Ứng dụng phương trình mất đất phổ dụng và GIS để xây dựng bản đồ xói mòn đất tại huyện Phong Điền, tỉnh Thừa Thiên Huế

Bài viết Ứng dụng phương trình mất đất phổ dụng và GIS để xây dựng bản đồ xói mòn đất tại huyện Phong Điền, tỉnh Thừa Thiên Huế được nghiên cứu với mục tiêu là xây dựng được bản đồ xói mòn đất tại huyện Phong Điền, tỉnh Thừa Thiên Huế. Nghiên cứu đã tích hợp được phương trình mất đất phổ dụng (USLE) và công nghệ GIS trong thành lập bản đồ xói mòn.

Quản lý Tài nguyên rừng & Môi trường ỨNG DỤNG PHƯƠNG TRÌNH MẤT ĐẤT PHỔ DỤNG VÀ GIS ĐỂ XÂY DỰNG BẢN ĐỒ XĨI MỊN ĐẤT TẠI HUYỆN PHONG ĐIỀN, TỈNH THỪA THIÊN HUẾ Nguyễn Văn Bình1, Nguyễn Đình Tiến1, Hồng Phương Anh2 Trường Đại học Nơng Lâm, Đại học Huế Trường Đại học Tài nguyên Môi trường Hà Nội TÓM TẮT Mục tiêu báo xây dựng đồ xói mịn đất huyện Phong Điền, tỉnh Thừa Thiên Huế Nghiên cứu tích hợp phương trình đất phổ dụng (USLE) cơng nghệ GIS thành lập đồ xói mòn Kết nghiên cứu xây dựng hệ số xói mịn huyện Phong Điền: Hệ số xói mịn mưa (R); Hệ số xói mịn đất (K); Hệ số xói mịn địa hình (LS); Hệ số che phủ đất (C); Hệ số canh tác, bảo vệ đất (P) Các đồ hệ số tính tốn từ nguồn liệu khác như: Số liệu khí tượng, đồ thổ nhưỡng, đồ địa hình, ảnh vệ tinh Landsat Từ đồ hệ số xói mịn trên, xây dựng đồ xói mịn kết cho thấy: Tỷ lệ khơng bị xói mịn tương ứng với cấp độ I 70.068,10 chiếm 73,89%, tỷ lệ xói mịn nhẹ (cấp II) 7.247,30 chiếm 7,64%, tỷ lệ xói mịn trung bình (cấp III) 4.063,30 chiếm 4,29%, tỷ lệ xói mịn mạnh (cấp IV) 6.713,10 chiếm 7,08% tỷ lệ xói mịn mạnh (cấp V) 6.731,00 chiếm 7,1% Từ khóa: đồ xói mịn đất, GIS, Phong Điền, USLE ĐẶT VẤN ĐỀ Mỗi năm vùng đồi núi nước ta bị khối lượng đất khổng lồ tượng xói mịn Xói mịn đất làm đất, phá huỷ lớp thổ nhưỡng bề mặt, làm giảm độ phì đất, gây bạc màu, ảnh hưởng trực tiếp tới sống phát triển thảm thực vật Đồng thời, tùy thuộc vào đặc điểm hình thái địa mạo mà vật liệu xói mịn vận chuyển theo dòng chảy tạo nguồn chất lơ lửng tích tụ vị trí thích hợp thường vùng trũng, làm ảnh hưởng tới chất lượng mơi trường nước trầm tích (Lê Hồng Tú, 2011) Phong Điền huyện có diện tích lớn tỉnh Thừa Thiên Huế với 94.822,80 ha, có lượng mưa tương đối lớn (trung bình năm gần 3.000 mm) Địa hình chia thành vùng sinh thái rõ rệt: Vùng gò đồi, vùng đồng vùng đầm phá ven biển (Phịng Tài ngun Mơi trường huyện Phong Điền, 2020) Tình trạng xói mịn đất huyện Phong Điền diễn phức tạp Nhóm nghiên cứu xây dựng đồ xói mịn đất địa bàn huyện Phong Điền, tỉnh Thừa Thiên Huế Kết nghiên cứu hỗ trợ nhà hoạch định sách việc quản lý bảo vệ nguồn tài nguyên đất có nguy xói mịn cao huyện Phong Điền PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Phương pháp thu thập số liệu thứ cấp Thu thập tài liệu, số liệu lượng mưa, nhiệt độ, độ ẩm, điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội, tình hình sử dụng đất, đồ thổ thưỡng, trạng sử dụng đất, tài nguyên đất, nước… năm 2020 phòng Tài nguyên Môi trường huyện Phong Điền - Phương pháp thành lập đồ hệ số Dựa phương trình đất phổ dụng biến đổi (USLE): A = R * K * LS * C * P Các hệ số tính tốn từ việc xử lý đồ phần mềm ArcGIS 10.3 sau: + Hệ số xói mịn mưa (R): Phương trình tính R theo số liệu lượng mưa hàng năm, từ đề xuất công thức (Nguyễn Trọng Hà, 1996): R = 0,548257*P – 59,9 Trong đó: R hệ số xói mịn mưa trung bình năm (J/m2); P lượng mưa trung bình hàng năm (mm/năm) Lượng mưa trung bình năm tính tốn theo phương pháp nội suy khơng gian có trọng số từ số liệu từ năm 2000 – 2020 ba trạm khí tượng thủy văn có địa bàn tỉnh Thừa Thiên Huế (Trạm Tp Huế, Nam Đơng A Lưới) Hai trạm khí tượng Tp Huế A Lưới có vị trí gần với khu vực huyện Phong Điền nên kết nội suy TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ - 2021 59 Quản lý Tài nguyên rừng & Môi trường lượng mưa từ trạm so với khu vực nghiên cứu có độ xác cao + Hệ số xói mịn đất (K): tính theo cơng thức Wischmeier Smith (1978): 100K= 2,1*10-4 (12-a)*M1.14 + 3,25*(b-2) + 2,5*(c-3) Trong đó: K Hệ số xói mịn đất đất; M xác định: (%) M = (%limon + % cát mịn)(100% - %sét); a Hàm lượng chất hữu đất, đo phần trăm; b Hệ số phụ thuộc vào hình dạng, xếp loại kết cấu đất; c Hệ số phụ thuộc khả tiêu thấm đất + Hệ số xói mịn địa hình (LS): Từ đồ địa hình ta số hóa, xây dựng mơ hình số độ cao (DEM), sau xây dựng đồ độ dốc Tùy vào khu vực khác mà ta có cách tính phù hợp Wischmeier w H Smith D D (1978) đưa cơng thức tính LS sau: LS = (x/22,13)n (0,065 +0,045* s + 0,0065*s2) Trong đó: x chiều dài sườn thực tế tính đơn vị m; s phần trăm độ dốc; n thông số thực nghiệm (n = 0,5 s > 5%; n = 0,4 3,5% < s < 4,5%; n = 0,3 1% < s < 3,5%; n 0,2 s < 1%) + Hệ số che phủ đất (C): Trong phạm vi giới hạn, nghiên cứu sử dụng công thức: C = 0,43-0,805* NDVI thức (Nguyễn Trọng Hà, 1996) để thành lập đồ hệ số C huyện Phong Điền Giá trị NDVI tính tốn sau: NDVI = Trong NIR Red kênh cận hồng ngoại kênh màu đỏ ảnh viễn thám Nghiên cứu sử dụng liệu ảnh Landsat có độ phân giải 30 m x 30 m, chụp ngày 14/1/2020 + Hệ số canh tác, bảo vệ đất (P): Công tác xác định hệ số P dựa vào nghiên cứu Nguyễn Trọng Hà, 1996 để xác định phù hợp với loại hình sử dụng đất có địa bàn huyện Phong Điền Cụ thể giá trị P gán theo cấp độ dốc sau: độ dốc nhỏ độ, P = 0,6; từ – độ, P = 0,5; từ – 12 dộ, P = 0,6; từ 12 – 16 độ, P = 0,7; từ 16 – 20 độ, P = 0,8, > 20 độ, P = 0,9 - Phương pháp sử dụng GIS để chồng xếp đồ Bản đồ xói mịn đất huyện Phong Điền (hiện trạng) xây dựng cách chồng xếp lớp đồ xây dựng phần mềm ArcGIS 10.3 dựa vào quy trình chi tiết hình Hình Quy trình xây dựng đồ xói mịn đất khu vực nghiên cứu 60 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ - 2021 Quản lý Tài nguyên rừng & Môi trường - Phương pháp kiểm chứng đồ thực địa: Sử dụng GPS cầm tay xác định vị trí 50 điểm ngồi thực địa tương ứng với mật độ trung bình 10 điểm/mức xói mịn tương ứng để phục vụ cho q trình kiểm chứng kết xây dựng đồ xói mòn huyện Phong Điền Mỗi điểm GPS gán kèm thơng tin ngồi thực địa loại hình sử dụng đất, độ dốc, độ che phủ thực vật… Các điểm GPS xây dựng hệ tọa độ VN-2000, với kinh tuyến trục 1070 cho tỉnh Thừa Thiên Huế múi chiếu 30 - Phương pháp xử lý số liệu Trong trình nghiên cứu, đề tài sử dụng phần mềm Arcgis 10.3, Envi 4.5, Microsotf Excel 2013 để thống kê xử lý số liệu KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Xây dựng đồ hệ số xói mịn đất huyện Phong Điền 3.1.1 Bản đồ hệ số xói mịn mưa (R) Số liệu lượng mưa trạm Khí tượng thủy văn thành phố Huế, A Lưới, Nam Đông thể bảng Bảng Tổng hợp số liệu lượng mưa trung bình trạm giai đoạn 2000 – 2020 Đơn vị: mm Trạm Tp Huế A Lưới Nam Đông Tháng Cả năm 10 11 12 53,1 91,0 200,6 11,5 333,9 90,3 18,7 234,6 60,7 550,4 320,3 534,5 2499,6 99,1 68,0 28,3 352,9 285,7 324,5 188,2 288,3 213,1 1259,7 817,4 464,5 3727,5 128,7 50,7 88,3 117,7 223,2 159,6 163,2 328,6 566,2 1061,0 882,5 331,9 4099,7 (Nguồn: Trạm Khí tượng thủy văn Tp Huế, Nam Đông, A Lưới năm 2020) Từ kết bảng 1, đồ hệ số R khu vực thể hình Hình Bản đồ hệ số xói mịn mưa (R) Qua hình 2, cho thấy: Bản đồ hệ số R khu vực nghiên cứu có giá trị tăng dần từ phía Đơng Bắc theo phía Tây Nam Lượng mưa trung bình năm có giá trị 2.000 mm khu vực phía Tây Nam huyện tương ứng vị trí xã Phong Xuân với diện tích 11.408,37 chiếm 12,03% tổng diện tích tự nhiên huyện Phong Điền TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ - 2021 61 Quản lý Tài nguyên rừng & Mơi trường 3.1.2 Bản đồ hệ số xói mịn đất (K) Trên sở công thức Wischmeier Smith (1978) để xác định hệ số xói mịn đất (K) Tiến hành gán hệ số K theo loại TT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 đất cụ thể theo đồ thổ nhưỡng thu thập, kết xây dựng đồ hệ số K bảng tổng hợp diện tích theo hệ số K huyện Phong Điền Bảng Tổng hợp diện tích loại đất hệ số K Ký hiệu Tên loại đất Hệ số K loại đất Đất đỏ vàng đá sét biến chất Hj 0,24 Đất phù sa ngòi suối Py 0,32 Đất mùn vàng đỏ đá macma axit Ha 0,24 Đất xám đá macma axit Xa 0,23 Đất phèn hoạt động sâu, mặn trung bình Sj2M 0,33 Đất cát biển C 0,14 Cồn cát trắng Cc 0,13 Đất phù sa glây Pg 0,31 Đất phù sa phủ cát biển P/C 0,12 Đất phù sa có tầng loang lổ đỏ vàng Pf 0,31 Đất phù sa bồi hàng năm Pb 0,32 Đất đỏ vàng đá phiến sét Fs 0,23 Đất vàng nhạt đá cát Fq 0,23 Đất đỏ vàng đá sét biến chất Fj 0,24 Đất vàng nhạt đá cát E 0,27 Đất thung lũng sản phẩm dốc tụ D 0,33 Đất phù sa không bồi P 0,3 Đất không nghiên cứu Tổng Diện tích Tỷ lệ (%) (ha) 1.311,94 1,38 120,93 0,13 1.212,50 1,28 136,75 0,14 720,92 0,76 1.416,35 1,49 9.626,57 10,15 2.651,28 2,80 1.765,46 1,86 560,58 0,59 597,56 0,63 23.063,07 24,32 37.818,64 39,88 3.445,34 3,63 230,46 0,24 484,24 0,51 1.925,69 2,03 7.714,23 8,18 94.822,80 100,00 Hình Bản đồ hệ số xói mịn đất (K) 62 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ - 2021 Quản lý Tài nguyên rừng & Môi trường Qua bảng hình 3, cho thấy: Đất đỏ vàng đá phiến sét đất vàng nhạt đá cát hai loại đất chiếm tỷ lệ lớn huyện Phong Điền với tỷ lệ 24,32% 39,88% tổng diện tích tự nhiên Hệ số K khu vực có giá trị thay đổi từ 0,13 – 0,33 chiếm tỷ lệ lớn (89,98%) so với tổng diện tích tự nhiên Hệ số K có giá trị lớn (0,23 – 0,33) tập trung chủ yếu khu vực miền núi xã Phong Mỹ, xã Phong Hình Bản đồ hệ số xói mịn địa hình (LS) 3.1.4 Bản đồ hệ số che phủ đất (C) Qua hình cho thấy hệ số C khu vực có giá trị từ – 0,11 chiếm phần lớn diện tích huyện Phong Điền tương ứng với 41,33% tổng diện tích tự nhiên huyện, lớp phủ bề mặt chủ yếu loại rừng tự nhiên có trữ lượng khác Các khu vực có hệ số C lớn 0,11 phân bố chủ yếu xã phía Đơng Bắc chiếm 58,67% tổng diện tích tự nhiên huyện với loại hình sử dụng đất chủ yếu đất mặt nước, đất nông nghiệp, Xuân, xã Phong Sơn, huyện Phong Điền 3.1.3 Bản đồ hệ số xói mịn địa hình (LS) Kết nghiên cứu thể qua hình cho thấy: Hệ số LS có giá trị từ – 0,2 chiếm tỷ lệ lớn với 76% tổng diện tích tự nhiên huyện Phong Điền nằm rải rác địa bàn, giá trị lớn 1,5 có diện tích 9.931,15 chiếm 10,47% tổng diện tích tự nhiên Hình Bản đồ hệ số che phủ đất (C) đất trống, đất ở… 3.1.5 Bản đồ hệ số canh tác, bảo vệ đất (P) Bản đồ hệ số P nghiên cứu xây dựng dựa vào đồ độ dốc huyện gán giá trị hệ số P từ nghiên cứu trước Nguyễn Trọng Hà (1996) từ sử dụng phần mềm ArcGIS 10.3 tính tốn giá trị tương ứng theo độ dốc địa bàn huyện Phong Điền Kết xây dựng đồ hệ số P hình TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ - 2021 63 Quản lý Tài ngun rừng & Mơi trường Hình Bản đồ hệ số canh tác, bảo vệ đất (P) 3.2 Xây dựng đồ xói mịn đất huyện Phong Điền, tỉnh Thừa Thiên Huế Từ đồ chuyển đề hệ số R, K, LS, C, P xây dựng đồ xói mịn huyện Phong Điền hình Hình Bản đồ xói mịn đất huyện Phong Điền 64 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ - 2021 Quản lý Tài nguyên rừng & Môi trường Phân cấp I II III IV V Bảng Tổng hợp phân cấp xói mịn đất huyện Phong Điền Diện tích Tỷ lệ Mức độ xói mịn Tấn/ha/năm (ha) (%) 0–1 70.068,10 73,89 Khơng bị xói mịn 1–5 7.247,30 7,64 Xói mịn nhẹ – 10 4.063,30 4,29 Xói mịn trung bình 10 – 50 6.713,10 7,08 Xói mịn mạnh > 50 6.731,00 7,10 Xói mịn mạnh Tổng 94.822,80 100 Qua hình bảng 3, thấy: + Cấp I: Từ đến tấn/ha/năm chiếm 73,89% tỉ lệ không xói mịn trạng địa bàn huyện tính đến năm 2020 tập trung chủ yếu đồng thấp xã Điền Mơn, Điền Hương, Điền Hịa, Phong Hải… có độ dốc thấp (00 - 50) nên khơng gây xói mịn + Cấp II: Xói mịn từ đến tấn/ha/năm chiếm diện tích nhỏ khoảng 7,64% tổng diện tích tự nhiên địa bàn xếp vào nhóm xói mịn nhẹ Các khu vực có diện tích xói mịn nhẹ tập trung chủ yếu xã Phong Chương, Phong Hòa, Phong Hiền + Cấp III: Cấp độ xói mịn từ đến 10 tấn/ha/năm xếp vào xói mịn trung bình tập trung chủ yếu chân đồi thấp nằm rải rác địa bàn huyện chiếm tỷ lệ 4,26% tổng diện tích đất xói mịn huyện Phong Điền STT + Cấp IV: Từ 10 đến 50 tấn/ha/năm đất chiếm tỉ lệ khoảng 7,08% xếp vào cấp xói mịn mạnh, tập trung vùng phía Tây huyện xã Phong Mỹ, Phong Xuân phần xã Phong Sơn nơi có nhiều sơng độ dốc từ 100 trở lên + Cấp V: Từ 50 tấn/ha/năm trở lên chiếm 7,1% diện tích đất huyện tập trung chủ yếu khu vực đồi núi phía Tây xã Phong Mỹ, Phong Xuân giáp biên giới, khu vực đất bỏ hoang nhiều trồng số loại khơng có khả giữ đất 3.3 Kiểm chứng kết xây dựng đồ xói mịn huyện Phong Điền Kết kiểm chứng cấp xói mịn đồ xây dựng với điểm GPS thu thập thực tế thể bảng Bảng Kiểm chứng kết xây dựng đồ xói mịn Thơng tin điểm GPS thực tế Cấp xói mịn vị trí Loại hình Độ che phủ đồ Độ dốc sử dụng đất (%) Khơng bị xói mịn Đất trồng lúa, Đất 50 00 - 30 Đất trồng lúa, Đất Xói mịn nhẹ trồng hàng năm, 40 30 – 80 rừng trồng Đất trống Xói mịn trung bình - 10 80 - 150 Xói mịn mạnh Đất trống - 10 80 - 150 Đất trống Xói mịn mạnh - 10 150 - 200 Tổng Qua bảng cho thấy: Các khu vực có mức độ xói mịn trung bình, mạnh mạnh có vị trí khu vực có độ dốc lớn độ che phủ mức độ trung bình, loại hình sử dụng đất chủ yếu đất trống đất có trồng số loại khơng giữ đất Các vị trí có mức độ khơng xịi mịn xói mịn nhẹ tập trung khu vực sản xuất nông nghiệp Số lượng điểm điều tra 15 10 10 10 50 trồng lúa có độ dốc không lớn (0 – 30) KẾT LUẬN Nghiên cứu xây dựng đồ hệ số K, R, LS, C, P xây dựng đồ xói mịn đất huyện Phong Điền theo TCVN 5299:2009 Kết xây dựng đồ xói mịn cho thấy tỷ lệ khơng bị xói mịn tương ứng với cấp độ I 70.068,10 chiếm 73,89%, tỷ lệ xói mịn TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ - 2021 65 Quản lý Tài nguyên rừng & Môi trường nhẹ (cấp II) 7.247,30 chiếm 7,64%, tỷ lệ xói mịn trung bình (cấp III) 4.063,30 chiếm 4,29%, tỷ lệ xói mịn mạnh (cấp IV) 6.713,10 chiếm 7,08% tỷ lệ xói mịn mạnh (cấp V) 6.731,00 chiếm 7,1% Như thấy tỷ lệ xói mịn mạnh mạnh có diện tích tương đối lớn so với tổng diện tích huyện Phong Điền Kết kiểm chứng ngồi thực tế cho thấy đồ xói mịn xây dựng đảm bảo độ tin cậy cao phù hợp với thực tế, phản ảnh thực trạng xói mòn đất huyện Phong Điền, tỉnh Thừa Thiên Huế TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Trọng Hà (1996), Xác định yếu tố gây xói mịn khả dự báo xói mịn đất dốc, Luận án PTS KH-KT, Trường Ðại học Thủy lợi, Hà Nội Phòng Tài nguyên Môi trường huyện Phong Điền (2020), Báo cáo tổng kết tình hình lĩnh vực Tài ngun, mơi trường năm 2020 huyện Phong Điền Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 5299:2009, Chất lượng đất – phương pháp xác định mức độ xói mịn đất mưa Trạm khí tượng thủy văn thành phố Huế, Nam Đơng, A Lưới (2020), Tổng hợp số liệu thủy văn giai đoạn 2000 - 2020 Wischmeier w H and Smith D D (1978) Predicting ramfall Erosion lossesa guide to conservation planning, Agriculture Handbook No 537 APPLICATION OF UNIVERSAL SOIL LOSS EQUATION AND GIS TO BUILD LAND EROSION MAP IN PHONG DIEN DISTRICT, THUA THIEN HUE PROVINCE Nguyen Van Binh1, Nguyen Dinh Tien1, Hoang Phuong Anh2 University of Agriculture and Forestry, Hue University Ha Noi University of Natural Resources and Environment SUMMARY The objective of the paper is to build a soil erosion map in Phong Dien district, Thua Thien Hue province The study integrated the Universal Land Loss Equation (USLE) and GIS technology in mapping erosion Research results have built erosion coefficients in Phong Dien district: Rain erosion coefficient (R); Soil erosion coefficient (K); Topographic erosion coefficient (LS); Coefficient of land cover (C); Coefficient of cultivation and soil protection (P) The coefficient maps are calculated from different data sources such as meteorological data, soil map, topographic map, Landsat satellite image From the above erosion coefficient maps, the erosion map has been built and the results show that: The rate of no erosion corresponding to level I is 70,068.10 ha, accounting for 73.89%, the rate of erosion light erosion (grade II) is 7,247.30 ha, accounting for 7.64%, the average rate of erosion (grade III) is 4,063.30 ha, accounting for 4.29%, the rate of strong erosion (grade IV) is 6,713.10 accounts for 7.08% and the erosion rate is very strong (grade V) is 6,731.00 ha, accounting for 7.1% Keywords: erosion map, GIS, Phong Dien, USLE Ngày nhận Ngày phản biện Ngày định đăng 66 : 16/8/2021 : 13/9/2021 : 27/9/2021 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ - 2021 ... (P) 3.2 Xây dựng đồ xói mịn đất huyện Phong Điền, tỉnh Thừa Thiên Huế Từ đồ chuyển đề hệ số R, K, LS, C, P xây dựng đồ xói mịn huyện Phong Điền hình Hình Bản đồ xói mịn đất huyện Phong Điền 64 TẠP... độ, P = 0,9 - Phương pháp sử dụng GIS để chồng xếp đồ Bản đồ xói mòn đất huyện Phong Điền (hiện trạng) xây dựng cách chồng xếp lớp đồ xây dựng phần mềm ArcGIS 10.3 dựa vào quy trình chi tiết... Tây xã Phong Mỹ, Phong Xuân giáp biên giới, khu vực đất bỏ hoang nhiều trồng số loại khả giữ đất 3.3 Kiểm chứng kết xây dựng đồ xói mịn huyện Phong Điền Kết kiểm chứng cấp xói mịn đồ xây dựng với