Skattning av markens bärighet med hjälp av GIS-kartor

Bakgrund

Att skatta markens bärighet kan bidra till bättre planering av skogsmaskinernas vägval i terrängen och skogsbilvägar. Genom att placera körvägarna i områden med hög bärighet minskas markpåverkan, det vill säga spårbildning samt markpackning. Kunskap om markens bärighet kan också bidra till minskade konstruktions- och underhållskostnader av skogsbilvägar.

Markens bärighet är beroende av faktorer som markfuktighet och jordart. Bärigheten är generellt sämre för finkorniga jordarter och försämras vid högre markfuktighet. Att mäta markfukt och skatta jordens kornstorleksfördelning i fält är tids- och resurskrävande och därför inte praktiskt möjligt i det operativa skogsbruket. Planeringsverktyg med tillräcklig noggrannhet behövs för att effektivisera arbetet. Målet med denna studie var att utvärdera om GIS-kartor, markfuktighetskartor (DTW, Depth-to-Water) och SGU:s jordartskartor kan användas för att skatta markens bärighet.

Material & metod

DTW-markfuktighetskartor skattar markens fuktighet utifrån högupplösta terrängmodeller från laserdata, och har använts i skogsbruket i flera år. Kartan bygger på höjdmodeller av markytan och hur en viss mängd vatten fördelar sig på ytan i landskapet och visar på så sätt vilka områden som borde vara blötare än andra.

SGU:s jordartskartor har varierande kvalitet och upplösning, från södra till norra Sverige (1:25 000–1:750 000), beroende på hur de har tagits fram. Delar av SGU:s jordartskarta har uppdaterats med hjälp av högupplösta laserdata och därmed kan en tydligare avgränsning av olika jordarter förväntas i dessa områden.

Studien hade en faktoriell design med tre jordartsklasser (ler-/siltsediment, sandsediment och morän) och två markfuktighetsklasser: torrt (DTW> 1 m) och blött (DTW<= 1 m) samt 20 upprepningar per kombination. Fältmätningar gjordes på 120 mätpunkter i Uppsalaområdet, fördelade över de olika kombinationerna av jordart- och markfuktklasserna enligt GIS-kartor. Studien begränsades till områden där högupplösta jordartskartor var tillgängliga.

I varje mätpunkt samlades data över markens bärighet i California bearing ratio och jordpenetrationsdjup (cm), och dessutom mättes markens fuktighet uttryckt som volymetrisk vattenhalt (volymandel vatten i ett jordprov, m³ vatten/m³ jord), moss- och humuslagrets tjocklek (cm). På varje mätpunkt skattades vegetationstypen och ett jordprov togs från de översta 20 cm av marken för att skatta kornstorleksfördelningen på labb.

Resultat och diskussion

Överensstämmelsen mellan volymetrisk vattenhalt mätt i fält och fuktighetsklasserna i markfuktighetskartorna var konsistent (Figur 1), men var signifikant endast för ler-/siltsediment från jordartskartan. Detta beror förmodligen på att de flesta jordarna var brunjordar, vilket innebär varierande organiskt material i de övre lagren och därmed varierande vattenhållande förmåga. Den ökade vattenhållande förmågan som följd av högre organiskt material var förmodligen större i sandsedimenten och i moränen, men hade mindre effekt i den finkorniga sedimenten som i sig har en hög vattenhållande förmåga.

En orsak till att inte överenstämmelsen är bättre är att DTW-kartorna är statiska och inte visar vädrets påverkan på markfukten. Dessutom baseras DTW-värdena på höjdmodeller som beskriver markytans topografi och tar inte hänsyn till andra faktorer som påverkar markens fuktighet, exempelvis berggrundens form, jorddjup eller markens hydrologiska egenskaper.

Figur 1. Volymetrisk vattenhalt mätt i fält över markfukt- och jordartsvärden från GIS-kartor.

Jordartklasserna i kartan överensstämde bra med jordartsbestämningen från fältinventeringen för sandsedimenten där bara 5 % av observationerna var något annat än ett sandsediment. För moränerna och ler/siltsedimenten var ungefär en fjärdedel av observationerna en annan jordart än den kartan indikerade (Figur 2). Totalt sett överensstämde 81 % av jordartsbestämningarna i fält med kartan

Figur 2. Jordartskartans överenstämmelse med den faktiska jordarten.

Modellering av markens bärighet baserat på markfuktighets- och jordartskartor, förklarade endast 11 % av den observerade variationen i CBR-värden (Modell 1, Tabell 1). När det mätta jordpenetrationsdjupet adderades till modellen kunde 50 % av den observerade variationen av CBR-värden förklaras (Modell 2, Tabell 1). I den första modellen var DTW-markfuktigheten som den enda signifikanta faktorn, medan jordartsklassen och penetrationsdjupet var signifikanta i modell två. Jordpenetrationsdjupet beror till en del på både markfuktigheten och jordartsklassen (Modell 3, Tabell 1). Om man ersätter de kartografiska markfuktighets- och jordartsklassificeringarna med mätta värden från inventeringen förbättras förklaringsgraden för modell 1 något, men ingen förbättring erhålls för modell 2. Resultaten indikerar att en mer komplex modell behövs för att förklara sambandet mellan markfukt, jordart och markbärighet.

Tabell 1. Sammanfattning av statistiska modeller som beskriver markens bärighet i California bearing ratio (CBR) och jordpenetrationsdjup (SPD) med hjälp av data från fältinventering samt GIS-kartor.

Slutsatser

• Som väntat har finkorniga jordar lägre bärighet när de är fuktiga/blöta än när de är torra.
• GIS-baserade jordarts- och DTW-markfuktighetskartor kan användas för att skatta markens bärighet, men mer modelleringsarbete krävs.
• Noggrannheten i bärighetsskattningarna kommer att bero på kartornas kvalitet och upplösning.
• Sten- och blockfrekvens tillför viktig information och bör ingå i jordartskartan och inte som nu enbart finnas för vissa delar ("blockrik mark”).
• En jordsond är ett bra komplement till jordartskartor och DTW-markfuktighetskartor då markens bärighet ska skattas i skogsbruket.
• GIS-baserade skattningar av markens bärighet kan användas för att möjliggöra bättre planering av avverknings- och skogsbilvägar och minska markpåverkan.

Vidare läsning

Läs den vetenskapliga artikeln här: Estimating Soil Strength Using GIS-Based Maps - A case study in Sweden