√ео≥нформац≥йне моделюванн¤ процесу схиловоњ ероз≥њ



√оловним чинником втрати ірунту, особливо його найц≥нн≥шого верхнього шару, в умовах пом≥рного вологого кл≥мату Ї процеси водноњ ероз≥њ (змиванн¤). ќкр≥м втрат ірунту, ероз≥¤ спри¤Ї замуленню водойм, надходженню в них забруднювальних речовин та ≥ншим негативним ¤вищам.

ћи використали можливост≥ гео≥нформац≥йних систем (√≤—) дл¤ моделюванн¤ поширеност≥ площинноњ ероз≥њ на тестов≥й д≥л¤нц≥ розм≥рами 4,0 x 2,5 км, розташован≥й в околиц¤х с≥л ¬ерхн≥й Ћужок та Ѕусовисько (¬ерхньодн≥стерськ≥ Ѕескиди, Ћьв≥вська область). √оловна проблема в цьому випадку пол¤гаЇ у к≥льк≥сному визначенн≥ впливу головних чинник≥в ероз≥њ, що дасть змогу ефективно прогнозувати розвиток ероз≥йних процес≥в та обірунтовувати заходи щодо њхнього регулюванн¤. « ц≥Їю метою доц≥льно звернутись до багатого досв≥ду заруб≥жних науковц≥в та природоохоронц≥в.

ƒетальн≥ експериментальн≥ досл≥дженн¤ к≥льк≥сного впливу чинник≥в ероз≥њ виконано в середин≥ ’’ ст. у —Ўј. Ќа п≥дстав≥ анал≥зу досл≥дних даних понад 10 000 д≥л¤нко-рок≥в дл¤ 49 м≥сцеположень у —Ўј ¬. ¬≥шмайЇр та ƒ. —м≥т розробили ун≥версальне р≥вн¤нн¤ втрат ірунту (USLE) [7], ¤ке швидко стало загальновизнаним ≥нструментом анал≥зу в —Ўј (використовують у природоохоронному плануванн≥) та багатьох ≥нших крањнах. ¬оно призначене дл¤ моделюванн¤ ефект≥в площинного змиванн¤ та струменистоњ ероз≥њ без урахуванн¤ процес≥в л≥н≥йного розмиванн¤. “аку модель можна застосовувати за на¤вност≥ м≥н≥мальноњ ≥нформац≥њ про м≥сцев≥ параметри та з м≥н≥мальним досв≥дом [1]. –≥вн¤нн¤ маЇ такий вигл¤д:

E = RХKХLХSХCХP, (1)

де E - втрати ірунту за р≥к на одиницю площ≥; R, K, L, S, C, P - фактори, пов'¤зан≥, в≥дпов≥дно, з ероз≥йн≥стю опад≥в, ст≥йк≥стю ірунту до ероз≥њ, довжиною схилу, розм≥ром

ухилу, наземним покривом ≥ способом вирощуванн¤ культур, та характером заход≥в з охорони ірунту. ѕоказник   визначають ¤к в≥дношенн¤ втрат ірунту до р≥вн¤ ероз≥йност≥ опад≥в дл¤ заданого ірунту за "стандартних" умов (д≥л¤нка завдовжки 22,1 м ≥ крут≥стю 5,16? п≥д чорним паром, розорана вздовж схилу); L, S, C та P - ¤к в≥дношенн¤ втрат ірунту за умови в≥дхиленн¤ значень в≥дпов≥дних фактор≥в в≥д "стандартних" до його втрат за "стандартних" умов.

ѕодальш≥ досл≥дженн¤ та анал≥з додатковоњ ≥нформац≥њ дали змогу вдосконалити цю модель. Ќова модель (RUSLE) м≥стить низку уточнень до базовоњ формули [6]. Ќаприклад, зам≥сть довжини схилу запропоновано визначати значенн¤ акумул¤ц≥њ стоку (розм≥р площ≥, з ¤коњ надходить ст≥к у дане м≥сце), ¤ке враховуЇ ефект конвергенц≥њ стоку [4].

–озвиток водноњ ероз≥њ контрольований та л≥м≥тований двома чинниками - здатн≥стю води в≥дд≥л¤ти частинки ірунту ≥ вт¤гувати њх у пот≥к та транспортувальною здатн≥стю потоку [3]. ќск≥льки моделюванн¤ сукупноњ д≥њ цих чинник≥в дуже складне, то на¤вн≥ модел≥ та методи розрахунку ≥нтенсивност≥ ероз≥њ под≥л¤ють на перший та другий типи. ћодел≥ першого типу ірунтуютьс¤ на припущенн≥ про необмежену транспортувальну здатн≥сть водного потоку, коли швидк≥сть ероз≥њ л≥м≥тована лише здатн≥стю води в≥дд≥л¤ти частки ірунту та вт¤гувати њх у пот≥к. ћодел≥ другого типу, навпаки, враховують, що водний пот≥к здатен перем≥щувати обмежену к≥льк≥сть нанос≥в, визначену його транспортувальною здатн≥стю; у цьому раз≥ передбачають, що пот≥к Ї насиченим наносами та маЇ достатню енерг≥ю дл¤ в≥дриванн¤ нових часток, тому там, де транспортувальна здатн≥сть потоку вниз по теч≥њ зб≥льшуЇтьс¤ (наприклад, внасл≥док зб≥льшенн¤ нахилу поверхн≥), простежуЇтьс¤ ероз≥¤, тод≥ ¤к з≥ зменшенн¤м транспортувальноњ здатност≥ (наприклад, у п≥дн≥жж≥ схил≥в у випадку зменшенн¤ нахилу) виникаЇ акумул¤ц≥¤.  оректн≥сть застосуванн¤ моделей залежить в≥д пра-вильност≥ припущень, що Ї в њхн≥й основ≥, в окремих випадках адекватн≥шими можуть бути модел≥ першого або другого типу. Ќаприклад, за [3] модел≥ першого типу л≥пше описують ероз≥ю глинистих ірунт≥в ≥з дуже малим розм≥ром часток, тод≥ ¤к модел≥ другого типу адекватн≥ш≥ у випадку п≥щаних ірунт≥в. ћодель RUSLE належить до першого типу, чим зумовлена низка њњ обмежень.

„ерез недостатню детальн≥сть на¤вних даних щодо просторового розпод≥лу чинник≥в ероз≥њ дл¤ тестовоњ д≥л¤нки, ми використали спрощений п≥дх≥д, зокрема, застосований ≥тал≥йськими досл≥дниками з метою картуванн¤ ірунтовоњ ероз≥њ дл¤ рег≥ону ≈м≥л≥¤-–омань¤ [5]. ” цьому раз≥, незважаючи на брак детальних даних щодо р¤ду зм≥нних, можна на п≥дстав≥ р≥вн¤нн¤ RUSLE одержати картину в≥дносноњ ≥нтенсивност≥ поширенн¤ ероз≥йних процес≥в. як зазначають автори [5], цей п≥дх≥д даЇ змогу визначити пр≥оритетн≥сть заход≥в боротьби з ероз≥Їю та пор≥вн¤ти р≥зн≥ управл≥нськ≥ альтернативи.

—еред застосованих у [5] спрощень - у¤вленн¤ про пост≥йне значенн¤ фактора ероз≥йност≥ опад≥в, завд¤ки чому цю зм≥нну фактично вилучено з модел≥. як зазначають ’. ћ≥тасова та ¬. Ѕраун, створенн¤ карти розпод≥лу значень R, зам≥сть використанн¤ сталого значенн¤, доц≥льне лише в раз≥ моделюванн¤ дуже великих басейн≥в або рег≥он≥в, ¤к≥ охоплюють ¤к г≥рськ≥, так ≥ р≥внинн≥ територ≥њ [3]. јналог≥чно, ми вир≥шили в≥дмовитись в≥д урахуванн¤ впливу заход≥в з охорони ірунту (фактор P), ¤к це зроблено у [5]. Ѕлизький (легкосуглинковий) механ≥чний склад схилових ірунт≥в д≥л¤нки також дав змогу в≥дмовитись в≥д урахуванн¤ фактора   .

ѕ≥д час визначенн¤ ероз≥йного потенц≥алу ≥з розрахунк≥в було вилучено м≥сцеположенн¤, де переважали процеси л≥н≥йного розмиванн¤, боковоњ ероз≥њ, заплавноњ акумул¤ц≥њ, акумул¤ц≥њ в конусах винесенн¤ тощо, про¤ви ¤ких приховують ефекти площинного змиванн¤.

≈роз≥йний потенц≥ал рельЇфу (фактор LS) в модел≥ RUSLE обчислюЇтьс¤ за формулою

LS(r) = (m+1) [ A(r) / a0 ]m [ sin b(r) / b0 ]n, (2)

де A - площа, з ¤коњ надходить ст≥к в розрахунку на одиницю довжини замикаючого контуру; b - крут≥сть схилу; m та n - в≥дпов≥дн≥ параметри; a0 = 22,1м - довжина, b0 = 0.09 = sin (5.16?) - ухил поверхн≥ стандартних досл≥дних д≥л¤нок, на ¤ких визначали параметри модел≥ RUSLE.

—уттЇвою перевагою модел≥ RUSLE перед моделлю USLE Ї використанн¤ дл¤ розрахунку показника L зам≥сть довжини схилу (що приводило до одержанн¤ однакових значень модул¤ стоку дл¤ верхньоњ та нижньоњ частин схил≥в) показника площ≥, що акумулюЇ ст≥к. ÷ей показник, серед ≥ншого, враховуЇ в≥дм≥нност≥ в ≥нтенсивност≥ змиванн¤ у верхн≥й ≥ нижн≥й частинах схилу [2] та вплив на змиванн¤ поперечного проф≥лю схилу, ¤кий зумовлюЇ концентрац≥ю або ж розс≥юванн¤ стоку. «азначимо, що картуванн¤ показника площ≥ акумул¤ц≥њ стоку ј стало практично можливим лише з по¤вою √≤— ≥з в≥дпов≥дними можливост¤ми анал≥зу растрових даних.

Ќа результати обчисленн¤ ероз≥йного потенц≥алу рельЇфу за формулою (2) суттЇво впливаЇ значенн¤ параметр≥в m та n. «а [3] рекомендован≥ значенн¤ дл¤ m становл¤ть 0,4-0,6, дл¤ n - 1,0-1,4. ћи дл¤ п≥дбиранн¤ оптимальних параметр≥в m та n використовували дан≥ щодо поширенн¤ змитих ірунт≥в р≥зного ступен¤ змитост≥, а також характеристик потужност≥ гумусових горизонт≥в та вм≥сту гумусу в 29 ірунтових проф≥л¤х; п≥дбирали значенн¤ параметр≥в, ¤к≥ давали найб≥льший за модулем коеф≥ц≥Їнт корел¤ц≥њ обчисленого за формулою (2) значенн¤ ероз≥йного потенц≥алу рельЇфу ≥з зазначеними вище показниками. ¬ результат≥ використано значенн¤ m = 0,4 та n = 1,4.

‘актор LХS р≥вн¤нн¤ RUSLE (рис. 1) характеризуЇ ероз≥йний потенц≥ал рельЇфу - фактор, ¤кий досить важко п≥ддаЇтьс¤ регулюванню з боку людини та визначаЇ природн≥ передумови розвитку змиванн¤.

 ≈роз≥йний потенц≥ал рельЇфу

–ис. 1. ≈роз≥йний потенц≥ал рельЇфу.

ƒл¤ обчисленн¤ в≥дносного показника ≥нтенсивност≥ змиванн¤ використовували дан≥ щодо просторового розпод≥лу головних тип≥в наземного покриву, оцифрован≥ з великомасштабноњ (1 : 10 000) топограф≥чноњ карти. ¬ид≥леним типам в≥дпов≥дали р≥зн≥ значенн¤ — (за основу брали значенн¤ ≥з [5]). ќдержана карта показана на рис. 2.

Ќаведений показник не лише ¤к≥сно впор¤дковуЇ територ≥ю за ступенем небезпеки ероз≥йних процес≥в (¤к у випадку бальноњ оц≥нки), а й даЇ змогу одержати к≥льк≥сну оц≥нку розпод≥лу в≥дносноњ ≥нтенсивност≥ змиванн¤ в межах територ≥њ. Ќаприклад, дл¤ середнього значенн¤ 0,4 максимальне значенн¤ змиванн¤ перевищуЇ середнЇ б≥льш н≥ж у 10 раз≥в (становить 4,2). јбсолютне значенн¤ змиванн¤ (у тоннах на гектар за р≥к) можна одержати за умови введенн¤ до модел≥ к≥льк≥сних оц≥нок ≥нших фактор≥в ероз≥њ (опад≥в, ірунту, протиероз≥йних заход≥в).

ќск≥льки в основ≥ модел≥ RUSLE Ї припущенн¤ про необмежену транспортувальну здатн≥сть схилових поток≥в та в≥дд≥льну здатн≥сть цих поток≥в ≥ дощових крапель ¤к головний чинник, ¤кий л≥м≥туЇ ероз≥ю, то вона маЇ низку обмежень: зокрема, за њњ допомогою не можна виокремити д≥л¤нки, де змиванн¤ зм≥нюЇ акумул¤ц≥¤ (намиванн¤) ірунту; вона даЇ дещо завищен≥ значенн¤ змиванн¤ дл¤ м≥сць, де насичен≥сть потоку наносами близька до його максимальноњ транспортувальноњ здатност≥ (часто це п≥дн≥жж¤ та виположен≥ д≥л¤нки схил≥в). ƒо моделей, ¤к≥ враховують обмежену транспортувальну здатн≥сть поток≥в, належить модель USPED, в основ≥ ¤коњ - обчисленн¤ дивергенц≥њ транспортувальноњ здатност≥ [3]. ѓњ використанн¤ передбачаЇ два етапи. —початку визначають просторовий розпод≥л транспортувальноњ здатност≥ схилових поток≥в T. ƒл¤ цього використовують р≥вн¤нн¤, аналог≥чн≥ до модел≥ RUSLE (див. (1) та (2)), з т≥Їю в≥дм≥нн≥стю, що беруть ≥нш≥ значенн¤ параметр≥в m та n. ” [5] рекомендовано використовувати значенн¤ 1 дл¤ обох параметр≥в. —уттЇво б≥льш≥ значенн¤ m пор≥вн¤но ≥з RUSLE можна по¤снити тим, що зб≥льшенн¤ глибини схилових поток≥в, ¤ке Ї в раз≥ акумул¤ц≥њ стоку, суттЇво п≥двищуЇ несучу здатн≥сть потоку (нав≥ть за умови його сталоњ швидкост≥), проте значно слабше впливаЇ на в≥дд≥льну здатн≥сть, оск≥льки у випадку дощового змиванн¤ головним агентом, що в≥дд≥л¤Ї частки ірунту, Ї енерг≥¤ падаючих крапель [1], ¤ку екрануЇ схиловий пот≥к у раз≥ дос¤гненн¤ ним певноњ глибини.

 арта розпод≥лу транспортувальноњ здатност≥ схилових поток≥в сама по соб≥ не даЇ ≥нформац≥њ про розм≥щенн¤ зон змиванн¤ й акумул¤ц≥њ та ≥нтенсивн≥сть цих процес≥в. ƒл¤ цього необх≥дно знати, ¤к зм≥нюЇтьс¤ транспортувальна здатн≥сть у напр¤м≥ стоку; в раз≥ њњ зменшенн¤ можливе перевищенн¤ реального вм≥сту нанос≥в у потоц≥ над його транспортувальною здатн≥стю та розвиток акумул¤ц≥њ. ÷ю зм≥ну визначають ¤к дивергенц≥ю потоку нанос≥в та обчислюють за формулою

ED = div (T . s) = d(TХcos a)/dx + d(TХsin a)/dy, (3)

де T - транспортувальна здатн≥сть, ¤ку визначають за формулами (1) та (2) ≥з в≥дпов≥дними значенн¤ми параметр≥в m та n; s - вектор нахилу земноњ поверхн≥; а - експозиц≥¤ поверхн≥.

Ќаведена модель, серед ≥ншого, враховуЇ чинник поздовжньоњ форми (кривини) схил≥в, ¤ка впливаЇ на розпод≥л уздовж схил≥в зон ероз≥њ та акумул¤ц≥њ.  р≥м того, акумул¤ц≥њ спри¤ють розм≥щен≥ поперек схил≥в смуги л≥совоњ або лучноњ рослинност≥ з низьким значенн¤м C, ¤к≥ акумулюють наноси, змит≥ з розм≥щених вище пол≥в, город≥в, сад≥в тощо. ƒл¤ розрахунку дивергенц≥њ в середовищ≥ ARC/INFO GRID ми створили макропрограму мовою AML, що використовуЇ дл¤ обчисленн¤ дивергенц≥њ корисний зас≥б ц≥Їњ мови Neighborhood notation, ¤кий даЇ змогу створювати дов≥льн≥ фокальн≥ функц≥њ. ¬изначений розпод≥л най≥мов≥рн≥ших м≥сць акумул¤ц≥њ змитих нанос≥в показано на рис. 3.

 –озпод≥л зон змиванн¤ та акумул¤ц≥њ

–ис. 3. –озпод≥л зон змиванн¤ (1) та акумул¤ц≥њ (2), розрахований за моделлю USPED.

—кладною проблемою в раз≥ моделюванн¤ поширеност≥ та ≥нтенсивност≥ змиванн¤ Ї визначенн¤ в≥дносноњ важливост≥ обох обмежувальних фактор≥в змиванн¤ у кожному конкретному пункт≥, що потребуЇ визначенн¤ к≥льк≥сних сп≥вв≥дношень м≥ж трьома зм≥нними: в≥дд≥льною здатн≥стю опад≥в та схилового потоку, транспортувальною здатн≥стю потоку та насичен≥стю потоку наносами, ¤ку визначаЇ сп≥вв≥дношенн¤ м≥ж змиванн¤м та акумул¤ц≥Їю вище по току потоку. як тимчасове вир≥шенн¤, можна запропонувати дл¤ значень ED, обчислених за моделлю USPED, порогову величину, ¤ка визначаЇ поширенн¤ зон акумул¤ц≥њ (дл¤ рис. 3 таким порогом обрано 0); в≥дпов≥дно, дл¤ вид≥лених таким способом зон змиванн¤ його к≥льк≥сне значенн¤ обчислюють за моделлю RUSLE.

Ћ≥тература

√удзон Ќ. ќхрана почвы и борьба с эрозией / ѕер. с англ. - ћ.:  олос, 1974.

 овальчук ≤.ѕ. –ег≥ональний еколого-геоморфолог≥чний анал≥з. - Ћьв≥в: ≤н-т украњнознавства, 1997.

Mitasova H., Brown W. Using soil erosion modeling for improved conservation planning: a GIS-based tutorial // Web-ресурс: http://skagit.meas.ncsu.edu/~helena/gmslab/reports/CerlErosionTutorial/denix/default.htm.

Mitasova H., Hofierka J., Zlocha M., Iverson R. Modeling topographic potential for erosion and deposition using GIS // Int. J. of Geographical Information Science. - 1996. - Vol. 10(5). - P. 629-641.

Pistocchi A., Cassani G., Zani O. Use of the USPED model for mapping soil erosion and managing best land conservation practices // Integrated assessment and decision support, proceedings of the first biennial meeting of the international environmental modelling and software society. - 2002. - Vol. 3. - P. 163-169.

Renard K.G., Foster G.R., Weesies G.A. et all. Predicting soil erosion by water. a guide to conservation planning with the revised universal soil loss equation (RUSLE) // USDA Agricultural Handbook N. 703. - Washington D.C.: US Department of Agriculture, 1997.

Wischmeier W.H., Smith D.D. Predicting rainfall erosion losses, a guide to conservation planning // USDA Agriculture Handbook N 537. - Washington D.C.: US Department of Agriculture, 1978.



Ќа головну



Hosted by uCoz