Modelování erozního ohrožení ve velkých

Modelování erozního ohrožení ve velkých územních celcích
Zden k Kliment, Jakub Langhammer
P írodov decká fakulta UK, katedra fyzické geografie a geoekologie, 128 43 Praha 2
[email protected], [email protected]
P i hodnocení p írodních rizik hraje stále významn jší úlohu matematické modelování využívající prost edí
geografických informa ních systém (GIS). Výjimku nep edstavuje ani oblast hodnocení erozních proces . Pro
odhad erozního zatížení území a transportu plavenin z povodí existuje v sou asnosti velké množství postup .
Výpo etní metody a modely lze rozd lit podle r zných kritérií (koncepce výpo tu, velikost zájmového území,
dostupnost datových podklad , ú el výzkumu). Podle koncepce výpo tu je modely možné d lit na empirické a
fyzikáln založené (simula ní). Empirické modely jsou založeny na vyhodnocení velkého množství
experimentáln nam ených dat, zahrnují zpravidla omezený po et vstupních parametr obvykle p evedených do
podoby koeficient . Jejich výhodou je jednoduchost, rychlost a pr hlednost výpo tu. Známým a rozší eným
modelem je klasická rovnice USLE (Universal Soil Loss Equation) a její modifikace (nap íklad RUSLE).
Podstatou fyzikáln založených model je matematického vyjád ení probíhajících jev . Podle délky
simulovaného období se d lí na epizodní a kontinuální. Krom hlavních výstup (ztráta p dy, transport
sedimentu) poskytují i údaje o povrchovém odtoku vody. Fyzikáln založené modely jsou velmi náro né na
vstupní data a výpo etní techniku. P íkladem jsou modely SMODERP, EROSION 3D, EUROSEM. Kombinaci
empirického a fyzikáln založeného p ístupu nalezneme nap íklad u modelu AGNPS (viz. tab.1).
Tab. 1 Modelování erozních proces podle prostorového m ítka
prostorová
úrove
velikost
hodnoceného
území
zájmové
území
asové
m ítko
hodnocení
metody hodnocení
oblast využití
nároky na
objem
vstupních
dat
charakter
modelu
makroúrove
stovky až tisíce
km2
velká
uzav ená
povodí
regionálního
významu
delší ucelená
období
zjednodušené
metody odhadu
rizika eroze
látkového odnosu a
výpo tu bilan ních
hodnot
vymezení oblastí
erozního rizika,
bilan ní hodnoty
látkového odnosu
nízké až
st ední
regresní
modely
bilan ní
modely
mezoúrove
desítky až
stovky km2
povodí menší
a st ední
velikosti
delší období
sezóna
empirické
vyjád ení proces
USLE a její
modifikace
(AGNPS)
výpo et
st edn dobého
odnosu látek
z díl ích povodí a
zem d lské p dy
st ední až
vysoké
empirické
modely
mikroúrove
nejvýše
jednotky až
desítky km2
malá povodí
jejich díl í
ásti
jednotlivé
svahy
kontinuální
simulace
jednotlivých
událostí
fyzikáln založené
hodnocení,
dynamická
kontinuální
simulace
EROSION 3D,
SMODERP
výpo et srážkoodtokového
procesu, p esného
množství
erodovaných a
transportovaných
látek v jednotlivých
fázích procesu
vysoké
fyzikáln
založené
modely
V tšina model pro výpo et a odhad erozní zatíženosti území je limitována prostorovou omezeností na
malá povodí a vysokou náro ností na množství a podrobnost vstupních údaj . Bilan ní a regresní modely
používané ve velkých územních celcích zpravidla neumož ují prostorov adresné vyjád ení míry erozního
ohrožení. Hlavním cílem studie bylo vytvo it nový model erozní ohroženosti povodí založený na
multikriteriálním hodnocení hlavních erozních faktor v podob gridového pole v prost edí GIS (MapInfo
Professional/Vertical Mapper). Model umož uje vyjád it prostorov rozložení rizika eroze v územích st ední a
velké rozlohy o ploše stovek až tisíc km2, vymezit rizikové oblasti a specifikovat faktory, které jsou pro pr b h
erozních proces v dané oblasti rozhodující. Výzkum byl aplikován ve ty ech modelových povodích v eské
republice: povodí Blšanky, povodí Lužické Nisy, povodí Lou ky a povodí Olšavy. Povodí byla vybrána tak, aby
p i srovnatelné ploše povodí (cca 400 km2) 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 .
Pro modelování erozní náchylnosti byly vybrány ty i hlavní faktory: reliéf zemského povrchu,
geologické podloží, p dní pom ry a faktor využití území. Klimatické pom ry (deš ové 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 p evedeny do jednotného
gridu o velikosti 100x100 m. Faktor m byly p isouzeny ur ité míry náchylnosti k erozi podle 6-ti bodové
stupnice. Ta byla zvolena tak, aby vedle základní p tistup ové škály zahrnovala i kategorii extrémního ohrožení
(viz. tab.2).
Tab. 2 Bodování erozního ohrožení
Body
1
2
3
4
5
6
Stupe erozního ohrožení
Ohrožení žádné až nepatrné
Ohrožení nízké
Ohrožení st ední
Ohrožení silné
Ohrožení velmi silné
Ohrožení extrémní
Reliéf zemského povrchu: Zapojení i pr b h erozních proces výrazn ovliv uje reliéf. Jednou
z rozhodujících vlastností je sklon svahu, nemén d ležitými parametry jsou nep erušená délka a tvar svahu.
V rámci mapování erozí ohrožených p d byla v tšinou použita sklonitostní hranice 50. Terénní výzkumy
prokázaly, že k eroznímu procesu dochází i p i menších sklonech. K vyjád ení sklonitosti území bylo použito
vrstevnicových podklad získaných z digitálního modelu území v m ítku 1:25 000 (DMÚ 25, VTOPÚ
Dobruška). P i stanovení interval bylo uplatn no krajinn -ekologické hledisko: do 120 orná p da (nad 50
s aplikací protierozních opat ení), nad 12 0 zatravn ní a nad 170 zalesn ní.
Tab. 3 Bodování faktoru reliéfu
Body
1
2
3
4
5
6
Sklonitost terénu
0-2°
2-5°
5-8°
8-12°
12-17°
nad 17°
Vhodné využití území
orná p da
orná p da
orná p da !
orná p da !! (zatravn ní)
zatravn ní
zalesn ní
Geologické podloží: P sobení geologického podkladu na vznik a pr b h erozního procesu m že být
p ímé nebo nep ímé prost ednictvím p dního substrátu. P ímý vliv se projevuje v místech, kde hornina
vystupuje k povrchu. Ve snadno zv trávajících horninách dochází asto ke vzniku erozních rýh. P i posuzování
vlivu geologického faktoru na erozní proces jsou uvažována nej ast ji hlediska propustnosti a zv trávání
horninového podkladu (nap . Stehlík, 1970). V metodice bodového hodnocení up ednostn na tzv.
geomorfologická hodnota horniny, nebo-li schopnost horniny odolávat zv trávacím a erozním proces m. Klí
k hodnocení geologického podloží byl áste n p evzat z prací Lore, Magaldi (1994) pro oblasti St edomo í.
Pro prozatímní nedostatek podrobn jších digitalizovaných mapových geologických podklad (nap . 1 : 50 000)
byl jako základní datový zdroj použit obsah p ehledné geologické mapy SSR v m ítku 1 : 200 000 dopln ný o
vrstvu kvartéru.
Tab. 4 Bodování faktoru geologického podloží
Body
1
2
3
4
5
6
Typy geologického podloží
Vyv elé a siln metamorfované horniny (ruly), k emence, karbonáty
St edn metamorfované horniny (svory, fylity), pevn stmelené pískovce
Hrubozrné rozpadavé horniny (vybrané pískovce, slepence, arkózy, pyroklastika)
Jemnozrné rozpadavé horniny (jílovité pískovce, jílovce, jílovité b idlice, slínovce)
Nezpevn né písky, jíly, hlíny (fluviální, proluviální a deluviální, glacifluviální sedimenty)
Spraše
P dní pom ry: P dní pom ry jsou souhrnem jednotlivých vlastností p dy. Odolnost p dy (erodibilita)
je asto posuzována p edevším z hlediska textury, která je dávána do souvislosti s infiltra ní schopností p dy.
Z dalších vlastností ovliv ují erozní proces zejména p dní struktura, obsah humusu, vlhkost p dy, hloubka a
zvrstvení p dního profilu. Do metody bodového hodnocení byl zahrnut tzv. faktor erodovatelnosti p d odvozený
VÚMOP v Praze koncem 80. let pro naše p dy podle nomogramu Wishmeiera, Johnsona a Grosse (1971) a
který nachází uplatn ní zejména p i aplikaci USLE. Výsledná hodnota koeficientu v sob zahrnuje 4 p dní
parametry: texturu, zastoupení organické hmoty, strukturu ornice a propustnost p dního profilu. Za základní
zdroj byla vzata digitalizovaná databáze BPEJ.
Tab. 5 Bodování faktoru erodibility p d
Body
1
2
3
4
5
6
Faktor erodibility
(podle Jane ka, 1992)
0,16-0,24
0,25-0,32
0,33-0,41
0,42-0,49
0,50-0,57
0,58-0,66
Typy p d – p íklady
kambizem (pís itá), regozem
kambizem, kambizem eutrická (pís itá/hlinitá)
kambizem, kambizem eutrická pseudoglejová, fluvizem
ernozem, rendzina, kambizem pseudoglejová (hlinitá)
hn dozem, pseudoglej
luvizem, hn dozem luvizemní, ernozem luvická
Pozn. Faktor erodibility se týká pouze zem d lsky obhospoda ovaných ploch. Lesní p dy byly proto jako celek
ohodnoceny 2 body (nízké erozní ohrožení).
Využití území: Intenzitu a pr b h erozních proces ovliv uje významn prostorové uspo ádání a
funk ní využití krajiny. Nesporný je p íznivý vliv vegetace, která ochra uje povrch p ed mechanickou destrukcí
deš ových kapek, zpomaluje povrchový odtok a zlepšuje p dní vlastnosti. Nejlepší ú innost má dob e
udržovaný les, stejn tak kvalitní travní porost. V tším problémem je zem d lsky využívaná p da pro v tší
pestrost p stovaných kultur a osevních postup . Nedostatek údaj o p stování zem d lských plodin a asová
prom nlivost osevních postup vede k tomu, že bývá zpravidla jako celek vyjád ena orná p da bez podrobn jší
strukturalizace. V metod bodového hodnocení bylo využito digitální databáze CORINE Land Cover, která
reprezentuje stav využití krajiny ze za átku 90. let 20. století. Jednotlivým t ídám byly p i azeny 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
T ídy CORINE Land Cover
Typy využití území
1
111, 112, 121, 122, 124, 512
2
311, 312, 313, 231, 321, 324, 142
3
222, 243
4
241, 242
5
6
211, 131
221, 444
m stská zástavba, pr myslové zóny, silni ní a železni ní sí , letišt ,
vodní plochy
listnaté lesy, jehli naté lesy, smíšené lesy, louky, trávníky a p irozené
pastviny, st ídající se lesy a k oviny, za ízení pro sport a rekreaci
ovocné sady a ke e, území p evážn zem d lské s p ím sí p irozené
vegetace
ro ní kultury p idané ke stálým kulturám, komplexní systémy kultur a
parcel
orná p da mimo zavlažovaných ploch, t žba hornin
vinice, chmelnice
Deš ové srážky: Jako podklad pro tvorbu vstupní vrstvy zohled ující faktor klimatu byl zvolen
interpolovaný grid pr m rných dlouhodobých srážkových úhrn za hydrologický rok. Rozp tí hodnot bylo
p evedeno do šestibodové stupnice analogické s p edchozími vrstvami, tak aby výsledné hodnoty byly
s ostatními faktory slu itelné.
Hlavním výsledkem modelování je vytvo ení syntetické mapy erozní ohrožení území, p i emž míra
náchylnosti k vodní erozi je vyjád ena po tem bod . Výsledné bodování vzniklo prostorovým sou tem bod
v použitých gridových vrstvách. Nízké hodnoty zna í nízkou náchylnost k erozi, vysoké bodové hodnoty potom
odpovídají vysoké náchylnosti k erozi. Gridové vrstvy umož ují vytvá et i libovolné kombinace faktor (nap .
reliéf x využití území).
Pro hodnocení erozních podmínek byly použity r zné varianty model :
Model A = georeliéf(S) + geologické podloží(G) + p dní pom ry(P) + využití území(L)
Model B = georeliéf(S) + geologické podloží(G) + p dní pom ry(P) + využití území(L) + deš ové srážky(H)
Výsledné rozložení erozního ohrožení modelových povodí (viz. obr.1a tab.7) odráží prostorové
uspo ádání jednotlivých p í inných faktor . Nejvyšší hodnoty pr m rné 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 m žeme sledovat i významné zastoupení stržové eroze. P dní erodibilita vykazuje
vyrovnan jší hodnoty jak ve srovnání mezi jednotlivými povodími, tak v jejich vnit ní distribuci, nejvýrazn ji se
uplat uje v povodí Olšavy. Faktor využití území p edstavuje u všech povodí s výjimkou Lužické Nisy
dominantní initel ovliv ující výsledné hodnoty erozní ohroženosti, nejvíce u Lou ky.
Tab.7 Výsledky výpo tu model erozního ohrožení
povodí
Blšanka
Lou ka
Lužická Nisa
Olšava
sklon
89 492
96 221
123 580
127 273
geologie
117 344
40 758
52 118
167 358
p dy
87 847
99 007
88 030
117 075
landuse
143 655
152 122
100 923
134 512
model A
S+G+P+L
438 323
387 261
364 921
545 089
model B
S+G+P+L+H
model A
S+G+P+2L
492 329
440 794
508 453
658 826
581 996
540 231
465 845
680 732
Pozn. Hodnoty p edstavují sou ty 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 p dy nachází na sklonech v tších než 80.
Vysoké erozní riziko je v n m rovnom rn rozloženo na celém území i vzhledem k p ítomnosti málo odolného
flyšového podloží. Následuje povodí Blšanky, kde vedle sprašové oblasti v dolní ásti povodí jsou ohrožené
plochy koncentrovány na zem d lsky obd lávané údolní svahy podél hlavního toku a pravostranných p ítok a
na okrajové svahy Doupovských hor. Nep ízniv se zde projevují rozsáhlé plochy chmelnic, p edstavující
v systému klasifikace nejvyšší možný stupe erozní ohroženosti. Zcela heterogenn p sobí povodí Lužické Nisy,
ve kterém je významné erozní riziko soust ed no na dolní ást povodí, naopak na srážky bohatá zalesn nému
horní ást povodí je charakterizována žádným až nepatrným erozním ohrožením. Povodí Lou ky s nep íliš
lenitým reliéfem a nejv tším zastoupením orné p dy (60 % ) p sobí celkov nižším stupn m erozního ohrožení,
které je však rovnom rn zastoupeno na celé ploše povodí. Predispozice tohoto modelového povodí k vodní
erozi p dy vyniknou pokud zv tšíme váhu faktoru využití území na dvojnásobek. Zohledn ním srážkových
úhrn v modelu B došlo k nár stu 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). Zjišt ná míra erozního ohrožení dob e koresponduje s hodnotami pr m rné kalnosti vody
c(mg/l). Celkové odte ené množství plavenin je do zna né míry ovlivn no 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
p í inou podstatných rozdíl v odnosu plavenin v pr tokov srovnatelných povodích Lou ky a Olšavy.
Tab. 8 Srážkové, pr tokové a plaveninové údaje pro modelová povodí
povodí
hydr.období
Olšava
Blšanka
Lou ka
Luž.Nisa
1985-2000
1995-2000
1985-2000
1985-1997
Qr (m3/s)
2,08
0,67
2,08
5,52
c (mg/l)
64,5
61,3
44,3
38,5
G (t/rok) qpl (t/rok/km2)
18572,7
46,3
2840,1
7,6
8283,4
21,5
8058,2
22,7
Hp(mm)
713
517
655
897
Pozn. Údaje jsou uvedeny pro uzáv rové profily Blšanka-Holede (vlastní m ení), Lužická Nisa-Hrádek n.N., Lou kaDolní Lou ky a Olšava-Uherský Brod (profily HMÚ).
Míru erozního rizika ve sledovaných povodích dokumentuje i vztah mezi ro ními hodnotami kalnosti a
pr toku vody (viz. obr.2) Z grafu je z ejmé, že povodí Blšanky i p es nejmenší pr tok dosahuje ve vodných
letech vysoké pr m rné hodnoty kalnosti. Závislost obou veli in je pom rn t sná p i velkém sklonu sm rnice.
Podobn je tomu u povodí Olšavy, kde je již v tší rozptyl hodnot. Naprostou nezávislost a celkov velmi nízké
hodnoty kalnosti i p i vysokých vodních stavech vykazuje povodí Lužické Nisy.
Obr. 2 Vztah mezi pr m rnými ro ními hodnotami kalnosti a pr toku vody.
120
c (m g/l)
100
Blšanka
80
Lou ka
60
Luž.Nisa
Olšava
40
20
0
0
2
4
Q (m 3/s)
6
8
Model erozního ohrožení založený na multikriteriálním bodovém hodnocení hlavních faktor ,
realizovaný v podob gridového modelu je vhodným nástrojem pro vyjád ení rizika vodní eroze ve v tších
územních celcích. Umožnil na základ b žn dostupných databází vzájemn porovnat potenciál pro transport
plavenin ve sledovaných povodích a vymezit hlavní rizikové oblasti. Jako nejvhodn jší varianta nejlépe
odpovídající skute nosti se ukázal model A, ve kterém byla zdvojnásobena váha faktoru využití území.
Výzkum byl podpo en Grantovou agenturou UK a Výzkumným zám rem geografické sekce P F UK Praha.
Literatura:
Jane ek J. a kol. (1992): Ochrana zem d lské p dy p ed erozí. Metodiky pro zavád ní výsledk výzkumu do
zem d lské praxe, 5, ÚVTIZ, Praha, 110 s.
Kliment Z., Langhammer J., Jur ák P. (2003): Dynamika plošného odnosu látek z povodí v geograficky
odlišných podmínkách eské republiky. ZZ grantu GAUK .178/2000/B-GEO/P F, Praha, 98 s.
Kliment Z. (v tisku): Transport of suspended sediments in various regions of the Czech Republic. Sborník 5.
esko-slovensko-polského seminá e. 8.-12.6.2003, Prachatice.
Kliment Z. (2000): Bilance, režim a chemismus plavenin í ky Blšanky. Geografie-Sborník GS, 105, .3, s.
255-265.
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, 4:404-422.
Bratislava
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 (350-400 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).
Obr. 1 Model A erozního ohrožení pro vybraná povodí
Povodí Lou ky
Povodí Blšanky
Model 2L+G+P+S
5
10
15
20
25
30
Povodí Lužické Nisy
Povodí Olšavy
0
5
10 km