METODE METODE DOLOČANJA EROZIVNOSTI DEŽJA AVTORJA Dasa Gorsak IBE, d. d., Hajdrihova 4, SI - 1000 Ljubljana, Slovenija dasa.gorsak@ibe.si dr. Matjaž Mikos Oddelek za gradbeništvo Fakultete za gradbeništvo in geodezijo Univerze v Ljubljani, Jamova cesta 2, SI - 1000 Ljubljana, Slovenija matjaz.mikos@fgg.uni-lj.si UDK: 551.311.21:551.577(497.4); COBISS: 1.01 IZVLEČEK Metode določanja erozivnosti dežja V prispevku je prikazano določanje erozivnosti dežja s pomočjo meteoroloških podatkov, ki jih merijo v mreži Agencije Republike Slovenije za okolje. Razpoložljive padavinske podatke (5-minutne intenzitete padavin) smo uporabili za izračun dejavnika erozivnosti padavin in površinskega odtoka R. Na ta način lahko ocenimo povprečno letno izgubo tal na enoto površine s pomočjo enačbe RUSLE (slovensko Popravljena univerzalna enačba izgube prsti, angleško Revised Universal Soil Loss Equation). Določanje mesečnih, letnih in maksimalnih vrednosti dejavnika R smo prikazali na delu porečju Save med vtokoma Savinje in Krke in sicer za postaji Lisca in Sevno. Za postajo Malkovec smo erozivnost dežja na različne načine izračunali na podlagi podatkov o dnevnih padavinah in povprečnih mesečnih temperaturah. Erozivnost dežja bolj sledi srednjim mesečnim temperaturam kakor srednjim mesečnim padavinam. KLJUČNE BESEDE hidrologija, meteorologija, geomorfologija, padavine, erozivnost dežja, erozivnost površinskega odtoka, RUSLE, statistična analiza, porečje Save, Slovenija ABSTRACT Methods for the determination of rainfall-runofferosivity This paper shows the determination of rainfall erosivity by using meteorological data that are available from the network of the Environmental Agency of the Republic of Slovenia. The available rainfall data (5-minute rainfall intensities) are used for the computation of the rainfall-runoff erosivity factor R. By doing so we can estimate the average annual soil loss per surface if using the Revised Universal Soil Loss Equation (RUSLE). The determination ofmonthly, annual, and extreme values ofthe Rfactor is shown in the part of the Sava River basin between the confluences with the Savinja and Krka Rivers for the Lisca and Sevno stations. Furthermore, for the Malkovec station we showed different ways of computation ofthe R factor on the basis of daily precipitation and the mean monthly temperatures. The rainfall-runoff erosivity follows the mean monthly temperatures better than it follows the monthly rainfall. KEYWORDS hydrology, meteorology, geomorphology, precipitation, rainfall-runoff erosivity, RUSLE, statistical analysis, Sava River, Slovenia Uredništvo je prispevek prejelo 14. aprila 2008. 1 Uvod Dežna erozija je posebna oblika erozijskega delovanja dežnih kapelj, ki na zemeljski površini povzroča spiranje in odplavljanje nevezanih delcev prsti in kamnin. Dežno erozijo povzročajo dežne kaplje z udarjanjem, zato jo imenujemo tudi pljuskovna erozija, ter z njimi povezan površinski vodni odtok. Odvisna je od vrste in količine padavin. Dežno erozijo povzročajo predvsem kratkotrajni in intenzivni nalivi. Za preučevanje erozivnosti dežja in površinskega odtoka so pomembni količina padavin, intenziteta padavin in njena časovna porazdelitev, vrsta padavin, kinetična energija ter porazdelitev in hitrost dežnih kapelj. V prispevku so prikazani načini določanja erozivnosti dežja iz osnovnih meteoroloških podatkov, ki so na voljo v državni meteorološki mreži Agencije Republike Slovenije za okolje (ARSO). 2 Metodologija Erozivnost padavin vpliva na njihovo zmogljivost za sproščanje in odplavljanje preperine in prsti (Diodato 2005). Odvisna je od količine, trajanja in intenzitete ter drugih značilnosti padavin, kot so porazdelitev velikosti dežnih kapelj, masa kapelj in hitrost njihovega padanja. Značilnosti lahko fizikalno opišemo s kinetično energijo kaplje. Podatki o erozivnosti so eden od pokazateljev ogroženosti območja zaradi erozije, torej erozivnost padavin določa dežno erozijo. Seveda erozivnost padavin ni edini dejavnik, ki vpliva na jakost dežne erozije in njen vpliv na spiranje prsti. Pomembni drugi dejavniki so še odpornost erozijske podlage, njen nagib in morebitna rastlinska zaščitenost. Različni avtorji so razvili več indeksov za določanje erozivnosti, ki so običajno kombinacija maksimalne intenzitete in količine ali energije padavin. So številčni pokazatelji sposobnosti dežja, da erodira podlago. Razlikujemo empirične in fizikalne indekse. Slednji temeljijo na značilnostih padavin in so neodvisni od lastnosti prsti. Dober indeks erozivnosti padavin bi moral zadovoljivo prikazati spremenljivost padavin med letom in spremenljivost padavin med leti (Apaydin in ostali 2006). Najpogosteje uporabljamo indeks erozivnosti v obliki dejavnika padavin in odtoka R, ki sta ga razvila Wischmeier in Smith (Renard in ostali 1997) v okviru enačbe USLE (slovensko Univerzalna enačba izgube prsti; angleško Universal Soil Loss Equatiori) oziroma njene izboljšanje različice RUSLE (slovensko Popravljena univerzalna enačba izgube prsti; angleško Revised Universal Soil Loss Equatiori). Čeprav so to enačbo razvili za ocenjevanje vpliva rabe tal na erozijo prsti za območje ZDA, jo povsod po svetu uporabljajo za empirično določanje povprečne letne erozije prsti. Enačba RUSLE je odvisna od hidroloških in topografskih dejavnikov (R, L, S) in ostalih dejavnikov (K, C, P), ki opisujejo erodibilnost, pokrovnost in rabo tal. Enačbo RUSLE zapišemo kot zmnožek omenjenih dejavnikov A = R-K-L-S-C-P, kjer A označuje povprečno letno izgubo prsti na enoto površine (kg/ha na leto), R je dejavnik erozivnosti padavin in odtoka (pogosto imenovan na kratko kar le kot dejavnik erozivnosti padavin) in ga izrazimo vMJ ■ mm ■ ha-1 - h-1, K je dejavnik erodibilnosti prsti, z L označimo dolžino pobočja, s S pa njegov naklon. Oznaka C pomeni pokrovnost in vrsto rabe tal, s P pa so označeni kmetijski zaščitni ukrepi. Ker v prispevku obravnavamo metode določanja erozivnosti padavin in ne vrednotenja izgube prsti, se bomo v nadaljevanju omejili na obravnavo dejavnika R kot enega od naštetih dejavnikov vrednotenja izgube prsti. 2.1 Dejavnik R po metodi RUSLE Pri vrednotenju dejavnika erozivnosti padavin in odtoka R, ki ga uporabljamo v enačbi RUSLE, moramo upoštevati vpliv trkov vodnih kapelj in vpliv količine ter stopnje odtoka voda zaradi padavin. Dejavnik erozivnosti padavin R je zmnožek kinetične energije padavin E in njihove intenzitete I ter ga ne smemo enostavno upoštevati kot energijski parameter. Sama kinetična energija ni zadosten pokazatelj erozijske moči padavin, saj ima lahko zmeren in dolg naliv enako energijo kot mnogo krajši dež z večjo intenziteto. Erozivnost dežnih kapelj se povečuje z intenziteto naliva, ki jo upoštevamo s komponento I3g. Izguba prsti na enoto površine v času nevihtnega (erozivnega) dogodka je tako v skladu z enačbo RUSLE premosorazmerna dejavniku erozivnosti padavin R: celotna kinetična energija naliva E je množena z maksimalno 30-minutno intenziteto padavin I30, torej velja R = E-I3g (Renard in ostali 1997). Dolgoletna opazovanja in meritve so pokazali tudi, da za oceno povprečnih letnih izgub prsti niso pomembni le najintenzivnejši nalivi. Ocena mora namreč vsebovati vpliv vseh nalivov, tako zmerne kot močne nalive. V skladu z enačbo RUSLE pri računu erozivnosti padavin upoštevamo le nalive oziroma erozivne dogodke z več kot 12 mm padavin. Izjema so nalivi, ko v 15 minutah pade več kot 6 mm padavin, ki jih kljub prejšnjemu pogoju prav tako upoštevamo pri računu erozivnosti. Ce v 6 urah pade manj kot 12 mm padavin, dogodke med seboj ločimo in obravnavamo vsakega posebej. 2.2 Program za dolo~anje erozivnosti padavin RF Petkovšek (2002) je razvil kratek računalniški program za določanje erozivnosti padavin, imenovan RF. V prvotni obliki je služil kot orodje za določanje dejavnika R v enačbi RUSLE. Joštova (2003) je v diplomski nalogi program izboljšala tako, da erozivnost padavin računa po metodah, katerih osnovna enačba za odvisnost kinetične energije dežnih kapljic od intenzitete padavin ima eksponentno obliko. Vhodni podatki programa so podatki o intenzitetah padavin iz avtomatskih dežemerov. Za podane padavine program izpiše erozivne dogodke in za vsakega izmed njih izračuna količino padavin, energijo padavin, maksimalne 30-minutne intenzitete padavin in dejavnik R. Podatke, ki jih potrebujemo za račun dejavnika erozivnosti padavin R z uporabo programa RF, meri ARSO na 37 merilnih mestih v Sloveniji, medtem ko podatke o dnevnih padavinah in temperature merijo kar na 188 merilnih mesti. Za podrobnejšo določitev prostorske spremenljivosti in časovnih trendov erozivnosti padavin v Sloveniji potrebujemo podatke tudi drugje, ne le v 37 avtomatskih merilnih mestih v Sloveniji. Zato je smiselno poiskati povezavo med dnevnimi padavinami (podatki iz 188 merilnih mest), povprečno mesečno temperaturo T ter dejavnikom erozivnosti padavin R in tako povečati prostorsko gostoto podatkov o erozivnosti padavin. Veliko je že bilo poizkusov ocen erozivnosti padavin R na podlagi dnevnih ali mesečnih podatkov o padavinah (npr. Auerswald in Schmidt 1986), za oceno letnih vrednosti dejavnika R pa nekateri avtorji uporabijo Fournierjev podnebni indeks in njegove izboljšave (Lal in Elliot 1994, 181; Nearing 2001). Mesečni dejavnik erozivnosti padavin R se pogosto oceni z enačbo R = a-ŽPhd, pri čemer sta koeficient a in eksponent h parametra enačbe in Pd mesečna vsota dnevnih padavin (na primer Petkovšek in Mikoš 2004). Omenjene metode ne dajejo neposrednega vpogleda v spreminjanje erozivnosti padavin preko leta. Ce želimo prikazati spreminjanje erozivnosti padavin preko leta, analiziramo mesečne erozivnosti R v odvisnosti od srednjih mesečnih temperatur T. To lahko izvedemo na dva različna načina. Ena možnost je upoštevanje linearne odvisnosti pri določitvi faktorja a v enačbi R = a-£Pj, pri čemer je torej a = ag + at-T. Faktor a je koeficient korelacije med vsoto kvadratov dnevnih padavin Pd in erozivnostjo R. Faktor a je odvisen od povprečne mesečne temperature T, ker se temperatura pogosto kar dobro ujema s povprečnimi mesečnimi vrednostmi erozivnosti R. Clena ag in at sta za določeno lokacijo v tem modelu enaka za vse mesece. Druga možnost za izračun faktorja a pa je, da upoštevamo kvadratno odvisnost od temperature T: a = ag + at-T2. Na izbranih merilnih mestih v delu porečja reke Save med sotočjem s Savinjo in Krko, smo za določitev mesečne erozivnosti padavin R uporabili tako linearno kot kvadratno odvisnost od srednjih mesečnih temperatur Tin oba modela primerjali z izračunano mesečno erozivnostjo R ob uporabi merjenih 5-minutnih intenzitet padavin. 3 Rezultati Načine določanja erozivnosti padavin za merilna mesta, na katerih razpolagamo z različnimi meteorološkimi podatki, bomo pokazali na primeru izbranega dela porečja Save, kjer je v gradnji veriga Slika 1: Povprečne mesečne vrednosti temperature T in erozivnosti dežja R za merilni mesti Lisca in Sevno. leta P - Sevno -♦- P - Lisca -B- R - Sevno -B- R - Lisca -X- n - Sevno -X- n - Lisca Slika 2: Letne vrednosti padavin P, erozivnosti dežja R in števila erozivnih dogodkov n za merilni mesti Lisca in Sevno. Slika 3: Prikaz razmerja med vsoto kvadratov dnevnih padavin £Pj in erozivnostjo dežja R za merilni mesti Lisca in Sevno. 500 400 300 200 100 20 -- 18 - 16 'J + 14 12 « G ■'-i + 10 * o -8 = C 6 Si a ■+ 4 * 2 0 meseci -à- R (RF) - Lisca -A- R (a(T)) - Lisca -■- R (RF) - Sevno -H- R (a(T) ) - Sevno X T - Lisca X T - Sevno Slika 4: Primerjava erozivnosti dežja R, izračunane s programom RF in s pomočjo linearne enačbe a = a0 + at-T, ter povprečne mesečne temperature T za merilni mesti Lisca in Sevno. 0 500- 400- 300 200- 100 T / / t t -■ : A " / k* \\ / \ vi ! s, \ K' / {/ > S s \ r— V: k !—^ S \\ k ^ A \\\ > j? a a