Эрозионный процесс

Пространственная реализация модели эрозионного процесса

Рассмотрим принципы пространственного моделирования природных процессов на основе второго подхода на примере моделирования водной эрозии почв - одного из наиболее опасных и широко распространенных почвенных деградационных процессов во многих странах мира. Практически все факторы эрозионного процесса, в первую очередь, рельефа, почвенных и агротехнических условий характеризуются высокой пространственной изменчивостью и требуют при традиционном профильном подходе к оценке эрозионной опасности (в случае достаточно большой территории) увеличения числа расчетных профилей до практически нереальных размеров. Однако, даже при этом невозможно учесть поперечную концентрацию склоновых потоков, способную существенно изменить пространственную картину распределения эрозионной опасности по территории и, в результате, - ее интегральную оценку. Именно ГИС-технология, позволяющая дать детальное описание строения поверхности оцениваемой территории, особенностей почвенного покрова и использования земель, создает реальные предпосылки для адекватного отображения пространственной вариации факторов эрозионных и других процессов, протекающих в природных ландшафтах и агроландшафтных системах, поскольку все они имеют пространственно распределенный характер. Кроме этого, возможности ГИС-технологии по пространственно распределенному выводу результатов расчета в виде высококачественных карт решает задачу картографирования эрозионной опасности территории, в рамках традиционной технологии учета пространственной дифференциации факторов эрозионной опасности представляющую весьма серьезную и до настоящего времени не получившую адекватного решения задачу.

Возможность реализации данного подхода к моделированию эрозионного процесса стала реальной с разработкой и программной реализацией интегрированных с ГИС алгоритмов построения карт линий тока, проходящих через каждый элемент растра и опирающихся на цифровые модели рельефа. Одним из ГИС пакетов, реализующих данный алгоритм, является разработанный в 1992 г. в Утрехтском университете (Нидерланды) пакет PC-RASTER. Наличие модуля WATERSH, а также команд, выполняющих арифметические, логические и комбинированные операции с пространственно распределенными данными, создают предпосылки для реализации с помощью этого пакета достаточно сложных вычислительных алгоритмов математических моделей смыва почвы.

В качестве примера моделирования эрозионного процесса возьмем модифицированный вариант логико-математической модели смыва почвы, представляющей собой эмпирическую модель склонового эрозионно-аккумулятивного процесса: модель позволяет выполнить оценку не только смыва почвы, но и аккумуляции наносов на склонах сложной формы. Она также учитывает особенности нарастания модуля ливневого смыва почвы по длине склона в условиях ярко выраженного нестационарного режима ливневого наносообразования, характерного для условий континентального климата в умеренных широтах. В связи с этим вычислительный алгоритм модели достаточно сложен: он включает вычисление производных основных факторов эрозионного процесса по длине склона, а также длины так называемой "зоны нарастания интенсивности наносообразования" - части склона, в пределах которой происходит увеличение интенсивности наносообразования пропорционально расстоянию от водораздела или точки зарождения стока.

Результатом расчета являются карты потенциального или расчетного для данных условий землепользования смыва почвы, соответствующие таблицы распределения земель по заданным градациям интенсивности смыва и средние для всей территории или ее какой-то части (хозяйства, севооборотного участка, поля севооборота и т. п.) значения модуля смыва почвы, выраженные в т/га. При этом, как распределение земель по градациям интенсивности эрозионного, разрушения, так и средние по площади значения смыва определяются с учетом расчетных значений смыва в каждой ячейке растра.

Блок-схема расчета и картографирования ливневого смыва почвы на основе пространственной модели склонового эрозионно-аккумулятивного процесса представлена на Рис. 5.8.

Расчет и картографирование нормы смыва почвы при заданном землепользовании несколько сложнее, поскольку учитывает структуру земельных угодий, севообороты и пр., а также смыв почвы в период весеннего снеготаяния, однако принципиально не отличается от представленного на рисунке: основными этапами и здесь являются подготовка базовых входных карт, создание на их основе серии вспомогательных карт с использованием операций реклассификации, расчет и построение карт распределения расчетных характеристик в соответствии с имеющимся алгоритмом и визуализация результатов.

Представленные на рис. 5.7 компьютерные карты относятся к полигону размером 9.5 км х 9.25 км, расположенному в средней части бассейна р. Балай (Березовский район Одесской области). Размер ячейки растра 25 м х 25 м, размер растра 380х370 ячеек. Почвенный покров в пределах полигона представлен черноземами обыкновенными маломощными малогумусными неэродированными, слабо - и среднеэродированными на лессах на водоразделах и склонах и лугово-черноземными - по днищам балок. Преобладающими уклонами являются уклоны 0.01-0.03 (характерны для 72% территории). На склонах балок встречаются участки с уклонами, превышающими 0.10 (до 0.17), однако площадь их весьма мала (менее 1%).

Рис. 5.8. Блок-схема расчета и картографирования характеристик ливневого смыва почвы на основе реализации пространственной модели склонового эрозионно-аккумулятивного процесса средствами ГИС-технологии

Таблица 5.1 Распределение земель полигона размером 9.5х9.25 км, расположенного в бассейне р. Балай (Березовский район Одесской области) по градациям интенсивности потенциального смыва почвы и степени эрозионной опасности

Данные таблицы 5.1, в которой представлена обобщенная характеристика распределения территории полигона по градациям интенсивности потенциального смыва почвы, характеризующим различную степень выраженности эрозионной опасности территории, показывают, что эрозионно-безопасными, строго говоря, можно считать лишь 39% территории - здесь потенциальный смыв не превышает 0.5 т/га и компенсируется естественным почвообразующим процессом. Еще 25% территории может рассматриваться как "условно" эрозионно безопасная: смыв почвы либо не превышает так называемые "допустимые" потери почвы, либо может быть предотвращен в результате проведения профилактических противоэрозионных мероприятий. Остальная же, довольно значительная (около 35% общей площади) часть рассматриваемой территории, является в различной степени эрозионно опасной. Необходимо подчеркнуть, что оценка данного распределения выполнена по 140600 ячейкам, что дает основание говорить о ее высокой точности, практически не достижимой в рамках традиционной технологии оценки и картографирования эрозионной опасности территории.

ГИС-реализация

Опыт ГИС-реализации пространственно распределенной модели эрозионной опасности позволил установить, что для крупномасштабной оценки и картографирования в качестве основы цифровой модели рельефа должна использоваться топографическая карта масштаба не меньше 1:10000, при среднемасштабных же исследованиях для этой цели можно пользоваться картами масштаба 1:25000. При выборе в качестве топоосновы цифровой модели рельефа карты масштаба 1:25000 с сечением рельефа 5 м, на которой высокочастотная составляющая волнистости с характерным размером в несколько десятков метров, определяющая размах колебаний интенсивности эрозионного процесса на склоне, генерализуется. В связи с этим картина пространственного распределения эрозионной опасности также представляется в несколько генерализованном виде. Однако, учитывая цель среднемасштабной оценки и картографирования эрозионной опасности, такая генерализация представляется вполне допустимой.