Tích hợp hệ thống thông tin địa lý và viễn thám để đánh giá xói mòn đất theo phương trình mất đất phổ dụng trường hợp nghiên cứu tại tỉnh sơn la

VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences, Vol 35, No (2019) 42-52 Original Article Integrated Geographical Information System (GIS) and Remote Sensing for Soil Erosion Assessment by Using Universal Soil Loss Equation (USLE): Case Study in Son La Province Phan Ba Hoc1,2, Nguyen Quoc Viet1, Pham Anh Hung1,*, Le Xuan Thai3, Le Sy Chinh4, Nguyen Xuan Hai5 Faculty of Environmetal Sciences,VNU University of Science, 334 Nguyen Trai, Hanoi, Vietnam Centre for Planning and Rural Development No.1, National Institution for Agricultural Project and Planning, 61 Hang Chuoi, Hanoi, Vietnam Faculty of Civil Engineering, University of Transport Technology, 54 Trieu Khuc, Hanoi, Vietnam Hong Duc University, 565 Quang Trung, Thanh Hoa, Vietnam Dept of Environmental Impact Assessment, General Department of Environment, MONRE, 10 Ton That Thuyet, Hanoi, Vietnam Received 12 December 2018 Revised 19 December 2018; Accepted 13 March 2019 Abstract: Son La is a mountainous province in the North of Vietnam with complicated terrain, high slope, rugged and fragmentation terrain Mountainous land occupies 92% of the natural area, in which land with sloping over 15 degrees occupies 67% of natural land area, erosion is the main cause of soil degradation The result shows that the average soil loss due to erosion in Son La province is 30.04 tons/ha/year On the level of erosion, soil erosion is very low (> 50 tons/ha/year) accounts for a large proportion with the area and the percentage respectively is 51,223.60 ha, occupying 38.74% of the natural area and 45,424.45 accounting for 34.36% of the natural area Then there is low level (1-5 tons/ha/year) with an area of 19,462.78 hectares, accounting for 14.72% of the natural area Moderate (5-10 tons/ha/year) and high (10-50 tons/ha/year) levels account for a small proportion of 7,488.48 hectares, accounting for 5.66% and 8,611.23 hectares, accounting for 6.51%, respectively, of the natural area The combination of remote sensing, geographic information system and RUSLE with available data can calculate soil erosion, spatial distribution, and area, initial testing of the model results and actual observation shows the disparity low ( 5% nghiên cứu lựa chọn giá trị m= 0,5 [9] Để tính tốn hệ số địa hình, nghiên cứu sử dụng phần mềm ArcGIS 10.2 liệu đồ địa hình tỷ lệ 1/50.000 tỉnh Sơn La Sử dụng phần mềm ArcGIS 10.2 để xây dựng mơ hình số độ cao DEM, từ xây dựng đồ độ dốc (theo độ phần trăm) Bảng Giá trị hệ số K dựa vào thành phần giới hàm lượng hữu đất [10] Đối tượng đồ Sông, suối, hồ, ao Thành phần giới đất - K Núi đá - 0.00 Cát 0.14 Cát pha 0.10 Thịt nhẹ 0.24 Thịt trung bình 0.34 Thịt nặng 0.28 Sét 0.20 Các loại đất 0.00 Hệ số LS xác định theo công thức sau: LS1=(FlowAccumulation x cellsize/22,13)0,5* (10,8*Sin + 0,03) độ dốc ≤ 9% (6) 46 P.B Hoc et al / VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences, Vol 35, No (2019) 42-52 LS2=(FlowAccumulation x cellsize/22,13)0,5* (16,8*Sin - 0,05) độ dốc > 9% (7) Tính tốn LS cơng cụ tính tốn Raster phần mềm ArcGIS 10.2 theo công thức (8): LS = Con([độ dốc theo %] ≤ 9,LS1,LS2) (8) Trong đó: - FlowAccumulation: dịng chảy tích luỹ tích dựa vào hướng dịng chảy (Flow Direction), tính tốn từ DEM phần mềm ArcGIS 10.2 - Cellsize: Độ phân giải DEM, cellsize = 30m; - Hệ số S tính theo cơng thức (1) (2) - Hệ số ảnh hưởng lớp phủ đến xói mịn đất (C): Bản đồ hệ số che phủ đất (C) xây dựng từ ảnh vệ tinh Landsat dựa vào đồ số thực vật (NDVI) theo công thức Durigon nkk (2014) [11] sau: C= (1-NDVI)/2 (9) NDVI = (NIR - RED)/(NIR + RED) (10) Trong đó: RED NIR lấy từ ảnh Band (RED) Band (NIR) ảnh Landsat Ảnh Landsat gồm mảnh với thông số Bảng Bảng Thông tin liệu ảnh viễn thám [12] Độ che phủ mây mặt đất (%) Độ phân giải (m) Ảnh Landsat Ngày chụp LC8127045201 7155LGN00 04/06 /2017 5,54 30 x 30 LC8127046201 7155LGN00 04/06 /2017 9,91 30 x 30 LC8128045201 7354LGN00 20/12 /2017 0,01 30 x 30 LC8128046201 7354LGN00 20/12 /2017 0,00 30 x 30 Ảnh Landsat trước sử dụng tính tốn hiệu chỉnh ảnh hưởng xạ/phản xạ để loại bỏ khác biệt gữa giá trị ghi ảnh giá trị phản xạ phổ bề mặt, đồng thời giảm khác biệt giá trị phản xạ phổ đối tượng ảnh (do Sensors chụp khác nhau) Nghiên cứu sử dụng phần mềm ArcGis 10.2 với cơng cụ Raster Caculator để tính tốn hiệu chỉnh giá trị cấp độ xám ảnh thành xạ/phản xạ, công cụ Data Management để ghép ảnh cắt ảnh theo ranh giới vùng nghiên cứu - Hệ số ảnh hưởng biện pháp canh tác đến xói mịn đất (P) Hệ số P số phản ánh ảnh hưởng biện pháp canh tác áp dụng làm giảm khối lượng đất bị xói mịn Sử dụng hệ số P tác giả [2, 13, 14] xác định hệ số P theo bảng Bản đồ hệ số P xây dựng cách kết hợp đồ trạng sử dụng đất 2015 tỷ lệ 1/100.000 tỉnh Sơn La đồ độ dốc xây dựng phần tính hệ số LS Bản đồ trạng sử dụng đất gán giá trị số cho loại sử dụng đất khác chuyển sang dạng raster phần mềm ArcGIS 10.2 Sau sử dụng cơng cụ Raster Caculator ArcGIS 10.2 để tính tốn giá trị P cách kết hợp giá trị loại sử dụng đất giá trị độ dốc bảng 3 Kế nghiên cứu 3.1 Khái quát vùng nghiên cứu Vùng nghiên cứu nằm phía Tây Việt Nam, có tọa độ địa lý từ 20039’ đến 22002’ vĩ độ Bắc; 103011’ -10505’ kinh độ Đông (hình 1) Số liệu kiểm kê đất đai năm 2015 tỉnh Sơn La cho thấy đất nông nghiệp chiếm 68,46% diện tích tự nhiên, đó: đất sản xuất nông nghiệp chiếm 25,47%, đất lâm nghiệp 42,78% Đất phi nông nghiệp chiếm tỷ lệ nhỏ 3,71%; Đất chưa sử dụng nhiều, chiếm đến 27,83% [15] Như vậy, đất sản xuất nông nghiệp vùng chiếm tỷ lệ lớn đến 25,47% chưa kể đất rừng sản xuất với điều kiện địa hình đồi núi độ dốc lớn, chia cắt khơng có biện pháp canh tác phù hợp tài ngun đất bị thối hóa xói mịn tầng đất mặt rửa trơi dinh dưỡng đất P.B Hoc et al / VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences, Vol 35, No (2019) 42-52 Bảng Xác định hệ số P theo đồ trạng sử dụng đất biện pháp canh tác Loại hình sử dụng đất vụ lúa lúa - màu Nương rẫy Đất chuyên màu công nghiệp hàng năm Đất cỏ dùng vào chăn nuôi Đất trồng ăn Biện pháp canh tác Trồng theo luống, độ dốc 150 Trồng theo đường đồng mức, độ dốc 50 19.462,78 7.488,48 8.611,23 45.424,45 14,72 5,66 6,51 34,36 Xói mịn trung bình Xói mịn mạnh Xói mịn mạnh 49 Ghí chú: (*): Phân theo mức độ xói mịn theo TCVN 5299 : 2009 50 P.B Hoc et al / VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences, Vol 35, No (2019) 42-52 3.3.2 Kiểm chứng mơ hình thực nghiệm Để kiểm chứng kết tính tốn mơ hình RUSLE liệu có sẵn, nghiên cứu lựa chọn điểm huyện Mai Sơn tỉnh Sơn La để đánh giá Điểm thứ khu vực xã Mường Bon có toạ độ địa lý 21° 14' 20,1" - 21° 14' 32,5" vĩ độ Bắc 104° 4' 0,7" 104° 4' 16,9" kinh độ Đông, trồng trạng ô quan trắc xung quanh khu vực chủ yếu gồm lâu năm cà phê ăn quả, phía có chỏm rừng Điểm thứ hai khu vực xã Cị Nịi có toạ độ địa lý 21° 6' 59,4" - 21° 7' 18,1" vĩ độ Bắc 104° 10' 44,2" - 104° 11' 10,3" kinh độ Đông, trồng trạng ô xung quanh ngô trồng theo phương thức truyền thống Tại điểm thiết lập quan trắc xói mịn để đo lượng đất thực tế Ô quan trắc xói mịn có kích thước m x 20 m (100m2) cuối có hố hứng xói mịn dài 5m; rộng 0,8m sâu 1m phủ nilon lịng hố (hình 5) Đặc trưng thực phủ, điều kiện canh tác, khí hậu, tính chất lý hóa học quan trắc xói mịn trình bày bảng Hàng tháng cân lượng đất hố hứng Kết trung bình năm (2014 - 2016) điểm kết tính tốn mơ hình RUSLE tổng hợp bảng Kết tính tốn mơ hình RUSLE lấy từ raster có độ phân giải 30m, có diện tích 30m x 30m = 900m2, bao trùm quan trắc có diện tích 100 m2 Kết bảng cho thấy, số điểm quan trắc cịn quy mơ chưa tương xứng (100m2 thực tế so với 900m2 theo mơ hình RUSLE) kết bước đầu cho thấy kết tính tốn mơ hình RUSLE xác với chênh lệnh < 4,3% so với kết quan trắc xói mịn thực tế Như vậy, với quy trình tính tốn lượng đất theo mơ hình RUSLE với nguồn liệu có sẵn lượng mưa, đồ địa hình, đồ đất, đồ trạng sử dụng đất, ảnh vệ tinh ứng dụng để đánh giá xói mịn đất cho vùng có quy mơ diện tích lớn Bảng Đặc trưng thực phủ, canh tác số đặc trưng khí hậu, đất đai quan trắc Địa điểm Loại hình trồng/canh tác Lượng mưa Loại đất Thành trung bình (**) Độ dốc phần năm () giới đất (mm) Trồng cà phê theo đường đồng mức 1.295 Fs 15 1.295 Fs 1.280 Mường Trồng cà phê theo Bon đường đồng mức, tạo tiểu bậc thang Đốt, cày theo luống Cuốc xới cỏ, làm Cò Nòi luống (làm đất tối thiếu) Không làm đất Tỷ trọng (g/cm3) Độ xốp (%) Thịt trung 1,32 bình 2,58 48,84 18 Thịt trung 1,31 bình 2,56 48,83 Fu Thịt trung 1,28 bình 2,60 50,77 1.280 Fu 10 Thịt trung 1,26 bình 2,59 51,35 1.280 Fu Thịt trung 1,26 bình 2,56 50,78 Dung trọng (g/cm3) Ghi chú: (**): Fs: Đất đỏ vàng đá sét đá biến chất; Fu: Đất nâu vàng đá mắc ma bazơ trung tính P.B Hoc et al / VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences, Vol 35, No (2019) 42-52 51 Hình Thiết lập quan trắc hứng xói mịn thực địa [16] Bảng Kiểm định kết tính tốn mơ hình RUSLE Địa điểm Loại hình Mường Bon Cò Nòi Trồng cà phê theo đường đồng mức Trồng cà phê theo đường đồng mức, tạo tiểu bậc thang Đốt, cày theo luống Cuốc xới cỏ, làm luống (làm đất tối thiếu) Không làm đất Quan trắc thực tế (tấn/ha)[16] Kết tính Bình mơ hình RUSLE 2014 2015 2016 Quân (tấn/ha/năm) 63,34 62,53 61,23 62,37 64,28 40,54 39,67 38,43 39,55 38,04 64,21 64,34 63,64 64,06 63,27 45,34 44,32 45,45 45,04 46,97 42,34 41,23 42,32 41,96 40,55 Kế luận Kết tính tốn xói mịn đất cho thấy, lượng đất xói mịn trung bình địa bàn tỉnh Sơn La 30,04 tấn/ha/năm Về mức độ xói mịn, xói mịn đất (50 tấn/ha/năm) chiếm tỷ trọng lớn với diện tích tỷ lệ phần trăm 51.223,60 ha, chiếm 38,74% diện tích tự nhiên 45.424,45 chiếm 34,36% diện tích tự nhiên Xói mịn nhẹ (1-5 tấn/ha/năm) có diện tích 19.462,78 ha, chiếm 14,72% diện tích tự nhiên Mức độ xói mịn trung bình (5 - 10 tấn/ha) mạnh (10-50 tấn/ha) chiếm tỷ trọng nhỏ với Chênh lệch so với quan trắc thực tế (%) 3,06 3,82 1,23 4,29 3,36 diện tích tỷ lệ phần trăm 7.488,48 ha, chiếm 5,66% 8.611,23 ha, chiếm 6,51% Sử dụng phương trình đất phổ dụng điều chỉnh (RUSLE) kết hợp với công nghệ viễn thám hệ thống thông tin địa lý với liệu có sẵn ước tính lượng đất xói mịn đất quy mô lớn, kết kiểm định bước đầu cho thấy kết mơ hình có chênh lệch