RISK ANALYSIS OF WATER ERROSION OF THE SOIL IN THE … 04 63.pdfPrin estimarea pierderii de sol se urmărește combaterea eroziunii solului[4]. prin practici de conservare care, bine

Iulian BOLDEA, Cornel Sigmirean (Editors), DEBATING GLOBALIZATION. Identity, Nation and Dialogue

Section: Social Sciences

RISK ANALYSIS OF WATER ERROSION OF THE SOIL IN THE SIBIU

COUNTY AREA

Lucica Cuntan

PhD Student and Tiberiu Cioban, PhD Student, ”Babeș-Bolyai” University of Cluj-Napoca

Abstract.The paper presents the analysis of the risk of water erosion from Sibiu County Area, where urban

soil is disposed on the altitude in relation to the relief in question, depression, and Piedmont plateau, which

causes an surface differentiated erosion. This complex process has the effect of annual soil loss (amount of eroded material) expressed in tonnes/ha/year, is calculated by the product of the value of the convenience

of each factor: K – soil erosion, R – erosion of the rainfall network, L - length of the slope; S – degree of

tilt, C - vegetation cover and P - mode of land use, starting from the perception whereby the process is

directly proportional size and grows exponentially with the degree of slope, lack of vegetation, intensity and length of the rainfall.

Also, the water activity is differentially carried out by stimulating or reducing the erosion, depending on the

structure and texture, as well on leaching processes, retention and infiltration capacity of water, the existence of crusts or a permeable surface, poor drainage and aeration, an increase in pH, amended

biological activity, the existence of contaminants and accelerated nitrification, fluctuations of temperature

or the reduce rate of mineralization and soil characteristics of the urban confines or become an accelerator factor.

The factors determining hydric erosion have been calculated and quantity values were processed and

generated in the map of risk. Analysis of this complex process has been achieved through the universal

equation of USLE soil loss/ArcGIS software using RUSLE. Results of the evaluation, interpolation and analysis shows that depression, Sibiu, a city is least influenced

by hydric erosion, the urban soil degraded areas being in sharp slope areas, located at the highland

extremities from north east and south west of the municipality, those grubbed up and used as arable land. The rate of erosion is in the allowable values (4-5 tonnes/ha/year) the limit that soil can replenish

naturally.

Keywords: Water erosion, urban soil, map, ArcGIS, risk factors

INTRODUCERE

Exploatarea terenurilor în mod nerațional și total neștiințific a generat și favorizat apariția

proceselor complexe de eroziune în toate zonele țării, motiv pentru care aceste procese circumscriu

intereselor cercetătorilor din domeniu. În demersul lor, specialiștii din domeniu au constatat faptul

că, în România, eroziunea solului afectează[6] milioane de hectare, din rândul pășunilor,

terenurilor silvice, vitipomicole și arabile.



Formele cele mai avansate ale procesului de eroziune sunt identificate în bazinele torenților

unde se poate observa efectul activității procesului natural, de origine geologică, ce se desfășoară

la nivelului uscatului încă de la începutul formării sale, atât în suprafață cât și în adâncime. Acest

proces complex presupune desprinderea și transportul de particule de pe suprafața uscatului de

către agenți externi și depunerea acestor particule printr-un mecanism dinamic, la diferite distanțe

de locul de desprindere[1]. Prin natura lui, acest proces este unul distructiv, singura eroziune cu

efecte benefice a fost cea de început când prin acțiunea în adâncime a favorizat formarea actualei

rețele hidrografice, iar prin efectul în suprafață a contribuit la definitivarea versanților.

Prin estimarea pierderii de sol se urmărește combaterea eroziunii solului[4]. prin practici

de conservare care, bine definite, ar permite ca nivelul de eroziune actuală a solului să scadă sau

cel puțin să se egaleze cu nivelul maxim de eroziune admisibilă, nivel la care solul se poate

regenera natural. În cazul României limita maximă acceptabilă pentru procesul de eroziune a

solului este de aproximative 5-6 ha pe an[11].

In 1978 Wischmeier & Smith îmbunătățesc și dezvoltă metoda USLE (Universal Soil Loss

Equation) [16]prin descrierea fiecărui parametru pentru estimarea pierderii de sol, în vederea

predictibilizării mișcării solului pe o pantă specifică, pentru determinarea gradului maxim de pantă

pentru un anumit tip de cultură și pentru aplicarea de practici privind conservarea solului prin

rotirea de culturi specifice pe fiecare tip de sol. Această metodă și-a dovedit anumite limite[7].,

motiv pentru care în anul 1991, Renard și colaboratorii, revizuiesc metoda USLE aducând

completări, prin informatizarea modului de evaluare a parametrilor, prin noi metode de calcul a

factorului vegetație și topografic având ca rezultat final o noua metodă denumită Revisad

Universal Soil Loss Equation (RUSLE)[10]

În studiul de față, pentru estimarea pierderii de sol prin eroziune hidrică, pe diferite tipuri

de suprafețe din cadrul municipiului Sibiu, s-a aplicat metoda RUSLE - Ecuația universală

revizuită a pierderii de sol -, interpolată prin intermediului Software ului GIS, varianta ArcGIS

10.4 având ca finalitate analiza, integrarea informațiilor și realizarea de harți privind estimarea

pierderii de sol și zonelor de risc potențial la eroziune în arealul Municipiului Sibiu.

MATERIAL și METODĂ

Municipiul Sibiu, din punct de vedere geografic, aparține depresiunii Sibiului la contactul

morfologic și structural cu munții Cindrel, Podișul Secaș și Podișul Hârtibaci, fiind situat la

intersecția paralelei de 45048

‘ latitudine nordică cu meridianul de 24

009

‘ longitudine estică.

Distribuția spațială, forma și dimensiunea așezării sunt influențate de caracteristicile

morfologice[8] și morfometrice a reliefului prin tipologia formelor de relief, altimetrie, declivitate,

fragmentarea reliefului, expoziția versanților, etc (Fig.1., Fig.2)



Fig.1Harta Municipiul Sibiu Fig.2 Harta topografică Fig.3 Harta hipsometrică

Litologia arealului studiat este compusă din pietrișuri, nisipuri, argile și argile nisipoase în partea

de NE -Pod. Hârtibaci și SV -Piemontul Cibinului - precum și pe frunțile de terasă ale Cibinului,

pietrișuri și nisipuri în zona câmpiei aluvionare, depozite aluvionare, pietrișuri și nisipuri pe

podurile de terasă ale aceluiași râu.

Treptele hipsometrice, cu valori altitudinale cuprinse între 394 m și 646 m evidențiază tipologia

reliefului. Morfologic, teritoriului municipiului Sibiu aparține următoarelor trepte morfogenetice

(Fig.3.):

-treapta depresionară: - reliefată de lunca (394m -420m) și terasele Cibinului (405-470m), glacisuri

de bordură și deluvio - coluviale;

-treapta piemontană - caracterizată de Piemontul Cibinului și Cisnădiei (470-490m), situate în vest

și sud-vest;

- treapta de podiș – reprezentată de Podișul Hârtibaci – Dealul Guşteriţa în Est, cu altitudini

cuprinse între 490m și 646m.

Amplitudinea reliefului este de 252 m ceea ce reflectă faptul că procesele de eroziune au o

amploare minimă și, implicit o degradare redusă a terenurilor[13].

Metodologia de lucru s-a bazat pe calculul valorii factorilor (Fig.4.). prin utilizarea stratului de tip

grid pentru altitudine cu pasul la o rezoluție de 30 m din modelul SRTM (Shuttle Radar

Topographic Mission), pentru realizarea unui MDT de rezoluţie medie, utilizabil pentru evaluări

agroclimatice și hidrologice de ordin general, s-a optat pentru corectarea modelului SRTM.

Ecuația universală a pierderii de sol:

A = R x K x LxS x C x P (1)

unde:

A = pierderea medie anuală de sol (tone/ ha/ an ) exprimă cantitatea de material erodat

R = erozivitatea pluvială (Mj /mm ha/ h /an),

K = erodabilitatea solului (t /ha),

L = lungimea de panta LS = factor de relief dependent de înclinația pantei

S = gradul de înclinare

C = nivelul de acoperire cu vegetație

P = utilizarea terenului



Fig.4 Metodologia de lucru pentru realizarea hărții pierderii de sol în arealul Mun. Sibiu

Factorul- erozivitate pluvială (R) s-a calculat utilizând formula după Ramirez, (2010)[9]:

R = I30 (9.28 x P – 8383)/1000 (2)

unde:

I30 = produs de energia cinetică (E) a unei ploi torențiale și maxima sa intensitate într-un interval

de 30 min (I). I30 = 75 mm/h (valoare recomandată de Wischmeier[17])

P = media anuală a precipitațiilor exprimatăîn mm

Factorul R (Fig.5).a fost obținut utilizând SoftWare-ulArcGis prin interpolarea datelor privind

cantitatea medie a precipitațiilor măsurate la stațiile meteorologice amplasate în apropierea

municipiului, utilizând funcția SPLINE.



Fig.5 Harta factorului R Fig.6 Harta Factorului K

Factorul - erodabilitate a solului (K)

Factorul K (Fig.6.).reprezintă eroziunea standard exprimata în tone/hectar, pe o unitate de

erozivitate R, pentru un tip de sol specific pe un versant, cu o panta uniformă de 9% și 22,13 m

lungime, calculat după formula lui Williams[15]:

K= 0.1317*Fsand*Fcl-si*Forgc*Fhisand (3)

unde :

Fsand = {(0.2+0.3 exp[-0.0256 ms (1- msilit/100)])}

Fcl-si = (msilit

mc + msilit )

0.3

Forgc= [1- 0.25 orgc

𝑜𝑟𝑔𝑐 +exp (3.72−2.95𝑜𝑟𝑔𝑐 )]

Fhisand =[1 −0.70(1−

ms

100)

1−ms

100 +exp [ −5.41+22.9 1+

ms

100 ]

]

ms - cantitatea de nisip din sol (%)

msilit - cantitateade siliciu din sol (%)

orgC - cantitatea dematerie organica

din sol (%)

Factorul - lungimii de pantă (L)

Factorul L este factorul de lungime a pantei ce exprimă relația pierderii de sol a unei pante

cu o lungime dată și a unei pante cu lungime standard de 22,13 m cu valori identice de

erodabilitate și grad de pantă.

Lungimea pantei se definește ca distanța orizontală de la originea fluxului superficial până la

punctul de unde începe depozitarea sau scurgerile se îndreaptă spre un canal definit, după Foster și

col. (1977)[3]

L=( 𝜆

22.13)

m m=

𝐹

1+𝐹 F=

𝑠𝑖𝑛𝛽 /0.0896

3 𝑠𝑖𝑛𝛽 0,8 +0.56 (4)

Factorul L cu arealul de drenaj aportat după Desmet&Govers, (1996)[2]



L (i ,f) = (𝐴 i ,f +𝐷2)𝑚+1 − 𝐴 i,f

𝑚 +1

𝑋𝑚𝐷𝑚+2(22.13)𝑚 (5)

unde:

A(i, f) [m]- este aria de contribuție cu intrarea de 1 pixel

β – unghi de panta la nivel de pixel (exprimat in radian, gradele fiind înmulțite cu 0.01745 )

D - este mărimea unui pixel

X - factorul de corecție de forma x=1 pentru sistemele pixelate

Cuantificarea factorului L (Fig.8,Fig.9 ) presupune, în primă etapă, generarea hărții pantelor

(slope) apoi se calculează factorul F și M (Fig.7).utilizând funcția „Raster Calculator‖ din ArcGis

pe baza formulelor:

Factor F = ((Sin(„slope‖*0.01745)/0.0896)/(3*Power(sin(„slope‖*0.01745)0.8)+0.56)) (6)

Factor M = „factorF‖/(1+ „factorF‖) (7)

Factor L = (Power((„FlawAcc‖+625),(„factorM‖+1))-Power („FlawAcc‖, („factorM‖+1)))/

(Power(25,(„factorM‖+2))*Power(22.13, „factorM‖)) (8)

Fig.7 Metodologia de calcul a Factorului M

Fig.8 Metodologia de calcul a Factorului L

Factorul - gradul de pantă (S) exprimă relația dintre pierderea de sol de pe un versant și pierderea

de sol, în condiții similare, pe un alt versant cu o înclinare standard de 9%.

S(i, j) = 10.8 𝑠𝑖𝑛𝛽 𝑖,𝑗 + 0.03 𝑐𝑎𝑛𝑑 𝑡𝑎𝑛 𝛽 𝑖 ,𝑗 < 0,09

16.8 𝑠𝑖𝑛𝛽 𝑖,𝑗 − 0.5 𝑐𝑎𝑛𝑑 𝑡𝑎𝑛 𝛽 𝑖,𝑗 ≥ 0,09 (9)

unde:

unghiul β – unghi de pantă (exprimat radian, gradele fiind înmulțite cu 0.01745 ) considerat ca

fiind unghi mediu pentru toate subgridurile în direcția celei mai mari pante, după McCOOL și

colab., (1987, 1988), citat de C. T. Haan și colab, (1993)[7]



Factorul S (Fig.10). , s-a calculat pe baza formulei:

Factor S = con((tan(„slope‖*0.01745)<0.09),(10.08*sin(„slope‖*0.01745)+0.03),

(16.8*sin(„slope‖*0.01745)-0.5)). (9)

Factorul - relief dependent de înclinația pantei (LS) (Fig.11).a fost calculat după formula:

LS = „factorL‖ * „factorS‖ (10)

Fig.9 Harta factorului L Fig.10 Harta Factorului S Fig.11 Harta Factorului LS

Factorul- vegetație (C)calculat pentru reducerea vulnerabilității la eroziunea solului și

reprezintă, procentul de acoperire a arealului cercetat cu vegetație. Valorile lui C sunt influențate

de tipul de vegetație și gradul de acoperire. S-a generat harta factorului C după Rouse și

Haas,(1973) [12] și Tucker,(1979) [14] interpolând datele cu SoftWare ul ArcGis (NDVI) și

utilizând imaginea satelitară Landsat 8, pe baza ecuației:

NDVI = NIR-IR / NIR+IR, (10)

unde:

NIR - reflexia porțiunii infraroșii apropiate

IR - reflexia în spectrul vizibil

NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) este cel mai comun și folosit indice pentru

evaluarea cantitativă a vegetației.

Valorile Factorului C (Fig.12) variază pe o scală între -1 și 1, unde valorile mari corespund zonelor

cu vegetație verde abundentă iar valorile scăzute sunt utilizate pentru tipuri de suprafețe obișnuite,



terenurile fără vegetație sunt cotate cu valori apropiate de 0 iar zonele acvatice sunt notate cu

valori negative.



Fig.12 Harta factorului de vegetație C Fig.13 Imagine satelitară

Gradul de acoperire cu vegetație (Fig.14), calculat pe baza imaginii satelitare (Fig.13)., reliefează

faptul că 55,29% din suprafața municipiului Sibiu este acoperită cu vegetație mixtă asimilată

pădurilor și pășunilor, 24,05% din arealul studiat este acoperit de vegetație sărăcăcioasă, rară

corespunzătoare pășunilor și fânețelor, 14.81% sunt zone lipsite de vegetație datorită construcțiilor

respectiv, zona urbana construită, 5,78 % sunt suprafețe ocupate de terenuri cultivate iar valorile

mici 0,056% reprezintă zone lacustre.

Fig.14. Exprimarea procentuală a gradului de acoperire cu vegetație

Factorul P, exprimă gradul de conservarea solului, arată modul de combatere a eroziunii în

cazul suprafețelor de teren arabil și este cuantificat în cazul în care există practici de sprijin privind

lucrări de combaterea eroziunii solului, fiind considerat ca un factor incert (Renard și col.,

1996)[10] este rareori luat în considerare în cazul amplasamentelor cu suprafețe construite.

În arealul de studiu, datorită lipsei de decizie a factorilor politici privind implicarea în scenarii de

risc pentru combaterea eroziunii solului precum și datorită faptului că, mare parte a arealului

reprezintă teren construit s-a considerat valoarea factorului P =1.

REZULTATE și DISCUȚII

Din analiza și integrarea informațiilor prin interpolarea datelor privind riscul la eroziune hidrică a

solului, în arealul municipiului Sibiu, rezultă faptul că (Fig.15., Fig.16), pe 60,85% din suprafața

studiată cantitatea de material erodat este de cuprinsă între 0,0194 – 0,997 to/ha/an, pe o suprafață

de 15,48% cantitatea de material erodat este de cuprinsă între 0,998 – 2,95 to/ha/an. Se poate afirma

că, aproximativ 90% din suprafața arealului este cuprinsă în limita de acceptabilitate la eroziune,

adică 4-5 tone/ha/an. Valorii medii ale eroziunii cuprinse între 6 și 11 to/ha/an ocupă aproximativ 6

% din suprafață iar valori ridicate cuprinse între 11 și 31 to/ha/an doar 4% din suprafața totală a

arealului.

P roce nte %

0.002

0.054

14.812

24.055

55.29420

40

20

0



Fig.15, Exprimare procentuală a pierderilor de sol( to/ha/an)

Terenurile fără risc sau cu risc admisibil ocupă cea mai mare parte din arealul municipiului Sibiu,

fiind situate în zone de luncă, poduri de terasă și interfluvii, unde înclinația pantelor este mică între

0 și 5%

Terenurile cu risc moderat la eroziunea solului, cu valori cuprinse între 6 și 11 to /ha/an se

regăsesc în arealele cu altitudini cuprinse între 420 m si 440 m, pe versanții cu pante înclinate 15%

- 20% dar și în zona frunților de terasă, a bordurii de glacis aparținând piemontului Cibinului din

sud-vestul municipiului și glacisului deluvio-coluvial de la baza abruptului Hârtibaci situat la

contactul cu lunca Cibinului.

Terenurile cu risc ridicat se regăsesc cu precădere în Podișul Hârtibaciului, unde altitudinea

depășește 440 și înclinația pantelor este mai mare de 20%, iar substratul pedologic este format, în

principal, din pietrișuri, argile și argile nisipoase.

Riscul potențial de eroziune (Fig.17.), indicator de hazard important, cuantificabil pe

terenurile lipsite de vegetație și/sau lucrări agricole s-a estimat pe baza relației:

Ep= R x K x LS (11)

Ep - eroziune potențială,

unde R = factor de erozivitate pluvială

K = factor de erodabilitate al solului

LS = factor de relief dependent de înclinarea pantei

Fig.16 Harta pierderii anuale de solFig.17 Harta riscului potențial

CONCLUZII

Studiul privind expunerea la risc potențial a suprafețelor de teren din arealul Municipiului Sibiu,

evidențiază faptul că aproximativ 30% din suprafață este supusă unei eroziuni potențiale cu nivel



ridicat de risc. Zonele posibil afectate sunt situate în partea de NE a municipiului, aparținând în

principal Podișului Hârtibaci, precum și suprafețele din partea de SV respectiv, Piemontul Cibinului

și, numai pe alocuri, anumite zone restrânse de pe podurile de terasă ale râului Cibin. Zona fără risc

ori cu risc minor, ocupă cca. 61,7% din total, reprezentată de zona urbană construită și terenuri

agricole.

Estimarea riscului potențial de eroziune hidrică reliefează pericolul la care sunt supuse suprafețele

de teren la acțiuni de eroziune a solului posibil accentuate în situația în care nu se vor lua măsuri

specifice de combatere prin împădurire sau prin practicarea activităților agrotehnice.

De asemena, s-a evidențiat faptul că, datorită procentului relativ ridicat, cca. 85% din suprafața

muncipiului Sibiu este acoperită de vegetație, determină o rezistență naturală și are ca efect și prim

rezultat un grad scăzut de eroziune la suprafață. Astfel, se poate afirma că, aproximativ 90% din

suprafața arealului studiat este cuprinsă în limita de acceptabilitate la eroziune, respectiv 4-5

to/ha/an. Terenurile fără risc sau cu risc admisibil la eroziune hidrică ocupă cea mai mare parte din

arealul municipiului Sibiu, fiind situate în zone de luncă, poduri de terasă și interfluvii, unde

înclinația pantelor este mică.

Cercetările efectuate au ca rezultat cuantificarea eroziunii efective și potentială a solului din arealul

studiat cu scopul declarat de monitorizare și comabatere a degradării terenurilor. Ca metode de

combatere a eroziunii solului recomandăm metodele clasice prin lucrări de construcții și amenajari

peisagistice: canale de evacuare, praguri, căderi, podețe, consolidări de mal, etc, cât și lucrări cu

specific agrotehnic: culturi și tehnologii agricole specifice, culturi terasate, culturi în fâșii cu benzi

înierbate, înpăduriri.

BIBLIOGRAPHY

1. Cioban T.D., „History and status of geographical research on the Transylvanian depression

terraces‖, Vol. History and Cultural Mentalities, Editura Arhipelag XXI Press Tg Mureș, pp. 201-

2012., 2014

2. Desmet,P.J.J.,Govers,G. (1996) 51(5), 427-433

3. Foster G.R., G.A. Weesies, D.K. McCool, D.C. Yoder, and K.G. Renard (1999). Revised

Universal Soil Loss Equation User‘s Manual. Gov. Print. Office, Washington, DC. 48p.

4. Gracia,S.J., (1994) ‖Generacion sintetica de indices de erosividad para el calculo de la perdida

de suelo‖, CENAPRED, RH/03/94, Mexico,

7. Haan, C. T., Barfield, B. J., Hayes, J. C. „Design Hydrology and Sedimentology for Small

Catchments‖(1993), Academic Press,INC, San Diego , California, pag.261-262

6. Irimuş I.A., Petrea D., Rus I., Vescan I., Morfodinamica versanţilor în regiunile cu domuri şi cute

diapire din Depresiunea Transilvaniei. Vol. „Mediul şi dezvoltarea durabilă‖, Editura Labirint,

Chişinău, R.Moldova, pp.90-100., 2009

7. Morgan, R. P. C., Quinton, J. N., Smith, R. E., Govers, G., Poesen, J. W. A., Auerswald,

K.,Chisci, G., Torri, D., Styczen, M. E., (1998), The European Soil Erosion Model (EUROSEM): a

dynamic approach for predicting sediment transport from fields and small catchments, Earth

Surface Processes and Landforms 23

8. Moţoc, M., Mircea, S., (2002), Evaluarea factorilor care determină riscul eroziunii hidrice în

suprafaţă, Bren Publisher, Bucureşti.

9. Ramirez, L, 2010, Estimacion de la Perdida de suelos por erosion hidrica en la cuenca del Rio

Juramento-Salta, Universidad Nacional de Salta, Argentina

10. Renard K.G., Foster G.R., Weesies G.A., McCool D.K., and Yoder D.C. 1996. Predicting soil

erosion by water: a guide to conservation planning using the Revised Universal Soil Loss Equation

(RUSLE). USDA Agriculture Handbook 703. United States Departement of Agriculture.



11. Rojanschi, V., Bran, F., Diaconu G., (1997), Protecţia şi ingineria mediului, Bucureşti , Editura

Economică,

12. Rouse, J. W., Haas, R. H., Schell, J. A., & Deering, D. W., 1973. Monitoring vegetation systems

în the Great Plains with ERTS. Paper presented at the Third ERTS Symposium.

13. Surdeanu, V., (1998), Geografia terenurilor degradate. I. Alunecări de teren, Presa Universitară

Clujeană, Cluj-Napoca.

14.Tucker, C. J., 1979. Red and Photographic Infrared Linear Combinations for Monitoring

Vegetation. Remote Sensing of Environment,

15. Williams, J.R., Berndt, (1977) Determining the USLE‘s lenght-slope factor for water-sheds, In:

Soil Erosion: Prediction and Control, Proc. Of a National Conf on Soil Erosion, may 24-26, 1976,

Purduc University, West Lafayette, Indiana, 217-225

16. Wischmeier, W. H., Smith, D. D., Preadicting rainfall erosion losses. A guide to conservation

planning, Agriculture Handbook, No. 537, U.S. Department of Agriculture, Washington DC., 1978

17. Wischmeier, W. H., (1959), A rainfall erosion index for a universal soil-loss equation, Soil

Science Society of America Proceedings Wischmeier, W. H., Johnson, C., Cross, B., (1971),

A soil erodibility nomograph for farmland and construction sites, Journal of Soil and Water

Conservation

Documents

RISK ANALYSIS OF WATER ERROSION OF THE SOIL IN THE … 04 63.pdfPrin estimarea pierderii de sol se urmărește combaterea eroziunii solului[4]. prin practici de conservare care, bine