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

Navrhovaný postup

1. zjednotenie hlavných pôdnych jednotiek a komplexného prieskumu pôd

2. pripojenie hodnôt faktora K k elementárnym plochám

3. prienik vrstvy s faktorom K s vrstvou využitia územia

4. pripojenie hodnôt faktora C

5. výpočet parametra KC

6. vytvorenie rastrovej mapy sklonu a mapy akumulácií toku v každej bunke

7. výpočet parametra LS

8. výpočet G a vytvorenie rastra s hodnotami predstavujúcimi priemernú dlhodobú stratu pôdy

9. výpočet priemerných hodnôt G pre povodie

10. vytvorenie rastrových vrstiev LS a G s maskou

11. výpočet priemerných hodnôt G pre povodie s maskou

Obr. 138 Grafická schéma postupu

Znázornenie vstupných vektorových dát spolu s atribútovými tabuľkami je totožné so vstupnými vektorovými dátami pri metóde SCS CN. Digitálny model reliéfu a oblasť riešeného územia bez líniových a plošných prvkov prerušujúcich odtok (maska) sú na Obr. 139. Tabuľky s faktormi K a C sú na ciselniky.

Obr. 139 Vrstva digitálneho modelu reliéfu a oblasť riešeného územia bez prvkov prerušujúcich odtok.

Obr. 140 Číselníky s kódmi K a C.

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.

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

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}. 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.

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}, modul ^{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} vektor hpj_kpp_landuse prevediem na rastrové dáta kc. Následne použijeme modul ^{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).

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

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, viď. Rastr ‣ Prostorová analýza ‣ Maska. Všetky rastrové operácie budú obmedzené na masku oblasti (v mapsete ako MASK). Následne spustíme modul ^r.slope a vypočítame sklon v riešenom území (Obr. 146 a Obr. 148 vľavo).

Obr. 146 Výpočet sklonových pomerov v záujmovom území.

Ďalej otvoríme príkazový riadok ^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.

Obr. 147 Dialógové okno modulu r.terraflow.

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 (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 zostavíme algoritmus. Ikonou pridáme rastrovú mapu, ikonou konštantu, ikonou vložíme operátor alebo funkciu, ikona spája jednotlivé elementy, pomocou elementy vyberáme a ikonou ich možno vymazať. Výraz na výpočet LS a výsledok sú na Obr. 149.

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 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.

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. Kľúčovou vrstvou je vektorová mapa povodi, kde nastavíme prefix g pre novovytvorený stĺpec. V mapovom okne QGIS hodnoty vizualizujeme (Obr. 151).

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

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.

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.

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