Спосіб картографування ерозійної небезпеки земель та мінімізації ризику ерозії

Реферат: UA 93665 U UA 93665 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до сільського господарства, а саме для захисту ґрунтів від ерозії. Відомо спосіб картографування ерозійної стійкості земель [Бастраков Г.В. Эрозионная устойчивость рельефа и противоэрозионная защита земель [Текст] / Г.В.Бастраков. - Брянск: Изд-во БГПИ, 1993. - 260 с.], що передбачає польові спостереження, вимірювання за допомогою топографічних карт ухилів та довжин ліній активного стоку, розрахунки та картографування кількісних значень показника ерозійної стійкості земель, що розраховують шляхом ділення опору ґрунту до розмиву на потужність водного потоку. При цьому опір ґрунту до розмиву визначають заздалегідь за допомогою спеціального приладу. Недоліками способу є те, що показники ерозійної стійкості при наближенні до вододілу становляться безкінечно великими, показник "лінія активного стоку", що використовується в розрахунках, є недостатньо чітко визначеним, а опір ґрунту до розмиву визначають заздалегідь за допомогою приладу, який використовує штучні струмені води, що відрізняються від природних. До суттєвих недоліків зазначеного способу належить ще й те, що він не враховує вплив просторової диференціації водних потоків на ерозію земель, передбачає безпосередні креслення та вимірювання довжини та ухилів схилів для кожного квадрату карти, що потребують значних трудових витрат. Відомо спосіб визначення ерозійної небезпеки схилових земель [UA № 70268. Спосіб визначення ерозійної небезпеки схилових земель], що передбачає польові спостереження за проявами ерозійних процесів з визначенням кількісних показників, які враховують ерозійні властивості ґрунтів на окремих земельних ділянках та подальше складання карт індексу ерозійної небезпеки. Спосіб враховує вплив просторової диференціації водних потоків та протиерозійних рубежів на ерозію земель. Недоліками способу є те, що він потребує значних витрат трудового часу для креслення водозборів, визначення їх площ, ухилів, розрахунків, картографування та узагальнення в легенді значень індексу ерозійної небезпеки земель. Найбільш трудомісткою в цьому способі є процедура креслення та визначення площ елементарних водозборів і ухилів для кожної точки регулярної мережі на карті. В ньому, як і в попередніх способах, не вирішено питання забезпечення репрезентативності розрахунків для картографування ерозійної небезпеки. Найбільш близьким за технічною суттю до заявленого є спосіб картографування ерозійної небезпеки земель [UA № 79888. Спосіб картографування ерозійної небезпеки схилових земель], що включає польові дослідження з визначенням за допомогою плювіографа інтенсивності зливи, а за допомогою GPS-координат вершин ерозійних рівчаків, упорядковане ієрархічне кодування елементів рельєфу та подальші автоматичні розрахунки й картографування значень індексу ерозійної небезпеки за щільною мережею точок при цьому враховують просторову диференціацію водних потоків, протиерозійні рубежі й передбачають автоматичне створення та збереження у базі даних картограми ерозійної небезпеки та легенди до неї в вигляді MIF- та MID-файлів із спільною координатною прив'язкою. Недоліками способу є те, що він не враховує вплив штучних борозен, що виникають в результаті основного обробітку, на ерозійну небезпеку земель. В таких борознах, в залежності від робочих ухилів, можливо істотне збільшення швидкості водних потоків та ризику водної ерозії. Багаторічні дослідження дозволили нам встановити закономірності ерозійних процесів та створюваного ними рельєфу [Куценко М.В. Геосистемні основи регулювання ерозійноакумулятивних процесів: геоморфосистемний аспект [Текст]. - Харків: КП "Міська друкарня", 2012. - 320 с.]. Головна закономірність природного розвитку цих процесів полягає у прагненні такого узгодження з ухилами рельєфу, яке зменшує швидкість потоків до значень, не здатних викликати прискорену ерозію. На довгих схилах і в тальвегах це досягається за рахунок зменшення ухилів, а на вододільних ділянках - завдяки просторовому розосередженню поверхневого стоку. На процес ерозії одночасно впливають 2 чинники - ухил та площа водозбору (довжина схилу). Межі робочих ділянок часто не співпадають із горизонталями. Тому в умовах поперечної оранки виникають борозни які, не зважаючи на малі робочі ухили, при досягненні значної довжини можуть бути осередками прискореної ерозії. На коротких схилах поздовжня оранка може викликати меншу загрозу прискореної ерозії ніж поперечна. Тому, навіть в типових умовах рельєфу середньої складності, виникає потреба в діагностиці найбільш ерозійно-безпечних напрямків обробітку робочих ділянок у кожному конкретному випадку. В основу корисної моделі поставлено задачу удосконалення способу картографування ерозійної небезпеки земель за рахунок автоматичного визначення на кожній земельній ділянці найбільш ерозійно-безпечного напрямку основного обробітку, за яким швидкості водних потоків й ерозія ґрунту будуть мінімальними, що дає можливість зменшити змив ґрунту та ризик розвитку яружної ерозії. 1 UA 93665 U 5 Поставлена задача вирішується тим, що у відомому способі картографування ерозійної небезпеки земель та мінімізації ризику ерозії, який включає польові дослідження, визначення за допомогою GPS координат вершин ерозійних рівчаків та ієрархічно упорядковане кодування елементів рельєфу, кольорову типізацію просторового розподілу ерозійної небезпеки земель за відповідною шкалою, згідно з корисною моделлю, додатково отримують індекс ерозійної небезпеки земель у поперечних перерізах борозен з кроком через 10 метрів - за кожним з можливих напрямків основного обробітку, шляхом послідовних наближень за формулами: Q kL ΒΙ = S S ν = n 1 R 0,67 J0,5 ν= Ιe = ν , νp (1) (2) 10 15 20 25 30 35 40 45 50 де: ν - середня швидкість потоку, м/с; 3 Q - витрати води, м /с; 2 S - площа поперечного перерізу, м ; K - коефіцієнт стоку; L - довжина борозни, м; В - ширина борозни, м; I - інтенсивність зливи 10 % забезпеченості, м/с n - коефіцієнт шорсткості; R - гідравлічний радіус водного потоку в борозні, м; J - ухил схилу; Іе - індекс ерозійної небезпеки земель; νp - розмивна швидкість водного потоку в борознах основного обробітку, м/с, отримують автоматично оптимальний напрямок обробітку, що має мінімальні середні значення індексу, а картограму складають і зберігають у базі даних шляхом кодування кольором середніх для відрізків між перерізами значень індексу, згідно зі шкалою оцінки ерозійної небезпеки земель. Спосіб реалізовано в наступній послідовності: 1. За допомогою приладу GPS визначають координати меж досліджуваної території. 2. У географічній інформаційній системі Mapinfo роблять географічну прив'язку електронної топографічної карти масштабу 1:10000, що охоплює досліджувану територію, до проекції Longitude/Latitude (WGS 84), що відповідає координатній прив'язці GPS для створення шарів інформації про рельєф та робочі ділянки, для яких проводиться оцінка ерозійної небезпеки. 3. Креслять лінії стоку за допомогою команди Polyline від вододільної до базисної точки, з фіксацією точок їх перетинання з горизонталями. Сусідні ліній стоку вводять проти годинникової стрілки. Лінії стоку вводять в межах кожної суцільної ділянки водозбірного басейну доти, поки перепад висот між початковими точками сусідніх ліній стоку не перевищує перепад висот між сусідніми точками лінії стоку, або наступна ділянка, що підлягає діагностиці буде розташована в просторовому розриві з попередньою. В випадках, що суперечать цим вимогам до ТАВ-файлу вводять ознаку початку нової ділянки водозбірного басейну (у подальшому ділянки 1-го рангу). 4. Робочі ділянки креслять в довільній послідовності за допомогою команди Polygon. 5. Робочі ділянки, що підлягають діагностиці нумерують у порядку їх креслення. 6. Для кожної робочої ділянки за допомогою команди Polyline креслять можливі напрямки основного обробітку земель уздовж меж - у послідовності, що відповідає нумерації цих ділянок і вводять їх кількість. 7. Математичні розрахунки довжин, площ та ухилів неможливо здійснювати у проекції Longitude/Latitude (WGS 84), в якій координати точок представлено у градусах. Тому шари, що містять географічну інформацію про рельєф, робочі ділянки та можливі напрямки основного обробітку цих ділянок зберігають у вигляді файлів з розширеннями TAB, MIF та MID у проекції Universal Transverse Mercator (WGS 84) (для України - UTM Zone 36, Northern Hemisphere (WGS84)), в якій координати точок представлено у метрах. 8. Дані MIF-файлів, що містять інформацію про рельєф зберігають у вигляді ТХТ-файлів, які містять код географічної проекції, структурно впорядковані координати точок ліній стоку та висоти рельєфу [UA № 79888. Спосіб картографування ерозійної небезпеки схилових земель]. 2 UA 93665 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 9. Автоматично вилучають з MIF-файлів та зберігають за допомогою ТХТ-файлів інформацію у вигляді координат характерних точок робочих ділянок та можливих напрямків обробітку. 10. За 1-м напрямком можливого обробітку 1-ї робочої ділянки автоматично визначають координати та висоти точок, розташованих через кожні 5 м на 1-й лінії, що співпадає з межею ділянки. 11. Визначають точки перегину висот як точки їх локальних максимумів та мінімумів за цією лінією. 12. Для кожного відрізку, починаючи від точки 1-го локального максимуму висот, визначають ухил схилу, ухил за напрямком відрізку та відстань від середини відрізку до зазначеної точки. На Фіг. 1 представлено результат автоматичного визначення точок локальних максимумів і мінімумів висот і напрямків течії водних потоків для визначення довжини L у формулі (1) за лініями одного з можливих напрямків обробітку, де 1 - точки початку водних потоків (вододільні точки); 2 - кінцеві точки водних потоків за 1-м діагностичним напрямком обробітку; 3 - напрямки рухів водних потоків; 4 - горизонталі. 13. Вирішуючи шляхом послідовних наближень систему рівнянь (1) з урахуванням положення поперечного перерізу борозни на рельєфі в кожній із зазначених точок (через 10 м), знаходять середню швидкість водного потоку. За формулою (2) розраховують індекс ерозійної небезпеки в поперечному перерізі борозни. 14. Так само розраховують індекс ерозійної небезпеки для сусіднього поперечного перерізу борозни. 15. Визначають та зберігають середнє значення цього індексу для відрізку 10 м між сусідніми точками. 16. Узагальнюють значення індексу ерозійної небезпеки в межах лінії за оцінювальною шкалою. 17. Розрахунки за пунктами 12-16 повторюють для кожної точки 1-ї лінії. 18. За допомогою рівнянь прямих відрізки 1-ї діагностичної лінії переносять паралельно через 10 м в бік протилежної межі ділянки і креслять другу лінію. 19. Повторюють всі дії пунктів 10-18 для 2-ї лінії. 20. Креслення ліній і розрахунки індексів ерозійної небезпеки за кожним напрямком повторюють до тих пір поки лінія не виходить за межі робочої ділянки. 21. Автоматично створюють та зберігають у вигляді файлів з розширеннями MIF карту оцінки ерозійної небезпеки земель за відповідним напрямком основного обробітку та легенду до неї, що містить код проекції, оцінювальну шкалу та частку значень індексу в межах кожного інтервалу шкали для всієї робочої ділянки. 22. Пункти дій 10-22 послідовно повторюють за кожним із заздалегідь уведених можливим напрямком основного обробітку робочої ділянки. 23. До ГІС Mapinfo за допомогою команди Import з меню Table вводять карти та легенди індексу ерозійної небезпеки земель за різними напрямками обробітку для кожної робочої ділянки. На Фіг. 2 показано карту оцінки ерозійної небезпеки земель за напрямком, зображеним на Фіг. 1. Така карта одночасно зображує напрямок обробітку, що діагностується (напрямок ліній на Фіг. 2) й оцінку ерозійної небезпеки (колір, що відповідає легенді). 24. Порівнюючи в автоматичному режимі легенди карт, вибирають і зберігають оптимальний у ґрунтозахисному відношенні напрямок основного обробітку, як такий, що характеризується мінімальним середнім значенням індексу ерозійної небезпеки, в вигляді MIF-файлу. Пункти 1024 алгоритму повторюють для кожної робочої ділянки. Значення індексу ерозійної небезпеки визначено для відрізків довжиною 10 м ліній, проведених через 10 м. Картограму індексу ерозійної небезпеки для іншого напрямку обробітку тієї ж самої робочої ділянки, що відповідає поняттю "оранка поперек схилу" зображено на Фіг. 3. Оцінку ерозійної небезпеки земель здійснюють за шкалою, що наведено у таблиці 1 [UA № 70268. Спосіб визначення ерозійної небезпеки схилових земель]. 3 UA 93665 U Таблиця 1 Шкала оцінки ерозійної небезпеки земель Інтервали Іе 0,0-0,5 0,5-1,0 1,0-1,5 1,5-2,0 > 2,0 5 10 15 20 25 30 35 Оцінка ерозійної небезпеки Ерозійно-безпечні землі Умовно ерозійно-безпечні землі Допустимо ерозійно-небезпечні землі Ерозійно-небезпечні землі Надмірно ерозійно-небезпечні землі Порівнюючи Фіг. 2 і Фіг. 3, приходимо до висновку, що у розглянутому прикладі напрямок обробітку робочої ділянки "вздовж схилу" виявився оптимальним у ґрунтозахисному відношенні (96 % ерозійно-безпечних земель порівняно з 44 % в альтернативному випадку). Суттєвою перевагою способу картографування ерозійної небезпеки земель перед відомими способами прогнозування змиву за характерними профілями рельєфу є просторова адекватність врахування ерозійної небезпеки в штучних борознах максимально можливих розмірів, які є найбільш небезпечними осередками прискореної ерозії. В зв'язку із складністю реального рельєфу, загальні рекомендації основного обробітку земель поперек схилів, спрямовані на зменшення змиву ґрунту, не є універсальними. Короткі схили з більшими ухилами часто виявляються менш ерозійно-небезпечними, ніж довгі з меншими ухилами. В умовах ускладненого рельєфу нерідко поняття основного обробітку земель "поперек схилу" втрачає сенс. Тому універсальних рекомендації стосовно напрямків обробітку не може бути. Для реального зменшення ризику прискореної ерозії земель необхідно в кожному випадку ускладненого рельєфу проводити картографування ерозійної небезпеки земель за різними напрямками обробітку та обирати такий з них, що супроводжується мінімальним ризиком водної ерозії в умовах злив максимальної інтенсивності. На Фіг. 4 зображено оптимальні в ґрунтозахисному відношенні напрямки основного обробітку земель на робочих ділянках, обмежених лісосмугами, що визначено за допомогою заявленого способу. Як виявилось, ділянки 2, 5, 9, 10 краще обробляти поперек схилу, як це зазвичай і робиться. Для інших ділянок поняття напрямок обробітку відносно схилу втрачає сенс, оскільки вони розташовані на випуклих схилах, для яких будь-який з можливих напрямків обробітку є не поперечним і не поздовжнім (ділянки 1, 6) або робоча ділянка належить декільком схилам, а напрямок обробітку необхідно вибрати один (ділянки 3, 4, 7). Збереження та автоматична компоновка карт і легенд у вигляді MIF-файлів з відповідною географічною проекцією значно спрощує процедуру картографування ерозійної небезпеки та обрання оптимальних для захисту земель від ерозії напрямків основного обробітку земель та просторового розташування меж робочих ділянок у ході трансформації земель. Спосіб можна широко використовувати для картографування ерозійної небезпеки земель, що виникає в результаті основного обробітку, й вибирання таких напрямків обробітку, за якими ризик ерозії стає мінімальним. Суттєвими його перевагами перед іншими є адекватність оцінки ерозійної небезпеки, що досягається просторовою детальністю автоматичного врахування безлічі сполучень природного та штучного рельєфу (борозен), можливість одночасного картографування ерозійної небезпеки на окремих земельних ділянках, вибраних користувачем і розташованих довільно - навіть фрагментарно, автоматичний вибір оптимальних напрямків обробітку, географічна прив'язка картограм і легенд ерозійної небезпеки, яка дає можливість подальшої просторової оптимізації ґрунтозахисних заходів в польових умовах із застосуванням GPS та польових ГІС. 40 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 45 Спосіб картографування ерозійної небезпеки земель та мінімізації ризику ерозії, що включає польові дослідження, визначення за допомогою GPS координат вершин ерозійних рівчаків та ієрархічно упорядковане кодування елементів рельєфу, кольорову типізацію просторового розподілу ерозійної небезпеки земель за відповідною шкалою, який відрізняється тим, що додатково отримують індекс ерозійної небезпеки земель у поперечних перерізах борозен з кроком через 10 метрів - за кожним з можливих напрямків основного обробітку, шляхом послідовних наближень за формулами: 50 4 UA 93665 U Q kL ΒΙ = S S ν = n 1 R0,67 J0,5 ν= Ιe = 5 10 15 ν , νp (1) (2), де: ν - середня швидкість потоку, м/с; 3 Q - витрати води, м /с; 2 S - площа поперечного перерізу, м ; k - коефіцієнт стоку; L - довжина борозни, м; В - ширина борозни, м; I - інтенсивність зливи 10 % забезпеченості, м/с; n - коефіцієнт шорсткості; R - гідравлічний радіус водного потоку в борозні, м; J - ухил схилу;  e - індекс ерозійної небезпеки земель; νp - розмивна швидкість водного потоку в борознах основного обробітку, м/с, та отримують автоматично оптимальний напрямок обробітку, що має мінімальні середні значення індексу, а картограму складають і зберігають у базі даних шляхом кодування кольором середніх для відрізків між перерізами значень індексу, згідно зі шкалою оцінки ерозійної небезпеки земель. 5 UA 93665 U 6 UA 93665 U Комп’ютерна верстка М. Шамоніна Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7