Aplikační využití nástrojů GIS pro hodnocení ztráty půdy erozí

Ing. Jiří Brychta

Doctoral thesis

Application use of GIS tools for soil loss evaluation by erosion

Abstract:

V práci byly popsány, analyzovány a navrženy metodiky korektní aplikace jednotlivých faktorů rovnice USLE/RUSLE v prostředí GIS, včetně ověření na základě přirozených a simulovaných srážek. Pomocí geostatistických metod a nástrojů GIS byly analyzovány rozdíly výsledných hodnot R faktoru a jejich prostorového rozložení způsobené různými přístupy. Na základě analýzy 8591 srážek ze 32 ombrografických stanic za období 1955 - 2000 a 100 srážko-odtokových událostí měřených na experimentálních odtokových parcelách byla provedena verifikace kritérií erozních srážek pro výpočet R faktoru. Pro další verifikaci parametrů erozní srážky v terénu na různých půdách, byl vyvinut přenosný poloautomatický kapkovací simulátor deště. Na základě datové sady ze 71 váhových srážkoměrů, byla aktualizována mapa R faktoru pro ČR pro období 2010 – 2021. Součástí práce je nástroj pro stanovení lokální hodnoty R faktoru reprezentativní pro řešené území. Časově náročný výpočet C faktoru byl automatizován prostřednictvím GIS modelu STD-C faktor, založeného na inovativní proceduře determinace vah časo prostorového rozložení R faktoru pro každou pěstební fázi dle geografické polohy půdní parcely. Obdobným způsobem bylo přistoupeno k metodice stanovení hodnot K faktoru v průběhu roku. Byly vytvořeny mapové podklady pro tyto výpočty. V obou případech, u C i K faktoru, byla prokázána významná časo-prostorová variabilita hodnot v průběhu roku v závislosti na výskytu erozních srážek geografické poloze. V práci byly analyzovány a porovnávány principy přerušení povrchového odtoku a redukce extrémních hodnot LS faktoru. Na základě získaných poznatků byl vytvořen nástroj LS RUSLE s integrovaným specifickým algoritmem pro přerušení odtoku dle principu erozně uzavřené celku a redukce extrémních hodnot v souladu s originální metodikou. Byly vytvořeny revidované mapové podklady pro účely predikce eroze z tání sněhu, která v ČR představuje nezanedbatelný podíl na celkové ztrátě půdy. Pro potřeby navrhování protierozních opatření, byl navržen optimální postup aplikace v prostředí GIS prostřednictvím interaktivní vrstvy a atributového dotazování. Detailní analýza efektivita komplexních a jednoduchých pozemkových úprav ukazuje jejich malou efektivnost. Byla analyzována dostupná plocha zaniklých polních cest na orné půdě ve vlastnictví obcí. Tato plocha představuje 2,3 násobek plochy všech protierozních opatření navržených v rámci Plánů společných zařízení od r. 1991 v ČR a představuje velký potenciál pro rychlejší návrhy a realizace vybraných typů retenčních a protierozních opatření s minimalizací administrativních a majetkoprávních obtíží.

Abstract:

The theses described, analyzed and proposed methodologies for the correct application of individual factors of the USLE/RUSLE equation in a GIS environment, including verification based on natural and simulated rainfall. Using geostatistical methods and GIS tools, differences in the resulting R factor values and their spatial distribution caused by different approaches were analyzed. Based on the analysis of 8 591 rainfalls from 32 ombrographic stations for the period 1955 - 2000 and 100 rainfall-runoff events measured on experimental runoff plots, a verification of erosion rainfall criteria for calculating the R factor was performed. For further verification of erosive rainfall parameters in the field on different soils, a portable semi-automatic raindrop simulator was developed. Based on a data set from 71 weighing rain gauges, the R factor map for the CR was updated for the period 2010 – 2021. Part of the work is a tool for determining the local value of the R factor representative of the model area. The time-consuming calculation of the C factor was automated through the GIS model STD-C factor, based on an innovative procedure for determining the weights of the spatio-temporal distribution of the R factor for each growing phase according to the geographical location of the land plot. The methodology for determining the K factor values during the year was approached in a similar way. Raster map inputs were created for these calculations. In both cases, the C and K factors, exhibit significant variability of values during the year depending on the occurrence of erosive rainfall and geographic location. The principles of interruption of surface runoff and reduction of extreme values of the LS factor are analyzed and compared. Based on the knowledge gained, the LS RUSLE tool was created with an integrated specific algorithm for interrupting the runoff according to the principle of erosion-closed unit and reducing extreme values in accordance with the original methodology. Raster map inputs were created for the purpose of predicting snow melting erosion, which in the CR represents a non-negligible share of total soil loss. For the purposes of designing anti-erosion measures, an optimal procedure of application in the GIS environment through an interactive layer and attribute query was proposed. The effectiveness of complex and simple land management are analyzed in detail based on data from State Land Office. Following on from these results, the available area of defunct field roads on arable land owned by municipalities was analysed. This area represents 2.3 times the area of all erosion control measures proposed as part of the Common facilities plan since 1991 in the CR and represents great potential for speeding up the design and implementation of selected types of retention and erosion control measures while minimizing administrative difficulties.

Keywords

eroze, GIS, USLE

Keywords

erosion, GIS, USLE

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 14. 8. 2023

Thesis defence

• Supervisor: doc. Ing. Jana Podhrázská, Ph.D.
• Reader: Petr Doležal, doc. Dr. Ing., Bořivoj Šarapatka, externi, Jan Pacina, externi

Mendel University in Brno

Faculty of AgriSciences

Doctoral programme / field:
Ecology and Environmental Protection / Applied and Landscape Ecology