Příčiny vodní eroze     Důsledky vodní eroze    Protierozní opatření    Formy eroze  Zajímavosti    Odkazy    Doporučená a použitá literatura

GIS v procesu eroze a transportu půdy

využití GIS pro určení množství sedimentu v nádrži Květoňov 

(autor: Ing. Alena Jakubíková, ČVUT v Praze, Fakulta stavební, Katedra hydromeliorací a krajinného inženýrství)

Při řešení kvalitativních a kvantitativních problémů týkajících se odnášení půdních částic z povodí do nádrže, jejich usazování a následného zanášení nádrže se vhodně uplatňují nástroje geografických informačních systémů, a to nejen v oblasti vstupních podkladů a jejich zpracování, ale také jako názorné prostředky pro zobrazení výstupů. V případě této studie je používaným nástrojem rastrově orientovaný GIS Idrisi for Windows, verze 2.0., který byl ověřen pro odhad množství sedimentu v regionálním i globálním měřítku, např. pro povodí nádrží Květoňov a Pastviny (jižní a východní Čechy).

Úvod
Splaveniny, jejichž podstatné množství je produktem erozních procesů na zemědělsky využívaných půdách, negativně ovlivňují životnost a funkci vodohospodářských staveb, zejména nádrží. Pro výstavbu nových a rekonstrukci stávajících nádrží je nutné v rámci revitalizačních projektů odhadnout produkci splavenin v povodí a případně navrhnout v povodí opatření k omezení erozních a transportních procesů. K odhadu množství splavenin je k dispozici řada metod, včetně matematických simulačních modelů. Zde uvedená metoda vychází z určení intenzity eroze v povodí (vyjádřené ztrátou půdy stanovenou Universální rovnicí ztráty půdy /USLE/), která je dále redukována součinitelem odnosu splavenin /SDR/ a záchytným účinkem nádrže. Pro přípravu vstupních podkladů a vytváření výstupních map produkce splavenin v povodí jsou používány prostředky GIS. Metoda byla verifikována pro odhad množství splavenin v povodí nádrží Květoňov (32,15 km2, jižní Čechy), a Pastviny (183 km2, východní Čechy). 

Zacíleno na Květoňov
Cílem této studie je stanovit na základě hodnoty průměrné roční ztráty půdy množství splavenin přinášených z povodí řeky Kamenice do nádrže Květoňov a určit míru jejího zanesení. Povodí nádrže Květoňov (obr.1) se nachází v jižných Čechách, v podhůří Novohradských hor. Velikost povodí je 32,15 km2. Rozkládá se ve členitém terénu mezi 548 až 959 m n.m. Z celkové plochy tvoří lesy 1625 ha (50,54%), orná půda a trvalé travní porosty 1511 ha (47%), komunikace 42 ha (1,31%), vodní plochy 25 ha (0,78%) a intravilán 12 ha (0,34%) (obr.2). Celé území patří do povodí řeky Malše, která je hlavním vodním tokem v dané oblasti. 

Obr. 1

Řešení se soustředilo na nádrž Květoňov (viz. Obr.2), která se nachází na dolním toku řeky Kamenice, nedaleko od ústí do řeky Malše. Nádrž má přispět ke zlepšení kvality vody přitékající do vodárenské nádrže Římov a kompenzovat urychlený odtok vody z odvodňovaných ploch. Velikost zásobního prostoru nádrže je 263 950 m3 (mezi kótami 558-566 m.n.m.) a zatopená plocha 6,9 ha. Velikost ochranného prostoru nádrže je 73 130 m3 (mezi kótami 566-567 m.n.m.) a zatopená plocha 7,8 ha. Délka nádrže měřená přímkou je cca 600 m a maximální hloubka (při hladině v úrovni přelivu) u hráze 8,0 m. Zemní hrázové těleso je vybudováno z místních materiálů, jeho délka v koruně je 138 m a šířka 5,0 m. Zkušební provoz nádrže Květoňov byl zahájen v září 1991; doba jejího provozu je tedy 10 let.

Klimatické, geologické, půdní a vegetační poměry
Území je klimaticky rozděleno na dvě části, severní a jižní. Severní část patří do klimatické oblasti mírně teplé, velmi vlhké (průměrná měsíční teplota 6,7°C, průměrný měsíční srážkový úhrn 745 mm). Jižní část pak do klimatické oblasti mírně chladné (průměrná měsíční teplota 5,2°C, průměrný měsíční srážkový úhrn 912 mm).

Geologickým podkladem půd v zájmovém území jsou prahorní horniny žula a rula. Na obou horninách, žule a rule, se pedogenetickými procesy v přírodních podmínkách vyvinuly hnědé půdy, a to hnědé půdy kyselé (HPa), kyselé slabě glejové (HPa(G)), kyselé glejové (HPaG), a dále půdy drnoglejové (DG) a rašeliništní (RA).

Vegetační podmínky v povodí jsou ve sledovaném časovém úseku, tj. v době funkčnosti nádrže, dány dvěma rozdílnými přístupy ke způsobu hospodaření. V období provozu nádrže od r. 1991 do r. 1994 se pozemky využívaly podle základních osevních postupů daných projektem SPÚ z r. 1988. V dalším období (r. 1995-2000) se pozemky obhospodařovaly v rámci aktivit společnosti Bemagro a.s., přičemž mezi hlavní pěstované plodiny patřily obiloviny (ječmen jarní a ozimý, pšenice jarní a ozimá, žito), kukuřice, řepka, jetel a jetelotráva; mnoho pozemků bylo zatravněno.

Obr. 2

Podklady
Mapové podklady pro řešení dané oblasti tvořily základní mapy (1:10 000, 1:25 000), základní vodohospodářské mapy (1:50 000) a hospodářské mapy pozemků. Z map byl vytvořen digitální model terénu (DMT), který byl pak použit při výpočtu ztráty půdy v geografickém informačním systému (GIS) programu Idrisi. Podkladem pro období od r. 1991 do r. 1994 byla Průvodní zpráva projektu SPÚ pro oblast Malonty vypracovaná v r. 1988 Agroprojektem Praha, ze které byly převzaty některé údaje, např. osevní postupy, uspořádání odtokových profilů, výsledky půdního průzkumu. Podkladem pro období od r. 1995 do r. 2000 byly osevní postupy spol. Bemagro a.s. a nový terénní průzkum, který byl uskutečněn v roce 2000. Jako podklad byl také použit Manipulační řád vodního díla Květoňov na Kamenici.

Metodika řešení - obecný postup
Odhad množství splavenin vychází z hodnoty průměrné roční ztráty půdy, která je redukována poměrem odnosu splavenin. Výsledné množství splavenin je stanoveno na základě záchytného účinku nádrže. Výpočet ztráty půdy byl proveden pomocí rovnice USLE (Universal Soil Loss Equation - Universální rovnice ztráty půdy) a odhad množství splavenin pomocí metody SDR (Sediment Delivery Ratio - poměr odnosu splavenin podle rovnice J. R. Williamse). Schematický popis metodiky řešení se znázorněním rozdílného přístupu k řešení pomocí GIS a klasického tabelárního výpočtu uvádí Obr. 3. a 4.

Obr. 3

Obr. 4

Postup a varianty výpočtu

1) Určení ztráty půdy:
Na pozemcích s ornou půdou bylo provedeno určení ztráty půdy pro dvě období vzhledem k rozdílnému způsobu hospodaření v povodí (viz. Obr. 11 a 12):
a) období 1991-1994 => hodnoty ztráty půdy převzaty z projektu SPÚ z r. 1988, 
b) období 1995-2000 => hodnoty ztráty půdy stanoveny výpočtem pomocí rovnice USLE (1) pro střídání plodin podle osevního plánu společnosti Bemagro a.s.

A = R . K . L . S . C . P  , kde                                                                                      (1)

A je průměrná roční ztráta půdy, R je faktor erozní účinnosti deště, K je faktor erodovatelnosti půdy, L je faktor délky svahu, S je faktor sklonu svahu, C je faktor vegetačního krytu a osevního postupu a P je faktor protierozních opatření.

Pracovně bylo celé povodí rozděleno na čtyři dílčí povodí - Bělá, Bukovsko, Malonty, Jaroměř (viz Obr.2). Pro každé byla určena celková průměrná roční ztráta půdy a pomocí morfologických charakteristik byl stanoven poměr odnosu splavenin. Součet ztráty půdy z těchto dílčích povodí dává celkovou průměrnou roční ztrátu půdy z povodí, ze které bylo stanoveno celkové množství odnosu splavenin z povodí. 

Pro možnosti porovnání použitých postupů bylo uskutečněno několik variant výpočtu. Jednou z variant byl tabelární (ruční) výpočet ztráty půdy podle USLE pro skutečný vegetační pokryv v letech 1995 - 2000. Druhou pak určení téže veličiny pomocí rastrově orientovaného GIS Idrisi for Windows, verze 2.0, kde proběhl výpočet nejen pro skutečný vegetační pokryv, ale i pro různé teoretické scénáře využití území. V rámci těchto scénářů byla ztráta půdy počítána na všech pozemcích s ornou půdou za předpokladu pokryvu úzkořádkovými a širokořádkovými plodinami (viz. Obr. 8 a 9). V dalším scénáři byla určena ztráta půdy pro rozlišení orné půdy a trvalých travních porostů.

2) Určení poměru odnosu splavenin:
Pro každé dílčí povodí byl pomocí morfologických charakteristik stanoven poměr odnosu splavenin (SDR) podle rovnice J. R. Williamse (2).

SDR = 1,366 . 10^-11 . P_p^-0,0998 . S_r^0,3629 . CN^5,444, kde                                             (2)

P_p je plocha povodí, S_r je reliéfový poměr a CN je číslo odtokové křivky.

3) Stanovení záchytného účinku nádrže:
Působením záchytného účinku nádrže, který závisí na jejích hydraulických charakteristikách (např. na poměru objemu nádrže ku přítoku do nádrže), dochází k částečnému zachycení splavenin; nezachycené množství splavenin přechází přes výpustné zařízení dále do toku. Záchytný účinek byl stanoven pomocí Bruneho křivek na základě poměru zásobního objemu nádrže ku ročnímu přítoku do nádrže.


Shrnutí výsledků
Výsledné hodnoty ztráty půdy a množství splavenin zachycených v nádrži za dobu jejího provozu jsou uvedeny v Tab.2 a Tab.3, graficky jsou vyjádřeny na Obr.5.

Tab. 2: Výsledné hodnoty ztráty půdy a množství splavenin

Tab. 3: Celkový odnos půdy z povodí Kamenice do nádrže Květoňov za období 1991 - 2000

Obr. 5 Celkové roční množství odnosu splavenin z jednotlivých subpovodí do nádrže Květoňov v průběhu tří různých období hospodaření

Závěry
Z porovnání jednotlivých variant výpočtu hodnot ztráty půdy pro 2. období, tj. pro skutečný vegetační pokryv v letech 1995 - 2000, vyplývají tyto závěry:
1) Celková průměrná roční hodnota ztráty půdy určená rovnicí USLE pomocí GIS (v Idrisi) má v rámci jednotlivých pozemků v průměru o 30% nižší hodnoty než jsou výsledky ručního výpočtu pomocí této rovnice (viz. Obr.10 a 11); výhodou výpočtu v prostředí GIS však je možnost určit celkové ztráty půdy jak z celého pozemku, tak z každého prvku sítě (v tomto případě na ploše 20x20 m) a tím navrhnout protierozní opatření pouze v těch částech pozemku, která jsou opravdu ohroženy.
2) Ruční výpočet umožňuje určení ztráty půdy pouze pro pozemek jako celek (s uvažováním ploch příslušejících jednotlivým odtokovým profilům).

Výsledná hodnota záchytného účinku nádrže byla stanovena pomocí Bruneho křivek (viz. Obr.6) na základě těchto charakteristik:
· převažující charakter sedimentu v nádrži (podle analýzy sedimentu v rámci měření HBÚ AV ČR pod vedením Ing. Hejzlara): jemnozrnný sediment (cca 90% částic < 2 mm)
· zásobní objem nádrže Květoňov: 263 950 m³
· průměrný roční průtok nádrží: 258 l /s => průměrný roční objem přítoku: 8,123 . 106 m³
· poměr zásobního objemu nádrže ku ročnímu objemu přítoku do nádrže: 0,032
· odečtená hodnota % zachycení splavenin z grafu pro poměr 0,032: 56 %
· výsledné množství splavenin (po redukci záchytným účinkem nádrže): cca 5 770 m³
· průměrná výška nánosu splavenin u dna (při ploše nádrže 69 000 m2): cca 8 cm

Obr. 6

Zhodnocení vlivu splavenin na nádrž
Zachycený objem splavenin (5 770 m³) představuje v současné době cca 2,2% z celkového zásobního objemu nádrže (263 950 m3), což znamená, že úplné zanesení nádrže (za předpokladu, že při zanesení 80% objemu ztrácí nádrž svojí funkci) by teoreticky trvalo asi 350 let. Z hlediska množství splavenin tedy nepředstavují produkty eroze v povodí řeky Kamenice pro nádrž Květoňov výrazné ohrožení. 

Výše uvedené hodnoty lze zkonfrontovat s výsledky měření splavenin v nádrži Květoňov, které v roce 1998 provedl Hydrobiologický ústav AV ČR (viz. Obr.7). Podle tohoto měření má většina sedimentu v nádrži jemnozrnný charakter (velikost částic < 2 mm) a objem usazených splavenin je 10 600 m³. 

Obr. 7 Výsledky měření splavenin v nádrži Květoňov v roce 1998
(zdroj: Hydrobiologický ústav AV ČR v Českých Budějovicích (Ing. Josef Hejzlar)

Závěrem lze uvést, že zde uvedený postup se jeví jako dobře použitelná metoda pro odhad množství splavenin a zároveň se ukazuje jako vhodné využít pro tento výpočet data dostupná pro GIS (tj. DMT, LANDUSE, BPEJ, atd.), a to nejen jako vstupy, ale i výstupy.


Literatura
[1] Agroprojekt Praha, závod 02 České Budějovice. Průvodní zpráva projektu SPÚ pro Malonty, bývalý Státní statek Šumava. České Budějovice, 1988.
[2] Jakubíková, A.: Odhad množství splavenin v nádrži Květoňov (dílčí povodí nádrže Římov). Sborník z konference "Orlice '98". Králíky, listopad 1998.
[3] Jakubíková, A. - Suchý, H. - Váška, J. - Žaloudík, J.: Metoda odhadu množství splavenin v povodí. Stavební obzor 7/99. Str. 206 - 213. Praha, červenec 1999.
[4] Janeček, M. a kol.: Ochrana zemědělské půdy před erozí. Metodika ÚVTIZ č. 5. Praha, 1992.

Obr. 8                                                                                      Obr. 9

Obr. 10                                                                                      Obr. 11

 Obr. 12

domů 

Příčiny vodní eroze     Důsledky vodní eroze    Protierozní opatření    Formy eroze    Zajímavosti    Odkazy    Doporučená a použitá literatura