Monitorizarea proceselor erozionale pe spatii intinse folosind tehnica Sistemelor Informationale Geografice (GIS)

Raport de Cercetare

Grant: Monitorizarea proceselor erozionale pe spatii intinse

folosind tehnica Sistemelor Informationale Geografice (GIS)"

Probleme generale privind utilizarea tehnicii sistemelor geoinformationale in prognoza degradarii terenurilor prin eroziune

Menirea unui GIS in activitatea de combatere a eroziunii solului trebuie sa fie aceea de a asigura achizitia, stocarea si prelucrarea de date in vederea obtinerii de informatii care sa poata caracteriza sintetic, in orice moment starea si evolutia proceselor de degradare a terenurilor prin eroziune, torentialitate, scurgeri si sedimentare, in scopul luarii unor decizii in timp util in legatura cu:

e folosirea intensa a terenurilor mai putin sau mai mult degradate si neproductive, datorita eroziunii si proceselor asociate (alunecari, compactari etc.);

e stabilirea celor mai potrivite structuri ale folosintelor pe terenurile in panta cu potential erozional;

e reducerea procesului de eroziune pe terenurile agricole in limite tolerabile;

e asigurarea unui control permanent al scurgerilor superficiale de pe versanti si a celor concentrate in reteaua formatiunilor torentiale;

e diminuarea procesului de poluare cu chimicale (nutrienti si pesticide) provenite de pe terenurile agricole in panta datorita scurgerilor erozionale;

e protectia lacurilor de acumulare impotriva colmatarii accelerate si a poluarii prin reducerea la minim a transportului de aluviuni si chimicale de pe versanti;

e evitarea proceselor de inundare si colmatare a terenurilor si a altor obiective social - economice situate la baza versantilor, ca efect al sedimentarii cu materiale aluvionare rezultate din eroziune.

Folosirea sistemelor geoinformationale in domeniul enuntat mai sus se impune si se justifica mai ales datorita posibilitatilor oferite pentru analiza multitudinii de factori care intervin in declansarea si desfasurarea proceselor erozionale, a costurilor ridicate si a timpului mai indelungat necesare pentru monitoringul lor prin alte metode, mai ales pe arii intinse.

2. Localizarea cercetarilor

Conform metodologiei testata pentru o zona test (in etapa din 2003), pentru crearea a bazei de date grafice si de tip atribut si pentru procesarea acestor date, in vederea stabilirii riscului erozional, folosind tehnica GIS, cercetarile din cadrul prezentului contract au fost extinse pe intreaga suprafata a bazinului de receptie al acumularii Gaiceana. Acumularea Gaiceana este situata in bazinul hidrografic mijlociu a raului Berheci (la 14,5 km de obarsie) si anume pe afluentul de ordin 2 al acestuia, Ghilavesti, in apropiere de confluenta cu raul Gaiceana (afluent de ordinul 1 al Berheciului).

Relieful acestui bazin este foarte fragmentat. Versantii ocupa cea mai mare parte a suprafetei, fiind orientati in general de la nord la sud. Inclinarea versantilor variaza de la moderat la puternic inclinat, predominand in general pantele ce au favorizat declansarea proceselor de eroziune in suprafata si in adancime, precum si a alunecarilor de teren. Suprafata totala este de 4665 ha. Pantele versantilor variaza in mod curent intre 5 si 37 %, iar lungimea albiei principale de scurgere este de cca. 16 km, cu o panta medie a talvegului de 11 %. Folosintele predominante ale terenului sunt arabilul, faneata, pasunea si plantatiile viticole. Din punct de vedere pedologic se remarca o structura eterogena, predominand solurile brune argilo - iluviale, aflate in diferite stadii de decarbonatare si erodare.

3. Metoda de cercetare folosita

Determinarea pierderilor de sol prin eroziune in suprafata s-a realizat cu "ecuatia universala a eroziunii solului" - USLE (Universal Soil Loss Ecuation), care in conditiile tarii noastre se aplica sub forma: E = K S L^m iⁿ C C_s

unde: E (t / ha an) este pierderea anuala de sol prin eroziunea in suprafata;

K (t / ha an) - erozivitatea zonala; pierderi de sol pe zone de agresivitate pluviala;

L^m (m) - lungimea in sensul scurgerii (pantei);

iⁿ (%) - panta medie a terenului in lungul scurgerii;

S - erodabilitatea solului (functie de tipul de sol);

C - factor de influenta a folosintelor, culturilor si lucrarilor solului;

C_s - factor de influenta a masurilor de conservare a solului existente.

Pentru crearea bazei de date georeferentiate ce intra in ecuatia mentionata, s-a utilizat procedeul raster, constand din suprapunerea peste documentele cartografice (planuri si harti) a unei grile rectangulare de celule patrate cu dimensiunile 25 x 25 m.

Pentru stabilirea coeficientilor de erodabilitate (S) conform distributiei tipurilor de sol (cartarii pedologice) si a valorii parametrilor privind influenta culturilor si a folosintei terenului (C) s-au folosit planurile de situatie 1:25.000 furnizate de catre Oficiul Judetean pentru Studii Pedologice si Agrochimice - Bacau si respectiv Oficiul de Cadastru Agricol si Organizarea Teritoriului Agricol - Bacau. Valoarea erozivitatii zonale (K) - semnificand pierderile de sol pe zone de agresivitate pluviala stabilite in functie de indexul de agresivitate H I₁₅, a fost obtinuta din harta erozivitatii elaborata de I.C.C.P.A. - A.S.A.S. Bucuresti.

Elementele caracteristice ale topografiei terenului (pante ale terenului - i, lungimi ale versantului in sensul scurgerii - l si directii de scurgere) au fost obtinute cu ajutorul unui model digital al terenului (MNT) cu un program propriu elaborat pentru aplicatia curenta.

In scopul determinarii pierderilor medii anuale de sol, pentru fiecare celula a retelei rectangulare georeferentiate in spatiu (prin coordonate geodezice) s-a aplicat succesiv ecuatia universala a eroziunii solului (USLE).

Prelucrarea computerizata a datelor stocate, dupa program / software specific aplicatiei, in cadrul sistemului GEO GRAPH, prin folosirea hartilor numerizate (exprimate digital) si a stratificarii datelor georeferentiate (tehnica "overlay") ofera posibilitatea obtinerii in final a unor informatii deosebit de utile asupra evolutiei calitatii solurilor, a "productiei de aluviuni", a pierderilor de elemente nutritive etc. ce afecteaza fertilitatea si recolta agricola caracteristica acestor soluri, prin iesiri / rapoarte sub forma de tabele, grafice, imagini si harti tematice (la scara dorita), fig.1.

Fig. 1. - Stratificarea datelor georeferentiate pentru studiul eroziunii solului prin tehnica "overlay"

4. Tehnologia de realizare a Modelului Digital al Terenului. Rezultate obtinute.

Modelul Numeric (Digital) al Terenului (MNT/MDT) este un instrument matematic care permite reprezentarea numerica / digitala a unei portiuni oarecare din suprafata terestra. Din punct de vedere informatic, un model numeric de teren se prezinta ca un fisier unde datele sunt organizate sub forma de matrice, in care fiecare valoare reprezinta altitudinea unui punct. Plecand de la aceasta baza de date altimetrice se pot obtine un numar mare de produse, indeosebi referitoare la: panta, expozitie, vederi in perspectiva, profiluri prin diferite sectiuni etc. In GIS - uri, aceste modele constituie un strat fundamental pentru ca parametrii topografici conditioneaza un numar mare de procese, precum: scurgerea pe versanti, eroziunea, sedimentarea etc.

Pentru realizarea modelului numeric de teren, s-a apelat la numerizarea planului topografic cu curbe de nivel, la scara 1:10.000, echidistanta curbelor de 10 m. Acest plan a fost scanat pe soft scanner Scan Jet 3C HP (cu o rezolutie de 600 dpi) dupa care s-a procedat la vectorizarea automata cu software Corel OCR Trace, obtinandu-se desenul vectorial (fig. 2).

Fig. 2 - Planul cu curbe de nivel in sistem vector b.h. Gaiceana

Modelul Numeric de Teren (MNT) s-a obtinut cu ajutorul unei interpolari (interpolarea reprezentand operatia fundamentala pentru exploatarea unei informatii punctuale / discrete).

S-a adoptat o metoda de interpolare locala si anume metoda mediilor ponderate. In cadrul acestei metode, altitudinea unor puncte (a nodurilor grilei pentru cazul prezentat) s-a stabilit printr-o combinatie liniara a altitudinilor punctelor masurate in vecinatate si a caror pondere se determina in functie de inversul distantei ce le separa fata de pozitia sau interpolarea care se stabileste.

In scopul reducerii timpului de procesare, la cautarea punctelor de pe curbele de nivel in apropierea punctului interpolat s-a impus restrictia de a lua in considerare cercetarea unui numar total de 8 puncte cu cota cunoscuta si aflate in cele 4 quadrate ale grilei (fig. 3).

Conform principiului mediilor ponderate, altitudinea unui punct necunoscut (H_i) se determina plecand de la altitudinile punctelor masurate (H_j) dupa relatia de mai jos, unde x si y sunt coordonatele iar p ponderile.

H_i = ; p_j =

Exponentul u depinde in principal de relieful terenului (s-a adoptat u = 2).

Fig. 3. - Cautarea celor mai apropiate puncte distribuite radial intr-un quadrat

In etapa imediat urmatoare s-au calculat cotele medii ale celulelor (pixelilor) grilei, ca medie aritmetica a cotelor celor patru noduri ce formeaza colturile celulei, obtinandu-se astfel primul strat informational.

Exploatarea MNT a avut in vedere posibilitatea spatializarii informatiei, adica a obtinerii de informatii in orice punct al arealului studiat, a unei suprafete sau camp de informatii continue.

In acest sens, s-au urmarit trei obiective importante:

e calculul pantelor si orientarilor versantilor;

e determinarea directiilor de scurgere a apei pe versanti;

e trasarea unor profiluri prin versant (transversale sau longitudinale).

De fapt elementele de mai sus au fost necesare pentru calculul factorilor topografici din ecuatia pierderilor de sol USLE.

Din punct de vedere matematic, panta (inclinarea suprafetei cu un plan orizontal) si orientarea (directia determinata in raport cu punctele cardinale) sunt corect determinate, daca suprafata este descrisa printr-o functie analitica (gradient al suprafetei); in cazul de fata, acesti doi parametri trebuie redefiniti pentru fiecare pixel (celula) in parte.

Inclinarea terenului I a fost calculata pornind de la valoarea pantei i (exprimata in procente - %), dupa relatia lui Wischmeier si Smith, 1965. Parametrul marcand lungimea versantului pe directia pantei s-a determinat cu relatia:

^m unde: l - lungimea pantei in proiectie orizontala (m);

m - parametru cu valoarea variind intre 0,3 si 0,6; s-a adoptat m = 0,5

Calculul pantelor (gradientilor) si orientarilor s-a facut dupa 8 directii, plecand de la altitudinea medie a pixelilor, ambii parametri fiind estimati prin utilizarea unei ferestre de 3 x 3 pixeli. De exemplu, pentru directia liniilor si respectiv a coloanelor s -au folosit relatiile:

(z_{i-1, j-1} + z_{i-1, j} + z_{i-1, j+1}) (z_{i-1, j-1} + z_{i-1, j} + z_{i-1, j+1})

(z_{i-1, j-1} + z_{i-1, j} + z_{i-1, j+1}) (z_{i-1, j-1} + z_{i-1, j} + z_{i-1, j+1})

Notand cu Δx marimea unui pixel, gradientul pentru pixelul z_i,j, in directia liniei, devine:

gradient linie : g^l_i,j =

Pentru a se evita impartirea prin Δx pentru fiecare calcul de gradient, se creeaza un fisier de altitudine redus:

z^*_i,j =

Gradientii de linie si coloana devin:

g^l_i,j = z^*_i,j - z^*_i,j+1

g^c_i,j = z^*_i-1,j - z^*_i,j

Panta cea mai mare a pixelului z_i,j devine astfel:

gradient g_i,j = iar orientarea: θ = tg^-1 (g^l_i,j / g^c_i,j)

Fig. 4. - Analiza scurgerii pe versanti utilizand metoda raster GIS:

a.) determinarea directiei de scurgere dupa una din cele 8 posibile;

b.) reprezentarea suprafetei terenului in model raster (cote medii);

c.) directiile de scurgere corespunzatoare gridului din (b);

d.) retea de concentrare a scurgerilor echivalenta cu (c) si (d).

Acest algoritm prezentat sta la baza primei prelucrari in cadrul sistemului informational proiectat; programul se numeste "MNT.exe" (fig. 5), in limbaj Fortran Power Station sub Windows.

6. Procesarea straturilor informationale in vederea determinarii pierderilor de sol

la nivel de pixel , cu software GEO - GRAPH

Procesarea s-a efectuat cu programul "Eroziune.exe" in limbaj Fortran folosindu-se ca intrare toate straturile procesate in fazele anterioare.

7. Rezultate obtinute. Prezentarea straturilor informationale.

Scopul final al studiului (cercetarii) intreprins in cadrul prezentului contract a fost de a prognoza pierderilor de sol prin eroziunea hidrica in functie de factorii ce intervin in acest proces. Prin facilitatile oferite de tehnica GIS, in cadrul cercetarilor am determinat eroziunea in doua cazuri: eroziune potentiala si eroziune efectiva.

8. Analiza si interpretarea rezultatelor

Una din principalele functii ale unui GIS o reprezinta interogarea bazei de date alfanumerice, aceasta functie diferentiind sistemele CAD de sistemele GIS. Pentru realizarea interogarii este necesara setarea tipului de Sistem de Gestiune a Bazei de Date ce se utilizeaza in cadrul interogarii cat si a tipului de interogare.

Meniul principal al sistemului GEO - GRAPH contine un buton prin apelarea caruia se deschid campurile din fig. 14. Acest meniu permite selectarea urmatoarele comenzi:

e setarea S.G.B.D. -ului utilizat la interogarea
informatiilor alfanumerice;

e setarea optiunii de interogare criteriala tematica a informatiilor grafice si alfanumerice;

e setarea optiunii de incadrare a obiectului ce urmeaza a fi selectat, in fereastra activa.

Fig.14. - Meniul de butoane pentru interogare 

In cadrul sistemului am utilizat doua tipuri de interogari: pe "chei" Fox si prin comenzi SQL. In urma interogarilor inspre baza de date gestionata sub SGDB FoxPro, a fost posibila analiza tuturor parametrilor ce declanseaza si mentin procesul de eroziune, dar si a analizei spatiale privind acest proces (prin valorile pierderilor de sol).

Avantajele folosirii comenzilor SQL in cadrul aplicatiei sunt multiple

e interogarea poate fi facuta de pe orice strat informational incarcat; baza de date fiind relationala, vor fi obtinute informatiile dorite;

e existenta tabelelor virtuale in cadrul proiectului fac posibile analize criteriale prin interogare de tabele diferite din baza de date alfanumerice;

e posibilitatea de a executa statistici asupra informatiilor obtinute in urma prelucrarilor; daca pentru valorile coeficientilor C, S, C_s s-ar fi putut aprecia cu o oarecare aproximatie, suprafetele aferente, direct de pe planurile de situatie, in cazul parametrilor de relief (panta, directii de scurgere) si a eroziunii, in cadrul bazinului studiat, acest demers nu ar fost posibil decat prin tehnica GIS.

Tabel nr.1

Distributia eroziunii efective si a eroziunii potentiale in b.h. Gaiceana

	Fig. 15. - Distributia procentuala a eroziunii in b.h. Gaiceana

9. Validarea rezultatelor obtinute din modelarea erozionala

Pentru validarea modalitatii de estimare a pierderilor de sol prin eroziune folosind tehnica Sistemelor Informationale Geografice / Teritoriale, datele obtinute au fost comparate cu cele rezultate dintr-un studiu intreprins asupra gradului de colmatare al acumularilor Antohesti si Gaiceana, de catre S.C.C.C.E.S. Perieni - Barlad.

In cadrul acestui studiu, pentru stabilirea gradului de colmatare (a efluentei aluvionare si a ritmului mediu anual de colmatare) au fost efectuate:

c masuratori batimetrice si nivelitice pentru determinarea volumului de apa din acumulari;

c determinari ale grosimii stratului de aluviuni depuse si a naturii lor litologice;

c prelevari si analize ale unor probe de apa in vederea stabilirii turbiditatii la intrarea si iesirea din acumulari cat si in diferite zone ale acestora.

In urma cercetarilor intreprinse a fost evidentiata rata de colmatare (ca medie a colmatarii de-a lungul unei perioade de 10 ani (1984 - 1994) calculandu-se totodata si efluenta aluvionara; aceasta a rezultat de 2,27 m³ / ha∙an pentru acumularea Gaiceana.

Folosind rezultatele obtinute in cadrul acestei cercetari si prezentate in tabel 1, s-a determinat efluenta aluvionara, parcurgand etapele:

a.) Calculul eroziunii medii ponderate (E_mp) cu relatia:

(t/ha∙an)

in care:

E_i - eroziunea efectiva (pierderea de sol specifica) medie anuala cvasiconstanta pe diferite suprafete (S_i) din bazinul hidrografic aferent unei acumulari (t/ha∙an);

Pentru b.h. Gaiceana:

9,50 t / ha∙an

b.) Estimarea efluentei aluvionare medii multianuale (E_al) la iesire din bazinele hidrografice:

unde:

E_total = E_s + E_ad + E_d + E_h

in care: E_total este eroziunea totala (t/ha∙an)

E_s - eroziunea in suprafata (t/ha∙an); E_s = E_mp

E_ad - eroziunea in adancime (t/ha∙an);

E_d - eroziunea de pe reteaua de drumuri din b.h. (m³/ha∙an);

E_h - sedimente provenite din eroziunea malurilor neconsolidate sau localitati rurale sau adancirea albiilor retelei hidrografice (t/ha∙an);

C_ef - coeficient de efluenta (reductie) aluvionara.

Valorile acestui coeficient au fost determinate cunoscand suprafata bazinului de receptie luat in studiu, pe baza graficului:"Curba coeficientului de reductie - dupa G.F. RENFRO".

Obs. Pe baza cercetarilor de teren s-a adoptat: E_ad + E_d + E_h ≈ 0,2 E_s

Pentru bazinul hidrografic aferent acumularii Gaiceana:

E_total = 9,50 + 0,2 ∙ 9,50 = 11,40 t/ha∙an

C_ef = 0,31 - corespunzator suprafetei de 4697 ha a b.h. Gaiceana

E_al = 11,40 ∙ 0,31 = 3,53 t/ha∙an

Deoarece greutatea volumetrica a aluviunilor s-a adoptat:_al = 1,38 t/m³,
rezulta:

E_al = = 2,43 m³/ha∙an

Concluzie:

Valorile efluentei aluvionare estimate prin tehnica GIS, in cazul celor doua bazine hidrografice, se apropie semnificativ de cele obtinute prin masuratori efectuate in teren de catre S.C.C.C.E.S. Perieni - Barlad.

10. Recomandari pentru factorii de decizie in managementul teritorial din Romania

1. Implementarea Sistemelor Informationale Geografice / Teritoriale
(SIG / SIT) in studiul proceselor erozionale pe spatii largi, ofera posibilitatea realizarii unui monitoring complex asupra calitatii solurilor de pe versanti si permite luarea in timp util a celor mai adecvate masuri de protectie si conservare a fertilitatii acestora.

2. Folosirea tehnicii Sistemelor Informationale Geografice / Teritoriale face posibila achizitionarea, stocarea, actualizarea si prelucrarea facila, computerizata a unor date complexe alfanumerice si spatiale provenite din diverse surse si caracterizand un anumit teritoriu.

3.Utilizarea SIG / SIT - urilor pentru studiul proceselor de degradare a terenurilor si pentru prognoza evolutiei acestora in timp, este posibila atat pentru loturile relativ mici ale unor detinatori distribuite mai mult sau mai putin uniform intr-un teritoriu, cat si pentru zone mai mari, bazine hidrografice sau unitati teritorial administrative.

4. In comparatie cu alte procese de evaluare a potentialului productiv al unor terenuri agricole de procese permanente de degradare, tehnicile SIG / SIT ofera factorilor decizionali in managementul teritorial, informatii in timp real si la un cost mult mai scazut.

5. Pentru asigurarea calitatii superioare a unui SIG / SIT este necesar sa se realizeze cu aceeasi exigenta toate componentele sale. In acest context programele (soft-urile) specifice de aplicatii trebuie sa-si gaseasca locul potrivit.

6. Alegerea unor software pentru aplicatii trebuie sa tina seama de complexitatea proceselor analizate, de stadiul realizarii stiintifice in domeniul in care urmeaza sa fie folosit sistemul informational ce se creeaza, de compatibilitatea standardelor de achizitie a datelor multisursa, de necesitatea evitarii redundantei sau a minimalizarii volumului de date la intrare in sistem.

7. Modelele de modelare /simulare a proceselor erozionale si de optimizare a solutiilor de amenajare specifica a terenului integrate intr-un SIG / SIT, necesita mai multe date decat in mod obisnuit, pentru a se putea obtine informatii / rezultate sub forma de harti.

8. Toate modelele actuale performante pentru simularea eroziunii si a proceselor asociate (ex. deplasarea chimicalelor provenite din agricultura) - cum sunt cele sumar prezentate - au fost validate pe baza unor ample cercetari in teren, in diferite zone climatice si agro-pedologice, si pot fi implementate fara mari restrictii intr-un SIG / SIT de monitoring pe spatii relativ largi.

9. In contextul conditiilor naturale si social - economice din Romania utilizarea Sistemelor Informationale Geografice pentru analiza si prognoza degradarii terenurilor prin eroziune si procese asociate este o cerinta de mare actualitate, justificata in primul rand de considerente economice si al rapiditatii cu care se obtin informatiile necesare luarii in timp real a celor mai potrivite decizii pentru ameliorarea situatiei.

10. Cresterea preciziei cercetarilor intreprinse asupra degradarii in timp a terenurilor prin eroziune, va putea fi realizata prin diversificarea metodelor de achizitie a datelor (incluzand fotogrammetria si teledetectia), dezvoltarea si actualizarea permanenta a bazelor de date, dar si prin utilizarea unor modele matematice recente de simulare precum WEPP, EPIC, GRASS, AGPNS. Toate acestea vor facilita extinderea gamei de informatii obtinute in urma procesarii din cadrul sistemului informational si perfectionarea modalitatilor de prezentare (expunere) a informatiilor, prin sinteze lunare, anuale sau pentru evenimente pluviale singulare, inclusiv sub forma de grafice si harti tematice de estimare a eroziunii solului, a efluentei aluvionare si de nutrienti etc., la scara dorita.