Mô hình hóa ảnh hưởng của kiểu sử dụng đất tới dòng chảy mặt và xói mòn tại một lưu vực nhỏ

1i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi hướng dẫn khoa học TS Phí Đăng Sơn Các nội dung nghiên cứu, kết đề tài trung thực chưa công bố hình thức trước Những số liệu bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá tác giả thu thập từ nguồn khác nhau, có ghi rõ phần tài liệu tham khảo Hà Nội, ngày 09 tháng 10 năm 2015 Tác giả luận văn Sầm Thị Phương Thanh 2ii LỜI CẢM ƠN Để hồn thành chương trình đào tạo cao học, đồng ý Khoa Đào tạo Sau Đại học, trường đại học Lâm nghiệp Việt Nam, hướng dẫn TS Phí Đăng Sơn, tơi thực đề tài: “Mơ hình hóa ảnh hưởng kiểu sử dụng đất tới dịng chảy mặt xói mịn lưu vực nhỏ” Nhân dịp hồn thành luận văn này, xin chân thành cảm ơn đến Ban giám hiệu nhà trường, thầy cô Khoa đào tạo sau đại học, thầy cô giáo trực tiếp giảng dạy, thầy giáo ngồi trường tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tơi trình học tập thực tập làm luận văn tốt nghiệp Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến TS Phí Đặng Sơn bồi dưỡng cho tơi kiến thức q báu từ hình thành ý tưởng xây dựng đề cương, phương pháp luận hồn thành luận văn Đồng thời tơi xin cảm ơn tới ThS Đặng Đình Chất cung cấp cho số liệu cần thiết giúp đỡ tơi hiểu thêm mơ hình ngồi thực địa để hồn thành luận văn Tơi xin cảm ơn tới UBND xã Yên Bài, cán nhân viên tạo điều kiện cho trình thu thập số liệu viết luận văn Gửi lời cảm ơn tới anh chị lớp, bạn bè người thân động viên giúp đỡ suốt thời gian qua Mặc dù cố gắng, quỹ thời gian trình độ cịn hạn chế nhiều mặt nên luận văn khơng thể tránh khỏi thiếu sót định Tơi mong nhận ý kiến đóng góp bổ sung thầy cô giáo, bạn bè đồng nghiệp để luận văn hồn chỉnh Tơi xin cam đoan nghiên cứu riêng cá nhân tơi Các số liệu trung thực, trích dẫn rõ ràng chưa công bố cơng trình khác Tơi xin chân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày 09 tháng 10 năm 2015 Sầm Thị Phương Thanh iii MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh mục từ viết tắt vi Danh mục bảng .vii Danh mục sơ đồ, hình viii ĐẶT VẤN ĐỀ Chương TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Khái niệm tác hại xói mịn đất 1.2 Nghiên cứu xói mịn đất giới 1.3 Nghiên cứu xói mịn đất Việt Nam 1.4 Các phương pháp nghiên cứu xói mịn đất 11 1.4.1 Phương pháp cắm cọc 12 1.4.2 Phương pháp cầu xói mịn 12 1.4.3 Phương pháp nghiên cứu xói mịn, bồi lấp kỹ thuật Cs-137 13 1.4.4 Phương pháp hệ thống thông tin địa lý viễn thám 13 1.4.5 Phương pháp hàng rào xói mịn hay hàng rào chất lắng đọng 14 1.4.6 Phương pháp sử dụng hệ thống ô xây – bể hứng 14 1.4.7 Phương pháp tái tạo mưa 15 1.5 Mơ hình WEPP (Water Erosion Prediction Project) đánh giá ảnh hưởng kiểu sử dụng đất tới dòng chảy mặt xói mịn 16 1.5.1 Sự hình thành phát triển WEPP 16 1.5.2 Thông tin đầu vào WEPP 19 Chương MỤC TIÊU - NỘI DUNG - PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 21 iv 2.1 Mục tiêu nghiên cứu 21 2.1.1 Mục tiêu tổng quát 21 2.1.2 Mục tiêu cụ thể 21 2.2 Giới hạn 21 2.3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 21 2.4 Nội dung nghiên cứu 21 2.4.1 Đánh giá khả dự đốn mơ hình 21 2.4.2 Khảo sát ảnh hưởng kiểu sử dụng đất tới xói mịn 22 2.4.3 Đề xuất kiểu sử dụng đất hiệu cho khu vực nghiên cứu 22 2.5 Phương pháp nghiên cứu 23 2.5.1 Phương pháp thu thập số liệu 23 2.5.2 Hiệu chỉnh tham số mơ hình 23 2.5.3 Nghiên cứu ảnh hưởng kiểu sử dụng đất tới lượng đất 24 Chương ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN – THỰC TRẠNG PHÁT TRIỂN KINH TẾ XÃ YÊN BÀI, BA VÌ, HÀ NỘI 25 3.1 Điều kiện tự nhiên 25 3.1.1 Vị trí địa lý 25 3.1.2 Địa hình, địa mạo 25 3.1.3 Khí hậu, thời tiết thủy văn 25 3.1.4 Thủy văn 26 3.1.5 Tài nguyên đất 26 3.1.6 Tài nguyên nước 27 3.1.7 Tài nguyên rừng 27 3.1.8 Thực trạng môi trường 27 3.2 Thực trạng phát triển kinh tế 28 3.2.1 Kinh tế nông nghiệp 28 3.2.2 Kinh tế Công nghiệp – Tiểu thủ công nghiệp 29 5v 3.2.3 Kinh tế Dịch vụ 29 Chương KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 30 4.1 Đánh giá khả dự đốn mơ hình 30 4.1.1 Mơ hình xói mịn 30 4.1.2 Hiệu chỉnh tham số mơ hình WEPP 33 4.2 Khảo sát ảnh hưởng kiểu sử dụng đất tới xói mịn dịng chảy mặt 40 4.2.1 Xây dựng “Kịch bản” mơ hình 40 4.2.2 Lượng dòng chảy mặt xói mịn đất 45 4.2.3 Thảo luận 61 4.3 Đề xuất kiểu sử dụng đất hiệu cho khu vực nghiên cứu 65 Chương KẾT LUẬN - TỒN TẠI - KHUYẾN NGHỊ 67 5.1 Kết luận 67 5.2 Tồn 68 5.3 Khuyến nghị 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Viết tắt Chú giải CĐ Cực đại D1.3 Đường kính 1.3 Dt Đường kính tán Hdc Chiều cao cành HS Hệ số HS XM Hệ số xói mòn Hvn Chiều cao vút OFE Overland Flow Element STT Số thứ tự TTi Trầm tích UBND Ủy ban nhân dân vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 4.1 Đặc trưng cấu trúc tầng cao keo tai tượng tuổi 31 Bảng 4.2 Bảng tiêu phân tích đất 31 Bảng 4.3 Bảng tính lượng đất theo mơ hình WEPP với số liệu thực nghiệm 32 Bảng 4.4 Bảng lượng xói mịn tính theo mơ hình WEPP với số liệu hiệu chỉnh 34 Bảng 4.5 Bảng đo dịng chảy mặt theo mơ hình WEPP 36 Bảng 4.6 Số liệu lượng mưa độ ẩm đất cho mơ hình 41 Bảng 4.7 Cấu trúc sườn dốc lý thuyết 42 Bảng 4.8 Lượng dịng chảy mặt xói mịn theo tính tốn lý thuyết cho kiểu sử dụng đất rừng trồng dạng sườn dốc 46 Bảng 4.9 Lượng dịng chảy mặt xói mịn theo tính tốn lý thuyết cho kiểu sử dụng đất trồng ngô dạng sườn dốc 49 Bảng 4.10 Lượng dòng chảy mặt xói mịn theo tính tốn lý thuyết cho kiểu sử dụng đất hoang hóa (trảng cỏ) kiểu sử dụng đất 51 Bảng 4.11 Kiểm tra thống kê ảnh hưởng dạng sườn dốc tới dịng chảy mặt, xói mịn lượng đất 54 Bảng 4.12 Kiểm tra thống kê ảnh hưởng dạng sườn dốc tới dịng chảy mặt, xói mịn lượng đất 55 Bảng 4.13 Lượng dịng chảy mặt xói mịn theo tính tốn lý thuyết 58 cho kiểu sử dụng đất sườn dốc dạng lồi 58 Bảng 4.14 Mức độ xói mịn phương thức sử dụng đất khác 63 viii DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ, HÌNH Sơ đồ 2.1 Sơ đồ khảo sát ảnh hưởng kiểu sử dụng đất tới xói mịn 22 Hình 4.1 Hình ảnh lý thuyết xói mịn 30 Hình 4.2 Đồ thị lượng đất với trận mưa 12 mơ hình WEPP 38 Hình 4.3 Đồ thị lượng đất trận mưa 14 mơ hình WEPP 39 Hình 4.4 Ví dụ ba trạng thái thảm thực vật sườn dốc mơ hình WEPP 40 Hình 4.5 Mơ hình sườn dốc dạng lồi 43 Hình 4.6 Mơ hình sườn dốc dạng lõm 43 Hình 4.7 Mơ hình sườn dốc dạng chữ S 44 Hình 4.8 Hình dạng dốc lượng đất bị xói mịn (miền xám) cho trận mưa số 12 ba kiểu sử dụng đất sườn dốc dạng lồi 60 ĐẶT VẤN ĐỀ Xói mịn đất coi ngun nhân gây thối hóa tài ngun đất nghiêm trọng đặc biệt vùng đồi núi Xói mịn làm dần chất dinh dưỡng dẫn tới suy thoái gây tác hại nghiêm trọng cho sản xuất nông nghiệp Đây rủi ro nghiêm trọng không cho sản xuất nông nghiệp, mà cịn cho ngành khác lâm ngiệp, giao thơng vận tải đời sống nhân dân Xói mịn đất có liên hệ trực tiếp, chặt chẽ với trạng thái thảm thực vật Các kiểu sử dụng đất, bao gồm kỹ thuật áp dụng nhân tố quan trọng việc làm gia tăng hay giảm thiểu xói mịn đất Ở Việt Nam, đặc biệt khu vực miền núi, với đặc điểm mưa nhiều cường độ mưa lớn, xói mịn đất thách thức Các biện pháp sinh học, kỹ thuật canh tác nhằm giảm xói mịn đất cần thiết cần nghiên cứu đầy đủ Việc đưa giải pháp giảm thiểu xói mịn, trước tiên cần thực mơ hình thí nghiệm ngồi thực địa Các mơ hình vật lý cho phép đánh giá trực tiếp tác động đến xói mịn, lượng đất bề mặt điều kiện, ví dụ kiểu sử dụng đất, nghiên cứu Tuy nhiên hướng nghiên cứu thực nghiệm có hạn chế mặt thời gian, thí nghiệm đòi hỏi thực thời gian tương đối dài Mặt khác đồng yếu tố không so sánh khó đảm bảo thiết kế thí nghiệm thực địa Một hướng nghiên cứu kết hợp thí nghiệm vật lý mơ hình hóa, hay “thí nghiệm ảo” Trong lĩnh vực nghiên cứu xói mịn đất nước, có nhiều mơ hình phát triển Về bản, mơ hình xếp vào hai nhóm: mơ hình thực nghiệm (điển hình USLE/RUSLE) mơ hình dựa mơ q trình vật lý (WEPP ví dụ).Việc đánh giá, so sánh khả ứng dụng mơ hình nghiên cứu xói mịn đất liên quan đến kiểu sử dụng đất hay biện pháp bảo vệ đất hạn chế Vì vậy, tơi lựa chọn đề tài: “Mơ hình hóa ảnh hưởng kiểu sử dụng đất tới dịng chảy mặt xói mịn lưu vực nhỏ” để phục vụ cho luận văn tốt nghiệp thạc sỹ Thông qua việc xây dựng mơ hình thí nghiệm đó, đánh giá khả mơ hình độ xác, khả ứng dụng vào thực tế nhằm đưa dự đoán định lượng xói mịn đất tương lai thời gian ngắn 81 Test Statistics(a,b) dongchay Chi-Square 2.069 df Asymp Sig .355 a Kruskal Wallis Test b Grouping Variable: dang Hình 1.3: Lượng trầm tích bị cho KSDĐ rừng trồng Ranks dang Mean N Rank 1.000 20 32.00 tramtich 2.000 20 29.00 3.000 20 30.50 Total 60 Test Statistics(a,b) tramtich Chi-Square 2.069 df Asymp Sig .355 a Kruskal Wallis Test b Grouping Variable: dang Lượng dịng chảy mặt xói mịn theo tính tốn lý thuyết cho kiểu sử dụng đất trồng ngô dạng sườn dốc 82 Hình 2.1: Dịng chảy mặt cho KSDĐ trồng ngô Ranks dang N Mean Rank 1.000 20 32.50 dongchay 2.000 20 26.40 3.000 20 32.60 Total 60 Test Statistics(a,b) dongchay Chi-Square 1.718 df Asymp Sig 0.424 a Kruskal Wallis Test b Grouping Variable: dang Hình 2.2: Lượng đất bị xói mịn cho KSDĐ trồng ngơ Ranks xoimon dang N Mean Rank 1.000 20 37.28 2.000 20 21.00 3.000 20 33.23 Total 60 Test Statistics(a,b) xoimon Chi-Square 9.777 df Asymp Sig 0.008 83 a Kruskal Wallis Test b Grouping Variable: dang Hình 2.3: Lượng trầm tích bị cho KSDĐ trồng ngơ Ranks dang N Mean Rank 1.000 20 37.30 tramtich 2.000 20 20.98 3.000 20 33.23 Total 60 Test Statistics(a,b) tramtich ChiSquare df Asymp Sig 9.832 0.007 a Kruskal Wallis Test b Grouping Variable: dang Lượng dịng chảy mặt xói mịn theo tính tốn lý thuyết cho kiểu sử dụng đất hoang hóa (trảng cỏ) dạng sườn dốc 84 Hình 3.1: Dịng chảy mặt cho KSDĐ trồng cỏ Ranks dang N Mean Rank 1.000 20 32.75 dongchay 2.000 20 25.80 3.000 20 32.95 Total 60 Test Statistics(a,b) dongchay Chi-Square 2.235 df Asymp Sig 0.327 a Kruskal Wallis Test b Grouping Variable: dang Hình 3.2: Lượng đất bị xói mòn cho KSDĐ trồng cỏ Ranks xoimon dang N Mean Rank 1.000 20 39.45 2.000 20 20.33 3.000 20 31.73 Total 60 85 Test Statistics(a,b) xoimon Chi-Square 12.485 df Asymp Sig 0.002 a Kruskal Wallis Test b Grouping Variable: dang Hình 3.3: Lượng trầm tích bị cho KSDĐ trồng cỏ Ranks dang N Mean Rank 1.000 20 37.30 tramtich 2.000 20 20.98 3.000 20 33.23 Total 60 Test Statistics(a,b) tramtich Chi-Square 9.832 df Asymp Sig 0.007 a Kruskal Wallis Test b Grouping Variable: dang Lượng dòng chảy mặt xói mịn theo tính tốn lý thuyết cho sườn dốc dạng lồi dạng kiểu sử dụng đất 86 Hình 4.1: Dịng chảy mặt cho sườn dốc dạng lồi Ranks kieusudungdat N Mean Rank 20 17.95 dongchay 20 36.65 20 36.90 Total 60 Test Statistics(a,b) dongchay Chi-Square 17.464 df Asymp Sig .000 a Kruskal Wallis Test b Grouping Variable: kieusudungdat Hình 4.2: Lượng đất bị xói mịn cho sườn dốc dạng lồi Ranks kieusudungdat N Mean Rank 20 18.55 xoimon 20 39.38 20 33.58 Total 60 87 Test Statistics(a,b) xoimon Chi-Square 17.077 df Asymp Sig .000 a Kruskal Wallis Test b Grouping Variable: kieusudungdat Hình 4.3: Lượng trầm tích bị cho sườn dốc dạng lồi Ranks kieusudungdat N Mean Rank 20 18.00 tramtich 20 39.40 20 34.10 Total 60 Test Statistics(a,b) tramtich Chi-Square 18.361 df Asymp Sig .000 a Kruskal Wallis Test b Grouping Variable: kieusudungdat Lượng dịng chảy mặt xói mịn theo tính tốn lý thuyết cho sườn dốc dạng lõm dạng kiểu sử dụng đất 88 Hình 5.1: Dòng chảy mặt cho sườn dốc dạng lõm Ranks dongchay kieusudungdat N Mean Rank 20 18.50 20 36.80 20 36.20 Total 60 Test Statistics(a,b) tramtich Chi-Square 18.079 df Asymp Sig .000 a Kruskal Wallis Test b Grouping Variable: kieusudungdat Hình 5.2: Lượng đất bị xói mòn cho sườn dốc dạng lõm Ranks xoimon kieusudungdat N Mean Rank 20 18.50 20 37.08 20 35.93 Total 60 89 Test Statistics(a,b) xoimon Chi-Square 18.149 df Asymp Sig .000 a Kruskal Wallis Test b Grouping Variable: kieusudungdat Hình 5.3: Lượng trầm tích bị cho sườn dốc dạng lõm Ranks tramtich kieusudungdat N Mean Rank 20 18.50 20 37.00 20 36.00 Total 60 Test Statistics(a,b) xoimon Chi-Square 18.108 df Asymp Sig .000 a Kruskal Wallis Test b Grouping Variable: kieusudungdat Lượng dịng chảy mặt xói mịn theo tính tốn lý thuyết cho sườn dốc dạng chữ S dạng kiểu sử dụng đất 90 Hình 6.1: Dịng chảy mặt cho sườn dốc dạng chữ S Ranks dongchay kieusudungdat N Mean Rank 20 17.38 20 36.90 20 37.23 Total 60 Test Statistics(a,b) dongchay Chi-Square 19.366 df Asymp Sig .000 a Kruskal Wallis Test b Grouping Variable: kieusudungdat Hình 6.2: Lượng đất bị xói mịn cho sườn dốc dạng chữ S Ranks xoimon kieusudungdat N Mean Rank 20 17.63 20 40.03 20 33.85 Total 60 91 Test Statistics(a,b) xoimon Chi-Square 20.063 df Asymp Sig .000 a Kruskal Wallis Test b Grouping Variable: kieusudungdat Hình 6.3: Lượng trầm tích bị cho sườn dốc dạng chữ S Ranks tramtich kieusudungdat N Mean Rank 20 17.58 20 40.05 20 33.88 Total 60 Test Statistics(a,b) tramtich Chi-Square 20.205 df Asymp Sig .000 a Kruskal Wallis Test b Grouping Variable: kieusudungdat 92 PHỤ LỤC ẢNH Phẫn diện đất nghiên cứu 93 MỘT VÀI KIỂU SỬ DỤNG ĐẤT Ở XÃ YÊN BÀI Ảnh 2: Rừng trồng Keo tai tượng tuổi 94 Rừng trồng Keo tai tượng 95 Trồng Keo kết hợp với trồng cỏ sườn đồi ... ứng dụng mơ hình nghiên cứu xói mịn đất liên quan đến kiểu sử dụng đất hay biện pháp bảo vệ đất cịn hạn chế Vì vậy, tơi lựa chọn đề tài: “Mơ hình hóa ảnh hưởng kiểu sử dụng đất tới dịng chảy mặt. .. mô hình dựa kết nghiên cứu xói mịn 2.4.2 Khảo sát ảnh hưởng kiểu sử dụng đất tới xói mịn Mơ hình hóa kiểu sử dụng đất thực thông qua việc xây dựng “kịch bản” Các “kịch bản” tập trung vào kiểu sử. .. chảy mặt xói mịn theo tính tốn lý thuyết cho kiểu sử dụng đất hoang hóa (trảng cỏ) kiểu sử dụng đất 51 Bảng 4.11 Kiểm tra thống kê ảnh hưởng dạng sườn dốc tới dịng chảy mặt, xói mịn lượng đất