Soil Erosion Analysis in a Small Forested Catchment Supported by ArcGIS Model Builder

Open access

Abstract

- To implement the analysis of soil erosion with the USLE in a GIS environment, a new workflow has been developed with the ArcGIS Model Builder. The aim of this four-part framework is to accelerate data processing and to ensure comparability of soil erosion risk maps. The first submodel generates the stream network with connected catchments, computes slope conditions and the LS factor in USLE based on the DEM. The second submodel integrates stream lines, roads, catchment boundaries, land cover, land use, and soil maps. This combined dataset is the basis for the preparation of other USLE-factors. The third submodel estimates soil loss, and creates zonal statistics of soil erosion. The fourth submodel classifies soil loss into categories enabling the comparison of modelled and observed soil erosion. The framework was applied in a small forested catchment in Hungary. Although there is significant deviation between the erosion of different land covers, the predicted specific soil loss does not increase above the tolerance limit in any area unit. The predicted surface soil erosion in forest subcompartments mostly depends on the slope conditions.

Kivonat

- Talajeróziós elemzések egy erdősült kisvízgyűjtőn az ArcGIS Model Builder segítségével. A tanulmány egy új munkafolyamatot mutat be, amely az Általános Talajvesztési Egyenlet (USLE) térinformatikai környezetben való alkalmazását könnyíti meg. Az ArcGIS Model Builder-ben létrehozott négyrészes keretrendszer meggyorsítja az adatfeldolgozást és biztosítja a talajeróziós térképek összehasonlíthatóságát. Az első modul - a digitális domborzatmodellből kiindulva - előállítja a lefolyáshálózatot és a kapcsolódó vízgyűjtőket, megadja a lejtőadottságokat és az USLE LS faktorát. A második modul egyesíti a lefolyáshálózatot, az utakat, a vízgyűjtőhatárt, a felszínborítást, a területhasználatot és a talajtérképet tartalmazó vektoros rétegeket. Ez az egyesített adatbázis az alapja a többi USLE-tényező előkészítésének. A harmadik modul kiszámolja a talajveszteséget, és területi statisztikákat képez a talajerózióhoz táblázatos és térképi formában. A negyedik modul vektoros talajveszteségi térképeket konvertál, ahol az egyes poligonok megegyeznek az egyes talajveszteségi osztályokkal. Így lehetővé válik a modellezett és a terepen felmért talajerózió összehasonlítása. A keretrendszert egy hazai erdősült kisvízgyűjtőn alkalmaztuk. Habár jelentős eltérést tapasztaltunk a különböző talajborítású területek eróziója között, a megengedett talajveszteségi értéket egyik területi egységben sem haladta meg a modellezett felületi talajpusztulás. A vizsgálati területen - az egyes erdőrészleteket tekintve - a felületi talajpusztulást legfőképp a domborzati adottságok befolyásolták.

References
  • AMORE, E. - MODICA, C. - NEARING, M.A. - SANTORO, V.C. (2004): Scale effect in USLE and WEPP application for soil erosion computation from three Sicilian basins. J. Hydrol. 293: 100-114.

  • ANDERSSON, L. (2010): Soil loss estimation based on the USLE/GIS approach through small catchments. A minor field study in Tunisia. Technical report TVVR 10/5019. Division of Water Resources Engineering, Department of Building and Environmental Technology, Lund University. 5-14.

  • AUERSWALD, K. (1987): Sensitivität erosionsbestimmender Faktoren. Wasser und Boden 39 (1): 34-38.

  • BÁNKY, GY. (1959): A kisnánai eróziómérő állomás három évi munkásságának eredményei. [Threeyear results of the soil erosion gauging station in Kisnána.] Erdészeti Kutatások 6 (3): 139-160. (in Hungarian)

  • BARTSCH, K.P. - VAN MIEGROET, H. - BOETTINGER, J. - DOBROWOLSKI, J.P. (2002): Using empirical erosion models and GIS to determine erosion risk at Camp Williams, Utah. J. Soil Water Conserv. 57 (1): 29-37.

  • BESKOW, S. - MELLO, C.R. - NORTON, L.D. - CURI, N. - VIOLA, M.R. - AVANZI, J.C. (2009): Soil erosion prediction in the Grande River Basin, Brazil using distributed modeling. Catena 79: 49-59.

  • BUG, J. (2011): Modellierung der linearen Erosion und des Risikos von Partikeleinträgen in Gewässer. Entwicklung und Anwendung von entscheidungsbasierten Modellen zur flächenhaften Prognose der linearen Erosionsaktivitäten und des Gewässeranschlusses von Ackerflächen. Doctoral thesis. Institute of Physical Geography and Landscape Ecology, University of Hannover. 24-100.

  • CENTERI, CS. (2001): Az általános talajveszteség becslési egyenlet (USLE) K tényezőjének vizsgálata. [Investigation of the K factor of the Universal Soil Loss Equation.] Doctoral thesis. Szent István University, Gödöllő. 13-14, 44-63. (in Hungarian) CHANG, M. (2006): Forest hydrology. Taylor and Francis, Boca Raton. 237-282.

  • CSÁFORDI, P. (2010): Erózióveszélyeztetettség vizsgálata a Soproni-hegység erdősült kisvízgyűjtőjén az USLE és az EROSION-3D modellekkel. [Soil erosion risk assessment with the models USLE and EROSION-3D in the small forested catchment of Sopron Hills.] In: Proceedings of the “Environmental management conference for the liveable countryside”. Siófok, Hungary. September 2010. 189-198. (in Hungarian)

  • CSÁFORDI, P. - GRIBOVSZKI, Z. - KALICZ, P. (2010): Contribution of surface erosion to sediment transport in a small forested headwater catchment in the Sopron Hills. Journal of Landscape Management 1 (2): 3-11.

  • CSÁFORDI, P. - KALICZ, P. - GRIBOVSZKI, Z. (2011): Erdősült kisvízgyűjtő éves hordalékhozamának becslése és egy hordalékkúp hatásának vizsgálata. [Estimation of annual sediment load and the depletion effect of a sediment trap in a small forested catchment.] Hidrológiai Közlöny [Journal of the Hungarian Hydrological Society] 91 (3): 46-54. (in Hungarian)

  • DE ROO, A.P.J. - WESSELING, C.G. - RITSEMA, C.J. (1996): A single-event physically based hyrological and soil erosion model for drainage basins. I: Theory, input and output. Hydrol. Proc. 10: 1107-1117.

  • DE ROO, A.P.J. - JETTEN, V.G. (1999): Calibrating and validating the LISEM model for two data sets from the Netherlands and South Africa. Catena 37: 477-493.

  • DEMIRCI, A. - KARABURUN, A. (2011): Estimation of soil erosion using RUSLE in a GIS framework: a case study in the Buyukcekmece Lake watershed, northwest Turkey. Environ. Earth Sci., DOI 10.1007/s12665-011-1300-9 ERDOGAN, E.H. - ERPUL, G. - BAYRAMIN, I. (2007): Use of USLE/GIS Methodology for Predicting Soil Loss in a Semiarid Agricultural Watershed. Environ. Monit. Assess. 131: 153-161.

  • FISTIKOGLU, O. - HARMANCIOGLU, N.B. (2002): Integration of GIS with USLE in Assessment of Soil Erosion. Water Resour. Manage. 16: 447-467.

  • GARCÍA-RUIZ, J. M. - REGÜÉS, D. - ALVERA, B. - LANA-RENAULT, N. - SERRANO-MUELA, P. - NADAL-ROMERO, E. - NAVAS, A. - LATRON, J. - MARTÍ-BONO, C. - ARNÁEZ, J. (2008): Flood generation and sediment transport in experimental catchments affected by land use changes in the central Pyrenees. J. Hydrol. 356: 245-260.

  • GOMI, T. - MOORE, R.D. - HASSAN, M.A. (2005): Suspended sediment dynamics in small forest streams of the Pacific Northwest. JAWRA 41 (4): 877-898.

  • GORDON, N.D. - MCMAHON, T.A. - FINLAYSON, B.L. - GIPPEL, C.J. - NATHAN, R.J. (2004): Stream hydrology. John Wiley and Sons, Chichester. 169-200.

  • GRIBOVSZKI, Z. (2000): Forest stream sediment transport in Sopron Mountain. In: Tóth, L. (ed.): Hungarian Agricultural Engineering 13. Gödöllő. 78-80.

  • GRIBOVSZKI, Z. - KALICZ, P. (2003): Analysis of headwater stream sediment parameters. In: Geophysical Research Abstracts. European Geophysical Society, 28th Joint Assembly. Nice, France. April 2003.

  • JAIN, M.K. - KOTHYARI, U.C. (2000): Estimation of soil erosion and sediment yield using GIS. Hydrolog. Sci. J. 45 (5): 771-786.

  • JAIN, M.K. - MISHRA, S.K. - SHAH, R.B. (2010): Estimation of sediment yield and areas vulnerable to soil erosion and deposition in a Himalayan watershed using GIS. Curr. Sci. India 98 (2): 213-221.

  • KERTÉSZ, Á. - MÁRKUS, B. - MEZŐSI, G. (1992): Soil erosion assessment using GIS methods. In: 3rd European Conference on Geographical Information Systems. Munich, Germany. March 1992. 885-893.

  • KERTÉSZ, Á. - RICHTER, G. - SCHMIDT, R.G. (eds.) (1997): The Balaton project. In: European Society for Soil Conservation, Newsletter 2-3: 3-36.

  • KHOSROWPANAH, S. - HEITZ, L.F. - WEN, Y. - PARK, M. (2007): Developing a GIS-based soil erosion potential model of the UGUM watershed. Technical Report No. 117. Water and Environmental Research Institute of the Western Pacific, University of GUAM, UOG station, Mangilao, Guam. 9-33.

  • KUCSARA, M. - RÁCZ, J. (1988): A fajlagos évi eróziós talajveszteség vizsgálata a Tacsi-árok erdővel borított vízgyűjtő területén. [Examination of specific annual soil loss in the forested catchment of Tacsi Valley.] Erdészeti és Faipari Közlemények (1-2): 81-88.

  • LEE, S. (2004): Soil erosion assessment and its verification using the Universal Soil Loss Equation and Geographic Information System: a case study at Boun, Korea Environ. Geol. 45: 457-465.

  • LEWIS, J. (1998): Evaluating the impacts of logging activities on erosion and suspended sediment transport in the Caspar Creek watersheds. In: Proceedings of the “Conference on coastal watersheds: The Caspar Creek story”. Ukiah, USA. 1998. 55-69.

  • LISLE, T.E. - NAPOLITANO, M.B. (1998): Effects of recent logging on the main channel of North Fork Caspar Creek. Technical report PSW GTR-168. Albany, CA, Pacific Southwest Research Station, Forest Service, USDA. 81-85.

  • LU, D. - LI, G. - VALLADARES, G.S. - BATISTELLA, M. (2004): Mapping soil erosion risk in Rondonia, Brazilian Amazonia: Using RUSLE, remote sensing and GIS. Land Degrad. Develop. 15: 499-512.

  • MA, J. (2001): Combining the USLE and GIS/ArcView for Soil Erosion Estimation in Fall Creek Watershed in Ithaca, New York. CSS620- Spatial Modeling and Analysis. Online: http://www.docstoc.com/docs/52400644/Combining-the-USLE-and-GISArcView-for-Soil-Erosion-Estimation (Access date: 02.12.2011)

  • MA, J.W. - XUE, Y. - MA, C.F. - WANG, Z.G. (2003): A data fusion approach for soil erosion monitoring in the Upper Yangtze River Basin of China based on Universal Soil Loss Equation (USLE) model. Int. J. Remote Sensing 24 (23): 4777-4789.

  • MARTIN, A. - GUNTER, J.T. - REGENS, J.L. (2003): Estimating erosion in a riverine watershed Bayou Liberty-Tchefuncta River in Louisiana. Environ. Sci. & Pollut. Res. 10 (4): 245-250.

  • MARKUS, B. - WOJTASZEK, M. (1993a): A talajerózió becslése [Soil erosion estimation]. Vízügyi Közlemények 75 (2): 192-200.

  • MÁRKUS, B. - WOJTASZEK, M. (1993b): Estimation of soil erosion using USLE and applying ARC/INFO and remote sensing. BME Newsletter, Budapest.

  • MOORE, I. - BURCH, G. (1986): Physical basis of the length-slope factor in the universal soil loss equation. Soil. Sci. Soc. Am. J. 50: 1294-1298.

  • MOSIMANN, T. - SANDERS, S. - BRUNOTTE, J. - GROCHOLL, J. - MARAHRENS, S. - PREUSS, E. - STREUN, M. (2004): Bodenerosion selber abschätzen. Ein Schlüssel für Betriebsleiter und Berater in Niedersachsen. Institute of Physical Geography and Landscape Ecology, University of Hannover. 3-29.

  • NEARING, M.A. - FOSTER, G.R. - LANE, L.J. - FINKNER, S.C. (1989): A process-based soil erosion model for USDA-Water Erosion Prediction Project technology. Transactions of the ASAE 32 (5): 1587-1593.

  • ONYANDO, J.O. - KISOYAN, P. - CHEMELIL, M.C. (2005): Estimation of Potential Soil Erosion for River Perkerra Catchment in Kenya. Water Resour. Manage. 19: 133-143.

  • PANDEY, A. - CHOWDARY, V.M. - MAL, B.C. (2007): Identification of critical erosion prone areas in the small agricultural watershed using USLE, GIS and remote sensing. Water Resour. Manage. 21: 729-746.

  • PFAFF, R.M. - GLENNON, J.A. (2004): Building a groundwater protection model. ArcUser July- September 2004: 54-59.

  • RÁCZ, J. (1985): Erdővel borított lejtős területek ellenállása az erózióval szemben. [Soil erosion resistance of forested sloping areas.] In: Proceedings of the conference “The economical management of sloping areas”. Gödöllő, Hungary. 1985. 196-200. (in Hungarian)

  • RISSE, L.M. - NEARING, M.A. - NICKS, A.D. - LAFLEN, J.M. (1993): Error assessment in the Universal Soil Loss Equation. SSSA 57 (3): 825-833.

  • RODDA, H.J.E. - DEMUTH, S. - SHANKAR, U. (1999): The application of a GIS-based decision support system to predict nitrate leaching to groundwater in southern Germany. Hydrolog. Sci. J. 44 (2): 221-236.

  • SANDERS, S. (2007): Erosionsmindernde Wirkung von Intervallbegrünungen in Fahrgassen. Untersuchungen im Weizen- und Zuckerrübenanbau mit Folgerungen für Anbaupraxis. Series: Geosynthesis. Institute of Physical Geography and Landscape Ecology, University of Hannover.

  • SCHWERTMANN, U. - VOGL, W. - KAINZ, M. - AUERSWALD, K. - MARTIN, W. (1987): Bodenerosion durch Wasser: Vorhersage des Abtrags und Bewertung von Gegenmaßnahmen. Ulmer, Stuttgart. 9-36.

  • SHEN, H.W. - JULIEN, P.Y. (1993): Erosion and sediment transport. In: Maidment, D.R. (ed.): Handbook of hydrology. McGraw-Hill. 12.1-12.61.

  • SORRISO-VALVO, M. - BRYAN, R.B. - YAIR, A. - IOVINO, F. - ANTRONICO, L. (1995): Impact of afforestation on hydrological response and sediment production in small Calabrian catchment. Catena 25: 89-104.

  • STONE, R.P. - HILBORN, D. (2000): Universal Soil Loss Equation (USLE). Series: Factsheet No. 00-001 AGDEX 572/751. Agricultural Engineering, Ministry of Agriculture, Food and Rural Affairs, Ontario. May 2000.

  • SURFLEET, C.G. - ZIEMER, R.R. (1996): Effects of forest harvesting on large organic debris in coastal streams. In: Proceedings of the “Conference on coast redwood forest ecology and management”. Arcata, CA, Berkeley, CA, University of California. June 1996. 134-136.

  • ÚJVÁRI, F. (1981): Az erdők szerepének értékelése a vízgyűjtő területek hordalék-lemosódásának megakadályozásában. [Assessment of the soil protection role of forests in the catchment areas.] Erdészeti Kutatások 74: 107-124. (in Hungarian)

  • US EPA (2009): Water models / Barton Springs Salamander - Meadow. US Environmental Protection Agency. Online: http://www.epa.gov/oppefed1/models/water/bs_meadow.htm (Access date: 30.05.2010)

  • VAN REMORTEL, R.D. - MAICHLE, R.W. - HICKEY, R.J. (2004): Computing the LS factor for the Revised Universal Soil Loss Equation through array-based slope processing of digital elevation data using a C++ executable. Comput. Geosci. 30: 1043-1053.

  • VON WERNER (1995): GIS-orientierte Methoden der digitalen Reliefanalyse zur Modellierung von Bodenerosion in kleinen Einzugsgebieten. Doctoral thesis. Freie Universität Berlin.

  • WISCHMEIER, W.H. - SMITH, D.D. (1978): Predicting rainfall erosion losses - A guide to conservation planning. Series: Agriculture Handbook No. 537. USDA, Washington DC. 3-4.

Acta Silvatica et Lignaria Hungarica

The Journal of University of West Hungary

Journal Information


CiteScore 2016: 0.50

SCImago Journal Rank (SJR) 2016: 0.241
Source Normalized Impact per Paper (SNIP) 2016: 0.460

Metrics

All Time Past Year Past 30 Days
Abstract Views 0 0 0
Full Text Views 41 41 29
PDF Downloads 12 12 9