Modelování vodní eroze I

Vodní eroze Znamená rozrušování vrchní vrstvy půdy činností vody, větru, ledu …a její přemisťování do jiných poloh, kde dochází k akumulaci Normální – geologická – malá intenzita, ztráta je vyrovnávána tvorbou nových částic z půdního podkladu, půdní profil se nesnižuje, jen vrchní vrstva bývá hrubozrnnější Zrychlená – velká intenzita, částice nemohou být nahrazeny půdotvorným procesem Plošná, výmolová (rýžky, brázdy, rýhy, výmoly, strže), proudová – více např. http://eroze.sweb.cz/

Vodní eroze v číslech Následky vodní eroze snižování orniční vrstvy zhoršování fyzikálních i chemických vlastností zhoršení vodního režimu. Smyvem půdy se dostávají živiny spolu se zemitými částicemi do vodních toků. v ČR ohroženo vodní erozí 1,39 mil. ha zemědělské půdy, tj. 31,3 % Průměrný specifický odtok – v řekách bývalého Československa – 0,2 – 1,8 t/ha/rok

Přípustné limity ztráty půdy Metodika ÚVTIZ 5/1992 Sb. Mělké půdy (do 30 cm) 1 t/ha/rok Středně hluboké (30 – 60 cm) 4 t/ha/rok Hluboké půdy (nad 60 cm) 10 t/ha/rok

USLE: G = R.K.L.S.C.P [t.ha-1.rok-1] Faktory: R - erozní účinnost deště K - náchylnost půdy k erozi LS - topografický faktor (délka a sklon) C - ochranný vliv vegetace P - zohlednění protierozních opatření pokud nejsou, tak P = 1

Podklady Topografie terénu (terénní reliéf) Půda Vegetace DTM - digitální terénní model (DMR, DMT, DEM) Půda KPP - komplexní průzkum půd BPEJ - bonitované půdně ekologické jednotky rebonitace Vegetace osevní postup land-use - druh a využití pozemku letecké a družicové snímky Klimatické a meteorologické údaje

LS faktor Intenzita eroze se zvyšuje s rostoucí délkou svahu, která je definována jako horizontální vzdálenost od místa vzniku povrchového odtoku k bodu, kde se sklon svahu snižuje natolik, že začne ukládání erodovaného materiálu nebo se plošný odtok soustředí do dráhy soustředěného odtoku

Topografický faktor LS – Wischmeir Smith Ztráta půdy na jednotku plochy svahu / ztráta na jednotkovém pozemku o délce 22,13 m se sklonem 9 % Základ – situování odtokových výpočtových linií v rámci erozně uzavřených celků – na různorodém pozemku – nejvyšší hodnota LS – kolmo na vrstevnice

Faktor erozní účinnosti deště - R USLE: G = R.K.L.S.C.P Pro návrh PEO a posouzení erozní ohroženosti je závazná vyhláškou daná průměrná roční hodnota pro R = 20 MJ.ha-1 cmhod Aktuálně – zpřesňování – VÚMOP Praha, ČZU Praha Okolní země R=+-50. Již dnes se pro běžnou praxi běžně používá hodnotaR=40 MJ.ha-1cmhod

Faktor erodovatelnosti půdy - K USLE: G = R.K.L.S.C.P Faktor erodovatelnosti půdy - K Odnos půdy v t z 1 ha na jednotku R faktoru ze standardního pozemku – vyjadřuje vliv půdních vlastností na velikost ztráty půdy Stanovení Nomogram Vzorec Převodem z BPEJ

Nomogram Janeček a kol., 2007: Ochrana zemědělské půdy před erozí (metodika)

Vzorec M - % prachu a jemného písku a - % organické hmoty b – struktura ornice c – třída propustnosti půdního profilu

Pomocí BPEJ 4.20.11 Sklonitost a expozice HPJ Klimatický region Půdní typ – hnědozem, černozem, glej …

Janeček a kol., 2007: Ochrana zemědělské půdy před erozí (metodika)

Faktor ochranného vlivu vegetace - C Poměr smyvu skutečného pozemku s pěstovanými plodinami ke ztrátě půdy na pozemku s kypřeným černým úhorem. Dva možné způsoby určení C faktoru plodiny Podle osevního postupu – přesněji podle listové plochy na 1m2

Podle fenologických fází plodiny (setí, 1 měsíc po setí, 2 měsíce, růst a zrání, zbytky plodin nebo strniště)

Typ úrody Faktor Zrno obilí 0.40 Silážní obilí, fazole 0.50 Obiloviny (jaro & zima) 0.35 Sezónní zahradnické plodiny Ovocné stromy 0.10 Seno a pastviny 0.02 Metody kultivace půdy Faktor Podzimní orba 1.0 Jarní orba 0.90 Kompostování 0.60 Vyorání brázd 0.35 Pásová orba 0.25 Žádná orba x Příklad pro výpočet: Pole použito pro příklad bylo pooráno na jaře a osázeno zrnem obilí. C faktor je získán z faktoru typu úrody a faktorem metody kultivace půdy.    Faktor typu úrody pro obilí = 0.4   Faktor metody kultivace půdy pro jarní orbu = 0.9 --------------------------------------------------      C Faktor = 0.4 x 0.9 = 0.36

Území C faktor obilí 0.24 pastvina/seno, louky 0.005 voda/vlhké plochy 0.00 zástavba, nízká hustota 0.03 zástavba, velká hustota listnatý les 0.009 jehličnatý les 0.004 smíšený les 0.007 les/mokřina 0.003 sady, vinice, zahrady 0,4

Faktor vlivu technických opatření - P Poměr odnosu z pozemku s běžnou agrotechnikou oproti pozemku s protierozními opatřeními Většinou se používá konstantní hodnota 1 Protierozní opatření Orba po spádnici – 1 Orba po vrstevnici – 0,5 Pásové obdělávání – 0,25 Terasy – 0,2 Brázdování – 0,35

Vstupy USLE 2D Vektorová data 1. Hranice řešeného území (vektor - polygon) 2. Vodní plochy (vektor - polygon) 3. Lesy (vektor - polygon) 4. Zastavěná plocha (vektor - polygon) 5. Silnice, železnice, cesty (vektor - polygon) Rastr 1. DEM (digitální model reliéfu)

RUSLE Revidované USLE Zpřesnění výpočtů (LS faktor), C, K a R faktorů. Možnost využití i na nezemědělské půdě. Obecně více vstupních proměnných. Více na http://eroze.sweb.cz/rusle.htm

MUSLE využití přívalového deště u povodí do 15km2

USPED (Unit Stream Power Based Erosion Deposition) Založeno na USLE Kromě eroze řeší i depozici sedimentů jako důsledku uniformní srážkové události Hlavními faktory vstupujícími do modelu jsou terén, faktor půd a krajinného pokryvu. Kombinací těchto faktorů lze určit tzv. transportní kapacitu (TP), která reprezentuje náchylnost půdy a krajinného krytu k erozi. TP = KcAm (sin b)n, kde TP – index transportní kapacity, Kc – kombinace faktoru K a C, A – odvodňovaná plocha, b – sklon svahu, m, n – empirické koeficienty lišící se podle typu uvažované eroze. Model USPED tedy umožňuje detekovat plochy se zvýšeným TP (eroze) či sníženým TP (depozice), příp. plochy s TP konstantním. Změnu TP v prostorových souřadnicích (x, y) lze pak spočíst pomocí rovnice: ∆ T = d(TP cos a)/dx + d(TP sin a)/dy.

SIMWE (Simulated water erosion) Součást balíku GRASS Výkonný model, víceměřítková simulace Řešení i problematických terénů – nízké sklony, místa s obtížně určitelným směrem toku – terénní deprese

Metodika výpočtu LS faktoru - Mitášová Brown DEM -> svažitost – pomocí ArcGIS Spatial Analyst – Slope DEM -> Flow Direction -> FlowAccumulation LS = Pow([flowacc] * resolution/ 22.1, 0.6) * Pow(Sin([slope] * 0.01745) / 0.09, 1.3)

Metodika USLE 2D vyvinutý na univerzitě v belgickém Leuvenu (Desmet&Govers, 1996) Vstupy DEM nebo TIN Landuse Několik vztahů pro výpočet LS Nakonec zvolen S podle rovnice McCool Pro L – Wischmeir

USLE 2D Rastr DEM Rastr pozemků Převod pomocí Raster to ASCII na textové vyjádření rasteru Nástroj LS – Converter – převod textových rastrů na formát GIS IDRISI Nástroj USLE 2D – výstupem LS faktor v IDRISI tvaru Pomocí LS – Convertor zpět a pak přes Ascii to Raster do ArcGIS Podrobný postup viz http://www.plaveniny.cz/cz/rusle/ls-faktor/

Postup řešení pro USPED model Slope, aspect  FlowAccumulation(FlowDirection([elevation]))->flowacc Rýhová eroze – Pow([flowacc] * resolution , 1.6) * Pow(Sin([slope] * 0.01745) , 1.3) ->sflowtopo Plošná eroze [flowacc] * resolution * Sin([slope] * 0.01745) ->slowtopo  [sflowtopo] * [kfac] * [cfac] * [rfac] * Cos((([aspect] *  (-1)) + 450) * .01745) ->qsx  [sflowtopo] * [kfac] * [cfac] * [rfac] * Sin((([aspect] *  (-1)) + 450) * .01745) ->qsy

USPED II qsx slope, aspect -> qsx_slope, qsx_aspect qsy slope, aspect -> qsy_slope, qsy_aspect Cos((([qsx_aspect] * (-1)) + 450) * .01745) * Tan([qsx_slope] * .01745) ->qsx_dx Sin((([qsy_aspect] * (-1)) + 450) * .01745) * Tan([qsy_slope] * .01745) ->qsx_dy Rýhová eroze -  [qsx_dx] + [qsy_dy]->erdep Plošná eroze - ([qsx_dx] + [qsy_dy]) * 10->erdep