Cháy rừng xảy ra khi có đồng thời 3 yếu tố: ôxy, VLC và nguồn nhiệt. Tùy thuộc vào đặc điểm ba yếu tố trên mà cháy rừng có thể được hình thành, phát triển hay bị ngăn chặn hoặc suy yếu đi [2][3][28].
- Nguồn nhiệt: là yếu tố duy nhất không sẵn có trong rừng. Nhiệt độ cần để đốt cháy VLC ở thời điểm ban đầu gọi là điểm bén lửa. Các VLC trong rừng thường có điểm bén lửa trong khoảng từ 220 - 250oC. Hầu hết nguồn nhiệt gây cháy rừng được xuất phát từ các hoạt động của con người như là: đốt nương làm rẫy, đốt xử lý thực bì, thắp hương tảo mộ, đốt săn thú, bắt ong, nấu ăn, du lịch, bom, đạn còn lại trong chiến tranh, thậm chí còn do thù hằn...
- Ô xy là yếu tố không thể thiếu được để duy trì sự cháy. Ô xy luôn có trong không khí với tỷ lệ khoảng 21%. Nếu nồng độ ô xy dưới 15%, sự cháy không duy trì được. Dưới tán rừng tỷ lệ này có thể thấp hơn một chút do quá trình phân giải một số hợp chất hữu cơ làm cho lượng CO2 tăng lên. Trong công tác chữa cháy rừng, việc khống chế yếu tố này rất khó khăn và tốn kém.
- Vật liệu cháy là tất cả những chất có khả năng bén lửa và bốc cháy trong điều kiện có đủ nguồn nhiệt và ô xy. Những đặc trưng của VLC quyết định đến khả năng bắt lửa và duy trì cháy rừng là độ ẩm, kích thước, khối lượng, kết cấu và phân bố VLC trong không gian.
Trong ba nhân tố trên, Oxy luôn đủ cung cấp để duy trì sự cháy; nguồn lửa chủ yếu do con người gây ra, rất khó kiểm soát. Trong thực tế, chỉ có VLC là yếu tố con người dễ có khả năng tác động vào chúng một cách chủ động để hạn chế sự phát sinh cũng như phát triển của đám cháy.
Cường độ cháy là một đại lượng vật lý dùng để đánh giá mức độ mạnh, yếu của đám cháy. Theo Cheney (1981) [2][7]. Cường độ cháy phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt lượng cháy của bản thân loại vật liệu, khối lượng vật liệu dễ cháy, chiều cao ngọn lửa và tốc độ lan tràn của đám cháy. Để làm giảm cường độ đám cháy, phần lớn các biện pháp đều tác động trực tiếp hay gián tiếp vào đặc điểm của VLC, đặc biệt là khối lượng, độ ẩm và sự phân bố của chúng.
Nhiều nhà khoa học nhận định rằng, lửa ở trong rừng có hai mặt: có lợi và có hại. Nếu con người biết sử dụng lửa một cách an toàn thì nó sẽ như một công cụ hữu hiệu phục vụ cho mục đích của con người, còn nếu không lửa rừng sẽ gây nên những hậu quả không thể lường hết. Tuy nhiên cần có những nghiên cứu định lượng để xác định ngưỡng an toàn sinh thái với những đám cháy có chủ đích, được sử dụng ở trong rừng và ven rừng.
2.4.2. Phương pháp thực hiện nghiên cứu
2.4.2.1. Phương pháp kế thừa tài liệu
Đề tài kế thừa các tài liệu về điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội, các báo cáo PCCCR rừng tại khu vực nghiên cứu, những kết quả nghiên cứu trong nước, trên thế giới, kết hợp với điều tra bổ sung tại cơ sở, địa phương, chủ rừng và kết quả một số đề tài nghiên cứu của Kiểm lâm vùng II có liên quan đến công tác PCCCR và đốt trước VLC.
2.4.2.2. Phương pháp điều tra chuyên ngành Phương pháp bố trí thí nghiệm
Tại khu vực nghiên cứu thiết lập 03 ô tiêu chuẩn (OTC) đảm bảo khá tương đồng về điều kiện lập địa, đặc điểm cấu trúc rừng và VLC. Mỗi OTCcó diện tích 2500m2 (50m x 50m), được đánh số thứ tự. Điều tra các đặc điểm lâm phần trong cả ba OTC ở các thời điểm: trước khi tiến hành thí nghiệm đốt trước, ngay sau khi đốt và sau khi đốt 3 tháng. Áp dụng thử nghiệm ba phương pháp đốt trước có kiểm soát như sau:
+ OTC 01: Để nguyên trạng thái thực bì, không hạ thấp và đốt toàn diện. + OTC 02: Hạ thấp thực bì < 1m, gom VLC vào giữa các hàng cây thông, đốt theo dải. Chiều rộng của dải là 10m, chiều dài 50m và khoảng cách giữa các giải là 15m.
+ OTC 03: Hạ thấp thực bì <1m, gom VLC, rải đều thành các đám nhỏ 9m2 (3x3m) trong ô vuông của các cây thông. Chiều cao của các đám <1m. Khoảng cách giữa các đám là 10m. Đốt theo đám.
Biện pháp an toàn khi bố trí thí nghiệm:
Sau khi xác định được diện tích để tiến hành đốt thử nghiệm cần tiến hành phát tuyến ngăn lửa, dọn sạch VLC xung quanh ranh giới của ô cần đốt ra phía ngoài. Chiều rộng của tuyến ngăn lửa tối thiểu là 10m.
Bố trí lực lượng kiểm soát đám cháy: Cứ khoảng 5m dài lại bố trí một người mang theo các vật dụng chữa cháy thủ công hoặc cơ giới như là: bàn dập,
cành cây, máy thổi gió, bình bơm nước đeo vai…nhằm theo dõi các đám cháy trong giới hạn, kịp thời dập tắt các đám cháy do hiện tượng“nhảy cóc” theo gió của tàn lửa ra khỏi đám cháy, Thu dọn và dập tắt tất cả các tàn lửa sau khi thực hiện đốt trước VLC.
Phương pháp điều tra đặc điểm lâm phần
a. Điều tra tầng cây cao
Các chỉ tiêu nghiên cứu bao gồm: đường kính thân cây, đường kính tán, chiều cao vút ngọn, chiều cao dưới cành và độ tàn che.
- Đường kính thân cây đo bằng thước kẹp kính. Đường kính tán đo bằng thước dây.
- Chiều cao vút ngọn, chiều cao dưới cành đo bằng sào kết hợp với thước dây. Kết quả thu thập ghi theo mẫu biểu 01.
- Độ tàn che được xác định bằng phương pháp điều tra 100 điểm ngẫu nhiên, phân bố cách đều trên ô tiêu chuẩn với phương pháp như sau: điểm nằm trong tán cây: 1 điểm; điểm nằm ngoài tán: 0 điểm. Độ tàn che là tỷ số giữa tổng số điểm nằm trong tán so với tổng số điểm điều tra.Kết quả thu thập ghi theo mẫu biểu 01.
Mẫu biểu 01: Điều tra tầng cây cao
OTC... Diện tích... Ngày điều tra... Độ tàn che... Trạng thái rừng... Độ cao... Độ dốc... Kinh độ... Vĩ độ... Người điều tra.
Stt Loài cây D1.3 (cm) Hvn (m) Hdc (m) Dt (m)
Sinh trưởng Ghi
chú
Tốt T.Bình Xấu
1 2
b. Điều tra tầng cây bụi thảm tươi, cây tái sinh
Nghiên cứu đặc điểm tầng cây bụi, thảm tươi và cây tái sinh được tiến hành trên ODB. Trên mỗi OTC lập 05 ODB diện tích là 25m2 (5x5m), trong đó
lập 04 ô ở bốn góc và 01 ô ở giữa. Trên ODB điều tra, thống kê tên tất cả các loài, dạng sống và tình hình sinh trưởng của các loài bao gồm các chỉ tiêu: Chiều cao trung bình (Htb) được đo bằng sào đo cao có độ chính xác đến cm; độ che phủ trung bình (%CP); sinh trưởng cây bụi, thảm tươi được đánh giá theo 3 cấp: tốt, xấu và trung bình. Tiến hành điều tra ngay trước và sau thí nghiệm. Kết quả nghiên cứu được thống kê vào mẫu biểu 02.
Mẫu biểu 02: Điều tra tầng cây bụi, thảm tươi
OTC... Diện tích... Ngày điều tra...
Trạng thái rừng... Độ cao... Độ dốc... Kinh độ... Vĩ độ... Người điều tra...
Stt ODB Thành phần loài Htb (m) %CP Sinh trưởng Tốt T.bình Xấu 1 2
c. Điều tra vật liệu cháy
Các chỉ tiêu nghiên cứu về đặc điểm VLC là: khối lượng, thành phần, chiều cao, độ che phủ và độ ẩm. Các chỉ tiêu này được thu thập trên 09 ô dạng bản (1m2) được phân bố ngẫu nhiên và cách đều trong OTC.
- Khối lượng VLC được xác định bằng cách cân toàn bộ VLC trong ô dạng bản 1m2 theo từng loại VLC (thảm khô, thảm tươi dễ cháy, thảm tươi khó cháy). Sau đó tính trung bình cho cả OTC.
- Xác định độ ẩm: Mẫu vật liệu được lấy trước khi đốt ở các OTC, cho vào túi ni lông buộc kín và gửi về phòng thí nghiệm Phân tích môi trường.
Trường Đại học Lâm nghiệp xác định độ ẩm tuyệt đối bằng phương pháp cân sấy.
Mẫu biểu 03: Điều tra vật liệu cháy
OTC... Diện tích... Ngày điều tra... Trạng thái rừng... Độ cao... Độ dốc... Kinh độ... Vĩ độ... Người điều tra...
Stt ODB Tt VLC Loại VLC Chiều cao (cm) Khối lượng (kg) Độ ẩm VLC (%) Ghi chú 1 1 2 ... 2 1 2 ...
d. Điều tra lấy mẫu đất
Trong các ODB điều tra ở trên, tiến hành lấy 05 mẫu đất ở tầng đất mặt có độ sâu từ 0-10cm, các vị trí tương tự với các ODB (04 mẫu ở bốn góc và 01 mẫu ở giữa). Việc thu thập và phân tích các mẫu đất sẽ được thực hiện theo đúng quy trình đã ban hành (được áp dụng tại Đại học Lâm nghiệp).
Mẫu đất được lấy và bảo quản theo đúng quy trình, việc phân tích mẫu được thực hiện trong phòng thí nghiệm. Kết quả nghiên cứu tổng quan và tham vấn ý kiến của những chuyên gia có kinh nghiệm trong lĩnh vực này cho thấy các chỉ tiêu quan trọng của đất sẽ được phân tích đánh giá gồm : Dung trọng, tỷ trọng, độ xốp, pH, hàm lượng mùn, hàm lượng Ni tơ và phot pho dễ tiêu. Các mẫu đất được phân tích tại phòng thí nghiệm Phân tích môi trường – Trường Đại học Lâm nghiệp.
e. Điều tra các loài động vật sống trong đất
Tiến hành điều tra các loài động vật sống trong đất ở 05 ODB có diện tích 1m2 trong OTC. Vị trí của ODB điều tra sinh vật đất nằm về phía bên phải của các ODB lấy mẫu đất.
Sau khi lập các ô dạng bản, dùng tay bới kỹ lớp cỏ và lớp thảm mục trên mặt đất để tìm kiếm các loài sinh vật đất, sau đó nhổ hết cỏ, gạt bỏ thảm khô về một phía rồi cuốc lần lượt từng lớp đất sâu 10cm để tìm kiếm các loài sinh vật đất, cứ làm như vậy cho đến khi không tìm thấy các loài sinh vật đất nữa thì thôi. Kết quả thu được ghi vào mẫu biểu 04.
Mẫu biểu 04: Điều tra sinh vật đất trên 5 ô dạng bản (1x1m)
OTC... Diện tích... Ngày điều tra...
Trạng thái rừng... Độ cao... Độ dốc...
Kinh độ... Vĩ độ... Người điều tra...
ODB Tên
loài
Giai đoạn phát triển Độ sâu (cm)
Trứng Sâu
non Nhộng S.tr.
Thành 0-10 10-15 15-20 20-25
1 2
g. Nghiên cứu đặc tính đám cháy
Những đặc trưng quan trọng thể hiện đặc tính của đám cháy bao gồm:Tốc độ lan tràn, cường độ cháy, chiều cao và chiều dài của đám lửa, kích thước đám cháy. Các đặc tính của đám cháy được xác định như sau:
+ Tốc độ lan tràn của đám cháy được xác định theo công thức: VLn= ) (TnnTn1 D [3][7] Trong đó:
Dn: Quãng đường di chuyển được của đầu đám cháy trong giai đoạn "n" của quá trình cháy (m).
)
(TnTn1 : Thời gian tương ứng ở giai đoạn "n" của quá trình cháy (s/ph/h).
+ Cường độ cháy: được xác định bằng công thức của Byram: I = H.W.R/600 [2][26]
Trong đó:
I: Cường độ của đám cháy (kw/m)
H: Nhiệt lượng cháy (kj/kg). theo công thức này H=18.000 W: Khối lượng VLC sẵn có (tấn/ha)
R: Tốc độ cháy của tuyến lửa phía trước (m/ph)
+ Chiều cao đám lửa (H) là khoảng cách thẳng đứng trung bình từ mặt trên của lớp vật liệu cháy đến đỉnh ngọn lửa. Dùng sào đánh đấu đến cm để đo chiều cao của ngọn lửa. Kết quả được ghi vào mẫu biểu 05.
Mẫu biểu 05: Đặc tính của đám cháy
OTC... Diện tích... Ngày điều tra... Thời gian đốt……….. Thời tiết………. Độ cao... Độ dốc... Tốc độ gió………. Trạng thái rừng... Kinh độ... Vĩ độ... Người điều tra... Tt Khối lượng VLC (tấn/ha) Tốc độ lan tràn (m/ph) Cường độ cháy (Kw/m) Chiều cao ngọn lửa (cm) Chiều cao vỏ cây bị xém (cm) OTC01 OTC02
OTC03
2.4.2.3. Phương pháp phân tích và xử lý số liệu
Đề tài sử dụng các công cụ thống kê toán học để phân tích, xử lý các kết quả nghiên cứu trên phần mềm Ecxel và phần mềm SPSS [21].
- Xác định thành phần và mật độ từng loài động vật sống trong đất
+ Mật độ tương đối: Là tỷ lệ phần trăm số ODB xuất hiện loài động vật đất đó trên tổng số ODB điều tra: MT = (a/A)*100 % (2.1)
Trong đó: MT: là mật độ tương đối (%)
a: Số ODB xuất hiện loài động vật đất A: Tổng số ODB điều tra trong OTC
+ Mật độ tuyệt đối: Là số lượng cá thể (tổ) trung bình của một loài động vật đất có trên một OTC: MTĐ= (b/A) (2.2)
Trong đó: MTĐ: Mật độ tuyệt đối của một loài động vật đất b: Số lượng cá thể (tổ) của một loài điều tra A: Số ODB điều tra trong ô tiêu chuẩn
- Đánh giá mức độ đa dạng các loài thực vật trước và sau khi áp dụng biện pháp đốt trước sử dụng các chỉ tiêu đa dạng sinh học sau:
+ Chỉ số đa dạng loài: Đây là cách đơn giản dựa vào tỷ lệ số loài S trên số cá thể N (chỉ số
N
S ) ở 1 đơn vị diện tích hay trong 1 ô nghiên cứu. + Chỉ số đa dạng Simpson: D = 1 - s i i p 1
2đối với mẫu không giới hạn (2.3) Trong đó : pi : Xác xuất “ vai trò” của loài i
S: Tổng số loài
Pi = ni/N ni: Số lượng cá thể của loài thứ i
- Xác định tổ thành cây tái sinh: Ki = (ni/N)*10 (2.4)
Trong đó: Ki: Là hệ số tổ thành loài i ni: Số cá thể loài i
N: Tổng số cá thể điều tra
- Kiểm tra sự thuần nhất.
Áp dụng tiêu chuẩn phi tham số χ2 của Kruskal – Wallis [21] để kiểm sự thuần nhất, với sự hỗ trợ của máy vi tính và phần mềm SPSS 16.0.
Điều kiện áp dụng tiêu chuẩn này là số mẫu ≥ 3, các đại lượng quan sát ở các mẫu là những đại lượng liên tục.
H = 12
𝑛(𝑛+1)∑ 𝑅𝑖2 𝑛𝑖 𝑙
𝑖 − 3(𝑛 + 1) (2.5)
Trong đó n=∑ 𝑛𝑖; Ri là tổng hạng ở mẫu thứ i.
Nếu mẫu quan sát là thuần nhất thì H có phân bố χ2 với bậc tự do K= l-1, l là số mẫu quan sát.
Nếu H > χ205 thì các mẫu không thuần nhất. Nếu H < χ2
05 thì các mẫu là thuần nhất, có nghĩa là các mẫu có nguồn gốc từ một tổng thể.
- Kiểm tra sự khác nhau về mật độ các loài cây bụi, thảm tươi và cây tái sinh trước và sau khi đốt trước.
Để tài sử dụng tiêu chuẩn U của Mann – Whitney [21] để kiểm tra sự thuần nhất. Công thức sau;
U = ̅̅̅̅ − 𝑋2𝑋1 ̅̅̅̅
√𝑆12 𝑛1 + 𝑆22
𝑛2
(2.6)
Trong đó: 𝑋1̅̅̅̅, 𝑋2̅̅̅̅: là số trung bình của các mẫu đem so sánh. S1, S2: là sai tiêu chuẩn của các mẫu 1 và 2.
n1, n2: Dung lượng quan sát của các mẫu 1 và 2.
Nếu |𝑈| > 1,96 (hoặc xác suất của Z < 0,05). Kết luận: Hai mẫu không thuần nhất với nhau.
Nếu |𝑈| < 1,96 (hoặc xác xuất của Z > 0,05). Kết luận: Hai mẫu thuần nhất với nhau.
- Kiểm tra ảnh hưởng của các cường độ cháy tới mật độ các loài động vật sinh sống trong đất và mật độ cây bụi, thảm tươi và cây tái sinh trước và sau khi đốt.
Đề tài sử dụng mô hình phân tích phương sai một nhân tố [21] để so sánh và đánh giá mức độ ảnh hưởng của các cường độ cháy tới mật độ.
Ta có phương trình mô hình cơ bản của thí nghiệm này là: Xij = µ + αi + εij (2.7)
Trong đó: µ là trung bình chung của tổng thể đối với tất cả các cấp αi là tham số đặc trưng cho ảnh hưởng của nhân tố A (αi = µi - µ)
Nếu nhân tố A có tác động một cách đồng đều (ngẫu nghiên) đến kết quả thí nghiệm thì αi = 0 ở tất cả các cấp. Và giả thuyết Ho được cho là:
Ho: α1= α2 =…= αa = 0 H1: ít nhất có một αi ≠ 0
Giả thuyết H1 nói lên rằng, tác động của nhân tố A là không đồng đều tới tất cả các cấp. Còn εij là biến ngẫu nhiên có phân bố chuẩn N(0,ð2) như điều kiện ở trên đã nói. Nó đặc trưng cho sai số thí nghiệm.