Výpočet erozní ohroženosti půdy s využitím gridu GIS Ostrava 2005 23. - 26. 1. 2005 Výpočet erozní ohroženosti půdy s využitím gridu Dobrý den, dámy a pánové, rád bych vám představil náš příspěvek, kde je pro určování erozní ohroženosti použit výpočet s využitím gridu. Jan Votrubec, Josef Vlasák jan@votrubec.net, vlasak@fsv.cvut.cz Katedra geodézie a pozemkových úprav - Fakulta stavební ČVUT v Praze

Obsah Eroze Modely predikce a erozní ohroženosti Podklady - DTM, půda, vegetace Výpočet pomocí erozních profilů - USLE Gridové vrstvy a výpočet Srovnání metod, aplikace a další postup V úvodu vás seznámím s obsahem prezentace. Nejprve stručně vysvětlím, co je eroze a proč je důležité tento jev zkoumat. Potom uvedu přehled různých přístupů a metod používaných ke zjišťování eroze. Dále se zmíním o podkladech, které jsou potřebné pro určování rozsahu a intenzity eroze. Pro srovnání s novou metodou výpočtu s využitím gridu jsme použili i tradiční výpočet pomocí erozních profilů - metoda univerzální rovnice ztráty půdy - USLE. Nejdůležitější část příspěvku je obsažena v části, která se věnuje tvorbě gridů a gridovému výpočtu potenciální erozní ohroženosti. V závěru je zařazeno porovnání tradiční metody s metodou gridovou a možnosti využití gridových dat, která kontinuálně pokrývají celé území, pro další analýzy. Jan Votrubec, Josef Vlasák - Fakulta stavební ČVUT v Praze

v malé míře normální a přirozený jev Eroze vodní větrná v malé míře normální a přirozený jev Eroze je přírodní jev, který je způsobován činností vody nebo větru, a při kterém dochází k rozrušování povrchu půdy a k transportu půdních částic. Podle erozních činitelů se eroze dělí na vodní a větrnou. V našem příspěvku jsme se zaměřili pouze na erozi vodní. Je-li eroze slabá a mírná, jedná se o přirozený jev, který je do určité míry kompenzován tvorbou půdy. Naopak na svažitých obdělávaných půdách dochází ke zrychlené erozi, kdy odnos půdy je několikanásobně vyšší než její tvorba. V těchto místech se projevují negativní důsledky eroze. V místě vzniku eroze na pozemku je to odnos půdy a snížení hloubky půdního horizontu spolu se snižováním obsahu živin v půdě a tím snížení produkční schopnosti. V místech mimo pozemky dochází k ukládání erodovaných částic a jsou způsobovány škody na komunikacích, jsou zanášené příkopy a vodní nádrže, někde eroze způsobuje škody i na budovách a v intravilánu obcí. Jan Votrubec, Josef Vlasák - Fakulta stavební ČVUT v Praze

Eroze vodní větrná v malé míře normální a přirozený jev zrychlená eroze na svažitých pozemcích - - způsobuje škody a proto je nežádoucí Eroze je přírodní jev, který je způsobován činností vody nebo větru, a při kterém dochází k rozrušování povrchu půdy a k transportu půdních částic. Podle erozních činitelů se eroze dělí na vodní a větrnou. V našem příspěvku jsme se zaměřili pouze na erozi vodní. Je-li eroze slabá a mírná, jedná se o přirozený jev, který je do určité míry kompenzován tvorbou půdy. Naopak na svažitých obdělávaných půdách dochází ke zrychlené erozi, kdy odnos půdy je několikanásobně vyšší než její tvorba. V těchto místech se projevují negativní důsledky eroze. V místě vzniku eroze na pozemku je to odnos půdy a snížení hloubky půdního horizontu spolu se snižováním obsahu živin v půdě a tím snížení produkční schopnosti. V místech mimo pozemky dochází k ukládání erodovaných částic a jsou způsobovány škody na komunikacích, jsou zanášené příkopy a vodní nádrže, někde eroze způsobuje škody i na budovách a v intravilánu obcí. Jan Votrubec, Josef Vlasák - Fakulta stavební ČVUT v Praze

Negativní vlivy eroze odnos půdy snižování obsahu živin a hloubky půdy zanášení příkopů, nádrží, škody na komunikacích Eroze je přírodní jev, který je způsobován činností vody nebo větru, a při kterém dochází k rozrušování povrchu půdy a k transportu půdních částic. Podle erozních činitelů se eroze dělí na vodní a větrnou. V našem příspěvku jsme se zaměřili pouze na erozi vodní. Je-li eroze slabá a mírná, jedná se o přirozený jev, který je do značné míry kompenzován tvorbou půdy. Naopak na svažitých obdělávaných půdách dochází ke zrychlené erozi, kdy odnos půdy je několikanásobně vyšší než její tvorba. V těchto místech se projevují negativní důsledky eroze. V místě vzniku eroze na pozemku je to odnos půdy a snížení hloubky půdního horizontu spolu se snižováním obsahu živin v půdě a tím snížení produkční schopnosti. V místech mimo pozemky dochází k ukládání erodovaných částic a jsou způsobovány škody na komunikacích, jsou zanášené příkopy a vodní nádrže, někde eroze způsobuje škody i na budovách a v intravilánu obcí. Podle údajů VÚMOP je v Česku orná půda ohrožena vodní erozí v rozsahu přibližně 50% a větrnou erozí asi 7,5%. Na Slovenku je vodní erozí ohroženo asi 55% zemědělské půdy (VÚPOP). Jan Votrubec, Josef Vlasák - Fakulta stavební ČVUT v Praze

Možnosti predikce - modely fyzikálně-matematické - simulační empirické USLE - Universal Soil Loss Equation Wischmeier a Smith, 1978, USA Vzhledem ke způsobovaným škodám je potřebné erozi předpovídat, z hlediska její existence, četnosti a intenzity. Pozemky ohrožené zvýšenou nebo zrychlenou erozí je nutné chránit, respektive zavést nebo vybudovat některá protierozní opatření. Pro určení erozní ohroženosti se používají dva přístupy: fyzikálně-matematické simulační modely - sestaveny na základě fyzikálního popisu jevu a jeho rozložení na elementární procesy, nevýhodou jsou složitější vstupy. Př. SMODERP, DesQ, EROSION 2D/3D, EUROSEM empirické modely - na základě dlouhodobých pozorování, které jsou popsány jednoduchými vztahy, a pro které se relativně snadno získávají vstupní hodnoty. Mezi nejrozšířenější modely patří univerzální rovnice ztráty půdy - USLE autorů Wischmeiera a Smithe (1978). Jan Votrubec, Josef Vlasák - Fakulta stavební ČVUT v Praze

USLE: G = R.K.L.S.C.P Faktory: R - erozní účinnost deště K - náchylnost půdy k erozi LS - topografický faktor (délka a sklon) C - ochranný vliv vegetace P - zohlednění protierozních opatření Univerzální rovnice ztráty půdy (USLE) má jednoduchý tvar a výsledkem je dlouhodobá ztráta půdy G (A,U) v jednotkách [t/ha/rok]. Hodnota výsledné ztráty závisí na několika činitelích, které jsou v rovnici zastoupeny jako tzv. faktory. R - [MJ/ha*cm/h] - faktor erozní účinnosti deště vyjadřuje vliv přívalové srážky na erozi. Srážka musí mít určitou intenzitu a dobu trvání. Pro ČR je R=20. K - [t/ha] - erodovatelnost půdy závisí na jejím zrnitostním složení, na obsahu organických částí, na struktuře a propustnosti. Určuje se podle nomogramu (W-S) nebo zjednodušeně podle kódů BPEJ. LS - vliv délky a sklonu svahu je spojen do topografického faktoru, nebo je možné určit oba faktory zvlášť. Podkladem jsou data popisující výškové poměry terénu (DTM). C - vliv vegetačního pokryvu půdy vyjadřuje to, jak pěstované rostliny chrání půdu. Je dán osevním postupem, podle jednotlivých plodin, podle leteckých snímků (DPZ), nebo podle druhu a využití pozemku. P - případná existence protierozních opatření na pozemku je vyjádřena faktorem P. Jan Votrubec, Josef Vlasák - Fakulta stavební ČVUT v Praze

Podklady Topografie terénu (terénní reliéf) DTM - digitální terénní model (DMR, DMT, DEM) Půda, klimatické a meteorologické údaje BPEJ - bonitované půdně ekologické jednotky KPP - komplexní průzkum půd rebonitace Vegetace osevní postup land-use - druh a využití pozemku letecké a družicové snímky Podklady pro vytvoření jednotlivých gridových vrstev: 1. výškové poměry v území, DTM nebo také názvy DMT, DMR, DEM, jako výstup z: přímé měření, letecké snímky, digitalizace vrstevnicových map, kombinace. 2. pedologické podklady: KPP, BPEJ, rebonitace 3. údaje o vegetačním pokryvu: osevní postup, letecké a družicové snímky Jan Votrubec, Josef Vlasák - Fakulta stavební ČVUT v Praze

USLE - tradiční výpočet Volba erozních profilů v trasách plošného povrchového odtoku G = R.K.L.S.C.P [t/ha/rok] R = 20 (konst.) K - podle BPEJ L.S - výpočet C - plodina, osevní postup P = 1 (konst.) Podklady pro vytvoření jednotlivých gridových vrstev: 1. výškové poměry v území, DTM nebo také názvy DMT, DMR, DEM, jako výstup z: přímé měření, letecké snímky, digitalizace vrstevnicových map, kombinace. 2. pedologické podklady: KPP, BPEJ, rebonitace 3. údaje o vegetačním pokryvu: osevní postup, letecké a družicové snímky Jan Votrubec, Josef Vlasák - Fakulta stavební ČVUT v Praze

USLE - tradiční výpočet Gpř - přípustná ztráta půdy - podle hloubky půdy převzaté z BPEJ G < Gpř OK G > Gpř Protierozní opatření - PEO G ≈ Gpř Terénní průzkum, PEO Podklady pro vytvoření jednotlivých gridových vrstev: 1. výškové poměry v území, DTM nebo také názvy DMT, DMR, DEM, jako výstup z: přímé měření, letecké snímky, digitalizace vrstevnicových map, kombinace. 2. pedologické podklady: KPP, BPEJ, rebonitace 3. údaje o vegetačním pokryvu: osevní postup, letecké a družicové snímky Jan Votrubec, Josef Vlasák - Fakulta stavební ČVUT v Praze

USLE - tradiční výpočet B1-B20: bloky orné půdy 1-29: erozní profily Území pro příklad leží SZ od Kutné Hory a je veliké přibližně 25 km2, z toho na 10,5 km2 byly vymezeny bloky orné půdy označené v obr. B1-B20. Tradiční nebo klasický výpočet pomocí univerzální rovnice ztráty půdy: V každém bloku je zvolen 1-2-3 charakteristické erozní profily v trasách plošného povrchového odtoku, dále se použije ten s největší hodnotou součinu LS. V obr. Jsou erozní profily nakresleny červeně a očíslovány od 1 do 29. Pro každý profil jsou určeny hodnoty všech faktorů z rovnice ztráty půdy a vypočtena výsledná ztráta půdy G. Tato hodnota se potom vztahuje na celý blok a porovnává se s přípustnou ztrátou danou podle hloubky půdy. Podle výsledku se navrhují protierozní opatření. Pro výpočet byl použit program ERCN (VÚMOP) Jan Votrubec, Josef Vlasák - Fakulta stavební ČVUT v Praze

podle linií BPEJ (vektor) GRID Grid R = 20 konst. Grid P = 1 konst. Grid K podle linií BPEJ (vektor) Grid C - výpočet pro 4 zástupce plodin s různou protierozní ochranou Grid je datová struktura, která se používá pro uchování prostorových dat. Je představován pravidelnou sítí zpravidla čtvercových buněk, které obsahují hodnotu sledované veličiny. Interpolací je možné určit hodnotu veličiny pro kterýkoliv bod v území. Výhodou gridu je efektivita ukládání dat, snadné vizualizace a snadnost použití v následných analýzách. Vytváření gridů, agregace vstupních dat, redukce gridů a další gridové výpočty jsou umožněny funkcemi ve všech hlavních programových systémech GIS. Pro výpočty v následujícím příkladu byl použit software Vertical Mapper, což je nadstavba GIS systému MapInfo. V případě výpočtu erozní ohroženosti je nutné nejprve vytvořit gridy pro jednotlivé faktory z rovnice ztráty půdy. R - je zvolena průměrná hodnota R=20 pro ČR jako konstanta. Pro konkrétní území je možné zvolit konkrétní hodnotu (16-35), zpracovává se mapa rozložení faktoru R. P - je zvolena nejméně příznivá hodnota P=1 jako konstanta, protože se předpokládá, že na pozemcích nejsou aplikována žádná protierozní opatření. K - hodnoty odvozeny podle kódů BPEJ, linie BPEJ existují ve vektorovém formátu, který byl převeden na grid K. C - byl zvolen výpočet pro 4 charakteristické plodiny s různou hodnotou faktoru C Jan Votrubec, Josef Vlasák - Fakulta stavební ČVUT v Praze

LS - digitalizované vrstevnice z mapy 1 : 10 000 GRID - LS faktor LS - digitalizované vrstevnice z mapy 1 : 10 000 grid DTM grid LS Tvorba gridu LS je pro celý výpočet nejdůležitější. Podkladem pro tvorbu gridu LS byly digitalizované vrstevnice z mapy 1 : 10 000. Z nich byl vytvořen seznam souřadnic s výškami, dále grid DTM a nakonec grid LS. Jan Votrubec, Josef Vlasák - Fakulta stavební ČVUT v Praze

Grid ztráty půdy G C=0,02 C=0,16 C=0,30 C=0,50 jeteloviny jarní obilnina C=0,30 řepka ozimá C=0,50 brambory Sloučením, respektive součinem jednotlivých gridových vrstev vznikne grid ztráty půdy G. Na obrázcích jsou uvedeny výsledky pro 4 vybrané plodiny, zelené plochy mají nejnižší erozi, potom postupně přes modrou, žlutou až k červené, kde je odnos půdy největší. Grid ztráty půdy lze použít dále jako podklad pro další analýzy a rozhodování. Jan Votrubec, Josef Vlasák - Fakulta stavební ČVUT v Praze

Porovnání výsledků V této tabulce je uvedeno porovnání klasického výpočtu přes erozní profily s gridovým výpočtem. Lze říci, že rozdíly mezi výsledky jsou menší než očekávaná přesnost a metoda s využitím gridu je použitelná. Jan Votrubec, Josef Vlasák - Fakulta stavební ČVUT v Praze

Grid G-přípustné podle hloubky půdy převzaté z BPEJ V závěru příspěvku bych vám rád ukázal použití gridu ztráty půdy pro jednoduchou úvahu o vhodnosti nasazení vybraných plodin do osevního postupu. Nejprve jsme vytvořili grid pro přípustnou ztrátu půdy, která závisí na hloubce půdy. Hloubku půdy jsme odvodili podle kódu BPEJ. Pro mělké půdy < 30cm 1 t/ha/rok pro středně hluboké 30-60cm 4 t/ha/rok hluboké >60 cm 10 t/ha/rok Modrá plocha s přípustnou ztrátou 0 t/ha/rok odpovídá lesní půdě, která byla zahrnuta do bloku B17. Vypočtená ztráta půdy G pro toto území je také 0 t/ha/rok, protože pro tyto pozemky není známa hodnota faktoru K podle BPEJ. Jan Votrubec, Josef Vlasák - Fakulta stavební ČVUT v Praze

Vhodnost plodin C=0,02 C=0,16 C=0,30 C=0,50 jeteloviny jarní obilnina řepka ozimá C=0,50 brambory Z porovnání (rozdílu) gridu přípustné ztráty půdy Gpř a gridu ztráty půdy G pro vybrané plodiny získáme nové gridy, ze kterých vidíme rozložení ploch vhodných pro danou plodinu (zelená barva) a plochy, kde je nasazení dané plodiny nežádoucí (červená barva). Podle tohoto podkladu je možné uvažovat o nasazení či vyřazení plodin v osevním postupu nebo navrhovat a aplikovat protierozní opatření. Tento postup je možné aplikovat při vytváření plánu společných zařízení v rámci komplexních pozemkových úprav. Jan Votrubec, Josef Vlasák - Fakulta stavební ČVUT v Praze

USLE - tradiční výpočet - opakovaně Lokální řešení – pozemek (blok půdy) Geodetické zaměření pro PÚ (cca 60m)  DMT Území pro příklad leží SZ od Kutné Hory a je veliké přibližně 25 km2, z toho na 10,5 km2 byly vymezeny bloky orné půdy označené v obr. B1-B20. Tradiční nebo klasický výpočet pomocí univerzální rovnice ztráty půdy: V každém bloku je zvolen 1-2-3 charakteristické erozní profily v trasách plošného povrchového odtoku, dále se použije ten s největší hodnotou součinu LS. V obr. Jsou erozní profily nakresleny červeně a očíslovány od 1 do 29. Pro každý profil jsou určeny hodnoty všech faktorů z rovnice ztráty půdy a vypočtena výsledná ztráta půdy G. Tato hodnota se potom vztahuje na celý blok a porovnává se s přípustnou ztrátou danou podle hloubky půdy. Podle výsledku se navrhují protierozní opatření. Pro výpočet byl použit program ERCN (VÚMOP) Jan Votrubec, Josef Vlasák - Fakulta stavební ČVUT v Praze

USLE - tradiční výpočet - opakovaně Model ztráty půdy G – trojúhelníková síť zaměření (cca 60m) pravidelná síť. (20m) Území pro příklad leží SZ od Kutné Hory a je veliké přibližně 25 km2, z toho na 10,5 km2 byly vymezeny bloky orné půdy označené v obr. B1-B20. Tradiční nebo klasický výpočet pomocí univerzální rovnice ztráty půdy: V každém bloku je zvolen 1-2-3 charakteristické erozní profily v trasách plošného povrchového odtoku, dále se použije ten s největší hodnotou součinu LS. V obr. Jsou erozní profily nakresleny červeně a očíslovány od 1 do 29. Pro každý profil jsou určeny hodnoty všech faktorů z rovnice ztráty půdy a vypočtena výsledná ztráta půdy G. Tato hodnota se potom vztahuje na celý blok a porovnává se s přípustnou ztrátou danou podle hloubky půdy. Podle výsledku se navrhují protierozní opatření. Pro výpočet byl použit program ERCN (VÚMOP) Jan Votrubec, Josef Vlasák - Fakulta stavební ČVUT v Praze

USLE - tradiční výpočet - opakovaně Model ztráty půdy G zaměření (cca 60m) pravidelná síť. (20m) Území pro příklad leží SZ od Kutné Hory a je veliké přibližně 25 km2, z toho na 10,5 km2 byly vymezeny bloky orné půdy označené v obr. B1-B20. Tradiční nebo klasický výpočet pomocí univerzální rovnice ztráty půdy: V každém bloku je zvolen 1-2-3 charakteristické erozní profily v trasách plošného povrchového odtoku, dále se použije ten s největší hodnotou součinu LS. V obr. Jsou erozní profily nakresleny červeně a očíslovány od 1 do 29. Pro každý profil jsou určeny hodnoty všech faktorů z rovnice ztráty půdy a vypočtena výsledná ztráta půdy G. Tato hodnota se potom vztahuje na celý blok a porovnává se s přípustnou ztrátou danou podle hloubky půdy. Podle výsledku se navrhují protierozní opatření. Pro výpočet byl použit program ERCN (VÚMOP) Jan Votrubec, Josef Vlasák - Fakulta stavební ČVUT v Praze

Děkuji za pozornost