Συγκριτική μελέτη μοντέλων διάβρωσης εδάφους με βάση GIS και τηλεπισκόπηση

Από RemoteSensing Wiki

Τίτλος:

A comparative study of soil erosion models based on GIS and remote sensing

Συγγραφείς:

Bikram Prasad & H.L Tiwari

Πηγή:

Prasad, B., & Tiwari, H. . (2020). A comparative study of soil erosion models based on GIS and remote sensing. ISH Journal of Hydraulic Engineering, 1–5. https://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/09715010.2020.1814881

Εισαγωγή

H Νότια Ασία είναι μια από τις περιοχές του κόσμου όπου η διάβρωση του εδάφους από το νερό και τον άνεμο είναι ένα σοβαρό πρόβλημα (Venkateswarlu 1994; Singh et al. 1992). Περίπου 2 δισεκατομμύρια εκτάρια (ha) της συνολικής έκτασης της γης εκτίθενται σε διάβρωση του εδάφους από ανθρώπινη δραστηριότητα. Λόγω της διάβρωσης, η παγκόσμια απώλεια της παραγωγής των καλλιεργειών εκτιμήθηκε ως 10% στα δημητριακά, 5% στα φασόλια σόγιας, 5% στα όσπρια και 12% στις ρίζες και στους κονδύλους (Lal 1998). Ο σκοπός αυτής της μελέτης είναι να συγκρίνει και να αξιολογήσει την καταλληλότητα των μοντέλων Universal Soil Loss Equation (USLE) και Unit Stream Power-based Soosion Erosion / Deposition (USPED) για την αξιολόγηση της κατανομής της διάβρωσης του εδάφους σε κλίμακα λεκάνης απορροής.

Περιγραφή της περιοχής μελέτης και των δεδομένων

Η Upper Lake στο Bhopal έχει μια λεκάνη απορροής 362,35 τετραγωνικά χιλιόμετρα με χωρητικότητα 117,05 εκατομμύρια κυβικά μέτρα. Το πρότυπο χρήσης γης περίπου του 80% της λεκάνης απορροής είναι γεωργικό, ενώ το 5% είναι δασικό και το υπόλοιπο αστικό. Το νερό της βροχής είναι η μόνη πηγή νερού σε αυτήν τη λίμνη. Η περιγραφή των διαφόρων δεδομένων δίνεται στον πίνακα της εικόνας 1. Η περιοχή μελέτης φαίνεται στην εικόνα 2.

Μεθοδολογία

Το μαθηματικό μοντέλο USLE επελέγη και ενσωματώθηκε στην περιοχή μελέτης, καθώς απαιτεί χάρτη μορφολογικού αναγλύφου με χρήση γης που μπορούν να παραχθούν από εικόνες τηλεπισκόπησης, δεδομένα βροχόπτωσης, τύπους εδάφους και τις ιδιότητές τους. Άλλες δυνατότητες του USLE είναι ότι οι παράμετροι αυτού του μοντέλου μπορούν να ενσωματωθούν αποτελεσματικά στο GIS για καλύτερη διερεύνηση (Botelho et al. 2018). Το βασικό σημείο της παρούσας έρευνας είναι ο συντονισμός του μοντέλου USLE με μεθόδους τηλεπισκόπησης και GIS για την αξιολόγηση του κινδύνου διάβρωσης (Ustun 2008) στη λεκάνη απορροής της Upper Lake Bhopal. Το μοντέλο USLE εξαρτάται από πολλές φυσικές και διαχειριστικές παραμέτρους που επηρεάζουν τη διάβρωση που κατηγοριοποιούνται σε πέντε παράγοντες, οι οποίοι μπορούν να εκφραστούν αριθμητικά. Η παρακάτω εξίσωση USLE:

E = R × K × LS × C × P

όπου E : η υπολογισμένη απώλεια εδάφους που προκαλείται από διάβρωση φύλλων και σχισμών R είναι ο συντελεστής διαβρωτικότητας βροχόπτωσης (MJ mm h /ha /yr), K είναι ο συντελεστής διαβρωτικότητας του εδάφους ( t ha h /ha / MJ /mm ), L είναι ο συντελεστής μήκους κλίσης (χωρίς διάσταση), S είναι ο συντελεστής απότομης κλίσης (χωρίς διάσταση), C είναι ο συντελεστής κάλυψης και διαχείρισης (χωρίς διάσταση κυμαίνεται από 0 έως 1) και P είναι ο συντελεστής πρακτικής υποστήριξης (χωρίς διάσταση κυμαίνεται από 0 έως 1).

Το μοντέλο USPED δεν προβλέπει μόνο τα ποσοστά διάβρωσης του εδάφους αλλά επίσης λαμβάνει υπόψη την εναπόθεση που συμβαίνει στην λεκάνη απορροής (Liu et al. 2007). Επιπλέον, υποθέτει ότι η ποσότητα των ιζημάτων που μεταφέρονται από το νερό είναι σταθερή καθόλα τα όρια μεταφοράς. Ο καθαρός ρυθμός διάβρωσης / εναπόθεσης εκτιμάται ως η μεταβολή στον ρυθμό ροής ιζημάτων που εκφράζεται από την απόκλιση στη ροή ιζημάτων (Kandrika και Dwivedi 2003).

Η ροή ιζημάτων : Qs = R × K × C × P×Am × (Sinb)n

όπου οι σταθερές m και n έχουν τις τιμές 1.6 και 1.3 αντίστοιχα, για επικρατούσα διάβρωση των σχισμών και 1 για επικρατούσα διάβρωση των φύλλων (Mitasova και Mitas 1999).

Αποτελέσματα

Η απώλεια εδάφους υπολογίστηκε χρησιμοποιώντας το USLE. Η ετήσια απώλεια εδάφους της λεκάνης απορροής εκτιμήθηκε σε 19,6 τόνους /ha/ έτος. Η απώλεια εδάφους για διαφορετικές υπο-λεκάνες απορροής κυμαινόταν από 1,26 έως 99,05 t/ ha/ έτος. Τα αποτελέσματα που ελήφθησαν από μοντέλα USLE κατηγοριοποιήθηκαν σε πέντε κατηγορίες: (1) Ζώνη πολύ υψηλού κινδύνου διάβρωσης, (2) Ζώνη υψηλού κινδύνου διάβρωσης, (3) Μέτρια ζώνη κινδύνου διάβρωσης, (4) Ζώνη χαμηλού κινδύνου διάβρωσης και (5) Πολύ χαμηλού κινδύνου ζώνη διάβρωσης. Ο ετήσιος χάρτης απώλειας εδάφους παρουσιάζεται στην εικόνα 2. Διαπιστώθηκε ότι η συνολική διάβρωση του εδάφους που υπολογίστηκε χρησιμοποιώντας το μοντέλο USPED που προέκυψε λόγω της διάβρωσης των φύλλων ήταν 761910 t / yr και λόγω της διάβρωσης σχισμών βρέθηκε να είναι 2510 t /yr. Η συνολική διάβρωση που οφείλεται τόσο στη διάβρωση των φύλλων όσο και στις σχισμές είναι 764481,5 τόνοι/έτος. Η χωρική κατανομή των καθαρών ποσοστών διάβρωσης / απόθεσης με USPED φαίνεται στην εικόνα 3. Όλη η λεκάνη απορροής έχει κατηγοριοποιηθεί ως Υψηλή απόθεση από 25,00 έως 200,00 τόνους / ha/ έτος , μέτρια απόθεση από 8,50 έως 25,00 τόνους/ ha/ έτος, χαμηλή εναπόθεση από 4,00 έως 8,50 τόνους /ha/ έτος, σταθερή από -4,00 έως 4,00 τόνους / ha/έτος, χαμηλός κίνδυνος διάβρωσης -4,00 έως −8,50 τόνους /ha/έτος , μέτρια από −8,50 έως −25,00 t /ha /1 , υψηλός κίνδυνος διάβρωσης από -25,00 έως 75,00 t/ ha/yr, πολύ υψηλός κίνδυνος διάβρωσης από −75,00 έως −200,00 t /ha /έτος. Η διάβρωση που εκτιμάται με το μοντέλα USLE και το USPED φαίνεται στον πίνακα της εικόνας 4. Δεδομένου ότι τα πρακτικά δεδομένα για τη διάβρωση του εδάφους της λεκάνης δεν ήταν διαθέσιμα, η εφαρμογή δύο μοντέλων στη σύγκριση της εκτίμησης της διάβρωσης του εδάφους ήταν πολύ χρήσιμη. Συγκεκριμένα, οι εκτιμώμενοι ρυθμοί που υπολογίζονται από το USPED είναι πιο ακριβείς από εκείνους που επιτυγχάνονται από το USLE καθώς το USPED αντικαθιστά το μήκος κλίσης λ (που λαμβάνεται στο USLE) με την ανηφορική περιοχή ανά μονάδα πλάτους περιγράμματος Α, το οποίο δείχνει καλύτερα την επίδραση της σύγκλισης / απόκλισης της ροής στην αυξημένη διάβρωση.

Συμπεράσματα

Αυτή η μελέτη έδειξε τη δυνατότητα εφαρμογής των μοντέλων USLE και USPED για την αξιολόγηση της χωρικής κατανομής της απώλειας εδάφους και της καθαρής διάβρωσης / εναπόθεσης εδάφους σε μια κλίμακα λεκάνης απορροής. Η χωρική διάβρωσης του εδάφους έδειξε ότι η βροχόπτωση και η κλίση παίζουν σημαντικό ρόλο στη διάβρωση του εδάφους στο άνω τμήμα της Upper Lake, ενώ οι καλύψεις βλάστησης και οι ιδιότητες του εδάφους επικρατούν στις επιπεδες ζώνες. Η εφαρμογή και των δύο μοντέλων USLE και USPED έδωσε τις απαραίτητες πληροφορίες για τη χρήση διαφόρων στρατηγικών για την κατανόηση της διάβρωσης του εδάφους. Περιλαμβάνει διάφορους παράγοντες, για παράδειγμα, τις κλιματολογικές συνθήκες, τη γεωλογία, τη χρήση γης και την εξάπλωση γης και ούτω καθεξής, που συμβάλλουν στον εντοπισμό περιοχών διάβρωσης του εδάφους. Επίσης, τα αποτελέσματα που αποκτήθηκαν σε αυτήν τη μελέτη μπορούν να αποτελέσουν πολύτιμη αναφορά στην περαιτέρω αναγνώριση κεκλιμένων ζωνών, πρακτικών προστασίας του εδάφους, οικολογικής διαχείρισης της Upper Lake, Bhopal.