Prezentace k SOOP_uvod - Katedra hydromeliorací a krajinného ...

Dalšíeroznífaktory⇒ rozdělení do skupin:klimatické a hydrologické poměry (výskyt, rozdělení, úhrn a intenzitasrážek, průběh povrchového odtoku, atd.);územní poměry (sklon území, délka, tvar a expozice svahů);geologické a půdní poměry (druh geologického podkladu, půdní druh,textura, struktura, vlhkost půdy, infiltrační schopnosti);vegetační poměry (druh vegetace a průběh jejího vývoje, atd.);hosp.-tech. poměry (způsob využívání půdy, metody obhospodařování)Následky ⇒ negativní vliv na životní prostředí:• degradace půdy (ztráta orniční vrstvy - živiny, snižování úrodnosti půdyvyplavováním a odnosem půdních částic z orničního horizontu apod.),• omezení využitelnosti pozemků pro zeměd. výrobu (výrazný poklesplochy orné půdy, asi o 67 tis. ha/od r. 1996),• zanášení vodních toků a nádrží splaveninami (snižování objemů, hloubek– nutná těžba),• znečištění povrchových vodních zdrojů - toků a nádrží přinášenýmiorganickými a toxickými látkami → rozvoj eutrofizačních procesů,• znečištění a materiální škody v intravilánu a tech. zařízeních

Mechanismus erozního procesuDopad dešťové kapky na povrch půdy → přenos její dopadové sílyna půdní povrch = dvojí účinek:1. destrukce povrchu půdy při dopadu kapky (rozbití agregátů),2. půdní povrch zhutňován dopadajícími kapkami (škraloup).(po vytvoření vrstvy vody odtékající po povrchu země se postupně účinekdešťových kapek zmenšuje)Fáze procesu vodní eroze (3 fáze):1. Uvolnění půdních částic – rozbitíagregátů dopadem kapek + uvolnění2. Transport půdních částic – uvolnění apohyb povrchovým odtokem3. Ukládání půdních částic – v místechpoklesu rychlosti (sklonu)A-AEAAE,TT,S

Rozdělení eroze podle- časového hlediska na erozi historickou a soudobou,-směru působení na erozi podélnou a příčnou,- intenzity na erozi normální a zrychlenou,- mechanismu procesu na erozi rýžkovou a mezirýžkovou,- formy na erozi plošnou a výmolnou.PLOŠNÁEROZEselektivní vrstevná rýžková• Vznik povrchového odtoku:plošný (plošná, selektivní arýžková eroze) a soustředěný(vyšší formy eroze)VÝMOLNÁEROZEbrázdová rýhová výmolová stržová

Opatření proti erozi (PEO)- chrání zemědělská území, vodní zdroje, intravilán, komunikace- sloužíkomezeníeroze na jejípřípust. míru (nelze zcela),- navrhují se podle výsledků analýzy erozní ohrož. území,atd. proti účinkům eroze ⇒ základní předpoklad proekologickou stabilizaci krajinyRozdělení PEO:opatření organizační (delimitace kultur – ochr. zalesnění a zatravnění,protierozní rozmisťování plodin-osevní postupy a pásové střídání plodin,změna velikosti a tvaru poz.),opatření agrotechnická a vegetační (na orné půdě: vrstevnicovéobdělávání, výsev do ochranné plodiny apod.; na TTP: protierozníorganizace pastvy apod.; ve speciálních kulturách: mulčování apod.) aopatření stavebně-technická (terénní urovnávky, terasy, průlehy,příkopy, protierozní hrázky a nádrže, apod.).

Řešení PEO lze provádět na dvou základních úrovních:- rozhodovací (celková koncepce využití území a jeho ochrany,vyhodnocení kritických míst z hlediska vzniku eroze,porovnáníscénářů využití území a systému PEO),- návrhové (návrh konkrétních prvků systému PEO).PEO = komplexní systém (variantní řešení + volba variantynejvhodnější z hlediska záboru půdy, finančních nákladů narealizaci a následný provoz opatření proti erozi).Hlavní zásady řešení ochrany půdy a vodních zdrojů:1. ochrana povrchu půdy před přímým dopadem kapek,2. udržení povrchového odtoku v režimu plošného odtoku,3. zajištění kritických míst přirozeného soustřeďování povr.odtoku nebo odtokových drah proti vzniku erozních rýh.

SNÍŽENÍ účinku degradačníchprocesů pomocí PEO – návrh: prognózy eroze predikční modelyMetody hodnocení erozních procesů-použitívýpočetních metod pro kvantifikaci intenzity erozeEmpirickéerozní modelystatistické vyhodnocenídlouhodobého pozorováníuživatelsky příjemné, rychlé(jednoduché použití)menší počet vstupních datuživatelsképoužití v praxiSimulačníerozní modelyfyzikální popis procesů eroze apovrchového odtokunáročné, pomalejší výpočet,větší množství vstupních datvýkonné pc + kalibrace

EMPIRICKÉ MODELY- vycházejí z analýzy a statistického vyhodnocenídlouhodobého experimentálního sledování měření v terénu)vlivu jednotlivých erozních faktorů na erozi.Výhody - jednoduchost výpočtu a relativně snadné určenívstupních parametrů;Nevýhody - neschopnost dostatečně popsat časové aprostorové nehomogenity srážky a půdních, vegetačních amorfologických podmínek,USLE - Universální rovnice ztráty půdy, MUSLERUSLE - Revidovaná USLE → A = R.K.L.S.C.P (t/ha.rok)

USLE –obecně ⇒ A = R.K.LS.C.P• odvozena W.H.Wischmeierem a D.D.Smithem (viz obr.) v r.1965 - používá se jako základní metoda pro hodnocení intenzityerozního procesu v USA i dalších zemích (v 70. letech bylaverifikována pro podmínky ČR);•název „universální“ znamená, že při stanovení hodnotjednotlivých faktorů se podařilo analýzou a vyhodnocenímvšech datových souborů překonat regionální omezenost dříveodvozených vztahů → aplikace rovnice v různých podmínkách•počítá dlouhodobou průměrnou hodnotu ztráty půdy nazákladě rovnice (viz výše) pomocí pěti faktorů:

RKLSCP-faktor erozníúčinnosti deště a povrchového odtoku,- faktor erodovatelnosti půdy,- faktor délky svahu,}- faktor sklonu svahu, LS – topografický faktor- faktor ochranného účinku vegetace,- faktor protierozního opatření.• USLE i RUSLE vycházejí z principu tzv. přípustné ztrátypůdy na tzv. jednotkovém pozemku, jehož parametrybyly jasně definovány a odvozeny z rozměrů standardníchvýzkumných odtokových ploch s délkou 76,2 ft (22,3 m),sklonem 9%, jejichž povrch je mechanicky kultivován vesměru sklonu svahu jako úhor po dobu min. dvou let (protento pozemek jsou hodnoty faktorů LS, C a P rovny 1,0).

R faktorpředstavuje EROZNÍ ÚČINNOST DEŠTĚ = jeho schopnost(potenciál) erozně působit na povrch půdy, tj. uvolňovat půdníčástice z povrchu půdy a rozrušovat půdní agregáty. Erozníúčinnost deště je určena kvalitativními charakteristikami deštěkinetickou energií, intenzitou, resp. jejich kombinací).•označovaná též jako index EI 30 . Tento faktor (index) jeproduktem kinetické energie deště a jeho maximální 30-timinutové intenzity:R = EI 30 = (E d / 100) . I 30R - erozní účinnost deště (MJ.ha -1 .cm.hod -1 )E d - kinetická energie deště (J.m -2 ),I 30 - max. 30-ti minutová intenzita (cm.hod -1 )

Hodnota R-faktoru pro určitou oblast se určí rozborem ombrogramůerozně nebezpečných dešťů (s úhrnem větším než 12,5 mm). Údaje o R-faktoru jednotlivých dešťů lze statistiky zpracovávat a třídit, např. jakoměsíční nebo roční průměrné hodnoty. Pro získání reprezentativníchprůměrných hodnot R-faktoru je nutno zpracovat všechny erozněnebezpečné deště za časové období délky min. 25 let.Postup pro určení faktoru R erozně nebezpečného deště:Ombrogram deště se rozdělí na n úseků o konstantní intenzitě.Pro každý úsek se stanoví jeho kinetická energie ze vztahu:E i = (206 + 87 log I i ) . H iE i - kinetická energie i-tého úseku deště (J.m -2 )I i -intenzita deště v i-tém úseku (cm.hod -1 )H i -úhrn deště v i-tém úseku (cm)Součet kinetické energie jednotlivých úseků deště udává hodnotucelkové kinetické energie deště: E d = Σ E i

K faktorpředstavuje ERODOVATELNOST PŮDY = náchylnost půdy k erozi, tznschopnost půdy odolávat působení erozních činitelů (srážek, povrchovéhodtoku). V užším slova smyslu je erodovatelnost dána fyzikálnímcharakteristikami půdy, obecně pak i způsobem a metodami užívání půdy.• Hodnota faktoru K se určuje z výsledků texturální a strukturální analýzporušených půdních vzorků a dalších hydrofyzikálních charakteristikStanovuje se na základě nomogramu.K[−4= 2,1⋅10]/1001,4( 12 − OM ) M + 3,25( s − 2) + 2,5( p − 3)Podklady ke stanovení hodnoty faktoru K z nomogramu :-obsah částic jílu, prachu a jemného písku (0,002 – 0,1 mm) (%)-obsah částic písku (0,1 – 2,0 mm) (%)- obsah humusu (%)-struktura půdy a propustnost půdyTextura, struktura a obsah organické hmoty jsou určeny pro povrch půdy, resp. vrchní vrstvudo hloubky cca 5 cm, propustnost pak charakterizuje infiltrační schopnost celého profilu.

Nomogram pro určení hodnoty K faktoru

LS faktorpředstavuje VLIV DÉLKY A SKLONU SVAHU NA EROZI = vliv nepřerušenédélky svahu na ztrátu půdy. Vyjadřuje poměr ztráty půdy na vyšetřovanémpozemku o dané délce svahu ke ztrátě půdy z pozemku jednotkového odélce 22,13 m při stejných ostatních podmínkách. Eroze se zvyšuje sezvyšující se délkou svahu, který je definován jako horizontální vzdálenostod místa vzniku povrchového odtoku k bodu, kde se buď sklon svahu snížínatolik, že začne ukládání erodovaného materiálu, anebo se odtoksoustředí do odtokové dráhy.Stanovení hodnoty L a S faktoru pro dráhy plošného odtoku podle:L = ( l d / 22,13) pkde exponent p = f (I – sklon svahu), l d = nepřerušená délka svahu.S = (0,43+0,30s+0,043s 2 )/6,613(průměrná hodnota pro celý svah),kde s je průměrný sklon svahu (%).S – zahrnutí vlivu tvaru svahu, přesněji vzdálenosti části svahu od horního okraje pozemku(vyšší hodnota faktoru v dolní části svahu) – přesnější hodnota S faktoru.

C faktorpředstavuje OCHRANNÝ ÚČINEK VEGETAČNÍHO POKRYVU =- jeho druh, stav v době výskytu příčinného deště a používanáagrotechnika, které ovlivňují vznik a průběh povrchového odtoku a erozena svahu (pozemku) i v celém vyšetřovaném území.C faktor vyjadřuje ochranný účinek ve vztahu k pozemku bez vegetačníhopokryvu. Podrobné stanovení hodnoty faktoru C se provádí na základěrozdělení veg. období plodiny do 5 pěstebních období (fenologickéfáze):1. období podmítky a hrubé brázdy,2. období od přípravy pozemku k setí do konce prvního měsíce po zasetí3. období po dobu druhého měsíce od jarního nebo letního setí či sázení(délka trvání 3.období je jeden měsíc), u ozimů do 30.4.4. období od konce 3.období do sklizně5. období strniště (od sklizně do. začátku 1.období další plodiny).

Postup pro určení C faktoru konkrétní plodiny:a) Vegetační období plodiny se rozdělí na 5 základních pěstebních období(začátku a konci každého pěstebnímu období se přiřadí datum apříslušná dílčí hodnota C-faktoru – dána tab. v metodice)b) Každému pěstebnímu období se podle délky kalendářního období přiřadípříslušná procentuální hodnota z roční hodnoty faktoru erozní účinnostideště (R-faktor) – dána tab. v metodicec) Průměrná hodnota ochranného účinku plodiny za vegetační období (Cfaktorplodiny) se určí jako vážený průměr vhledem k hodnotě R-faktoru(rozdělení v roce)35302520151050duben květen červen červenec srpen září říjen% RTímto postupem se stanovíhodnota C faktoru provšechny plodiny, které sev rámci střídání plodin napozemku vyskytují a průměrtěchto hodnot určujedlouhodobou průměrnouhodnotu ochranného vlivuvegetace (C faktoru) navyšetřovaném pozemku(svahu).

P faktor- popisuje VLIV PROTIEROZNÍ OPATŘENÍ = např. vrstevnicový a pásovýzpůsob hospodaření, ochranné zatravňování, příkopy, průlehy, terasy,protierozní hrázky, apod. na ztrátu půdy. Tato opatření se používají kpodpoře základních vegetačních opatření používaných k ochraně půdyproti erozi, kterými jsou např. druh vegetace, způsob obdělávání ahospodaření, mulčování apod. (ty jsou reprezentoványfaktorem C). Protierozní opatření ovlivňují intenzitu eroze změnousměru odtoku i jeho faktickým snížením, a tím mají vliv na snížení erozníúčinnosti odtoku a podporují usazování částic.Stanovení vlivu PEO (hodnoty P faktoru) :P = 1,0 (bez PEO, skutečný stav před návrhem)P – na základě metodiky podle sklonu svahu a počtu a šířky pásů, apod.PEO (příklad hodnoty PSklon svahufaktoru) 2 – 7 % 7 – 12 % 12 – 18 % 18 – 24 %Vrstevnicové obdělávání 0,6 0,7 0,8 0,9

RUSLE –obecně ⇒ A = R.K.LS.C.PVznik v 90. letech v USA - prověření, aktualizace a revize USLE;úpravy vedly k určitým důležitým změnám ve způsobu stanoveníjednotlivých faktorů rovnice (odvodil K.G. Renard a kol.).• empirický matematický erozní model (celistvý) pro odhaddlouhodobé průměrné roční ztráty půdy,•umožňuje dlouhodobou predikci eroze,- vychází ze statistické analýzy dlouhodobého experimentálníhosledování vlivu jednotlivých erozních faktorů na erozi;- není schopný dostatečně popsat časovou a prostorovounehomogenitu srážek a půdních, vegetačních amorfologických podmínek;- dokáže provést výpočet ztráty půdy pro jednotlivý svah.

• Jednoduchost, účelnost, rychlost výpočtu a možnost využitívelkého množství vstupních údajů, volná přístupnost nainternetu (http://www.sedlab.olemiss.edu/Rusle/)•EEM se hodí při globálním přístupu k řešení problematikyohroženosti území erozí, pro vytipování kritických místz hlediska vzniku eroze; pokračovat je pak možnév lokálním přístupu použitím simulačních erozních modelů(jsou schopné popsat prostorovou i časovou nehomogenitucharakteristik).• Konstrukce modelu (vazba mezi podprogramy pro výpočethodnot faktorů - umístěnými v tzv. predikční tabulce - adatabázemi).

S MT OR DU EK LT UURAPODPROGRAMYR faktorklimaticképodmínkyK faktorpůdaLS faktortopografieC faktorvegetaceP faktorprotierozníopatřeníúdaje definované prospecifické podmínkyobecně definovanédatové soubory(možnost jejich tvorby)databáze CITYklimaticképodmínkydatabáze CROPvegetacedatabázeOPERATIONSagrotechnickéoperaceodhad ztrátypůdyDATABÁZE

SIMULAČNÍ MODELY- vycházejí z fyzikálního popisu erozního procesu (přírodníproces: uvolňování, transport a ukládání půdních částicpůsobením erozních činitelů = dešťové srážky a povrchovýodtok) a matematickým způsobem řeší jeho prostorový ačasový průběh - odstraňují tak nevýhody empirických modelů(jejich rozšíření umožnil rozvoj výpočetní techniky).Aplikace simulačních modelů v současnosti –ve spojenísprostředky GIS (pro přípravu vstupních podkladů a prezentaci)= moderní inženýrský nástroj pro různé varianty využití aochrany území.SMODERP, AGNPS, EROSION 2D/3D, EUROSEM, WEPP, EPIC…

Výhody (ve srovnání s EEM)• fyzikální základ (vznik a tvorba odtoku, vznik a průběh E),• teoreticky správnější reprezentace erozního procesu (R a MReroze - dva samostatné procesy),•přímé zahrnutí procesu eroze způsobené soustředěnýmodtokem a procesu ukládání transportovaných částic (i ZN),• řešení jednotlivých srážko-odtokových situací,• možnost výpočtu pro velký počet scénářů OOP,•přesnější schematizace geometrie území (nehomogenita),• dokonalá grafická prezentace výsledků.Nevýhody -obtížněji dostupná vstupní data, nutnost výkonnévýpočetní techniky a kalibrace modelu.

Základy fyzikálního principu vodní eroze – W.D.Ellison (USA):- definice jednotlivých dílčích procesů eroze včetně analýzy.-rozdělení procesu eroze na 4 dílčí procesy:1) uvolnění půdních částic deštěm,2) přemístění půdních částic deštěm,3) uvolnění půdních částic povrchovým odtokem,4) transport půdních částic povrchovým odtokem.Základní rovnice SM erozních procesů:‣ rovnice kontinuity* a pohybová rovnice pro pohyb splavenin(plošný a soustředěný povrchový odtok je posuzován odděleně)+ princip kinematické vlny; rovnice* dle Fostera‣ tento přístup rozlišuje MR E. a PLR E.

Pro modelování dílčích erozních procesůje potřeba:• definovat jednotlivé dílčí procesy eroze a matematicky jevyjádřit;• rozlišit mechanismus těchto procesů a faktory, které jejovlivňují, podle formy probíhajícího EP:- procesy PMR E. (odtok - plošný - probíhá v tenké vrstvě),- procesy PR E. (povrch. odtok se soustřeďuje do drobnýchodtokových drah – rýžek nebo rýh),- procesy výmolné a proudové eroze (povrch. odtok sesoustřeďuje v přirozených depresích nebo v hydrografickésíti).

Simulační modely lze klasifikovat podle:-hlediska časového na modely epizodní (simulace projednotlivou srážku) a kontinuální (simulace pro delší období:vegetační období, rok, atd.),- hlediska plošného na modely pro svah (simulace projednotlivý svah, pozemek) a modely pro povodí (simulace provětší nehomogenní území).Tyto modely se podle prostorového rozčlenění charakteristik území dáledělí na modely celistvé (lumped), které neuvažují prostorovou závislosttěchto charakteristik a na modely geometricky dělené (distributed), kteréuvažují prostorovou variabilitu charakteristik.- účelu, pro který se posouzení erozní ohroženosti územíprovádí - 3 úrovně řešení:1. globální řešení, 2. regionální řešení, 3. lokální řešení.stovky km 2(celková bilance)desítky km 2 (lokalizace zdroj.ploch, různé scénáře)několik km 2 (podrobnáanalýza OaEP pro svah)

2. Rozdělení povodí do systému odtokových ploch a do prvků SO.-rozdělení vyšetřovaného povodí na několik dílčích povodí:nutné definovat hlavní a vedlejší prvky SO v rámci DPVelikost elementů (tedy jejich počet) – kritéria =nehomogenita povodí, náročnost přípravy vstupních dat apřijatelná doba trvání simulaceSoučasný trend v geometrické schematizaci: distributed models(čtvercová síť+GIS)

DOPORUČENÉ MODELY – stručný popis II.Na základě uvedených principů EP – sestaveno velké množstvírůzných SM odtoku a eroze na mnoha pracovištích ve světě (78).Pro podmínky ČR byl odvozen SM odtoku a eroze na svahu:SMODERP (Holý, Vrána, Váška, 1988) a byla testována celářada zahraničních modelů (převážně USA) pro využití v ČR:CREAMS (Chemical Runoff and Erosion from Agr. Management System)ANSWER (Areal Nonpoint Source Watershed Environment Response Simul.)AGNPS (AGricultural Nonpoint Source Pollution Model)WEPP (Water Erosion Prediction Project)EUROSEM (EUROpean Soil Erosion Model)EROSION 2D/3D EPIC (Erosion/Productivity Impact Calculator)

SMODERP – obecně ⇒ využívá principy USLE- je výsledkem vývoje SM s využitím fyz. principů pro podm. ČR- sestaven na KHMKI FSv ČVUT pro řešení návrhových úloh vPEO zeměd. pozemků (r. 88 – modernizovaná verze ve WIN)Model simuluje srážko-odtokové vztahy a erozi na jednotlivémsvahu; výstupy = podklady pro vyhodnocení erozní ohroženosti(pozemků) a návrh PEO (info viz: http://web.fsv.cvut.cz/k143/).2 moduly(použití dovelikosti plochycca 100 ha)Hydrologický modul (model plošného PO)Erozní modul(model plošné rýžkové a mezirýžkové eroze)

Vstupní údaje – SMODERP (manuál programu, terénní průzkum)• informace o: návrhovém dešti /časový průběh/, vyšetřovanémpozemku /svahu/, geometrii /sklon, délka a šířka odt. profilu/,půdě /druh, souč. HV,sorptivita/, vegetačním pokryvu /druh,pot. Intercepce, poměrná listová plocha, drsnost apod./,Výstupní údaje – SMODERP• charakteristiky PO ve zvolených profilech svahu a čas. inter.(objem, kulminační průtok, hloubka, rychlost, tang. napětí);•přípustná délka svahu (pozemku);• ztráta půdy (transport půdních částic na dolní hranici svahu).Použití výstupů: posouzení erozního ohrožení území, výběr PEO.

EROSION 2D/3D ⇒ vyvinut z EROSION 2D (pro svah)- pracuje s plochou celého povodí, zahrnuje do výpočtu ztrátupůdy (A) způsobenou plošným i soustředěným odtokem- geometrický základ = pravidelná čtvercová síť (dostatečné)Vstupy - charakteristiky: 1. povrchů vyšetřovaného území, 2.půdy, 3. návrhového deště (doba trvání a intenzity srážky).Výstupy – parametry celkové plochy: 1. ztráty půdy , 2.koncentrace splavenin, 3. intenzita eroze.Použití modelu: 1. simulace vlivu různých způsobů zeměd.obhospodařování pozemků na vlastnosti půdy a tím na PO a A,2. simulace vlivu konsolidace půdy a změn PEO na A a následnýnávrh PEO na ochranu půdy, 3. odhad množství kontaminantů.http://www.geog.fu-berlin.de/~erosion/manual_e/vol2/

http://www.sweb.cz/agnps/AGNPS ⇒ využívá ověřené vztahy pro výpočet PlaSO, eroze,transportu a ukládání splavenin a transportu chemických látek-relativně jednoduchý SM = sledování plošných a bodovýchzdrojů eroze a transportu z návrh. deště (vel. povodí do 200 km 2 )- povodí je schematizováno pomocí sítě homogenních čtvercovýchelementů (0,5-16 ha) – každý je samostatnou hydrologickou jedn.s odtokovými, erozními a transportními procesy – výsledky sepřenášejí do elementů sousedníchmetoda čísel CN2 moduly(výstupy)hydrologický (sim. výšky přímého odtoku a kulm. Q)erozní (ztráta půdy pomocí upravené USLE,transport, koncetrace N a P, CHSK..)Vstupní údaje – 2 soubory: 1. společné pro všechny elementy(velikost, úhrn apod.), 2. specifické pro daný element (směr PO,sklon, tvar svahu, délka odtoku, CN, n, faktory USLE atd.).

DALŠÍ MODELY – stručný popis III.EPIC ⇒ obsáhlý SM vyvinutý pro určení vztahů mezi vodní erozí aúrodností pozemku; skládá se z různých modulů - řeší vliv eroze,režimu odtoku, transportu živin a způsobu hosp. na růst plodin).WEPP ⇒ nová technologie SM POaE, založen na principustochastického generátoru počasí, infiltrační teorii, hydrologii,půdní fyzice, atd. (http://topsoil.nserl.purdue.edu/nserlweb).EUROSEM ⇒ matematický model, vznik v rámci spolupráceněkolika evropských výzkumných ústavů – řeší PO a erozi zesrážky proměnné intenzity na jednotlivém svahu(http://www.silsoe.cranfield.ac.uk/eurosem/Eurosem.htm).ANSWER ⇒ počítá PO, erozi a sedimentaci pro středně velkápovodí pro jednotlivou srážku – rozdělení do sítě elementů max. 4ha (součástí modelu je DMT).