TÍCH HỢP PHƯƠNG TRINH MAT DAT PHO DUNG HIEU CHINH,
GIS VA VIEN THAM UOC TINH XOI MON DAT TAI VUNG THUONG LUU HUU NGAN SONG VU GIA- THU BON
Lé Phuong Nhung}, Nguyễn Duy Liêm?, Nguyễn Thị Hồng!, Nguyễn Kim Lợi? "Trường Đại học Khoa học Tự nhiên- Đại học Quốc gia Hà Nội
2Truong Dai hoc Nong Lam Tp H6 Chi Minh
Email: nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn
Tĩm tắt: Mục tiêu của nghiên cứu nhằm đánh giá định lượng tỷ lệ xĩi mịn đất hàng năm tại vùng thượng lưu hữu ngạn sơng Vu Gia- Thu Bồn, tỉnh Quảng Nam trên cơ sở tích hợp viễn thám, GIS và
phương trình mất đất phổ dụng hiệu chỉnh (Revised Universal Soil Loss Equation) Năm nhân tố xĩi
mịn đất (mưa- R, đất- K, địa hình- L5, che phủ thực vật- C và biện pháp canh tác- P) được tính tốn từ các nguồn dữ liệu khác nhau như số lượng khí tượng, bản đồ thổ nhưỡng, bản đồ địa hình, ảnh
vệ tỉnh quang học Sentinel-2A, bản đồ hiện trạng sử dụng đất Sau đĩ, lượng mất đất hàng năm được ước tính theo 3 kịch bản (xĩi mịn tiềm tàng, xĩi mịn theo phương thức canh tác truyền thống, xĩi
mịn theo phương thức canh tác bảo tồn) bằng cách nhân tương tng cac ban do hé so R, K, LS, C, P
ở định dạng raster Kết quả cho thấy lượng mất đất từ 50 tấn/ (ha.năm) trở lên (cấp xĩi mịn đất rất mạnh) chiếm trên 50% diện tích, tập trung chủ yếu tại những vùng cĩ lượng mưa cao, độ đốc lớn
như lưu vực sơng Nam Nim Diện tích khơng bị xĩi mịn đất hoặc xĩi mịn đất nhẹ với tỷ lệ mất đất từ 5 tấn/ (ha.năm) trở xuống chiếm dưới 25%, phân bố tại những khu vực cĩ sự can thiệp của con
người như lưu vực sơng Tranh, sơng Thu Bồn Dựa trên bản đồ xĩi mịn đất, cĩ thể rút ra thơng tin hữu ích cho quá trình xây dựng quy hoạch sử dụng đất, chiến lược kiểm sốt xĩi mịn, bảo vệ đất
trên khu vực một cách bền vững
Từ khĩa: Xĩi mịn đất, Phương trình mất đất phổ dụng hiệu chỉnh, GIS, viễn thám, sơng Vu Gia- Thu Bồn
1 Mở đầu
Xĩi mịn đất (XMĐ) là quá trình tách rời các hạt đất ra khỏi bê mặt đất và vận chuyển chúng đến vị trí khác do các tác nhân xĩi mịn (chủ yếu là nước và giĩ) [22] Đây là biểu hiện nghiêm trọng nhất của suy thối đất và là mối đe dọa đáng kể cho sản xuất nơng nghiệp, an ninh lương thực tồn cầu trong những năm gân đây [29], [15] Theo ước tính của [27], tổng diện tích đất trên tồn thế giới bị xĩi mịn do nước khoảng 1.094 triệu ha (trong do, 751 triệu ha bị xĩi mịn nghiêm trọng), xĩi mịn do giĩ là 549 triệu ha (trong đĩ, 296 triệu ha bị xĩi mịn nặng nề) Với giả định tỷ lệ xĩi mịn trung bình 100 tấn/ha trên 751 triệu ha bị xĩi mịn nghiêm trọng do nước, lượng đất tồn cầu bị rửa trơi trung bình năm khoảng 75 tỷ tấn [29] XMĐ vốn di là quá trình địa chất cân thiết cho sự hình thành đất nhưng dưới tác động của con người thơng qua các hoạt động như phá rừng, xây dựng, nơng nghiệp (du canh, thâm canh), khai khống, quá trình này diễn ra ngày càng nhanh chĩng, trở thành mối nguy hại khi tỷ lệ xĩi mịn vượt ngưỡng cho phép [16], gây bất lợi cho sản xuất nơng nghiệp và mơi trường tại chỗ (on-site) (trực tiếp làm giảm tâng dày của lớp đất mặt, gián tiếp phá hủy cấu trúc đất, làm mất dưỡng chất, chất hữu cơ trong đất, dẫn đến tỉ lệ nảy nầm thấp, năng suất cây trồng giảm) cũng như ngoại vi (off-site) [16], [26] (trực tiếp rửa trơi đất, dưỡng chất, thuốc bảo vệ thực vật, gián tiếp gây ơ nhiễm nguồn nước, bồi lắng hồ chứa, làm giảm tải lượng của sơng, rút ngắn tuổi thọ hồ chứa, tăng nguy cơ lũ lụt)
Trang 2mịn càng lớn [5] Nguyên nhân gây XMĐ ở nước ta khơng chỉ do yếu tố tự nhiên như lượng mưa lớn, tập trung vào mùa hè, mà cịn chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố kinh tế- xã hội như áp lực gia tang dan so, tình trạng đĩi nghèo, sử dụng đất thiếu hợp lý, du canh, độc canh, khơng áp dụng thích hợp các biện pháp canh tác trên đất đốc [3] Vì vậy, việc khai thác hiệu quả các vùng đất đốc là một vấn đề mang tính chiến lược trong phát triển sản xuất nơng nghiệp, đảm bảo an ninh lương thực quốc gia, trong đĩ kiếm sốt xĩi mịn, bảo vệ đất cân phải được đặt lên hàng đầu [5]
Bước đầu tiên trong kiểm sốt XMĐ là đánh giá, dự đốn nguy cơ XMĐ nhằm hiểu rõ bản chất và định lượng quy mơ, mức độ của vấn đề này [28] Nĩ giúp nhận diện, phân tích các yếu tố chính gây nên XMĐ và ước tính tỷ lệ XMĐ tại một khu vực cụ thể dựa trên kiến thức về địa hình, thổ nhưỡng, cây trơng và biện pháp quản lý [20] Những nghiên cứu XMĐ thực hiện trên đồng ruộng tuy cung cấp hiểu biết chỉ tiết về quá trình XMĐ nhờ khả năng kiểm sốt từng tác nhân, nhân tố XMĐ, đo lượng mất đất dễ dàng nhưng phương pháp này lại địi hỏi chi phí cao, tiến hành trong nhiều năm, chỉ áp dụng trên phạm vi nhỏ và khĩ khái quát hĩa kết quả cho các khu vực lớn hơn [22] Để khắc phục hạn chế trên, nhiều mơ hình XMĐ đã được phát triển từ những năm 30 của thé ky XX [13], chia thành 3 loại: mơ hình thực nghiệm, mơ hình khái niệm và mơ hình dựa trên quá trình vật lý [25] Trong đĩ, Phương trình mất dat pho dung (Universal Soil Loss Equation- USLE) [32] phát triển tại Hoa Kỳ trong những năm 70 của thế ki XX [25] cùng với dẫn xuất của nĩ như Phương trình mất đất phổ dụng hiệu chỉnh (Revised Universal Soil Loss Equation- RUSLE) [30] là các mơ hình XMĐ được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới, đặc biệt tại các quốc gia đang phát triển nhờ cấu trúc đơn giản, yêu câu ít dữ liệu, cho phép đánh giá khách quan lượng đất bị mất [12], [28] Trong những năm gần đây, việc tích hợp viễn thám, GIS và mơ hình USLE/ RUSLE mang lai tính khả thi cao (chi phí hợp lý, chính xác hơn) khi ước lượng XMĐ trên vùng lãnh thổ rộng lớn [12] với nhiều nghiên cứu đã được thực hiện trên thế giới cũng như tại Việt Nam (cấp tỉnh [14], |4]; cấp vùng/ lưu vực [2], [9]; cap tồn quốc [13])
Mục tiêu của nghiên cứu này nhằm ứng dụng viễn thám, GIS và mơ hình RUSLE ước tính XMĐ tại vùng thượng lưu hữu ngạn sơng Vu Gia- Thu Bồn, một khu vực cĩ nguy cơ XMĐ cao với lượng đất bị mất hàng năm tại trạm khí tượng Trà My, huyện Bắc Trà My, tỉnh Quảng Nam ước tính trên 500 tấn/ha [5], từ đĩ hỗ trợ ra quyết định cho cơng tác quy hoạch, sử dụng, bảo vệ tài nguyên đất, kiểm sốt XMĐ trên khu vực Các mục tiêu cụ thể bao gồm: (1) Tính tốn các nhân tố XMĐÐ bao gơm mưa, đất, địa hình, che phủ thực vật và biện pháp canh tác, (2) Đánh giá tỷ lệ XMĐ hàng năm theo các kịch bản: xĩi mịn tiềm tàng, xĩi mịn theo phương thức canh tác truyền thống, xĩi mịn theo phương thức canh tác bao ton
9 Kha vive nohi
“ ẤN Ù
Hệ thống sơng Vu Gia- Thu Bồn thuộc khu vực Trung Trung Bộ, là một trong 9 hệ thống sơng lớn ở nước ta, bao gơm hai nhánh chính là Vu Gia, Thu Bồn với diện tích khoảng 10.350 km? Sơng Thu Bồn (ứng với vùng thượng lưu hữu ngạn sơng Vu Gia- Thu Bồn) bắt ngưồn từ vùng biên giới của 3 tỉnh Quảng Nam, Kon Tum và Quảng Ngãi ở độ cao hơn 2.000 m, chảy theo hướng Nam- Bắc, về Phước Hội sơng chảy theo hướng Tây Nam- Đơng Bắc cho đến Giao Thuỷ Vùng thượng lưu hữu ngạn sơng Vu Gia- Thu Bồn cĩ diện tích lưu vực tính đến trạm thủy văn Giao Thủy khoảng 3.400 km3, chiếm 32,9% điện tích tồn lưu vực Về tiếp giáp, phía Đơng giáp lưu vực sơng Tam Kỳ, phía Tây giáp lưu vực sơng Vu Gia (hay thượng lưu tả ngạn sơng Vu Gia- Thu Bồn), phía Bắc giáp hạ lưu sơng Vu Gia- Thu Bồn, phía Nam giáp lưu vực sơng Sê San và Trà Bơng (xem Hình 1) Về hành chính, khu vực nghiên cứu thuộc địa bàn các huyện Đại Lộc, Duy Xuyên, Nơng Sơn, Phước Sơn, Hiệp Đức, Tiên Phước, Núi Thành, Bắc Trà My, Nam Trà My của tỉnh Quảng Nam
Trang 3dịng sơng nam ở sườn phía Đơng dãy Trường Sơn Nam với những đỉnh núi cao như: Ngọc Linh (2.598 m), Hịn Ba (1.358 m) Vùng trung du cĩ độ cao 100- 800 m với các dãy núi chạy theo hướng Nam- Bắc thuộc các huyện Tiên Phước, Hiệp Đức, Quế Sơn và là nơi hợp lưu của các sơng nhánh lớn của dịng chính sơng Thu Bồn như các sơng: Tranh, Trường, Tiên, Lân, Ngọn Thu Bồn, Khe Diên, Khe Le
Về khí hậu, khu vực nghiên cứu cĩ kiểu khí hậu nhiệt đới giĩ mùa, cĩ 2 mùa rõ rệt: mùa mưa bắt đầu từ tháng IX đến tháng XII, giĩ chủ yếu theo hướng Đơng Bắc; mùa khơ từ tháng I đến thang VIII, giĩ chủ yếu theo hướng Tây Nam Lượng mưa trung bình năm từ 3.048 mm đến 4.161 mm, cĩ sự phân hĩa theo thời gian (mùa mưa chiếm tới 60- 80% tổng lượng mưa năm) và khơng gian (tăng dần từ Bắc xuống Nam, lớn nhất tại trạm Trà My, nhỏ nhất tại trạm Nơng Sơn) [8] Nhiệt độ khơng khí trung bình tháng khoảng 20- 27°C (trạm Tam Kỳ), giảm theo sự tăng của độ cao địa hình và biến đối theo mùa (thấp nhất vào tháng XII, cao nhất vào tháng VỊ) [8] Thổ nhưỡng trên vùng nghiên cứu bao gồm các loại đất chính: đất mùn alit núi cao, đất xám mùn trên núi, đất xám feralit, đất phù sa chua [8] Thực vật trong lưu vực khá phong phú và đa dạng, bao gồm kiểu rừng kín thường xanh, ẩm á nhiệt đới ở độ cao trên 1.000 m; kiểu rừng kín nửa rụng lá, hơi ấm nhiệt đới; kiểu rừng thưa lá rộng, hơi khơ nhiệt đới và kiểu rừng thưa lá kim hơi khơ nhiệt đới [8] i 730000 " — a , im 0 A VỊ trí lưu vực sơng Vu Gia- Thu Bồn Lên +1A Nags SAR eT Í\ ` „/Hhừa Thiên Huế” „` NA N ee eS ae 5 Sh Ặ ẢÃ h rể os # WDD % 33 LỆ av fo ~ Poo A ot -— / af a II ⁄2/ 7K ta a : i \ ~~ TT a2 ~ - 4 had ~ k m eo” cac nF ‘ yr —V foe: | MN AY us A 31 7, 76 P rs ` ` se” ieee : b _ X ` x € _ W 3-3 * J { — $ — - Es # ` ef 7 sứ Sa | a, — sett : : „ Thượng lưu tả ¡ ngạn /Z ~ _—` sơng Và Gia: Thụ Bang CY ' 2# IRL Vy ` J ¬ k t4 SG sy a of Fag ail „— yf cs: aan | T ở im x 1:800.000 : Chú dẫn “ 0 10 20 40 Km ẹ
por es fob ee | I song, hd
Coordinate System: WGS 1984 UTM Zone 48N _ Ranh giới lưu vực
Projection: Transverse Mercator N
Datum: WGS 1984 , ———=—==- Địa giới cấp tỉnh
False Easting: 500.000.0000 i ag P _ N
False Northing: 0,0000 : s : cà M "5
Central Meridian1050000 ™ Es |= Biên giới quốc gia >” (N
Scale Factor: 0,9996 Latitude Of Origin: 0,0000 ` x nid
Units: Meter I Đường bờ biên qT
730000 760000
Hinh 1: Vi tri dia ly vung nghiên cứu
Về kinh tế, vùng nghiên cứu thuộc vùng Tây Quảng Nam Xét cơ cấu kinh tế năm 2011, nơng-
lâm- thủy sản, cơng nghiệp- xây dựng và dịch vụ lần lượt chiếm tỉ trọng là 37,27%, 33,34% và 29,40% với xu hướng giảm dần tỉ trọng khu vực L, và tăng dần tỉ trọng khu vực II và HT [10] Nơng nghiệp đĩng vai trị quan trọng đối với phát triển kinh tế- xã hội trên khu vực [10] Trong những năm gần đây, sản lượng lương thực giữ ổn định và cĩ xu hướng tăng nhờ áp dụng hiệu quả các biện pháp kỹ thuật Diện tích trơng lúa nước tăng nhanh, tập trung chủ yếu ở các huyện: Đại Lộc, Duy Xuyên, Nơng Sơn, Hiệp Đức, Tiên Phước với năng suất ổn định Các huyện vùng cao như Phước Sơn, Bắc Trà My, Nam Trà My cĩ địa hình đồi núi phức tạp, dân cư thưa thớt, đa phần là dân tộc thiểu số, nên sản xuất lúa nước van con lac hau, theo lối quảng canh là chủ yếu Đất trơng cây hàng năm khác chiếm diện tích khá lớn ở các
Trang 4vùng bán son địa, sản xuất hiệu quả nhất là vùng đất nằm dọc hai bên bờ sơng Thu Bồn với các loại cây chính như dưa hấu, lạc, đậu, rau các loại Đất trồng cây lâu năm phân lớn tập trung ở các huyện miền núi như: Nơng Sơn, Hiệp Đức, Tiên Phước, Phước Sơn, Bắc Trà My với nhiều loại cây cĩ giá trị kinh tế cao như cao su, tiêu, quế, do bau
3 Dữ liệu và phương pháp nghiên cứu
3.1 Tổng quan về mơ hình RUSLE
Mơ hình RUSLE ước tính XMĐ trung bình năm dựa trên năm nhân tố (mưa, đất, địa hình, che phủ thực vật và biện pháp canh tác) thơng qua phương trinh sau đây [26]:
A=RxKxLSxCxP (1)
Trong đĩ: A là lượng mất đất trung bình năm trên một don vi diện tích (tấn/ (ha.năm)), R là hệ số xĩi mịn do mưa (MỊJ.mm/ (ha.giị.năm)), K là hệ số xĩi mịn của đất (tấn.ha.giị/ (ha.MJ.mm)), LS là hệ số chiều đài sườn đốc và độ đốc (khơng thứ nguyên), C là hệ số che phủ thực vật (khơng thứ nguyên, chạy từ 0 đến 1), P là hệ số biện pháp canh tác (khơng thứ nguyên, chạy từ 0 đến 1)
RUSLE la phiên bản hiệu chỉnh của mơ hình XMĐ thực nghiệm USLE với một số cập nhật như sau [26], [30]: thay đối giá trị của hệ số R ở Hoa Kỳ; thêm cách tính hệ số K theo mùa; chỉnh sửa hệ số L5 để ước tính xĩi mịn suối (rill erosion); phát triển cách tính hệ số C' từ các nhân tố phụ (loại hình sử dung dat ban dau, tán cây, lớp phủ bề mặt và độ nhám bê mặt); xem xét thêm loại hình đất chăn thả, canh tac theo duong dong mtrc (contouring), bang xen ké (strip cropping) va rudng bac thang (terrace) khi tính hệ số P Hiện nay, mơ hình RUSLE đã và đang được sử dụng rộng rãi để dự đốn tỷ lệ mất đất trung bình năm tại các lưu vực nơng nghiệp, lâm nghiệp theo các kịch bản khác nhau về hệ thống cây trơng, kỹ thuật canh tác và biện pháp kiểm sốt xĩi mịn [21] Khi tích hợp RUSLE với GIS, mơ hình dữ liệu raster thường được sử dụng nhằm tăng tốc độ xử lý dữ liệu đầu vào và thể hiện liên tục lượng mất đất
3.2 Phương pháp ước tính xĩi mịn đất
Phương pháp nghiên cứu của đề tài được thể hiện như Hình 2 Ranh giới Bản đồ Trich Lớp độ cao, lưu vực, —
địa hình xuất thủy hệ địng chảy | nn, Topo to Raster Mo hinh — chav Độ dốc |&—-Tínhtốn— DEM _ tíchlùy _ | ]Ƒ——— (Cong thức Tính tốt Huong (5)- (2 đốc Cơng thức (8) ) Hệ sốLS Chồng
Số liệu Thế Lượng mưa | LỚP
mưa ngày = hơng »> ¬ 5 < FE——l)W—> Lệ số — a XÃ
Trang 53.3 Phan dinh lwu vuc
Phân định lưu vực nhằm xác định phạm vi khơng gian của vùng nghiên cứu cũng như phác hoa ranh giới của các tiểu lưu vực và mạng lưới sơng suối trên vùng nghiên cứu Từ bản đồ địa hình của tỉnh Quảng Nam (tỷ lệ 1/10.000 do Sở Tài nguyên và Mơi trường tỉnh Quảng Nam cung cấp), trích xuất ra lớp độ cao (điểm độ cao, đường bình độ) và lớp thủy hệ (sơng, hồ), tiến hành xây dựng mơ hình độ cao số (Digital Elevation Model- DEM) bằng phương pháp nội suy Topo to Raster Sau đĩ, dùng mơ hình dịng chảy 6 hướng (D8) xác định hướng dịng chảy, tính tốn dịng chảy tích lũy, định vị cửa xả, phác họa mạng lưới dịng chảy, ranh giới lưu vực với 3 tiẻu lưu vực chính, bao gơm: sơng Nam Nim,
sơng Tranh và sơng Thu Bồn
3.4 Tính tốn các nhân tố xĩi mịn đất
3.4.1 Tính tốn hệ số R
Hệ số R thể hiện khả năng gây xĩi mịn tiêm tàng của mưa, là giá trị trung bình năm của chỉ số xĩi mịn do từng trận mưa riêng re, kí hiệu Elao với E là động năng của mưa (MỊJ/ ha), lao là cường độ mưa lớn nhất trong 30 phút (mm/ giị) [32] Để tính hệ số R, cần cĩ số liệu cường độ mưa 30 phút trong ít nhất 20 năm [32] Tuy nhiên, số liệu cường độ mưa theo thời gian, khơng gian lại rất hạn chế tại nhiều khu vực trên thế giới, điển hình như Việt Nam Do vậy, nghiên cứu này đã kế thừa cơng thức tính hệ số R cua [6]
R = - 25,319 + 0,49917 x P (2)
Trong đĩ, R là hệ số xĩi mịn do mưa (MJ.mm/ (ha.giờ.năm)), P là lượng mưa trung bình năm (mm)
Đây là cơng thức thực nghiệm, được tác giả rút ra từ kết quả phân tích hồi quy giữa lượng mưa, dịng chảy với lượng mất đất thực tế tại các ơ thí nghiệm ở lưu vực sơng Hương, tỉnh Thừa Thiên- Huế Cơ sở chọn cơng thức (2) là vì tính chất mưa trên lưu vực sơng Hương khá tương đồng với vùng thượng lưu hữu ngạn sơng Vu Gia- Thu Bồn: lượng mưa cao, tập trung vào mùa mưa (IX- XII), tăng dần từ Bắc xuống Nam [11]
Dựa trên vị trí phần bố, thời gian đo đạc và chất lượng dữ liệu, nghiên cứu sử dụng số liệu lượng mưa theo ngày tại 5 điểm/ trạm đo bao gơm 2 điểm đo mưa nhân dân (Tiên Phước, Quế Sơn), 1 trạm khí tượng (Trà My), 2 trạm thủy văn (Nơng Sơn, Hiệp Đức) do Đài Khí tượng Thủy văn Trung Trung Bộ cung cấp Tại từng trạm, lượng mưa trung bình nhiều năm được thống kê từ số liệu theo ngày Sau do, ap dung thuat toan noi suy nghich dao khoang cach (Inverse Distance Weighted- IDW) trong GIS để tạo bản đồ hệ số R
3.4.2 Tính tốn hệ số K
Hệ số K thể hiện mức độ dễ bị xĩi mịn của đất do đặc điểm lý tính, hĩa tính của đất chi phối, được xác định bằng lượng đất mất đi trên một đơn vị của hệ số R dưới điều kiện chuẩn với chiều dài sườn đốc 22,13 m, độ đốc liên tục 9% trong tình trạng phơi đất thường xuyên (đã dọn sạch tàn dư thực vật vụ trước) và phương thức canh tác từ trên đỉnh dốc xuống chân dốc [32] Trong nghiên cứu này, thơng tin kết cấu đất và hàm lượng chất hữu cơ trong đất trích xuất từ bản đồ thổ nhưỡng của tỉnh Quảng Nam năm 2005 (tỷ lệ 1/25.000) do Phân viện Quy hoạch và Thiết kế Nơng nghiệp miền Trung xây dựng được sử dụng để ước tính hệ số K thơng qua phương trình [31]:
2
K = 0,0293 (0, 65 —D, + 0, 24D?) TỐ — 0,00037(") - 4,02C + 1,72C?]
VỚI Dz — » f,InC/ d;d;_ ¡) (4)
Trang 6Trong đĩ, K là hệ số xĩi mịn của đất (tấn.ha.giị/ (ha.MJ.mm)), OM là % hàm lượng chất hữu cơ trong dat, C là tỉ lệ sét, Dạ là kích thước trung bình hình học của hạt đất, được tính bằng phương trình (4), ứng với mỗi cấp hạt (sét, thịt, cát), di là đường kính lớn nhất (mm), d:+i là đường kính nhỏ nhất (mm), fi la ti lé cap hat
3.4.3 Tính tốn hệ số LS
Hệ số L5 biểu thị cho sự ảnh hưởng của nhân tổ chiêu dài sườn dốc (L) và độ dốc (6) tới tỷ lệ xĩi mịn đất [32] L là tỷ lệ mất đất ở các thửa đất cĩ chiêu dài sườn dốc thực tế so với chiêu đài sườn đốc chuẩn (22,13 m) nhưng các điều kiện cịn lại như nhau Trong khi đĩ, S là là tỷ lệ mất đất ở các thửa đất cĩ độ đốc thực tế so với độ dốc chuẩn (9%) nhưng các điều kiện cịn lại như nhau Khi sử dụng DEM, cĩ thể áp dụng cách tiếp cận lưu vực để tính hệ số L cho trường hợp chiều dài sườn dốc khơng đồng nhất theo cơng thức như sau [17]: m+1 _ [(Aij-in+ D7) -Ait ij—in rẻ _ ` — sin8 p™+2 xx™ x 22,13m G)với M= TR [28] (6) và 0,0896 x [0,56+3(sin@)98] Lij-in = [29] (7)
Trong đĩ, Lan là hệ số chiều dài sườn đốc của pixel (¡, j), Ajan là điện tích lưu vực tính đến pixel (¡, j (m?), D là kích thước pixel (m), m là tham số mũ chiều dài, được tính theo cơng thức (6), Ø là độ dốc
(°), Xj = sin ay+ cos ai, la hudng doc cua pixel (i, j)
Tương tự, khi sử dụng DEM cĩ độ phân giải khơng gian từ 4,572 m trở lên, hệ số S được tính theo giá trị độ dốc 6 (°) với cơng thức như sau [23]:
S = 0,56 + 3 (sin0)92 (8)
Trong nghiên cứu này, từ dữ liệu DEM (xây dựng từ bản đồ địa hình của tỉnh Quảng Nam), tính tốn độ dốc, hướng dốc, áp dụng mơ hình dịng chảy 8 hướng (D86) xác định hướng dịng chảy, tính tốn dịng chảy tích lũy cho từng pixel Sau đĩ, áp dụng cơng thức tính hệ số L5
3.4.4 Tính tốn hệ số C
Hệ số C phản ánh ảnh hưởng của che phủ thực vật, trơng trọt đến tỷ lệ xĩi mịn và được định nghĩa là tỷ lệ mất đất trong điều kiện phơi đất thường xuyên (đã dọn sạch tàn dư thực vật vụ trước) [32] Hiện nay, do mơ hình che phủ thực vật biến đổi thường xuyên theo khơng gian và thời gian nên ảnh vệ tinh được sử dụng để tính tốn hệ số C với các phương pháp như phân loại thực phủ, ảnh tỷ số và chỉ số thực vật So với phương pháp truyền thống, viễn thám cĩ nhiều ưu điểm như chi phí dữ liệu thấp, phân tích dữ liệu nhanh chĩng, chính xác, sử dụng ít thiết bị (đối với người sử dụng) hơn so với khảo sát thực địa [16]
Trong bài báo này, hệ số C được tính dựa trên chỉ số khác biệt thực vật (Normalized Difference Vegetation Index- NDVI) do [18] đề xuất cho vùng khí hậu nhiệt đới với cơng thức như sau:
coe øœ 2 với NDVI=——— NIR + RED (q0
Trong đĩ, NIR, RED lần lượt là năng lượng phản xạ trên kênh hồng ngoại gần và kênh đỏ (W/ m2)
Trang 73.4.5 Tính tốn hệ số P
Hệ số P liên quan đến biện pháp bảo vệ đất của con người và được định nghĩa là tỷ lệ mất đất ở các thửa đất cĩ áp dụng các biện pháp kiểm sốt XMĐÐ so với khi khơng áp dụng các biện pháp tương tự [30] Cĩ nhiều biện pháp kiểm sốt XMĐÐ nhưng tất cả đều nhằm duy trì che phủ thực vật, thực hành canh tác bảo tơn và việc sử dụng nhiều biện pháp mang lại hiệu quả tốt hơn so với khi chỉ áp dụng một biện pháp [16]
Trong nghiên cứu này, hệ số P được tính tốn dựa trên bản đồ hiện trạng sử dụng đất năm 2010 (tỷ lệ 1/25.000, do Sở Tài nguyên và Mơi trường tỉnh Quảng Nam cung cấp) và đữ liệu độ dốc trích xuất từ dữ liệu DEM Các loại hình sử dụng đất được tái phân loại thành 14 loại chính Sau đĩ, hệ số P được gan cho từng loại chính theo 2 cách: trực tiếp (giá trị 0: đất ở, đất tơn giáo, đất quốc phịng, mặt nước; giá trị 1: đất cỏ dùng vào chăn nuơi, rừng đặc dụng, rừng phịng hộ, đất cho hoạt động khống sản, đất đồi núi chưa sử dụng), gián tiếp theo cơng thức (11) (đất trơng lúa, đất trơng cây hàng năm khác, đất trơng cây cơng nghiệp lâu năm, đất trơng cây lâu năm khác, rừng sản xuất) với giả định áp dụng biện pháp kiểm sốt XMĐ tồn diện
P=P.x Ps x Pt [16] (11)
Trong đĩ, Pc, Ps, Pt lan lwot la hé so P tng voi truong hop canh tac theo duong đồng mức, băng xen kẽ, ruộng bậc thang, được tính theo từng lớp độ đốc như Bảng 1 (chỉnh sửa từ [30])
3.5 Thành lập bản đơ xĩi mịn đất
Sau khi biên tập bản đồ các hệ so R, K, LS, C, P, nghiên cứu áp dụng cơng thức (1) và chức năng phân tích khơng gian trong GIS để xây dựng bản đồ XMĐ theo 3 kịch bản khác nhau: (1) XMĐ tiêm tàng (sử dụng 3 hệ số R, K, L5), (2) XMĐ theo phương thức canh tác truyền thống (khơng áp dụng biện pháp kiểm sốt xĩi mịn, sử dụng 4 hệ số R, K, L5, C) và (3) XMĐ theo phương thức canh tác bảo tơn (áp dụng tồn diện các biện pháp kiểm sốt xĩi mịn: canh tác theo đường đồng mức, băng xen kẽ, ruộng bậc thang; sử dụng 5 hệ số R, K, L5, C, P) Từ kết quả tính tốn, tiến hành so sánh, nhận xét tác động của các nhân tố đến tỷ lệ XMĐ trên tồn vùng nghiên cứu cũng như tại từng tiểu lưu vực chính
Bảng 1: Giá trị hệ số P khi áp dụng đồng thời các biện pháp kiểm sốt XMĐ khác nhau Độ dốc (%) P‹ P: Pt P D6 déc (%) P‹ Ps; Pt P <1 1,00 1,0U 1,0U 1,000 15- 16 0,70 0,35 0,80 0,196 1-2 0,60 0,30 0,50 0,090 17-20 0,80 0,40 0,90 0,288 3-8 050 0,225 0,60 0,075 21-25 0,90 0,45 1,00 0,405 9- 12 0,60 030 0/0 0,126 > 25 1,00 1,00 1,00 1,000 4 Kết quả và thảo luận 4.1 Bản đồ các hệ số R, K, LS, C, P
Trang 84.2 Bản đồ xĩi mịn đất theo các kịch bản
Trên cơ sở chồng lớp các hệ số R, K, LS, C, P trong GIS, nghiên cứu thành lập 3 bản đồ XMĐ (xem Hình 4) tương ứng với 3 kịch bản: (1) xĩi mịn tiềm tàng, (2) xĩi mịn theo phương thức canh tác truyền thống và (3) xĩi mịn theo phương thức canh tác bảo tơn Kết qua phan cap ty le XMD theo 6 cap dua trên TCVN 5299-2009 [1] cĩ bổ sung để phù hợp với vùng nghiên cứu được thể hiện như Bảng 2 cho thấy cĩ sự phân bố khơng đều về diện tích giữa các cấp XMĐ cũng như giữa các kịch bản với nhau Cụ thể, ở kịch bản (1), dưới tác động của nhân tố mưa, đất, địa hình, phân lớn khu vực thuộc cấp XMĐ rất mạnh trở lên (chiếm tới 82%), trong khi diện tích khơng bị XMĐ hoặc XMĐ nhẹ chỉ chiếm xấp xi 18% Sang kịch bản (2) khi xét thêm nhân tố che phủ thực vật, đã mang lại nhiều tác động tích cực: tỉ lệ khơng bị XMĐ tăng lên đáng kể (từ 1% lên 18%), trong khi diện tích XMĐ rất mạnh trở lên giảm xuống cịn 76% So với kịch bản (2), dưới tác động của các biện pháp canh tác bảo tơn, kịch bản (3) đã làm tăng thêm 6% diện tích khơng bị XMĐ Đồng thời, giảm 9% diện tích XMĐ rất mạnh trở lên Xét tổng thể, lượng mất đất trung bình năm trên tồn khu vực ở 3 kịch bản lần lượt là 1.826 tấn/ha, 306 tấn/ha và 285 tấn/ha Mặc dù cĩ sự suy giảm rõ rệt khi xem xét nhân tố C, P nhưng tỷ lệ XMĐ của khu vực vẫn rất mạnh Điều này khá tương đồng với ước tính của [5]
Trang 9E Ongy : 20Km ‘4 SO/15) 20 Km 20 Km Thue on đ F+ơ 1D ee Ft j } ‡ IIIFS1 0Ì —— 7 - K (tắn.ha.giờ! NI ; R (MJ.mm/ @ diem Go mura (ha.MJ.mm)) vee Y: 0-5 „ (ha.giờ.nam)) ^A Trạm khí tượng 0-0,02 7 6 - 10
1.257 - 1.400 Y | Tram thuy van mn h 0.05 oes 1.401 - 1.500 _| Ranh giới lưu vực 008 J 009 16 - 20
1.501 - 1.600 ca Sơng, hơ ire 0,10 - 0,11 30-1 21-25 1.601 - 1.700 0,12 - 0,13 26 - 30 1.701 - 1.800 0,14 - 0,14 at = 108 1.801 - 1.900 Ranh giới lưu vực L _ ]Ranh giới lưu vực 1.901 - 2.040 WE song, nd 44 sĩng hị a) Hệ số R b) Hệ số K c) Hệ số LS E E 20 Km 20 Km ——t—+— ge 3 Ì 0,07 - 0,09 0 0,11 0,075 0,12 - 0,13 lJo.oso 0,14 - 0,15 | 0,126 0,19 see ~ _ 0,405 | | 0,24 - 0,69 4 [ —_ | Ranh giới lưu vực ae —_]Ranh giới lưu vực song nị WW song, nd đ) Hệ số C e) Hệ số P Hình 3: Bản đồ các hệ số R, K, LS, C, P ous : 20 Km : My 20Km “* Tưng x 20 Km Ì }
| "Luong mắt đất Sg SS Se i “Lượng mắt đất r “Lượng mat dat
(tan/ (ha.nam)) VV eee | (tan/ (ha.nam)) (tan/ (ha.nam)) m-:: = ng) | mo: i 2-5 im 2-s 2-5 [a-10 [Hy 11 - 50 P lon [11 - 50 i›-:o [J 11-50 [9 51 - 500 [9] 51 - 500 1 51 -5oo GM 501 - 21.581 ME 501 - 7.012 WE 501 -7.012
[ —_ | Ranh giới lưu vực gee š L —_] Ranh giới lưu vực aes a [ _} Ranh gidiluu vuc
WE song, hd „Ắ WE song, nd ~ WE song, nd
a) XMD tiém tang b) XMD theo phuong thttc canh tac truyền thống c) XMĐ theo phương thức canh tác bảo tơn
Trang 105 Kết luận
Trên cơ sở tích hợp viễn thám, GIS và RUSLE, nghiên cứu đã đánh giá định lượng tỷ lệ XMĐ hàng năm trên diện tích 339.698 ha của vùng thượng lưu hữu ngạn sơng Vu Gia- Thu Bồn theo các kịch bản khác nhau (tiêm tàng, canh tác truyền thống, canh tác bảo tơn) dựa trên các nhân tố XMĐÐ (mua, dat, địa hình, che phủ thực vật và biện pháp canh tác) Kết quả cho thấy lượng mất đất trung bình năm từ 950 tấn/ha trở lên (cấp XMĐÐ rất mạnh) chiếm trên 50% diện tích, tập trung chủ yếu tại những khu vực cĩ lượng mưa cao, độ đốc lớn như lưu vực sơng Nam Nim Diện tích khơng bị XMĐ hoặc XMĐ nhẹ (từ 5 tấn/ha.năm trở xuống) chiếm dưới 25%, phân bố tại những khu vực cĩ sự can thiệp của con người như lưu vực sơng Tranh, sơng Thu Bồn Nhân tố R và L5 là nguyên nhân chính khiến cho quá trình XMĐ ở vùng thượng lưu hữu ngạn sơng Vu Gia- Thu Bồn diễn ra rất mạnh Từ bản đồ dự đốn lượng mất đất theo các kịch bản, cĩ thể rút ra thơng tin hữu ích, hỗ trợ xây dựng chiến lược, thực hiện chính sách, chương trình kiếm sốt xĩi mịn, bảo vệ đất tồn diện, chỉ tiết, bên vững cho tồn vùng, ưu tiên các khu vực nhạy cảm cao Cụ thể, để hạn chế tác động của nhân tố L5, cân áp dụng các phương thức canh tác bảo tơn như canh tác theo đường đồng mức, băng xen kẽ, ruộng bậc thang Trong khi đĩ, để giảm thiểu ảnh hưởng của nhân tố R đến lượng mất đất, cân tăng cường khả năng kháng xĩi mịn của đất (giảm hệ số K) bằng các biện pháp như cày sâu, đồng thời tăng tỉ lệ che phủ thực vật (giảm hệ số C) bằng các biện pháp như trồng dày hợp lý thành hàng rào; dùng vật liệu che phủ đất bằng rơm rạ, cỏ khơ; xen canh gối vụ; luân canh hợp lý; trơng cỏ; trơng và bảo vệ rừng Để tăng cường chất lượng dự đốn XMĐ, hướng nghiên cứu tiếp theo đĩ là bổ sung số liệu cường độ mưa 30 phút, đo lượng mất đất thực tế Bên cạnh đĩ, tiến hành phân tích tác động của các phương án quy hoạch sử dụng đất, bảo vệ đất cũng như các kịch bản biến đổi khí hậu đến tỷ lệ XMĐ theo từng tiểu lưu vực nhằm cung cấp cơ sở khoa học cho việc lựa chọn hệ thống cây trơng, biện pháp canh tác phù hợp hướng đến sử dụng, bảo vệ đất bên vững
Tài liệu tham khảo
1 Bộ Khoa học và Cơng nghệ, 2009 Chất lượng đất- Phương pháp xác định mức độ xĩi mịn đất do
mưa TCVN 5299:2009
2 Nguyễn Văn Dũng và Nguyễn Đình Kỳ, 2012 Đánh giá định lượng xĩi mịn đất đồi núi vùng Thanh- Nghệ- Tĩnh bằng phương trình mất đất phổ dụng và hệ thống thơng tin địa lý, Tạp chí Các Khoa học vé Trai Dat 34(1): 31-37
3 Lê Đức và Trần Khắc Hiệp, 2005 Gido trinh Đất ồ Bảo oệ đất ĐXB Hà Nội
4 Nguyễn Thị Mai Hương, 2015 Xây dựng bản đồ nguụ cơ xĩi mờn đất uà đề xuất mơ hình sản xuất nơng
nghiép hợp lú cho huyện Quan Bạ- tinh Ha Giang, Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Khoa học Tw nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội
5 Tống Đức Khang và Nguyễn Đức Quý, 2008 Bảo ưệ đất chống xới mịn oúng đồi núi NXB Hà Nội
6 Hồ Kiệt, 1999 Đánh giá xĩi mịn 0à lắng đọng đất trên một số hệ thống canh tác phổ biến úng đất dốc lưu oực sơng Hương, Thừa Thiên Huế Luận án Tiến sĩ, Đại học Nơng nghiệp Hà Nội
7 Thái Phiên và Nguyễn Tử Siêm, 2002 Sử dụng bền uững đất miền núi uà oúng cao ở Việt Nam NXB Nơng nghiệp
8 Trân Văn Tình, 2013 Xâu dựng bản đồ nsập lụt óng hạ lưu lưu 0oực sơng Vụ Gia- Thu Bồn, Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên- Đại học Quốc gia Hà Nội
9 Phạm Hữu Ty và Hồ Kiệt, 2008 Mơ phỏng rủi ro xĩi mịn vùng cảnh quan đồi núi trên cơ sở sử
dụng số liệu viễn thám và mơ hình mất đất phổ quát hiệu chỉnh (RUSLE), Tạp chí Khoa học- Đại học Huế48: 185—195
10 Viện Quy hoạch Đơ thị và Nơng thơn Quảng Nam, 2010 Thuyết minh tĩm tắt: Quy hoạch xây dựng Vùng Tây Quảng Nam
11 Viện Quy hoạch Thủy lợi, 1996 Báo cáo bổ sung quy hoạch thủy lợi lưu vực sơng Hương- Quyển 1: Báo cáo tổng hợp, Hà Nội
12 Al-abadi A M A., Ghalib H B., and Al-qurnawi W S., 2016 Estimation of soil erosion in northern Kirkuk Governorate, Iraq using RUSLE, Remote Sensing and GIS, Carpathian J Earth Environ Sct
11(1): 153-166
13 Bao T Q and Laituri M J., 2011 Defining required forest area for protection soil from erosion in Vietnam: a GIS-based application, VNU J Sct Earth Sct 27: 63-76
Trang 1115 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32
erosion modeling in Danang city, Vietnam, International Symposium on Geoinformatics for Spatial Infrastructure Development in Earth and Allied Sciences 2014
Biggelaar C., Lal R., Wiebe K., and V Breneman, 2004 The Global Impact of Soil Erosion on
Productivity Il: effects on crop yields and production over time, Adv Agron 81: 49-95 Blanco H and Lal R., 2008 Principles of Soil Conservation and Management Springer Science and Business Media BV
Desmet P and Govers G., 1996 A GIS procedure for automatically calculating the ULSE LS factor on topographically complex landscape units, Soil Water Conserv 51: 427-433
Durigon V.L., Carvalho D F., Antunes M A H., Oliveira P T S., and Fernandes M M., 2014 NDVI time series for monitoring RUSLE cover management factor in a tropical watershed, Int J Remote Sens 35(2): 441-453
Foster G R., Meyer L D., and Onstad C A., 1977 A runoff erosivity factor and variable slope length exponents for soil loss estimates, Trans ASAE 20: 683-687
Jahun B G., Ibrahim R., Dlamini N S., and Musa S M., 2015 Review of Soil Erosion Assessment
using RUSLE Model and GIS, J Biol Agric Healthc 5(9): 36-47
Kouli M., Soupios P., and Vallianatos F., 2008 Soil erosion prediction using the Revised Universal
Soil Loss Equation (RUSLE) in a GIS framework, Chania, Northwestern Crete, Greece, Environ
Geol
Lal R., Ed., 2005 Encyclopedia of Soil Science, 2nd ed CRC Press LLC
McCool D K., Brown L C., and Foster G R., 1987 Revised slope steepness factor for the Universal
Soil Loss Equation, Trans ASAE 30: 1387-1396
McCool D K., Foster G R., Mutchler C K., and Meyer L D., 1989 Revised slope length factor for
the Universal Soil Loss Equation, Trans ASAE 32: 1571-1576
Merritt W S., Letcher R A., and Jakeman A J., 2003 A review of erosion and sediment transport
models, Environ Model Softw 18: 761-799
Morgan R P C., 2005 Soil erosion and conservation, 3rd ed Oxford, UK: Blackwell Science Ltd Oldeman L., 1994 The global extent of soil degradation, Soil Resilience and Sustainable Land Use,
Wallingford: CAB International, pp 99-118
Oliveira J A., Dominguez J M L., Nearing M A., and Oliveira P T.S., 2015 A GIS-Based
procedure for automatically calculating soil loss from the Universal Soil Loss Equation: GISus-M, Appl Eng Agric 31(6): 907-917
Pimentel D., Harvey C., Resosudarmo P., Sinclair K., Kurz D., McNair M., Crist S., Shpritz L., Fitton L., Saffouri R and Blair R., 1995 Environmental and economic costs of soil erosion and
conservation benefits, Science 80(267): 1117-1123
Renard K G., Foster G R., Weesies G A., McCool D K., and Yoder D C., 1997 Predicting Soil
Erosion by Water: A guide to Conservation Planning With the Revised Universal Soil Loss Equation (RUSLE) U.S Department of Agriculture, Agriculture Handbook No 703
Torri D., Poesen J., and Borselli L., 1997 Predictability and uncertainty of the soil erodibility factor using a global dataset, Catena 31: 1-22
Wishmeier W H and Smith D D., 1978 Prediction rainfall erosion losses- A guide to conservation planning U.S Department of Agriculture, Agriculture Handbook No 537
ESTIMATION OF SOIL EROSION IN THE UPSTREAM RIGHT BANK OF VU GIA- THU BON RIVER BASIN USING REVISED UNIVERSAL SOIL LOSS EQUATION, GIS AND REMOTE SENSING
Le Phuong Nhung!, Nguyen Duy Liem’, Nguyen Thi Hong!, Nguyen Kim Loi? ‘Hanoi University of Science- Vietnam National University, Hanoi
Nong Lam University- Ho Chi Minh City
Email: nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn
Trang 12Sentinel-2A multi-bands imagery, current land use map The annual soil erosion loss was estimated under three scenarios (potential erosion, no conservation practices, best conservation practices) by multiplying the five factors in raster format The results showed that a little more than half of the study area which was distributed mainly in high rainfall areas with steep slopes such as Nam Nim subbasin undergone very severe erosion (over 50 t ha! yr?) About 25% of the total area which was strongly affected by human activities such as Tranh subbasin, Thu Bon subbasin was subjected to soil losses under 5 ha™ yr? (minimal or low erosion) The soil erosion maps can serve as effective inputs in land use planning, implementation of soil conservation practices towards sustainable development
Keywords: Soil erosion, Revised Universal Soil Loss Equation, GIS, Remote Sensing, Vu Gia- Thu