Modelování eroze

Určit intenzitu nebo stupeň eroze je velmi důležité proto, aby bylo možné ji mírnit a předcházet škodám způsobovaným erozí. Pro snížení eroze se navrhují a aplikují různá protierozní opatření, která jsou charakteru technického, biotechnického, agrotechnického a organizačního. Aby navržená opatření byla funkční, je nutné předem znát místa, kde se eroze projevuje a určit její množství. Pro určování množství eroze a míst, kde se vyskytuje, se používají různé empirické nebo matematické modely. Mezi nejrozšířenější empirické modely patří univerzální rovnice ztráty půdy (USLE).

 

USLE (Universal Soil Loss Equation)

Univerzální rovnice ztráty půdy (USLE) vyjadřuje, jak je zmiňuje Janeček (2002), nejdokonaleji kvantitativní účinek hlavních faktorů ovlivňujících vodní erozi způsobovanou přívalovými dešti. Univerzální rovnice ztráty půdy se vyvinula do současné formy, jak uvádí www.crwr.utexas.edu, díky rozsáhlému výzkumu, který začal a probíhal někdy v 19. a 20. století. Autory rovnice jsou W. H. Wischmeier a D. D. Smith. Model USLE slouží ke stanovení dlouhodobé průměrné ztráty půdy z pozemku vodní erozí.

Účinek jednotlivých členů rovnice na intenzitu erozního procesu podle Holého (1994) byl posouzen autory na jednotkovém pozemku s přesně definovanými parametry; jeho délka byla 22,13 m, sklon 9°, pozemek byl trvalý úhor obdělávaný ve směru sklonu.

            Tvar rovnice je:

G = R · K · L · S · C · P

Kde:    G – průměrná dlouhodobá ztráta půdy (t · ha^-1 za rok)

R – faktor erozní účinnosti deště – vyjádřený v závislosti na četnosti výskytu, úhrnu, intenzitě a kinetické energii deště

K – faktor erodovatelnosti půdy – vyjádřený v závislosti na textuře a struktuře ornice, obsahu organické hmoty a zrnitosti

L – faktor délky svahu – vyjadřující vliv nepřerušené délky svahu na velikost ztráty půdy erozí

S – faktor sklonu svahu – vyjadřující vliv sklonu svahu na velikost ztráty půdy erozí

C – faktor ochranného vlivu vegetačního pokryvu – vyjádřený v závislosti na vývoji vegetace a použité agrotechnice

P – faktor účinnosti protierozních opatření

Rozbor erozní účinnosti dešťových srážek (R)

Erozní účinnost (tzv. erozivita) dešťových srážek se projevuje nejvýrazněji na počátku erozního procesu, kdy dešťové kapky dopadají na půdní povrch, na kterém se ještě nestačila vytvořit vrstva povrchově odtékající vody. Z fyzikálního hlediska vykonávají dešťové kapky na půdním povrchu práci, která způsobuje rozbíjení půdních agregátů, uvolňování půdních částic a zhutňování povrchové vrstvy půdy.

Faktor R je odvozen z dlouhodobých pozorování na meteorologických stanicích. Optimální doba sledování je 50 let, připouští se však i kratší doba sledování. Hodnota faktoru závisí na četnosti výskytů, srážkovém úhrnu, intenzitě a kinetické energii přívalové srážky. To je taková srážka, která má úhrn větší než 12,5 mm a intenzitu 24,0 mm / h. Pro území České republiky je možné použít průměrnou hodnotu R = 20. Podrobnější mapa rozložení faktoru R se zpracovává na podkladě údajů ČHMÚ podobně jako je tomu v sousedních a dalších zemích.

Vzhledem k předpokládaným velikostem území zpracovávaných při pozemkových úpravách, které jsou v řádu jednotek km², se neočekává častý případ tvorby gridu pro faktor R, ale bude stačit použít průměrnou nebo aktualizovanou hodnotu pro celý region.

Erodovatelnost půdy (K)

K faktorem je vyjádřena erodovatelnost půdy. Hodnota faktoru K  závisí na zrnitostním složení půdy, na obsahu organických částí, na struktuře a propustnosti. Tyto půdní charakteristiky ovlivňují infiltrační schopnost půdy a odolnost půdy proti erozi z dopadajících kapek a proti erozi z povrchového odtoku. Při znalosti všech uvedených vlastností půdy je možné použít. Pro přibližné určení faktoru K je v Janeček (2002) sestavena tabulka hodnot podle bonitovaných půdně ekologických jednotek (BPEJ). V případě zastoupení různých hodnot faktoru K v rámci jednoho erozního profilu se určí jedna průměrná hodnota váženým průměrem.

Rozbor morfologických poměrů (LS)

Velikost sklonu a délky svahu na velikost půdního smyvu vyjádřili Wischmeier a Smith topografickým faktorem LS, který představuje poměr ztrát půdy na jednotku plochy svahu ke ztrátě půdy na jednotkovém pozemku o délce 22,13 m se sklonem 4°. Hodnota topografického faktoru LS pro přímé svahy se vypočítá ze vztahu:

kde:     l_d – nepřerušená délka svahu (m)

            s – sklon svahu (%)

Přírodní svahy jsou zpravidla nepravidelné a proto je určení topografického faktoru LS uvedeným způsobem nepřesné.

  Vliv délky a sklonu svahu na erozi je vyjádřen topografickým faktorem LS. Závisí na délce nepřerušeného svahu na pozemku a na sklonu svahu. Délky a sklony pozemků se určují z vrstevnicových map a aktualizují se terénní pochůzkou. V případě proměnlivého sklonu je možné určit výslednou hodnotu sklonu váženým průměrem, nebo použít opravné hodnoty pro svahy konkávní, konvexní a kombinované.

Ochranný vliv vegetace (C)

Faktor C zahrnuje vliv vegetace na půdě. Porosty chrání povrch půdy před dopadajícími kapkami, zpomalují povrchový odtok a zlepšují půdní vlastnosti důležité z hlediska vodní eroze. Je možné říci, že čím hustší a vyšší porost se na pozemku nachází, zejména v období nejčastějšího výskytu přívalu dešťů od dubna do října, tím účinnější je ochrana půdy. Mezi plodiny nejméně chránící patří  širokořádkové plodiny jako je kukuřice a okopaniny, v pořadí další je řepka, obilniny jarní a ozimé. Nejvyšší ochranu poskytují pícniny a travní porosty. Celý rok je pro každou plodinu rozdělen do pěti období v závislosti na stavu pozemku a porostu a pro tato období je dána dílčí hodnota faktoru C. Podle agrotechnických termínů v určité lokalitě se z těchto dílčích hodnot určí průměrná hodnota faktoru C pro danou plodinu a podle osevního postupu je možné určit i průměrnou dlouhodobou hodnotu pro období několika let.

Účinnost protierozních opatření (P)

Pokud jsou na pozemku na svahu aplikována některá protierozní opatření, jako je vrstevnicové obdělávání, pásové střídání plodin, hrázkování či terasování, je možné jejich vliv zahrnout do výpočtu. V obecných případech je P = 1.

Použití modelu USLE

Pro tvorbu modelu bylo potřeba vytvořit několik vrstev a získat data. Základní vrstvou byla vrstva DMR, ze které jsem vycházel.

 

1.      Provedl jsem pomocí Map Calculatoru výpočet Flow.

2.       Faktor S jsem získal z DMR příkazem Derive Slope

3.   Faktor L jsem vytvořil v MapCalculatoru příkazem ([FD].Flowlength (Nil, True))

4.      Faktor R = 20 pro ČR

4.      Faktor K = 0,27

6.      Faktor P = 1

7.      Faktor C je následující:

        jeteloviny                   0,02
        obiloviny a řepka        0,30
        kukuřice                    0,75
        holá půda                  1,00

Hodnoty K a C museli být vynásobeny 100, aby byly použitelné pro práci s gridem v ArcView.

            Dále jsem provedl výpočet erozních modelů v několika kombinacích. Jak ukazují přílohy 3 až 6, byly vytvořeny modely pro jednotlivé plodiny s a bez hodnot smykového napětí. Na základě těchto výstupů jsem navrhnul protierozní opatření. Vrstva protierozních opatření obsahovala dva důležité atributy – výšku, resp. hloubku a váhy odolnosti vůči erozi. Hodnoty gridu s vertikálními hodnotami jsem přičetl k DMR. Váhy protierozní odolnosti jsem vynásobil s gridem landuse. Vznikly mi dvě nové vrstvy protierozní ochrany. Ty jsem nahradil ve všech čtyřech mapách eroze za jejich původní hodnoty (DMR a landuse) a vyšli mi nové modely eroze s aplikovanými ochrannými prvky.

Aplikace modelu USLE – vegetační kryt jeteloviny
Aplikace modelu USLE s hodnotami smykového napětí – vegetační kryt jeteloviny
Aplikace modelu USLE – vegetační kryt obiloviny a řepka
Aplikace modelu USLE s hodnotami smykového napětí – vegetační kryt obiloviny a řepka
Aplikace modelu USLE – vegetační kryt kukuřice
Aplikace modelu USLE s hodnotami smykového napětí – vegetační kryt kukuřice
Aplikace modelu USLE – vegetační kryt žádný
Aplikace modelu USLE s hodnotami smykového napětí – vegetační kryt žádný