Спосіб картографування ерозійної небезпеки земель та мінімізації ризику ерозії

Реферат: Спосіб картографування ерозійної небезпеки земель та мінімізації ризику ерозії включає польові дослідження, визначення за допомогою GPS координат вершин ерозійних рівчаків, ієрархічно впорядковане кодування елементів рельєфу, розрахунки й збереження у вигляді шару географічної інформації значень індексу ерозійної небезпеки для ріллі за відповідною шкалою. Додатково отримують середні значення індексу ерозійної небезпеки для кожної технологічної ділянки за умов чорного пару, а мінімізацію ризику водної ерозії здійснюють шляхом послідовного розміщення культур або сівозмін за цільовою функцією: UA 97373 U (54) СПОСІБ КАРТОГРАФУВАННЯ ЕРОЗІЙНОЇ НЕБЕЗПЕКИ ЗЕМЕЛЬ ТА МІНІМІЗАЦІЇ РИЗИКУ ЕРОЗІЇ UA 97373 U UA 97373 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до сільського господарства, а саме для боротьби з водною та вітровою ерозією. Спосіб може знайти застосування у землевпорядній та агротехнічній практиці для оптимального розподілу сільськогосподарських культур і сівозмін на конкретних технологічних ділянках сільськогосподарських земель для профілактики їх прискореної ерозії. Відомо спосіб визначення ерозійної небезпеки схилових земель [UA № 70268. Спосіб визначення ерозійної небезпеки схилових земель], що включає 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. До того ж не вирішено питання забезпечення репрезентативності розрахунків для картографування ерозійної небезпеки. Відомо спосіб протиерозійної типізації орних земель за технологічними групами, спрямований на захист земель від ерозії [Методичні рекомендації щодо розроблення проектів землеустрою, що забезпечують еколого-економічне впорядкування сівозміни та впорядкування угідь // Землевпорядний вісник 2013, № 10. - С. 52-63], що включає виділення на ріллі трьох технологічних груп земель за кутами нахилу: І - до 3°, II-3-7°, III - понад 7° і визначення для них ґрунтозахисних технологій вирощування сільськогосподарських культур. Недоліками способу є те, що він не враховує довжини схилів, площі водозборів улоговин, існуючі полезахисні лісові смуги, які істотно впливають на ерозійну небезпеку земель і не дозволяє досягти просторової диференціації щільності протиерозійних заходів адекватної реальній ерозійній небезпеці ріллі. Відомо спосіб захисту ґрунтів від ерозії [UA № 47206. Спосіб захисту ґрунтів від ерозії], згідно з яким інтенсивність ерозійних процесів зменшується за допомогою одночасного використання ярих та озимих польових культур суцільного посіву. Спосіб призначено для підвищення протиерозійної стійкості польових ґрунтів на початкових стадіях розвитку ерозійних процесів, для профілактики поверхневої ерозії орних земель. Перевагою цього способу є профілактика ерозії з одночасним одержанням товарної продукції зернових культур. Недоліком способу є невизначеність його застосування до конкретних земельних ділянок. Надмірний захист земель від ерозії є неефективним як і недостатній тому, що знижує можливості вирощування найбільш цінної товарної продукції на родючих землях. Найближчим аналогом є спосіб картографування ерозійної небезпеки земель [UA № 79888. Спосіб картографування ерозійної небезпеки схилових земель], що включає польові дослідження з визначенням 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 включає 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 ґрунтозахисних властивостей технологій вирощування окремих культурних рослин та сівозмін на ерозійну небезпеку. Багаторічні дослідження дозволили нам встановити головну закономірність формування ерозійно-стійких агроландшафтів, яка полягає у можливості достатнього опору ґрунтоворослинного покриву з конкретними ґрунтозахисними властивостями ерозійній потужності водних потоків [Куценко М.В. Геосистемні основи регулювання ерозійно-акумулятивних процесів: геоморфосистемний аспект [Текст]. - Харків: КП "Міська друкарня", 2012. - 320 с]. Тому для ефективної охорони ґрунтів від ерозії було розроблено спосіб оптимального використання ґрунтозахисних властивостей сільськогосподарських рослин шляхом їх раціонального розміщення в межах наперед заданих технологічних ділянок. Це дає можливість звести до мінімуму ризик ерозії шляхом впровадження найбільш дешевого організаційного заходу захисту ґрунтів від ерозії. Для підвищення ефективності захисту ґрунтів від ерозії важливо оптимально використовувати протиерозійні властивості всіх сільськогосподарських рослин. В основу корисної моделі поставлено задачу удосконалення способу картографування ерозійної небезпеки та мінімізації ризику ерозії шляхом отримання можливості підбору для кожної технологічної ділянки відповідної сільськогосподарської культури, що сприяє отриманню 1 UA 97373 U 5 10 максимально можливих врожаїв при мінімальному зменшенні ерозійної небезпеки й мінімальних економічних втратах. 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, ієрархічно впорядковане кодування елементів рельєфу, розрахунки й збереження у вигляді шару географічної інформації значень індексу ерозійної небезпеки для ріллі за відповідною шкалою, згідно з корисною моделлю, додатково отримують середні значення індексу ерозійної небезпеки для кожної технологічної ділянки за умов чорного пару, а мінімізацію ризику водної ерозії здійснюють шляхом послідовного розміщення культур або сівозмін за цільовою функцією: m fmin   K i [K s FI J0,3 ] j x ij ; (1) 0, 4 j 1 та обмеженнями: x ij  S j ; (2) n x i1 ij  S i ; (3) x ij  0 , (4) 15 20 25 де: означає мінімальне значення ерозійно-небезпечних площ під fmin сільськогосподарською культурою (сівозміною) з максимальним значенням коефіцієнта ерозійної небезпеки, га; j - номер технологічної ділянки; i - номер сільськогосподарської культури або сівозміни; 0,4 K i [K s FI J0,3 ] j - середнє значення індексу ерозійної небезпеки ділянки j під сільськогосподарською культурою (сівозміною) i ; K i - коефіцієнт ерозійної небезпеки сільськогосподарської культури i ; K s - коефіцієнт, що об'єднує ерозійні властивості земель ділянки j ; 2 F - площа водозбору, м , що замикається створом 10 м, середня для точок регулярної мережі кроком 10 м, що покривають ділянку; I - інтенсивність зливи 10 %-ї забезпеченості, м/с; J - ухил схилу, середній для точок регулярної мережі кроком 10 м, що покривають ділянку; x ij - площа і-ї сільськогосподарської культури (сівозміни) в межах j-ї ділянки, га; S j - площа j-ї технологічної ділянки, га; 30 35 40 45 50 S i - запланована під культуру (сівозміну) i площа, га, що дає можливість оптимально використовувати ґрунтозахисні властивості сільськогосподарських рослин. Згідно з корисною моделлю, кількість кроків оптимізації на 1 менша кількості сільськогосподарських культур або сівозмін, що підлягають розподілу, а на кожному наступному кроці зі складу технологічних ділянок вилучають ділянки, закріплені за певними сівозмінами на попередніх кроках. 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). 3. Креслять лінії стоку за допомогою команди Polyline від вододільної до базисної точки, з фіксацією точок їх перетинання з горизонталями. Лінії стоку вводять в межах кожної суцільної ділянки водозбірного басейну проти годинникової стрілки до тих пір поки перепад висот між початковими точками сусідніх ліній стоку не перевищує перепад висот між сусідніми точками лінії стоку, або наступна ділянка, що підлягає діагностиці розташована в просторовому розриві з попередньою. У випадках, що суперечать цим вимогам до ТАВ-файлу вводять ознаку початку нової ділянки водозбірного басейну. 4. Протиерозійні рубежі креслять в довільній послідовності також за допомогою команди Polyline. 2 UA 97373 U 5 10 4. Креслять і нумерують технологічні ділянки в довільній послідовності за допомогою команди Polygon. 5. 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 та робочі ділянки зберігають у вигляді файлів з розширеннями ТАВ, MIF та MID у проекції Universal Transverse Mercator (WGS 84), в якій координати точок представлено у метрах. 6. Дані MIF- файлів, що містять інформацію про рельєф зберігають у вигляді векторної структурної цифрової моделі рельєфу. 7. Після проходження потужної зливи визначають за допомогою плювіографу її інтенсивність, а за допомогою GPS - координати вершин ерозійних рівчаків, обумовлених цією зливою. 8. За допомогою ВСЦМР розраховують коефіцієнт K s для чорного пару ( K p  1 ) за формулою: 15 20 25 30 Ks  FI 1 0, 4 J 0 ,3 де 1 - значення індексу ерозійної небезпеки в місцях початку ерозійних борозен на чорному пару при інтенсивності зливи I , м/с. Інші умовні позначення такі ж самі як у формулі (1). 9. Визначають склад сівозмін досліджуваної території. 10. За довідковими даними розраховують значення коефіцієнта ерозійної небезпеки для кожної сільськогосподарської культури, які зведено в таблиці 1. 11. Здійснюють диференційовану за точками регулярної мережі та узагальнену за технологічними ділянками оцінку ерозійної небезпеки земель господарства за умов чорного пару та зберігають картограми й легенди такої оцінки до бази даних. У файлі з розширенням MIF зберігають координати та коди кольорів, що відповідають шкалі й легенді оцінки ерозійної небезпеки земель (табл. 2). На Фіг. 1 показано картограми диференційованої (А) та узагальненої (Б) для окремих технологічних ділянок оцінки ерозійної небезпеки земель для умов чорного пару, номери ділянок (А) і середні значення індексу для кожної ділянки (Б). Оскільки ерозійна небезпека за суттю носить диференційований характер (див. Фіг. 1А), а вибір ділянок для оптимального зрощування культур є дискретним, то виникає проблема неоднозначності вибору ділянка відповідна культура (сівозміна). 12. Для практичної реалізації способу розроблено математичну модель, яка дає можливість крок за кроком отримати відповідність ділянок і зрошуваних культур, і таким чином вирішити поставлену задачу. 35 Таблиця 1 Культури Пар Озимі на зерно Озимі на зелений корм Горох Ячмінь Овес Соняшник Кукурудза на силос Кукурудза на зерно Буряк Ячмінь з підсівом Багаторічні трави 1 -го року Багаторічні трави 2-го та 3-го років Соя Ярий ріпак Картопля IV 1 0,4 0,4 1 0,7 0,7 1 1 1 1 0,7 1 0,01 1 1 1 V 1 0,25 0,2 0,25 0,25 0,25 0,95 0,95 0,95 0,95 0,25 0,9 0,01 0,9 0,4 0,95 3 VI 1 0,15 1 0,2 0,2 0,2 0,8 0,8 0,8 0,8 0,2 0,9 0,01 0,4 0,2 0,8 Місяці VII 1 0,15 1 0,15 0,15 0,15 0,75 0,7 0,75 0,8 0,15 0,8 0,01 0,4 0,2 0,8 VIII 1 0,3 1 1 0,3 0,3 0,6 0,55 0,6 0,7 0,15 0,5 0,01 0,4 0,25 0,7 IX 1 0,8 1 1 1 1 0,6 1 0,6 0,8 0,1 0,2 0,01 1 1 0,8 X 1 0,4 1 1 1 1 1 1 1 1 0,1 0,1 0,01 1 1 1 В середньому 1,00 0,35 0,80 0,66 0,51 0,51 0,81 0,86 0,81 0,86 0,24 0,63 0,01 0,73 0,58 0,86 UA 97373 U Таблиця 2 Інтервали Іе 0,0-0,5 0,5-1,0 1,0-1,5 1,5-2,0 >2,0 5 Оцінка ерозійної небезпеки Ерозійно-безпечні землі Умовно ерозійно-безпечні землі Допустимо ерозійно-небезпечні землі Ерозійно-небезпечні землі Надмірно ерозійно-небезпечні землі У таблиці 3 представлено фрагмент рішення задачі на 1-му кроці. У результаті рішення в 4му рядку таблиці одержують площі сівозміни, які порівнюють з площами ділянок у 2-му рядку. Якщо ці площі співпадають з точністю ± 10 %, то відповідні ділянки закріплюють за сівозміною, що враховують на даному кроці рішення (ділянки 1-3 у табл. 3). Таблиця 3 1 2 3 4 5 10 15 20 25 30 35 40 А Номери ділянок Площі ділянок, га Польова сівозміна Площі сівозміни, га Доданки цільової функції … С 1 43,20 1,32 43,20 56,23 D 2 48,09 1,06 48,09 50,68 Е 3 45,98 1,11 46,30 51,32 F 4 49,16 1,39 22,97 31,82 Якщо площа ділянки є істотно більшою площі сівозміни, то її ділять упоперек схилу на 2 частини так, щоб площа верхньої її складової дорівнювала площі сівозміни 4-го рядку. Так ділянку 4 у таблиці 3 необхідно розділити на 2 частини - верхню з площею 22,97 га та нижню з площею 26, 19 га. 13. З картограми вилучають ділянки, що закріплено за сільськогосподарською культурою (сівозміною) на 1-му кроці та проводять нову нумерацію ділянок, що залишились. 14. Для подальшого розподілу обирають наступну культуру (сівозміну) з найбільшим значенням коефіцієнта ерозійної небезпеки. Таким чином розподіляють всі культури (ciвозміни) між технологічними ділянками. На Фіг. 2 показано картограми оцінки ерозійної небезпеки земель з урахуванням розподілених польової (638 га; К=0,64) та кормової (112 га; К=0,24) сівозмін між технологічними ділянками господарства традиційними способом (А) та способом мінімізації ризику ерозії (Б). У традиційний спосіб кормову сівозміну розподілено між ділянками 5, 14, 19, 20, 22, а інші ділянки закріплено за польовою сівозміною. За способом мінімізації ризику ерозії ділянки 14, 19, 20, 22 також закріплено за кормовою сівозміною, ділянку 5 відведено під польову сівозміну, а ділянку 4 розділено на 2 ділянки - 4 з площею 22,97 га (див. табл. 3) та 34 з площею 26,19 га. При цьому ділянку 4, яка характеризується меншою ерозійною небезпекою відведено під польову сівозміну, а ділянку 34 - під кормову. Як видно з креслення спосіб мінімізації ризику ерозії дозволив захистити від ерозії 2 % земель без додаткових коштів, а тільки за рахунок землевпорядкування 2 % від 750 га складають 15 га. Відомо, що втрати урожайності зернових на слабоеродованих ґрунтах порівняно з нееродованими сягають 20 %. [Эколого-экономические проблемы сельскохозяйственного производства Текст / Под ред. О.Ф. Балацкого. - К.: Урожай, 1992. - 144 с]. Таким чином за умов середньої врожайності 35 ц/га та ціни одного центнеру зерна 180 грн. для наведеного прикладу в перспективі буде заощаджено коштів: Y=15 га·35 ц/га·0,2·180 грн./ц=18900 грн. Спосіб картографування ерозійної небезпеки та мінімізації ризику ерозії можна широко використовувати для ерозійно-безпечного розподілу сільськогосподарських культур і сівозмін на конкретних технологічних ділянках з метою найбільш економічного збереження родючості ґрунтів за рахунок оптимального використання ґрунтозахисних властивостей всіх сільськогосподарських культур. 4 UA 97373 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 1. Спосіб картографування ерозійної небезпеки земель та мінімізації ризику ерозії, що включає польові дослідження, визначення за допомогою GPS координат вершин ерозійних рівчаків, ієрархічно впорядковане кодування елементів рельєфу, розрахунки й збереження у вигляді шару географічної інформації значень індексу ерозійної небезпеки для ріллі за відповідною шкалою, який відрізняється тим, додатково отримують середні значення індексу ерозійної небезпеки для кожної технологічної ділянки за умов чорного пару, а мінімізацію ризику водної ерозії здійснюють шляхом послідовного розміщення культур або сівозмін за цільовою функцією: m 10 f min   K i [K s FI j 1 0, 4 J 0,3 ] j x ij ; (1) та обмеженнями: x ij  S j ; (2) n x i 1 ij  Si ; (3) xij  0 , (4) 15 20 25 де: fmin означає мінімальне значення ерозійно-небезпечних площ під сільськогосподарською культурою (сівозміною) з максимальним значенням коефіцієнта ерозійної небезпеки, га; j - номер технологічної ділянки; i - номер сільськогосподарської культури або сівозміни; 0,4 Ki [Ks FI J0,3 ]j - середнє значення індексу ерозійної небезпеки ділянки j під сільськогосподарською культурою (сівозміною) i ; K i - коефіцієнт ерозійної небезпеки сільськогосподарської культури i ; K s - коефіцієнт, що об'єднує ерозійні властивості земель ділянки j ; F - площа водозбору, м2, що замикається створом 10 м, середня для точок регулярної мережі кроком 10 м, що покривають ділянку; I - інтенсивність зливи 10 %-ї забезпеченості, м/с; J - ухил схилу, середній для точок регулярної мережі кроком 10 м, що покривають ділянку; x ij - площа і-ї сільськогосподарської культури (сівозміни) в межах j-ї ділянки, га; S j - площа j-ї технологічної ділянки, га; S i - запланована під культуру (сівозміну) i площа, га, 30 що дає можливість оптимально використовувати ґрунтозахисні властивості сільськогосподарських рослин. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що кількість кроків оптимізації на 1 менша кількості сільськогосподарських культур або сівозмін, що підлягають розподілу, а на кожному наступному кроці зі складу технологічних ділянок вилучають ділянки, закріплені за певними сівозмінами на попередніх кроках. 5 UA 97373 U 6 UA 97373 U Комп’ютерна верстка О. Рябко 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