Modelování erozního ohrožení ve velkých územních celcích

Transkript

1 Modelování erozního ohrožení ve velkých územních celcích Zdenk Kliment, Jakub Langhammer Pírodovdecká fakulta UK, katedra fyzické geografie a geoekologie, Praha 2 kliment@natur.cuni.cz, langhamr@natur.cuni.cz Pi hodnocení pírodních rizik hraje stále významnjší úlohu matematické modelování využívající prostedí geografických informaních systém (GIS). Výjimku nepedstavuje ani oblast hodnocení erozních proces. Pro odhad erozního zatížení území a transportu plavenin z povodí existuje v souasnosti velké množství postup. Výpoetní metody a lze rozdlit podle rzných kritérií (koncepce výpotu, velikost zájmového území, dostupnost datových podklad, úel výzkumu). Podle koncepce výpotu je možné dlit na empirické a fyzikáln založené (simulaní). Empirické jsou založeny na vyhodnocení velkého množství experimentáln namených dat, zahrnují zpravidla omezený poet vstupních parametr obvykle pevedených do podoby koeficient. Jejich výhodou je jednoduchost, rychlost a prhlednost výpotu. Známým a rozšíeným modelem je klasická rovnice USLE (Universal Soil Loss Equation) a její modifikace (napíklad RUSLE). Podstatou fyzikáln založených model je matematického vyjádení probíhajících jev. Podle délky simulovaného období se dlí na epizodní a kontinuální. Krom hlavních výstup (ztráta pdy, transport sedimentu) poskytují i údaje o povrchovém odtoku vody. Fyzikáln založené jsou velmi nároné na vstupní data a výpoetní techniku. Píkladem jsou SMODERP, EROSION 3D, EUROSEM. Kombinaci empirického a fyzikáln založeného pístupu nalezneme napíklad u modelu AGNPS (viz. tab.1). Tab. 1 Modelování erozních proces podle prostorového mítka prostorová úrove velikost hodnoceného území zájmové území asové mítko hodnocení metody hodnocení oblast využití nároky na objem vstupních dat charakter modelu makroúrove stovky až tisíce km 2 velká uzavená povodí regionálního významu delší ucelená období zjednodušené metody odhadu rizika eroze látkového odnosu a výpotu bilanních hodnot vymezení oblastí erozního rizika, bilanní hodnoty látkového odnosu nízké až stední regresní bilanní mezoúrove desítky až stovky km 2 povodí menší a stední velikosti delší období sezóna empirické vyjádení proces USLE a její modifikace (AGNPS) výpoet stedndobého odnosu látek z dílích povodí a zemdlské pdy stední až vysoké empirické mikroúrove nejvýše jednotky až desítky km 2 malá povodí jejich dílí ásti jednotlivé svahy kontinuální simulace jednotlivých událostí fyzikáln založené hodnocení, dynamická kontinuální simulace EROSION 3D, SMODERP výpoet srážkoodtokového procesu, pesného množství erodovaných a transportovaných látek v jednotlivých fázích procesu vysoké fyzikáln založené Vtšina model pro výpoet a odhad erozní zatíženosti území je limitována prostorovou omezeností na malá povodí a vysokou nároností na množství a podrobnost vstupních údaj. Bilanní a regresní používané ve velkých územních celcích zpravidla neumožují prostorov adresné vyjádení míry erozního ohrožení. Hlavním cílem studie bylo vytvoit nový model erozní ohroženosti povodí založený na multikriteriálním hodnocení hlavních erozních faktor v podob gridového pole v prostedí GIS (MapInfo Professional/Vertical Mapper). Model umožuje vyjádit prostorov rozložení rizika eroze v územích stední a velké rozlohy o ploše stovek až tisíc km 2, vymezit rizikové oblasti a specifikovat faktory, které jsou pro prbh erozních proces v dané oblasti rozhodující. Výzkum byl aplikován ve tyech modelových povodích v eské republice: povodí Blšanky, povodí Lužické Nisy, povodí Louky a povodí Olšavy. Povodí byla vybrána tak, aby pi srovnatelné ploše povodí (cca 400 km 2 ) reprezentovala odlišné podmínky pro zapojení erozních proces a byly zde k dispozici údaje z víceletého monitoringu transportu plavenin použitelné ke kalibraci model a vzájemnému porovnání výsledk.

2 Pro modelování erozní náchylnosti byly vybrány tyi hlavní faktory: reliéf zemského povrchu, geologické podloží, pdní pomry a faktor využití území. Klimatické pomry (dešové srážky) byly do metody bodového hodnocení zahrnuty samostatn jako variantní vstup, zejména pro nedostatek informací o intenzit srážek na celé ploše povodí. Jednotlivé faktory odvozené z digitálních podklad byly pevedeny do jednotného gridu o velikosti 100x100 m. Faktorm byly pisouzeny urité míry náchylnosti k erozi podle 6-ti bodové stupnice. Ta byla zvolena tak, aby vedle základní ptistupové škály zahrnovala i kategorii extrémního ohrožení (viz. tab.2). Tab. 2 Bodování erozního ohrožení Body Stupe erozního ohrožení 1 Ohrožení žádné až nepatrné 2 Ohrožení nízké 3 Ohrožení stední 4 Ohrožení silné 5 Ohrožení velmi silné 6 Ohrožení extrémní Reliéf zemského povrchu: Zapojení i prbh erozních proces výrazn ovlivuje reliéf. Jednou z rozhodujících vlastností je sklon svahu, nemén dležitými parametry jsou neperušená délka a tvar svahu. V rámci mapování erozí ohrožených pd byla vtšinou použita sklonitostní hranice 5 0. Terénní výzkumy prokázaly, že k eroznímu procesu dochází i pi menších sklonech. K vyjádení sklonitosti území bylo použito vrstevnicových podklad získaných z digitálního modelu území v mítku 1: (DMÚ 25, VTOPÚ Dobruška). Pi stanovení interval bylo uplatnno krajinn-ekologické hledisko: do 12 0 orná pda (nad 5 0 s aplikací protierozních opatení), nad 12 0 zatravnní a nad 17 0 zalesnní. Tab. 3 Bodování faktoru reliéfu Body Sklonitost terénu Vhodné využití území orná pda orná pda orná pda! orná pda!! (zatravnní) zatravnní 6 nad 17 zalesnní Geologické podloží: Psobení geologického podkladu na vznik a prbh erozního procesu mže být pímé nebo nepímé prostednictvím pdního substrátu. Pímý vliv se projevuje v místech, kde hornina vystupuje k povrchu. Ve snadno zvtrávajících horninách dochází asto ke vzniku erozních rýh. Pi posuzování vlivu geologického faktoru na erozní proces jsou uvažována nejastji hlediska propustnosti a zvtrávání horninového podkladu (nap. Stehlík, 1970). V metodice bodového hodnocení upednostnna tzv. geomorfologická hodnota horniny, nebo-li schopnost horniny odolávat zvtrávacím a erozním procesm. Klí k hodnocení geologického podloží byl ásten pevzat z prací Lore, Magaldi (1994) pro oblasti Stedomoí. Pro prozatímní nedostatek podrobnjších digitalizovaných mapových geologických podklad (nap. 1 : ) byl jako základní datový zdroj použit obsah pehledné geologické mapy SSR v mítku 1 : doplnný o vrstvu kvartéru. Tab. 4 Bodování faktoru geologického podloží Body Typy geologického podloží 1 Vyvelé a siln metamorfované horniny (ruly), kemence, karbonáty 2 Stedn metamorfované horniny (svory, fylity), pevn stmelené pískovce 3 Hrubozrné rozpadavé horniny (vybrané pískovce, slepence, arkózy, pyroklastika) 4 Jemnozrné rozpadavé horniny (jílovité pískovce, jílovce, jílovité bidlice, slínovce) 5 Nezpevnné písky, jíly, hlíny (fluviální, proluviální a deluviální, glacifluviální sedimenty) 6 Spraše

3 Pdní pomry: Pdní pomry jsou souhrnem jednotlivých vlastností pdy. Odolnost pdy (erodibilita) je asto posuzována pedevším z hlediska textury, která je dávána do souvislosti s infiltraní schopností pdy. Z dalších vlastností ovlivují erozní proces zejména pdní struktura, obsah humusu, vlhkost pdy, hloubka a zvrstvení pdního profilu. Do metody bodového hodnocení byl zahrnut tzv. faktor erodovatelnosti pd odvozený VÚMOP v Praze koncem 80. let pro naše pdy podle nomogramu Wishmeiera, Johnsona a Grosse (1971) a který nachází uplatnní zejména pi aplikaci USLE. Výsledná hodnota koeficientu v sob zahrnuje 4 pdní parametry: texturu, zastoupení organické hmoty, strukturu ornice a propustnost pdního profilu. Za základní zdroj byla vzata digitalizovaná databáze BPEJ. Tab. 5 Bodování faktoru erodibility pd Body Faktor erodibility Typy pd píklady (podle Janeka, 1992) 1 0,16-0,24 kambizem (písitá), regozem 2 0,25-0,32 kambizem, kambizem eutrická (písitá/hlinitá) 3 0,33-0,41 kambizem, kambizem eutrická pseudoglejová, fluvizem 4 0,42-0,49 ernozem, rendzina, kambizem pseudoglejová (hlinitá) 5 0,50-0,57 hndozem, pseudoglej 6 0,58-0,66 luvizem, hndozem luvizemní, ernozem luvická Pozn. Faktor erodibility se týká pouze zemdlsky obhospodaovaných ploch. Lesní pdy byly proto jako celek ohodnoceny 2 body (nízké erozní ohrožení). Využití území: Intenzitu a prbh erozních proces ovlivuje významn prostorové uspoádání a funkní využití krajiny. Nesporný je píznivý vliv vegetace, která ochrauje povrch ped mechanickou destrukcí dešových kapek, zpomaluje povrchový odtok a zlepšuje pdní vlastnosti. Nejlepší úinnost má dobe udržovaný les, stejn tak kvalitní travní porost. Vtším problémem je zemdlsky využívaná pda pro vtší pestrost pstovaných kultur a osevních postup. Nedostatek údaj o pstování zemdlských plodin a asová promnlivost osevních postup vede k tomu, že bývá zpravidla jako celek vyjádena orná pda bez podrobnjší strukturalizace. V metod bodového hodnocení bylo využito digitální databáze CORINE Land Cover, která reprezentuje stav využití krajiny ze zaátku 90. let 20. století. Jednotlivým tídám byly piazeny body na základ zkušeností z odborné literatury (Morgan, 1986, Šúri a kol,. 2002) a též odhadem ochranného vlivu jednotlivých kategorií. Tab. 6 Bodování faktoru využití území Body Tídy CORINE Land Cover Typy využití území 1 111, 112, 121, 122, 124, 512 mstská zástavba, prmyslové zóny, silniní a železniní sí, letišt, vodní plochy 2 311, 312, 313, 231, 321, 324, 142 listnaté lesy, jehlinaté lesy, smíšené lesy, louky, trávníky a pirozené pastviny, stídající se lesy a koviny, zaízení pro sport a rekreaci 3 222, 243 ovocné sady a kee, území pevážn zemdlské s pímsí pirozené vegetace 4 241, 242 roní kultury pidané ke stálým kulturám, komplexní systémy kultur a parcel 5 211, 131 orná pda mimo zavlažovaných ploch, tžba hornin 6 221, 444 vinice, chmelnice Dešové srážky: Jako podklad pro tvorbu vstupní vrstvy zohledující faktor klimatu byl zvolen interpolovaný grid prmrných dlouhodobých srážkových úhrn za hydrologický rok. Rozptí hodnot bylo pevedeno do šestibodové stupnice analogické s pedchozími vrstvami, tak aby výsledné hodnoty byly s ostatními faktory sluitelné. Hlavním výsledkem modelování je vytvoení syntetické mapy erozní ohrožení území, piemž míra náchylnosti k vodní erozi je vyjádena potem bod. Výsledné bodování vzniklo prostorovým soutem bod v použitých gridových vrstvách. Nízké hodnoty znaí nízkou náchylnost k erozi, vysoké bodové hodnoty potom odpovídají vysoké náchylnosti k erozi. Gridové vrstvy umožují vytváet i libovolné kombinace faktor (nap. reliéf x využití území). Pro hodnocení erozních podmínek byly použity rzné varianty model:

4 Model A = georeliéf(s) + geologické podloží(g) + pdní pomry(p) + využití území(l) Model B = georeliéf(s) + geologické podloží(g) + pdní pomry(p) + využití území(l) + dešové srážky(h) Výsledné rozložení erozního ohrožení modelových povodí (viz. obr.1a tab.7) odráží prostorové uspoádání jednotlivých píinných faktor. Nejvyšší hodnoty prmrné i absolutní sklonitosti svah nacházíme v povodí Olšavy a Lužické Nisy. Geologické podloží ukazuje na vysokou erozní predispozici pro povodí Olšavy a také Blšanky, ve kterých mžeme sledovat i významné zastoupení stržové eroze. Pdní erodibilita vykazuje vyrovnanjší hodnoty jak ve srovnání mezi jednotlivými povodími, tak v jejich vnitní distribuci, nejvýraznji se uplatuje v povodí Olšavy. Faktor využití území pedstavuje u všech povodí s výjimkou Lužické Nisy dominantní initel ovlivující výsledné hodnoty erozní ohroženosti, nejvíce u Louky. Tab.7 Výsledky výpotu model erozního ohrožení povodí sklon geologie pdy landuse model A S+G+P+L model B S+G+P+L+H model A S+G+P+2L Blšanka Louka Lužická Nisa Olšava Pozn. Hodnoty pedstavují souty bod v gridovém poli v daných povodích Základní varianta modelu A ukazuje, že nejvíce náchylné k erozi, výrazn vystupující nad ostatní studovaná povodí, je povodí Olšavy. V povodí se 20 % plochy orné pdy nachází na sklonech vtších než 8 0. Vysoké erozní riziko je v nm rovnomrn rozloženo na celém území i vzhledem k pítomnosti málo odolného flyšového podloží. Následuje povodí Blšanky, kde vedle sprašové oblasti v dolní ásti povodí jsou ohrožené plochy koncentrovány na zemdlsky obdlávané údolní svahy podél hlavního toku a pravostranných pítok a na okrajové svahy Doupovských hor. Nepízniv se zde projevují rozsáhlé plochy chmelnic, pedstavující v systému klasifikace nejvyšší možný stupe erozní ohroženosti. Zcela heterogenn psobí povodí Lužické Nisy, ve kterém je významné erozní riziko soustedno na dolní ást povodí, naopak na srážky bohatá zalesnnému horní ást povodí je charakterizována žádným až nepatrným erozním ohrožením. Povodí Louky s nepíliš lenitým reliéfem a nejvtším zastoupením orné pdy (60 % ) psobí celkov nižším stupnm erozního ohrožení, které je však rovnomrn zastoupeno na celé ploše povodí. Predispozice tohoto modelového povodí k vodní erozi pdy vyniknou pokud zvtšíme váhu faktoru využití území na dvojnásobek. Zohlednním srážkových úhrn v modelu B došlo k nárstu erozního rizika v srážkov bohatších oblastech (zejména v povodí Lužické Nisy) na rozdíl od srážkov chudého povodí Blšanky. Výsledky model erozní ohroženosti byly porovnány s hodnotami transportu plavenin ve sledovaných povodích (viz. tab.8). Zjištná míra erozního ohrožení dobe koresponduje s hodnotami prmrné kalnosti vody c(mg/l). Celkové odteené množství plavenin je do znané míry ovlivnno hydrologickou bilancí jednotlivých povodí. Nejvyšší odtok plavenin vykazuje shodn nejvíce ohrožené povodí Olšavy. Vysoký erozní potenciál povodí Blšanky je zakryt velmi nízkými hodnotami povrchového odtoku, na rozdíl od povodí Lužické Nisy, kde je relativn nízké celkové erozní riziko znásobeno velkou vodností povodí. Odlišná míra erozního ohrožení je píinou podstatných rozdíl v odnosu plavenin v prtokov srovnatelných povodích Louky a Olšavy. Tab. 8 Srážkové, prtokové a plaveninové údaje pro modelová povodí povodí hydr.období Qr (m 3 /s) c (mg/l) G (t/rok) qpl (t/rok/km 2 ) Hp(mm) Olšava ,08 64, ,7 46,3 713 Blšanka ,67 61,3 2840,1 7,6 517 Louka ,08 44,3 8283,4 21,5 655 Luž.Nisa ,52 38,5 8058,2 22,7 897 Pozn. Údaje jsou uvedeny pro uzávrové profily Blšanka-Holede (vlastní mení), Lužická Nisa-Hrádek n.n., Louka- Dolní Louky a Olšava-Uherský Brod (profily HMÚ). Míru erozního rizika ve sledovaných povodích dokumentuje i vztah mezi roními hodnotami kalnosti a prtoku vody (viz. obr.2) Z grafu je zejmé, že povodí Blšanky i pes nejmenší prtok dosahuje ve vodných letech vysoké prmrné hodnoty kalnosti. Závislost obou veliin je pomrn tsná pi velkém sklonu smrnice.

5 Podobn je tomu u povodí Olšavy, kde je již vtší rozptyl hodnot. Naprostou nezávislost a celkov velmi nízké hodnoty kalnosti i pi vysokých vodních stavech vykazuje povodí Lužické Nisy. Obr. 2 Vztah mezi prmrnými roními hodnotami kalnosti a prtoku vody. 120 c (mg/l) Blšanka Louka Luž.Nisa Olšava Q (m3/s) Model erozního ohrožení založený na multikriteriálním bodovém hodnocení hlavních faktor, realizovaný v podob gridového modelu je vhodným nástrojem pro vyjádení rizika vodní eroze ve vtších územních celcích. Umožnil na základ bžn dostupných databází vzájemn porovnat potenciál pro transport plavenin ve sledovaných povodích a vymezit hlavní rizikové oblasti. Jako nejvhodnjší varianta nejlépe odpovídající skutenosti se ukázal model A, ve kterém byla zdvojnásobena váha faktoru využití území. Výzkum byl podpoen Grantovou agenturou UK a Výzkumným zámrem geografické sekce PF UK Praha. Literatura: Janeek J. a kol. (1992): Ochrana zemdlské pdy ped erozí. Metodiky pro zavádní výsledk výzkumu do zemdlské praxe, 5, ÚVTIZ, Praha, 110 s. Kliment Z., Langhammer J., Jurák P. (2003): Dynamika plošného odnosu látek z povodí v geograficky odlišných podmínkách eské republiky. ZZ grantu GAUK.178/2000/B-GEO/PF, Praha, 98 s. Kliment Z. (v tisku): Transport of suspended sediments in various regions of the Czech Republic. Sborník 5. esko-slovensko-polského semináe , Prachatice. Kliment Z. (2000): Bilance, režim a chemismus plavenin íky Blšanky. Geografie-Sborník GS, 105,.3, s Lore A., Magaldi D. (1994): A method for assessing soil erosion hazard on regional scale. IGU Regional Conference Environment and Quality of Life in Central Europe, Praha. Morgan R.P.C. (1986): Soil erosion and conservation. Longman scientific and technical. London, 256 s. Šúri M. a kol. (2002): Soil erosion assesment of Slovakia at a regional scale usány GIS. Ekológia, 4: Bratislava

6 Summary Modelling of the erosion risk in large areas In evaluation of natural risks, mathematical modelling using the environment of geographical information systems (GIS) plays an increasingly important role. However, application of models used for the calculation or estimation of the territory erosion load is limited by the spatial limitation of the evaluation to small partial river basins of the size of units of sq. km, accompanied moreover by the high demands for the amount and detailed nature of input data. The authors created a new model of erosion risk distribution in the large area of hundreds up to thousands sq. km based on the multi-criteria evaluation of main factors affecting erosion processes. Four main factors were used for modelling of the erosion risk: the inclination, the geological subsoil, the soil erodibility, and the land cover. Annual precipitation were added as an individual variant input to the four factors. Digital data were transformed into a uniform grid of the size 100 x 100 m. The basic variant of the model represented a simple sum of points from the four main layers. The overall situation in the river basins was better characterized by a model in which the region cover factor weight was doubled. The model was applied to four river basin of a comparable area ( sq. km), which at the same time represent environments of the Czech Republic mutually different from the geographic point of view (see Fig. 1). The results of models were compared with suspended sediments transport. The differences in sediments transport represent not only a manifestation of different soil erosion conditions, but also different rainfall-runoff balance of individual river basins. The highest sediment transport values were found in the case of the Olšava river basin most exposed to erosion. The Blšanka river basin, in spite of the high erosion risk, showed the lowest sediment transport. The Lužická Nisa river basin manifested independence between turbidity and the water flow (see Fig. 2).

7 Obr. 1 Model A erozního ohrožení pro vybraná povodí Povodí Lou ky Povodí Blšanky Model 2L+G+P+S Povodí Lužické Nisy Povodí Olšavy km