Ứng dụng viễn thám và GIS đánh giá xói mòn đất khu vực Yên Châu tỉnh Sơn La

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ĐINH VĂN HÙNG ỨNG DỤNG VIỄN THÁM VÀ GIS ĐÁNH GIÁ XÓI MÒN ĐẤT KHU VỰC YÊN CHÂU TỈNH SƠN LA LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC HÀ NỘI 2009 2 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành được luận văn tốt nghiệp này, tác giả xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của Tiến sỹ Nguyễn Hiệu! Xin chân thành cảm ơn những tình cảm và sự giúp đỡ quí báu của các thày cô giáo trong Bộ môn Bản đồ - Viễn thám, các thày cô trong Khoa Địa lý và các thày cô đang công tác tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đã dành cho học viên trong quá trình học tập và nghiên cứu! Tác giả xin chân thành cảm ơn các bạn bè, đồng nghiệp đã tạo điều kiện giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu! Tác giả cũng xin tỏ lòng biết ơn đến những người thân trong gia đình đã dành những tình cảm và sự giúp đỡ to lớn, tạo điều kiện về mọi mặt để có thể hoàn thành luận văn này! Đinh Văn Hùng 3 MỤC LỤC CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU XÓI MÒN ĐẤT VÀ ỨNG DỤNG VIỄN THÁM VÀ GIS TRONG ĐÁNH GIÁ XÓI MÒN ĐẤT 8 CHƯƠNG 2. CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN XÓI MÒN ĐẤT KHU VỰC YÊN CHÂU TỈNH SƠN LA 26 CHƯƠNG 3. ỨNG DỤNG VIỄN THÁM VÀ GIS TRONG ĐÁNH GIÁ XÓI MÒN ĐẤT KHU VỰC YÊN CHÂU TỈNH SƠN LA 35 4 Danh mục các hình Hình 1. Mô hình của quá trình xói mòn đất do nước (sau Meyer và Wischmeier 1969) 14 Hình 2. Quy trình xây dựng mô hình số độ cao từ ảnh hàng không 18 Hình 3. Mô hình phân tích lưu vực sử dụng công cụ phân tích không gian của ArcGIS 23 Hình 4. Mô hình tính toán phương trình mất đất RUSLE của N-SPECT 24 Hình 5. Mô hình số địa hình khu vực Yên Châu 28 Hình 6. Phân loại độ dốc khu vực Yên Châu 29 Hình 7. Sơ đồ phân bố hệ thống sông suối khu vực Yên Châu 31 Hình 8. Mô hình số địa hình khu vực Yên Châu 40 Hình 9. Sơ đồ ảnh vệ tinh SPOT 5 khu vực Yên Châu 43 Hình 10. Bản đồ đất khu vực Yên Châu 46 Hình 11. Quy trình tính toán hệ số R 50 Hình 12. Quy trình tính toán hệ số LS 52 Hình 13. Quy trình đánh giá xói mòn đất theo mô hình MUSLE 53 Danh mục các bảng 5 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài Dưới những tác động của các nhân tố tự nhiên và hoạt động khai thác của con người, đất đai đang ngày càng bị thoái hóa và biến đổi một cách nhanh chóng. Sự tác động tiêu cực của các nhân tố tự nhiên, sự biến đổi của khí hậu toàn cầu đang hàng ngày làm cho lớp đất mặt bị biến đổi, giảm sút về chất lượng, đặc biệt là tình trạng xói mòn, thoái hoá đất trên các vùng đất dốc. Yên Châu là một huyện miền núi, biên giới của tỉnh Sơn La, nằm dọc trục quốc lộ 6, trung tâm huyện lỵ cách thị xã Sơn La 64 km, có 47 km đường biên giới với nước CHDCND Lào. Tổng diện tích tự nhiên 857,75 km 2 ; dân số trung bình năm 2006 là 64,2 nghìn người, mật độ dân số 74,8 người/km2. Điều kiện tự nhiên phong phú thuận lợi cho việc phát triển sản xuất nông nghiệp đa dạng. cùng với đó là các hoạt động canh tác trên nền đất dốc dẫn đến nguy cơ xói mòn và bạc màu đất rất cao. Là một huyện đang có nhiều chuyển dịch về cơ cấu kinh tế xã hội do tiếp nhận dự án tái định cư thủy điện Sơn La, đặt ra những vấn đề cấp thiết trong khai thác và bảo vệ tài nguyên đất trong phát triển kinh tế xã hội. Cho đến thời điểm hiện tại, đã có một số công trình nghiên cứu phục vụ cho phát triển kinh tế xã hội của huyện Yên Châu nói riêng và tỉnh Sơn La nói chung. Tuy nhiên, chưa có đề tài nào tiến hành đánh giá xói mòn đất trên cơ sở sử dụng công nghệ Viễn thám và GIS một cách chi tiết cho khu vực này. Công nghệ viễn thám và GIS ngày càng nâng cao khả năng thu thập, xử lý và phân tích không gian. Trong đó, các bài toán hỗ trợ cho đánh giá xói mòn đất như: xử lý ảnh số, mô hình hóa địa hình, chồng ghép phân tích dữ liệu, v.v… được tiến hành một cách hiệu quả và khách quan. Trên thế giới, việc nghiên cứu đánh giá xói mòn đất sử dụng công nghệ viễn thám và GIS được quan tâm tại nhiều quốc gia, đặc biệt là tại các khu vực có nguy cơ xói mòn cao. Xuất phát từ những lý do trên, học viên đã chọn đề tài: “Ứng dụng Viễn thám và GIS đánh giá xói mòn đất khu vực Yên Châu tỉnh Sơn La” cho luận văn Thạc sỹ chuyên ngành, nhằm góp phần nghiên cứu khả năng 6 Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu ứng dụng viễn thám và GIS đánh giá xói mòn đất của khu vực Yên Châu, tỉnh Sơn La làm cơ sở cho công tác lập quy hoạch sử dụng đất và phát triển kinh tế xã hội (KT-XH). Nhiệm vụ nghiên cứu Để thực hiện các mục tiêu trên, tác giả sẽ thực hiện các nhiệm vụ sau: • Nghiên cứu tổng quan xói mòn đất trên thế giới và tại Việt Nam • Nghiên cứu phương pháp ứng dụng viễn thám và GIS trong đánh giá xói mòn đất • Nghiên cứu các nhân tố ảnh hưởng đến xói mòn đất khu vực Yên Châu • Nghiên cứu cơ sở dữ liệu và quy trình đánh giá xói mòn đất bằng viễn thám và GIS • Xác định các chỉ số xói mòn đất khu vực Yên Châu • Thành lập bản đồ chỉ số xói mòn đất khu vực Yên Châu • Phân vùng nguy cơ xói mòn đất và đề xuất một sô giải pháp giảm thiểu Giới hạn phạm vi nghiên cứu Về không gian nghiên cứu: khu vực yên Châu tỉnh Sơn La theo ranh giới hành chính huyện Yên Châu. Về đối tượng nghiên cứu: nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến xói mòn đất do mưa tại khu vực Yên Châu. Về phương pháp nghiên cứu: ứng dụng viễn thám và hệ thông tin địa lý trong đánh giá xói mòn. Kết quả sẽ là tập hợp các bản đồ chỉ số xói mòn. 7 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU XÓI MÒN ĐẤT VÀ ỨNG DỤNG VIỄN THÁM VÀ GIS TRONG ĐÁNH GIÁ XÓI MÒN ĐẤT 1.1. Tổng quan về nghiên cứu xói mòn 1.1.1 . Một số quan niệm về xói mòn Theo từ điển bách khoa toàn thư về khoa học đất, xói mòn xuất phát từ tiếng Latin là “erodere” chỉ sự ăn mòn dần. thuật ngữ xói mòn dùng để chỉ các quá trình liên quan đến các lớp đất, đá tơi ra và bị mang đi bởi các tác nhân như gió, nước, băng, tuyết tan hoặc hoạt động của sinh vật. Có nhiều quan niệm về xói mòn khác nhau. Theo các tác giả nước ngoài, xói mòn đất là những hiện tượng phá hủy và cuốn trôi theo đất cũng như quặng xốp bằng dòng nước và gió thể hiện dưới nhiều hình thức và rất phổ biến (L.I Paraxôlốp, 19xx). Xói mòn đất còn được xem là sự chuyển dời vật lý của lớp đất do nhiều tác nhân khác nhau như lực đập của giọt nước, gió, tuyết và bao gồm cả quá trình sạt lở do trọng lực (Hudson,1968). R.P.C Morgan cũng cho rằng xói mòn đất là một quá trình gồm hai pha bao gồm sự tách rời của các phần tử nhỏ từ mặt đất sau đó vận chuyển chúng dưới các tác nhân gây xói như nước chảy và gió. Khi năng lượng không còn đủ để vận chuyển các phần tử này, pha tứ ba – quá trình bồi lắng – sẽ xảy ra (R.P.C Morgan, 2005). Cũng dựa trên yếu tố trọng lực, có quan niệm cho rằng quá trình xói mòn, trượt lở, bồi lấp thực chất là quá trình phân bố lại vật chất dưới ảnh hưởng của trọng lực, xảy ra khắp nơi và bị chi phối bởi yếu tố địa hình (Cao Đăng Dư,19xx). Theo một trong những cách tiếp cận khác khi nghiên cứu về lớp phủ thực vật thì xói mòn là một quá trình động lực phá hủy độ màu mỡ của đất, làm mất trạng thái cân bằng của cả vùng bị xói mòn lẫn vùng bị bồi tụ (Nguyễn Quang Mỹ, Nguyễn Tứ Dần, 1986). 8 Như vậy, cói mòn đất được xem xét trên quan điểm là một quá trình động lực, bao gồm sự phá hủy các lớp đất đá, mùn và vận chuyển chúng đi xa dưới tác động của các nhân tố gây xói như gió, nước, băng, tuyết tan hoặc hoạt động của sinh vật bao gồm cả các yếu tố nhân sinh. 1.1.2 . Tổng quan về phân loại xói mòn đất Dựa vào các tác nhân gây xói mòn, có thể chia xói mòn thành các dạng sau: • Xói mòn do gió: là hoạt động diễn ra phổ biến nhất tại những vùng có khí hậu khô cằn, kết quả dẫn đến sự thiếu hoặc phá hủy lớp phủ bề mặt. Đây là hậu quả nghiêm trọng nhất bắt nguồn từ những sai lầm của con người trong khoa học nông nghiệp. • Xói mòn do nước cũng thường được gọi là sự rửa trôi nhưng bao hàm rộng hơn. Tại một quy mô nhỏ, khi hạt mưa rơi xuống theo các hiện tượng thời tiết sẽ có ảnh hưởng khác nhau phụ thuộc vào kích thước và hiệu ứng, những hạt mưa phùn nhỏ và đều thấm sâu hơn vào lòng đất, nhưng những hạt mưa lớn liên quan đến mưa nhiệt đới tác động vào bề mặt đất và bóc tách các mảnh vụn từ mọi hướng. Ngoài ra, sườn dốc cũng làm tăng đáng kể hiệu ứng bắn lên của giọt nước, làm tăng đáng kể sự rửa trôi theo sườn. • Xói mòn trọng lực gây ra do sự kết hợp giữa trọng lực của lớp đất đá bề mặt và dòng chảy tràn. Dạng xói mòn này không xuất hiện trên diện rộng mà chỉ làm mất đất trong phạm vi hẹp, gây ra các tai biến trượt lở. • Xói mòn do bão lũ: xói mòn do bão lũ được biết đến như những thiên tai diễn ra trong thời gian ngắn nhưng nhiều khi gây ra các hậu quả thảm khốc cho những vùng đặc biệt. Với tốc độ gió rất lớn, gió bão có thể thổi bật gốc cây, đối với các vùng đất dốc, chúng có thể gây ra hiện tượng trượt đất và lũ bùn (Sharpe, 1938; Schaetzl and Follmer, 1990). 9 • Xói mòn do băng tuyết tan: hiện tượng này chỉ xảy ra tại các vùng có băng tuyết một mùa. Khi băng tuyết tan, chúng di chuyển xuống sườn dốc tao thành dòng chảy và gây xói mòn đất. • Xói mòn sinh học là quá trình xói mòn gây ra do sinh vật. Vi khuẩn với số lượng lớn đóng vai trò quan trọng trong việc phân hủy xác sinh vật và các khoáng chất. Hiện tượng này diễn ra đặc biệt mạnh tại những vùng có khí hậu ẩm ướt thích hợp cho vi sinh vật phát triển. • Xói mòn do con người: đây là dạng xói mòn dễ thấy nhất và gây ra các hậu quả nghiêm trọng về kinh tế do những hoạt động của con người. Những hoạt động như canh tác trên vùng đất dốc, phá rừng, khai thác lớp phủ không bền vững, v.v… là các nhân tố góp phần đẩy nhanh tốc độ xói mòn đất của các dạng xói mòn khác. 1.2. Tổng quan nghiên cứu xói mòn đất trên thế giới và tại Việt Nam 1.2.1 . Nghiên cứu xói mòn đất trên thế giới Quản lý và kiểm soát xói mòn đã trở thành một thách thức kể từ khi ngành nông nghiệp định cư (settled agriculture) ra đời. Với cố gắng kiểm soát xói mòn trên những vùng đất dốc đã dẫn đến sự ra đời của kiểu canh tác trên ruộng bậc thang. Ruộng bậc thang đã trở thành nét truyền thống trong các cộng đồng cư dân cổ trên toàn thế giới bao gồm Trung Đông (Phoenicians), Trung và Đông Nam Á, Tây Á (Yêmen), và Trung – Nam Mỹ. Người dân Inca đã thiết kế hệ thống ruộng bậc thang với tường đá phức tạp ở Peru (Wiliam L.S, 1987). Những nghiên cứu hiện đại về xói mòn đất và các kỹ thuật kiểm soát xói mòn bắt đầu tại Mỹ từ những năm 1930. Từ giai đoạn này, các khía cạnh cả về cơ bản lẫn ứng dụng trong nghiên cứu xói mòn được phát triển ở khắp nơi trên toàn thế giới (R. Lal, 2001). Một số tổ chức nghiên cứu xói mòn và bảo tồn đất điển hình là: Hệ thống nhóm tư vấn về nghiên cứu nông nghiệp quốc tế (Consultative Group on International Agricultural Research (CGIAR)): một số các kết quả nghiên 10 [...]... đất, địa hình và canh tác khác nhau Đã có một số mô hình đánh giá xói mòn sử dụng USLE hoặc USLE biến đổi được áp dụng trên thế giới Mô hình này cũng được ứng dụng trong GIS nhằm xây dựng các công cụ mô hình hóa xói mòn cho các khu vực khác nhau (Các mô hình xói mòn đất sử dụng GIS) 15 1.4 Phương pháp ứng dụng viễn thám và GIS trong đánh giá xói mòn đất Với sự phát triển mạnh mẽ, công nghệ viễn thám. .. nghệ viễn thám và GIS có khả năng hỗ trợ rất hiệu quả cho đánh giá xói mòn đất từ cung cấp các dữ liệu đầu vào đến phân tích các nhân tố và tính toán mô hình tổng hợp 25 CHƯƠNG 2 CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN XÓI MÒN ĐẤT KHU VỰC YÊN CHÂU TỈNH SƠN LA 2.1 Các yếu tố́ tự nhiên Khu vực nghiên cứu nằm trong ranh giới của huyện Yên Châu tỉnh Sơn La Đây là một huyện miền núi biên giới của tỉnh Sơn La, ... gia vào mô hình xói mòn • Xây dựng các mô hình, giải quyết các kịch bản đánh giá xói mòn đất, biến đổi sử dụng đất liên quan đến xói mòn, đánh giá ô nhiễm nguồn nước do xói mòn, … 1.4.1 Tính toán hệ số xói mòn do mưa (R) Đối với các bài toán mô hình hóa xói mòn, việc tính toán hệ số xói mòn do mưa thường dựa vào lượng mưa và số ngày mưa trung bình trong nhiều năm liên tiếp Tính toán hệ số xói mòn do... hóa không gian trong đó xói mòn đất 1.4.3 Ứng dụng viễn thám trong phân loại lớp phủ thực vật Một trong các ứng dụng quan trọng của viễn thám đối với nghiên cứu xói mòn đất là chiết xuất ra các thông tin liên quan đến lớp phủ mặt đất Các tư liệu ảnh viễn thám được thu nhận một cách nhanh chóng và phản ảnh đặc trưng phản xạ phổ của các đối tượng trên bề mặt trái đất Đối với viễn thám đa phổ, các đối tượng... nghệ viễn thám và GIS ngày càng giải quyết được nhiều vấn đề trong mô hình hóa không gian địa lý nói chung và mô hình hóa xói mòn nói riêng Với các bài toán mô hình hóa đa nhân tố như đánh giá xói mòn đất, công nghệ viễn thám và GIS có khả năng cung cấp các tư liệu và công cụ sau: • Xây dựng các dữ liệu đầu vào cho tính toán mô hình xói mòn đất • Sử dụng các công cụ phân tích không gian và các công cụ... việc làm và thu nhập 34 CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG VIỄN THÁM VÀ GIS TRONG ĐÁNH GIÁ XÓI MÒN ĐẤT KHU VỰC YÊN CHÂU TỈNH SƠN LA 3.1 Mô hình đánh giá xói mòn đất N-SPECT là môt ứng dụng GIS mở rộng chạy trong môi trường ArcGIS Công cụ này được phát triển dựa trên ngôn ngữ lập trình Visual Basic và ArcObjects (bộ thư viện các công cụ của ArcGIS) Do đó, nó chứa đựng một giao diện người dùng đầy đủ và mạnh... với xói mòn do nước • Ước lượng lượng đất rửa trôi 35 • Đánh giá tác động tương đối của sự thay đổi sử dụng đất với phân tích kịch bản Tỷ lệ xói mòn và trầm tích tích tụ được tính toán bằng phương trình mất đất biến đổi (RUSLE) và phương trình mất đất ? (MUSLE) Mô hình N-SPECT có sẵn các số liệu xây dựng trước cho khu vực Wai’anae thuộc O’ahu, Ha Wai Tuy nhiên, để áp dụng cho tính toán đánh giá xói mòn. .. v,v… Các công trình có áp dụng các mô hình toán trong nghiên cứu xói mòn cũng đã được các tác giả như: Chu Đức, Mai Đình Yên, Nguyễn Quang Mỹ, v,v… đưa vào trong giai đoạn này Đặc biệt là trong những năm gần đây, phương pháp viễn thám và GIS đã được áp dụng trong nghiên cứu xói mòn đất Đặc biệt là trong đo vẽ bản đồ, đánh giá định lượng các nhân tố ảnh hưởng đến quá trình xói mòn đất Tiêu biểu cho giai... quá trình xói mòn đất do nước (sau Meyer và Wischmeier 1969) Quan hệ giữa lượng đất và nước vận chuyển xuống có thể thay đổi theo cường độ của dòng chảy mặt và sự thay đổi theo các mùa Nhược điểm chính của loại mô hình này là nó không đưa ra được nguyên nhân vì sao xói mòn đất xảy ra 1.3.2 Mô hình USLE Cố gắng đầu tiên để phát triển một mô hình mất đất cho những khu vực đất dốc và đồng ruộng laf của... trình của Nguyễn Quang Mỹ, Nguyễn Xuân Đạo, Phạm Văn Cự, Nguyễn Ngọc Thạch, Nguyễn Tứ Dần, Lại Vĩnh Cẩm, v,v… Các công trình ứng dụng viễn thám và GIS trong nghiên cứu xói mòn đất có độ tin cậy cao, thời gian thực hiện ngắn và đem lại chi phí thấp 1.3 Các mô hình đánh giá xói mòn đất 1.3.1 Mô hình thực nghiệm Mô hình đơn giản nhất là dạng phương trình liên quan giữa lượng vật chất mất đi với lượng mưa . liệu và quy trình đánh giá xói mòn đất bằng viễn thám và GIS • Xác định các chỉ số xói mòn đất khu vực Yên Châu • Thành lập bản đồ chỉ số xói mòn đất khu vực Yên Châu • Phân vùng nguy cơ xói mòn. quan xói mòn đất trên thế giới và tại Việt Nam • Nghiên cứu phương pháp ứng dụng viễn thám và GIS trong đánh giá xói mòn đất • Nghiên cứu các nhân tố ảnh hưởng đến xói mòn đất khu vực Yên Châu •. tiêu của đề tài là nghiên cứu ứng dụng viễn thám và GIS đánh giá xói mòn đất của khu vực Yên Châu, tỉnh Sơn La làm cơ sở cho công tác lập quy hoạch sử dụng đất và phát triển kinh tế xã hội (KT-XH). Nhiệm