The effect of fire on hydrological response and the subsequent effect on streamflow
Date
2018-03
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: Fire is a destructive force that destroys thousands of hectares of both urban and rural vegetation in South Africa every year. Fire not only destroys vegetation, but also affects the infiltration and percolation capacity of soil. With fire destroying vegetation and changing soil characteristics, it is therefore within reason to assume that the hydrological response of a catchment could be affected by fire. The main aim of this research was to investigate the hydrological changes caused by fire on a catchment scale. On the 9th of March 2015, a wildfire started in Jonkershoek nature reserve, which destroyed indigenous fynbos vegetation and afforested areas. Within the nature reserve, there are multiple rainfall and runoff stations, which provided a means of measuring possible hydrological changes caused by the fire event on different catchments. There were four catchments used for the research, one main catchment (fynbos area) and three sub-catchments (afforested areas). Fifty-six percent of the main catchment burned, while two sub-catchments were completely burned and the other was primarily unaffected by the fire. Themain catchment’s hydrological response due to rainfall events were analysed by comparing the hydrographs of comparable pre- and post-fire rainfall events. Eighteen comparable events were used for the analysis. The mean runoff volume increased by 6.8% and mean peak flow by 50%, after the fire. The Wilcoxon signed ranked test confirmed that the increase in volume was significant (p < 0.05), however the increase in peak flow was not significant (p = 0.053).
Since all of the sub-catchments were similar in size and were close to the same rainfall station, there were two affected catchments and one control catchment identified for further comparison. Before the fire, the average daily streamflow over the control and burned sub-catchments was similar, however after the fire the average daily streamflow of the burned sub-catchments in comparison to the control catchment, had increased by 45% and 50% respectively. The two-way mixed Analyses of Variance (ANOVA) confirmed that the differences were statistically significant (p < 0.01). The mean volume runoff, after the fire for individual events increased with 72.4% and 54.7% for the two burned -sub-catchments respectively, in comparison to the control sub-catchment. The mean peak flows increased with 116.7% and 183.3% in the burned-sub-catchments respectively, in comparison to the control sub-catchment. The paired catchment method was used to test whether the results were significant by using multiple linear regression. The runoff volume before the fire was statistically significant (p < 0.05) when comparing the control and affected sub-catchments. With the addition of an interaction term (F) for indicating the effect of fire, the predictability of the model did not increase, which indicates that fire was not a significant term. By using the same approach on the peak flows, it was found that with the addition of an interaction term (F), fire did increase the predictability of the model.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Vuur is ‘n verwoestende krag wat jaarliks duisende hektar vernietig in beide stedelike en landelike gebiede in Suid-Afrika. Vuur vernietig nie net plantegroei nie, maar beïnvloed ook die infiltrasie en deurlaatbaarheidskapasiteit van die grond. Met vuur wat plantegroei vernietig en grond se eienskappe verander is dit verstaanbaar dat die hidrologiese reaksie van die opvanggebied beïnvloed sal word word deur vuur. Die doel van hierdie navorsing was om die hidrologiese veranderinge te bestudeer wat deur ‘n vuur veroorsaak word in opvanggebied. Op die 9de Maart 2015 het ‘n veldbrand begin in die Jonkershoek natuur reservaat wat inheemse fynbos sowel as plantasies vernietig het. Binne die natuur reservaat was daar verskeie reënval- en afloop stasis wat dit moontlik gemaak het om die hidrologiese veranderinge te ondersoek wat deur die brand veroorsaak was in verskeie opvanggebiede. Vier opvanggebiede is gebruik vir die navorsing, een was die hoof opvanggebied (fynbos area) en die ander drie was sub-opvanggebiede (plantasies). Ses en vyftig persent van die hoof opvanggebied het afgebrand, terwyl twee van die drie sub-opvanggebiede volledig afgebrand het. Die derde sub-opvanggebied was min beïnvloed deur die vuur. Die hoof opvangebied se hidrologiese reaksie as gevolg van reënval gebeurtenisse was ontleed deur die voor en na brand hidrograwe te bestudeer. Agtien vergelykbare reënval gebeurtenisse is gebruik vir die ontleding. Na die brand het die gemiddelde afloop volume toegeneem met 6.8% en die gemiddelde piek afloop met 50. Die Wilcoxon toets het bevestig dat die toename in afloop volume statisties beduidend was (p<0.05), maar dat die toename in piek vloei nie statisties beduidend was nie (p = 0.053). Aangesien al die sub-opvanggebiede ongeveer dieselfde grootte is, en naby aan die selfde reënval stasie geleë is, is daar besluit om die twee gebrande sub-opvanggebiede, sowel as die kontrole sub-opvanggebied, te gebruik vir die analiese. Voor die vuur was die gemiddelde daaglikse afloop tussen die kontrole en gebrande sub-opvanggebiede dieselfde, maar na die brand het die daaglikese afloop van die gebrande sub-opvanggebiede in vergelyking met die kontrole sub-opvanggebied toegeneem met 45% en 50% onderskeidelik. Die ‘two-way mixed Analysis of Variance’ (ANOVA) metode het bevestig dat die verskille beduidend was (p < 0.01). Die gemiddelde volume afloop na die vuur vir die afsonderlike reënval gebeurtenisse het toe geneem met 72.4% en 54.7% in die twee sub-opvanggebiede onderskeidelik in vergelyking met die afloop van die kontrole sub-opvanggebied. Die gemiddelde piek vloei waardes het met onderskeidelik 116.7% en 183.3% toegeneem in die gebrande sub-opvanggebiede in vergelyking met die kontrole. Die ‘paired catchment’ metode was gebruik om te toets of die resultate statisties beduidend was, deur veelvuldige lineêre regressie tegnieke te gebruik. Die volume afloop voor die brand was statisties beduidend (p < 0.05) indien die kontrole sub-opvangebiede vergelyk was met die gebrande sub-opvanggebiede. Met diebyvoeging van ‘n interaksie term (F), wat die gevolge van brand in agneem, het die voorspelbaarheid van die model nie toegeneem nie, wat beteken dat die brand nie ‘n beduidende interaksie term was nie. Wanneer die selfde metode toegepas is op die piek vloeie was daar gevind dat die interaksie term (F) die voorspelbaarheid van die model verbeter het.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Vuur is ‘n verwoestende krag wat jaarliks duisende hektar vernietig in beide stedelike en landelike gebiede in Suid-Afrika. Vuur vernietig nie net plantegroei nie, maar beïnvloed ook die infiltrasie en deurlaatbaarheidskapasiteit van die grond. Met vuur wat plantegroei vernietig en grond se eienskappe verander is dit verstaanbaar dat die hidrologiese reaksie van die opvanggebied beïnvloed sal word word deur vuur. Die doel van hierdie navorsing was om die hidrologiese veranderinge te bestudeer wat deur ‘n vuur veroorsaak word in opvanggebied. Op die 9de Maart 2015 het ‘n veldbrand begin in die Jonkershoek natuur reservaat wat inheemse fynbos sowel as plantasies vernietig het. Binne die natuur reservaat was daar verskeie reënval- en afloop stasis wat dit moontlik gemaak het om die hidrologiese veranderinge te ondersoek wat deur die brand veroorsaak was in verskeie opvanggebiede. Vier opvanggebiede is gebruik vir die navorsing, een was die hoof opvanggebied (fynbos area) en die ander drie was sub-opvanggebiede (plantasies). Ses en vyftig persent van die hoof opvanggebied het afgebrand, terwyl twee van die drie sub-opvanggebiede volledig afgebrand het. Die derde sub-opvanggebied was min beïnvloed deur die vuur. Die hoof opvangebied se hidrologiese reaksie as gevolg van reënval gebeurtenisse was ontleed deur die voor en na brand hidrograwe te bestudeer. Agtien vergelykbare reënval gebeurtenisse is gebruik vir die ontleding. Na die brand het die gemiddelde afloop volume toegeneem met 6.8% en die gemiddelde piek afloop met 50. Die Wilcoxon toets het bevestig dat die toename in afloop volume statisties beduidend was (p<0.05), maar dat die toename in piek vloei nie statisties beduidend was nie (p = 0.053). Aangesien al die sub-opvanggebiede ongeveer dieselfde grootte is, en naby aan die selfde reënval stasie geleë is, is daar besluit om die twee gebrande sub-opvanggebiede, sowel as die kontrole sub-opvanggebied, te gebruik vir die analiese. Voor die vuur was die gemiddelde daaglikse afloop tussen die kontrole en gebrande sub-opvanggebiede dieselfde, maar na die brand het die daaglikese afloop van die gebrande sub-opvanggebiede in vergelyking met die kontrole sub-opvanggebied toegeneem met 45% en 50% onderskeidelik. Die ‘two-way mixed Analysis of Variance’ (ANOVA) metode het bevestig dat die verskille beduidend was (p < 0.01). Die gemiddelde volume afloop na die vuur vir die afsonderlike reënval gebeurtenisse het toe geneem met 72.4% en 54.7% in die twee sub-opvanggebiede onderskeidelik in vergelyking met die afloop van die kontrole sub-opvanggebied. Die gemiddelde piek vloei waardes het met onderskeidelik 116.7% en 183.3% toegeneem in die gebrande sub-opvanggebiede in vergelyking met die kontrole. Die ‘paired catchment’ metode was gebruik om te toets of die resultate statisties beduidend was, deur veelvuldige lineêre regressie tegnieke te gebruik. Die volume afloop voor die brand was statisties beduidend (p < 0.05) indien die kontrole sub-opvangebiede vergelyk was met die gebrande sub-opvanggebiede. Met diebyvoeging van ‘n interaksie term (F), wat die gevolge van brand in agneem, het die voorspelbaarheid van die model nie toegeneem nie, wat beteken dat die brand nie ‘n beduidende interaksie term was nie. Wanneer die selfde metode toegepas is op die piek vloeie was daar gevind dat die interaksie term (F) die voorspelbaarheid van die model verbeter het.
Description
Thesis (MEng)--Stellenbosch University, 2018.
Keywords
Fire, runoff, UCTD, Watersheds, Hydrology -- Change, Hydrology -- Effect of fires on