monitoringiem wód gruntowych i powierzchniowych. Zapas wody w glebie związany głównie ze stanem wód gruntowych wykazuje zmienność krótkoterminową i długoterminową. Zmiany krótkoterminowe związane są z warunkami pogodowymi oraz zużyciem wody przez roślinność. Zmienność długoterminowa wiąże się m.in. fazą rozwoju roślinności. Z uwagi na stosunkowo krótki okres monitoringu, w pracy przedstawiono aspekty związane ze zmiennością krótkoterminową stanów wód gruntowych. Stany wód gruntowych na Uroczysku Warta wykazują duże skorelowanie ze stanem napełnienia starorzeczy (współczynnik korelacji wynosi 0,758, p<0,000001). Zmienność stanów wód gruntowych jest dość znaczna, maksymalne tygodniowe wzrosty i spadki wynoszą ponad 20 cm. Sezonowość stanów wód gruntowych jest wyraźna, dla wartości średnich: zima -153,6 wiosna -206,5 lato -239,7 jesień -235,8 cm p.p.t. Podobne względne zmiany odnotowano dla wartości maksymalnych i minimalnych. Wyniki monitoringu stanów wód gruntowych wskazują na efektywność zastosowanego w Uroczyska Warta aktywnego systemu ochrony ekosystemów łęgowych.The research area is located in Uroczysko Warta, Czeszewo Forest District, Jarocin Forest Division. The Uroczysko Warta is a forest, situated on flood plain terrace on the left bank of the Warta River, between 332 and 337.5 km of its course and the confluence section of the Lutynia River (0 to 3.2 km). Mean annual precipitation for the period of 1951 – 2000 is 546 mm. Variability of annual precipitation is very high: every 10 years precipitation is ca 380 mm and a cyclicity is observed for episodes of wet and dry years. Assessment of seasonal variability of ground water level was performed on the basis of monitoring data for the period from March 2009 to May 2011collected from 26 piezometers. In addition data series of water stages from 7 gauging staffs installed in oxbow lakes and Lutynia River were utilized. Groundwater levels were measured automatically. Flood plain forests are the most complex forest ecosystems. River channelization, construction of embankments, river damming and construction of reservoirs resulted in reduction of flooding events fraquency and degradation of flood plain forests. In Poland only 0.2% of total area of flood plain forest habitats is covered by flood plain forests. Uroczysko Warta forest is one of the most important locations of these sites. The construction of the Jeziorsko reservoir in the middle course of the Warta River has resulted in changes of the river regime. Thus, a system of water engineering constructions with hydrologic monitoring was implemented in Uroczysko Warta to restore hydrological conditions similar to natural to preserve flood plain forest ecosystems. Water storage of soil, strongly related with groundwater level, shows long-term and short-term variability. Short-term changes are related to current weather conditions and use of water by vegetation. Long-term is the effect e.g. vegetation development processes. Due to relatively short monitoring period, the paper presents the results of short-term variability of groundwater level. Groundwater level patterns in the Uroczysko Warta Forest are strongly related to oxbow lakes storage sates (correlation index 0.758, p<0.000001). Variability of groundwater levels is relatively high, maximum weekly changes are higher than 20 cm. Seasonal patterns of groundwater changes are apparent in average values 153.6 for the Winter, 206.5 for the Spring, 239.7 for the Summer and for the Autumn – 235.8 cm b.g.s. Seasonal patterns are also visible for the maximum and minimum groundwater levels. The results of groundwater level monitoring indicate that the system of hydrologic protection of flood plain forests implemented in Uroczysko Warta Forest is effective

Climatical changes in the Zielonka Forest since 1848 year

Jednym z najistotniejszych problemów we współczesnej klimatologii jest zagadnienie ocieplania klimatu. Chociaż nie udowodnione po za wszelką wątpliwość, wiele czynników świadczy o zmianie klimatu w przeciągu ostatniego krótkiego okresu czasu. Prezentowane w literaturze przedmiotu stanowiska są bardzo różnorodne - od skrajnych poglądów,przewidujących katastrofalne skutki do w wielu regionach świata do oceny, że „problem zmian klimatu został wyolbrzymiony ponad wszelkie proporcje". Puszcza Zielonka położona jest w środkowej części dorzecza Warty, w centralnej części Wielkopolski. Krajobraz jest typu młodoglacjalnego. Dominującą formą terenu Puszczy są wysoczyzny płaskie i faliste. Wierzchnie warstwy skalne stanowią głównie piaski i żwiry. Dominującym gatunkiem drzewiastym jest sosna oraz dąb. Przeważające siedliska to: bór mieszany świeży, bór świeży, bór wilgotny oraz ols.Klimat w Puszczy Zielonka wykazuje stosunkowo dużą stacjonarność. Opady atmosferyczne w latach 1848-2008 nie wykazują istotnych statystycznie zmian na poziomie istotności α=0,05. Zarówno dla poszczególnych miesięcy I-XII, jak i półroczy zimowych, letnich, okresów wegetacyjnych i lat hydrologicznych zmiany nie są istotne statystycznie. Występują jednak wyraźne okresowości sum rocznych opadów atmosferycznych, dominują okresowości 10,0- 7,0- i 6,7-letnie. Wartości prawdopodobieństwa wraz z wyższymi dla sum rocznych opadów atmosferycznych mają krótkie - do 3 lat, sekwencje zbliżonych wartości. Temperatury powietrza w ww. okresie wykazują dodatnie, statystycznie istotne (dla α=0,05), trendy czasowe dla marca, maja, listopada i grudnia. Natomiast dla pozostałych miesięcy stosowne trendy nie są istotne statystycznie. Trendy czasowe średnich temperatur powietrza dla półroczy zimowych, okresów wegetacyjnych i lat hydrologicznych są dodatnie i istotne statystycznie na poziomie istotności jw. Natomiast dla półroczy letnich trend jest nieistotny statystycznie. Podobnie jak opady atmosferyczne, średnie roczne temperatury powietrza wykazują wyraźne kilkuletnie okresowości - dominują cykle 7,6- 5,7- i 5,5-letnie. Wartości prawdopodobieństwa wraz z wyższymi dla średnich rocznych temperatur powietrza, podobnie jak opady atmosferyczne, mają krótkie - do 3 lat, sekwencje zbliżonych wartości.One of the most significant problems in contemporary climatology of climate warming. Although not confirmed beyond any doubt, still numerous factors indicate climate change within the recent, relatively short period of time. Opinions presented in literature on the subject vary considerably – from extreme positions, forecasting disastrous effects in many regions worldwide to the claim that "the problem of climate change has been exaggerated against all proportions". The Zielonka Forest is situated in mid-part of the Warta river basin, in the central part of the Wielkopolska region. The natural landscape is of postglacial type (Würm glaciation) with morainic plateaus – plain or rolling, gravel and sandy soils as the main features. Pine and oak are the dominant tree species in forest stands. The predominant habitats are: fresh mixed coniferous forest, fresh coniferous forest, moist coniferous forest and alder. Transitional climate of Puszcza Zielonka is distinguished by relatively significant nonstationality expressed e.g. by parameters of temperature and precipitation dynamics. For the period from 1848 to 2008 year, the directional changes of precipitation time series were not indicated at 0,05 level of significance. The trends are statistically insignificant for each month of the year, half-year, vegetation and hydrologic year periods. However the periodicity of annual precipitation was indicated. Dominating periods are 10, 7 and 6,7 year. The probability of annual precipitation is characterized by shorttime series of similar values. The mean temperature time series for the investigated periods expressed statistically significant positive trend changes for March, May, November and December (at the 0,05 level). The trends for mean temperature time series of winter half-year, vegetation, hydrologic year periods were statistically significant, but for summer half-year insignificant at the 0,05 significance level. Annual precipitation likewise temperature time series is characterized by a periodicity. The dominating cycles are 7,6, 5,7 and 5,5-year. The probability values for precipitation manifested similar regularity as the probability for the temperature (shorter than 3- year sequence of similar values)

An attempt to classify groundwater level depth in pine forest stands on fresh sites

The aim of the research described in this paper is to classify groundwater level patterns in pine stands of forest fresh sites. The approach has been employed with the view to facilitate explaining interactions between physiographic characteristics and groundwater dynamics in prospective research. The methods which have been employed so far for explanation of groundwater level dynamics interactions with local physiographic conditions do not let to draw firm conclusions. The classification of groundwater dynamics patterns requires employing more sophisticated methods, because of a relatively extensive range of groundwater dynamics site-to-site variability expressed, e.g., by amplitude and cycle period. The methods of groundwater patterns classification proposed in the literature focused either on hydrogeological criteria or, if related to forest ecosystems, focused on water balance elements in forest habitats. The area selected for investigation represented typical features for the Northern European Lowland forests defined by soil and form of terrain pattern shaped by the last glacial period (Vistulian glaciation) and dominant share of Scots Pine (Pinus sylvestris L.) in stand species composition. The research period covered the 2002-2007 hydrological years. The measurement used in analysis covered 35 sites equipped with measurement wells

Physiographic and meteorological conditions in the Doplyw spod Nowej Wsi catchment during the last 150 years

The paper covers research on physiographic features and anthropogenic factors influence on natural pond water storage. The problem was investigated both at the level of the Dopływ spod Nowej Wsi catchment (27.53 km2) and the smaller spatial unit Bagna Ramuckie natural pond (12.4 ha). Dynamics of physiographic features, changes of hydrographical network and anthropogenic factors including water, land and forest management practices were investigated. The decisive factor modulating processes of water storage rebuilding for investigated spatial units seems to be dynamics and long-term directional changes of air temperature. Rebuilding of pond water storage occurred after a 40-year period of air temperature decrease and the decline of water storage after a 20-year period of air temperature increase. Precipitation had minor significance in modulating pond water storage in long-term periods, because lack of long-term precipitation trends in analysed period. Although in short-term periods precipitation have important modulating impact on a decline of pond storage. The decline occurred after the dry period from 1989 to 1995 as a result of high deficit of climatic water balance. Spectacular rebuilding of pond water storage occurred in Bagna Ramuckie after the cold and wet period from 1956 to 1965. Non-climatic physiographic features and anthropogenic factors did not influence the processes of pond water storage rebuilding and decline because both of these factors seemed to be stationary over at least eight decades of 20th century, while processes of storage rebuilding or decline lasted over the investigated spatial unit

Marshlands of "Lasy Rychtalskie" Forest Promotion Complex - present state and perspective of changes

The aim of the present work is a description of a multi-year complex field research (hydrological, chemical and geotechnical) carried out in the area of the ”Lasy Rychtalskie” Forest Promotion Complex ”Lasy Rychtalskie”. The work focused on characterizing the present state, forecasting future changes, as well as indicating the stability threats which the areas face. Forest promotion complexes are functional areas of a particular ecological, educational and social significance. The Lasy Rychtalskie Complex is situated within the grounds of the Syców Forest Inspectorate and its name is taken from the section called Rychtal. The area of the forests is famous for its Pinus sylvestris L ecotype, as well as unique genetic values, confirmed by scientific research. The field investigations were carried out on the marshlands of the forests in focus. Three experimental plots, microcatchments and 6 transects transverse to the forests roads, situated either within the area of the catchments or in their close neighbourhood, were selected for the detailed research. The selected catchments are situated on the marshlands. 51 groundwater measurement wells, alongside with 3 Thomson overflows situated on watercourses were installed on the experimental plots. Soil samples were collected from all drillings for standard laboratory tests of mechanical, physical, chemical and physico-chemical properties. The marshlands in focus are characteristic for their high storage capabilities. The annual outflow is relatively low, reaching about 4 % of the annual precipitation, and it occurs only in the winter half-year and May. It can be concluded on the basis of the obtained results that the Nash model delivers satisfactory results of the catchment outflow simulation for forest marshlands. The effective precipitation calculated basing on the SCS-CN model finds a limited application for marshlands. Groundwater can be found shallow at the depth of approx. 1m below ground level. Water relation changes forecast for the investigated areas, expressed by groundwater level changes, was based on the negative annual atmospheric precipitation trend. It was assumed that significant changes in marshland ecosystems would occur in the situation of at least 50 % decrease of the present mean groundwater level. It will take about 100 years. Pragmatic action to be taken should prevent from the outflow of the water from the areas. The work presents an easy to apply method of evaluating potential storage capability of forest areas. It utilizes, among other components, standard data stored in bases built during forest management practices. The carried out chemical tests did not reveal any excessive accumulation of chemical pollutants either in soil or both ground and surface waters of the Complex. Dirt roads based on marshy subsoil did not meet, in the period of the whole year, the bearing strength requirements defined for forest roads. The bearing capacity of hard paved not-improved roads depended on the groundwater table level in the subsoil

The concept for protection of flood plain forests in the Uroczysko Warta forest district

Flood plain forests are the richest and highly picturesque forest ecosystems. Unfortunately, river regulation and flood control contribute to their degradation. In Poland only 0.2% of total area is covered by flood plain forests. The Uroczysko Warta forest district constitutes one of the most important clusters of these sites. The construction of the Jeziorsko reservoir in the middle course of the Warta River has contributed to changes in the river regime (reduced flooding areas and decreased flooding frequency). It seems that the use of simple land improvement systems, i.e. gates, river bars and culverts with flap check valves, may result in the recreation of advantageous hydrological conditions. In such a case storage volume of oxbow lakes would be increased and ground water would be maintained at a higher level over longer periods of time. This study presents a concept for protection of the Uroczysko Warta, thanks to the construction of appropriate engineering infrastructure