ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ĐINH VĂN HÙNG ỨNG DỤNG VIỄN THÁM VÀ GIS ĐÁNH GIÁ XÓI MÒN ĐẤT KHU VỰC YÊN CHÂU TỈNH SƠN LA Chuyên ngành: Bản đồ, Viễn thám và Hệ thông tin địa lý Mã số: 60 44 76 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Giáo viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Hiệu HÀ NỘI 2009 2 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn thạc sỹ, tác giả xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của Tiến sỹ Nguyễn Hiệu! Xin chân thành cảm ơn những tình cảm và sự giúp đỡ quí báu của các thày cô giáo trong Bộ môn Bản đồ - Viễn thám, các thày cô trong Khoa Địa lý và các thày cô đang công tác tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đã dành cho học viên trong quá trình học tập và nghiên cứu! Tác giả xin chân thành cảm ơn các bạn bè, đồng nghiệp đã tạo điều kiện giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu! Tác giả cũng xin tỏ lòng biết ơn đến những người thân trong gia đình đã dành những tình cảm và sự giúp đỡ to lớn, tạo điều kiện về mọi mặt để có thể hoàn thành luận văn này! Đinh Văn Hùng 3 MỤC LỤC CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU XÓI MÒN ĐẤT VÀ ỨNG DỤNG VIỄN THÁM VÀ GIS TRONG ĐÁNH GIÁ XÓI MÒN ĐẤT 9 1.1. Tổng quan về nghiên cứu xói mòn 9 1.1.1 . Một số quan niệm về xói mòn 9 1.1.2 . Tổng quan về phân loại xói mòn đất 10 1.2. Tổng quan nghiên cứu xói mòn đất trên thế giới và tại Việt Nam 11 1.2.1 . Nghiên cứu xói mòn đất trên thế giới 11 1.2.2 . Nghiên cứu xói mòn đất tại Việt Nam 13 1.3. Các mô hình đánh giá xói mòn đất 14 1.3.1 . Mô hình thực nghiệm 14 1.3.2 . Mô hình USLE 15 1.3.3 . Mô hình SLEMSA 17 1.3.4 . Mô hình Morgan, Morgan and Finney 17 1.3.5 . Mô hình N-SPECT 17 1.4. Phương pháp ứng dụng viễn thám và GIS trong đánh giá xói mòn đất 18 1.4.1 . Tính toán hệ số xói mòn do mưa (R) 18 1.4.2 . Tính toán hệ số chiều dài sườn và độ dốc 19 1.4.3 . Ứng dụng viễn thám trong phân loại lớp phủ thực vật 22 1.4.4 . Xây dựng mô hình hóa tự động cho đánh giá xói mòn 24 CHƯƠNG 2. CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN XÓI MÒN ĐẤT KHU VỰC YÊN CHÂU TỈNH SƠN LA 27 2.1. Điều kiện tự nhiên 27 2.1.1 . Đặc điểm địa chất 27 2.1.2 . Đặc điểm địa hình 29 2.1.3 . Đặc điểm khí hậu 31 2.1.4 . Đặc điểm mạng lưới thủy văn 32 2.1.5 . Đặc điểm thổ nhưỡng 33 4 2.1.6 . Đặc điểm lớp phủ và hiện trạng sử dụng đất 34 2.2. Điều kiện kinh tế xã hội 37 2.2.1 . Đặc điểm các ngành sản xuất 37 2.2.2 . Đặc điểm dân số, việc làm và thu nhập 37 CHƯƠNG 3. ỨNG DỤNG VIỄN THÁM VÀ GIS TRONG ĐÁNH GIÁ XÓI MÒN ĐẤT KHU VỰC YÊN CHÂU TỈNH SƠN LA 38 3.1. Mô hình đánh giá xói mòn đất 38 3.2. Cơ sở dữ liệu và quy trình đánh giá xói mòn đất khu vực Yên Châu 41 3.2.1 . Cơ sở dữ liệu đánh giá xói mòn đất khu vực Yên Châu 41 3.2.2 . Quy trình đánh giá xói mòn đất khu vực Yên Châu 51 3.3. Phân tích, đánh giá xói mòn đất huyện Yên Châu tỉnh Sơn La 56 3.3.1 . Xây dựng bản đồ các chỉ số xói mòn đất 56 3.3.2 . Thành lập bản đồ xói mòn tiềm năng và xói mòn đất khu vực Yên Châu 70 3.3.3 . Đề xuất một số giải pháp khai thác, sử dụng hợp lý và bảo vệ tài nguyên đất 78 5 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1. Mô hình quá trình xói mòn đất do nước (Meyer và Wischmeier 1969) [13] 15 Hình 2. Quy trình xây dựng mô hình số độ cao từ ảnh hàng không 20 Hình 3. Mô hình tính toán lưu vực sử dụng công cụ phân tích không gian của ArcGIS [12] 24 Hình 4. Mô hình tính toán phương trình MUSLE của N-SPECT [14] 25 Hình 5. Bản đồ địa chất khu vực Yên Châu tỉnh Sơn La ……………… 28 Hình 6. Thống kê độ dốc khu vực Yên Châu 30 Hình 7. Sơ đồ phân bố hệ thống sông suối khu vực Yên Châu 33 Hình 8. Bản đồ hiện trạng sử dụng đất khu vực Yên Châu…………… … 36 Hình 9. Mô hình số địa hình khu vực Yên Châu 43 Hình 10. Sơ đồ ảnh vệ tinh SPOT 5 khu vực Yên Châu 47 Hình 11. Sơ đồ đất khu vực Yên Châu 49 Hình 12. Quy trình tính toán hệ số R [14] 53 Hình 13. Quy trình tính toán hệ số LS [14] 54 Hình 14. Quy trình đánh giá xói mòn đất N-SPECT [14] 55 Hình 15. Mô hình số độ cao (DEM) độ phân giải 10x10m khu vực Yên Châu 58 Hình 16. Sơ đồ hướng dòng chảy khu vực Yên Châu 59 Hình 17. Sơ đồ tích lũy dòng chảy khu vực Yên Châu 60 Hình 18. Sơ đồ phân chia lưu vực khu vực Yên Châu 61 Hình 19. Sơ đồ hệ số LS khu vực Yên Châu 62 Hình 20. Bản đồ hệ số K khu vực Yên Châu …………………………… 65 Hình 21. Bản đồ phân loại lớp phủ mặt đất khu vực Yên Châu 68 Hình 22. Bản đồ hệ số C khu vực Yên Châu 69 Hình 23. Bản đồ xói mòn tiềm năng khu vực Yên Châu 71 Hình 24. Biểu đồ thống kê các cấp xói mòn tiềm năng khu vực Yên Châu. 72 6 Hình 25. Bản đồ xói mòn đất khu vực Yên Châu 74 Hình 26. Biểu đồ thống kê các cấp xói mòn thực tế khu vực Yên Châu 75 Hình 27. Kết quả tính toán xói mòn đất trong mô hình 3D 76 Hình 28. Sơ đồ tích lũy trầm tích khu vực Yên Châu 77 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1. Lượng mưa các tháng đo được tại trạm Yên Châu năm 2002 [Cục mạng lưới - Tổng cục KTTV] 31 Bảng 2. Bảng tra tương quan lớp phủ bề mặt với đường cong mưa (C-CAP) [14] 44 Bảng 3. Lượng mưa và số ngày mưa trung bình năm trạm KTTV Yên Châu và lân cận [Cục mạng lưới - Tổng cục KTTV] 48 Bảng 4. Tương quan thuộc tính trong dữ liệu thổ nhưỡng [14] 49 Bảng 5. Bảng phân loại nhóm đất [14] 51 Bảng 6. Hệ số LS khu vực Yên Châu 63 Bảng 7. Bảng dữ liệu đất khu vực Yên Châu [1;11;14] 64 Bảng 8. Kết quả phân loại lớp phủ mặt đất khu vực Yên Châu 67 Bảng 9. Bảng tra hệ số P theo Hội khoa học đất quốc tế [3] 70 Bảng 10. Thống kê diện tích xói mòn tiềm năng khu vực Yên Châu 72 Bảng 11. Thống kê diện tích các cấp xói mòn thực tế khu vực Yên Châu 75 7 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài Dưới những tác động của các nhân tố tự nhiên và hoạt động khai thác tài nguyên của con người, đất đai đang ngày càng bị thoái hóa và biến đổi một cách nhanh chóng. Sự tác động tiêu cực của các nhân tố tự nhiên, sự biến đổi của khí hậu toàn cầu đang hàng ngày làm cho lớp đất mặt bị biến đổi, giảm sút về chất lượng, đặc biệt là tình trạng xói mòn, thoái hoá đất trên các vùng đất dốc. Yên Châu là một huyện miền núi, biên giới của tỉnh Sơn La, nằm dọc trục quốc lộ 6, trung tâm huyện lỵ cách thị xã Sơn La 64 km, có 47 km đường biên giới với nước CHDCND Lào. Tổng diện tích tự nhiên 857,75 km 2 ; dân số trung bình năm 2006 là 64,2 nghìn người, mật độ dân số 74,8 người/km 2 . Điều kiện tự nhiên phong phú thuận lợi cho việc phát triển sản xuất nông nghiệp đa dạng, cùng với đó là các hoạt động canh tác trên nền đất dốc dẫn đến nguy cơ xói mòn và bạc màu đất rất cao. Là một huyện đang có nhiều chuyển dịch về cơ cấu kinh tế xã hội do tiếp nhận dự án tái định cư thủy điện Sơn La, điều đóđặt ra những vấn đề cấp thiết trong khai thác và bảo vệ tài nguyên đất trong phát triển kinh tế xã hội. Cho đến nay, đã có một số công trình nghiên cứu phục vụ cho phát triển kinh tế xã hội của huyện Yên Châu nói riêng và tỉnh Sơn La nói chung. Tuy nhiên, chưa có đề tài nào tiến hành đánh giá xói mòn đất trên cơ sở sử dụng công nghệ Viễn thám và GIS một cách chi tiết cho khu vực này. Công nghệ viễn thám và GIS ngày càng được nâng cao trong khả năng thu thập, xử lý và phân tích không gian. Trong đó, các bài toán hỗ trợ cho đánh giá xói mòn đất như: xử lý ảnh số, mô hình hóa địa hình, chồng ghép phân tích dữ liệu, v.v… được tiến hành một cách hiệu quả và khách quan. Trên thế giới, việc nghiên cứu đánh giá xói mòn đất sử dụng công nghệ viễn thám và GIS được quan tâm tại nhiều quốc gia, đặc biệt là tại các khu vực có nguy cơ xói mòn cao. Xuất phát từ những lý do trên, học viên đã chọn đề tài: “Ứng dụng Viễn thám và GIS đánh giá xói mòn đất khu vực Yên Châu tỉnh Sơn La” cho luận văn Thạc sỹ chuyên ngành, 8 nhằm đánh giá xói mòn đất khu vực Yên Châu tỉnh Sơn La phục vụ cho công tác quy hạch sử dụng hợp lý tài nguyên, bảo vệ môi trường của địa phương. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS đánh giá xói mòn đất khu vực Yên Châu, tỉnh Sơn La làm cơ sở cho công tác lập quy hoạch sử dụng đất và phát triển kinh tế xã hội của địa phương. Nội dung nghiên cứu Để thực hiện mục tiêu trên, đề tài luận văn thực hiện các nội dung sau:  Nghiên cứu tổng quan xói mòn đất trên thế giới và tại Việt Nam  Nghiên cứu phương pháp ứng dụng viễn thám và GIS trong đánh giá xói mòn đất;  Phân tích đánh giá các nhân tố ảnh hưởng đến xói mòn đất khu vực Yên Châu;  Nghiên cứu xây dựng cơ sở dữ liệu và quy trình đánh giá xói mòn đất bằng viễn thám và GIS;  Xác định các chỉ số xói mòn đất khu vực Yên Châu;  Thành lập bản đồ xói mòn đất thực tế và tiềm năng khu vực Yên Châu;  Đề xuất một số giải pháp giảm thiểu nguy cơ xói mòn đất khu vực Yên Châu. Giới hạn phạm vi nghiên cứu Không gian nghiên cứu: khu vực Yên Châu tỉnh Sơn La theo ranh giới hành chính huyện Yên Châu. Đối tượng nghiên cứu: nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến xói mòn đất do mưa tại khu vực Yên Châu. Để thực hiện các nội dung của đề tài luận văn, ngoài phương pháp chính là ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS, đề tài sử dụng các phương pháp khác như là: điều tra khảo sát thực địa, tổng hợp và phân tích tài liệu; nhóm phương pháp nghiên cứu trắc lượng hình thái và động lực địa mạo. 9 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU XÓI MÒN ĐẤT VÀ ỨNG DỤNG VIỄN THÁM VÀ GIS TRONG ĐÁNH GIÁ XÓI MÒN ĐẤT 1.1. Tổng quan về nghiên cứu xói mòn 1.1.1 . Một số quan niệm về xói mòn Theo từ điển bách khoa toàn thư về khoa học đất, xói mòn xuất phát từ tiếng Latin là “erodere” chỉ sự ăn mòn dần. thuật ngữ xói mòn dùng để chỉ các quá trình liên quan đến các lớp đất, đá tơi ra và bị mang đi bởi các tác nhân như gió, nước, băng, tuyết tan hoặc hoạt động của sinh vật [13]. Có nhiều quan niệm về xói mòn khác nhau. Theo viện sĩ L.I. Paraxôlốp, xói mòn đất là những hiện tượng phá hủy và cuốn trôi theo đất cũng như quặng xốp bằng dòng nước và gió thể hiện dưới nhiều hình thức và rất phổ biến. Còn theo Rattan Lal thì xói mòn đất còn được xem là sự chuyển dời vật lý của lớp đất do nhiều tác nhân khác nhau như lực đập của giọt nước, gió, tuyết và bao gồm cả quá trình sạt lở do trọng lực [9]. R.P.C Morgan cũng cho rằng, xói mòn đất là một quá trình gồm hai pha, bao gồm sự tách rời của các phần tử nhỏ từ mặt đất sau đó vận chuyển chúng dưới các tác nhân gây xói như nước chảy và gió. Khi năng lượng không còn đủ để vận chuyển các phần tử này, pha tứ ba – quá trình bồi lắng – sẽ xảy ra [13]. Cũng dựa trên yếu tố trọng lực, có quan niệm cho rằng quá trình xói mòn, trượt lở, bồi lấp thực chất là quá trình phân bố lại vật chất dưới ảnh hưởng của trọng lực, xảy ra khắp nơi và bị chi phối bởi yếu tố địa hình [13]. Theo một trong những cách tiếp cận khác khi nghiên cứu về lớp phủ thực vật thì xói mòn là một quá trình động lực phá hủy độ màu mỡ của đất, làm mất trạng thái cân bằng của cả vùng bị xói mòn lẫn vùng bị bồi tụ (Nguyễn Quang Mỹ, Nguyễn Tứ Dần, 1986). 10 Như vậy, xói mòn đất được xem xét trên quan điểm là một quá trình động lực, bao gồm sự phá hủy các lớp đất đá, mùn và vận chuyển chúng đi xa dưới tác động của các nhân tố gây xói, như gió, nước, băng, tuyết tan hoặc hoạt động của sinh vật, bao gồm cả các yếu tố nhân sinh. 1.1.2 . Tổng quan về phân loại xói mòn đất Dựa vào các tác nhân gây xói mòn, có thể chia xói mòn thành các dạng sau [9;16]:  Xói mòn do gió: là hoạt động diễn ra phổ biến nhất tại những vùng có khí hậu khô cằn, kết quả dẫn đến sự thiếu hoặc phá hủy lớp phủ bề mặt. Đây là hậu quả nghiêm trọng nhất bắt nguồn từ những sai lầm của con người trong khoa học nông nghiệp.  Xói mòn do nước cũng thường được gọi là sự rửa trôi nhưng bao hàm rộng hơn. Tại một quy mô nhỏ, khi hạt mưa rơi xuống theo các hiện tượng thời tiết sẽ có ảnh hưởng khác nhau phụ thuộc vào kích thước và hiệu ứng, những hạt mưa phùn nhỏ và đều thấm sâu hơn vào lòng đất, nhưng những hạt mưa lớn liên quan đến mưa nhiệt đới tác động vào bề mặt đất và bóc tách các mảnh vụn từ mọi hướng. Ngoài ra, sườn dốc cũng làm tăng đáng kể hiệu ứng bắn lên của giọt nước, làm tăng đáng kể sự rửa trôi theo sườn.  Xói mòn trọng lực gây ra do sự kết hợp giữa trọng lực của lớp đất đá bề mặt và dòng chảy tràn. Dạng xói mòn này không xuất hiện trên diện rộng mà chỉ làm mất đất trong phạm vi hẹp, gây ra các tai biến trượt lở.  Xói mòn do bão lũ: xói mòn do bão lũ được biết đến như những thiên tai diễn ra trong thời gian ngắn nhưng nhiều khi gây ra các hậu quả thảm khốc cho những vùng đặc biệt. Với tốc độ gió rất lớn, gió bão có thể thổi bật gốc cây, đối với các vùng đất dốc, chúng có thể gây ra hiện tượng trượt đất và lũ bùn (Sharpe, 1938; Schaetzl and Follmer, 1990). [...]... toán đánh giá xói mòn đất bằng việc thay đổi chúng phù hợp hơn với các điều kiện về khí hậu, đất, địa hình và canh tác khác nhau Đã có một số mô hình đánh giá xói mòn sử dụng USLE hoặc USLE biến đổi được áp dụng trên thế giới Mô hình này cũng được ứng dụng trong GIS nhằm xây dựng các công cụ mô hình hóa xói mòn cho các khu vực khác nhau Một trong các mô hình áp dụng phương trình mất đất tổng quát cho đánh. .. dựng các mô hình, giải quyết các kịch bản đánh giá xói mòn đất, biến đổi sử dụng đất liên quan đến xói mòn, đánh giá ô nhiễm nguồn nước do xói mòn, … Đối với các bài toán mô hình hóa xói mòn, việc tính toán hệ số xói mòn do mưa thường dựa vào lượng mưa và số ngày mưa trung bình trong nhiều năm liên tiếp Tính toán hệ số xói mòn do mưa dựa vào cường độ mưa thường chỉ áp dụng với các nghiên cứu chi tiết bởi... chính của khu vực Yên Châu được lấy từ bản đồ địa chính cơ sở 1:10.000 32 Hình 7 Sơ đồ phân bố hệ thống sông suối khu vực Yên Châu Hầu hết các sông suối đều ngắn, dốc nên khả năng giữ nước kém, tốc độ dòng chảy lớn Khi có mưa lớn thường gây ra các hiện tượng lũ quét, xói mòn và rửa trôi mạnh làm tăng nguy cơ mất đất trong toàn khu vực Theo kết quả tính toán trên bản đồ thổ nhưỡng, khu vực yên Châu có... mòn cũng như xây dựng mô hình đánh giá xói mòn cho một khu vực rộng lớn một cách nhanh chóng, chính xác và tin cậy 26 2.1 Khu vực nghiên cứu nằm trong ranh giới của huyện Yên Châu tỉnh Sơn La Đây là một huyện miền núi biên giới của tỉnh Sơn La, có ranh giới phía Nam giáp Lào Lãnh thổ trải dài theo hướng Tây Bắc – Đông Nam, phân dị phức tạp Yên Châu có trục quốc lộ 6 chạy xuyên suốt cùng với mạng lưới... nói chung và mô hình hóa xói mòn nói riêng Với các bài toán mô hình hóa đa nhân tố như đánh giá xói mòn đất, công nghệ viễn thám và GIS có khả năng cung cấp các tư liệu và công cụ sau [4]: Xây dựng các dữ liệu đầu vào cho tính toán mô hình xói mòn đất Sử dụng các công cụ phân tích không gian và các công cụ xây dựng mô hình tính toán tự động các tham số tham gia vào mô hình xói mòn Xây dựng các mô hình,... tính toán xói mòn đất gây ra do mưa tại một thời điểm (VD: bão) Hình 4 Mô hình tính toán phương trình MUSLE của N-SPECT [14] 25 Nhìn chung, công nghệ viễn thám và GIS có khả năng hỗ trợ rất hiệu quả cho đánh giá xói mòn đất từ cung cấp các dữ liệu đầu vào đến phân tích các nhân tố và tính toán mô hình tổng hợp Với các công cụ viễn thám và GIS, có thể tính toán các yếu tố của quá trình xói mòn cũng như... tai biến thiên nhiên, v.v… cũng đã được đề cập đến Xói mòn đất sẽ tiếp tục là thách thức với việc quản lý bền vững tài nguyên đất và nước trong thế kỷ 21 Vẫn cần phải nghiên cứu các mối quan hệ giữa các tác nhân gây ra xói mòn cả về lý thuyết và thực tế Sử dụng các công cụ viễn thám và GIS trong nghiên cứu xói mòn nhằm tăng độ chính xác trong đánh giá cũng là một trong các vấn đề đang được quan tâm... nhiều Khu vực có độ dốc trên 60o nhiều, nơi dốc nhất lên đến 85o Yên Châu nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa, nóng ẩm mưa nhiều Đây cũng là một trong các tác nhân quan trọng gây ra quá trình xói mòn đất mạnh mẽ trong khu vực này Kết hợp với các yếu tố về vị trí địa lý, địa hình tạo cho Yên Châu có sự phân dị về khí hậu mặc dù diện tích khu vực không lớn Theo thống kê từ trạm trạm khí tượng thủy văn Yên. .. trường ArcGIS với các phiên bản mới nhất và luôn được cập nhật Đây là một lợi thế bởi nó có thể sử dụng các công cụ phân tích không gian của ArcGIS – một trong các hệ GIS được đánh giá là mạnh nhất hiện nay – để giải quyết bài toán đánh giá xói mòn đất 1.4 Với sự phát triển mạnh mẽ, công nghệ viễn thám và GIS ngày càng giải quyết được nhiều vấn đề trong mô hình hóa không gian địa lý nói chung và mô hình... giảm các tác nhân gây xói mòn đất do mưa 31 Vùng núi cao, biên giới có khí hậu mát, ẩm mang đặc trưng của khu vực Mộc Châu – Sơn La Khu vực này thường mưa nhiều và có chế độ mưa nhiều vào các tháng giữa năm và hạn hán vào các tháng mùa khô Nhìn chung, Yên Châu có một nền khi hậu khắc nghiệt, có một mùa mưa tập trung do đó chịu ảnh hưởng mạnh mẽ của các hoạt động xói mòn, sạt lở đất, gây nhiều thách . năng cung cấp các dữ liệu đầu vào có độ tin cậy rất cao. Xây dựng mô hình số độ cao từ phương pháp trắc địa ảnh Quy trình xây dựng mô hình số độ cao cơ bản bằng phương pháp trắc địa ảnh được thể. sau:  Xây dựng mô hình số độ cao (DEM)  Dữ liệu chiều dài sườn  Dữ liệu độ dốc  Phân chia các lưu vực phụ  Mô phỏng ba chiều  V.v…. Do đó, xây dựng mô hình số độ cao cho đánh giá xói mòn có. rất cao (thông thường khoảng 16µm - 32µm). Các điểm khống chế mặt đất (GCP) cũng được đo đạc bằng thiết bị GPS với độ chính xác đến centimét. 20 Hình 2. Quy trình xây dựng mô hình số độ cao từ