Erózióveszély modellezése a Penteli-hegységben (Athén – Görögország) Centeri Cs., Evelpidou N., Vassilopoulos A., Vaiopoulos D. és Daniilidis A. 1. Összefoglalás Az erózióveszély térképezésére pontos és hatékony modellt kifejleszteni nehéz feladat. Még bonyolultabb a modell alkalmazása különböző környezeti tényezőkre vonatkozóan, hiszen egy nagyon összetett feladatról van szó. A jelenlegi tanulmányban a boolea-i logikára alapozott GIS modell kifejlesztését mutatjuk be. Az alkalmazott törvényszerűségek magukba foglalják az erózió jellemző paramétereit, pl. az erózióra való hajlamot, a lejtő tényezőt, a lefolyás sűrűséget. A Penteli-hegység a természetes és emberi hatásra kialakult tüzek miatt is jelentős eróziós károkat szenved, ezért ezt választottuk mintaterületül. Az eróziós károk megfékezésére a helyi hatóságok számos stratégiát dolgoztak ki, pl. a helyben maradt, félig kiégett fatörzseket helyeztek el a szintvonalak mentén. A kutatás során modelleztük az eróziót, a szedimentációt és az anyagmozgást. Kiegészítésül kifejlesztettünk egy GIS modellt a mintaterület vízgyűjtő medencéiben történő erodált talajanyag mozgásának meghatározására. A modell meghatározza az erózió és a felhalmozódás helyeit. Ellenőrzésképpen a fatörzsek mentén felhalmozódott szedimentet használtuk fel. 2. Bevezetés A Penteli-hegység képezi az Attikai-medence természetes, észak-keleti határát. Fekvése észak-nyugat dél-keleti irányú. A legnagyobb magasság tszf 1109m. A hegységet elsősorban fenyőerdő borítja. A terület felszíni bányászatáról híres. Már az ősi görögök idejében is bányászták a híres, jó minőségű „Penteli márvány”-t. Ma is működnek még bányák, az északi hegyoldalban. A bányászati tevékenység bővülésén kívül Athén gyors ütemű terjeszkedése (a lakosság kilenc-, a terület háromszorosára nőtt az elmúlt évszázadban) is növelte a területigényt. Az elmúlt 20 évben a terjeszkedés elérte a Penteli-hegységet is, amelynek mindkét oldalán természetes területek estek áldozatul az építkezésnek. Az urbanizáció fokozta területigény és a földek árának emelkedése miatt számos olyan tűzeset fordult elő, amelyet az emberek szándékosan gyújtottak. A leégett területek ugyanis már nem rendelkeznek természeti értékekkel, így ott megindulhat az építkezés. 1995 júliusában és 1998 augusztusában két nagyobb tűzesemény volt, amely 163 és 188 km2 erdőterületet pusztított el. A későbbi, 1998-as tűz házakat, egyéb építményeket és emberi életet is veszélyeztetett, valamint fokozta az áradások nagyságát. A helyi hatóságok, együttműködve a bányászati cégekkel erősítési és teraszolási programba kezdtek. A program befejezése előtt újabb tűz ütött ki, elpusztítva a friss telepítést, így a kitűzött célt nem sikerült elérni, a telepítések abbamaradtak. Azóta a terület kiemelten kitett az eróziónak, az áradásoknak és nagyon kevés beavatkozást végeztek. A terület elsősorban márvány és agyagpala kőzeten fekszik. A kőzettani jellemzők és a csapadék mennyisége miatt a mintaterületen karsztosodási folyamatok figyelhetők meg. A karsztterületek alatt barlangokat is találunk, amelyben olyan fauna él, illetve élt korábban, amely a hegységről kapta a nevét (Mastododon pentelicus, Nandious mesopethicus pentlicus, Pliocervus pentelicci).
1
A talajképződést lassú, amit jelentősen meghatároz a mállási folyamatok kőzettípus miatti sebessége (Jenny 1941, Gournelos et al. 2004). A mállás sebességét a tűz fokozza, hiszen a magas hőmérséklet repedéseket hoz létre a kőzeteken (Kirkby 1995). A mállástermékeket az intenzív csapadékok gyorsan elszállítják a területről. A tűz, az erdőkitermelés és a növényzet hiánya tovább fokozza a felszíni lefolyás sebességét, növeli az eróziós károkat (Carrara 1983). A jelenlegi kutatás azt mutatja be, hogy hogyan vettük figyelembe a fenti tényezők összetett hatását és milyen erózió modell összeállításával jeleztük előre az erózióveszély mértékét (Giordano 1986, Gournelos et al. 2001). 3. Anyag és módszer Az esettanulmány az erdőtűz által érintett területből 23,18 km2-re vonatkozik, Nea Penteli várostól ÉNy-ra, Dionisos településtől délre. Az erdőtüzek hatásáról számos kutató és kormány is foglalkozott, ezek jelentős része a mediterrán területeken (DeBano et al. 1998, Elliott et al. 1999, Potts 1985, Canakcioglu 1986, Government of Jordan 1986, Government of Portugal 1998, Government of Spain 1993, Government of Yugoslavia 1986, Le Houérou 1987). A kutatás folyamatát az 1. ábra mutatja be. Alaptérképként a terület geológiai (Kifisia lap, No.208, I.G.M.E.) és topográfiai (Kifisia lap, No.351, I.G.M.E.) térképlapjait használtuk.
Adatgyűjtés
Elsődleges adat
Származtatott adat
Terepmunka 2005-2006. Irodalmi feldolgozás Geológia térkép Topográfiai térkép Űrfelvételek
Geológiai adat. Morfológiai adat Geomorfológiai adat Környezeti adat
Kőzettan. Lejtő - Kitettség Lefolyás-sűrűség Érzékenység
GIS
Bemeneti adat
Erózióveszély Boolea-i logika kimeneti értékei Tematikus térképek
1. ábra: Az alkalmazott eljárás folyamatábrája A térképeken kívül felhasználtunk űrfelvételeket is a kutatáshoz. A megszerzett információkat olyan adatbázisokba rendeztük, amelyek bemeneti adatként szolgáltak a Földrajzi Információ Rendszerben történő modellezéshez. A boolea-i logika alapján a bemeneti adatok közötti logikai szabályszerűségek alapján kapcsolatot alakítottunk ki az erózióveszély előrejelzésére az érzékenység, a lejtő és a lefolyássűrűség közötti összefüggések alapján (1. táblázat).
erózióveszély
akkor az
Ha az Ha az Ha az Ha az Ha az
érzékenység
Ha az Ha az
1. táblázat: A boolea-i logikai szabályok az erózióveszély levezetéséhez nagy & a lejtő meredek & a nagy. nagy & a lejtő közepes & a lefolyás sűrű- nagy nagy. ség nagy & a lejtő lankás & a közepes. közepes & a lejtő meredek & a közepes. közepes & a lejtő közepes & lefolyás sűrű- nagy közepes. ség közepes & a lejtő lankás & a nagy alacsony. kicsi & a lejtő lankás & a nagyon alacsony
A terepmunkákra 2005 utolsó, és 2006 első negyedévében került sor (2. ábra). A mintavételek helyének meghatározására GPS-t (Global Positioning System) használtunk.
2
2. ábra: Terepi vizsgálatok A lefolyás irányára vonatkozó fontos információkat a felszíni vizeknek, azok lefolyásirányának, a vízgyűjtők méretének és elhelyezkedésének elemzése alapján gyűjtöttünk. A lefolyás egzakt feltételeinek és típusának jellemzéséhez a vizsgálati terület minden geológiai formációját külön fedvényben helyeztük el. 4. Eredmények A szintvonalakat ábrázoló térképek, a terepi bejárás és az űrfelvételek által szolgáltatott információk segítségével minőségi becslést és térképezést végeztünk a terület eróziós és szedimentációs viszonyairól (3. ábra). Erózióvédelmi terület Felhalmozódási terület Erodált terület
3. ábra: Az erózió és szedimentáció térképe
3
Az erózióvédelemben alkalmazott farönkök helyének pontos meghatározása és a farönkök tövében összegyűlt szediment mérése segített a modellezett lefolyás és a modellezett lerakódott talajanyag mennyiségének terepi ellenőrzésében. Történtek mérések, azonban a terepi munka alatti csapadékesemények nem voltak alkalmasak (elég nagy intenzitásúak) nagyobb mennyiségű szediment mérésére. A származtatott adatbázisok sorában az első a lefolyás sűrűség, azaz a felszíni vizek elhelyezkedésének térképe volt. Az erózió modellezésénél kiemelten fontos, hogy a folyamok digitalizálása folyásirányban történjen. Ez a bemeneti adat tartalmazza azt az információt, hogy hány százaléklefolyás történik egy adott cellából. A cellaméret 100×100m volt. A cellákat 3 csoportba osztottuk: 1. nagy lefolyás (0,02–1), 2. közepes lefolyás (0,01–0,02) és 3. kis lefolyás (0–0,01). A 4. ábrán láthatjuk, hogy a vizsgált terület 80,5 %-a (2615 cella) a kis lefolyású, 3,5%-a (111 cella) a közepes, míg 16 %-a (522 cella) a nagy lefolyású kategóriába tartozik. A booleai logikai szabályokhoz csak a nagylefolyással rendelkező cellák adatait használtuk fel. A térképen látható, hogy a lefolyáshálózat nem túl jól fejlett, főleg kisebb patakokból áll, amelyek késő ősztől tavaszig tartalmaznak vizet. A lejtőtényező térképe (5. ábra), azaz a lejtő meredeksége és hossza a következő fontos bemeneti adat, amely meghatározza az erózió és a szedimentáció mértékét és helyét. A cellákat 3 csoportba osztottuk: 1. nagy lejtőtényező (0,6–1), 2. közepes lejtőtényező (0,3–0,6) és 3. kis lejtőtényező (0–0,3). Az 5. ábrán láthatjuk, hogy a vizsgált terület 61,2%-a (1988 cella) a kis, 34,8%-a (1130 cella) a közepes, míg 4%-a (130 cella) a nagy lejtőtényezőjű kategóriába tartozik. Lejtő
Lefolyás sűrűség
4. ábra: A lefolyás sűrűség térképe
5. ábra: A lejtőtényező térképe
A következő fontos bementi paramétert adó tényező a lejtők kitettsége (6. ábra). Ez megadja a meredekség irányát, amely azaz azt az utat, amerre a lefolyás indul, és a szedimentáció potenciálisan kialakulhat. Az utolsó származtatott adatbázis az erózióra való érzékenység volt (7. ábra). Ez azt adja meg, hogy a terület mennyire áll ellen az erózióval szemben.
4
Érzékenység
Kitettség 360 (É)
270 (K)
180 (D)
90 (Ny)
0 (É)
6. ábra: A kitettség térképe
7. ábra: Az erózió-érzékenység térképe
A becslés összetett, épít a kémiai összetételre, a tektonikus vonalakra, az alapkőzet típusára és a tájhasználatra is. A cellákat 3 csoportba osztottuk: 1. nagy érzékenységű (0,6–1), 2. közepes érzékenységű (0,3–0,6) és 3. kis érzékenységű (0–0,3). A 7. ábrán láthatjuk, hogy a vizsgált terület 38%-a (1234 cella) a nagy, 16%-a (521 cella) a közepes, míg 45%-a (1493 cella) a kis erózió-érzékenységű kategóriába tartozik. A 8. ábrán látható, hogy a boolea-i szabályok alapján négy erózió-veszélyeztetettségi kategóriát állapít meg a modell. Erózióveszély Nagy Közepes Kicsi Nagyon kicsi
8. ábra: Az erózióveszély térképe 5
Az egyes cellák eloszlása a következő: 1. nagy erózióveszély, 2. közepes erózióveszély, 3. kis erózióveszély és 4. nagyon kicsi erózióveszély. A 8. ábra alapján a vizsgált terület 46%-a (1493 cella) a nagyon kicsi, 9,4%-a (305 cella) a kicsi, 33,2%-a (1079 cella) a közepes, míg 11,4%-a (371 cella) a nagy erózióveszélyeztetettségű kategóriába tartozik. A kimeneti paraméterek lineáris ábrázolásával egy olyan térképet kapunk, amely átfogó képet ad a várható lefolyásról, és talajmozgásról (9. ábra).
Fizikai jellemzők Szintvonalak Felszíni vizek Vízgyűjtők
Az anyagmozgás iránya
9. ábra: Az erózióveszély térképe 5. Következtetések A boolea-i logikai szabályok komplex tényezőket integrálva alkalmasak az erózió és szedimentáció térképi megjelenítésére. Az erózió-érzékenység, a lejtő és a lefolyás-sűrűség értékeit sikeresen integráltuk egy GIS modellbe, amely az erózió-veszélyeztetettségi térkép megszületéséhez vezetett. A vizsgálatok alatti csapadékesemények nem voltak elég intenzívek ahhoz, hogy az erózióvédelmi céllal elhelyezett fatörzsek mentén felhalmozódott szedimentum segítségével a modell további kalibrációja megtörténhessen. Az itt közölt előzetes eredmények alapján a modell hatékonyan működik. A modell segítségével előállított erózió-veszélyeztetettségi térképek alapján megállapítható, hogy a mintaterület keleti és dél-keleti részén erős erózióveszély áll fenn, míg közepes erózióveszéllyel elsősorban a terület középső részén találkozunk. A gyenge erózióveszéllyel jellemezhető terület a hegység északi részén helyezkedik el. A nagyon alacsony erózióveszély a mintaterület északi és a déli szegélyén lép fel. Összességében megállapíthatjuk, hogy a nagy
6
erózió-veszéllyel jellemezhető területek aránya kisebb, inkább az alacsony erózióveszély a jellemző. Az erózióveszély térképezésének eredményeit összevetve az erózióvédelmi területek elhelyezkedésével megállapíthatjuk, hogy az erózióvédelmi intézkedések hatékonyak voltak. Néhány, nagy erózióveszéllyel bíró terület nem részesült semmilyen védelemben, ezek elsősorban a dél-keleti területeken fekszenek. Az itt bemutatott eróziós modell számos esetben hasznos eredményekkel szolgálhat, és a logikai szabályok más környezethez történő módosítása könnyen elvégezhető. A modell alkalmazásának segítségével a helyi és regionális területi tervezés során előre jelezhető az erózió veszélye, és így a védekezés szükségességének a helye is. 6. Irodalom Canakcioglu, H. 1986: Forest fires and fire problems in Turkey. Paper presented at a seminar on Methods and Equipment used to Prevent Forest Fires, Valencia, Spain. 29 September-4 October 1986. 10 pp. Carrara, A. 1983: Multivariate models for landslides hazard evaluation, Math.Geol. 15(3), p.p. 403-427. Dai, J. J., Lorenzato, S., Rocke, D. M. 2004: A knowledge-based model of watershed assessment for sediment. Environmental Modelling & Software 19: 423–433. Davidson, D. A., Theocharopoulos, S. P., Bloksma, R. J. 1994: A land evaluation project in Greece using GIS and based on Boolean and fuzzy set methodologies. International Journal of Geographical Information Systems 8: 369–384. DeBano, L. F., Neary, D. G., Folliott, P. F. 1998: Fire' s Effects on Ecosystems. New York: John Wiley & Sons. 333 pp. Elliot, W. J., Foltz, R. B., Robichaud, P. R. 1999: Measuring and modeling soil erosion processes in forest. Presented at International Forestry Engineering Conference, Edinburgh, UK. 13 p. Giordano, A. 1986: A first approximation of soil erosion risk assessment in the southern countries of the European Community. In: Morgan, R. P. C. and Rickson, R. J. (eds): Erosion assessment and modelling. Commission of the European Communities Report EUR 10860, 3-24. Gournelos, Th., Vassilopoulos, A., Evelpidou, N. 2001: An erosion risk map on Samos island, based on fuzzy models, taking into consideration landuse situation after the fire of July 2000. Proceedings of 7th conferences of Environmental Science and Technology, Syros, pp.284-290. Gournelos, Th., Evelpidou, N., Vassilopoulos, A. 2004: Developing an Erosion risk map using soft computing methods (case study at Sifnos island), Natural Hazards 31(1): 39-61. Government of Jordan 1986: Forest Fire Control in Jordan. Amman, Ministry of Agriculture, Department of Forests and Soil Conservation. 10 pp. Government of Portugal 1998: Report on the follow-up of the Strasbourg and Helsinki Ministerial Conferences on the Protection of Forests in Europe (Third Ministerial Conference). Lisbon, Ministry of Agriculture, Rural Development and Fisheries. 100 pp. Government of Spain 1993: Los incendios forestales en España durante 1993. Madrid, Ministry of Agriculture, Fisheries and Food. 31 pp. Government of Yugoslavia, SFR 1986: National report of Yugoslavia. Paper presented at a seminar on Methods and Equipment used to Prevent Forest Fires, Valencia, Spain, 29 September-4 October 1986. 7 pp. + annexes Jenny, H. 1941: Factors of Soil Formation. McGraw-Hill Book Company, New York, p. 281. Kirkby, J. 1995: Modeling the links between vegetation and landforms, Geomorphology, 13, p.p. 319-335. Le Houérou, H. N. 1987: Vegetation wildfires in the Mediterranean basin: evolution and trends. Ecologia mediterranea. 13(4): 12. Potts, D. F. 1985. Water potential of forest duff and its possible relationship to regeneration success in the northern Rocky Mountains. Can. J. For. Res. 15:464- 468. Yalcin, G., Akyurek, Z. No date: Analyzing flood vulnerable areas with multicriteria evaluation. p. 6 (forrás: http://www.isprs.org/istanbul2004/comm2/papers/154.pdf)
7
