Modul EROZE

Eroze

- Nástroj pro hodnocení erozní ohroženosti

Modul EROZE je určen pro projektanty pozemkových úprav, vodohospodáře a pozemkové úřady.

Jedná se o nadstavbu programu ATLAS DMT.

Nabízí specializované nástroje využitelné v oblasti hydrologie pro analýzu odtokových poměrů na území a v oblasti protierozní ochrany.

Aplikace pracuje ve vlastním grafickém prostředí a ke své práci vyžaduje data z digitálního modelu terénu ATLAS DMT.

Naše firma se podílela na řešení projektu TA02020647 „Atlas EROZE – moderního nástroje pro hodnocení erozního procesu”, který byl financován z prostředků Technologické agentury České republiky.

Projekt byl zaměřen na vytvoření moderního softwarového nástroje pro hodnocení erozního procesu a efektivních návrhů opatření. Jedním z úspěšně používaných nástrojů pro tento účel v České republice byl modul EROZE programu Atlas DMT. Firma Atlas ve spolupráci s Fakultou stavební ČVUT v Praze a s Výzkumným ústavem meliorací a ochrany půdy (VÚMOP, v.v.i) vytvořením nové verze modulu EROZE rozšíří trh o podstatně efektivnější a přesnější nástroj pro navrhování protierozní ochrany, jaký v ČR dosud chybí.

Atlas EROZE je rozšířením programu Atlas DMT, které je určeno pro hodnocení erozní ohroženosti zemědělských pozemků. V souladu s metodikou je erozní ohroženost modelována Univerzální rovnicí ztráty půdy (USLE). Novinkou Atlas EROZE je plošné modelování, které zásadním způsobem rozšiřuje možnosti stávajícího profilového řešení. V rámci něho je topografický faktor (LS) počítán metodou hustot odtokových drah na trojúhelníkové síti (TIN), která umožňuje naplno využít potenciálu přesných podrobných výškopisných dat (např. DMR 5G).

Postup modelování a navrhování scénářů je velice přímočarý a umožňuje projektantům rychle připravit optimální řešení. V nejjednodušším případě uživatel vloží do výkresu digitální model terénu, zadá nebo importuje erozně uzavřené celky a s přednastavenými faktory USLE (R, K, C, P) může hned provést výpočet. Jeho výsledkem je mapa erozního smyvu a protokol s vypočtenými hodnotami. Program však poskytuje širokou škálu dalších nastavení. Lze zadávat nebo importovat polygony s hodnotami jednotlivých faktorů, např. K faktor je možné importovat přímo z vrstvy BPEJ dodávané VÚMOPem nebo hodnoty C faktoru volit podle scénáře osevního postupu. V grafickém prostředí je možné vkládat i speciální polygony modelující umístění technických protierozních opatření, zejména přerušení povrchového odtoku nebo vymezení oblasti bez eroze. Atlas EROZE rovněž dokáže předpovídat místa, která by měl projektant, v souladu s metodikou, vyjmout z hodnocení nebo na nich navrhnout speciální opatření. Jedná se zejména o místa koncentrovaného odtoku nebo akumulace půdy.

Software je určen nejen pro projektanty navrhující protierozní opatření. Atlas EROZE je efektivní nástroj pro hodnocení stavu erozní ohroženosti, kontrolu navržených protierozních opatření pozemkovými úřady, při řešení sporů v souvislosti se škodami způsobenými erozí půdy apod. Využití najde i při mapování problematických lokalit pro implementaci GAEC nebo při tvorbě erozních map. Může být použit i při aktualizaci registru zemědělské půdy LPIS.

Modul Atlas EROZE je součástí nové verze Atlas DMT. Je výsledkem projektu TA ČR TA02020647 ve spolupráci s ČVUT v Praze a VÚMOP, v.v.i.

Řešení projektu TJ01000270 s názvem „Atlas HYDROLOGIE – moderní nástroj pro výpočet smyvu, odtoku a dimenzování prvků protierozní ochrany“, podpořeného Technologickou agenturou ČR: Atlas Hydro TACR Zeta.zip

podle univerzální rovnice Wischmeier-Smith
profil zadán dráhou kapky nebo vlastním polygonem
vykreslení trasy, podélného a příčného profilu s grafickou editací
určení sklonu a délky svahu (topografického faktoru)
zadání faktorů R, K, C, P
výpočet půdního smyvu až pro 5 variant
výstup do textového protokolu

Výpočet eroze vychází z metodiky univerzální rovnice Wischmeier-Smith. Uživatel si v situaci zadá spádovou křivku nebo polygon, na kterém se provádí další výpočet. Program vykreslí trasu polygonu a vynese podélný profil, popř. pro kontrolu i příčný profil ve zvoleném místě. Hranice výpočtu a umístění příčného profilu lze interaktivně měnit, přičemž program okamžitě aktualizuje všechny údaje. Na základě podélného profilu program určí topografický faktor podle standardní metodiky, dělící profil do 10 úseků. Po zadání dalších výpočetních faktorů (srážkový faktor R, faktor náchylnosti k erozi K, faktor protierozních opatření P a faktor vlivu vegetace C) program spočítá maximální dlouhodobou ztrátu půdy z pozemku. Výpočet může probíhat až v pěti variantách pro různé hodnoty faktoru C. Výpočet je protokolován do textového souboru. Hodnoty faktorů R,K,P,C se ukládají pro případné další výpočty.

spádové křivky (kapky)
“obrácená” kapka
směr spádových křivek
výpočet plochy povodí
odtokové poměry na území
koncentrace odtoků

Hydrologické nástroje jsou založeny na metodě spádových křivek, nazývaných zde kapky. Jedná se o lomenou čáru, ležící na terénu a mající směr kolmý k vrstevnicím této plochy. Kapka tedy vychází ze zadaného bodu a postupuje po spádnici (“stéká”) směrem ze svahu. Dále zde je tzv. obrácená kapka, která v zadaném bodě končí, tedy generuje se směrem proti svahu. Na základě spádových křivek jsou vytvořeny analytické nástroje pro zjišťování plochy povodí k závěrnému profilu, znázornění směru spádových křivek na zadaném území, zobrazení odtokových poměrů pomocí spádových křivek ve zvoleném rastru nebo výpočet koncentrace povrchového odtoku s barevným rozlišením intervalů koncentrace. Tyto nástroje je možné využít pro zjišťování ploch povodí, určování rozvodnic, zvýraznění údolnic a tedy k vytipování míst, do kterých se soustřeďuje povrchový odtok na zadaném území. K tomu lze využít i další standardní prostředky systému ATLAS DMT, jako jsou vrstevnice, barevná hypsometrie, vykreslení sklonitosti a expozice svahů.

Vývoj této aplikace probíhal v létech 2017 – 2021 jako součást projektu QK1710197 – “Optimalizace metod hodnocení ohroženosti území větrnou erozí a návrhů ochranných opatření v zemědělsky intenzivně využívané krajině”. Projekt byl řešen s finanční podporou Ministerstva zemědělství, Národní agentury pro zemědělský výzkum, a to v rámci Programu ZEMĚ.

Zaměření uvedeného projektu vycházelo ze skutečnosti, že vzhledem k intenzivnějšímu výskytu extrémních meteorologických jevů lze v oblastech České republiky s vyšším rizikem sucha očekávat i zintenzivnění projevů větrné eroze. Jedním z cílů byla vedle hodnocení vlivu vegetačních bariér, půdních charakteristik, způsobu zemědělského hospodaření a vytváření souvisejících mapových podkladů i tvorba softwarového nástroje, který by měl pomoci při stanovení ohroženosti území, návrhu technických opatření, a do něhož budou implementovány i poznatky nově získané z řešení projektu.

Výsledkem se v rámci programu Atlas DMT stal modul Atlas VĚTRNÁ EROZE, jenž doplňuje další aplikace (EROZE, HYDROLOGIE) využívané zejména uživateli zabývajícími se problematikou pozemkových úprav.

I když tento modul přímo nepracuje s výškopisnými údaji, je plně začleněn do grafického prostředí programu Atlas DMT. Tím má uživatel při práci s touto aplikací k dispozici vedle specializovaných funkcí i všechny nástroje programu Atlas pro import dat, tvorbu výstupů a export výsledků, včetně vytváření tiskových sestav. Plně se využívá též objektová struktura, která je jedním z charakteristických rysů tohoto grafického prostředí.

Základem ovládání je menu, případně ikony pro vybrané akce, které jsou umístěné na nástrojové liště programu. Struktura menu Větrná eroze byla navržena tak, aby logicky vycházela z předpokládaného postupu práce. Položky menu odkazují na dialogová okna nebo se s jejich pomocí zahajuje import či zadávání dat nebo spouštějí výpočty.

Výchozím vstupním údajem pro práci s tímto softwarovým modulem je hranice řešeného zájmového území. Dále pak jsou to polohopisně lokalizované oblasti s určitým stupněm potenciálního ohrožení větrnou erozí, trvalé vegetační bariéry, informace o převládajícím směru větrů a hranice erozně hodnocených ploch. Průběh analýzy území lze ovlivnit zadáním oblastí bez eroze. Fixní číselné hodnoty, volby týkající se použitých výpočetních metod a směrování výstupů může uživatel vložit v dialogu Základních parametrů.

Hranici zájmového území definuje zpracovatel projektu dle vlastní potřeby nebo ji může importovat z některého dostupného zdroje (jakým jsou například hranice katastrů obcí). Ke stanovení potenciální ohroženosti větrnou erozí lze využít mapy, která byla vytvořena na základě syntézy půdních a klimatických faktorů a pokrývá relevantní plochy v rámci celého území České republiky. Hranice trvalých vegetačních bariér i s jejich kategorizací obsahuje celorepubliková databáze (VÚMOP). Důležitá je zde však i možnost definování vlastních prvků uživatelem. Zdrojem informací o převládajícím směru větrů pak mohou být údaje ČHMÚ (v grafické nebo tabelární podobě), data VÚMOP (mapa) či přímý průzkum (dotazování) v zájmové lokalitě. K vymezení vrstvy erozně hodnocených ploch (EHP), nad níž jsou prováděny vlastní výpočetní analýzy, je možné využít půdních bloků importovaných z databáze LPIS nebo uživatelem samostatně vytvořených EHP.

Pokud budou na příslušných serverech k dispozici vstupní data použitelná v procesu hodnocení větrné eroze, počítá se v budoucnu, podobně jako je tomu již nyní v modulu Atlas HYDROLOGIE s nasazením webových služeb (WPS – Web Processing Service nebo WFS – Web Feature Service) i v této aplikaci.

Práci s aplikací lze rámcově shrnout do následujících kroků, které stručně popisují postup vyhodnocení větrné eroze:

založení nového dokumentu
definování hranice zájmového území
zadání základních parametrů
ruční zadání nebo import EHP (erozně hodnocených ploch)
import mapy oblastí potenciálně ohrožených větrnou erozí
vložení hranic trvalých vegetačních bariér
výpočet ochranných zón vegetačních bariér
výpočet označených EHP se zahrnutím vlivu ochranných zón (stanovení tolerované délky pozemků)
individuální řešení jednotlivých EHP (vložení oblastí bez eroze, redukce počtu linií délky pozemku)
případný nový přepočet označených EHP
zhodnocení, kontrola výstupního protokolu, tvorba finálního výstupu

Hlavním grafickým výstupem je vlastní dokument, vytvářený během vyhodnocování erozní ohroženosti a návrhu opatření v zájmové oblasti. Protokol o výpočtu erozně hodnocených ploch se ukládá do souboru ve formátu MS Excel.

Firma Atlas se v letech 2019 – 2022 zúčastnila řešení projektu TH04030363 – Vývoj účinných nástrojů k hodnocení a omezení negativních účinků srážkoodtokových procesů v mimovegetačním období v souvislosti s extremitami vývoje klimatu. Cílem tohoto projektu byla kvantifikace projevů eroze v mimovegetačním období v zemědělské krajině a jejich experimentální ověřování. Došlo také k návrhu a realizaci některých navazujících ochranných opatření. Dále byla pro území ČR zpracována mapa erozního potenciálu a jako jeden z výstupů vznikal i softwarový nástroj pro hodnocení eroze vyvolané táním sněhu. Projekt byl finančně podpořen Technologickou agenturou České republiky v rámci jejího programu EPSILON.

Modul EROZE – MIMOVEGETAČNÍ OBDOBÍ byl vyvinut v rámci výše zmíněného projektu jako součást programu Atlas DMT a doplňuje tak jeho stávající i aktuálně dokončované aplikační moduly, které jsou určené projektantům pozemkových úprav a dalším příbuzným profesím (řešení vodní eroze ve vegetačním období, problematika větrné eroze, hydrologie).

Podobně jako u ostatních aplikací uživatel popisovaného produktu pracuje s grafickým programem, který pomocí systému menu, ikon a dialogů zajišťuje ovládání a řídí tvorbu výstupů v požadované podobě. Zároveň při tom vzniká dokument (výkres) složený z jednoho nebo více listů, jež mohou obsahovat vektorovou i rastrovou kresbu. Využívá se též toho, že grafické prostředí programu Atlas DMT je objektově orientované a stavba objektů má stromovou strukturu. Důležitá je též podpora práce v různých souřadných systémech, v základním členění jde o systém výkresový a modelový. Velký význam pro organizaci a určení vlastností (zejména grafických) má i možnost zařazení objektů do zvolených hladin, a to nezávisle na jejich stromové struktuře.

Jak již bylo uvedeno, jedním ze základních prostředků ovládání je menu, případně pro specifické akce také výběr ikon, jež mohou být umístěny na nástrojové liště programu. Struktura menu byla navržena tak, aby korespondovala s předpokládaným postupem práce. Položky menu odkazují na dialogová okna nebo se na základě jejich volby zahajují datové operace či spouštějí výpočty. Zadání základních parametrů výpočtu, definování erozně hodnocených ploch (EHP) a vlastní výpočet označených EHP musí uživatel provést vždy (i v těch nejjednodušších případech vyhodnocení), a proto tyto položky zaujímají úvodní pozice v menu. Další, níže řazené položky umožňují přesnější určení některých vstupních faktorů nebo případných opatření a nemusí být vždy využity.

Pro úplnost je třeba k možnostem ovládání ještě uvést, že klepnutí na objekt prostřednictvím pravého tlačítka myši vyvolá příslušné plovoucí kontextové menu. U některých objektů je tak vedle obecných vlastností umožněno zadat nebo modifikovat i vybrané specifické údaje. Jedná se například o zobrazení dialogu databázových atributů importovaných či programem vytvořených polygonových vrstev.

Pro výpočet, na němž je postaveno celé řešení, byl zvolen empirický vzorec – Janeček (2012), Středová:

Es = EP * k * LS * C * P * K

kde:
Es – intenzita eroze [t/ha/rok]
EP – erozní potenciál – možnost využití mapy dostupné pro celé území republiky (Podhrázská 2022).
k – faktor odtoku vody
LS – topografický faktor
C– faktor ochranného vlivu vegetace (při erozně nebezpečném tání sněhu)
P – faktor protierozních opatření
K – faktor erodovatelnosti půdy

V této aplikaci se jedná o plošně distribuovanou modifikaci Univerzální rovnice ztráty půdy – USLE (Wischmeier and Smith) a z toho vyplývá i struktura vstupních dat, jež je třeba připravit. Uživatel do vytvářeného dokumentu bude vkládat (a případně dále editovat) standardně dostupná nebo vlastní data výškopisu (digitální model terénu – DMT), polohopisu (LPIS, DKM), půdních vlastností (BPEJ), vegetačního krytu, protierozních opatření či data vycházející z meteorologických měření.

Základními výstupy jsou výpočetní protokoly (MS Excel), a to souhrnný i pro jednotlivé EHP, a rastrová mapa intenzity eroze (ve standardizované barevné škále). Dále bude možné pro finální výstup využít i některé z doplňkových (pracovních) datových souborů vytvořených v průběhu výpočtu. Zejména se jedná o rastrové modely koncentrace odtoku či erozních faktorů (K, C). Hlavním celkovým grafickým výstupem je vlastní dokument, s nímž uživatel vyhodnocení eroze provádí.

Postup vyhodnocení erozní ohroženosti souhrnně popisují níže uvedené kroky:

založení nového dokumentu, vložení půdorysu a modelu terénu (DMT)
zadání základních parametrů – nastavení hodnot erozních faktorů, výstupních složek, rozlišení rastru
ruční zadání nebo import EHP
vložení podrobných map erozních faktorů (pokud jsou k dispozici)
spuštění výpočtu (výpočet koncentrace odtoku na jednotlivých EHP, stanovení intenzity eroze)
zobrazení výstupní mapy (intenzita eroze) a výstupních protokolů
zhodnocení, návrh protierozních opatření, zopakování výpočtu
pokud je vše v pořádku, tvorba finálního výstupu