MINISTERUL EDUCAȚIEI, CULTURII ȘI CERCETĂRII INSTITUTUL DE ECOLOGIE ȘI GEOGRAFIE Cu titlu de manuscris C.Z.U.: 631.459:004 (478) (043.2) TUDOR CASTRAVEȚ MODELAREA EROZIUNII PRIN APĂ ÎN CÂMPIA PRUTULUI DE MIJLOC CA SUPORT PENTRU PLANIFICAREA DEZVOLTĂRII DURABILE 166.02 - PROTECȚIA MEDIULUI AMBIANT ȘI FOLOSIREA RAȚIONALĂ A RESURSELOR NATURALE Teză de doctor în științe geonomice Conducător științific: BOBOC Nicolae Doctor în geografie, Conferențiar universitar Autorul: CASTRAVEȚ Tudor CHIȘINĂU, 2018 © Castraveț Tudor, 2018 2 ADNOTARE (în română, rusă, engleză) ........................................................................................ 4 LISTA ABREVIERILOR ............................................................................................................. 7 INTRODUCERE ........................................................................................................................... 8 1. ISTORICUL ȘI GRADUL DE CUNOAȘTERE ASUPRA TEMEI DE STUDIU ........ 16 1.1. Istoricul și gradul de cunoaștere asupra temei .................................................................... 19 1.2. Tipologia modelelor privind eroziunea solului .................................................................. 24 1.3. Concluzii la capitolul 1 ....................................................................................................... 37 2. CONDIȚIILE DE DEZVOLTARE A EROZIUNII ........................................................ 39 2.1 Cadrul geomorfologic .......................................................................................................... 40 2.1.1. Caracteristici morfologice și morfometrice ................................................................. 40 2.1.2. Forme de relief delimitate în baza MNAT .................................................................. 45 2.1.3. Relieful actual și etapele de formare ale reliefului ...................................................... 46 2.1.4. Procese geomorfologice actuale .................................................................................. 48 2.2. Caracteristici termice și pluviometrice ............................................................................... 53 2.2.1. Temperaturile............................................................................................................... 53 2.2.2. Precipitațiile ................................................................................................................. 54 2.3. Caracteristici hidrografice și hidrologice ........................................................................... 56 2.4. Utilizarea și acoperirea terenurilor ..................................................................................... 60 2.5. Cadrul pedo-geologic ......................................................................................................... 61 2.5.1. Geologia zonei de studiu ............................................................................................. 61 2.5.2. Solurile ........................................................................................................................ 64 2.6. Concluzii la capitolul 2 ....................................................................................................... 66 3. MATERIALE ȘI METODE DE CERCETARE .............................................................. 67 3.1. Modelarea eroziunii hidrice a solului ................................................................................. 67 3.1.1. Factorul erozivității precipitațiilor ............................................................................... 67 3.1.2. Factorul morfometriei reliefului .................................................................................. 75 3.1.3. Factorul erodibilității solului ....................................................................................... 84 3.1.4. Factorul acoperirii terenurilor ...................................................................................... 86 3.1.5. Factorul practicilor agricole protective........................................................................ 89 3.2. Date de intrare pentru modelare ......................................................................................... 91 3.2.1. Datele asupra precipitațiilor atmosferice ..................................................................... 92 3.2.2. Modelul numeric altitudinal al terenului ..................................................................... 95 3.2.3. Harta Solurilor ............................................................................................................. 96 3.2.4. Harta acoperirii/utilizării terenurilor ........................................................................... 96 3.3. Concluzii la capitolul 3 ....................................................................................................... 96 4. ANALIZA REZULTATELOR MODELĂRII EROZIUNII ȘI DEPUNERII .............. 98 4.1. Evaluarea riscului eroziunii solului .................................................................................... 98 4.1.1. Evaluarea riscului aplicând sisteme expert .................................................................. 98 4.1.2. Estimarea eroziunii prin abordare empirică .............................................................. 102 4.1.3. Pierderile de sol, valori limită și nivele de toleranță ................................................. 127 4.2. Prognoze privind evoluția riscului eroziunii .................................................................... 132 4.2.1. Dezvoltarea durabilă .................................................................................................. 132 4.2.2. Evoluția riscului eroziunii în condițiile schimbării mediului .................................... 134 4.2.3. Recomandări privind protecția solurilor împotriva eroziunii .................................... 136 4.3. Concluzii la capitolul 4 ..................................................................................................... 137 CONCLUZII GENERALE ȘI RECOMANDĂRI ................................................................. 138 BIBLIOGRAFIE ....................................................................................................................... 140 ANEXE ....................................................................................................................................... 155 DECLARAȚIA PRIVIND ASUMAREA RĂSPUNDERII ................................................... 198 CV-UL AUTORULUI ............................................................................................................... 199 3 ADNOTARE Tudor Castraveț, „Modelarea eroziunii prin apă în Câmpia Prutului de Mijloc ca suport pentru planificarea dezvoltării durabile”. Teză de doctor în științe geonomice, Chișinău, 2018. Teza este compusă din: Introducere, 4 Capitole, Concluzii generale, Bibliografie cu 198 titluri, 140 pagini de text de bază, 42 tabele, 109 figuri, 8 anexe. Rezultatele obținute sunt publicate în 9 lucrări științifice. Cuvinte-cheie: eroziunea solului, modelare, Sisteme Informaționale Geografice, modele ale eroziunii prin apă, USLE, RUSLE. Domeniul de cercetare: protecția mediului ambiant și folosirea rațională a resurselor naturale. Scopul cercetării constă în elaborarea, validarea și implementarea unui set de tehnici și procedee de modelare computerizată a proceselor erozionale, în cadrul zonei de studiu, prin aplicarea SIG, pentru evidențierea arealelor de manifestare, evaluarea ratei eroziunii și prognozarea manifestării eroziunii în condițiile modificărilor de mediu. Obiectivele cercetării: •evidențierea factorilor care determină eroziunea și a condițiilor de manifestare a acesteia; •evidențierea obiectelor naturale și antropice expuse riscului eroziunii; •elaborarea aparatului metodologic de modelare a eroziunii, adaptat la condițiile specifice ale Republicii Moldova în general și ale zonei de studiu în special •elaborarea modelelor spațiale ale erozivității, riscului și ratei eroziunii; •elaborarea prognozelor privind manifestarea proceselor erozionale în condițiile schimbărilor de mediu; •elaborarea propunerilor privind reducerea riscului eroziunii. Noutatea și originalitatea științifică. Pentru prima dată în Republica Moldova se soluționează problemele privind estimarea distribuției spațiale, evaluarea hazardului și riscului eroziunii prin apă a solului prin metode de modelare computerizată, cu aplicarea SIG, în mod specific, au fost elucidate următoarele aspecte: •au fost sistematizate datele privind factorii care determină eroziunea și condițiile de manifestare a acesteia; •au fost evidențiate areale expuse riscului eroziunii; •a fost elaborat aparatul metodologic de modelare a eroziunii, adaptat la condițiile specifice ale Republicii Moldova în general și ale zonei de studiu în special; •au fost elaborate modelele spațiale (hărțile) ale erozivității precipitațiilor, erodibilității solului, riscului și ratei eroziunii; •au fost elaborate prognoze privind manifestarea proceselor erozionale în condițiile schimbărilor de mediu; •au fost elaborate propuneri privind estimarea și reducerea riscului eroziunii. Problema științifică soluționată constă în estimarea riscului eroziunii solului prin scurgere de suprafață, prin aplicarea principiilor modelării în mediu SIG; în elaborarea și implementarea metodologiei de estimare a riscului eroziunii solului în condițiile Republicii Moldova. Importanța teoretică. Sunt evidențiate aspectele teoretico-metodologice ale modelării logico-matematice a eroziunii solului prin apă; sunt analizați factorii fizico-geografici și antropici de manifestare a proceselor erozionale în condițiile zonei de studiu; este adaptată metodologia de estimare a erozivității precipitațiilor pentru teritoriul Republicii Moldova. Valoarea aplicativă a lucrării. Au fost elaborate modele (hărți) ale distribuției spațiale ale erozivității precipitațiilor, erodibilității solurilor, hazardului și riscului eroziunii prin apă a solurilor. Implementarea rezultatelor. Rezultatele, reprezentate prin hărți de risc a eroziunii, au fost implementate de către autoritățile din raioanele administrative din zona de studiu. De asemenea, rezultatele au fost utilizate la pregătirea curriculum-ului și suportului de curs pentru cursurile universitare de „Pedologie cu elemente de protecție a solurilor”, „Hidrologie generală” și „Geoinformatică și analiză spațială” în cadrul Universității de Stat „Dimitrie Cantemir”. 4 AННОТАЦИЯ Тудор Кастравец, «Моделирование водной эрозии на Среднепрутской равнине для поддержки планирования устойчивого развития», Диссертация на соискание ученой степени доктора геономических наук, Кишинев, 2018 г. Содержание: Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключений, 198 наименований библиографии, 140 страниц основного текста, 42 таблиц, 109 рисунков и 8 приложений. Результаты исследования опубликованы в 9 научных работах. Ключевые слова: моделирование эрозии почв, географические информационные системы, модели водной эрозии, USLE, RUSLE. Область исследований: охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов. Цель исследования: заключается в разработке, проверке и реализации набора методов компьютерного моделирования процессов эрозии, в пределах района исследования, путем применения географических информационных систем (ГИС), для выявления областей проявления эрозии, оценки скорости эрозии почв, и прогнозирования эрозии в условиях изменчивой окружающей среды, как поддержка при оптимизации программ и региональных планов устойчивого развития територии. Задачи исследования: выявление определяющих факторов и условий проявления эрозии; выделение объектов находящимся под риском эрозии; разработка методологии компьютерного моделирования эрозии, адаптированная к конкретным условиям Республики Молдовы в целом и области исследования, в частности; развитие пространственных моделей эрозивности осадков, риска и скорости эрозии; прогнозирование проявления процессов эрозии под воздействием изменения окружающей среды; подготовка предложений по снижению риска эрозии. Научная новизна и оригинальность: Впервые в Республике Молдова решаются проблемы пространственного распределения, оценки опасности и риска водной эрозии почв, с помощью компьютерного моделирования и с применением ГИС. В частности, были выяснены следующие вопросы: •систематизированы данные о факторах определяющих эрозионные процессы и об условиях их проявления; •выделены районы находящиеся под риском эрозии; •разработана методология моделирования эрозии, приспособленная к конкретным условиям Молдовы в целом, и району исследования, в частности; •разработаны пространственные модели (карты) эрозивности осадков, размываемости почв, риска и скорости эрозии; •разработаны предложения для оценки и снижения эрозии. Решенная научная проблема: заключается в оценке риска эрозии почв поверхностным стоком, с применением принципов моделирования в ГИС среде; в разработке и внедрении методологии оценки риска эрозии почв в условиах Республики Молдова. Теоретическая значимость: выделены теоретические и методологические аспекты математического моделирования эрозии почв; анализируются географические факторы эрозионных процессов в исследуемой области; адаптирована методология оценки эрозивности осадков для Республики Молдова. Значение работы: были разработаны модели (карты) пространственного распределения эрозивности осадков, размываемости почв, и риска эрозии почвы. Внедрение результатов: результаты, представленные картами риска эрозии были внедренны властями административных районов иследуемой территории. Результаты также были использованы при подготовке учебных программ для университетских курсов «Почвоведение с элементами противоэрозионной защиты», «Общая гидрология» и «Геоинформатика и пространственный анализ» на Кафедре Экологии и Наук об Окружающей Среде, Государственого Университета „Dimitrie Cantemir”. 5 ANNOTATION Tudor Castraveț, „Water Erosion Modeling in the Middle Prut Plain as a support for sustainable development planning”, PhD Thesis in Geonomical Sciences, Chișinău, 2018. Contents: The thesis consists of: Introduction, 3 Chapters, General conclusions, Bibliography with 198 titles, 140 base text pages, 42 tables, 109 figures, and 8 Annexes. The obtained results were published in 9 scientific papers. Key words: soil erosion, modeling, Geographic Information Systems, water erosion models, USLE, RUSLE. Field of research: the protection of the environment and the rational use of natural resources. The aim of the research was to elaborate, validate and implement a set of techniques and methods of computerized modeling of erosion processes within the study area, by applying the Geographical Information Systems (GIS), highlighting erosion manifestation areas, evaluating erosion rates and forecasting erosion in conditions of environmental changes, as a support for the optimization of programs and plans for sustainable development. Objectives of the research: to highlight the factors that determine the erosion and the conditions of its manifestation; highlighting objects at risk of erosion; elaboration of the methodological apparatus for modeling erosion, adapted to the specific conditions of the Republic of Moldova in general and of the study area in particular; elaboration of spatial models of erosivity, risk and rate of erosion; elaboration of prognoses regarding erosion processes in conditions of environmental changes; developing proposals for estimation and reduction of the water erosion risk. Novelty and scientific originality: for the first time in the Republic of Moldova, were solved the problems regarding estimation of spatial distribution, assessment of the hazard and risk of soil erosion through the methods of computer modeling, with the application of the Geographic Information Systems, and more specifically, the following aspects were considered: • were systematized the data on the factors determining the erosion and the conditions for its manifestation; • have been highlighted areas exposed to the risk of erosion; • was developed a methodology for erosion modeling, adapted to the specific conditions of the Republic of Moldova in general and of the study area in particular; • have been developed the spatial models (maps) of rainfall erosivity, soil erodibility, risk and erosion rates; • have been developed the estimates of erosion processes in the context of environmental changes; • have been developed the proposals in order to estimate and reduce the risk of erosion. The solved scientific problem: consists in assessment of the risk of soil erosion by surface runoff applying the principles of modeling in the GIS environment; in the development and implementation of a methodology for assessing the risk of soil erosion in the conditions of the Republic of Moldova. Theoretical significance: the theoretical and methodological aspects mathematical modeling of soil erosion are highlighted; the geographic factors of erosion processes are analyzed in the study area; the methodology for estimating the precipitation erosivity for the Republic of Moldova is adapted. Application value of the work: models (maps) of the spatial distribution of precipitation erosivity, soil erodibility, hazard and risk of soil erosion through water were developed. Implementing the results: the results, represented by erosion risk maps, have been implemented by the authorities of the administrative districts of the study area. The results were also used to prepare the curriculum and course support materials for the „Pedology with Soil Protection Elements”, „General Hidrology” and „Geoinformatics and Spatial Analysis” university courses at the State University „Dimitrie Cantemir”. 6 LISTA ABREVIERILOR EUROSEM - The European Soil Erosion Model FAO LCCS - Sistemul FAO de Clasificare a Acoperirii Terenului GRASS GIS - Geographic Resources Analysis Support System ICPA - Institutul de Cercetări pentru Pedologie și Agrochimie, București IEG - Institutul de Ecologie și Geografie INMH - Institutului Național de Meteorologie și Hidrologie, București LIDAR - LIght Detection And Ranging MDE - Model Digital al Elevației MNAT - Modelul Numeric Altitudinal al Terenului MUSLE - Modified Universal Soil Loss Equation NDVI - Normalized Difference Vegetation Index PESERA - Pan-European Soil Erosion Risk Assessment ROMSEM - Romania Soil Erosion Model RUSLE - Revised Universal Soil Loss Equation SAGA GIS - System for Automated Geoscientific Analyses SIG - Sistem Informațional Geografic TPI - Topographic Position Index TWI - Topographic Wetness Index USDA-ARS - United States Department of Agriculture – Agricultural Research Service USLE - Universal Soil Loss Equation USPED - Unit Stream Power - based Erosion Deposition WATEM - Water and Tillage Erosion Model WEPP - Water Erosion Prediction Project 7 INTRODUCERE Actualitatea temei Problema eroziunii ajunge să fie una dintre cele mai grave problemele de mediu, la nivel național și internațional. Tematica eroziuni în general și a eroziunii solului în special merge mână în mână cu altele, la fel de importante, ca deșertificarea progresivă a teritoriului, manifestarea hazardelor naturale dar și creșterea numărului populației și a necesităților alimentare. Această problemă este, prin urmare, de o importanță deosebită mai ales în cazul în care avem în vizor un teritoriu vulnerabil, în sensul unui echilibru precar, în prezența unor intense activități umane, când procesul de eroziune este mult mai rapid. Eroziunea – o problemă reală. Solul este principala bogăție naturală (resursă) a Republicii Moldova. La nivelul anilor '80 ai sec. XX-lea pe teritoriul Republicii Moldova existau aproximativ 330 mii ha terenuri mediu și puternic erodate, circa 100 mii ha terenuri afectate de fenomene de ravenare și aproximativ 2 mil. ha de terenuri necesitând protecție împotriva eroziunii, din cele 2585,2 mii ha ocupate de terenuri agricole [37]. În prezent, suprafața totală a terenurilor agricole erodate constituie circa 859 mii ha (33,9% din suprafața terenurilor agricole – 2,534 mii ha), inclusiv, slab erodate – 504 mii ha (19,9%), moderat erodate – 253 mii ha (10,0%), puternic erodate – 102 mii ha (4,0 %) [12]. La fel, după Agenția Europeană de Mediu (2008), o situație nu tocmai favorabilă se poate descrie și în alte regiuni. Astfel, în 1990, la nivel european (fără Rusia), aproximativ 105 mil. ha de terenuri (16% din teritoriu), se estimau a fi afectate de eroziune, iar în 2012, la nivelul UE-27, deja circa 130 mil. ha au fost estimate ca fiind afectate de eroziunea prin apă, din care aproape 20% suportă o rată a pierderilor de sol de peste 10 tone ha-1 an-1. Modelarea – o soluție pentru estimarea hazardului și riscului. Cartarea terenurilor erodate în teren este costisitoare (necesită timp, specialiști, costuri). Rapoartele actuale (statistica) privind calitatea terenurilor sunt superficiale, realizate adesea de nespecialiști (mai ales la faza de colectare a datelor) și fără aplicarea unei metodologii simple, precise și unice privind estimarea eroziunii. Datele existente (inclusiv cartografice) sunt depășite de timp și nu redau într-o manieră clară (și utilizabilă) starea lucrurilor. Modelarea – o soluție pentru realizarea de prognoze și planificare. Natura este în continuă schimbare - schimbările de climă fiind printre cele mai pregnante (ex. precipitații). Societatea umană, de asemenea, este în continuă schimbare - transformări social-economice, urmate de modificări în ceea ce privește: tipul de utilizare a terenurilor, structura terenurilor 8 (parcelare), tehnicile de prelucrare a terenurilor agricole etc. Capacitatea noastră de adaptare la aceste schimbări depinde de posibilitatea de a prognoza din timp efectele acestor schimbări. Importanța problemei abordate Ca consecință a eroziunii, în diferite manifestări ale ei (liniară, plană), rezultă apariția unui relief degradat, incomod pentru activitățile umane, are loc scăderea în grosime a orizonturilor superficiale de sol, reducându-se astfel cantitativ conținutul de materie organică, lut și substanță coloidală; se reduce adâncimea de fixare a rădăcinilor plantelor și capacitatea de retenție a substanțelor nutritive și apă în sol. Acidificarea, levigarea, compactarea, eutrofizarea și reducerea activității biologice sunt procese favorabile (agravante) pentru eroziunea solului (Figura 0.1). Fig. 0.1. Cauzele degradării solului [152] Eroziunea, ca și depunerea de sedimente, sunt fenomene naturale și nu pot fi anulate. Un real pericol prezintă eroziunea accelerată, care fiind generată de activitățile umane, duce la creșterea substanțială a ratelor eroziunii, transportului și depozitării de sedimente. Eroziunea și sedimentarea crescândă pot determina apariția unor stări de risc geomorfologic, pot diminua calitatea apei etc., pot produce daune, înlăturarea cărora necesită reparații costisitoare. 9 Depunerea de sedimente contribuie la modificarea caracteristicilor obiectelor acvatice. Aceste schimbări pot avea consecințe majore, cum ar fi, spre exemplu, producerea inundațiilor. Sedimentarea în zona luncilor poate altera procesele hidrologice și distruge vegetația acvatică și palustră. De aceea, este important de a minimaliza impactul cauzat de procesele erozionale prin planificarea unor măsuri de conservare. O astfel de planificare poate fi dificilă pentru areale largi, însă Sistemele Informaționale Geografice (SIG) pot oferi instrumentele necesare pentru abordarea riscului eroziunii, evaluarea diferitelor alternative de manifestare a schimbărilor și optimizarea spațială a măsurilor de conservare. Înțelegerea integrală a circuitului sedimentelor și a proceselor implicate este importantă, oferind suport valoros pentru planificarea gestiunii și utilizării terenurilor ș.a. În Europa, costurile legate de impactul indirect și ex-situ al producției de sedimente pare să fie mai mare decât cele generate de impactul direct și in-situ [45, p. 467]. Astfel, cercetarea producției de sedimente este necesară nu doar din prisma efectelor sale in-situ, dar și a celor ex-situ. Obiectul acestei cercetări este procesul de eroziune a solului prin scurgerea de versant. Subiectul cercetării este modelarea logico-matematică a eroziunii prin apă prin intermediul Sistemelor Informaționale Geografice (SIG). Scopul lucrării Scopul cercetării constă în elaborarea, validarea și implementarea unui set de tehnici și procedee de modelare computerizată a proceselor erozionale prin aplicarea SIG, pentru evidențierea arealelor de manifestare, evaluarea ratei eroziunii și prognozarea manifestării eroziunii în condițiile modificărilor de mediu, ca suport pentru optimizarea programelor și planurilor de valorificare durabilă a teritoriului. Obiectivele lucrării Realizarea scopului de bază al studiului sa efectuat prin rezolvarea succesivă a următoarelor obiective:  Evidențierea factorilor care determină eroziunea și a condițiilor de manifestare a acesteia;  Evidențierea arealelor expuse riscului eroziunii;  Elaborarea aparatului metodologic de modelare a eroziunii, adaptat la condițiile specifice ale Republicii Moldova în general și ale zonei de studiu în special;  Elaborarea modelelor spațiale ale erozivității, riscului și ratei eroziunii;  Elaborarea prognozelor privind manifestarea proceselor erozionale în condițiile schimbărilor de mediu;  Elaborarea propunerilor privind estimarea și reducerea riscului eroziunii. 10