Геопросторове моделювання потенціалу розвитку деградаційних процесів на орних землях

6

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний університет біоресурсів і природокористування України

Львівський національний університет ім. Івана Франка

Геопросторове моделювання потенціалу розвитку деградаційних процесів на орних землях

доктор географічних наук, професор Ковальчук І.П.

кандидат економічних наук, доцент Євсюков Т.О.

кандидат географічних наук, доцент Мкртчян О.С.

аспірант Лобанська Н.І.

Анотація

Розглянуто особливості моделювання потенціалу розвитку деградаційних процесів на орних землях за допомогою ГІС-технологій. Апробація моделювання сукупності природних чинників формування площинної ерозії здійснена на землях дослідних полів (особливо цінних землях) ВП НУБіП України Великоснітинське навчально-дослідне господарство імені О. Музиченка. Одержано ряд карт, що характеризують розподіл кількісних показників площинного змиву.

Аннотация

Рассмотрены особенности моделирования потенциала развития деградационных процессов на пахотных землях с помощью ГИС-технологий. Моделирование совокупности естественных факторов формирования плоскостной эрозии осуществлено на землях исследовательских полей (особо ценных землях) ПП НУБиП Украины Велыкоснитынске учебно--исследовательское хозяйство имени О. Музиченка. Получен ряд карт, которые характеризуют распределение количественных показателей плоскостного смыва.

Annotation

The characteristics of modeling the development potential of degradation processes on arable land by using GIS technology. Modeling aggregate natural factors forming sheet erosion carried out research on land fields (the most valuable lands) PP NUBiP Ukraine Velykosnitynske teaching and research farm after O. Muzichenka. A series of maps that characterize the distribution of quantitative planar flushing.

Постановка проблеми. Стан використання земельних ресурсів в Україні характеризується поглибленням впливу деградаційних процесів, що, у свою чергу, призводить до дестабілізації у землекористуванні. Здійснення заходів з оптимізації землекористування та охорони земельних ресурсів проводяться вкрай повільно і, як наслідок, деградація ґрунтового покриву освоєних територій досягла критичних масштабів [12].

В цілому, у структурі земельного фонду значну частку займають землі, ґрунтовий покрив яких набув негативних властивостей (високого ступеня змитості, дефльованості, засоленості, солонцюватості, перезволоженості тощо). Практично всі ґрунти земель сільськогосподарського використання зазнали істотного зменшення рівня родючості [13]. Така ситуація є наслідком неефективного використання одного з найцінніших природних ресурсів - землі, яка, згідно з статтею 14 Конституції України [7] “є основним національним багатством, що перебуває під особливою охороною держави”.

Таким чином, забезпечення раціонального використання та підвищення рівня охорони земельних ресурсів є важливою проблемою, без вирішення якої не можна досягти прогресу у підвищенні ефективності функціонування АПК. Одним із шляхів її вирішення є впровадження таких систем землеробства, які б враховували природні передумови прояву ерозії та ґрунтозахисну здатність природніх конструктивних агроландшафтів.

Із урахуванням вищезазначеного, особливої актуальності набувають питання геопросторового моделювання потенціалу розвитку деградаційних процесів на орних землях з метою оптимізації їх подальшого використання, планування та організації протиерозійних заходів.

Аналіз останніх наукових досліджень. Проблемам раціонального використання та охорони земель присвячено роботи економістів-землевпорядників Добряка Д.С., Канаша О.П. , Мартина А.Г., Новаковського Л.Я., Сохнича А.Я., Третяка А.М. та інших. Розробкою методів визначення втрат ґрунтів від ерозійних процесів займалися такі вчені як Булигін С.Ю., Горшенін М.М., Заславський М.М., Каштанов О.М., Козьменко О.С., Ковальчук І.П., Кузнєцов М.С., Медвєдєв В.В., Мирцхулава Ц.Е., Світличний О.О., Скворцова О.Б., Соболев С.С., Соколов В.М., Сурмач Г.П., Тарарико О.Г., Чорний С.Г., Швебс Г.І., Шикула М.К., Norton L.D.та ін. В той же час, проблема дослідження розвитку деградаційних процесів на орних землях засобами геопросторового моделювання залишається порівняно малодослідженою.

Метою даної статті є висвітлення особливостей геопросторового моделювання потенціалу розвитку ерозійно-деградаційних процесів на орних землях.

Виклад основного матеріалу. Україна є однією з перших країн Європи за інтенсивністю ерозійних процесів та масштабами прояву ерозії. За підрахунками колективу вчених під керівництвом Швебса Г.І. (2003 р.), щороку збитки від ерозії сягають понад 10-15 млрд. грн. У роботах Тарарико А.Г. (1990 р.) зазначається, що загальні річні втрати ґрунтового покриву від ерозії в Україні становлять 60 млн. тонн.

Загальновідомо, що інтенсивність прояву ерозійних процесів безпосередньо залежить від комплексу природних умов та антропогенного навантаження на земельні ресурси (до останніх слід віднести надвисоку сільськогосподарську освоєність території, значну розораність, неоптимальну структуру земельного фонду і посівних площ, ігнорування агротехнічних протиерозійних заходів тощо). Оптимальне землекористування головною метою вбачає послаблення рівня розвитку ерозійних процесів та вимагає врахування природних передумов розвитку ерозії, адже, наприклад, вирощування ерозійнонебезпечних просапних культур доцільне лише там, де природні чинники не сприяють прояву ерозії і, навпаки, на землях з несприятливим поєднанням природних чинників ерозії слід запроваджувати ґрунтозахисне землеробство та протиерозійні меліорації.

Проведення польових спостережень і вимірювань вважається найбільш точним і достовірним способом визначення інтенсивності прояву ерозійних процесів в конкретному місці. Однак, цей спосіб є дуже дорогим і трудомістким, тому його неможливо застосовувати при оцінці та картуванні просторового поширення ерозії для достатньо великих площ.

Для оцінки ступеня ерозійної деградації ґрунтів комплексу показників та критеріїв доцільно використовувати моделі поширення ерозії, які являють собою кількісні вирази залежності між факторами виникнення ерозії та інтенсивністю її прояву, серед яких мають бути як емпіричні, так і логіко-математичні моделі (Швебс Г.І. 1981 р., 1988 р., Мирцхулава Ц.Е., 1970 р., Світличний О.О., Чорний С.Г., 2007 р). Зазначений підхід актуальний навіть з позиції застосування наукових та інформаційних дослідницьких технологій, особливо геоінформаційних.

Однією з найбільш широко використовуваних у світі моделей площинного змиву є Універсальне рівняння втрат ґрунту (USLE), розроблене американськими дослідниками на основі детальних експериментальних досліджень кількісного впливу чинників ерозії та успішно застосоване при великомасштабному картографуванні в США (1:60 000) [20]. Воно призначене для моделювання ефектів площинного змивання та мікрострумкової ерозії без урахування процесів лінійного розмивання. Це рівняння стало загальновизнаним інструментом ерозійного аналізу у США (де є офіційним інструментом у природоохоронному плануванні) та багатьох інших країнах. Базове рівняння моделі USLE має вигляд:

E = RЧKЧLЧSЧCЧP

де E - втрати ґрунту за рік на одиницю площі; R, K, L, S, C, P - фактори, пов'язані, відповідно, з ерозійністю опадів, стійкістю ґрунту до ерозії, довжиною схилу, величиною ухилу, наземним рослинним покривом і способом вирощування культур та характером заходів з охорони ґрунтів.

Характерною особливістю даного рівняння є те, що воно завдяки логічній структурі може використовуватись у будь-якій країні. Це пов'язано з тим, що змінні, які входять до рівняння, є кількісними виразами базових чинників змиву, які мають універсальне значення, завдяки чому модель можна застосовувати за наявності мінімальної інформації про місцеві параметри, маючи мінімальний досвід [2]. В подальшому це рівняння зазнало деяких модифікацій, зокрема, замість фактору довжини схилу запропоновано визначати величину дренажної площі (площі, з якої у даний схиловий створ надходить стік), яка, на відміну від довжини схилу, дозволяє врахувати відмінності в інтенсивності змивання у верхній та нижній частинах схилу та вплив на змивання поперечного профілю схилу, який зумовлює концентрацію (конвергенцію) або ж розсіювання стоку [17,18]. Модифіковане рівняння отримало назву RUSLE (revised USLE).

Обрахунок кількісних ерозійних моделей набагато полегшився з появою та розвитком ГІС-технологій. Так, розподіл факторів, пов'язаних з рельєфом, визначається безпосередньо за цифровою моделлю рельєфу (ЦМР), а для врахування комбінації факторів (обрахунку сукупної дії) використовується інструментарій картографічної алгебри.

Апробацію ерозійної моделі RUSLE для оцінки величини площинного змиву ґрунту нами було здійснено на землях дослідних полів (особливо цінних землях) ВП НУБіП України Великоснітинське навчально-дослідне господарство (НДГ) імені О. Музиченка. Зазначене господарство розташоване у північно-західному лісостепу в межах Київської області. Український лісостеп є найбільш ерозійно-небезпечною частиною країни, що зумовлено домінуванням розчленованого рельєфу, досить високою повторюваністю зливових опадів та високим ступенем розораності земельного фонду.

Загальна площа земель НДГ "Великоснітинське" на території Великоснітинської сільської ради Фастівського району Київської області становить 2386,12 га, в тому числі сільськогосподарських угідь - 2132,78 га: ріллі - 2030,80 га, багаторічних насаджень - 8,00 га, сіножатей - 67,00 га, пасовищ - 26,98 га. Розораність території становила 76,2 %, лісистість - 6,6 %.

Рельєф території рівнинний, сильно розчленований. Середня абсолютна висота місцевості становить близько 186 м. Найнижчі висоти місцевості розташовані в заплаві річки Снітинка, найвищі висоти (212 м) спостерігаються у центральній та крайній західній частинах досліджуваної території. Поверхня досліджуваного району характеризується великою кількістю балок та ярів. Тересована річкова долина та ярково-балкова система і схилові поверхні є головними морфологічними елементами рельєфу.

Клімат місцевості помiрно-континентальний. Середньорічна температура повітря складає +7,3С. Середньорічна кількість опадів становить 521 мм з коливанням від 414 до 890 мм. Район розташований у зоні достатнього зволоження з позитивним балансом вологи за вегетаційний період, що підтверджується гідротермічним коефіцієнтом, який дорівнює 1,2 [1].

У господарстві спостерігається надмірна розораність території, невиконання у повному обсязі системи природоохоронних заходів, порушення встановленого режиму господарської діяльності у водоохоронних зонах. деградаційний земля орний природний

Ґрунтовий покрив господарства представлений переважно такими ґрунтовими відмінами, як чорноземи типові малогумусні легкосуглинкові (займають понад 55% орних земель і є найбільш родючими), в тому числі середньо-суглинкові різновиди - 41%, важко суглинкові - 34%, легкосуглинкові - 25%. Варто зазначити, що у структурі ґрунтового покриву значну частину займають особливо цінні ґрунти, які представлені такими ґрунтами: темно-сірими опідзоленими супіщаними легкосуглинковими, чорноземами опідзоленими супіщаними легкосуглинковими, чорноземами типовими малогумусними легкосуглинковими та лучно-чорноземами легкосуглинковими. Потужність гумусового горизонту в чорноземах типових сягає 65 - 120 см і більше, вміст гумусу в них збільшується з півночі на південь. За цим показником вони належать до слабкогумусованих (2,5-3%), малогумусованих (3-6%), середньогумусованих (понад 6%). Реакція ґрунтового розчину, гідролітична кислотність і ступінь насиченості основами орного шару ґрунтів коливається відповідно в таких межах: 5,9 - 7,7; 2,9 - 0,2 мг-екв/100г ґрунту; 88 - 98%.

Вихідними даними при оцінюванні інтенсивності ерозії були цифрова модель рельєфу (ЦМР), отримана шляхом інтерполяції гіпсометричних шарів оцифрованої великомасштабної топографічної карти (масштабу 1:10 000), а також план меж сільської ради та населеного пункту із нанесеними арговиробничими групами ґрунтів (масштабу 1:10 000). З метою кількісного моделювання поширення площинного змиву з використанням ГІС-технологій нами було створено низку електронних карт рельєфу місцевості на територію Великоснітинської сільської ради Фастівського району Київської області (рис. 1, 2).

Сучасні інформаційні технології дозволяють створювати ЦМР, які є основою для побудови ГІС і за їх допомогою вирішувати ряд наукових та народногосподарських проблем [5,6,10]. Можливості ГІС дозволяють інтерпретувати просторову інформацію у найрізноманітніших моделях та способах зображення. Зокрема, розпізнавання форм рельєфу місцевості доречно вести не лише традиційним шляхом - через зображення їх способами ізоліній (горизонталей), а й створенням за горизонталями тріангуляційних моделей рельєфу (TIN - Triangulated Irregular Network).

Рис.1. Цифрова модель рельєфу (тіньова) території Великоснітинської сільської ради Васильківського району Київської області

Рис. 2. Цифрова модель рельєфу (тіньова у поєднанні з ізолініями) території Великоснітинської сільської ради Васильківського району Київської області

Цифрова модель рельєфу, що ґрунтується на TIN-моделі просторових даних, є сукупністю поєднаних між собою плоских трикутних граней, що спираються на нерівномірно розміщену у просторі мережу точок з відомими відмітками топографічної поверхні. TIN-модель рельєфу дозволяє уникнути «надмірності» растрового різновиду ЦМР, що вимагає обов'язкового зберігання інформації про відмітки топографічної поверхні у всіх без винятку осередках растра. В TIN-моделі може зберігатися інформація тільки про відмітки характерних точок поверхні, розміщених на структурних лініях рельєфу, - вододілах, тальвегах, а також переломах поздовжнього і поперечного профілів схилів. У зв'язку з цим, такий різновид ЦМР може забезпечити дуже компактне та досить ефективне і для візуального подання, і для виконання багатьох аналітичних процедур (обчислення відхилень, експозицій та ін.), зберігання інформації про рельєф даної території. При цьому очевидно, що інформативність точкових даних про рельєф істотно зростає і це висуває високі вимоги до точності їх дигіталізування [15].

Одержану TIN-модель рельєфу території Великоснітинської сільської ради Васильківського району Київської області (рис. 3) можна використовувати не лише для розпізнавання форм рельєфу й відповідної обробки цифрової моделі рельєфу місцевості, а й для розпізнавання вершин і западин рельєфу, для автоматизованої перевірки наявності обов'язкових оцінок висот у середині мінімальних замкнутих горизонталей, для розпізнавання сідловин, орографічних ліній (тальвегів, ліній вододілу), моделювання поширення площинного змиву тощо.

Використання орографічно-тріангуляційної моделі забезпечує можливість рішення різноманітних інженерних задач. Просторова індексація та декомпозіційні схеми побудови TIN?моделі дають змогу здійснювати практичне моделювання рельєфу великої і дуже великої розмірності на звичайних персональних комп'ютерах [4].

Рис. 3. Цифрова тріангуляційна модель рельєфу (TIN) території Великоснітинської сільської ради Васильківського району Київської області

Фактори рельєфу S та L обраховано у ГІС на основі наявної ЦМР, за прийнятою у RUSLE формулою:

LS(r) = (m+1) [ A(r) / a₀ ]m [ sin b(r) / b₀ ]n

де A - дренажна площа, з якої надходить стік на одиницю довжини замикаючого контуру; b - ухил поверхні; m та n - відповідні параметри (використані значення m = 0,4 та n = 1,4); a₀ = 22.1м - довжина і b₀ = 0.09 = sin(5.16?) - ухил поверхні стандартних дослідних ділянок, на яких визначались параметри моделі USLE.

Використання у формулі синусу кута нахилу пояснюється тим, що саме до нього є пропорційною паралельна до схилу складова сили тяжіння, яка є рушійною силою схилового потоку. Введення показника степеня зумовлене характером розподілу ймовірностей пульсацій швидкості турбулентного потоку при значеннях середньої швидкості, близьких до порогової, коли половина всіх пульсаційних значень швидкості є достатніми для відриву часток ґрунту [8]. Показник А (дренажна площа) має розмірність довжини, оскільки являє собою площу надходження стоку, поділену на ширину елементарного створу. Для розрахунку дренажної площі використано алгоритм D8, розроблений Д. Тарботоном і реалізований в програмному пакеті TAUDEM [19].

При розрахунку фактору ерозійної стійкості ґрунту використовувались дані щодо типу ґрунту, його гранулометричного складу та ступеня змитості. Згідно з рекомендаціями [9,14,16], значення цього фактору були обраховані для позначених на карті ґрунтових відмін. В якості показника ерозійності опадів використане стале значення (12), запозичене з [3], що є виправданим з огляду на невеликий розмір ділянки.

При моделюванні було вилучено з розгляду території населених пунктів і земель лісового фонду, для яких відсутні дані щодо ґрунтів, а також днища долин і лінійні ерозійні форми, де панівне значення мають процеси лінійної ерозії.

Отриманий результат (карта) наведений на рисунку 4.

Рис. 4. Оцінка поширення максимальних величин площинного змиву ґрунту (за моделлю RUSLE) на землях дослідних полів (особливо цінних землях) ВП НУБіП України Великоснітинське НДГ ім. О. Музиченка (Великоснітинська сільська рада Васильківського району Київської області)

Показані значення оцінки величини змиву відповідають умовам чорного пару, коли величини змиву є найбільшими. Реальні величини змиву залежатимуть від вирощуваних культур (їх ґрунтозахисної здатності), а також особливостей агротехніки, наявності та характеру протиерозійних заходів, тощо. Для прикладу, при вирощуванні озимих величини змиву становитимуть 0,2-0,3 від значень для чорного пару, кукурудзи, цукрового буряку і соняшника - 0,8-0,9, багаторічних трав - 0,01-0,1 від значень для чорного пару [11].

Висновки

Одержані результати можна ефективно використовувати з метою раціоналізації та екологізації землекористування, зокрема - розміщення посівних площ сільськогосподарських культур з урахуванням їх ґрунтозахисної здатності та природних передумов прояву ерозії, а також раціонального планування та організації протиерозійних заходів. Також доцільне співставлення модельних значень змиву, спрогнозованих з урахуванням виду вирощуваних культур і використовуваної агротехніки, які не повинні перевищувати норми ерозії, що відповідають природним темпам відтворення ґрунтів.

Таким чином вдасться досягти сталого землекористування, за якого землеробство впродовж тривалого часу не спричинятиме негативних змін властивостей ґрунтів і втрат ґрунтової родючості.

Список літератури

1. Агрокліматичний довідник по Київський області. - Державне видавництво сільськогосподарської літератури Української РСР. - Київ.- 1959.

2. Гудзон Н. Охрана почвы и борьба с эрозией: Пер. с англ.. - М.: Колос, 1974. -303 c.

3. 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 руслове процессы. - 1981. - Вып.8. - С. 17-29.

4. Карпінський Ю.О., Лященко А.А. Орографічно-триангуляційна цифрова модель рельєфу // Вісник геодезії та картографії. - 2000. - №3. - С.28 - 32.

5. Ковальчук І., Мкртчян О. Автоматизована екологічна класифікація елементів рельєфу та її застосування для вивчення річково-долинних ландшафтів // Збірник наукових праць. Вип. 361. Науковий вісник Чернівецького університету; Географія. - Чернівці; Рута , 2007. - С. 17-25;

6. Ковальчук І.П., Андрейчук Ю.М., Іванов Є.А., Микитчин О.І. Оцінка стійкості параметрів рельєфу басейнів малих річок до антропогенного навантаження // Гідрологія, гідрохімія, гідроекологія/ Відп. ред. В.П. Хільчевський. - К.: ВГЛ “Обрії”, 2008. Т.14. - С. 221-231.

7. Конституція України: Прийнята 28.06.1996 // Відомості Верховної Ради України. - 1996. - № 30. - Ст. 141.

8. Ларионов Г. А. Эрозия и дефляция почв. -М.: Изд-во Моск. ун-та, 1993. - 200 с.

9. Методические рекомендации по оценке эффективности почвозащитных мероприятий. - М., 1985. - 75 с.

10. Мкртчян О., Ковальчук І. Роль цифрових моделей рельєфу в геоекологічних дослідженнях// Географія в інформаційному суспільстві. Зб. наук. праць. У 4-х тт. - К.: ВГЛ “Обрії”, 2008. - Т.IV. - С. 67 - 69.

11. Моргун Ф.Т., Шикула Н.К., Татарико А.Г. Почвозащитное земледелие. - Киев: Урожай, 1988. - 254 с.

12. Постанова Верховної Ради України від 22.09.2005 № 2897-IV «Про Рекомендації парламентських слухань «Сучасний стан та перспективи розвитку земельних відносин в Україні» // Відомості Верховної Ради України від 02.12.2005 - 2005 р., № 48, стор. 2560, ст. 494.

13. Проект Закону України “Про загальнодержавну програму використання та охорони земель” // Землеустрій і кадастр. - 2004. - № 1-2. - С. 101-128.

14. Светличный А.А., Черный С.Г., Швебс Г.И. Эрозиоведение. - Сумы: ВДТ "Университетская книга", 2004. - 410 с.

15. Світличний О.О., Плотницький С.В. Основи геоінформатики: Навчальний посібник / За заг. ред. О.О. Світличного. - Суми: ВТД «Університетська книга», 2006. - 295 с.

16. Світличний О.О., Чорний С.Г. Основи ерозієзнавства. Підручник. - Суми: ВДТ "Університетська книга", 2007. - 266 с.

17. Mitasova H., Hofierka J., Zlocha M., Iverson R. L. Modeling topographic potential for erosion and deposition using GIS // Int. Journal of Geographical Information Science. -1996.-Vol. 10(5). -P. 629-641.

18. Moore L. D., Burch G. J. Physical basis of the length-slope factor in the universal soil loss equation // Soil Sci. Soc. Am. J. -1985. -Vol. 50. -P. 1294-1298.

19. Tarboton D. G. A new method for the determination of flow directions and contributing areas in grid digital elevation models // Water Resources Research. -1997. -Vol. 33(2). -P. 309-319.

20. Wischmeier W.H., Smith D. D. Predicting rainfall erosion losses, a guide to conservation planning // USDA Agriculture Handbook No. 537. -Washington D.C.: US Department of Agriculture, 1978.

Размещено на Allbest.ru