1.2. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
1.2.2. Khả năng giữ nước của rừng
Khả năng giữ nước của rừng hay vai trò thuỷ văn của rừng đã thu hút được sự chú ý của con người từ rất sớm. Tuy nhiên, trong suốt những thập kỷ qua, vai trò giữ nước của rừng chỉ thực sự được chú ý đến mỗi khi có lũ lụt hoặc hạn hán sảy ra (Andréassian, 2004) [28]. Các hướng nghiên cứu trên thế giới về khả năng giữ nước của rừng tập trung chủ yếu vào một số vấn đề bao gồm: (1) Các điều kiện ảnh hưởng đến khả năng giữ nước của rừng; (2) Cơ chế giữ nước của rừng thông qua việc tích trữ và vận chuyển nước; (3) Sự ngậm nước, bay hơi và đặc điểm dòng chảy trong các lưu vực.
1.2.2.1. Các điều kiện ảnh hưởng đến khả năng giữ nước của rừng
Những kết luận về vai trò giữ nước của rừng được thể hiện qua việc xem xét khả năng giữ nước và các yếu tố ảnh hưởng. Trong đó, những điều kiện tiên quyết để thực sự quan sát ảnh hưởng của rừng ở đầu nguồn bao gồm:
- Các điều kiện về thổ nhưỡng: Các vùng đất đầu nguồn phải đủ sâu để cho phép những cây có rễ sâu có sự phát triển rõ rệt hơn các loài cỏ rễ cạn.
- Điều kiện khí hậu: ngay cả khi đất đã đủ sâu, sự khác biệt trong tiêu thụ nước sẽ chỉ rõ nếu khí hậu có thời kỳ thủy văn thặng dư, cho phép trữ lượng nước của đất được bổ sung, rõ rệt nhất là ở thời kỳ thiếu nước. Do đó, nếu chế độ mưa vừa đủ đáp ứng nhu cầu vận chuyển bốc hơi, sự cân bằng năng lượng và khí động học sẽ là sự kiểm soát duy nhất cho sự bốc hơi.
- Điều kiện sinh lý: khả năng giữ nước phụ thuộc vào các loài cây, nó có thể cho thấy sự khác biệt lớn về khả năng vận chuyển. Điều này đặc biệt đúng đối với bạch đàn (Vertessy et al., 2001) [65].
Các bằng chứng hiện có cho thấy ảnh hưởng của sự tác động và chuyển đổi rừng đối với lượng mưa ở Đông Nam Á thấp hơn so với mức giảm trung bình 8% dự đoán cho việc chuyển đổi thành đồng cỏ vì các đặc tính bức xạ của tái sinh thứ phát nhanh chóng giống với rừng nguyên sinh. Tổng sản lượng nước hàng năm làm tăng tỷ lệ sinh khối rừng bị loại bỏ nhưng thực tế khác nhau giữa các địa điểm và năm do sự khác biệt về lượng mưa và mức độ thay đổi bề mặt. Nếu sự thay đổi bề mặt vẫn còn hạn chế, phần lớn lượng nước tăng lên là từ dòng chảy cơ bản (dòng chảy thấp), nhưng về lâu dài thâm nhập mưa thường giảm xuống đến mức không đầy đủ trong mùa mưa để bổ sung cho trữ lượng nước ngầm sẽ làm giảm mạnh dòng chảy mùa khô (Bruijnzeel, 1990) [35], (Bruijnzeel, 2004) [36].
1.2.2.2. Quá trình tích nước và vận chuyển nước của rừng
Rừng giữ lại nước mưa trong mùa mưa nhằm làm giảm lũ lụt trên sông và cung cấp nước trong mùa khô để bổ sung dòng chảy (K. J. Beven, 2011) [31], (Hutyra et al., 2007) [49]. Tuy nhiên, chức năng này thường bị bỏ qua vì chưa có sự hiểu biết nhiều về vấn đề này do đó khiều khu rừng có khả năng giữ nước lớn trong các lưu vực đang bị giảm về diện tích (Anderson et al., 1976) [27]. Việc khai thác không hợp lý và áp dụng các chính sách kinh tế mạnh mẽ đã dẫn đến những khu rừng tự nhiên nhưng không được tái sinh.
Bên cạnh đó, chuyển đổi mục đích sử dụng đất cũng là một nguyên nhân lớn (Guo and Gan, 2002) [45].
Các nghiên cứu về rừng và các quá trình thuỷ văn đã được nghiên cứu từ đầu thế kỷ 19, quan điểm chung của các nghiên cứu là rừng luôn đóng vai trò giữ và tích luỹ nước. Tăng tỷ lệ che phủ rừng cũng tăng lượng nước trong đất, giảm bốc hơi, tăng mực nước ngầm và giảm dòng chảy bề mặt. Rừng duy trì lượng nước ở sông suối ổn định (Bosch and Hewlett, 1982) [34].
Khả năng giữ nước của rừng được xác định bằng tổng lượng nước giữ lại
trên tán, lượng nước giữ lại bởi vật rơi rụng và lượng nước tích giữ trong đất (Hewlett, 1982) [47]. Khả năng giữ nước của rừng có giới hạn và phụ thuộc nhiều vào đặc điểm của đất rừng như: cấu trúc rừng, độ xốp, kết cấu đất và độ dày tầng đất v.v.., trong đó độ xốp và độ dày quyết định dung tích chứa nước của đất rừng (Saxton et al., 1986) [62]. Bảo vệ và duy trì nguồn nước là chức năng quan trọng nhất của rừng (Borchert, 1994) [33].
Có hai phương pháp phổ biến trong nghiên cứu khả năng giữ nước của rừng là nghiên cứu ở quy mô khu rừng và nghiên cứu ở quy mô lưu vực (Agassi, 1996) [24].
1.2.2.3. Sự ngậm nước, bay hơi và đặc điểm dòng chảy trong các lưu vực.
Dòng chảy từ mưa xuống được phân bổ theo không gian phức tạp
(Randhir et al.,, 2001) [59]. Do vậy, không thể xác lập được các mối liên hệ trực tiếp giữa các đại lượng cân bằng nước ở khu rừng với lưu lượng ở trong suối (May and Gresswell, 2003) [56]. Sông suối trong rừng không nhận nước từ nhiều khu rừng khác nhau, sau đó có thể ngấm trực tiếp xuống đất hoặc bay hơi. Khả năng giữ nước của rừng còn tác động trực tiếp đến lũ ở trong rừng và trên quy mô toàn lưu vực, thể hiện ở khả năng lưu giữ nước mưa trong hệ sinh thái và cung cấp trở lại cho các sông suối (Forrest et al., 2000) [43].
Các đặc trưng của dòng chảy: lưu lượng, tổng lượng dòng chảy, hệ số tăng lũ/giảm lũ, diện tích, trữ lượng, địa hình, thổ nhưỡng, tỷ lệ che phủ rừng cùng các yếu tố về khí hậu được quan tâm đến khi nghiên cứu về khả năng giữ nước của rừng trong lưu vực (Franklin, 2000) [44]. Tất cả những thông tin này được sử dụng để xây dựng các mô hình dự báo biến động của dòng chảy và là cơ sở quy hoạch diện tích rừng phòng hộ cho các địa phương (Amatya et al., 1997) [26].
Rừng có khả năng làm giảm dòng chảy, tăng dòng chảy ngầm và làm chậm, phân tán sự di chuyển của nước mưa về sông suối, làm giảm quá trình
hình thành lũ (Allan and Castillo, 2007) [25]. Tỷ lệ dòng chảy mặt thường được xem là chỉ tiêu quan trọng nhất để đánh giá khả năng giữ nước của rừng (Jansson and Halldin, 1979) [50]. Công cụ chủ yếu được các tác giả sử dụng để nghiên cứu phân bố dòng chảy rừng là phương trình cân bằng nước. Dựa vào phương trình cân bằng nước người ta có thể xác định được một hoặc một số thành phần này khi biết những thành phần khác:
So với lượng giáng thuỷ thì lượng nước giữ lại trên tán rừng rồi bốc hơi trở lại khí quyển chiếm từ 10-45%, lượng nước chảy men thân cây chiếm từ 1-5%, lượng nước lọt qua tán cây xuống mặt đất từ 50 - 90%, lượng nước bốc hơi từ mặt đất và lớp thảm mục chiếm 5-20%, lượng nước hút từ đất vào thực vật rồi thoát hơi trở lại khí quyển chiếm khoảng 30-80%, lượng dòng chảy mặt chiếm từ 5-50%, lượng nước thấm vào đất rừng chiếm từ 40 - 90%.
Trung bình có tới 70 - 90% tổng lượng nước đến được mặt đất rừng. Đất rừng càng dày và càng xốp thì tỷ lệ dòng chảy mặt càng thấp, dòng chảy ngầm càng cao, sự di chuyển của nước về sông suối sẽ càng chậm, càng phân tán. Vì vậy, một trong những tiêu chí quan trọng dùng trong phân loại rừng theo khả năng giữ nước là tính chất đất, mà trước hết là độ xốp và bề dày tầng đất. Trên cơ sở phân tích khả năng chứa nước của đất rừng người ta cho rằng cứ 1.000 hecta rừng có khả năng chứa nước tương đương với hồ nước có dung tích khoảng 1.000.000m3.
Khả năng giữ nước của rừng là có hạn, do phụ thuộc lớn vào yếu tố cấu trúc đất, khi mưa lớn làm lấp đầy các lỗ trống trong đất dẫn đến bão hoà nước mưa, thảm thực vật không còn khả năng chứa thêm nước, nước mưa tiếp tục tràn ra thành dòng chảy mặt và gây ra lũ (K. Beven and Germann, 1982) [30].
Khả năng, dung tích giữ nước của rừng là vấn đề quan tâm lớn trong nghiên cứu khả năng giữ nước của rừng. Phương pháp thống kê đa biến được sử dụng để phát hiện các mối quan hệ của rừng với các nhân tố dòng chảy dưới ảnh
hưởng của những nhân tố địa hình, khí hậu và thổ nhưỡng (Llorens and Gallart, 2000) [54], (Klaassen et al., 1998) [52], (Putuhena and Cordery, 1996) [58], (Liu, 1998) [53].
Để hiểu biết hơn về ảnh hưởng của rừng đến dòng chảy và lưu vực, người ta nghiên cứu đến các lưu vực nhỏ đồng nhất và các nhân tố ảnh hưởng như độ dốc, loại đất, lượng mưa và trạng thái rừng. Có nhiều nghiên cứu nhằm so sánh tác động của rừng, như phân tích giữa các lưu vực đồng nhất có khai thác trắng và tỷ lệ che phủ khác nhau, (Dung et al.,, 2013) [41], (Dung et al., 2012) [40], (Swank et al., 1988) [64], (Rothacher, 1970) [60].
Sự phát triển của khoa học công nghệ đã mang lại một bước tiến mới trong việc nghiên cứu các hệ thống thủy văn và quản lý tài nguyên nước. Một vài mô hình quản lý thủy văn/ lưu vực đã được phát triển và sản phẩm là các ứng dụng sử dụng trên máy tính. Mô hình tham số phân tán cần thiết cho các nghiên cứu quy mô lưu vực, có yêu cầu dữ liệu đầu vào lớn. Các hệ thống thông tin địa lý (GIS) và các giao diện mô hình-GIS hỗ trợ tạo ra các tập tin dữ liệu đầu vào hiệu quả. Một mô hình sẵn có cho chuyên gia về tài nguyên nước là Công cụ Đánh giá đất và Nước (SWAT - Soil and Water Assessment Tool) đây mô hình tham số phân tán do Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ phát triển.
SWAT cho phép cập nhật các thông tin liên quan đến dòng chảy trong lưu vực như bản đồ địa hình, các yếu tố khí hậu, mạng lưới thủy văn, các loại đất đai v.v..., sau đó tự động phân tích xác định những tác động của rừng đến dòng chảy theo những kịch bản khác nhau (Jayakrishnan et al., 2005) [51], (HUANG and ZHANG, 2004) [48], (Saleh et al., 2000) [61].