Ứng dụng công nghệ hệ thống thông tin địa lý (GIS) để dự báo xói mòn đất huyện Sơn Động - tỉnh Bắc Giang

Ứng dụng công nghệ hệ thống thông tin địa lý (GIS) để dự báo xói mòn đất huyện Sơn Động - tỉnh Bắc Giang

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC LÂM NGHIỆP

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: - TS NGUYỄN VĂN SINH

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM

- -

HOÀNG TIẾN HÀ

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ (GIS) ĐỂ DỰ BÁO XÓI MÕN ĐẤT

HUYỆN SƠN ĐỘNG - TỈNH BẮC GIANG

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC LÂM NGHIỆP CHUYÊN NGÀNH: LÂM HỌC

ÀNH: 301

THÁI NGUYÊN, NĂM 2009

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Tiến sĩ Nguyễn Văn Sinh - Viện Sinh thái và tài nguyên sinh vật, Tiến sĩ Đỗ Thị Lan - Giảng viên khoa Tài nguyên - Môi trường, trường Đại học Nông lâm Thái Nguyên đã trực tiếp chỉ dẫn, nhiệt tình giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn

Luận văn có ý kiến tham gia của Thạc sỹ Đỗ Văn Thanh, giảng viên trường Đại học sư phạm Hà Nội; Thạc sỹ Hà Quý Quỳnh, Viện sinh thái và tài nguyên sinh vật, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn đến sự giúp đỡ quý báu đó

Tôi xin cảm ơn sự giúp đỡ của Lãnh đạo, cán bộ công chức các cơ quan: UBND huyện Sơn Động, Hạt Kiểm lâm, Phòng Tài nguyên - Môi trường, Phòng Thống kê, Trung tâm khí tượng thủy văn huyện Sơn Động đã tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong quá trình thu thập các tài liệu phục vụ luận văn

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo các đơn vị: Sở Nông nghiệp và PTNT Bắc Giang, Chi cục Lâm nghiệp, Chi cục Kiểm lâm đã tạo điều kiện cho tôi được tham gia khóa học và những điều kiện tốt nhất để tôi học tập, nghiên cứu luận văn này

Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến người thân, bạn bè và đồng nghiệp đã động viên, giúp đỡ tôi trong thời gian qua

Một lần nữa, tôi xin trân trọng cảm ơn!

Thái Nguyên, tháng 11 năm 2009

Tác giả

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 6

1 Đặt vấn đề 6

2 Mục đích nghiên cứu 7

3 Ý nghĩa của đề tài nghiên cứu 7

4 Khối lượng và cấu trúc luận văn 7

Chương 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 9

1.1 Xói mòn đất và các nhân tố ảnh hưởng đến xói mòn đất 9

1.1.1 Xói mòn đất 9

1.1.2 Các quá trình xói mòn đất 9

1.1.2.1 Xói lở sông suối 9

1.1.2.2 Xói mòn và rửa trôi bề mặt 10

1.1.3 Các nhân tố ảnh hưởng đến xói mòn đất 10

1.1.3.1 Ảnh hưởng của các nhân tố khí hậu đến xói mòn đất 11

1.1.3.2 Ảnh hưởng của địa hình đến xói mòn đất 11

1.1.3.3 Ảnh hưởng của lớp phủ thực vật đến xói mòn đất 13

1.1.3.4 Ảnh hưởng của đất đến quá trình xói mòn đất 13

1.1.3.5 Ảnh hưởng của con người đến xói mòn đất 13

1.2 Nghiên cứu xói mòn đất trên thế giới 14

1.2.1 Các xu hướng mới trong nghiên cứu xói mòn 14

1.2.2 Các phương pháp đánh giá xói mòn đất [30] 15

1.2.3 Các mô hình đánh giá xói mòn đất 16

1.2.3.1 Mô hình kinh nghiệm 16

1.2.3.2 Mô hình nhận thức 22

1.3 Nghiên cứu xói mòn đất ở Việt Nam 23

1.4 Ứng dụng hệ thống thông tin địa lý (GIS) trong đánh giá xói mòn đất 28

1.4.1 Sự hình thành và phát triển của GIS 28

1.4.2 Ứng dụng GIS trực tiếp xây dựng bản đồ xói mòn 29

1.4.3 Ứng dụng GIS và mô hình hóa tính toán xói mòn đất 30

CHƯƠNG II: ĐẶC ĐIỂM TỰ NHIÊN - XÃ HỘI 33

KHU VỰC NGHIÊN CỨU 33

2.1 Điều kiện tự nhiên 33

2.1.4 Đặc điểm tài nguyên rừng 40

2.2 Điều kiện kinh tế - xã hội 43

2.2.1 Thành phần dân tộc và phân bố dân cư 43

2.2.2 Y tế, giáo dục[21] 43

2.2.3 Giao thông 44

2.2.4 Tình hình phát triển sản xuất huyện Sơn Động 44

Chương 3: ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 45

3.1 Đối tượng nghiên cứu và giới hạn phạm vi nghiên cứu 45

3.2 Thời gian nghiên cứu 45

3.3 Nội dung nghiên cứu 45

3.4 Phương pháp nghiên cứu 46

3.4.2.6 Thành lập bản đồ xói mòn tiềm năng huyện Sơn Động (V) 55

3.4.2.7 Thành lập bản đồ xói mòn huyện Sơn Động (A) 55

3.4.3 Quy trình nghiên cứu 56

3.4.3.1 Xây dựng các bản đồ đơn thành phần: 56

3.4.3.2 Xây dựng bản đồ xói mòn tiềm năng và xói mòn thực tế: 56

3.5 Cơ sở tài liệu 57

Chương 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 59

4.1 Xây dựng bản đồ xói mòn tiềm năng và xói mòn thực tế huyện Sơn Động 59

4.1.1 Xây dựng bản đồ hệ số xói mòn do mưa (R) 59

4.1.2 Thành lập bản đồ hệ số kháng xói của đất (K) 60

4.1.3 Thành lập bản đồ hệ số địa hình (LS) 62

4.1.4 Thành lập bản đồ hệ số lớp phủ thực vật (C) 63

4.1.5 Bản đồ hệ số canh tác (P) 65

4.1.6 Bản đồ xói mòn tiềm năng huyện Sơn Động 66

4.1.7 Bản đồ xói mòn huyện Sơn Động 69

4.2 Kiểm chứng kết quả nghiên cứu 72

4.3 Ảnh hưởng biến động lớp phủ thực vật tới xói mòn đất huyện Sơn Động 73

4.3 Một số đề xuất cho khu vực nghiên cứu 74

4.3.1 Đối với khu vực xói mòn cấp 1 - Cấp không xói mòn 74

4.3.2 Đối với khu vực xói mòn cấp 2 - Cấp ít nguy hại 74

4.3.3 Đối với khu vực xói mòn cấp 3 - Cấp nguy hại 75

4.3.4 Đối với khu vực xói mòn cấp 4 - Cấp rất nguy hại 75

4.3.5 Đối với khu vực xói mòn cấp 5 - Cấp cực kỳ nguy hại 75

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Ảnh hưởng của độ dốc đến xói mòn đất [6] 12

Bảng 2.1: Một số thông tin về chế độ khí hậu 36

huyện Sơn Động – Bắc Giang 36

Bảng 2.2: Lượng mưa huyện Sơn Động năm 2007 theo tháng 36

Bảng 2.3: Độ che phủ thảm thực vật Sơn Động 42

Bảng 3.1: Hệ số xói mòn đất của một số loại đất ở Việt Nam 50

Bảng 3.2 Bảng tra C theo Hội khoa học đất quốc tế [3] 53

Bảng 3.3: Hệ số xói mòn đất của một số dạng thảm thực vật 54

ở Việt Nam [4] 54

Bảng 3.4 Bảng tra hệ số P theo hội khoa học đất quốc tế [3] 55

Bảng 3.5: Phân cấp xói mòn và xói mòn tiềm năng 57

Bảng 4.1: Hệ số kháng xói các loại đất huyện Sơn Động 61

Bảng 4.2: Bảng hệ số C khu vực nghiên cứu 64

Bảng 4.3: Phân cấp xói mòn tiềm năng huyện Sơn Động 68

Bảng 4.4: Phân cấp xói mòn huyện Sơn Động 71

Bảng 4.5: Tương quan diện tích xói mòn với độ che phủ rừng 73

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: Các nhân tố chính ảnh hưởng đến xói mòn đất 10

Hình 1.2: Ứng dựng GIS trực tiếp tính toán xói mòn 30

Hình 1.3: Sử dụng mô hình USLE trong tính toán xói mòn bằng GIS 32

Hình 2.1: Vị trí địa lý huyện Sơn Động 33

Hình 2.2: Bản đồ hành chính huyện Sơn Động 34

Hình 2.3: Biểu đồ lượng mưa huyện Sơn Động, năm 2007 37

Hình 2.4: Hệ thống sông, suối huyện Sơn Động 38

Hình 2.5: Bản đồ phân bố các loại đất huyện Sơn Động 39

Hình 2.6: Diện tích các loại đất chính huyện Sơn Động 40

Hình 2.7: Bản đồ hiện trạng thảm thực vật 41

huyện Sơn Động, năm 2007 41

Hình 2.8: Phân bố dân cư huyện Sơn Động 43

Hình 3.1: Mô hình phương pháp tính toán bản đồ trên GIS 46

Hình 3.2 Các bước xây dựng bản đồ hệ số R 48

Hình 3.3: Các bước xây dựng bản đồ hệ số LS 52

Hình 3.4: Phương pháp nghiên cứu xói mòn đất 58

Hình 4.1: Bản đồ đường đẳng trị mưa huyện Sơn Động 59

Hình 4.2: Bản đồ hệ số xói mòn do mưa (R) 60

Hình 4.3: Bản đồ hệ số kháng xói của đất (K) 62

Hình 4.4: Bản đồ hệ số LS 63

Hình 4.5: Bản đồ hệ số C khu vực nghiên cứu 65

Hình 4.6: Bản đồ xói mòn tiềm năng huyện Sơn Động 67

Hình 4.7: Bản đồ xói mòn đất huyện Sơn Động 70

MỞ ĐẦU 1 Đặt vấn đề

Sơn Động là huyện miền núi của tỉnh Bắc Giang có diện tích tự nhiên là 84.432,4 ha, trong đó diện tích đất lâm nghiệp là 68.348,29 hecta chiếm 72,0% [14] Địa hình Sơn Động gồm đồi núi xen kẽ các thung lũng, manh mún, địa hình chia cắt mạnh chênh lệch về độ cao, độ dốc lớn Hiện tượng xói mòn, rửa trôi đang xảy ra mạnh Tuy nhiên, đến nay chưa có nghiên cứu nào về xói mòn đất trên địa bàn huyện Sơn Động

Đất đai là tài nguyên vô cùng quý giá, là tư liệu đặc biệt, là thành phần quan trọng hàng đầu của môi trường sống, là tư liệu lao động chính của nền kinh tế Nông – Lâm nghiệp Tuy nhiên, trong vài thập kỷ gần đây, cùng với sự gia tăng dân số, các nguồn tài nguyên khoáng sản, thảm thực vật, đất đai đã và đang được sử dụng ở mức độ cao, thậm chí không hợp lý Việc khai thác Nông – Lâm nghiệp không có ý thức ngày càng làm cho quá trình xói mòn đất xảy ra nghiêm trọng, độ phì nhiêu ngày càng giảm, nhiều nơi trơ sỏi đá, trở thành đất trống, đồi núi trọc [6]

Xói mòn đất là quá trình phá huỷ lớp thổ nhưỡng (bao gồm cả phá huỷ thành phần cơ, lý, hoá, chất dinh dưỡng v.v… của đất) dưới tác động của các nhân tố tự nhiên và nhân sinh làm giảm độ phì của đất, gây ra bạc mầu, thoái hoá đất, laterit hoá, trơ sỏi đá v.v…, ảnh hưởng trực tiếp tới sự sống và phát triển của thảm thực vật rừng, thảm cây trồng khác [6]

Ðể giảm thiểu xói mòn ở khu vực miền núi, hai vấn đề cần được song song nghiên cứu là: quá trình xói mòn, nguyên nhân, các yếu tố ảnh hưởng và vấn đề sử dụng hợp lý tài nguyên Có nhiều phương pháp nghiên cứ u, đánh giá xói mòn đất được các tác giả trong và ngoài nước sử dụng Trong đó, việc ứng dụng công nghệ hệ thống thông tin địa lý (GIS) là phương pháp, là công

cụ mạnh có khả năng phân tích không gian trong thời gian ngắn Công nghệ GIS còn cho phép tích hợp phương trình mất đất tổng quát của Wischmeier W.H và Smith D.D để tính toán và xây dựng bản đồ xói mòn đất của các lưu vực, vùng lãnh thổ một cách dễ dàng và chính xác

Với các lý do nêu trên, chúng tôi chọn đề tài: “Ứng dụng công nghệ hệ

thống thông tin địa lý (GIS) để dự báo xói mòn đất huyện Sơn Động - tỉnh Bắc Giang”

- Đề xuất một số giải pháp chống xói mòn đất

3 Ý nghĩa của đề tài nghiên cứu

- Ý nghĩa khoa học:

Luận văn ứng dụng hệ thống thông tin địa lý (GIS) để đánh giá và dự báo xói mòn đất qua việc phân tích không gian và mối quan hệ của các nhân tố địa hình, thủy văn, thổ nhưỡng, thực vật và con người tại huyện Sơn Động

- Ý nghĩa thực tiễn của luận văn:

Đánh giá xói mòn và xói mòn tiềm năng huyện Sơn Động, từ đó xây dựng bản đồ xói mòn đất khu vực nghiên cứu làm cơ sở đề xuất một số giải pháp hạn chế xói mòn đất

4 Khối lượng và cấu trúc luận văn

Luận văn được trình bày trong 80 trang khổ A4 với 21 hình, 14 bảng biểu và được trình như sau:

MỞ ĐẦU

Chương 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Chương 2: ĐẶC ĐIỂM TỰ NHIÊN – XÃ HỘI KHU VỰC NGHIÊN CỨU Chương 3: ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Chương 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Chương 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Xói mòn đất và các nhân tố ảnh hưởng đến xói mòn đất

1.1.1 Xói mòn đất

Có nhiều định nghĩa về xói mòn đất, để phù hợp với khu vực nghiên cứu, luận văn sử dụng định nghĩa của Nguyễn Quang Mỹ [6]: Xói mòn đất (soil erosion) là quá trình phá hủy lớp thổ nhưỡng (bao gồm phá hủy các thành phần cơ, lý, hóa, chất dinh dưỡng v.v của đất) dưới tác động của các nhân tố tự nhiên và nhân sinh, làm giảm độ phì của đất, gây ra bạc mầu, thoái hóa đất, laterit hóa, trơ sỏi đá v.v ảnh hưởng trực tiếp đến sự sống và phát triển của thảm thực vật rừng, thảm cây trồng khác Xói mòn gồm 2 loại:

- Xói mòn bề mặt: Là loại xói mòn do mưa và băng tuyết tan Kiểu xói mòn này thường gặp trên sườn và đỉnh phân thủy cũng như ở trên các bồn thu nước

- Xói mòn theo dòng: Là kiểu xâm thực, xói mòn tập trung trong các dải trũng như các rãnh sâu, thung lũng, sông suối Xâm thực theo dòng chia làm 2 loại là xâm thực sâu và xâm thực ngang

1.1.2 Các quá trình xói mòn đất

Các quá trình xói mòn gồm: Xói lở sông suối và xói mòn, rửa trôi bề mặt

1.1.2.1 Xói lở sông suối

Quá trình xói lở sông suối được xác định theo công thức về động năng của dòng chảy [6]

F=vm2/2 Trong đó:

F: là động năng của khối nước chảy m: là khối lượng nước chảy

v: là vận tốc dòng chảy

Như vậy động năng của dòng chảy tỉ lệ thuận với bình phương của tốc độ dòng chảy Trong quá trình xói lở, dòng chảy tạo ra vật liệu, phù sa Tùy theo kích thước phù sa và tốc độ dòng chảy mà phù sa có thể vận chuyển xuôi theo chiều dòng chảy Khi động năng của dòng chảy không đủ sức mang đi từng bộ phận vật chất, phù sa sẽ lắng đọng xuống dòng sông gọi là quá trình bồi tụ

1.1.2.2 Xói mòn và rửa trôi bề mặt

Là quá trình xói mòn do dòng chảy tạm thời trên sườn lúc mưa hoặc tuyết tan và chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố tự nhiên, trong đó yếu tố địa hình là quan trọng nhất

1.1.3 Các nhân tố ảnh hưởng đến xói mòn đất

Các nhân tố chính ảnh hưởng đến quá trình xói mòn đất gồm: khí hậu, địa hình, đất đai, thảm thực vật và con người, được mô tả trong hình 1.1:

Hình 1.1: Các nhân tố chính ảnh hưởng đến xói mòn đất

Xói Mòn Khí

hậu

A/H tích cực A/H tiêu cực A/H hai chiều

Địa hình

Con người

Thảm thực

vật

Đất đai

1.1.3.1 Ảnh hưởng của các nhân tố khí hậu đến xói mòn đất

Xói mòn chủ yếu do dòng chảy bề mặt gây ra, nhưng dòng chảy lại do các yếu tố khí hậu quyết định đó là: Tổng lượng mưa và tính chất của mưa, thời gian và cường độ mưa Thời gian mưa càng lớn, cường độ mưa càng cao thì quá trình xói mòn càng xảy ra mạnh Sự xuất hiện của xói mòn phụ thuộc rất nhiều vào lớp nước trong một đợt mưa và lượng mưa trung bình tháng, năm Lớp nước mặt trên diện tích trồng cà phê 3 năm tuổi là 754mm gây rửa trôi 44,0 tấn/ha, khi lớp nước mặt 2501mm gây rửa trôi 213 tấn/ha Như vậy trong điều kiện như nhau, khi dòng chảy mặt tăng 4 lần sẽ làm tăng rửa trôi đất từ 5 lần [6]

Cường độ mưa gây ảnh hưởng mạnh nhất đến dòng chảy mặt và xói mòn đất Theo Nguyễn Quang Mỹ [6]: trận mưa 10mm với cường độ trung bình trong khoảng thời gian dưới 1 giờ, xói mòn đất xảy ra mạnh nhất khi lớp nước đạt từ 8-10mm và đặc biệt trên đất bỏ hoang Ảnh hưởng của cường độ mưa đến xói mòn càng mạnh nếu cường độ đạt cực đại xảy ra vào nửa giờ đầu của trận mưa

Ở Việt Nam nói chung và khu vực nghiên cứu nói riêng, mưa phân hóa theo mùa rõ rệt Lượng mưa cực đại vào các tháng mùa hè và cực tiểu trong những tháng mùa đông Vì vậy việc bảo vệ đất, chống xói mòn đặc biệt trong mùa mưa là vô cùng cần thiết

Ngoài mưa ảnh hưởng trực tiếp đến xói mòn, các yếu tố khí hậu khác như gió, nhiệt độ, ẩm độ cũng có ảnh hưởng đến xói mòn đất, tuy nhiên mức độ ảnh hưởng không rõ ràng

1.1.3.2 Ảnh hưởng của địa hình đến xói mòn đất

Địa hình cũng là nhân tố tự nhiên ảnh hưởng lớn đến xói mòn đất Nếu xét trên diện rộng, địa hình có tác dụng làm thay đổi sự phân bố nhiệt và lượng mưa rơi xuống Sự thay đổi về độ cao kéo theo sự thay đổi về nhiệt độ,

mưa, ẩm Các yếu tố địa hình như độ dốc, chiều dài sườn dốc, hình dạng (lồi, lõm, thẳng, bậc thang v.v ) mức độ chia cắt ngang của địa hình ảnh hưởng trực tiếp đến xói mòn đất

Độ dốc của sườn là yếu tố địa hình có ảnh hưởng lớn nhất đến quá trình xói mòn Độ dốc lớn làm tăng cường độ dòng chảy và do đó đẩy nhanh quá trình rửa trôi, xói mòn đất, gây nên xói mòn mạnh hơn Bộ Nông nghiệp và phát triển nông thôn đã đề xuất thang độ dốc trên lãnh thổ Việt Nam: 0-30

, 80, 8-150, 15-250, trên 250, tuy chưa được hoàn thiện nhưng đây cũng là bước thống nhất đầu tiên để sử dụng độ dốc ở nước ta [6]

3-Nguyễn Quang Mỹ đã nghiên cứu ảnh hưởng của độ dốc đến xói mòn đất tại Tây Nguyên từ năm 1978 đến 1982 trên đất bazan, trồng Chè một tuổi, kết quả cho thấy:

Bảng 1.1: Ảnh hưởng của độ dốc đến xói mòn đất [6]

(00)

Tổn thất về đất (T/ha/năm)

Năm nghiên cứu, địa điểm

NC

Tây Nguyên 1978-1982

Vĩnh Phú 1982-1986

càng xảy ra mạnh Nếu tăng chiều dài sườn dốc lên 2 lần thì xói mòn đất tăng từ 2 đến 7,5 lần [6]

Việt Nam có trên 3/4 lãnh thổ là đồi núi, mạng lưới sông suối dày đặc, sông ngắn, dốc, lượng mưa lớn, 85-90% lượng mưa tập trung vào mùa mưa, do đó xói mòn có điều kiện xảy ra mạnh

1.1.3.3 Ảnh hưởng của lớp phủ thực vật đến xói mòn đất

Lớp phủ thực vật có ảnh hưởng lớn đến quá trình xói mòn đất, nếu lớp phủ thực vật càng tăng thì quá trình xói mòn càng giảm Vai trò chống xói mòn của lớp phủ thực vật phụ thuộc vào tuổi và độ che phủ của nó Thực vật có khả năng bảo vệ đất chống xói mòn qua việc làm giảm ảnh hưởng của hạt mưa xuống mặt đất bởi tán lá và làm cho nước có khả năng chảy xuống đến 50-60% theo chiều thẳng đứng của bộ rễ Không những thế, vật rơi rụng của thực vật như cành khô, lá rụng còn tạo ra lượng mùn lớn trong đất, giữ đất tơi xốp, chống xói mòn

1.1.3.4 Ảnh hưởng của đất đến quá trình xói mòn đất

Đất là đối tượng bị dòng chảy mặt phá hủy, bởi vậy sự phát triển của xói mòn phụ thuộc vào tính chất và trạng thái của đất Những yếu tố chính của đất ảnh hưởng đến xói mòn đất là thành phần cơ giới, cấu trúc và độ thấm nước cũng như hàm lượng mùn trong đất Những yếu tố dó ảnh hưởng đến khả năng hình thành dòng chảy khi mưa rào

1.1.3.5 Ảnh hưởng của con người đến xói mòn đất

Con người ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình xói mòn đất thông qua hoạt động sống Việc phá rừng đã gián tiếp đẩy mạnh quá trình xói mòn đất Những diện tích rừng mất đi làm lộ ra những khoảng trống không có thảm thực vật che phủ đất Khi mưa xuống quá trình xói mòn bề mặt xảy ra mạnh

Canh tác trên đất dốc không khoa học, du canh du cư cũng là nhưng tác nhân gia tăng xói mòn đất Trên độ dốc < 30 đã bắt đầu xảy ra xói mòn khi có

mưa to Từ độ dốc 30

trở lên, tùy vào yếu tố đất đai, thực vật, lượng mưa v.v mà quá trình xói mòn xảy ra mạnh hay yếu Qua số liệu của lâm trường Cầu Hai (Phú Thọ) cho thấy rừng phủ kín chỉ trôi đi 1 tấn đất/ha/năm trong khi các nương sắn lại mất 147 tấn đất/ha/năm [6] Rõ ràng biện pháp canh tác không hợp lý đã gây tác hại lớn, ảnh hưởng xấu đến quá trình xói mòn đất

1.2 Nghiên cứu xói mòn đất trên thế giới

Có thể nói rằng con người đã quan tâm đến hiện tượng xói mòn từ rất sớm, từ thời Hy Lạp và La Mã cổ đại đã có những tác giả đề cập đến xói mòn cùng với việc bảo vệ đất Quá trình xói mòn hiện đại được gắn liền với các hoạt động nông nghiệp Nhiều người đã cho rằng đất đai bị khai thác cạn kiệt có thể là nguyên nhân khiến các nền văn minh quá khứ mất đi Vì vậy, cùng với thoái hoá đất, xói mòn tồn tại như một vấn đề trong suốt quá trình phát triển của toàn nhân loại [10]

Về nguyên nhân xói mòn , hầu hết các nhà nghiên cứ u trên thế giới đều thống nhất rằng có hai nguyên nhân cơ bản dẫn tới hiện tượng thoái hoá đất

đang diễn ra mạnh mẽ trên qui mô toàn cầu hiện nay là: nguyên nhân tự

nhiên và con người Nguyên nhân con người, theo nhiều nhà nghiên cứu thể

hiện ở sự quản lý đất kém và dường như đó là một cái giá phải trả cho sự phát triển kinh tế, xã hội Các giải pháp đưa ra, được phân tích là khả thi nhất, là các biện pháp can thiệp vào lớp phủ thực vật nhằm đạt được hiệu quả tốt hơn trong việc chống xói mòn Xói mòn tự nhiên là quá trình diễn ra liên tục trong tự nhiên và chỉ là thứ yếu nếu so với xói mòn do nguyên nhân con người Tuy vậy, việc phân định nguyên nhân xói mòn không phải lúc nào cũng dễ dàng và cũng không cần thiết, nên trong việc lập bản đồ xói mòn, nhiều khi người ta không phân biệt hai nguyên nhân này

1.2.1 Các xu hướng mới trong nghiên cứu xói mòn

Hiện nay, xói mòn được nghiên cứu mở rộng hơn dưới nhiều loại hình và tính chất khác nhau Xu hướng phổ biến hiện nay trong nghiên cứu xói mòn trên thế giới, thể hiện qua hội thảo lần thứ 12 của ISCO tổ chức tại Bắc Kinh năm 2002 là nghiên cứu xói mòn theo hướng mô hình hóa diễn tả động lực của quá trình xói mòn và nghiên cứu xói mòn kết hợp với các khoa học khác, chủ yếu để tìm hiểu quá trình cũng như tác động của xói mòn lên môi trường nhằm có được các biện pháp chống xói mòn khả thi [17]

Điều đáng chú ý là nhiều nhà khoa học [17] đã đồng ý rằng hầu hết các nghiên cứu về xói mòn hiện được tiến hành nhằm các mục tiêu sao cho không cần phải xem xét đến sự khác biệt tỷ lệ (qui mô) không gian và thời gian Nhưng điều này sẽ dẫn đến những sai biệt đáng kể Theo Valentin và các đồng nghiệp, để có thể dự báo được ảnh hưởng của sự thay đổi toàn cầu,

chúng ta buộc phải tìm hiểu quá trình xói mòn diễn ra ở các qui mô thời gian và không gian khác nhau, điều này cũng hoàn toàn phù hợp với kết luận của

Drissa và nnk [18]

1.2.2 Các phương pháp đánh giá xói mòn đất [10]

- Phương pháp phân loại, phân vùng lãnh thổ theo mức độ xói mòn

Phương pháp này đã được áp dụng ở nhiều nước để phân chia khái quát ra các vùng lớn có mức độ nguy hiểm xói mòn tiềm năng khác nhau trên toàn lãnh thổ một quốc gia Tuy nhiên hạn chế của phương pháp này là thiên về định tính, mang đặc trưng của phương pháp chuyên gia, có khó khăn trong việc giải quyết chính xác ranh giới giữa các vùng và ở các phạm vi hẹp Phương pháp này đã được các tác giả Liên Xô (cũ) và Trung Quốc áp dụng Các bản đồ phân vùng theo độ nguy hiểm tiềm năng xuất hiện xói mòn được xây dựng trên cơ sở tổng hợp các bản đồ phân cấp các điều kiện tự nhiên tham gia quá trình xói mòn : địa hình, khí hậu, lớp phủ thực vật Trong các yếu tố đó, các tác giả chú ý nhiều nhất đến các yếu tố địa hình và khí hậu

- Phương pháp mô hình hoá

Sử dụng mô hình để diễn tả quá trình xói mòn Các mô hình này có thể là thực nghiệm hoặc lý thuyết Ưu điểm của phương pháp này so với các phương pháp khác là đã phần nào lượng hoá được vai trò của từng yếu tố ảnh hưởng tới quá trình xói mòn, có nghĩa là làm rõ hơn vai trò của chúng trong toàn bộ hệ thống Phương pháp này cũng cho phép ứng dụng các công nghệ thông tin vào nghiên cứu tính toán Hạn chế của phương pháp là do quá trình xói mòn diễn ra rất đa dạng, thay đổi theo điều kiện cụ thể của từng địa phương nên mô hình có thể dùng tốt cho địa phương này nhưng không đúng với địa phương khác Vì vậy, khi vận dụng các mô hình cần phải chú ý tới các điều kiện đặc thù tại địa phương, hay đúng hơn, là sử dụng các thông số của mô hình đã được kiểm chứng cho địa phương [17]

1.2.3 Các mô hình đánh giá xói mòn đất

Việc mô hình hoá quá trình xói mòn bắt đầu vào thập niên 80 thế kỷ 20, góp phần tính toán và dự báo xói mòn Theo Phạm Hùng [3], có thể chia các mô

hình ra làm hai loại chính là mô hình kinh nghiệm và mô hình nhận thức

Các mô hình được xây dựng trên cơ sở của lý thuyết hệ thống với giả thiết là lượng vào và ra của hệ thống là đã xác định

1.2.3.1 Mô hình kinh nghiệm

Mô hình kinh nghiệm là các mô hình được xây dựng dựa vào tổng kết từ các quan sát thực tế Nói theo nghĩa hẹp hơn, hầu hết các mô hình này đều dựa vào phương trình mất đất tổng quát của Wischmeier và Smith hoặc các tư duy tương tự Có thể kể đến các mô hình: Phương trình Musgrave của Musgrave, 1947; Phương pháp tỉ lệ phân chia bùn cát, Renfro, 1975; Phương pháp Dendy - Boltan, Dendy và Bolten, 1976; MUSLE (modified universal soil loss equation, Auerswwald, 1990 [3]:

Mục đích của các mô hình này là để tính toán lượng đất tổn thất trung bình hàng năm cũng như dự báo xói mòn đất bình quân trên đất dốc Ngoài ra, việc sử dụng các mô hình cũng cho phép dự báo những thay đổi về xói mòn đất do biến đổi trong hệ thống canh tác và đề xuất, ước đoán hiệu quả của các biện pháp phòng chống xói mòn

Mô hình kinh nghiệm có những hạn chế sau:

- Phạm vi ứng dụng mang tính địa phương, có độ chính xác hạn chế khi áp dụng ở những khu vực khác nhau

- Chưa đề cập đến quá trình bồi lắng và chuyển tải hạt đất

- Không có khả năng tính toán cho từng trận mưa hay các bước thời gian ngắn hơn

- Đối với các lưu vực lớn, độ chính xác chưa cao do tính phức tạp của khu vực nghiên cứu Nhược điểm này có thể được khắc phục bằng cách chia khu vực nghiên cứu thành các khu vực nhỏ hơn

Mô hình thực nghiệm AĐ Ivanovaki và IA Kornev

Mô hình này được xây dựng tại các trạm thực nghiệm Novosilski Phương trình của mô hình có dạng [2]:

M=AI0,75L1,5X1,50Trong đó:

nghiệm này được một số nhà khoa học Việt Nam ứng dụng trong các tính toán của mình để phân cấp tiềm năng xói mòn cho các khu vực khác nhau

Mô hình USLE

USLE (Universal soil loss equation) – Phương trình mất đất tổng quát (hay phương trình mất đất phổ dụng) được Wischmeier và Schmid hoàn thiện vào năm 1978 từ kết quả của một nỗ lực thống kê lớn ( dữ liệu từ hơn 5000 plot hàng năm) Phương trình được thiết kế ban đầu như là một công cụ qui hoạch để kiểm soát vấn đề xói mòn cho các cánh đồng ở vùng “vành đai ngô” nước Mỹ [45] Phương trình mất đất tổng quát cho phép đánh giá ở tỷ lệ từng cánh đồng lượng đất mất do xói mòn khe rãnh và xói mòn liên rãnh Trong khung cảnh của phương trình mất đất tổng quát, xói mòn được định nghĩa là tổng lượng đất được chuyển tới chân sườn dốc nơi các quá trình lắng đọng quan trọng bắt đầu diễn ra hoặc các dòng chảy bắt đầu được tập trung lại

Việc áp dụng cách tiếp cận mô hình hoá phân tích thống kê hồi qui đa biến để xây dựng phương trình đã cho phép phân tách các nhân tố trọng số của một loạt biến độc lập (mưa, đất, địa hình, lớp phủ thực vật và phương thức canh tác) Hơn nữa, việc sử dụng các tham số đo lường lượng mất đất hàng năm cho phép phương trình này có thể dùng được trong đánh giá lượng mất đất trung bình hàng năm Phương trình có được từ số lượng lớn các thửa đất được quan sát hiếm khi quá 90m chiều dài và dốc quá 18% Loại đất mà mô hình ban đầu được xây dựng chủ yếu là loại đất cấu trúc hạt vừa [17]

Phương trình mất đất tổng quát có dạng như sau:

A=R*K*L*S*C*P (Phương trình: Wischmeier WH - Smith DD)

Trong đó:

A: lượng đất mất trung bình hàng năm chuyển tới chân sườn

(kg/m2.năm)

R: hệ số xói mòn do mưa (thang đo độ xói mòn được lập trên cơ sở

EI30) (KJ.mm/m2.h.năm)

K: hệ số kháng xói của đất (được xác định bằng lượng đất mất đi cho

một đơn vị xói mòn của mưa trong điều kiện chuẩn, nghĩa là chiều dài sườn là 22,4m, độ dốc 9%, trồng luống theo chiều từ trên xuống sườn dốc) (kg.h/KJ.mm)

L: Hệ số chiều dài sườn dốc, tỷ lệ đất mất đi của thửa đất so với lượng

đất mất đi của thửa đất chuẩn (không thứ nguyên)

S: Hệ số độ dốc (tỷ lệ đất mất đi của thửa đất so với lượng mất đất của

thửa đất chuẩn) (không thứ nguyên)

C: Hệ số cây trồng hoặc lớp phủ (không thứ nguyên) tỷ lệ lượng đất

mất của thửa đất so với lượng đất mất đi của thửa đất chuẩn (bỏ hoá cách năm)

P: Hệ số canh tác bảo vệ đất (không thứ nguyên) tỷ lệ lượng đất mất đi

của thửa đất so với lượng đất mất đi của thửa đất chuẩn (trồng luống theo chiều từ trên xuống sườn dốc)

Phương trình ban đầu được thành lập ở hệ đo lường Anh - Mỹ nhưng ngày nay đã được chuyển sang hệ SI để tiện cho việc tính toán với các dữ liệu thu thập được cũng như đánh giá so sánh USLE với các mô hình xói mòn khác Phương trình mất đất tổng quát có thể được coi là công cụ dự báo có thể “đánh giá tốt nhất” [17] và chính xác dưới các điều kiện về khí hậu, đất, địa hình đã được Wischmieier và Smith chỉ rõ Cũng có thể nhận thấy rằng việc sử dụng phương trình này để tính toán hoặc dự đoán các hiện tượng xói mòn xảy ra trong thời gian ngắn hơn sẽ không chính xác [3] và khi áp dụng phương trình cho các tỷ lệ khác (qui mô về không gian) cũng cần hết sức thận trọng Tuy nhiên, việc phân tách quá trình xói mòn thành các biến độc lập cũng mang lại khả năng to lớn trong tính toán dự đoán xói mòn, và tư duy

này, cũng như bản thân phương trình USLE có thể được sửa đổi để thích hợp với những hoàn cảnh cụ thể về tỷ lệ không gian, điều kiện khí hậu cũng như các điều kiện địa - vật lý khác bằng cách thay đổi các hệ số của phương trình Vì lý do trên, phương trình USLE đã được thay đổi cho phù hợp với các điều kiện khác nhau, ví dụ [17]:

- USLE cho đất canh tác nông nghiệp (chính là phương trình gốc của Wischmeier và Smith)

- USLE cho đất xây dựng (Wischmeier, Jonson và Cross, 1971) - USLE cho đất rừng (Dissmeier và Foster, 1981)

- USLE trong điều kiện bão (Onstad và Foster, 1974)

- USLE cho đánh giá lượng trầm tích của lưu vực (Williams, 1975)

Trong quá trình phát triển, phương trình USLE cũng đồng thời được các chuyên gia đánh giá, đặc biệt là trên khía cạnh áp dụng Mặc dù vẫn được coi là công cụ hữu hiệu trong đánh giá xói mòn do mưa với ý tưởng quản lý tổng hợp lưu vực và trong các nghiên cứu dựa trên GIS, Baumann và nnk [39], khi so sánh kết quả nghiên cứu xói mòn của cùng một khu vực trong cùng một thời kỳ (bang Chiapas, Mexico, 1997) của hai nhóm nghiên cứu cùng sử dụng phương trình mất đất phổ dụng (USLE) đã thấy có sự khác biệt đáng kể (từ 57 đến 300 t/ha cho vùng cao và 20 đến 859 t/ha cho vùng thấp) Sau khi tìm hiểu, họ thấy rằng sai lệch do bản đồ chỉ chiếm một phần, còn một phần là do sai lệch trong quá trình diễn giải và đánh giá cùng một nguồn dữ liệu Sự phân tích tập trung vào ba nhân tố chính của phương trình USLE: C, K và R, nghĩa là sự ảnh hưởng của lớp phủ thực vật, điều kiện thổ nhưỡng và đặc điểm mưa trong quá trình xói mòn

Mô hình SEIM

Để đánh giá được mức độ xói mòn trên lãnh thổ lớn (toàn bộ Đài Loan), các tác giả đã sử dụng Mô hình chỉ số xói mòn đất (Soil Erosion Index Model

– SEIM) Mô hình này nghiên cứu sự ảnh hưởng của các chỉ số khác nhau tới lượng đất xói mòn mà không nhằm tính ra cụ thể lượng đất xói m òn hàng năm [15] Với sự có mặt của Ci (chỉ số lớp phủ ) và Ui (chỉ số sử dụng đất ), mô hình này mang tới bức tranh rõ rệt hơn về tình trạng xói mòn so với mô hình xói mòn tiềm năng từ phương trình USLE (loại bỏ hệ số C và P) Mô hình chỉ số xói mòn đất có dạng :

Ai=Ki+Ri+Ti+Ci+Ui Trong đó:

Ki: chỉ số xói mòn của đất Ri: Chỉ số xói mòn của mưa Ti: Chỉ số xói mòn của sườn Ci: Chỉ số xói mòn của lớp phủ Ui: Chỉ số xói mòn của sử dụng đất

Để có thể thấy rõ hơn vai trò của các chỉ số tới tiềm năng xói mòn , các tác giả đã phân tích dựa trên cơ sở chia 5 loại chỉ số trên thành 2 lĩnh vực : các chỉ số điều kiện tự nhiên và các chỉ số nhâ n tạo (artificial index ) gồm Ci và Ui, từ đó có được kết luận về những nơi mà con người cần có tác động để giảm thiểu xói mòn

Mô hình ESLE (Emprical Soil loss equation)[17]

Trong nghiên cứu của mình , các tác giả đã sử dụng s ố liệu từ khoảng 1841 khoảnh-năm để đánh giá các hệ số trong phương trình USLE Với hệ số LS, khi áp dụng cho vùng đất dốc , các tác giả đã tìm ra sự khác biệt đáng kể giữa kết quả thực nghiệm và phương trình khi độ dố c trên 10 độ Theo tính toán, các tác giả đưa ra công thức tính LS như sau :

S=10.8sin(teta) +0.03 khi góc dốc teta<=5 độ S=16.8sin(teta)-0.5 teta >5-10 độ

S=21.91sin(teta)-0.96 teta>10

Để có thể đánh giá được rõ hơn các tác động của con người trong việc bảo vệ đất chống xói mòn , các tác giả đã đưa vào phương trình 3 hệ số mới (thay thế cho C và P ) gọi là B (biological control ), E(Engineering control ) và T (tillage) B đặc trưng cho các tác động đến lớp phủ , E cho các tác động đến địa hình và T là hướng luống canh tác

1.2.3.2 Mô hình nhận thức

Khác với mô hình kinh nghiệm, các mô hình nhận thức được phát triển dựa vào hiểu biết về các qui luật vận động và cơ chế vật lý của quá trình xói mòn, nghĩa là dựa vào các hiểu biết đã được lý thuyết hoá dưới dạng các định luật hay phương trình vật lý Các quá trình vật lý của xói mòn có thể được kể ra gồm: quá trình bóc tách hạt đất (do năng lượng của hạt mưa rơi hoặc một dạng năng lượng khác); quá trình chuyển tải (với các định luật về dòng chảy mà quá trình này tuân thủ) và quá trình sa lắng của các hạt đất Vì thế, cơ sở lý thuyết của mô hình nhận thức là lý thuyết cơ học chất rắn, chất lỏng và phân tích mô hình kinh nghiệm

Mô hình nhận thức đơn giản

Bản chất của các mô hình nhận thức đơn giản là quá trình xói mòn được chia ra làm hai bước, bước đất bị bóc tách và bước đất được chuyển tải tới cửa ra Lượng đất bị bóc tách thường được tính theo phương trình mất đất tổng quát USLE, quá trình chuyển tải được tính toán qua các hàm diễn toán thành phần chuyển tải Các mô hình thuộc loại này có thể kể ra là Mô hình diễn toán bùn cát theo Muskingum, Sign và Quiroga, 1986; Kết hợp mô hình mô phỏng mưa, dòng chảy và bùn cát, Franchini và Schipa, 1993 [3]:

Theo nhận xét của Phạm Hùng [3], mô hình nhận thức đơn giản có các ưu điểm và nhược điểm sau:

Ưu điểm:

- Mô tả và tính toán khá chi tiết quá trình chuyển tải hạt đất trên sườn dốc thông qua việc phân chia lưu vực

- Không bắt buộc phụ thuộc vào hình dạng xác định

Nhược điểm: Không hoàn toàn dựa vào quá trình vật lý của hiện tượng xói mòn mà mới chỉ đề cập đến lượng đất tổn thất hàng năm

Mô hình nhận thức phức tạp

Các mô hình loại này được xây dựng dựa vào bản chất vật lý của hiện tượng xói mòn lưu vực Quá trình xói mòn lưu vực được mô tả qua ba quá trình chính: 1) quá trình bóc tách các hạt đất do năng lượng của hạt mưa; 2) quá trình chuyển tải hạt đất do dòng chảy mặt gây nên và 3) quá trình bồi lắng do khả năng chuyển tải của bề mặt lưu vực nhỏ hơn nồng độ tập trung các hạt Mỗi quá trình đều tuân thủ những định luật vật lý và có thể mô phỏng được Toàn bộ ba quá trình trên là liên tục và tạo nên động lực của quá trình xói mòn trên bề mặt lưu vực Có thể kể ra các mô hình phổ biến sau: Dự báo xói mòn do nước (WEPP), Lane và Nearing, 1989; Mô hình xói mòn châu Âu, Morgan, 1992; Chương trình dự báo xói mòn theo quá trình, Schramm, 1994 [3]:

Ưu điểm quan trọng nhất cần phải kể tới của mô hình nhận thức phức tạp là nó đã khắc phục nhiều nhược điểm của mô hình nhận thức đơn giản Cách mô phỏng sát với quá trình xói mòn trên bề mặt lưu vực, vì thế, cho phép xem xét phản ứng của hệ thống thuỷ văn khi muốn thay đổi một bộ phận hay toàn bộ cấu trúc của hệ thống

Nhược điểm dễ thấy của mô hình nhận thức phức tạp là đòi hỏi lượng thông tin đầu vào tương đối lớn và chính xác

1.3 Nghiên cứu xói mòn đất ở Việt Nam

Việt Nam có trên 3/4 diện tích tự nhiên là đồi núi với độ dốc cao, địa hình chia cắt phức tạp Trước đây hầu hết các diện tích đồi núi đều có rừng che phủ, ngày nay, do nhu cầu lương thực thực phẩm, nhu cầu gỗ trong công nghiệp và xây dựng cũng

như quá trình buông lỏng quản lí những năm đầu đổi mới làm cho diện tích rừng Việt Nam giảm mạnh Độ che phủ đất ngày càng giảm cùng với hiện tượng mưa tập trung theo mùa là nguyên nhân chính gây nên xói mòn vùng đất dốc và đang ảnh hưởng không nhỏ đến sản xuất Nông Lâm nghiệp các tỉnh miền núi Tuy vậy việc nghiên cứu xói mòn mới chỉ bắt đầu từ những năm 60 trở lại đây Một số tác giả đã nghiên cứu xói mòn đất ở Đông bắc, Tây bắc bằng các phương pháp đơn giản và trực quan như đóng cọc, dùng dây hoặc mô tả, đánh giá định tính quá trình xói mòn trong khoảng thời gian ngắn (4 năm 1961-1964) Sau đó, do chiến tranh (1965-1976), vấn đề xói mòn ít được quan tâm nghiên cứu Những công trình đầu tiên nghiên cứu xói mòn ở Việt Nam đáng chú ý là của các tác giả Nguyễn Quí Khải (1962), Nguyễn Xuân Khoát (1963), Tôn Gia Huyên (1963, 1964), Bùi Quang Toản (1965), Trần An Phong (1967) [17] Trong những năm 1977, 1978, các đề tài nghiên cứu xói mòn được triển khai trong nhiều chương trình khoa học cấp nhà nước như các chương trình Tây nguyên, Tây bắc, Môi trường Những công trình này đã đi sâu nghiên cứu ảnh hưởng của nhiều yếu tố đến xói mòn; phương pháp nghiên cứu định lượng, quan trắc, cân đo chính xác Đáng chú ý một số công trình của Bùi Quang Toản (1985), Đỗ Hưng Thành (1982), Phan Liên (1984), Nguyễn Quang Mỹ và nnk (1985, 1987) [6],[7], nghiên cứu về ảnh hưởng của các yếu tố địa hình tới xói mòn, Nguyễn Quang Mỹ đã có những tổng kết rằng hiện tượng xói mòn trên lãnh thổ Việt Nam là khá nghiêm trọng do ảnh hưởng của điều kiện tự nhiên và canh tác và có thể tóm tắt như sau [5]:

- Độ dốc tăng 2 lần, xói mòn tăng từ 2 đến 4 lần

- Chiều dài sườn tăng 2 lần, xói mòn tăng 2 đến 7,5 lần

- Hướng Đông, Đông nam, Tây nam, Tây, do năng lượng mặt trời chiếu nhiều, nhiệt độ tăng cao dẫn tới quá trình phong hoá khiến vật chất bị vỡ làm cho xói mòn tăng từ 1,8 đến 3,9 lần

- Sườn lồi tăng 2 đến 3 lần so với sườn thẳng Sườn lõm xói mòn yếu, sườn bậc thang xói mòn không đáng kể

Theo Nguyễn Quang Mỹ [6], lịch sử nghiên cứu xói mòn ở nước ta có thể chia thành 4 giai đoạn:

- Giai đoạn 1: Trước năm 1954

Giai đoạn này xói mòn đất hầu như chưa được nghiên cứu đưa lên thành lý luận Một số biện pháp canh tác chống xói mòn mang tính sơ khai như làm ruộng bậc thang, xây kè cống … mới bước đầu xuất hiện

- Giai đoạn 2: Từ 1954 đến 1975

Nghiên cứu về xói mòn đất ở Việt Nam có thể nói bắt đầu từ những năm 1960 Trong thời gian này, miền Bắc xây dựng nhiều nông trường, nông trang, các hợp tác xã nông nghiệp Ở khu vực trung du và miền núi nước ta chủ yếu là đất dốc, do đó vấn đề sử dụng hợp lý và có hiệu quả đất đai được nhiều người chú ý, nhất là Tây Bắc, Đông Bắc, Bắc Trường Sơn v.v Cán bộ kỹ thuật ở các nông trường, nông trang đã đề ra hàng loạt các biện pháp chống xói mòn

Giai đoạn này đã bắt đầu xuất hiện một số công trình nghiên cứu về xói mòn đất, nổi bật là công trình nghiên cứu của Nguyễn Ngọc Bình (1962), Nguyễn Quý Khải (1962), Cao Văn Bính (1962) về ảnh hưởng của độ dốc đến xói mòn đất, góp phần đưa ra các tiêu chí bảo vệ đất, sử dụng và khai thác đất dốc Các tác giả Tôn Gia Huyên, Chu Đình Hoàng, Nguyễn Xuân Kỳ, Nguyễn Quý Khải, Bùi Ngạnh (1963) [5] v.v đã tập trung nghiên cứu về xói mòn khu vực và biện pháp, công trình trồng cây xanh che phủ đất chống xói

mòn ở Tây bắc, Bắc Thái (cũ), Phú Thọ (cũ), Sơn La và Lào Cai Tuy mới là các nghiên cứu định tính, mô tả là chủ yếu nhưng những công trình nghiên cứu này đã góp phần xây dựng nên quy phạm tạm thời về "thiết kế trên đồi" của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn

Cuối giai đoạn này, các công trình nghiên cứu xói mòn đất tập trung nghiên cứu theo chiều sâu, đã có phân vùng xói mòn, xây dựng các trạm quan trắc định vị lâu dài Nổi bật là các công trình của Chu Đình Hoàng và Đào Khương về những nét đặc trưng chủ yếu của xói mòn vùng khí hậu nhiệt đới Việt Nam Những công trình nghiên cứu giai đoạn này bước đầu đã ứng dụng nhằm ngăn chặn, kiểm soát xói mòn đất trong canh tác Nông Lâm nghiệp

- Giai đoạn 3: Từ 1975 đến nay

Nhiều công trình nghiên cứu về xói mòn đất được triển khai trong giai đoạn này và áp dụng các phương pháp nghiên cứu hiện đại, xây dựng hàng loạt các khu quan trắc kiên cố như trạm nghiên cứu xói mòn An Châu (Hữu Lũng – Lạng Sơn), trạm Ekmat (Buôn ma thuột), trạm nghiên cứu xói mòn đất Tây nguyên Trong giai đoạn này các công trình nghiên cứu đã đi theo hướng định lượng như công trình nghiên cứu của Nguyễn Quang Mỹ [7] về xói mòn đất Nông nghiệp Tây nguyên và các nhân tố ảnh hưởng đến xói mòn Công trình của Phạm Ngọc Dũng (1991) [1] về ứng dụng phương trình mất đất phổ quát vào dự báo tiềm năng xói mòn đất và đưa ra các biện pháp chống xói mòn cho các tỉnh Tây nguyên Công trình này mở ra triển vọng cho việc ứng dụng phương trình Wischmeier W.H– Smith D.D vào dự báo xói mòn đất trong điều kiện nước ta hiện nay Năm 1996, Nguyễn Ngọc Lung và Võ Đại Hải đã công bố công trình nghiên cứu với tựa đề “Nghiên cứu tác dụng phòng hộ nguồn nước của một số thảm thực vật chính và các nguyên tắc xây dựng rừng phòng hộ nguồn nước”[4] Về mặt lý luận các tác

giả đã đánh giá được năng lực phòng hộ của một số dạng cấu trúc thảm thực vật rừng về mặt chống xói mòn

Một số nghiên cứu xói mòn phục vụ cho công tác tính toán bồi lắng cũng đáng được đề cập Vi Văn Vị và Trần Bích Nga [12] đã thử dự đoán lượng cát bùn bồi lấp lòng hồ Hoà Bình với lượng xói mòn được đề cập cho toàn lưu vực là từ 20.000 đến 40.000 tấn/km2

năm Nghiên cứu sự liên quan giữa xói mòn và trầm tích trên lưu vực sông đã dẫn tới những kết luận đáng chú ý

Không nhằm nghiên cứu xói mòn tại từng điểm, Lại Vinh Cẩm [16] sử dụng phương trình mất đất tổng quát (USLE) để đánh giá tiềm năng và mức độ xói mòn hiện tại của từng lưu vực (4 lưu vực lớn ở miền Bắc Việt Nam) Kết quả nghiên cứu về xói mòn tại các lưu vực được tích hợp với phân tích lưu vực nhằm chỉ ra các khu vực xói mòn nguy hiểm làm cơ sở cho đề xuất các biện pháp phòng tránh hữu hiệu nhằm mục tiêu phát triển bền vững [16]

Trong thời gian gần đây, khoảng từ những năm 90, với sự phát triển mạnh mẽ của hệ thông tin địa lý, một số nhà nghiên cứu Việt Nam cũng đã thử giải quyết bài toán xói mòn bằng cách mô hình hoá, sử dụng sức mạnh tính toán của công nghệ tin học Phương trình mất đất tổng quát (USLE) của Wischmeier và Smith được sử dụng rộng rãi trong các mô hình do tính minh bạch và dễ áp dụng của nó Điển hình cho các nghiên cứu loại này là của Trần Minh Ý, Lại Vinh Cẩm, Nguyễn Tứ Dần, Trần Thị Bích Nga [12],[13],[16]

Gần đây nhất , trong đề tài nghiên cứu cơ bản 74 06 01 [10], tác giả Vũ Anh Tuân đã ứng dụng phương trình mất đất tổng quát USLE để tính toán xói mòn Điểm đặc biệt là các thông tin về lớp phủ thực vật đã được xét đến “thông số lớp phủ thực vật” đã được thu nhận qua tư liệu viễn thám đa phổ UoSAT-12

Quá trình xói mòn đất làm phá hủy lớp thổ nhưỡng, rửa trôi dinh dưỡng trong đất, gây thoái hóa bạc mầu đất, làm giảm năng xuất cây trồng, thậm trí làm mất khả năng tồn tại và sinh tồn của cây trồng trên đất bị xói mòn Xói mòn còn gây nên hiện tượng bồi lắng sông hồ, ảnh hưởng nghiêm trọng đến khả năng lưu thông và tích trữ nước Hiện nay vấn đề bảo vệ đất chống xói mòn đã trở thành một vấn đề lớn và cấp bách của thế giới và ở Việt Nam Các đề tài nghiên cứu về xói mòn đất đang được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu

Sơn Động là huyện miền núi, địa hình phức tạp, độ dốc lớn, khí hậu có tính chất đặc thù, lượng mưa lớn với cường độ cao, đa phần nhân dân canh tác nông lâm nghiệp trên đất dốc nhưng chưa áp dụng những biện pháp canh tác khoa học Đây là những nguyên nhân cơ bản gây thoái hóa, xói mòn đất Tuy nhiên đến nay chưa có công trình khoa học nào nghiên cứu đánh giá xói mòn đất trên địa bàn huyện Sơn Động Vì vậy đề tài nghiên cứu đánh giá xói mòn đất và tìm ra biện pháp tác động phù hợp nhằm giảm thiểu xói mòn trên địa bàn là rất cần thiết và cấp bách

1.4 Ứng dụng hệ thống thông tin địa lý (GIS) trong đánh giá xói mòn đất

1.4.1 Sự hình thành và phát triển của GIS

Trong xã hội thông tin, thông tin địa lý giữ một vai trò rất quan trọng Khi cung cấp thông tin hoặc sự kiện, nhà cung cấp thông tin cần phải cho biết vật ấy, sự kiện ấy xảy ra ở đâu, khi nào, đó chính là thông tin địa lý (Geographic Information) [9]

Từ khi ra đời, hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System) phát triển với tốc độ mạnh, đã và đang được ứng dụng trong rất nhiều

ngành, lĩnh vực GIS đã phát triển từ những ứng dụng trên các đối tượng liên quan đến đất đai và biến đổi chậm như tài nguyên, môi trường đến những ứng dụng trong các lĩnh vực liên quan đến con người hoặc những đối tượng có tần số biến đổi nhanh như cơ sở kỹ thuật hạ tầng, kinh tế, xã hội

Với những ứng dụng ngày càng rộng rãi và phát triển mạnh mẽ trong các lĩnh vực kinh tế, xã hội, từ năm 1992, các nhà khoa học Mỹ đã xác lập một ngành khoa học mới: Khoa học thông tin địa lý (Geographic Information Science) Khoa học thông tin địa lý đã từng bước hoàn thiện các mô hình biểu diễn đối tượng, hoạt động, sự kiện và các quan hệ của chúng trong thế giới thực, đồng thời nghiên cứu phát triển các thuật toán lưu trữ, xử lý số liệu theo không gian và thời gian [9]

Có nhiều phần mềm GIS, để phù hợp với điều kiện tài chính và bản quyền, đề tài chọn phần mềm Mapinfo và Arcview là hai công cụ chính để lập bản đồ, chồng xếp và phân tích bản đồ, quản lí dữ liệu, xử lý và truy xuất thông tin

1.4.2 Ứng dụng GIS trực tiếp xây dựng bản đồ xói mòn

Như trình bày ở trên cho thấy GIS là công cụ mạnh có khả năng ứng dụng để đánh giá xói mòn đất Sử dụng trực tiếp GIS trong đánh giá, xây dựng bản đồ xói mòn đất được thực hiện qua 2 bước sau:

Bước 1: Xây dựng bản đồ hợp phần gồm 4 loại bản đồ sau: - Bản đồ thổ nhưỡng

- Bản đồ lượng mưa - Bản đồ địa hình - Bản đồ thảm thực vật

Bước 2: Sử dụng GIS tính toán để được bản đồ xói mòn đất

Các bước cụ thể được mô phỏng theo hình 1.2 dưới đây:

Hình 1.2: Ứng dựng GIS trực tiếp tính toán xói mòn

- Ưu điểm của phương pháp này: Nhanh, tốn ít công

- Nhược điểm: Độ tin cậy không cao, khi tạo thành bản đồ thành quả cần có những kiểm định thực tế

1.4.3 Ứng dụng GIS và mô hình hóa tính toán xói mòn đất

Với việc các mô hình tính toán xói mòn phong phú, đa dạng (như đã trình bày ở mục 1.2, 1.3), việc lựa chọn mô hình cần dựa trên yếu tố:

- Tính khả thi, bao gồm cả việc khả thi về dữ liệu và phương pháp

- Tính phù hợp về thông tin Các thông tin mà mô hình có thể đem lại (nghĩa là kết quả tính toán) phải đầy đủ, phù hợp với yêu cầu đặt ra

- Tính chính xác Mô hình được chọn phải có độ chính xác phù hợp với yêu cầu

Bản đồ thổ nhưỡng

Bản đồ xói mòn

đất GIS

Bản đồ lượng mưa

Bản đồ địa hình

Bản đồ thảm thực vật

Từ những yếu tố trên cho thấy USLE là một trong những mô hình phù hợp để đánh giá, tính toán xói mòn Sử dụng mô hình USLE trong đánh giá xói mòn đã là đề tài nghiên cứu của nhiều tác giả và cho thấy mô hình USLE có thể áp dụng cho tính toán xói mòn ở cấp độ khu vực hoặc một huyện (như nghiên cứu của đề tài) Tính tổng hợp của mô hình USLE là đề cập đến tất cả các nhân tố ảnh hưởng tới xói mòn một cách riêng biệt trong mối tương quan chặt chẽ Điều này cho phép tách riêng từng yếu tố để phân tích ảnh hưởng vai trò của chúng đến xói mòn và tìm ra biện pháp tác động phù hợp nhất

Với cách tiệm cận vấn đề theo từng thông số ảnh hưởng đến xói mòn, USLE có thể được tính toán bằng GIS Trình tự các bước cơ bản được thực hiện như sau:

Bước 1: Xây dựng các bản đồ hợp phần: - Bản đồ thổ nhưỡng

- Bản đồ lượng mưa - Bản đồ địa hình - Bản đồ thảm thực vật

Hình 1.3: Sử dụng mô hình USLE trong tính toán xói mòn bằng GIS

Hình 1.3 trên đây miêu tả việc sử dụng mô hình USLE trong tính toán xói mòn bằng hệ thống thông tin địa lý Các thông số của mô hình (các hệ số) được tính toán trên GIS từ các dữ liệu đầu vào (các bản đồ) Cuối cùng, dựa trên bản đồ hệ số, tính toán bản đồ xói mòn và bản đồ xói mòn tiềm năng

- Ưu điểm: Phương pháp này cho độ tin cậy cao, dễ phân cấp xói mòn - Nhược điểm: Cần hiểu rõ về GIS để thực hiện tốt các bước công việc trong khi đây là phần mềm tiên tiến với nhiều ứng dụng rất đa dạng, khó tìm hiểu, nắm bắt trong thời gian ngắn

Tuy nhiên, cần đặc biệt lưu ý đối với việc ứng dụng GIS trong tính toán xói mòn đất là số liệu đầu vào phải đồng bộ và thống nhất về khuôn mẫu, tọa độ và tiêu chuẩn Do đó, quan tâm đến việc xây dựng một cơ sở dữ liệu đủ tin cậy là yêu cầu hàng đầu trong việc ứng dụng GIS nói chung và ứng dụng GIS trong đánh giá xói mòn đất nói riêng

Bản đồ lượng mưa trung bình năm

Bản đồ địa hình

Bản đồ thổ nhưỡng

Bản đồ lớp phủ thực vật

Hệ số R Hệ số LS

Hệ số K

Hệ số C Hệ số P

Bản đồ xói mòn tiềm

năng

Bản đồ xói mòn

Bản đồ thành phần Bản đồ kết quả GIS

Cơ sở dữ liệu đầu vào

PP khác + GIS GIS GIS

CHƯƠNG II: ĐẶC ĐIỂM TỰ NHIÊN - XÃ HỘI KHU VỰC NGHIÊN CỨU

2.1 Điều kiện tự nhiên

Hình 2.1: Vị trí địa lý huyện Sơn Động

Các đơn vị hành chính của huyện gồm 20 xã và 02 thị trấn, trong đó các xã đa số là miền núi, vùng cao, dân tộc ít người, diện tích canh tác đất nông

nghiệp ít, đời sống của nhân dân còn gặp rất nhiều khó khăn, chủ yếu sống dựa vào rừng

tố ảnh hưởng lớn đến xói mòn đất qua việc ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ dòng chảy bề mặt

2.1.2 Khí hậu, thuỷ văn

- Mùa thu khí hậu tương đối mặt mẻ

- Mùa đông thời tiết thường rất lạnh và khô Về chế độ nhiệt

Nhiệt độ bình quân năm là 23,20C (T0

tb từ 2001-2006), nhiệt độ tháng cao nhất đạt 39,20C (ngày 07/5/2003), tháng thấp nhất chỉ còn 20

C (ngày 24/12/2001)

Về chế độ ẩm

Độ ẩm không khí của huyện Sơn Động dao động từ 66% đến 90%, trung bình là 72,46%; những tháng mùa hè độ ẩm không khí cao hơn những tháng mùa đông

Về chế độ mưa

Lượng mưa trung bình năm là 1704,3mm, tập trung từ tháng 6 đến tháng 8, chiếm khoảng 70% lượng mưa cả năm Trong một năm, lượng mưa tháng cao nhất đạt 555,1mm (tháng 8), tháng thấp nhất là 22,3mm (tháng 1)

Các thông tin về chế độ khí hậu huyện Sơn Động được tổng hợp trong bảng 2.1

Bảng 2.1: Một số thông tin về chế độ khí hậu huyện Sơn Động – Bắc Giang

bình (mm)

Nhiệt độ trung bình (0

C) Trung bình

năm

Tháng cao nhất

Tháng thấp nhất

Bảng 2.2: Lƣợng mƣa huyện Sơn Động năm 2007 theo tháng

(mm)

Số ngày mƣa (Ngày)

Lượng mưa các tháng trong năm huyện Sơn Động năm 2007 được thể hiện trong hình 2.3

Hình 2.3: Biểu đồ lượng mưa huyện Sơn Động, năm 2007

Bảng 2.2 và hình 2.3 cho thấy biến động về lượng mưa trong năm rất lớn Lượng mưa trong tháng 7,8,9, chiếm 75,9 % lượng mưa cả năm, còn lại các tháng khác lượng mưa không đáng kể Do địa hình khá phức tạp, độ dốc lớn nên ảnh hưởng của mưa bão đến khu vực nghiên cứu là rất lớn

Chế độ gió: Huyện Sơn Động chịu ảnh hưởng của hai loại gió mùa Gió mùa Đông Bắc thường xuất hiện vào mùa Đông, mùa Xuân kèm theo sương muối, mưa phùn và giá lạnh (kéo dài từ tháng 12 năm trước đến tháng 1,2,3 năm sau) Gió mùa Đông Nam thường xuất hiện vào mùa Hè, mùa Thu kèm theo là mưa to và rất to, nắng nóng và giông bão (kéo dài từ tháng 4 đến tháng 10)

2.1.2.2 Thuỷ văn

Sơn Động là huyện đầu nguồn của hệ thống sông Lục Nam, trên địa bàn huyện có hàng trăm con suối và nhiều hồ, đập lớn Có 4 sông đổ về hệ thống sông Lục Nam, đó là: sông An Châu bắt nguồn từ Vân Sơn, Hữu Sản; sông An Bá bắt nguồn từ An Lạc; sông Tuấn Đạo bắt nguồn từ Thanh Sơn, Thanh Luận; sông Cẩm Đàn bắt nguồn từ Chiêm Sơn

Hình 2.4: Hệ thống sông, suối huyện Sơn Động

(Nguồn: Hạt Kiểm lâm huyện Sơn Động, năm 2007)