Priemerná dlhodobá strata pôdy

Teoretické východiská

Priemerné ročné straty pôdy spôsobené odtokom z pozemku určitého sklonu a určitého spôsobu využívania možno predikovať pomocou matematického modelu USLE, tzv. univerzálnej rovnice straty pôdy:

\[G = R \times K \times L \times S \times C \times P\]

Základné symboly

  • G - priemerná dlhodobá strata pôdy (\(t.ha^{-1} . rok^{-1}\))
  • R - faktor eróznej účinnosti dažďa (\(MJ.ha^{-1} .cm.h^{-1}\))
  • K - faktor erodovateľnosti pôdy (\(t.h.MJ^{-1} .cm^{-1} .rok^{-1}\))
  • L - faktor dĺžky svahu (\(-\))
  • S - faktor sklonu svahu (\(-\))
  • C - faktor ochranného vplyvu vegetačného krytu (\(-\))
  • P - faktor účinnosti protieróznych opatrení (\(-\))

Vstupné dáta

  • hpj.shp - vektorová vrstva hlavných pôdnych jednotiek z kódov BPEJ
  • kpp.shp - vektorová vrstva komplexného prieskumu pôd
  • landuse.shp - vektorová vrstva využitia územia
  • povodi.shp - vektorová vrstva povodí IV. rádu s návrhovými zrážkami \(H_s\) (doba opakovania 2, 5, 10, 20, 50 a 100 rokov)
  • hpj_k - číselník s kódom K pre hlavné pôdne jednotky, ciselniky vľavo
  • kpp_k - číselník s kódom K pre pre vrstvu komplexného prieskumu pôd, ciselniky vpravo
  • lu_c - číselník s kódom C pre vrstvu využitia územia, ciselniky vpravo
  • dmt - digitálny model terénu v rozlišení 10 x 10 m, Obr. 139 vľavo
  • maska.pack - oblasť územia bez líniových a plošných prvkov prerušujúcich odtok, Obr. 139 vpravo

Postup spracovania v QGIS

Krok 1

Postup ako zjednotiť vrstvu hlavných pôdnych jednotiek a komplexného prieskumu pôd je totožný s prvým krokom pri metóde SCS CN.

Krok 2

Pripojenie tabuliek hpj_k a kpp_k je tiež podobné ako druhý krok pri metóde SCS CN iba s tým rozdielom, že spoločným atribútom nie je hydrologická skupina HPJ, ale faktor K. Dialógové okno s nastaveniami pre toto spájanie je na Obr. 141. Vyplnenie informácií o faktore K z vrstvy komplexného prieskumu pôd pomocou kalkulačky polí a znázornenie výsledku sú na Obr. 142.

../_images/usle_join.png

Obr. 141 Pripojenie číselníkov s faktorom K v prostredí QGIS.

../_images/usle_kalk_k.png

Obr. 142 Vytvorenie atribútu s hodnotami faktora K pre elementárne plochy v záujmovom území.

Krok 3

Aj tento krok sa veľmi podobá na tretiu časť postupu pri metóde SCS CN. Na vytvorenie prieniku vrstvy hpj_kpp s vrstvou využitia krajiny landuse v riešenej oblasti využijeme modul v.overlay.and v.overlay.and. Výsledok nazveme hpj_kpp_landuse.

Krok 4

Pokračujeme pripojením hodnôt faktora C k elementárnym plochám vrstvy hpj_kpp_landuse, viď. Obr. 143 so znázornením dialógového okna modulu v.db.join v.db.join.

../_images/usle_db_join_c.png

Obr. 143 Pripojenie hodnôt faktora C k elementárnym plochám.

Krok 5

Pre ďalšie výpočty je potrebné, aby typ atribútov s faktorom K a faktorom C bol číselný. Použijeme modul v.db.addcolumn v.db.addcolumn, modul v.db.update v.db.update_op, funkciu cast() a typ real.

Hodnoty oboch faktorov vynásobíme pre každú plochu a nový atribút nazveme KC. V záložke Region nastavíme rozlíšenie 1 x 1 m a modulom v.to.rast.attr v.to.rast.attr vektor hpj_kpp_landuse prevediem na rastrové dáta kc. Následne použijeme modul r.resamp.stats r.resamp.stats a raster prevzorkujeme pomocou agregácie tak, aby rozlíšenie odpovedalo rozlíšeniu 10 x 10 (rozlíšenie dmt). Použijeme redukciu rozlíšenia na základe priemeru hodnôt vypočítaného z okolitých buniek (Obr. 144). Výsledok je na Obr. 145.

Poznámka

Týmto postupom nedôjde k strate informácie, ku ktorej by došlo pri priamom prevode na raster s rozlíšením 10 x 10 m (hodnota bunky by bola zvolená na základe polygónu, ktorý prechádza stredom bunky alebo na základe polygónu, ktorý zaberá najväčšiu časť plochy bunky).

../_images/r_resamp_stats.png

Obr. 144 Dialógové okno modulu na prevzorkovanie rastra pomocou agregácie na základe priemeru okolitých buniek.

../_images/kc.png

Obr. 145 Faktor KC zahrňujúci vplyv erodovateľnosti pôdy a vplyv ochranného vplyvu vegetačného krytu.

Krok 6

Z digitálneho modelu terénu vytvoríme rastrovú mapu znázorňujúcu sklonové pomery v stupňoch a nazveme ju slope.

Pred výpočtom nastavíme masku (oblasť výpočtu) podľa vrstvy dmt modulom r.mask.rast r.mask, viď. Rastr ‣ Prostorová analýza ‣ Maska. Všetky rastrové operácie budú obmedzené na masku oblasti (v mapsete ako MASK). Následne spustíme modul r.slope r.slope a vypočítame sklon v riešenom území (Obr. 146 a Obr. 148 vľavo).

../_images/slope.png

Obr. 146 Výpočet sklonových pomerov v záujmovom území.

Ďalej otvoríme príkazový riadok grass_shell shell, spustíme modul r.terraflow, ktorý z digitálneho modelu terénu produkuje vyhladený DMT (dmt_fill), rastrovú mapu smeru odtoku do susednej bunky s najväčším sklonom (direction), mapu mikropovodí (swatershed), rastrovú mapu znázorňujúcu akumuláciu toku v každej bunke (accumulation) a mapu konvergenčného topografického indexu (tci). Dialógové okno modulu je na Obr. 147. Zobrazenie ďalej potrebnej akumulácie odtoku v \(m^2\) je na Obr. 148 vpravo.

../_images/terraflow.png

Obr. 147 Dialógové okno modulu r.terraflow.

../_images/slope_accumulation.png

Obr. 148 Sklonové pomery v stupňoch a akumulácia odtoku v \(m^2\).

Krok 7

Topografický faktor LS vypočítame ako

\[LS = (accu \times \frac{10.0}{22.13})^{0.6} \times (\frac{sin(slope \times \frac{pi}{180})}{0.09})^{1.3}\]

Použijeme grafický kalkulátor rastrových máp r.mapcalc r.mapcalc (Rastr ‣ Prostorová analýza ‣ Mapová algebra). Pri používaní tohto modulu je potrebné, aby vrstvy boli pridané v paneli vrstiev v aktuálnom projekte QGIS.

Poznámka

V paneli prehliadača nájdeme príslušný mapset a pravým kliknutím myši na konkrétnu mapu zvolíme Přidat vrstvu.

V dialógovom okne modulu r.mapcalc r.mapcalc zostavíme algoritmus. Ikonou mc1 pridáme rastrovú mapu, ikonou mc2 konštantu, ikonou mc3 vložíme operátor alebo funkciu, ikona mc4 spája jednotlivé elementy, pomocou mc5 elementy vyberáme a ikonou mc6 ich možno vymazať. Výraz na výpočet LS a výsledok sú na Obr. 149.

../_images/calc_ls.png

Obr. 149 Grafický kalkulátor a topografický faktor LS zahrňujúci vplyv dĺžky a sklonu svahu.

Tip

Výpočet v príkazovom riadku napíšeme ako r.mapcalc expr="ls = pow(accumulation * (10.0 / 22.13), 0.6) * pow(sin(slope * (3.14159/180)) / 0.09, 1.3)"

Krok 8

Na výpočet parametra G okrem KC a LS ešte potrebujeme faktor R a P, ktorých hodnoty nebudeme odvádzať ako tie predchádzajúce. Použijeme priemernú hodnotu R a P faktora pre Českú republiku, t.j R = 40 a P = 1. Následne modulom r.mapcalc r.mapcalc vypočítame stratu pôdy, viď. vzťah na výpočet G. Vrstva s hodnotami predstavujúcimi priemernú dlhodobú stratu pôdy v jednotkách \(t.ha^{-1} . rok^{-1}\) je na Obr. 150.

../_images/g_map.png

Obr. 150 Priemerná dlhodobá strata pôdy pre riešené územie.

Krok 9

Na určenie priemernej hodnoty straty pre každé čiastkové povodie využijeme modul v.rast.stats v.rast.stats. Kľúčovou vrstvou je vektorová mapa povodi, kde nastavíme prefix g pre novovytvorený stĺpec. V mapovom okne QGIS hodnoty vizualizujeme (Obr. 151).

../_images/g_pov_map.png

Obr. 151 Povodia s priemernými hodnotami straty pôdy v jednotkách \(t.ha^{-1}.rok^{-1}\).

Krok 10

Pre výpočet uvedený vyššie môže vychádzať strata pôdy v niektorých miestach enormne vysoká. To je spôsobené tým, že vo výpočtoch nie sú zahrnuté líniové a plošné prvky prerušujúce povrchový odtok. Týmito prvkami sú najmä budovy, priekopy diaľnic a ciest, železničné trate alebo múry lemujúce pozemky.

Presnejšie hodnoty možno získať zahrnutím týchto prvkov do výpočtu. Použijeme masku líniových a plošných prvkov prerušujúcich odtok (vrstva maska na Obr. 139 vpravo) a vypočítame nové hodnoty LS faktora a straty pôdy G.

Modulom r.mask.rast r.mask.rast nastavíme oblasť výpočtu bez neželaných miest. Nastavenie skontrolujeme napríklad zobrazením digitálneho modelu terénu (Obr. 152). Dopočítame faktor LS a faktor G.

../_images/dmt_m.png

Obr. 152 Vrstva digitálneho modelu terénu vstupujúca do výpočtov bez prvkov prerušujúcich odtok.

Porovnanie výsledkov USLE bez ohľadu na prvky prerušujúce odtok a s nimi je na Obr. 153.

../_images/g_por.png

Obr. 153 Porovnanie výsledkov USLE bez ohľadu na prvky prerušujúce odtok (vľavo) a s prvkami prerušujúcimi odtok (vpravo)

Krok 11

Priemerné hodnoty G určíme pre každé povodie po uvážení prvkov, ktoré prerušujú odtok. Pre porovnanie sú na Obr. 154 hodnoty straty pôdy vykreslené pomocou textového diagramu v jednotkách \(t.ha^{-1}.rok^{-1}\) bez a s úvážením prvkov prerušujúcich odtok.

../_images/g_pov_por.png

Obr. 154 Povodia s priemernými hodnotami straty pôdy v jednotkách \(t.ha^{-1}.rok^{-1}\) bez a s úvážením prvkov prerušujúcich odtok.