7. Cấu trúc luận văn
1.3.1. Tư liệu viễn thám và hệ thống thông tin địa lí (GIS)
Tư liệu viễn thám với những ưu việt là tính cập nhật và đồng bộ về thông tin, tính khái quát hóa tự nhiên các đối tượng và khả năng phủ trùm rộng (một tấm ảnh chụp từ vệ tinh Landsat TM phủ trùm diện tích 32.400 km2, một tấm ảnh chụp từ vệ tinh SPOT phủ trùm diện tích 3.600 km2) và đã phủ trùm khắp mọi nơi trên Trái Đất. Cùng với sự phát triển mạnh về công nghệ như cung cấp thông tin ngày càng nhanh chóng, chính xác hơn, đã đem lại giá trị đích thực của phương pháp bản đồ trong nghiên cứu mối quan hệ và tác động qua lại của các đối tượng, các hiện tượng, như các đối tượng biến động thảm thực vật, tài nguyên rừng,... đem lại khả năng thực tiễn cho xu hướng thành lập bản đồ theo quan điểm đồng bộ, hệ thống. Hệ thống thông tin địa lý (GIS - Geographical Information Systems) có khả năng thu thập, cập nhật, quản trị và phân tích, thể hiện dữ liệu địa lý phục vụ các bài toán ứng dụng có liên quan tới vị trí địa lý của các đối tượng trên bề mặt trái đất là công cụ hỗ trợ đắc lực cho công tác quản lý, quy hoạch tài nguyên thiên nhiên và môi trường [14].
Viễn thám (Remote Sensing) là một khoa học sử dụng phương tiện thông tin bằng máy tính, công nghệ vũ trụ và kinh nghiệm của các chuyên gia, nhằm thu nhận các thông tin có ích về một vật hoặc một hiện tượng, xảy ra trên Trái Đất và quyển khí, bằng cách sử dụng các ảnh chụp về vật, hiện tượng dưới dạng ảnh, và ảnh số thu được từ các bộ cảm biến trên vệ tinh và công nghệ radar, mà không cần tiếp xúc trực tiếp vào các vật và các hiện tượng đó.
Công cụ viễn thám và GIS với các phần mềm có chức năng phân tích, xử lý dữ liệu nhanh ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Trong những năm gần đây, GIS được sử dụng như một công cụ
đắc lực trong công tác nghiên cứu, quản lý, khai thác cũng như bảo vệ môi trường. Các bản đồ quy hoạch, bản đồ xói mòn đất tiềm năng, bản đồ hiện trạng rừng, hiện trạng giao thông … có thể được thành lập bằng kĩ thuật GIS.
Nhìn chung, dữ liệu ảnh viễn thám thuận tiện cho việc thành lập bản đồ lớp phủ mặt đất, tạo các bản đồ chỉ số như chỉ số thực vật. Dựa vào độ phân giải thời gian của ảnh ta có thể nhận ra biến động lớp phủ mặt đất. Sản phẩm của dữ liệu viễn thám, kết hợp với dữ liệu GIS nhằm tạo ra thông tin hữu ích cho việc đánh giá, trợ giúp quyết định liên quan đến tài nguyên thiên nhiên nói chung và lớp phủ rừng nói riêng [14].
1.3.2. Thuậttoán tính tổn thất dòng chảy từ mưa.
Có nhiều phương pháp để tính toán tổn thất dòng chảy do thẩm thấu như:
- Phương pháp tốc độ thấm ban đầu và thấm ổn định (Intial and Constant Rate;
- Phương pháp chỉ số CN (SCS Curve Number); - Phương pháp tính thấm Green và Ampt;
- Phương pháp tính toán độ ẩm của đất (Soil Moisture Accounting). Dùng bất kỳ phương pháp nào ta đều tính được lượng tổn thất trung bình trong một thời đoạn tính toán, lượng mưa hiệu quả được dùng để tính toán đường quá trình dòng chảy ra cho lưu vực, tuy nhiên trong đề tài này, tác giả sử dụng phương pháp chỉ số CN (SCS Curve Number) để tính tổn thất do thẩm thấu, bởi phương pháp này dễ tính toán và cho kết quả khá chính xác hơn cả.
Phương pháp chỉ số CN (SCS Curve Number) do Cơ quan bảo vệ thổ nhưỡng Hoa Kỳ (1972) phát triển. Mục đích là thành lập một hệ thống phân loại đất để sử dụng trong bản đồ dùng đất trên toàn quốc. Trong một trận mưa, độ sâu mưa hiệu dụng hay độ sâu dòng chảy trực tiếp Pe không bao giờ vượt quá độ sâu mưa P. Tương tự như vậy, sau khi quá trình dòng chảy bắt
đầu, độ sâu nước bị cầm giữ có thực trên lưu vực Fa bao giờ cũng nhỏ hơn hoặc bằng một độ sâu nước cầm giữ tiềm năng tối đa S. Ta còn có một lượng mưa Ia bị tổn thất hết nên không sinh dòng chảy, đó là lượng tổn thất ban đầu trước thời điểm sinh nước đọng trên bề mặt lưu vực. Do đó, ta có lượng dòng chảy tiềm năng là P – Ia. Trong phương pháp SCS, người ta giả thiếtrằng: tỷ số giữa hai đại lượng có thực Pe và Fa thì bằng với tỷ số giữa hai đại lượng
tiềm năng P – Ia và S [44]. Vậy ta có:
a e a I P P S F (1.5) Từ nguyên lý liên tục, ta có: P = Pe + Ia + Fa (1.6) Kết hợp (1.1) và (1.2) để giải: S I P I P P a a e 2 (1.7)
Đó là phương trình cơ bản của phương pháp SCS để tính độ sâu mưa hiệu dụng hay dòng chảy trực tiếp từ một trận mưa.
Qua nghiên cứu các kết quả thực nghiệm trên nhiều lưu vực nhỏ, người ta đã xây dựng được qua hệ kinh nghiệm:
Ia = 0,2*S (1.8) do đó: S P S P Pe 8 , 0 2 , 0 2 (1.9)
Lập đồ thị quan hệ giữa P và Pe bằng các số liệu của nhiều lưu vực, người ta đã tìm ra được các đường cong. Để tiêu chuẩn hóa các đường cong này, người ta sử dụng số liệu của đường cong CN làm thông số. Đó là một số không thứ nguyên, lấy giá trị trong khoảng (0 CN 100). Đối với bề mặt không thấm nước hoặc mặt nước, CN = 100; đối với bề mặt tự nhiên, CN < 100.
Theo phương pháp này, lưu vực được chia thành các ô nhỏ và CN được tính toán cho từng ô nhỏ, sau đó lấy giá trị trung bình cho toàn lưu vực:
n i i n i i i A CN A II CN 1 1 ) ( (1.10)
Trong đó:
CN(II) là độ ẩm thời kỳ trước của đất trong điều kiện bình thường; Ai là diện tích của từng ô tính toán trên lưu vực; CNi là độ ẩm của từng ô tính toán; n là số ô tính toán.
Số hiệu của đường cong CN và S liên hệ với nhau qua phương trình:
(1.11)
Độ ẩm của đất trước trận mưa đang xét được gọi là độ ẩm kỳ trước. Độ ẩm này được chia thành ba nhóm: độ ẩm kỳ trước trong điều kiện bình thường (ký hiệu là AMC II), trong điều kiện khô (AMC I) và trong điều kiện ướt (AMC III).
Đối với điều kiện khô (AMC I) hoặc điều kiện ướt (AMC III), các số liệu đường cong tương đương có thể được suy ra như sau:
) ( * 0568 . 0 10 ) ( * 2 . 4 ) ( II CN II CN I CN (1.12); ) ( * 13 . 0 10 ) ( * 23 ) ( II CN II CN III CN (1.13)
Các số hiệu của đường cong CN đã được cơ quan bảo vệ thổ nhưỡng Hoa Kỳ lập thành bảng tính sẵn dựa trên phân loại đất và tình hình sử dụng đất. Đất được phân thành 4 nhóm đất thủy văn theo định nghĩa sẵn như sau:
Nhóm A: cát tầng sâu, hoàng thổ sâu và phù sa kết tập; Nhóm B: hoàng thổ nông, đất mùn pha cát;
Nhóm C: mùn pha sét, mùn pha cát tầng nông, đất có hàm lượng chất hữu cơ thấp và đất pha sét cao;
Nhóm D: đất nở ra rõ rệt khi ướt, đất sét dẻo nặng và đất nhiễm mặn. Nếu lưu vực tạo thành bởi nhiều loại đất và có nhiều tình hình sử dụng đất khác nhau, ta có thể tính một giá trị hỗn hợp của CN [32,44].
1.4. Quy trình và phƣơng pháp nghiên cứu đề tài Thu thập dữ liệu Dữ liệu vệ tinh Dữ liệu thổ nhưỡng Bảng tra nhóm đất thủy văn Phân loại lớp phủ cho 3 năm Hiện trạng rừng 2009 Hiện trạng rừng 2013 Hiện trạng rừng 2018 Biến động lớp phủ rừng 2009 - 2013 Biến động lớp phủ rừng 2013 - 2018 Biến động lớp phủ rừng 2009 - 2018 Nhóm đất Thủy văn
CN cho mỗi loại hiện trạng 2018 CN cho mỗi loại
hiện trạng 2013 CN cho mỗi loại
hiện trạng 2009 Cn trung bình cho từng tiểu lưu vực 2009 CN trung bình cho từng tiểu lưu vực 2013 CN trung bình cho từng tiểu lưu vực 2018 Tương quan giữa sự
thay đổi độ che phủ rừng và hệ số CN
Kết luận
Chồng xếp hiện trang lớp phủ từng năm với nhóm đất thủy văn Dữ liệu
thực địa
Hình 1. 9. Sơ đồ quy trình và phƣơng pháp nghiên cứu
+ Dữ liệu vệ tinh được lấy từ ảnh landsat 5 và 8 của ba năm 2009, 2013 và 2018 (phụ lục 3). Trong giai đoạn 2009 – 2018 đã liên tiếp xảy ra nhiều trận lũ lớn như năm 2009, 2013 và 2016, vì vậy đề tài chọn các mốc thời gian này nhằm cho thấy kết quả nghiên cứu có mối liên hệ mật thiết với thực tiễn trên lưu vực.
+ Để tạo khóa giải đoán cũng như kiểm chứng độ chính xác sau phân loại, tác giả tiến hành thu thập dữ liệu thực địa hai lần (phụ lục 1 và 2). Để thành lập bản đồ hiện trạng lớp phủ rừng, đề tài sử dụng phần mềm Envi để phân loại sau đó thành lập bản đồ hiện trạng cũng như chồng xếp, tạo bản đồ biến động trên phần mềm Arcgis 10.4.
+ Để tính hệ số CN, đề tài tiến hành thu thập thêm dữ liệu bản đồ thổ nhưỡng tỉnh Bình Định tỉ lệ 1:100.000 sau đó cắt theo ranh giới lưu vực sông
Kôn (ranh giới lưu vực được chia bởi phần mềm SWAT từ DEM địa hình có độ phân giải không gian 30m). Dựa vào thành phần cơ giới và khả năng thấm nước của đất (phụ lục 5), đề tài tiến hành phân các loại đất có trên lưu vực thành 3 nhóm đất thủy văn.
+ Để tính hệ số CN cho mỗi loại hiện trạng lớp phủ, tác giả tiến hành chồng xếp nhóm đất thủy văn với hiện trạng lớp phủ trong phần mềm Argis 10.4, kết hợp bảng tra CN do cơ quan bảo vệ thổ nhưỡng Hoa Kì thành lập bảng tính sẵn. Để tính CN trung bình cho mỗi loại hiện trạng, đề tài tiến hành chia lưu vực lớn ra thành 13 tiểu lưu vực và phân ra thành 3 vùng: Thượng lưu, Trung lưu và Hạ lưu trên cơ sở độ dốc của địa hình, sau đó tính CN trung bình ở mỗi tiểu lưu vực trong Arcgis 10.4. Sau khi có CN trung bình của 13 tiểu lưu vực, đề tài tiến hành so sánh tương quan giữa hệ số CN trung bình với sự thay đổi lớp phủ rừng, đánh giá mối quan hệ bằng mô hình hồi quy tuyến tính trong Excel.
CHƢƠNG 2: ĐÁNH GIÁ ẢNH HƢỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN, KINH TẾ-XÃ HỘI Ở KHU VỰC NGHIÊN CỨU
ĐẾN LỚP PHỦ RỪNG VÀ DÒNG CHẢY MẶT LƢU VỰC SÔNG KÔN
2.1. Điều kiện tự nhiên của khu vực nghiên cứu
2.1.1. Vị trí địa lí
Sông Kôn bắt nguồn từ các vùng núi của tỉnh Gia Lai và huyện An Lão chảy qua huyện Vĩnh Thạnh xuống huyện Tây Sơn và đến khu vực đập Bảy Yển (cuối huyện Tây Sơn, đầu huyện An Nhơn) chia thành 2 sông chính: sông Tân An (xuống hạ lưu gồm có nhiều sông) chảy theo huớng Đông - Nam qua một số phường của thị xã An Nhơn, Tuy Phước và đổ ra đầm Thị Nại; sông Đập Đá (xuống hạ lưu gồm có nhiều sông) chảy theo hướng Đông - Bắc qua một số
phường của thị xã An Nhơn, Phù Cát và đổ ra đầm Thị Nại thuộc xã Cát Chánh và Cát Thắng.
Sông Kôn có diện tích lưu vực là 3.067 km2, dài 178 km, độ dốc lưu vực 18,3% và mật độ lưới sông 0,92 km/km2. Phía Bắc giáp lưu vực sông Lại Giang, phía Nam giáp lưu vực sông Hà Thanh, phía Tây giáp lưu vực sông Ba, phía Đông giáp biển.
2.1.2. Địa hình, địa mạo
Do được hình thành trên sườn phía Đông của dãy Trường Sơn Nam,
lưu vực sông Kôn có hướng dốc chính theo hướng từ Tây sang Đông với độ chênh lệch khá cao (khoảng 1.000m), độ cao trung bình so với mặt biển là 700m. Độ dốc bình quân lưu vực 15,8%. Độ cao bình quân lưu vực 567m. Độ dốc đáy sông phần thượng lưu đạt trung bình 9,5‰, phần trung lưu đạt 0,6‰, còn phần hạ lưu dưới 0,4‰. Bề mặt địa hình chuyển tiếp từ núi cao qua vùng gò đồi xuống đồng bằng nên có thể phân thành các vùng địa hình đặc trưng:
- Vùng núi cao: Khu vực thượng lưu sông Kôn do núi cao, sườn dốc nên các khe sâu địa hình cắt xén rất phức tạp, lưu vực sông có dạng lông chim.
- Vùng gò đồi: Đây là vùng trung gian giữa miền núi và đồng bằng, gồm nhiều gò đồi nhấp nhô xen kẽ nhau. Độ cao trung bình trên dưới 200m, cấu tạo chủ yếu bởi đá Granit ở những nơi tương đối cao bằng phẳng có độ cao từ 30 – 40 m. Độ dốc khá lớn, lớp phủ thực vật ít.
- Vùng đồng bằng: thuộc hạ lưu sông Kôn, từ cao độ 20m trở xuống. Tuy vậy vẫn mang tính chất của các cánh đồng ven biển miền Trung, bị chia cắt bởi các núi sót thấp và lan ra tận biển nên vùng châu thổ không đồng nhất, trong đó có phần đồng bằng hay bị ngập lụt do tiêu thoát nước không kịp [35].
Bảng 2. 1. Phân bố diện tích lƣu vực theo độ cao
STT Khoảng cao độ (m) Diện tích (ha) STT Khoảng cao độ (m) Diện tích (ha) 1 ≤0,5 1.461,3 7 5,0 - 6,0 1.751,1 2 0,5 - 1,0 2.137,2 8 6,0 - 7,0 1.083,9 3 1,0 - 2,0 3.250,5 9 7,0 - 8,0 835.4 4 2,0 - 3,0 3.504,8 10 8,0 - 9,0 651,3 5 3,0 - 4,0 2.904,3 11 9,0 - 10,0 544,0 6 4,0 - 5,0 2.510,8 (Nguồn: [11]) 2.1.3. Đặc điểm khí hậu
Khu vực nghiên cứu nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa, có khí hậu nóng ẩm quanh năm. Do địa hình khu vực bị che chắn bởi dãy Truờng Sơn ở phía Tây và các dãy núi ngang chuyển tiếp từ suờn phía Đông của dãy
Trường Sơn đâm ra biển nên khí hậu mang nhiều tính chất riêng biệt so với các khu vực khác cùng vĩ độ.
2.1.3.1. Chế độ nắng
Các tháng mùa khô số giờ nắng cao, các tháng ít nắng là những tháng mùa mưa. Tháng IV, V là tháng có số giờ nắng cao nhất với tổng giờ nắng trung bình 260 giờ trở lên, tháng XII là tháng có số giờ nắng nhỏ nhất trung bình 106 giờ. Trung bình ngày tháng IV là 8,4 giờ/ngày, tháng V là 8,6 giờ/ngày, trong khi tháng XII chỉ là 3,4 giờ/ ngày.
(Nguồn: [5])
Như vậy, số giờ nắng của tháng ít nắng nhất chỉ xấp xỉ bằng một nửa số giờ nắng của tháng cực đại. Sự chênh lệch số giờ nắng này cũng phản ánh rõ nét sự tương phản giữa hai mùa: mùa khô và mùa mưa.
2.3.1.2. Chế độ mưa
Mưa trên lưu vực sông Kôn phân bố không đều theo không gian và thời gian trong năm cũng như giữa các năm.
* Phân bố mưa theo không gian:
Phân bố theo không gian của lượng mưa ở lưu vực sông Kôn rất không đồng đều. Lượng mưa năm trung bình đo đạc được ở nơi nhiều mưa nhất và ít mưa nhất chênh lệch nhau rất lớn.
Vùng núi Vĩnh Sơn và vùng núi phía Bắc là hai khu vực có lượng mưa lớn nhất tỉnh, tổng lượng mưa năm trung bình từ 2.220 – 3.030 mm với trung tâm mưa lớn nhất thuộc huyện miền núi An Lão. Vùng mưa lớn thứ hai là vùng núi Vĩnh Kim thuộc trung lưu sông Kôn, huyện Vân Canh thượng nguồn sông Hà Thanh và các huyện ven biển phía Bắc của tỉnh từ 2.000 – 2.180 mm. Những vùng còn lại như vùng ven biển phía Nam của tỉnh, huyện Tây Sơn, phía đông huyện miền núi Vĩnh Thạnh và lưu vực hạ lưu sông Kôn lượng mưa năm trung bình đạt từ 1.610 – 1.880 mm trong đó tâm mưa thấp nhất là khu vực Tân An và các xã phía Đông huyện Tuy Phước với lượng mưa năm trên dưới 1.600 mm.
* Phân bố mưa theo thời gian:
Mùa mưa thường bắt đầu từ tháng IX đến tháng XII, chiếm khoảng 70 – 75% tổng lượng mưa năm. Lượng mưa lớn nhất tập trung vào hai tháng X,