Đặc điểm chế độ dòng chảy và chất lượng nước của lưu vực rừng trồng tại núi Luốt, Xuân Mai, Hà Nội

Bài viết Đặc điểm chế độ dòng chảy và chất lượng nước của lưu vực rừng trồng tại núi Luốt, Xuân Mai, Hà Nội nghiên cứu đặc điểm chế độ dòng chảy và chất lượng nước của lưu vực trong khu vực này. Các kết quả nghiên cứu được nêu tóm tắt trong bài báo này. Kết quả này cung cấp cơ sở khoa học quan trọng nhằm nâng cao chức năng phòng hộ của rừng trồng ở Việt Nam.

Quản lý tài nguyên rừng & Môi trường ĐẶC ĐIỂM CHẾ ĐỘ DÒNG CHẢY VÀ CHẤT LƯỢNG NƯỚC CỦA LƯU VỰC RỪNG TRỒNG TẠI NÚI LUỐT, XUÂN MAI, HÀ NỘI Bùi Xuân Dũng1, Phí Thị Hải Ninh2, Kiều Thị Dương3, Lê Thái Sơn4 TS Trường Đại học Lâm nghiệp ThS Trường Đại học Lâm nghiệp KS Trường Đại học Lâm nghiệp 2,3 TĨM TẮT Rừng đóng vai trị quan trọng việc điều tiết dòng chảy bảo vệ nguồn nước Tuy nhiên, nghiên cứu đặc điểm dòng chảy khả bảo vệ nguồn nước kiểu rừng trồng nước ta hạn chế Nhằm góp phần tìm quy luật dịng chảy chất lượng nước lưu vực rừng trồng, nhóm tác giả tiến hành quan sát đặc điểm dòng chảy chất lượng nước cho lưu vực rừng trồng đầu nguồn núi Luốt, Xuân Mai, Hà Nội giai đoạn 1: từ 9/2011 đến 6/2012 để đánh giá chế độ dòng chảy giai đoạn 2: từ 6/2014 đến 9/2014 nhằm đánh giá chế độ dòng chảy chất lượng nước lưu vực Phương pháp phân chia biểu đồ thủy văn sử dụng nhằm tìm quy luật đường dòng chảy, phương pháp phân tích thống kê sử dụng nhằm tìm đặc trưng dịng chảy chất lượng nước lưu vực Kết nghiên cứu rằng: (1) Dòng chảy phản ứng tương đối nhanh so với mưa, lượng mưa lớn dịng chảy sau đạt giá trị lớn nhất; (2) Hệ số dòng chảy lưu vực cho trận mưa tương đối lớn, trung bình 74%; (3) Dịng chảy ưu lưu vực rừng trồng dòng chảy từ đất (chiếm 55%), dòng chảy bề mặt đất chiếm 45% tổng dòng chảy lưu vực; (4) Chất lượng nước từ lưu vực rừng trồng tương đối tốt Các tiêu pH, SS, DO, Cl-, NO2-, SO42- nằm tiêu chuẩn cho phép Từ khóa: Chất lượng nước, dòng chảy lưu vực, dòng chảy mặt, dòng chảy đất, lưu vực rừng trồng, phân chia biểu đồ thủy văn I ĐẶT VẤN ĐỀ Nước dạng tài nguyên quan trọng cần thiết cho tồn phát triển hệ sinh thái người hai khu vực có rừng khơng có rừng (FAO, 2005) Trong đó, trữ lượng chất lượng nước giới ngày bị đe dọa việc khai thác bừa bãi, sử dụng mức ô nhiễm (Marzocchi et al., 2009) Vì vậy, việc bảo vệ nguồn nước đặt cấp thiết nhằm bảo tồn sống trái đất Rừng có mối quan hệ chặt chẽ với nguồn tài nguyên nước rừng trì chất lượng nước thơng qua ổn định đất, giảm thiểu xói mịn, bẫy trầm tích chất gây ô nhiễm từ vùng đất dốc (FAO, 2005) Rừng ảnh hưởng đến trữ lượng nước có sẵn việc giữ lại lượng nước mưa tán, bốc ẩm từ bề mặt thực vật, trì độ ẩm đất, thu nước sương mù trì tốc độ thấm đất Rừng đồng thời ảnh hưởng đến thời gian vận chuyển nước cách trì cải thiện độ thấm khả tích lũy nước đất (Bosch Hewlett, 1982) Do đó, quản lý tài nguyên rừng có mối liên quan chặt chẽ đến quản lý tài nguyên nước bảo tồn đất thông qua việc thay đổi số lượng, thời gian nước chảy mặt xói mịn đất (FAO, 2005) Trong số loại rừng khác nhau, rừng trồng rừng thứ sinh chiếm đa số rừng giới Khoảng 3,2 triệu tương đương với 24 % diện tích rừng Việt Nam rừng trồng (Bộ Nông Nghiệp Phát triển nơng thơn, 2012) Diện tích rừng trồng có xu hướng tăng lên hàng năm (Bộ Nơng Nghiệp Phát triển nông thôn, 2012) Rừng trồng Việt Nam trồng khơng sử dụng cho mục đích thương mại mà phục vụ cho chức phòng hộ đầu nguồn Bởi rừng có chức bảo vệ đất chống xói mịn, điều tiết dịng chảy trì chất lượng nước Mặc dù chức TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 2-2015 49 Quản lý tài nguyên rừng & Môi trường thừa nhận rộng rãi giới Việt Nam, nhiên thiếu hụt sở liệu phản ánh mối quan hệ rừng trồng với chế độ dòng chảy chất lượng nước Việt nam trở ngại lớn vấn đề xây dựng mơ hình rừng trồng phù hợp nhằm đem lại hiệu môi trường tốt mưa khác Số liệu thu thập phân tích đánh giá nhằm tìm đặc điểm chế độ mưa đánh giá phản ứng dòng chảy theo trận mưa khác khu vực nghiên cứu Số liệu mưa đo theo phương pháp tự động 15 trận mưa khác Rừng trồng Núi Luốt trường Đại học Lâm nghiệp hình thành từ năm 1984 trở thành hệ sinh thái rừng phong phú chủng loại, có giá trị có ý nghĩa thực tiễn phục vụ cơng tác nghiên cứu đào tạo nhà trường Bên cạnh đó, hệ sinh thái rừng trồng cịn có vai trò quan trọng việc điều tiết dòng chảy cải thiện chất lượng nước cho khu vực Nhằm góp phần làm sáng tỏ vấn đề này, tiến hành nghiên cứu đặc điểm chế độ dòng chảy chất lượng nước lưu vực khu vực Các kết nghiên cứu nêu tóm tắt báo Kết cung cấp sở khoa học quan trọng nhằm nâng cao chức phòng hộ rừng trồng Việt Nam Các tiêu dùng để đánh giá chế độ dòng chảy lưu vực bao gồm dòng chảy lớn nhất, dòng chảy nhỏ nhất, phản hồi dòng chảy với trận mưa, q trình dịng chảy dịng chảy mặt dòng chảy đất II PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng nghiên cứu Đặc điểm chế độ dịng chảy chất lượng nước thơng qua việc đánh giá số tiêu: SS, pH, DO, Cl-, SO42- NO2- lưu vực rừng trồng núi Luốt, trường Đại học Lâm Nghiệp 2.2 Phương pháp nghiên cứu 2.2.1 Nghiên cứu đặc điểm chế độ mưa Lượng mưa thu thập lều khí tượng thủy văn rừng trường Đại học Lâm Nghiệp Số liệu thu thập gồm lượng mưa hàng từ năm 1997 đến năm 2013 Ngồi ra, số liệu mưa cịn điều tra bổ sung thời điểm khác thiết bị đo mưa tự động (tipping bucket rain gauge) cho trận mưa với thời gian đo phút lần cho trận 50 2.2.2 Nghiên cứu đặc điểm chế độ dòng chảy Số liệu dòng chảy lưu vực xác định thơng qua máng đo dịng chảy thiết bị đo mực nước độ cao mực nước tự động Mực nước dòng chảy lưu giữ tự động phút lần ghi Dựa vào mực nước dịng chảy chúng tơi xác định sản lượng dòng chảy lưu vực cho trận mưa, cho tháng cho năm Thời gian quan trắc thực làm giai đoạn: giai đoạn 1: từ 9/2011 đến 6/2012, giai đoạn 2: tiến hành từ 6/2014 đến 9/2014 Dòng chảy lưu vực đo máng tôn thiết bị đo mực nước tự động (water level logger) (Hình 01) Theo cách này, tồn dịng chảy lưu vực chảy qua máng tôn Mực nước máng tôn tự động ghi lại phút lần Dựa vào mực nước đó, tính lưu lượng dịng chảy cho lưu vực thơng qua phương trình thực nghiệm Số liệu thu thập sau dùng để xác định đường dịng chảy thơng qua việc phân chia thành thành phần dòng chảy dòng chảy nhanh dòng chảy chậm phương pháp phân chia biểu đồ thủy văn Hewlett and Hibbert (1967) Ở đây, dòng chảy nhanh chủ yếu đóng góp dịng chảy bề mặt, dịng chảy chậm hình thành chủ yếu dịng chảy đất TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 2-2015 Quản lý tài ngun rừng & Mơi trường Dịng chảy lưu vực (mm) (Hewlett and Hibbert, 1967) Trận mưa Đường phân chia Y  a * Time  b Dòng chảy nhanh Dịng chảy chậm Thời gian (T- phút) Hình 01 Máng tơn dùng để đo dịng chảy chất lượng nước lưu vực Theo phương pháp Hewlett and Hibbert (1967), đường phân chia thủy văn có dạng: y = a.Time + b Trong đó: a số Tùy theo khoảng thời gian sử dụng (phút, giờ, ngày) để phân chia mà có số a tương ứng Với trường hợp sử dụng phút để phân chia, số a=1.32x10-5; b giá trị dòng chảy trước điểm phân chia Time thời gian phân chia (trong nghiên cứu phút) Phương pháp nghiên cứu mô tả cụ thể biểu đồ 01 Biểu đồ 01 Biều đồ mô tả phương pháp phân chia thành phần dòng chảy + Lượng oxy hòa tan nước (DO), nồng độ Chloride, nitritae and sulfate: lượng xy hịa tan nước xác định dựa vào thiết bị đo nhanh (Test kit model FF-1A) cho thời điểm khác trận mưa (Hình 02); 2.2.3 Nghiên cứu đặc điểm chất lượng nước lưu vực Các tiêu vật lý tiêu hóa học sử dụng để đánh giá đặc điểm chất lượng nước lưu vực bao gồm pH, hàm lượng sulfate, hàm lượng Nitrite, Chlorine, chất rắn lơ lửng lượng oxy hòa tan (DO) Các mẫu nước thu thập cho số trận mưa diễn khu vực nghiên cứu Phương pháp thu thập cụ thể trình bày sau: + Phương pháp đo pH: pH đo giấy quỳ so với bảng màu + Chất lơ lửng (Suspend sediment -SS): mẫu nước lấy trận mưa khác mang phòng sử dụng giấy lọc máy sấy để xác định lượng chất rắn lơ lửng; Hình 02 Bộ thiết bị kiểm tra nhanh chất lượng nước khu vực nghiên cứu Tổng số mẫu xác định lấy phân tích tiêu nước 50 mẫu cho trận mưa khác thực địa III KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1 Đặc điểm chế độ mưa khu vực nghiên cứu Khu vực nghiên cứu thuộc tiểu vùng khí hậu miền Bắc Việt Nam, hàng năm có mùa rõ rệt: mùa mưa thường tháng đến tháng 10, mùa khô tháng 11 đến tháng năm sau TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 2-2015 51 Quản lý tài nguyên rừng & Môi trường Số liệu quan trắc mưa 14 năm liên tục từ năm 1995 tới năm 2008 trạm quan trắc khí tượng Trường Đại học Lâm nghiệp tổng hợp biểu đồ 03 Dựa vào số liệu cho biết, khu vực nghiên cứu lượng mưa bình quân hàng năm 1700 mm/năm Năm có lượng mưa lớn 1996 với lượng mưa lên tới 2300 mm/năm, năm có lượng mưa nhỏ năm 1995 với 1300 mm/năm 350 Lương mưa (mm/tháng) 300 250 200 150 100 50 Tháng 10 11 12 Biểu đồ 02 Đặc điểm lượng mưa hàng tháng lưu vực Tháng có lượng mưa lớn tháng 7, trung bình 304 mm/tháng (dao động từ 115 tới 578 mm/năm) Tháng có lượng mưa nhỏ tháng với lượng mưa trung bình 14 mm/tháng (biên độ dao động từ 0-45 mm/tháng) Các tháng mùa mưa từ tháng tới tháng 10 chiếm 89% tổng lượng mưa hàng năm khu vực (Biểu đồ 02) Vì việc nghiên cứu chế độ dòng chảy chất lượng nước thực tháng cần thiết 3.2 Đặc điểm chế độ dòng chảy khu vực nghiên cứu 3.2.1 Phản ứng dòng chảy trận mưa Dòng chảy hàng ngày lưu vực phản ứng nhanh với lượng mưa (Biểu đồ 03) Khi lượng mưa hàng ngày tăng dịng dịng chảy lưu vực tăng Khi mưa kết thúc dòng chảy nhanh chóng suy giảm mà khơng hình thành đỉnh lũ Thời gian trễ (khoảng thời gian tính từ lúc mưa lớn đến dòng chảy lớn nhất) tương đối nhỏ hầu hết trận mưa Tuy nhiên đỉnh lũ có xu hướng lớn số mưa hai ngày mưa trước (API2) lớn ngược lại (Biểu đồ 04) Điều giải thích số mưa hai ngày trước nhỏ làm đất khơ (lượng nước đất ít), mưa xuống nước có xu hướng thấm nhiều xuống đất tạo dòng chảy mặt 20 40 Đỉnh lũ (mm/ phút) 60 80 Dòng chảy hàng ngày (mm) Daily runoff (mm) 100 50 40 Peak flow (mm 5min -1) Lượng mưa ngày (mm) Dailyhàng rainfall (mm) 0.2 0.15 53.6mm 54.8mm 0.1 39mm 30 0.05 29.6mm 20 10 18mm 0 2011 2012 Biểu đồ 03 Phản ứng dòng chảy lưu vực với lượng mưa 52 16.2mm 10 15 20 API2 (mm) Biểu đồ 04 Xu hướng quan hệ đỉnh lũ số mưa trước ngày (API2) TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 2-2015 Quản lý tài nguyên rừng & Mơi trường lưu vực quy mơ nhỏ, dịng chảy theo mùa hầu hết lượng mưa chuyển thành dòng chảy lưu vực 3.2.2 Đặc điểm thành phần dịng chảy Kết phân tích 15 trận mưa (Biểu đồ 05) cho thấy, với trận mưa lớn tương ứng có dịng chảy lớn Cụ thể trận mưa lớn lên đến 400 mm, trận mưa nhỏ 14 mm (Biều đồ 05a) Dòng chảy lưu vực tương ứng 346 mm 0,02 mm (Biểu đồ 05b) Hệ số dòng chảy lưu vực (dòng chảy lưu vực chia cho lượng mưa) dao động từ 0.1 đến 97% (Biểu đồ 05c) Điều Dịng chảy lưu vực có quan hệ chặt so với lượng mưa (Biểu đồ 06) theo hàm tuyến tính Khi lượng mưa tăng dịng chảy lưu vực đồng thời tăng theo Phương trình quan hệ chúng thể qua dạng: y= 0,9319x – 6,174 Hệ số xác định phương trình: R2= 0,9904 (Biểu đồ 05) Dòng chảy lưu vực (mm) Lượng mưa (mm/trận) 100 200 300 400 (a) 400 (b) 300 200 100 Hệ số dòng chảy (%) 100 10 11 12 13 14 15 10 11 12 13 14 15 (c) 80 60 40 20 Trận mưa Biểu đồ 05 Đặc điểm mưa (a), dòng chảy lưu vực (b) hệ số dòng chảy lưu vực (c) theo trận mưa Dựa vào phương pháp phân tích phân chia biểu đồ thủy văn (Hewlett and Hibbert, 1967) cho 13 trận mưa khác nhau, kết phản ánh thành phần dòng chảy góp phần hình thành dịng chảy lưu vực dòng chảy chậm (Biểu đồ 07) Dòng chảy chậm chiếm từ 16 đến 100%, trung bình 55% dịng chảy lưu vực, dịng chảy nhanh dao động từ đến 84%, trung bình 45% dịng chảy lưu vực Kết thành phần dòng chảy lưu vực rừng đa số dòng chảy đất Điều đảm bảo cho vai trị điều tiết dịng chảy hạn chế xói mịn từ hệ sinh thái rừng Tuy nhiên, dòng chảy nhanh, thành phần đóng góp từ dịng chảy bề mặt đất, chiếm tỷ lệ tương đối lớn, đến 45% Điều phản ánh nguy xói mịn xảy hệ sinh thái rừng trồng nghiên cứu TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 2-2015 53 400 120 Dòng chảy nhanh y = 0.9319x - 6.174 R² = 0.9904 350 Thành phần dòng chảy (%) Dòng chảy lưu vực (mm/trận mưa) Quản lý tài nguyên rừng & Môi trường 300 250 200 150 100 50 80 60 40 20 0 100 200 300 400 500 Lượng mưa (mm/trận) 3.3 Đặc điểm chất lượng nước dòng chảy lưu vực 3.3.1 Chất lơ lửng (SS) 120 Lượng mưa (mm) Chất lơ lửng (mg/L) 96.86 400 100 350 78.24 300 80 63.34 250 Mưa 200 Chất lơ lửng 60 36.05 150 40 23.75 100 20 9.89 50 3.28 3.78 5.88 0 Trận mưa Biểu đồ 08 Đặc điểm chất lơ lửng mưa lưu vực nghiên cứu 400 350 120 Lưu lượng dòng chảy (mm) Chất lơ lửng (mg/L) 346.07 100 300 279.53 80 250 226.30 Dòng ch y 200 60 Chất lơ lửng 150 128.78 20 35.33 50 11.73 13.49 21.01 0 Trận mưa Biểu đồ 09 Đặc điểm dòng chảy chất lơ lưng 54 40 84.87 100 Trận mưa 10 11 12 13 TB 14 Biểu đồ 07 Thành phần dịng chảy đóng góp vào dịng chảy lưu vực Biểu đồ 06 Quan hệ lượng mưa dòng chảy lưu vực 450 Dòng chảy chậm 100 Kết quan sát trận mưa dòng dòng chảy khác cho thấy, lượng rắn lơ lửng dao động từ 3,27 mg/l tới 96,86 mg/l, trung bình đạt 35,67 mg/l Hàm lượng chất rắn lơ lửng có xu hướng gia tăng lượng mưa gia tăng (Biểu đồ 08) dòng chảy lưu vực gia tăng (Biểu đồ 09) Khi lượng mưa gia tăng, chất lơ lửng gia tăng Cụ thể trận mưa có lượng mưa lớn 399 mm tổng chất lơ lửng lớn đạt 97 mg/l (Biểu đồ 08) Tuy nhiên, tổng lượng chất lơ lửng tất trận mưa quan sát nằm ngưỡng cho phép so với tiêu chuẩn nước nuôi trồng thủy sản (100 mg/l) Hàm lượng chất rắn lơ lửng có quan hệ chặt với lượng mưa, điều thể qua phương trình: y = 0,2526x + 0,8228 với hệ số xác định R2 = 0,9948 (Biểu đồ 10) Trong quan hệ chất rắn lơ lửng dòng chảy lưu vực thể qua phương trình: y = 0,2799x - 10-14 Hệ số xác định R2 = (Biểu đồ 10) Kết phản ánh phụ thuộc chặt chẽ chất lơ lửng vào lượng mưa dịng chảy lưu vực Mơ hình tìm kiếm công cụ tốt để dự báo lượng chất rắn lơ lửng dựa vào lượng mưa dòng chảy lưu vực từ lưu vực rừng trồng TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 2-2015 Quản lý tài nguyên rừng & Môi trường 120 120 y = 0.2526x + 0.8228 R² = 0.9948 y = 0.2799x - 1E-14 R² = 100 Tổng chất lơ lửng (mg/l) Tổng chất lơ lửng (mg/l) 100 80 60 40 80 60 40 20 20 500 0 100 200 300 Lượng mưa (mm/trận mưa) 400 100 200 300 400 Dòng chảy lưu vực (mm/trận mưa) 500 Biểu đồ 10 Quan hệ chất lơ lửng với lượng mưa dòng chảy lưu vực bảo tiêu chuẩn chất lượng nước cho nuôi trồng thủy sản (DO yêu cầu  mg/L) Ngồi ra, hàm lượng oxy hịa tan nước có xu hướng lớn lượng mưa lớn (Biểu 11) 3.3.2 Lượng oxy hòa tan (DO-mg/l) Nồng độ oxy hòa tan dòng chảy lưu vực xác định trận mưa quan sát dao động từ 7,1 tới 7,9 mg/L, trung bình đạt 7,4 mg/L, đảm 450 400 350 Lượng mưa 7.8 DO(mg/L) 7.6 Lượng mưa (mm) 250 7.4 200 7.2 150 DO (mg/L) 300 100 6.8 50 6.6 Trận mưa Biểu đồ 11 Đặc điểm lượng oxy hòa tan dòng chảy lưu vực lượng mưa 3.3.3 pH Rainfall Trận mưa Lượng mưa (mm) mm/storm 50 100 150 200 Rainfall 250 300 350 400 450 pH pH QCVN 01:2009/BHYT QCVN 01:2009/BHYT 1 Trận mưa Storm event Biểu đồ 12 pH lượng mưa theo thời gian TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 2-2015 55 Quản lý tài nguyên rừng & Mơi trường Kết phân tích pH trận mưa khác cho thấy, giá trị pH lớn 7.5 giá trị thấp (Biểu 12) Tất giá trị pH trận mưa nằm ngưỡng cho phép nước dùng cho ăn uống (pH=6.5-8.5), tiêu chuẩn môi trường Việt nam Nếu dựa vào pH để đánh giá chất lượng nước lưu vực rừng nghiên cứu đảm bảo đáp ứng cho nhiều mục đích khác người 3.3.4 Chloride (Cl-), sulfate (SO42-) nitrite (NO2) Tất giá trị Chloride 37.5 mg/l nhỏ nhiều lần so với tiêu chuẩn cho phép (Bảng 01 02) Khơng có khác biệt Chloride có thay đổi lượng mưa Ngoài ra, tiêu sulfate and nitrite tất lần đo cho trận mưa khác nằm ngưỡng cho phép tiêu chuẩn nước cho nuôi trồng thủy sản khơng có biến động theo trận mưa Điều nước từ lưu vực rừng tốt sử dụng cho nhiều mục đích khác ăn uống, nuôi trồng thủy sản Bảng 01 Nồng độ chất chloride, sulfate nitrite dòng chảy Parameters SO4(mg/L)