Tài liệu ứng dụng công nghệ hệ thống thông tin địa lý (gis) để dự báo xói mòn đất huyện sơn động tỉnh bắc giang

MỤC LỤC MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... 6 1. Đặt vấn đề ................................................................................................................................. 6 2. Mục đích nghiên cứu ............................................................................................................... 7 3. Ý nghĩa của đề tài nghiên cứu................................................................................................. 7 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .................................................. 9 1.1. Xói mòn đất và các nhân tố ảnh hưởng đến xói mòn đất .................................................. 9 1.1.1. Xói mòn đất...................................................................................................... 9 1.1.2. Các quá trình xói mòn đất ................................................................................ 9 1.1.2.1. Xói lở sông suối ......................................................................................... 9 1.1.2.2. Xói mòn và rửa trôi bề mặt ...................................................................... 10 1.1.3. Các nhân tố ảnh hưởng đến xói mòn đất ........................................................ 10 1.1.3.1. Ảnh hưởng của các nhân tố khí hậu đến xói mòn đất ............................... 11 1.1.3.2. Ảnh hưởng của địa hình đến xói mòn đất ................................................. 11 1.1.3.3. Ảnh hưởng của lớp phủ thực vật đến xói mòn đất .................................... 13 1.1.3.4. Ảnh hưởng của đất đến quá trình xói mòn đất ......................................... 13 1.1.3.5. Ảnh hưởng của con người đến xói mòn đất .............................................. 13 1.2. Nghiên cứu xói mòn đất trên thế giới ................................................................................ 14 1.2.1. Các xu hướng mới trong nghiên cứu xói mòn ................................................. 14 1.2.2. Các phương pháp đánh giá xói mòn đất ......................................................... 15 1.2.3. Các mô hình đánh giá xói mòn đất ................................................................. 17 1.2.3.1. Mô hình kinh nghiệm ............................................................................... 17 1.2.3.2. Mô hình nhận thức .................................................................................. 23 1.3. Nghiên cứu xói mòn đất ở Việt Nam ................................................................................. 25 1.4. Hệ thống thông tin địa lí (GIS) .......................................................................................... 30 1.4.1. Sự hình thành và phát triển của GIS ............................................................... 30 1.4.2. Quan niệm về GIS [23] .................................................................................. 31 1.4.3. Các chức năng của GIS .................................................................................. 34 1.4.4. Phần mềm Mapinfo ........................................................................................ 36 1.4.4.1. Cấu trúc dữ liệu trong MapInfo ............................................................... 37 1.4.4.2. Cấu trúc File dữ liệu của phần mềm MapInfo [23]. ................................. 37 1.4.5. Phần mềm Arcview ........................................................................................ 38 1.5. Ứng dụng GIS trong mô hình hóa đánh giá xói mòn đất ................................................ 40 1.5.1. Ứng dụng GIS trực tiếp xây dựng bản đồ xói mòn .......................................... 40 1.5.2. Ứng dụng GIS và mô hình hóa tính toán xói mòn đất ..................................... 41 CHƯƠNG II: ĐẶC ĐIỂM TỰ NHIÊN - XÃ HỘI ....................................................... 43 KHU VỰC NGHIÊN CỨU ........................................................................................... 43 2.1. Điều kiện tự nhiên ............................................................................................................... 43 2.1.1. Vị trí địa lý, địa hình ...................................................................................... 44 2.1.1.1. Vị trí địa lý .............................................................................................. 44 2.1.1.2. Địa hình .................................................................................................. 45 2.1.2. Khí hậu, thuỷ văn ........................................................................................... 45 2.1.2.1. Khí hậu ................................................................................................... 46 2.1.2.2. Thuỷ văn ................................................................................................. 49 2.1.3. Thổ nhưỡng.................................................................................................... 50 2.1.4. Đặc điểm tài nguyên rừng .............................................................................. 52 2.1.4.1. Kiểu rừng kín lá rộng thường xanh mưa mùa nhiệt đới núi thấp .............. 53 2.1.4.2. Kiểu phụ rừng non phục hồi sau nương rẫy ............................................. 53 2.1.4.3. Kiểu trảng cây bụi sau nương rẫy bỏ hoá ................................................ 54 2.2. Điều kiện kinh tế - xã hội.................................................................................................... 57 2.2.1. Thành phần dân tộc và phân bố dân cư .......................................................... 57 2.2.2. Y tế, giáo dục[21] .......................................................................................... 57 2.2.3. Giao thông ..................................................................................................... 58 2.2.4. Tình hình phát triển sản xuất huyện Sơn Động ............................................... 58 CHƯƠNG III: ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .... 59 3.1. Đối tượng nghiên cứu và giới hạn phạm vi nghiên cứu ................................................... 59 3.2. Thời gian nghiên cứu .......................................................................................................... 59 3.3. Nội dung nghiên cứu ........................................................................................................... 59 3.4. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................................... 60 3.4.1. Ngoại nghiệp.................................................................................................. 60 3.4.2. Nội nghiệp ..................................................................................................... 60 3.4.2.1. Hệ số mưa (R) ......................................................................................... 61 3.4.2.2. Hệ số thổ nhưỡng (K) .............................................................................. 61 3.4.2.3. Hệ số độ dốc (S) và chiều dài sườn dốc (L).............................................. 63 3.4.2.4. Hệ số thực bì (C) ..................................................................................... 64 3.4.2.5. Hệ số các công trình bảo vệ đất (P) ......................................................... 65 3.4.3. Quy trình nghiên cứu ..................................................................................... 65 3.4.3.1. Xây dựng các bản đồ đơn thành phần: .................................................... 65 3.4.3.2. Xây dựng bản đồ xói mòn tiềm năng và xói mòn thực tế: ......................... 65 3.5. Cơ sở tài liệu ........................................................................................................................ 66 CHƯƠNG IV: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN .................................... 68 4.1. Xây dựng bản đồ xói mòn tiềm năng và xói mòn thực tế huyện Sơn Động ................... 68 4.1.1. Xây dựng bản đồ hệ số xói mòn do mưa (R) ................................................... 68 4.1.2. Thành lập bản đồ hệ số kháng xói của đất (K) ................................................ 70 4.1.3. Thành lập bản đồ hệ số địa hình (LS) ............................................................. 73 4.1.4. Thành lập bản đồ hệ số lớp phủ thực vật (C) .................................................. 76 4.1.5. Bản đồ hệ số canh tác (P) .............................................................................. 79 4.1.6. Bản đồ xói mòn tiềm năng huyện Sơn Động ................................................... 80 4.1.7. Bản đồ xói mòn huyện Sơn Động.................................................................... 83 4.2. Ảnh hưởng biến động lớp phủ thực vật tới xói mòn đất huyện Sơn Động .................... 86 4.3. Một số biện pháp hạn chế xói mòn đất ............................................................................. 87 4.3.1. Nhóm các giải pháp xã hội ............................................................................. 87 4.3.2. Nhóm các giải pháp kỹ thuật .......................................................................... 88 2 4.3.2.1. Xây dựng các công trình chống xói mòn (biện pháp công trình) .............. 88 4.3.2.2. Thực hiện các biện pháp canh tác chống xói mòn (biện pháp sinh học) ............. 89 4.4. Một số đề xuất cho khu vực nghiên cứu ........................................................................... 91 4.4.1. Đối với khu vực xói mòn cấp 1 - Cấp không xói mòn ...................................... 91 4.4.2. Đối với khu vực xói mòn cấp 2 - Cấp ít nguy hại ............................................ 91 4.4.3. Đối với khu vực xói mòn cấp 3 - Cấp nguy hại ............................................... 91 4.4.4. Đối với khu vực xói mòn cấp 4 - Cấp rất nguy hại .......................................... 92 4.4.5. Đối với khu vực xói mòn cấp 5 - Cấp cực kỳ nguy hại .................................... 92 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................................... 93 1. Kết luận: ................................................................................................................................. 93 2. Kiến nghị: ............................................................................................................................... 93 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 94 3 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Ảnh hưởng của độ dốc đến xói mòn đất ....................................................... 12 Bảng 2.1: Một số thông tin về chế độ khí hậu............................................................... 46 huyện Sơn Động – Bắc Giang........................................................................................ 46 Bảng 2.2: Lượng mưa huyện Sơn Động năm 2007 theo tháng .................................... 47 Bảng 2.3: Độ che phủ thảm thực vật Sơn Động ........................................................... 56 Bảng 3.1: Hệ số xói mòn đất của một số loại đất ở Việt Nam ...................................... 62 Bảng 3.2: Hệ số xói mòn đất của một số dạng thảm thực vật ...................................... 64 ở Việt Nam [14].............................................................................................................. 64 Bảng 3.3: Phân cấp xói mòn và xói mòn tiềm năng...................................................... 66 Bảng 3.4: Các bản đồ chuyên đề được sử dụng ............................................................ 67 Bảng 4.1: Hệ số kháng xói các loại đất huyện Sơn Động ............................................. 71 Bảng 4.2. Bảng tra C theo Hội khoa học đất quốc tế [12] ........................................... 76 Bảng 4.3: Hệ số C các lớp phủ thực vật lưu vực sông Trà Khúc [30].......................... 77 Bảng 4.4: Bảng hệ số C khu vực nghiên cứu ................................................................ 78 Bảng 4.5. Bảng tra hệ số P theo hội khoa học đất quốc tế [12] .................................... 80 Bảng 4.6: Phân cấp xói mòn tiềm năng huyện Sơn Động ............................................ 82 Bảng 4.7: Phân cấp xói mòn huyện Sơn Động .............................................................. 85 Bảng 4.8: Tương quan diện tích xói mòn với độ che phủ rừng ................................... 86 4 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Các nhân tố chính ảnh hưởng đến xói mòn đất ........................................... 10 Hình 1.2. Các thành phần cơ bản của GIS ................................................................... 34 Hình 1.3. Quá trình GIS cơ bản .................................................................................... 35 Hình 1.4: Mô phỏng tính năng nội suy của Arcview .................................................... 39 Hình 1.5: Ứng dựng GIS trực tiếp tính toán xói mòn .................................................. 41 Hình 1.6: Sử dụng mô hình USLE trong tính toán xói mòn bằng GIS........................ 43 Hình 2.1: Vị trí địa lý huyện Sơn Động ........................................................................ 44 Hình 2.2: Bản đồ hành chính huyện Sơn Động ............................................................ 45 Hình 2.3: Biểu đồ lượng mưa huyện Sơn Động, năm 2007 .......................................... 48 Hình 2.4: Hệ thống sông, suối huyện Sơn Động ........................................................... 50 Hình 2.5: Bản đồ phân bố các loại đất huyện Sơn Động .............................................. 51 Hình 2.6: Diện tích các loại đất chính huyện Sơn Động ............................................... 52 Hình 2.7: Bản đồ hiện trạng thảm thực vật .................................................................. 55 huyện Sơn Động, năm 2007 ........................................................................................... 55 Hình 2.8: Phân bố dân cư huyện Sơn Động.................................................................. 57 Hình 3.1: Mô hình phương pháp tính toán bản đồ trên GIS ....................................... 60 Hình 3.2: Phương pháp nghiên cứu xói mòn đất ......................................................... 67 Hình 4.1. Các bước xây dựng bản đồ hệ số R ............................................................... 68 Hình 4.2: Bản đồ đường đẳng trị mưa huyện Sơn Động ............................................. 69 Hình 4.3: Bản đồ hệ số xói mòn do mưa (R) ................................................................. 70 Hình 4.4: Bản đồ hệ số kháng xói của đất (K) .............................................................. 73 Hình 4.5: Các bước xây dựng bản đồ hệ số LS ............................................................ 75 Hình 4.6: Bản đồ hệ số LS ............................................................................................. 75 Hình 4.7: Bản đồ hệ số C khu vực nghiên cứu ............................................................ 79 Hình 4.8: Bản đồ xói mòn tiềm năng huyện Sơn Động ................................................ 81 Hình 4.9: Bản đồ xói mòn đất huyện Sơn Động ........................................................... 84 5 MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Sơn Động là huyện miền núi của tỉnh Bắc Giang có diện tích tự nhiên là 84.432,4 ha, trong đó diện tích đất lâm nghiệp là 68.348,29 hecta chiếm 72,0% [37]. Địa hình Sơn Động gồm đồi núi xen kẽ các thung lũng, manh mún, địa hình chia cắt mạnh chênh lệch về độ cao, độ dốc lớn. Trong những năm qua, việc quản lý và sử dụng bền vững đất canh tác, đặc biệt là vùng đất dốc chưa được các cấp, các ngành quan tâm đúng mức. Hàng năm, hàng trăm hecta rừng tự nhiên bị tàn phá làm cho diện tích đất trống, đồi núi trọc ngày càng tăng, diện tích rừng trồng kém chất lượng, khả năng bảo vệ đất thấp. Hiện tượng xói mòn đang xảy ra mạnh, mỗi năm hàng nghìn tấn đất mầu mỡ bị xói mòn, rửa trôi. Thực trạng này đang làm cho tốc độ thoái hóa đất của huyện ngày một tăng. Đất đai là tài nguyên vô cùng quý giá, là tư liệu đặc biệt, là thành phần quan trọng hàng đầu của môi trường sống, là tư liệu lao động chính của nền kinh tế Nông – Lâm nghiệp. Tuy nhiên, trong vài thập kỷ gần đây, cùng với sự gia tăng dân số, các nguồn tài nguyên khoáng sản, thảm thực vật, đất đai đã và đang được sử dụng ở mức độ cao, thậm chí không hợp lý. Việc khai thác Nông – Lâm nghiệp không có ý thức ngày càng làm cho quá trình xói mòn đất xảy ra nghiêm trọng, độ phì nhiêu ngày càng giảm, nhiều nơi trơ sỏi đá, trở thành đất trống, đồi núi trọc [17]. Xói mòn đất là quá trình phá huỷ lớp thổ nhưỡng (bao gồm cả phá huỷ thành phần cơ, lý, hoá, chất dinh dưỡng v.v… của đất) dưới tác động của các nhân tố tự nhiên và nhân sinh làm giảm độ phì của đất, gây ra bạc mầu, thoái hoá đất, laterit hoá, trơ sỏi đá v.v…, ảnh hưởng trực tiếp tới sự sống và phát triển của thảm thực vật rừng, thảm cây trồng khác. [17]. 6 Từ lâu, xói mòn được coi là nguyên nhân gây thoái hóa tài nguyên đất nghiêm trọng. Có thể nói rằng xói mòn đất được coi là nguyên nhân hàng đầu gây thoái hóa tài nguyên đất ở vùng núi. Nguyên nhân của xói mòn đất có nhiều và được xếp thành hai nguyên nhân cơ bản là tự nhiên và hoạt động của con người. Ðể giảm thiểu xói mòn ở khu vực miền núi, hai vấn đề cần được song song nghiên cứu là: quá trình xói mòn, nguyên nhân và các yếu tố ảnh hưởng và vấn đề sử dụng hợp lý tài nguyên. Có nhiều phương pháp nghiên cứu, đánh giá xói mòn đất được các tác giả trong và ngoài nước sử dụng. Trong đó, việc ứng dụng công nghệ hệ thống thông tin địa lý (GIS) là phương pháp, là công cụ mạnh có khả năng phân tích không gian trong thời gian ngắn. Công nghệ GIS còn cho phép tích hợp phương trình mất đất tổng quát của Wischmeier W.H và Smith D.D để tính toán và xây dựng bản đồ dự báo xói mòn đất của các lưu vực, vùng lãnh thổ một cách dễ dàng và chính xác. Với các lý do nêu trên, chúng tôi thực hiện đề tài: “Ứng dụng công nghệ hệ thống thông tin địa lý (GIS) để dự báo xói mòn đất huyện Sơn Động - tỉnh Bắc Giang”. 2. Mục đích nghiên cứu Dự báo xói mòn đất phục vụ quy hoạch sử dụng hợp lí tài nguyên đất huyện Sơn Động. Để đạt được mục đích trên, đề tài đặt ra những mục tiêu cụ thể sau: - Xây dựng bản đồ xói mòn đất hiện tại và bản đồ dự báo tiềm năng xói mòn đất huyện Sơn Động dựa trên ứng dụng công nghệ hệ thống thông tin địa lý (GIS), làm cơ sở định hướng cho chiến lược quy hoạch sử dụng đất huyện Sơn Động. - Đề xuất một số giải pháp chống xói mòn đất. 3. Ý nghĩa của đề tài nghiên cứu 7 - Ý nghĩa khoa học: Đề tài ứng dụng hệ thống thông tin địa lý (GIS) để đánh giá và dự báo xói mòn đất qua việc phân tích không gian và mối quan hệ của các nhân tố địa hình, thủy văn, thổ nhưỡng, thực vật và con người tại huyện Sơn Động. - Ý nghĩa thực tiễn của đề tài: Đánh giá xói mòn và xói mòn tiềm năng huyện Sơn Động, từ đó xây dựng bản đồ xói mòn đất khu vực nghiên cứu làm cơ sở đề xuất một số giải pháp hạn chế xói mòn đất. 8 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Xói mòn đất và các nhân tố ảnh hưởng đến xói mòn đất 1.1.1. Xói mòn đất Xói mòn đất (soil erosion) là quá trình phá hủy lớp thổ nhưỡng (bao gồm phá hủy các thành phần cơ, lý, hóa, chất dinh dưỡng v.v... của đất) dưới tác động của các nhân tố tự nhiên và nhân sinh, làm giảm độ phì của đất, gây ra bạc mầu, thoái hóa đất, laterit hóa, trơ sỏi đá v.v... ảnh hưởng trực tiếp đến sự sống và phát triển của thảm thực vật rừng, thảm cây trồng khác [17]. Có nhiều định nghĩa về xói mòn đất, để phù hợp với khu vực nghiên cứu, luận văn sử dụng định nghĩa của Nguyễn Quang Mỹ [17] phân xói mòn gồm 2 loại: - Xói mòn bề mặt: Là loại xói mòn do mưa và băng tuyết tan. Kiểu xói mòn này thường gặp trên sườn và đỉnh phân thủy cũng như ở trên các bồn thu nước. - Xói mòn theo dòng: Là kiểu xâm thực, xói mòn tập trung trong các dải trũng như các rãnh sâu, thung lũng, sông suối. Xâm thực theo dòng chia làm 2 loại là xâm thực sâu và xâm thực ngang. 1.1.2. Các quá trình xói mòn đất Các quá trình xói mòn gồm: Xói lở sông suối và xói mòn, rửa trôi bề mặt. 1.1.2.1. Xói lở sông suối Quá trình xói lở sông suối được xác định theo công thức về động năng của dòng chảy [17]. F=vm2/2 Trong đó: F: là động năng của khối nước chảy m: là khối lượng nước chảy 9 v: là vận tốc dòng chảy Như vậy động năng của dòng chảy tỉ lệ thuận với bình phương của tốc độ dòng chảy. Trong quá trình xói lở, dòng chảy tạo ra vật liệu, phù sa. Tùy theo kích thước phù sa và tốc độ dòng chảy mà phù sa có thể vận chuyển xuôi theo chiều dòng chảy. Khi động năng của dòng chảy không đủ sức mang đi từng bộ phận vật chất, phù sa sẽ lắng đọng xuống dòng sông gọi là quá trình bồi tụ. 1.1.2.2. Xói mòn và rửa trôi bề mặt Là quá trình xói mòn do dòng chảy tạm thời trên sườn lúc mưa hoặc tuyết tan và chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố tự nhiên, trong đó yếu tố địa hình là quan trọng nhất. 1.1.3. Các nhân tố ảnh hưởng đến xói mòn đất Các nhân tố chính ảnh hưởng đến quá trình xói mòn đất gồm: khí hậu, địa hình, đất đai, thảm thực vật và con người, được mô tả trong hình 1.1: A/H tích cực A/H tiêu cực A/H hai chiều Khí hậu Con người Địa hình Xói Mòn Thảm thực vật Đất đai Hình 1.1: Các nhân tố chính ảnh hưởng đến xói mòn đất 10 1.1.3.1. Ảnh hưởng của các nhân tố khí hậu đến xói mòn đất Xói mòn chủ yếu do dòng chảy bề mặt gây ra, nhưng dòng chảy lại do các yếu tố khí hậu quyết định đó là: Tổng lượng mưa và tính chất của mưa, thời gian và cường độ mưa. Thời gian mưa càng lớn, cường độ mưa càng cao thì quá trình xói mòn càng xảy ra mạnh. Sự xuất hiện của xói mòn phụ thuộc rất nhiều vào lớp nước trong một đợt mưa và lượng mưa trung bình tháng, năm. Lớp nước mặt trên diện tích trồng cà phê 3 năm tuổi là 754mm gây rửa trôi 44,0 tấn/ha, khi lớp nước mặt 2501mm gây rửa trôi 213 tấn/ha. Như vậy trong điều kiện như nhau, khi dòng chảy mặt tăng 2-6 lần sẽ làm tăng rửa trôi đất từ 5,5 đến 20 lần [17]. Cường độ mưa gây ảnh hưởng mạnh nhất đến dòng chảy mặt và xói mòn đất. Theo Nguyễn Quang Mỹ [17]: trận mưa 10mm với cường độ trung bình trong khoảng thời gian dưới 1 giờ, xói mòn đất xảy ra mạnh nhất khi lớp nước đạt từ 8-10mm và đặc biệt trên đất bỏ hoang. Ảnh hưởng của cường độ mưa đến xói mòn càng mạnh nếu cường độ đạt cực đại xảy ra vào nửa giờ đầu của trận mưa. Ở Việt Nam nói chung và khu vực nghiên cứu nói riêng, mưa phân hóa theo mùa rõ rệt. Lượng mưa cực đại vào các tháng mùa hè và cực tiểu trong những tháng mùa đông. Vì vậy việc bảo vệ đất, chống xói mòn đặc biệt trong mùa mưa là vô cùng cần thiết. Ngoài mưa ảnh hưởng trực tiếp đến xói mòn, các yếu tố khí hậu khác như gió, nhiệt độ, ẩm độ cũng ảnh hưởng gián tiếp. 1.1.3.2. Ảnh hưởng của địa hình đến xói mòn đất Địa hình cũng là nhân tố tự nhiên ảnh hưởng lớn đến xói mòn đất. Nếu xét trên diện rộng, địa hình có tác dụng làm thay đổi sự phân bố nhiệt và lượng mưa rơi xuống. Sự thay đổi về độ cao kéo theo sự thay đổi về nhiệt độ, mưa, ẩm. Các yếu tố địa hình như độ dốc, chiều dài sườn dốc, hình dạng (lồi, 11 lõm, thẳng, bậc thang v.v...) mức độ chia cắt ngang của địa hình ảnh hưởng trực tiếp đến xói mòn đất. Độ dốc của sườn là yếu tố địa hình có ảnh hưởng lớn nhất đến quá trình xói mòn. Độ dốc lớn làm tăng cường độ dòng chảy và do đó đẩy nhanh quá trình rửa trôi, xói mòn đất, gây nên xói mòn mạnh hơn. Bộ Nông nghiệp và phát triển nông thôn đã đề xuất thang độ dốc trên lãnh thổ Việt Nam: 0-30, 380, 8-150, 15-250, trên 250, tuy chưa được hoàn thiện nhưng đây cũng là bước thống nhất đầu tiên để sử dụng độ dốc ở nước ta [17]. Nguyễn Quang Mỹ đã nghiên cứu ảnh hưởng của độ dốc đến xói mòn đất tại Tây Nguyên từ năm 1978 đến 1982 trên đất bazan, trồng Chè một tuổi, kết quả cho thấy [17]: Bảng 1.1: Ảnh hưởng của độ dốc đến xói mòn đất Loại đất Cây trồng (00) Tổn thất Năm nghiên về đất cứu, địa điểm (T/ha/năm) Độ dốc NC Đất bazan Chè 1 tuổi 3 96 Đất bazan Chè 1 tuổi 8 211 Đất bazan Chè 1 tuổi 15 305 Đất phù sa cổ Sắn 1 tuổi 3 15 Đất phù sa cổ Sắn 1 tuổi 5 47 Vĩnh Phú Đất phù sa cổ Sắn 1 tuổi 8 57 1982-1986 Đất phù sa cổ Sắn 1 tuổi 22 147 Tây Nguyên 1978-1982 Bảng 1.1 cho thấy nếu độ dốc tăng 2 lần thì cường độ xói mòn tăng 2- 4 lần. Chiều dài sườn dốc cũng là nhân tố ảnh hưởng đến quá trình xói mòn đất. Chiều dài sườn càng tăng, khối lượng nước càng lớn, lớp nước càng dày, tốc độ và năng lượng dòng chảy càng lớn thì quá trình rửa trôi, xói mòn đất 12 càng xảy ra mạnh. Nếu tăng chiều dài sườn dốc lên 2 lần thì xói mòn đất tăng từ 2 đến 7,5 lần [17]. Việt Nam có trên 3/4 lãnh thổ là đồi núi, mạng lưới sông suối dày đặc, sông ngắn, dốc, lượng mưa lớn, 85-90% lượng mưa tập trung vào mùa mưa, do đó xói mòn có điều kiện xảy ra mạnh. 1.1.3.3. Ảnh hưởng của lớp phủ thực vật đến xói mòn đất Lớp phủ thực vật có ảnh hưởng lớn đến quá trình xói mòn đất, nếu lớp phủ thực vật càng tăng thì quá trình xói mòn càng giảm. Vai trò chống xói mòn của lớp phủ thực vật phụ thuộc vào tuổi và độ che phủ của nó. Thực vật có khả năng bảo vệ đất chống xói mòn qua việc làm giảm ảnh hưởng của hạt mưa xuống mặt đất bởi tán lá và làm cho nước có khả năng chảy xuống đến 50-60% theo chiều thẳng đứng của bộ rễ. Không những thế, vật rơi rụng của thực vật như cành khô, lá rụng... còn tạo ra lượng mùn lớn trong đất, giữ đất tơi xốp, chống xói mòn. 1.1.3.4. Ảnh hưởng của đất đến quá trình xói mòn đất Đất là đối tượng bị dòng chảy mặt phá hủy, bởi vậy sự phát triển của xói mòn phụ thuộc vào tính chất và trạng thái của đất. Những yếu tố chính của đất ảnh hưởng đến xói mòn đất là thành phần cơ giới, cấu trúc và độ thấm nước cũng như hàm lượng mùn trong đất. Những yếu tố dó ảnh hưởng đến khả năng hình thành dòng chảy khi mưa rào. 1.1.3.5. Ảnh hưởng của con người đến xói mòn đất Con người ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình xói mòn đất thông qua hoạt động sống. Việc phá rừng đã gián tiếp đẩy mạnh quá trình xói mòn đất. Những diện tích rừng mất đi làm lộ ra những khoảng trống không có thảm thực vật che phủ đất. Khi mưa xuống quá trình xói mòn bề mặt xảy ra mạnh. Canh tác trên đất dốc không khoa học, du canh du cư cũng là nhưng tác nhân gia tăng xói mòn đất. Trên độ dốc < 30 đã bắt đầu xảy ra xói mòn khi có 13 mưa to. Từ độ dốc 30 trở lên, tùy vào yếu tố đất đai, thực vật, lượng mưa v.v... mà quá trình xói mòn xảy ra mạnh hay yếu. Qua số liệu của lâm trường Cầu Hai (Phú Thọ) cho thấy rừng phủ kín chỉ trôi đi 1 tấn đất/ha/năm trong khi các nương sắn lại mất 147 tấn đất/ha/năm [17]. Rõ ràng biện pháp canh tác không hợp lý đã gây tác hại lớn, ảnh hưởng xấu đến quá trình xói mòn đất. 1.2. Nghiên cứu xói mòn đất trên thế giới Có thể nói rằng con người đã quan tâm đến hiện tượng xói mòn từ rất sớm, từ thời Hy Lạp và La Mã cổ đại đã có những tác giả đề cập đến xói mòn cùng với việc bảo vệ đất. Quá trình xói mòn hiện đại được gắn liền với các hoạt động nông nghiệp. Nhiều người đã cho rằng đất đai bị khai thác cạn kiệt có thể là nguyên nhân khiến các nền văn minh quá khứ mất đi. Vì vậy, cùng với thoái hoá đất, xói mòn tồn tại như một vấn đề trong suốt quá trình phát triển của toàn nhân loại [30]. Về nguyên nhân xói mòn, hầu hết các nhà nghiên cứu trên thế giới đều thống nhất rằng có hai nguyên nhân cơ bản dẫn tới hiện tượng thoái hoá đất đang diễn ra mạnh mẽ trên qui mô toàn cầu hiện nay là: nguyên nhân tự nhiên và con người. Nguyên nhân con người, theo nhiều nhà nghiên cứu thể hiện ở sự quản lý đất kém và dường như đó là một cái giá phải trả cho sự phát triển kinh tế, xã hội. Các giải pháp đưa ra, được phân tích là khả thi nhất, là các biện pháp can thiệp vào lớp phủ thực vật nhằm đạt được hiệu quả tốt hơn trong việc chống xói mòn. Xói mòn tự nhiên là quá trình diễn ra liên tục trong tự nhiên và chỉ là thứ yếu nếu so với xói mòn do nguyên nhân con người. Tuy vậy, việc phân định nguyên nhân xói mòn không phải lúc nào cũng dễ dàng và cũng không cần thiết, nên trong việc lập bản đồ xói mòn, nhiều khi người ta không phân biệt hai nguyên nhân này. 1.2.1. Các xu hướng mới trong nghiên cứu xói mòn 14 Hiện nay, xói mòn được nghiên cứu mở rộng hơn dưới nhiều loại hình và tính chất khác nhau. Xu hướng phổ biến hiện nay trong nghiên cứu xói mòn trên thế giới, thể hiện qua hội thảo lần thứ 12 của ISCO tổ chức tại Bắc Kinh năm 2002 là nghiên cứu xói mòn theo hướng mô hình hóa diễn tả động lực của quá trình xói mòn và nghiên cứu xói mòn kết hợp với các khoa học khác, chủ yếu để tìm hiểu quá trình cũng như tác động của xói mòn lên môi trường nhằm có được các biện pháp chống xói mòn khả thi [45]. Điều đáng chú ý là nhiều nhà khoa học [45] đã đồng ý rằng hầu hết các nghiên cứu về xói mòn hiện được tiến hành nhằm các mục tiêu sao cho không cần phải xem xét đến sự khác biệt tỷ lệ (qui mô) không gian và thời gian. Nhưng điều này sẽ dẫn đến những sai biệt đáng kể. Theo Valentin và các đồng nghiệp, để có thể dự báo được ảnh hưởng của sự thay đổi toàn cầu, chúng ta buộc phải tìm hiểu quá trình xói mòn diễn ra ở các qui mô thời gian và không gian khác nhau, điều này cũng hoàn toàn phù hợp với kết luận của Drissa và nnk [47]. Bên cạnh việc sử dụng mô hình mất đất, một phương pháp khác cũng được sử dụng hiệu quả đó là áp dụng phương pháp địa hoá đồng vị, cụ thể là 137Cs để đánh giá tốc độ xói mòn. Dựa vào sự biến thiên hàm lượng 137Cs theo chiều sâu trên từng đối tượng nghiên cứu cụ thể, tốc độ xói mòn được tính theo các công thức thực nghiệm với đơn vị là t/ha.năm. 1.2.2. Các phương pháp đánh giá xói mòn đất Cho đến nay, các công trình trong và ngoài nước nhằm nghiên cứu tiếp cận quá trình xói mòn đã được tiến hành theo các hướng chính sau [32]: - Đánh giá tổng hợp ảnh hưởng của các điều kiện tự nhiên đến xói mòn. Theo hướng này, mức độ xói mòn được đánh giá theo cấp. Một cấp cường độ xói mòn là tập hợp cấp tương ứng của các yếu tố gây xói mòn. 15 Việc phân vùng lãnh thổ theo độ nguy hiểm xuất hiện các quá trình xói mòn hoặc theo mức độ xói mòn thực hiện trên cơ sở tổng hợp các bản đồ phân cấp của từng nhân tố ảnh hưởng đến xói mòn bằng kỹ thuật chồng xếp bản đồ. Theo phương pháp này, việc tiếp cận quá trình xói mòn gắn liền với phân vùng xói mòn. - Đánh giá mức độ xói mòn hiện tại dựa trên đại lượng modul dòng chảy rắn của các lưu vực. Đại lượng modul dòng chảy rắn đặc trưng cho lực xói mòn của cả một lưu vực lớn, là những số liệu đáng tin cậy chính xác, tuy nhiên có hạn chế là không phản ánh được đầy đủ toàn bộ lượng xói mòn, bỏ qua lượng đất xói mòn tụ lại ở những chỗ trũng và lắng đọng tại đáy dòng chảy sông ngòi. Hơn nữa ở Việt Nam, các số liệu quan trắc này cũng không đủ, vì thế hướng này chỉ dùng để sơ bộ phân vùng xói mòn hiện tại trên lãnh thổ lớn. - Tổ chức các điểm thực nghiệm nghiên cứu quá trình xói mòn. Theo hướng này, nhiều công trình đã đánh giá được ảnh hưởng của từng yếu tố (các yếu tố địa hình, mưa, đất, lớp phủ thực vật và các biện pháp canh tác) đến quá trình xói mòn. Tổng hợp lại đã xây dựng được những mô hình toán học tiếp cận quá trình xói mòn theo từng địa phương nhằm tính lượng đất mất do xói mòn để thiết kế kỹ thuật canh tác nông nghiệp trên đất dốc. * Với các hướng nghiên cứu như trên, các phương pháp nghiên cứu có thể kể ra là [30]: - Phương pháp phân loại, phân vùng lãnh thổ theo mức độ xói mòn Phương pháp này đã được áp dụng ở nhiều nước để phân chia khái quát ra các vùng lớn có mức độ nguy hiểm xói mòn tiềm năng khác nhau trên toàn lãnh thổ một quốc gia. Tuy nhiên hạn chế của phương pháp này là thiên về định tính, mang đặc trưng của phương pháp chuyên gia, có khó khăn trong việc giải quyết chính xác ranh giới giữa các vùng và ở các phạm vi hẹp. 16 Phương pháp này đã được các tác giả Liên Xô (cũ) và Trung Quốc áp dụng. Các bản đồ phân vùng theo độ nguy hiểm tiềm năng xuất hiện xói mòn được xây dựng trên cơ sở tổng hợp các bản đồ phân cấp các điều kiện tự nhiên tham gia quá trình xói mòn : địa hình, khí hậu, lớp phủ thực vật. Trong các yếu tố đó, các tác giả chú ý nhiều nhất đến các yếu tố địa hình và khí hậu. - Phương pháp mô hình hoá Sử dụng mô hình để diễn tả quá trình xói mòn. Các mô hình này có thể là thực nghiệm hoặc lý thuyết. Ưu điểm của phương pháp này so với các phương pháp khác là đã phần nào lượng hoá được vai trò của từng yếu tố ảnh hưởng tới quá trình xói mòn, có nghĩa là làm rõ hơn vai trò của chúng trong toàn bộ hệ thống. Phương pháp này cũng cho phép ứng dụng các công nghệ thông tin vào nghiên cứu tính toán. Hạn chế của phương pháp là do quá trình xói mòn diễn ra rất đa dạng, thay đổi theo điều kiện cụ thể của từng địa phương nên mô hình có thể dùng tốt cho địa phương này nhưng không đúng với địa phương khác. Vì vậy, khi vận dụng các mô hình cần phải chú ý tới các điều kiện đặc thù tại địa phương, hay đúng hơn, là sử dụng các thông số của mô hình đã được kiểm chứng cho địa phương [45]. 1.2.3. Các mô hình đánh giá xói mòn đất Việc mô hình hoá quá trình xói mòn bắt đầu vào thập niên 80 thế kỷ 20, góp phần tính toán và dự báo xói mòn. Theo Phạm Hùng [12], có thể chia các mô hình ra làm hai loại chính là mô hình kinh nghiệm và mô hình nhận thức. Các mô hình được xây dựng trên cơ sở của lý thuyết hệ thống với giả thiết là lượng vào và ra của hệ thống là đã xác định. 1.2.3.1. Mô hình kinh nghiệm Mô hình kinh nghiệm là các mô hình được xây dựng dựa vào tổng kết từ các quan sát thực tế. Nói theo nghĩa hẹp hơn, hầu hết các mô hình này đều dựa vào phương trình mất đất tổng quát của Wischmeier và Smith hoặc các tư 17 duy tương tự. Có thể kể đến các mô hình: Phương trình Musgrave của Musgrave, 1947; Phương pháp tỉ lệ phân chia bùn cát, Renfro, 1975; Phương pháp Dendy - Boltan, Dendy và Bolten, 1976; MUSLE (modified universal soil loss equation, Auerswwald, 1990 [12]: Mục đích của các mô hình này là để tính toán lượng đất tổn thất trung bình hàng năm cũng như dự báo xói mòn đất bình quân trên đất dốc. Ngoài ra, việc sử dụng các mô hình cũng cho phép dự báo những thay đổi về xói mòn đất do biến đổi trong hệ thống canh tác và đề xuất, ước đoán hiệu quả của các biện pháp phòng chống xói mòn. Mô hình kinh nghiệm có những hạn chế sau: - Phạm vi ứng dụng mang tính địa phương, có độ chính xác hạn chế khi áp dụng ở những khu vực khác nhau. - Chưa đề cập đến quá trình bồi lắng và chuyển tải hạt đất - Không có khả năng tính toán cho từng trận mưa hay các bước thời gian ngắn hơn - Đối với các lưu vực lớn, độ chính xác chưa cao do tính phức tạp của lưu vực. Nhược điểm này có thể được khắc phục bằng cách chia lưu vực thành các lưu vực nhỏ hơn. Mô hình thực nghiệm AĐ Ivanovaki và IA Kornev (1952) Mô hình này được xây dựng tại các trạm thực nghiệm Novosilski. Phương trình của mô hình có dạng [32]: M=AI0,75L1,5X1,50 Trong đó: M: lượng đất rửa trôi I: Độ dốc sườn (tang góc dốc) L: Khoảng cách từ đường chia nước (chiều dài sườn m) X: Cường độ mưa hoặc tuyết tan (mm/ph) 18 A: Hệ số tính đến các nhân tố khác Mô hình này chưa đề cập tới vai trò của thảm thực vật cũng như vai trò của các loại đất, chỉ đưa vào dưới dạng một hệ số. Tuy vậy, mô hình thực nghiệm này được một số nhà khoa học Việt Nam ứng dụng trong các tính toán của mình để phân cấp tiềm năng xói mòn cho các khu vực khác nhau. Đỗ Hưng Thành [27] đã cải biên công thức trên: Y = A. I 0,75 . L 0,5. X 1,5 .T Y: lượng đất rửa trôi trên một đơn vị diện tích I: Độ dốc sườn tính bình quân cho mỗi ô vuông 4 km2 (bằng phương pháp tính gần đúng trên bản đồ tỷ lệ 1/100.000 ) L: Độ dài sườn tính trung bình cho mỗi ô vuông trên X: Lượng mưa xói mòn (mưa có cường độ > 0,2 mm/phút ) T: Thời gian tương ứng lượng mưa xói mòn A: Hệ số thể hiện đặc tính xói mòn của đất, với 2 nhóm đất chính của Tây bắc có hệ số là 2 và 1. Mô hình USLE USLE (Universal soil loss equation) – Phương trình mất đất tổng quát (hay phương trình mất đất phổ dụng) được Wischmeier và Schmid hoàn thiện vào năm 1978 từ kết quả của một nỗ lực thống kê lớn ( dữ liệu từ hơn 5000 plot hàng năm). Phương trình được thiết kế ban đầu như là một công cụ qui hoạch để kiểm soát vấn đề xói mòn cho các cánh đồng ở vùng “vành đai ngô” nước Mỹ [45]. Phương trình mất đất tổng quát cho phép đánh giá ở tỷ lệ từng cánh đồng lượng đất mất do xói mòn khe rãnh và xói mòn liên rãnh. Trong khung cảnh của phương trình mất đất tổng quát, xói mòn được định nghĩa là tổng lượng đất được chuyển tới chân sườn dốc nơi (hoặc là) các quá trình lắng đọng (deposit) quan trọng bắt đầu diễn ra hoặc các dòng chảy bắt đầu được tập trung lại. 19 Việc áp dụng cách tiếp cận mô hình hoá phân tích thống kê hồi qui đa biến để xây dựng phương trình đã cho phép phân tách các nhân tố trọng số của một loạt biến độc lập (mưa, đất, địa hình, lớp phủ thực vật và phương thức canh tác). Hơn nữa, việc sử dụng các tham số đo lường lượng mất đất hàng năm cho phép phương trình này có thể dùng được trong đánh giá lượng mất đất trung bình hàng năm. Phương trình có được từ số lượng lớn các thửa đất được quan sát hiếm khi quá 90m chiều dài và dốc quá 18%. Loại đất mà mô hình ban đầu được xây dựng chủ yếu là loại đất cấu trúc hạt vừa [45]. Phương trình mất đất tổng quát có dạng như sau: A=RKLSCP (Phương trình: Wischmeier WH - Smith DD) Trong đó: A: lượng đất mất trung bình hàng năm chuyển tới chân sườn (kg/m2.năm) R: hệ số xói mòn do mưa (thang đo độ xói mòn được lập trên cơ sở EI30) (KJ.mm/m2.h.năm) K: hệ số kháng xói của đất (được xác định bằng lượng đất mất đi cho một đơn vị xói mòn của mưa trong điều kiện chuẩn, nghĩa là chiều dài sườn là 22,4m, độ dốc 9%, trồng luống theo chiều từ trên xuống sườn dốc) (kg.h/KJ.mm) L: Hệ số chiều dài sườn dốc, tỷ lệ đất mất đi của thửa đất so với lượng đất mất đi của thửa đất chuẩn (không thứ nguyên) S: Hệ số độ dốc (tỷ lệ đất mất đi của thửa đất so với lượng mất đất của thửa đất chuẩn) (không thứ nguyên) C: Hệ số cây trồng hoặc lớp phủ (không thứ nguyên) tỷ lệ lượng đất mất của thửa đất so với lượng đất mất đi của thửa đất chuẩn (bỏ hoá cách năm) 20