CC BY
454
УДК 631.4
СРАВНЕНИЕ ДВУХ МЕТОДОВ РАСЧЕТА СМЫВА ПОЧВЫ НА ВОДОСБОРАХ С ПРИМЕНЕНИЕМ ГИС-ТЕХНОЛОГИЙ
Л.Г. СМИРНОВА, доктор биологических наук, зав. лабораторией
Белгородский НИИСХ Россельхозакадемии А.Г. НАРОЖНЯЯ, кандидат географических наук, старший преподаватель
Е.Ю. ШАМАРДАНОВА, аспирант НИУ «БелГУ»
E-mail: [email protected]
Резюме. При оценке процессов водной эрозии, которая необходима для разработки проектов адаптивно-ландшафтных систем земледелия, в мире используют эмпирические и физически обоснованные модели или эмпирические, физически обоснованные и концептуальные модели. В России модель для вычисления смыва почвы не утверждена, а их сопоставление не проводили. В статье приведена сравнительная оценка расчетов эрозионной опасности земель по Универсальному уравнению потери почв (УУПП) и по формуле, предложенной в «Методических указаниях по проектированию противоэрозионной организации территории...» с использованием геоинформационной программы ArcGIS. Она показала расхождения при наложении построенных картограмм среднегодового модуля потерь почвы и потенциального смыва от стока талых вод (ливневых дождей). Разница на землях подверженных незначительной эрозионной опасности составила 14,1 % от площади сельскохозяйственных угодий. На землях подверженных слабой, средней, сильной и очень сильной эрозионной опасности расчеты, выполненные по формуле УУПП, превышают величины, полученные по формуле из «Методических указаний.», на 10 % от площади сельскохозяйственных угодий. Эти различия необходимо учитывать при проектировании линейных рубежей.
Ключевые слова: противоэрозионная организация территории, адаптивно-ландшафтные системы земледелия, модуль потерь почвы (УУПП), потенциальный смыв от стока талых вод (ливневых дождей), классы эрозионной опасности, ArcGIS, цифровая модель рельефа.
Для разработки проектов адаптивно-ландшафтных систем земледелия требуется надежная количественная оценка эрозионной опасности земель. Она проводится путем соответствующих расчетов по определению суммарного смыва почвы с использованием существующих методических разработок, известных в географической и сельскохозяйственной науке.
В частности для определения поверхностного смыва почвы, используется несколько десятков формул, число которых продолжает увеличиваться в последние годы [1], что создает дополнительные трудности по выбору адекватной модели при решении конкретных задач.
Некоторые исследователи [2] делят все модели водной эрозии на статистические и логикоматематические. Последние в свою очередь подразделяются на три класса: с сосредоточенными параметрами, с сосредоточенно-распределенными параметрами и с распределенными параметрами.
В Западной Европе и Северной Америке при оценке процессов водной эрозии используют эмпирические и физически обоснованные модели или эмпирические, физически обоснованные и концептуальные модели. Эмпирические модели представляют собой обобщения данных наблюдений, выполненные на основе определенного объема априорной информации статистическими методами [1].
Классическая эмпирическая модель - известное универсальное уравнение потерь почвы (УУПП, USLE) или уравнение Уишмейера-Смита [3]. Она наиболее проста и наименее требовательна к информационному
обеспечению. Ее отличает высокая степень пространственной и временной генерализации и небольшое количество казуальных переменных. Использование этой модели дает возможность оценить среднемноголетние «потери» или «смыв» почвы в среднем для склона или большой территориальной единицы.
Многолетний опыт апробирования методик по количественной оценке эрозионной опасности в производственных условиях при землеустроительном проектировании показал целесообразность использования метода расчета эрозионной опасности, изложенного в [4]. В основу этой методики положена эмпирическая зависимость эродирующей способности стока талых (ливневых) вод от эрозионного потенциала рельефа.
С помощью современных геоинформационных программ, можно проверить точность расчетов эрозионной опасности агроландшафтов по каждому методическому приему и определить наиболее оптимальные варианты противоэрозионной организации территории. Это позволяет не только количественно охарактеризовать процессы, происходящие в геосистемах, но и, смоделировав их механизмы, научно обосновать методы оценки состояния различных компонентов окружающей среды [5].
Цель наших исследований сравнительная оценка расчетов эрозионной опасности земель по уравнению УУПП [3] и по формуле, предложенной в «Методических указаниях...» [4], с применением геоинформационной программы АгсО^, для обоснования проектирования противоэрозионной организации территории при адаптивно-ландшафтом обустройстве.
Условия, материалы и методы. Сравнительную оценку расчетов эрозионной опасности проводили на землях ФГУП «Белгородское», расположенного в северной части Белгородского района Белгородской области.
В природном отношении это хозяйство типично для лесостепных ландшафтов региона, причем степень освоенности и производственное направление деятельности определили характерное соотношение категорий земель в его границах и особенности трансформации почвенного покрова под влиянием антропогенного фактора.
В распоряжении предприятия 4460 га земельных угодий, из них 3839 га относятся к сельскохозяйственным. В геоморфологическом отношении исследуемая территория расположена в пределах Левобережного подрайона Оскольско-Северско-Донецкого района, занимающего южные склоны Среднерусской возвышенности. Мезорельеф представлен в основном плосковершинными участками водораздельных пространств, увалами, оврагами и балками. Увалы неширокие, склоны их слабопологие и пологие (1.3°), тянутся с запада на восток и северо-восток.
Картографической основой для проведения исследования послужили фондовые материалы ОАО «Белгород-земпроект» - почвенные карты и карты эродированности М 1:10000 (1976 г., 1980 г.); ВИОГЕМ - топографические карты М 1:10000 с сечением горизонталей 2,5 м (1983 г.); космический снимок спутника Landsat5. Цифровую модель местности создавали методом ручной векторизации растров, в результате были получены следующие цифровые картографические основы (ЦКО): карта внутрихозяйственного землеустройства, топографическая карта, почвенная карта и карта агрохимического обследования,
Рис. 1. Разница модуля смыва почвы по картограммам, полученным разными способами (ЭТ1Л)-Щ\ У//А - несельскохозяйственные угодья; разница потенциального смыва почвы, т/га: - менее -2,5; -2,5...-0,5; | | - 0,0; | | - 0,0...2,5; І I - более 2,5
каждая из которых содержит определенную совокупность информации (отображенную в тематических слоях карты), необходимой для анализа исследуемой территории и агроэкологической оценки. Для оценки эрозионных потерь почвы полученные ЦКО по заданным атрибутам экспортировали в гриды, что позволило осуществлять расчеты по заданным формулам с использованием инструмента «Калькулятор растра». По векторным слоям, содержащим информацию о рельефе, построена цифровая модель, на основе которой получены производные морфометрические карты (экспозиции, крутизны и уклона поверхности, длины склонов, типов поперечного профиля склона).
Для определения интенсивности эрозионных процессов в агроландшафтах использовали УУПП, или уравнение Уишмейера-Смита [3], которое имеет мультипликативную структуру, представляя собой произведение «факторов», учитывающих влияние осадков, противоэрозионной стойкости почвы, рельефа, севооборота, почвозащитных мероприятий:
W=0,224хRKLSCP, (1) где W - среднегодовой модуль потерь почвы, т/га; R - фактор эродирующей способности дождя; К - фактор эродируемости почвы; LS - фактор рельефа, причем L - фактор длины склона, м,
S - фактор уклона, град.; С -фактор севооборота (агротехники); Р - фактор почвозащитных мероприятий.
Фактор эродирующей способности дождя одинаков на всей площади хозяйства (в нашем исследовании он определен по [5] и равен 9). Фактор эродируемости почвы задавали для каждого типа почв в таблице атрибутов исходя из номограммы [3], а затем конвертировали по созданному полю в растр.
Фактор уклона вычисляли вместе с фактором длины склона по формуле [7]:
LS= а0-5х (0,0011 х Y2 +
+ 0,0078 х Y + 0,0111), (2)
где а - длина склона, м; Y - уклон, %.
Для расчета среднегодового модуля смыва, используя «Калькулятор растра», перемножали растры, соответствующие значениям показателей, входящих в универсальное уравнение потери почвы.
Изложенный метод сравнивали с использованием формулы расчета потенциального смыва почвы от стока талых вод (ливневых дождей), предложенной в [4]:
ЭТ(Л> = Ктл х R х К х Кп х П (3)
где ЭТ(Л) - потенциальный смыв от стока талых вод (ливневых дождей), т/га в год; КТ(Л) - эродирующая способность стока талых вод (ливневых дождей), л/га на единицу эрозионного потенциала талых вод (ливневых дождей); R - коэффициент эрозионного потенциала рельефа; Кэ -поправочный коэффициент за экспозицию склона; Кп - поправочный коэффициент за поперечный профиль склона; П - коэффициент относительной смываемости почвы.
Коэффициент эродирующей способности стока талых вод (Кт) обусловлен зональными особенностями и для территории исследования равен 0,85 (югозападная). Коэффициент эродирующей способности стока ливневых дождей колеблется в пределах ~ 0,07.
Коэффициент эрозионного потенциала рельефа определяется по уравнению:
R = Е^х[п1+а - (п-1)1+а]х1п145, (4)
где L - длина стока, м; а - показатель степени при длине; п=1/100; !п - уклон, %.
Полученные растры потенциального смыва классифицировали на классы эрозионной опасности: 0.2,5; 2,5.5; 5.10; 10.15; 15.20; более 25 т/га в год.
Таблица. Результаты расчетов потенциального смыва почвы по уравнению
УУПП [3] и по уравнению в «Методических указаниях...» [4]
Потенци- альный смыв, т/га/год Эрозионная опасность Площадь Разница от площади исследуемой территории, %
по [4] по [3]
га 1 % га %
0.2,5 незначительная 2697 70,3 2144 55,8 14,4
2,5...5,0 слабая 600 15,6 745 19,4 -3,8
5,0.10,0 умеренная 241 6,3 492 12,8 -6,5
10,0.15,0 средняя 98 2,6 174 4,5 -1,9
15,0.20,0 сильная 55 1,4 92 2,4 1
20,0.25,0 очень сильная 35 0,9 57 1,6 0,7
более 25 катастрофиче-
ская 113 2,9 135 3,5 -0,6
Результаты и обсуждение. Анализ картограммы, построенной для территории ФГУП «Белгородское» по УУПП показывает, что на большей части склона модуль смыва принимает значение до 2,5 т/га, а наибольшая его величина наблюдается вдоль бровок балки (более 15 т/га).
На территориях с зернотравяными севооборотами он колеблется в пределах 2,5.10 т/га. Также хорошо заметны неоднородности по смыву почвы на полях полевого севооборота. В нижней части отмечается усиление процессов эрозии до 5,0.10,0 т/га.
Построенная картограмма по формуле, предложенной в работе [4], показывает, что на большей части территории хозяйства, как и в первом случае, эрозия незначительна до 2,5 т/га. Закономерности, полученные по УППП, нашли свое отражение и в этой картосхеме: часть земель подвергается слабым, умеренным и средним эрозионным процессам, на склонах балок отмечается сильная и очень сильная эрозия.
В то же время расчеты, проведенные по двум методикам (см. рисунок, см. табл.), значительно различаются при оценке площади земель, подверженных незначительной эрозии. Разница составляет 553 га, или 14,1 % от площади сельскохозяйственных угодий хозяйства.
Площадь земель, подверженных слабой эрозии (от 2,5 до 5 т/га) по [4] и [3] составляет 600 и 745 га
соответственно. В этом случае результат, полученный при использовании универсального уравнения потери почвы, выше на 145 га, или 3,8 % сельскохозяйственных угодий.
Площадь участков с потенциальным смывом 5,0. 25,0 т/га в год по УУПП в 1,5-2 раза выше, чем при использовании формулы в [4], однако в физическом измерении разница не превышает 1,9 % от площади сельскохозяйственных угодий хозяйства.
Выводы. На землях, подверженных незначительной эрозии (до 2,5 т/га) величины, полученные в результате расчета потенциального смыва по формуле представленной в «Методических указаниях...» [4] (2697 га), выше, чем по формуле УУПП (2144 га) на 553 га, или 14,1 % от площади сельскохозяйственных угодий предприятия.
На землях, подверженных слабой эрозионной опасности (от 2,5 до 5,0 т/га) расхождения незначительны - 145 га, или 3,8 % от площади сельскохозяйственных угодий.
При расчете по формуле УУПП на долю земель подверженных умеренной, средней, сильной и очень сильной эрозионной опасности приходится 815 га, или около 21 % площади сельскохозяйственных угодий, что выше результатов, полученных по уравнению из «Методических рекомендаций.», на 386 га.
При проектировании адаптивно-ландшафтных систем земледелия с использованием ГИС необходимо учитывать расхождения, полученные при оценке эрозионной опасности по рассмотренным формулам, поскольку они могут влиять на выделение первой и последующих границ линейных рубежей и соответственно на площадь севооборотов.
Литература.
1. Светличный А.А. Математическое моделирование водной эрозии: проблема классификации// Вестник Одесского национального университета. - 2010. - том 15. - вып. 5. - с. 32-40.
2. Кузнецов М.С., Глазунов Г.П. Эрозия и охрана почв: Учебник. - М.: МГУ, 1996. - 335 с.
3. Ларионов Г.А. Эрозия и дефляция почв: основные закономерности и количественные оценки. - М.: изд-во МГУ, 1993. - 200 с.
4. Методические указания по проектированию противоэрозионной организации территории при внутрихозяйственном землеустройстве в зонах проявления водной эрозии/Карцев Г.А., Лука А.Н., Носов СИ. и др. - М., 1989. - 79 с.
5. Смирнова Л.Г., Нарожняя А.Г., Кривоконь Ю.Л., Петрякова А.А. Применение геоинформационных систем для агроэко-логической оценки земель при проектировании адаптивно-ландшафтных систем земледелия //Достижения науки и техники АПК. - 2011. - № 11. - С.11-14.
6. Светличный А.А., Черный С.Г., Швебс Г.И. Эрозиоведение: теоретические и прикладные аспекты. - Сумы, ИТД «Университетская книга», 2004. - 410 с.
7. Заславский М.Н., Ларионов Г.А., Докудовская О.Г., Тарабрин Н.П. Карта эрозионного индекса дождевых осадков Европейской территории СССР и Кавказа // Эрозия почв и русловые процессы. - 1981. - Вып. 8. - С. 17-29.
COMPARISON OF TWO METHODS OF SOIL ABLATION CALCULATION IN CATCHMENTS
WITH HIS TECHNOLOGY L.G. Smirnova, A.G. Narognjaja, E. Yu. Shamardanova
Summary. In assessing the processes of water erosion in the world use the empirical and physically based models or empirical, physically based and conceptual models. Such assessment is essential for the development of projects of adaptive-landscape systems of agriculture. But Russian scientists have not approved the model to calculate soil erosion, and there is no comparison of these models. The article provides is a comparative assessment of soil erosion calculations, calculated on the Universal Soil Loss Equation (USLE) [2] and the formula proposed in [1] using the program ArcGIS. She showed discrepancies when applied constructed cartograms average loss modulus of the soil and the potential runoff of melt water runoff (heavy rains). The difference in the lands subject to an insignificant risk of erosion was 14.1% of the agricultural land. On the lands subject to weak, medium, strong and very strong risk of erosion calculations performed by the formula USLE, higher than the data obtained by the formula [1] on 10% of the agricultural land. These differences must be considered when designing a linear boundaries.
Keywords: modulus of soil loss, USLE, the potential erosion of melt water runoff (heavy fall of rain), the classes of risk of erosion, antierosion organization of the territory, the adaptive-landscape systems of agriculture, ArcGIS, a digital elevation model.
