WaTEM/SEDEM

WaTEM/SEDEM (Van Rompaey a kol., 2001; Van Oost a kol., 2000, Verstraeten a kol., 2002) je model priestorovej distribúcie a transportu pôdnej erózie. Bol vyvinutý v Physical and Regional Geography Research Group (K.U.Leuven, Belgicko). Tento model bol špeciálne vyvinutý pre simuláciu vplyvu opatrení na stabilizovanie pôdnej erózie, simuláciu erózie a transportu sedimentov do tokov. Tento model kombinuje modely WaTEM (Water and Tillage Erosion Model) a SEDEM (Sediment Delivery Model). Jeho cielom je poskytnút užitocné informácie pre manažment povodí, vybrat najefektívnejší scenár pre manažment povodia. Na rozdiel od mnohých iných modelov, WaTEM/SEDEM sa zameriava na priestorové premenné relevantných parametrov. WaTEM/SEDEM umožnuje implementáciu krajinnej štruktúry, priestorovú organizáciu rozdielnych krajinných jednotiek a tiež konektivitu medzi nimi. Výpocet vodnej erózie zodpovedá funkcii Revised Universal Soil loss equation (RUSLE) pre výpocet priemernej rocnej straty pôdy. Odtokové parametre sú vypocítané z algoritmu, ktorý berie do úvahy hranice územia, cestnú infraštruktúru, spôsob a smer obrábania pôdy. Sediment je modelovaný pozdlž týchto línií k najbližšiemu toku. WaTEM/SEDEM neberie do úvahy transport sedimentov v toku, eróziu brehov, alebo akumuláciu v lužných lesoch a podobne, zameriava sa na predikciu vodnej erózie a odnosu sedimentov do tokov.

WaTEM/SEDEM môže byt použitý na:

1: odhad pôdy straty a vrstvu sedimentov
2: vymedzit oblasti v polnohospodárskej krajine, ktoré sú náchylné na vodnú eróziu
3: simuláciu vplyvu rôznych scenárov integrovaného manažmentu povodia

Model WaTEM/ SEDEM vyžaduje vstupy vo formáte Idrisi32. Pretože zdrojové dáta sú častokrát vo formáte shapefile *.shp, je potrebné spraviť prevod súborov do formátu Idrisi32 *.rst. Prevod prebieha v dvoch krokoch. Najprv sa prevedie súbor *.shp pomocou nástroja ArcTools – Conversion Tools – Polygon to Raster do formátu *.img, ktorý sa ďalej prevedie pomocou nástroja ArcTools – Conversion Tools – Raster to ASCII do formátu ASCII grid *.asc. Súbor vo formáte ASCII grid *.asc je možné konvertovať pomocou programu LS-converter do formátu Idrisi32 *.rst. Program LS-converter má dobre čitateľné užívateľské rozhraní a je voľne dostupný na http://www.plaveniny.cz/cz/rusle/ (Kadlec, 2007). V súbore *.asc musí byť vždy použitá bodka ako desatinný oddeľovač. Pri prevode súboru *.img na *.asc môže dôjsť vinou softvéru k zaokrúhleniu čísel v intervale (0 – 1) na nulové hodnoty, čo zabraňuje vytvoreniu správnej vrstvy C faktoru. Tomuto problému je možné predísť vynásobením vrstiev C a K faktoru v prostredí ArcGIS. Do modelu WaTEM/ SEDEM sa potom zadá výsledná vrstva C*K do pola K faktoru a do pola C faktoru sa vpíše hodnota 1.

Vo WaTEM/ SEDEM je povodie rozdelené na štvorcovú sieť. Vstupy do modelu tvoria priemerné ročné hodnoty jednotlivých faktorov. Najprv model spočíta dlhodobú priemernú ročnú stratu vodnej erózie na základe rovnice:

E = R. K. L. S. C. P,

kde E je dlhodobá priemerná ročná strata vodnej erózie [kg.m^-2.rok^-1], R je faktor eróznej účinnosti dažďa [MJ. mm. m^-2. h^-1. rok^-1], K je faktor erodibility pôd [kg. h. MJ^-1. mm^-1], LS je faktor dĺžky a sklonu svahu, C je faktor ochranného vplyvu vegetácie, P je faktor protieróznych opatrení (L, S,C, P sú bezrozmerné koeficienty). Transportná kapacita jednotlivých elementov DEM je vztiahnutá k potenciálu ryhovej erózie v danom bode podľa vzťahu:

TC=kTc . EPR,

kde TC je transportná kapacita [kg.m^-1.rok^-1], kTc koeficient transportní kapacity [m], EPR potenciál náchylnosti pôdy k ryhovej erózii [kg.m-2.rok-1]. Celková potenciálna erózia je teoretická hodnota straty pôdy z holej pôdy a je daná súčtom erózie ryhovej a plošnej. Potenciál ryhovej erózie je určený ako

EPR = EPT – EPIR,

kde EPT je potenciálna ryhová erózia [kg.m^-2.rok^-1] a EPIR je potenciálna plošná erózia [kg.m^-2.rok^-1].

EPT a EPIR sú dané vzťahmi

EPT = R. K. L. S,
EPIR = a . R . KIR . SIR,

kde R, K, L, S sú faktory USLE, a koeficient, jeho hodnota musí byť doplnená meraním, KIR K faktor pre plošnú eróziu (zhodné s K faktorom pre celkovú eróziu) a SIR faktor sklonu svahu pre plošnú eróziu.

Z uvedených rovníc vyplýva výsledný vzťah pre transportnú kapacitu TC = kTc . R. K. (L. S – a SIR) (Van Rompaey in Krása, 2004).

Koeficient transportnej kapacity udáva množstvo sedimentov, ktoré môžu byť transportované po svahu. Toto množstvo je zároveň množstvo sedimentov, ktoré by vzniklo na obnaženom pôdnom povrchu. Čím vyšší je koeficient transportnej kapacity, tým viac sedimentov je dopravených na úpätie svahov. Pre každé využitie pôdy je hodnota koeficientu transportnej kapacity odlišná. Pokiaľ súčet produkovanej erózie a vstupujúceho sedimentu so susedných buniek prevyšuje transportnú kapacitu, dochádza v bunke k sedimentácii (Verstraeten, 2006).

Vstupné údaje

Pocet riadkov a stlpcov a rozlíšenie musia byt rovnaké pre všetky vstupné súbory.

V prvej záložke dialógového okna sú potrebné 3 GIS vrstvy: DEM, parcely a mapa tokov

1: DEM

Digital Elevation Model (DEM) študovanej oblasti pre úcely výpoctu sklonu a príspevkových plôch. Výsledky modelovania sú úmerné kvalite DEM. Najvhodnejšie je požitie DEM s hladkým povrchom. Pre viac informácií: Desmet, P.J.J. 1997. Effects of interpolation errors on the analysis of DEMs. Earth Surface Processes and Landforms 22: 563-580. Výškové údaje a rozlíšenie DEM musia byt v totožných jednotkách. DEM nemôže obsahovat tzv. Pits – uzatvorené výrazné depresie vniknuté interpoláciou. Pre odstránenie týchto nežiaducich faktorov použijeme funkciu: Analysis - Surface analysis - Feature extraction - Pit removal v Idrisi 32.

1: Parcely

V skutocnosti ide o mapu využívania pôdy, rozlišujúcu ornú pôdu, les, pasienky, cesty, rieky a zastavané oblasti. Každá z týchto kategórií ma svoj identifikátor a to:

-2: cesty a zastavané plochy
-1: rieky
0: územie mimo študovanú plochu
1-n: polnohospodársky využívaná pôda, maximálny pocet (n) udáva pocet plôch. Táto hodnota by mala byt nižšia ako 10 000
10 000: les
20 000: pasienky

Každé pole má tak svoj vlastný identifikátor. Vdaka tomu je možné zhrnút vplyv plôch v území na smer odtoku, zachytenie a ukladanie sedimentov. Tento súbor je potrebné spracovat v prostredí Idrisi32 ® kombináciou rôznych GIS vrstiev. Softvér WaTEM/SEDEM umožnuje vytvorit mapu parciel automaticky, ak sú jednotlivé kategórie ako samostatné vstupné vrstvy. Mapu parciel je možné vytvorit aj automatizovane.

Klikneme na ikonku slnka . V prípade, že pixel toku alebo cesty sa prekrýva s pixlom lesa, ornej pôdy alebo pasienkov, pixel cesty má vyššiu prioritu ako les, pasienok, či orná pôda a pixel toku má najvyššiu prioritu nad ostatnými vrstvami.

Nasledujúce GIS vrstvy sú potrebné k vytvoreniu mapy parciel. Všetky jednoducho vytvoríme v prostredí Idrisi 32 z vektorových vstupných dát pomocou: Reformat -> Raster/vector conversion -> Polyras command.

Mapa záujmového územia, resp. mapa povodia

Tento raster označuje záujmovú oblasť hodnotou 1, hodnota 0 znamená mimo záujmového územia. Je viac, ako potrebné aby záujmová oblasť bola geomorfologická jednotka, teda povodie. Ak je študované územie iba jedna menšia časť, je potrebné aby záujmová oblasť bola vymedzená väčšia, ako aktuálna oblasť. Vplyv odtoku, ktorý pochádza z horných častí je takto braný do úvahy. V opačnom prípade strata pôdy môže byť podhodnotená.

Mapa lesov
Mapa rozloženia lesov v študovanej oblasti. Pixle rastra tvorené lesom majú hodnotu >0, zvyšné plochy hodnotu 0.

Mapa pasienkov
Mapa rozloženia pasienkov v študovanej oblasti. Pixle rastra tvorené pasienkami majú hodnotu >0, zvyšné plochy hodnotu 0.

Mapa tokov (spomenutá nižšie)

Mapa ciest
Mapa rozloženia ciest v študovanej oblasti. Pixle rastra tvorené cestami majú hodnotu >0, zvyšné plochy hodnotu 0.

Mapa obrábania pôdy – orná pôda

Mapa rozloženia plôch ornej pôdy v študovanej oblasti. Pixle rastra tvorené ornou pôdou majú hodnotu 1 a 9999, zvyšné plochy hodnotu 0.

Mapa využívania krajiny
Pri použití rôznych vstupoch ornej pôdy, lesov, pastvín, ciest, tokov sa môže stať, že nie všetky pixely budú mať priradenú triedu, resp. hodnotu využívania krajiny. Preto môže byť použitá mapa využívania krajiny odvodená zo satelitných snímok. Táto mapa má totožnú klasifikáciu ako mapa parciel.

-2: cesty a zastavané plochy
-1: rieky
0: územie mimo študovanú plochu
1-n: poľnohospodársky využívaná pôda, maximálny počet (n) udáva počet plôch. Táto hodnota by mala byť nižšia ako 10 000
10 000: les
20 000: pasienky

Takáto mapa využívania krajiny je všeobecne menej presná, ako rastrová mapa odvodená z vektorových podkladov. Prípadne je možné použiť mapu parciel. Mapa využívania krajiny je však limitovaná iba študovaným územím. Ostatné pixely mimo tejto plochy majú hodnotu 0.

3: Mapa tokov

Táto vstupná vrstva je voliteľná. Ak nezadáme nič, model počíta so všetkými tokmi ako s jedným, teda všetok sediment je spočítaný dokopy. Je však možné vyhodnotiť prínosy sedimentov pre rôzne segmenty toku. Mapa ukazuje umiestnenie hlavných tokov v území. Pixel znázorňujúci tok by mal mať hodnotu > 0, ostatná plocha hodnotu = 0. Pre vytvorenie mapy parciel nie sú presné hodnoty toku dôležité (iba > 0). Avšak pre poznanie a modelovanie jednotlivých úsekov toku, ktoré akumulujú najviac sedimentov platí opak. Mapa tokov by mala zodpovedať súboru obsahujúcemu informácie o smerovaniu tokov (*.rou). Pre vytvorenie nového súboru *.rou je potrebné kliknúť na tlačidlo River Routing . V novom dialógovom okne sa zadáva topológia tokov. Formát textového súboru je nasledovný.

Prvý riadok je hlavička s informáciami o nasledujúcim riadkoch. Počet segmentov je definovaný druhým riadkom súboru a potom nasledujú jednotlivé údaje. Idrid je identifikátor segmentu, FNODE a TNODE sú prvý a posledný uzol segment v uvedenom poradí. Posledné dva stĺpce nie sú pre modelovanie nutné, napriek tomu by sme mali dodržať uvedenú štruktúru. Ako oddeľovač je potrebné použiť TAB. Topológiu riek môžeme spracovať v prostredie ArcGis. Pre každý segment toku musia byť definované prvý a posledný uzol a ich identifikátory v príslušnej tabuľke:

Jednotlivé body môžu byť vstup (bod 1), výstup (bod6), spojovací bod (bod3), ale tiež to môže byť bod medzi dvomi sekciami jedného toku v prípade, že tok je dlhý a je potrebné vektorizovanie pomocou viacerých bodov (bod 13). Vektorový súbor tokov musí byť importovaný do softvéru Idrisi 32. Počas importu softvér Idrisi 32 vytvorí v databáze vlastné identifikátory.

Táto databáza musí byť následne uložená vo formáte TXT so štruktúrou popísanou vyššie. Takýto súbor je možné použiť v dialógovom okne River Routing, avšak s koncovkou .ROU. Je nutné, aby jednotlivé identifikátory v rastri tokov a súbore TXT vzájomne korešpondovali.

V druhej záložke dialógového okna máme možnosť definovať viac položiek a polí.

1: Soil Erodibility Factor (K-faktor)
Mapa erodovateľnosti pôdy vyjadrená v kg m-2 h MJ-1 mm-1. Môžeme zadať raster K faktora, alebo jednotnú hodnotu pre celé územie. Ak nemáme dostatok informácií o faktoroch ovplyvňujúcich K-faktor, môžeme použiť jednotnú hodnotu K-faktora pre celé územie.

2: Crop Erosivity (C-faktor)
Ide o faktor ochranného vplyvu vegetačného pokryvu. Nadobúda rozsah od 0 (žiadny vplyv pokryvu) po 1 (výrazný vplyv pokryvu). Môžeme zadať raster C faktora, alebo jednotnú hodnotu pre celé územie. Pri zadaní jednotnej hodnoty zadávame rôzne hodnoty pre ornú pôdu (Cropland), les (Forest) a pasienky (Pasture).

3: Pond map
Mapa nádrží, jazier alebo priehrad v území. Identifikátor jednotlivých nádrží by sa mal rovnať počtu percent schopnosti zadržiavať sediment. Mapu nádrží môžeme vytvoriť nasledovne:

1: Digitalizáciou obvodu nádrže na základe leteckej snímky alebo topografickej mapy
2: Import vektorového súboru do Idrisi 32
3: Konverziou na raster: Reformat-Raster/vector conversion/Polyras
4: Reklasifikáciou rastra, identifikátor tvorí percento akumulačnej schopnosti nádrže.

4: Ptef parcel (parcel trap efficiency)
Pomer zachytenia sedimentov jednotlivých typov pozemkov. Môže byť vložený v podobe rastrovej mapy, alebo ako hodnota získaná vlastným meraním. Van Rompaey in Krása (2007) doporučuje hodnoty Ptef pre ornú pôdu = 0 a Ptef pre TTP a les = 75.

5: Parcel Connectivity.
Priepustnosť hraníc pozemkov určuje pomer zachytenia odtoku na hraniciach pozemkov. Zadanou hodnotou je redukovaná celková zdrojová plocha elementu pri vstupe na pozemok pri prekročení hranice pozemku. Udáva sa v percentách. Van Rompaey in Krása (2004) doporučuje hodnoty Parcel Connectivity pre vstup na ornú pôdu = 10 a na TTP a les = 75.

V tretej záložke dialógového okna máme možnosť definovať extra nastavenia a parametre

1: LS:
LS algoritmus (McCool et al. (1987, 1989), Wischmeier and Smith (1978), Govers (1991), Nearing (1997))
2: Output units:
Jednotky výstupu (možnosť zvoliť v tonách na hektár, alebo počet mm obnaženého povrchu)
3: R-factor:
Faktor eróznej účinnosti dažďa v MJ mm m^-2 h^-1. Je možné zadať len jednu hodnotu, keďže je predpoklad, že R-faktor sa mení len pri veľkých územiach. Ak riešite práve taký typ území, R-faktor je v tom prípade rovný 1 a je potrebné vynásobenie eróznej účinnosti dažďa s K-faktorom a použiť túto mapu ako vstupný K-faktor.
4: Transport Capacity (Transportná kapacita):
Prepravná kapacita je maximálna hmotnosť sedimentu , ktorý môže byť transportovaný. V prípade väčšej produkcie dochádza k akumulácii sedimentu. Čím je vyššia hodnota Capacity, tým viac je sediment transportovaný po svahu. Táto kapacita sa pre každý typ pôd odlišuje.

Výstupy

1: WaTEM/SEDEM kalkulácia poskytuje výsledky v novom dialógovom okne.
2: Celková produkcia sedimentu a strata pôdy.
3: Celkové množstvo uloženého sedimentu.
4: Celkový export sedimentu rovnajúci sa celkovej produkcii mínus celkový uložený sediment. Výpočet zohľadňuje prítomnosť nádrží v území.
5: Celkový export sedimentu v tokoch.
6: Celkové množstvo sedimentu uloženého v nádržiach, detaily sú zobrazené napravo.
7: Všetky hodnoty sú vyjadrené v tonách

Vypočítané hodnoty produkcie sedimentov nezodpovedajú hodnotám vypočítanej z rovnice RUSLE. RUSLE rovnica kalkuluje iba stratu pôdy, neuvažuje s ukladaním sedimentov. WaTEM/SEDEM generuje niekoľko súborov formátu Idrisi 32 (.rst a .rdc) uložené v pracovnom adresári. WaTEM/SEDEM tiež generuje niekoľko TXT súborov, pondsedimentdeposition.txt a projectriversediment.txt sú najdôležitejšie. Pondsedimentdeposition.txt obsahuje výpočet množstva sedimentu vstupujúceho do nádrží, množstvo odplavených sedimentov z nádrže a množstvo akumulovaných sedimentov v nádrži. Súbor projectriversediment.txt obsahuje informáciu o množstve sedimentov vstupujúcich do tokov zo svahov z horných častí toku a množstve sedimentu plaveného do dolných častí toku.

LS and Uparea
Mapa príspevkových plôch študovanej oblasti v m². LS mapa je raster bezrozmerných hodnôt LS, ktoré sa používajú pre výpočet výšky vodnej erózie.

Sediment fluxes
Mapa udáva pre každý pixel v modelovom území množstvo sedimentu, ktorý prichádza resp. odchádza. Mapa dokumentuje pohyb sedimentov v území a je vhodným podkladom pre ďalšie manažmentové opatrenia.

Erosion
Mapa erózie modelového územia. Záporné hodnoty symbolizujú eróziu, kladné akumuláciu sedimentov.

Softvér je možné bezplatne stiahnuť na:

http://www.kuleuven.be/geography/frg/modelling/erosion/watemsedemhome/index.htm

Aktualizácia 19.8.2016

Nakoľko web http://www.plaveniny.cz/cz/rusle/ je dlhodobo nedostupný, softvér LS-converter je možné stiahnuť na nasledovnom linku.

http://www.old.dkubinsky.sk/kniznica/blog/watem-sedem/LsConverter.zip