Eróziómodellezés a vízgyűjtőmenedzsment szolgálatában

Átírás

1 Eróziómodellezés a vízgyűjtőmenedzsment szolgálatában Kitka Gergely Dr. Farsang Andrea Dr. Barta Károly 1. Bevezetés Napjaink egyik igen fontos problémájává nőtte ki magát a talajerózió következtében fellépő talajveszteség és egyéb talajpusztulási folyamatok. A talajerózió elsődleges okai a túlzott legeltetés, intenzív vagy helytelen területhasználat. A talajerózió mértékének becslésére illetve modellezésére az 1930-as években indultak el átfogó kutatások Nyugat Európában és az USA-ban. A vizsgálatok eredményeképpen rengeteg talajeróziós modell került kifejlesztésre és jelenleg több száz olyan modell van, amely kapcsolódik, ha nem is teljes mértékben az erózióbecsléshez. A modellek alkalmazásánál tisztázni kell annak érvényességi körét, mert ez szabja meg a felhasználhatóságát is. Időtényező szempontjából két csoportra oszthatóak a modellek: - egyeseményes (csapadékesemény) - hosszabb távú, havi, évi, hosszabb felbontású A modellezett terület mérete alapján - parcella méretű (nagy méretarányú) - kisvízgyűjtő (néhány 10 km 2 ) - nagy vízgyűjtők (folyók vízgyűjtője km 2 ) Ezen modellek a vízgyűjtő menedzsmentben történő felhasználásával elsősorban az erózió mértékét, nagyságrendjét lehet meghatározni elősegítve ezzel a tervezést. Nyugat Európában a területek optimális felhasználásának tervezési szintje a fenntartható fejlődés érdeke miatt, egyre inkább a kisvízgyűjtők méretére tevődik át. Ez egy igen összetett tervezési folyamat, amely figyelembe veszi a vízgyűjtő kezdeti állapotát, a természeti, társadalmi, gazdasági tényezőket egyaránt. Mivel a vízgyűjtő működési rendszere igen összetett, biotikus és abiotikus tényezőkkel, amelyek kölcsönhatásban állnak egymással, először az ezek közötti kapcsolatokat kell feltárni, majd az adatok és a feltárt kapcsolatok alapján modellezni az optimális állapotot a vízgyűjtőre. A modelleredmények alapján kidolgozzuk a főbb irányelveket és kezelési útmutatást. A végeredményt úgynevezett szcenáriókban vagy más néven ajánlásokban adjuk meg. 2. Mintaterület A mintaterületnek a Velencei-hegységben lévő Cibulka-patak vízgyűjtőjét választottuk, ahol a már korábban is végeztek eróziómérésre irányuló vizsgálatokat. A Vízgyűjtő a Velencei tó vízgyűjtőjéhez tartozik. A területen zajló intenzív mezőgazdaság miatt évente jelentős mennyiségű talaj kerül a tóba. A lehordódott talajtömeg egy része megreked a Pátkai- és a Zámolyi-víztározóban de majd 2/3 része így is a tóba kerül. Ez a mennyiség akár 2 mm-rel csökkentheti a tó mélységét évente. Az erózióval jelentős mennyiségű kemikália is bekerül a folyamatba, amely végállomása szintén a tómedence. Ezen kemikáliák pedig erőteljesen hozzájárulnak a tó eutrofizációs folyamatának felerősödéséhez. A vízgyűjtőt mind kőzettanilag, talajtanilag, mind területhasználatilag nagy változatosság jellemzi. A lösszel borított térszíneken elsősorban közepesen erodált cserjoznom barna erdőtalajokat, erdőmaradványos talajokat és mészlepedékes cserjoznomokat

2 találunk. Míg a gránit és andezit térszíneken a természetes tölgyesek mellett akácosokat, gyenge minőségű legelőket találunk, addig a cserjoznom jellegű talajoknál szántóföldi műveléssel (búza, kukorica, napraforgó), szőlőültetvényekkel és gyümölcsösökkel találkozhatunk. Kisebb foltokban jelenik meg a réti cserjoznom, valamint az erózió bizonyítékaként a lejtőhordalék talaj. A feltalaj kémhatása semleges, a ph 7,2-8,5 közötti. A terület éghajlata mérsékelten hűvös-száraz. Az évi középhőmérséklet 9,5-9,8 0 C, csapadékmennyiség mm, melynek 50-55%-a a nyári félévekben hull (MAROSI 1990) gyakran igen heves zivatarok formájában. 3. Anyag és módszer Magyarországon a kutatások és modellezések nagy része parcella szinten történik, de a tervezéshez kisvízgyűjtő méretarányban kell gondolkodni. Ezért esett a választásunk az Erosion 2D/3D re, amelyet Németországban fejlesztettek ki és alkalmaznak sikerrel a gyakorlatban is. Az Erosion 2D/3D (Schmidt 1991,1996) fizikai alapú matematikai modell, amely a lefolyás (felszíni vagy areális erózió) és a hordalékszállítás (vonalas erózió) vízgyűjtőn történő szimulációjára alkalmas. Célunk, az E3D/2D modell validálásával és kalibrálásával, egy GIS -szel megtámogatott vízgyűjtőmenedzsmentett dolgozzunk ki Az E2D szoftwerrel egy 1 méter széles lejtőprofilra lehet kalkulálni az elmozduló talajtömeget egy csapadékesemény alkalmával, míg az E3D t, kisvízgyűjtő méretben is lehet alkalmazni (Werner, 1995). Az E3D egy szabályos griden alapszik, amelynek mérete változhat, de a mátrixon belül azonosnak kell lennie. Ennél a modellnél egy módosított legközelebbi szomszéd algoritmust (O Callaghan and Mark, 1984) használtak a felszíni lefolyási irányok kijelölésénél, szimulálva a lefelé mozgó hordalék útját. (Schmidt et. al., 1999) A bemeneti paraméterek 3 csoportba sorolhatóak: domborzati (relief-), talaj-, és csapadékparaméterek. A program két részből tevődik össze, egy Preprocesszorból és a Main Programból. Az adatokat a modellhez kapcsolt Földrajzi Információs Rendszerből (GIS) importáljuk a Preprocesszorba, ahol átalakítjuk a Main Program számára, amely számolja az eróziót. A domborzati adatokat analóg adatok alapján Arc/Info programmal készített DTM ből nyertük. A talajadatokat szintén terepi mintavételezés illetve a modellhez melléket paraméterkatalógusból vettük. A csapadékadatokat BCU Lite2 típusú csapadékmérővel mértük. A program tervezésben való felhasználásának első lépése a validálás. Tudnunk kell, hogy a modell mekkora területre és milyen időtényezők mellett, milyen szükséges paraméterekkel alkalmazható. A validálás folyamatát, két, a vízgyűjtő egészét jellemző területhasználati típust mutató részvízgyűjtőn (búza:1.2ha; szőlő:1.09ha), üledékcsapdás mérésekkel végezzük (1. ábra).

3 1.ábra A Cibulka vízgyűjtő a két részvízgyűjtővel A két mintaterületen jól megfigyelhető vonalas erózió van. Az eróziós árkok vonalában helyeztünk ki 20 méterenként üledékcsapdákat és a terület kifolyási pontján egy nagyobb üledékcsapdával mértük a területről távozó lehordott talajmennyiséget. A 2005-ös mérési sorozatból egy jól dokumentálható csapadékeseményt választottunk ki. A július 11-i csapadékesemény két szakaszra osztható. Egy nagy intenzitású első és egy jóval csendesebb második szakaszra. Az első szakasz 60 percéből 50 percig 29 mm/h intenzitással esett az eső, amelyből 30 percig 37,8 mm/h intenzitás volt a jellemző. A csúcsintenzitás 45 mm/h. Ez volt az egész csapadékesemény csúcspontja. Innen a második szakaszban szinte csak szemerkélő eső volt megfigyelhető. A modellen szimuláltuk a csapadékeseményt a két kisvízgyűjtőre és összehasonlítottuk a terepen mért eredményekkel. Az eltérés a szimulált és a mért eredmények között 27% az eltérés A különbség 30 % alatt van. A részletes bemeneti paraméterek és eredmények az 1. táblázat-ban láthatóak.

4 Szőlő Mért Modellezett Búza Mért Modellezett Terület (ha) 1,09 1,2 Növényborítottság(%) Eróziópotenciál(N/m 2 ) 0,009 0,1 Talajtípus (kód) Tömörödöttség(Kg/m 3 ) Művelés típusa Nagyüzemi Hagyományos Érdesség (s/m 1/3 ) 0,16 0,1 Erózió (t/ha) 0,025 0,018 0,015 0, táblázat 2. ábra Eróziószimuláció 3 különböző területhasználatra

5 A 2004-es mérési sorozatból kiválasztott csapadékeseményre modelleztük az eróziót a vízgyűjtő északeleti medencéjére. Három különböző területhasználat típusra az egész területre. Ebből kettő a vízgyűjtő egészére jellemző. A 2004-es mérési sorozatból kiválasztott csapadékeseményre modelleztük az eróziót a vízgyűjtő északeleti medencéjére. Három különböző területhasználat típusra az egész területre. Ebből kettő a vízgyűjtő egészére jellemző. Megnéztük, hogy a három területhasználati típus közül, az egész vízgyűjtőre kivetítve, hol vannak a leginkább veszélyeztetett területek. A legnagyobb eróziót szőlőtermesztés (átlag:0,01688 t/ha), a legkisebbet a legelő(átlag:0, t/ha) használat mutatta. Mindhárom esetben jól lehatárolható az erózióval legjobban veszélyeztetett részek. A művelési parcellák alsó szegélyén a legnagyobb az akkummuláció. Ezután az eredeti területhasználatra lefutattuk a modellt (átlag erózió:0,0168 t/ha). A cél, hogy ehhez az elrendezéshez képest csökkentsük az eróziót úgy, hogy a terület eredeti jellege megmaradjon. (3. ábra) 3. ábra Szcenárió 1 Az ajánlásban (szcenárió1.; Átlag erózió:0,0152 t/ha) a területhasználat változtatásával csökkentettük az eróziót. Az eredeti állapothoz képest növeltük a legelő méretét és szegélyt telepítettünk a szántó és szőlőparcellák szélére a méretüktől függően méteres sávokban. A legelő megakadályozza a talajlehordódást a lejtő magasabb részein. A szegélyek pedig felfogják a lehordódott talaj nagy részét. Ezen állapot további stabilizását jelentené erdősávok

6 telepítése a földutak mentén, ami tovább csökkenti az eróziót (szcenárió2.;átlag erózió:0,0144t/ha) Az ajánlásban (szcenárió1.; Átlag erózió:0,0152 t/ha) a területhasználat változtatásával csökkentettük az eróziót. Az eredeti állapothoz képest növeltük a legelő méretét és szegélyt telepítettünk a szántó és szőlőparcellák szélére a méretüktől függően méteres sávokban. A legelő megakadályozza a talajlehordódást a lejtő magasabb részein. A szegélyek pedig felfogják a lehordódott talaj nagy részét. Ezen állapot további stabilizását jelentené erdősávok telepítése a földutak mentén, ami tovább csökkenti az eróziót (szcenárió2.;átlag erózió:0,0144t/ha). Az ajánlások kidolgozásánál figyelembe vettük, hogy a terület intenzív művelés alatt áll és a jövőben is erre a célra fogják használni. Az ajánlások kidolgozásánál a cél egy optimálisabb felhasználása a területnek. Ez azonban függ attól, hogy a vízgyűjtő használatánál mik az elvárások. Pl.: rekreációs terület, intenzív mezőgazdasági terület, ipari terület. 4. Összegzés Magyarországon a közepes méretarányú vízgyűjtőkre vonatkozó erózióbecslés bevezetésével jól lehet támogatni az ezen területek optimális használatára irányuló tervezéseket, amelyet Nyugat Európában már a gyakorlatban alkalmaznak. Munkánk ennek a folyamatnak az első lépéseit mutatta be. Kiléptünk a parcella szintű eróziómodellezésből a részvízgyűjtők szintjére. A következő lépés a folyamatban a modell közepes méretarányra történő kalibrálása lesz további mérésekkel, illetve más erózióbecslő modell kipróbálása, validálása (LUMASS) és összehasonlítása, hogy megtaláljuk a lehető legjobb modellt a tervezésben való felhasználáshoz. Irodalmak Marosi S., Somogyi S. (1990): Magyarország kistájainak katasztere II. kötet, MTA FKI., Budapest, O Callaghan, J. F., Mark, D. M The extratction of drainage networks from digital elevation data. Computer Vision, Graphics, and Image Processing 28, Schmidt, J., A mathematical model to simulate rainfall erosion. In: Bork, H.-R., de Ploey, J., Schick, A. P. (eds): Erosion, Transport and Deposition Processes - Theories and Models. Catena Supplement 19, Schmidt, J Entwicklung und Anwendung eines physikalisch begründeten Simulationsmodells für die Erosion geneigter landwirrtschaftlicher Nutzflächen, Berliner Geogr. Abhandlung Werner, M. V GIS-orienterte Methoden der digitalen Reliefanalyse zur Modellierung von Bodenerosion in kleinen Einzugsgebieten. Dissertation, Freie Universitat Berlin.