Návrh protierozního opatření v ploše povodí v programu Arc Gis

Na erozně ohroženém pozemku, tj. takovém, kde vypočtený průměrný smyv půdy je vyšší než přípustný smyv, byla navržena opatření komplexní ochrany a organizace povodí s cílem ochránit zemědělskou půdu a také zastavěné území obce v povodí Lubě před nepříznivými účinky povrchového odtoku. Aplikace jednotlivých opatření se pozitivně projevila v rámci změn hodnot L a C faktorů. Tyto změněné hodnoty L a C faktoru byly použity do výpočtu erozního smyvu po návrhu opatření.

Návrh opatření k optimalizaci vodního režimu v ploše povodí vychází z možností ovlivnit jednotlivé složky odtokového procesu v povodí. Jejich ovlivnění vede ke snížení objemu povrchového odtoku a kulminačního průtoku.

Jedná se o následující složky hydrologické bilance:

• zvýšení infiltrace,
• převod povrchového odtoku na podzemní,
• zvýšení možnosti povrchové akumulace

Realizace navržených opatření se příznivě projeví snížením hodnot přímého odtoku, erozního smyvu a transportu splavenin prostřednictvím snížení hodnot CN.

Cílem mé práce je zlepšení retenčních schopností krajiny s pomocí programu Arc GIS. Výstupem bude návrh takových opatření, která přispějí ke zvýšení ochrany půdy a snížení odtoku z povodí. Bude proveden výpočet objemu přímého odtoku a erozního smyvu potřebného pro návrh protierozních opatření. Dále bude provedeno zhodnocení stávajícího stavu a nového stavu po návrhu opatření. Výsledkem budou mapové podklady, grafy a tabulky.

CHARAKTERISTIKA ŘEŠENÉHO ÚZEMÍ
Řešeným územím bylo vybráno povodí Lubě po soutok se Svratkou. Jedná se o povodí IV. řádu zahrnující tato čísla hydrologických povodí: 415011200, 415011210, 415011220, 415011240, 415011250, 415011260.

Tab. 1 Plošné zastoupení jednotlivých druhů pozemků [ha] dle ČHP, před návrhem PEO.

Obr. 1 Hydrologické členění, morfologie

STANOVENÍ EROZNÍHO SMYVU ZE ZEMĚDĚLSKÉ PŮDY NA ZÁKLADĚ DMT
Pro výpočet erozního smyvu byla použita celosvětově platná univerzální rovnice Wischmeier - Smith, s využitím programu USLE 2D v modifikaci metody gridu, která podobně jako u klasické metody počítá smyv v závislosti na šesti faktorech ovlivňujících hodnotu smyvu podle vztahu:
G = R . K . L . S . C . P _{[t.ha-1.rok-1];}                                                           (1)

kde jednotlivé faktory označují:

faktor R – erozní účinek deště (mapy),
faktor K – půdní faktor stanovený podle BPEJ,
faktor L – délka svahu,
faktor S – sklon svahu,
faktor C – faktor protierozního účinku plodin,
faktor P – faktor vlivu protierozních opatření.

Erozní smyv v řešeném území povodí Lubě, jako základní podklad pro návrh opatření, byl stanoven na základě DMT (digitálního modelu terénu) v prostředí Arc Map pomocí programu USLE 2D s využitím LS algoritmu dle Mc Coola. Výhodou programu Arc GIS je plošné znázornění erozního smyvu t.ha-1.rok-1 na každém bloku ZPF (zemědělského půdního fondu).

Vstupní Data
Rastrové vrstvy: DMT – model (potřebný pro výpočet rastru LS), rastr K, rastr C.
Konstanty: P = 1, R = 20.
Pro výpočet erozní ohroženosti byla zvolena velikost gridu 5.

Data pro metodu USLE 2D
Rastrová data:   DMT (digitální model terénu).
Vektorová data: Hranice povodí (vektor - polygon).
                               Vodní toky, nádrže (vektor - polygon).
                               Lesy (vektor - polygon).
                               Zastavěné území (vektor - polygon).
                               Silnice, železnice (vektor - polygon).
                               Vegetační pokryv - LPIS (vektor - polygon).

Program USLE 2D pro výpočet LS-faktoru vyžaduje jako vstupní data DMT a rastrovou vrstvu tzv.“parcel“. Rastrová vrstva “parcel“ získaná převodem z uvedených dat rozčleňuje území na dílčí plochy vkládáním bariér - hranic mezi dílčími plochami, které působí jako překážky pro plošný povrchový odtok a dochází zde k přerušení odtoku. Tím se snižuje délka odtokové dráhy a faktor L délky svahu. V programu USLE 2D je faktor LS počítán zvlášť pro každý rastrový element. Délka odtokové dráhy je nahrazena zdrojovou plochou rastrového elementu.
V následujících tabulkách jsou znázorněny výsledné hodnoty erozního smyvu před návrhem (stávající stav) a po návrhu protierozních opatření na ZPF.

Tab. 2 Součtová tabulka erozních smyvů ze ZPF před a po návrhu PEO dle ČHP 

Důležitým parametrem, který vyplňuje mezeru mezi údaji o erozi na svahu a množstvím transportovaných sedimentů v uzávěrovém profilu povodí je tzv. „poměr odnosu“. Umožňuje vzít v úvahu i sedimentaci, k níž dochází na pozemcích a transportní trajektorii. Poměr odnosu se obvykle odhaduje z parametrů povodí. Pro odhad celkového transportovaného množství splavenin z povodí je potřebné výpočet erozního smyvu určeného dle USLE redukovat poměrem odnosu, neboť ne všechny erodované půdní částice se z pozemků dostávají do vodních toků. Poměr odnosu splavenin je uveden podle velikosti ploch povodí.

Tab. 3 Součtová tabulka objemu sedimentu splaveného do vodních toků dle ČHP

Obr. 2 Výměra jednotlivých typů PEO pro R=20, ha

Na základě vygenerované vrstvy erozního smyvu a dalších kritérií, jako jsou hloubky půdy, sklonitost a hlavní půdní jednotky, se provede návrh liniových a plošných opatření na uzavřených erozně ohrožených celcích – zemědělsky využívaných bloků půdy. Jedná se o návrh protierozních průlehů, zasakovacích pásů a stabilizaci drah soustředěných odtoků. Mezi plošná protierozní opatření patří vyloučení erozně nebezpečných plodin, protierozní agrotechnologie a trvalé travní porosty [2].

Obr. 3 Lokalizace erozního smyvu pro R 20

VÝPOČET ZÁKLADNÍCH CHARAKTERISTIK PŘÍMÉHO ODTOKU
K výpočtu základních charakteristik přímého odtoku byla použita metoda čísel odtokových křivek-CN. Jedná se o model s dosažitelnými vstupy dostatečně přesnými, použitelný pro prognózování povrchového, správněji přímého odtoku způsobeného přívalovým deštěm z povodí.

Přímý odtok zahrnuje odtok povrchový a část odtoku hypodermického. Podíly těchto odtoků se oceňují právě pomoci čísel odtokových křivek-CN. K hypodermickému odtoku, podílejícímu se na přímém odtoku, dochází tehdy, když do půdy infiltrovaná voda stéká po mělce uložené, málo propustné vrstvě a vyvěrá opět na povrch. Na rozdíl od základního odtoku, na jehož tvorbě se podílí voda, která infiltruje až k hladině podzemní vody a vtéká do koryt toků.

Tento základní odtok se objevuje zřídka natolik brzo po přívalovém dešti, aby měl vliv na velikost povodňové vlny z přívalu. CN je tedy současně i ukazatelem pravděpodobnosti typu odtoku. Čím větší CN, tím je pravděpodobnější, že se přímý odtok týká povrchového odtoku.

V projekční praxi může být metoda CN-křivek použita v navrhování a posuzování technických protierozních opatření, jako jsou dráhy soustředěného povrchového odtoku, zatravněné údolnice, průlehy, záchytné příkopy, zasakovací pásy a malé vodní nádrže, ale pouze v souladu s ČSN 75 1300 "Hydrologické údaje povrchových vod". Metodu nelze použít pro výpočet odtoku z tání sněhu.

Odtok je především určen množstvím srážek, infiltrací vody do půdy, vlhkostí půdy, porostem, nepropustnými plochami a retencí povrchu. Základním vstupem metody CN-křivek je srážkový úhrn o určitém časovém rozdělení, za předpokladu jeho stejnoměrného rozdělení po ploše povodí. Objem srážek je přeměněn na objem odtoku pomocí čísel odtokových křivek-CN. Jejich hodnoty jsou závislé na hydrologických vlastnostech půd, vegetačním pokryvu, velikosti nepropustných ploch, intercepci a povrchové akumulaci.

Stanovení čísel odtokových křivek-CN v povodí
K tomuto stanovení se na zemědělské části povodí využijí digitální vrstvy BPEJ, LPIS a na lesní části povodí OPRL a SLT, na základě kterých se stanoví plošné zastoupení jednotlivých druhů pozemků v řešeném povodí. Čísla odtokových křivek-CN jsou tabelována podle:

• hydrologických vlastností půd rozdělených do 4 skupin: A, B, C, D, na základě minimálních rychlostí infiltrace vody do půdy bez pokryvu po dlouhodobém sycení;
• vlhkosti půdy určované na základě 5denního úhrnu předcházejících srážek, resp. indexu předchozích srážek (IPS) ve 3 stupních, kdy IPS I odpovídá takovému obsahu vody v půdě, který ještě umožňuje uspokojivou orbu a obdělávání, při IPS III je půda přesycena předcházejícími dešti. Pro návrhové účely se uvažuje IPS II;
• využití půdy, vegetačního pokryvu, způsobu obdělávání a uplatnění protierozních opatření.

K odhadu návrhového objemu přímého odtoku, jakož i potencionální retence A z povodí Lubě, byly použity N-leté jednodenní srážkové úhrny Hs ve variantách 100 mm pro stávající stav a stav po návrhu PEO.

Metoda CN-křivek vychází z předpokladu, že poměr objemu odtoku k úhrnu přívalové srážky se rovná poměru objemu vody zadržené při odtoku k potenciálnímu objemu, který může být zadržen. Odtok zpravidla začíná až po určité akumulaci srážek, tedy po určité počáteční ztrátě, která je součtem intercepce, infiltrace a povrchové akumulace, jež byla odhadnuta na základě experimentálních měření na 20 % potenciální retence (Ia = 0,2*A). Z uvedených souvislostí byl odvozen základní vztah:


kde:
H0 - přímý odtok [mm],
Hs - úhrn přívalové (návrhové) srážky [mm],
A - potenciální retence [mm], vyjádřená pomocí křivek-CN:

z toho objem přímého odtoku:
                    O_ph = 1000 . P_p . H₀ [m³];                                                      (4)

kde P_p je plocha povodí [km²].
 

 Tab. 4 Hodnoty čísel odtokových křivek-CN a Oph v dílčích povodích Lubě

ZÁVĚR
Výhodou výpočtu v prostředí GIS je možnost určení celkové ztráty půdy jak z celého pozemku, tak z každého prvku sítě (v našem případě na hranici produkčních bloků LPIS) a tím navrhnout protierozní opatření pouze v těch částech pozemku, které jsou skutečně ohroženy. Ruční výpočet umožňuje určení ztráty půdy pouze pro pozemek jako celek (s uvažováním ploch příslušejících jednotlivým odtokovým profilům).

Literatura
[1] DUMBROVSKÝ, M., MEZERA, J., a kol. Metodický návod pro KPÚ. Metodika VÚMOP. Praha. 2000. 120 s.
[2] HOLÝ, M., a kol. Eroze a životní prostředí. Praha: ČVUT. 1994. 383 s. ISBN 80-01-01078-3.
[3] JANEČEK, M. a kol. Ochrana zemědělské půdy před erozí. Praha: ISV. 2005. 195s. ISBN 80-86642-38-0.
[4] JANEČEK, M. a kol. Ochrana zemědělské půdy před erozí. Metodika. Praha. 2007. 76 str. ISBN 978-80-254-0973-2.
[5] WISCHMEIER, W.C., SMITH, D.D. Predicting rainfall erosion losses – a guide to conservation planning. Agriciultural. Hanbook. No. 537. US Department of Agriculture, Washington, DC. 1978.
[6] Manuál USLE2D, Dostupný z: http://geo.kuleuven.be/geography/modelling/erosion/usle2d/index.htm

Recenzoval
Doc. Ing. Miroslav Dumbrovský, CSc., VUT v Brně FAST (odborný asistent – zástupce vedoucího ústavu), Žižkova 17, tel.: +420 541 147 773, mail: [email protected]. Recenzi si můžete přečíst ZDE.

Tento článek byl také publikován na JUNIORTAVU 2009.

Autoři

• Ing. Hošková Veronika
• Ing. Pavlík František
• Ing. Uhrová Jana