Laboratory Exercise No. 3 GIS & USLE Model Chuyên đề 3 ỨNG DỤNG GIS & PHƯƠNG TRÌNH USLE TÍNH TÓAN XÓI MÒN ĐẤT CHO MỘT KHU VỰC (LƯU VỰC, TỈNH) Mục tiêu: 1) Ứng dụng phương trình xói mòn USLE (Universal Soil Loss Equation) trong việc dự báo xói mòn trong một lưu vực; (on-site soil erosion) 2) Ước lượng off-site soil erosion (mất được thực) sử dụng khái niệm SDR (Sediment Delivery Ratio 3) Ứng dụng spreadsheet (trong Exel) và kỹ thuật GIS để vẽ lên bản đồ xói mòn đất. Tài liệu tham khảo: (1) Nguyen Kim Loi. 2002. Effect of Land Use/ Land Cover Changes and Practices on Sediment Contribution to the Tri An Reservoir of Dong Nai Watershed, Vietnam. M.Sc. Thesis, Graduate School, Kasetsart University, Bangkok, Thailand. 113p. (2) ARS-USDA. 2001. The National Soil Erosion Research Laboratory, at Website: http://topsoil.nserl.purduc.edu/nserl web lentry.html [Connect to WEPP software, RUSLE Link Page (3) Nguyễn Kim Lợi .2004. Anh hưởng của sự thay đổi các kiểu sử dụng đất đến bồi lắng lòng hồ Trị An của lưu vực sông Đồng Nai.Tạp chí Khoa học đất, Số đặc biệt 20/2004, Hà Nội. (4) Cochrane, T.A. 1999. Methodologies for Watershed Modeling with GIS and DEMs for parameterization of the WEPP Model. Ph.D Dissertation. Graduate School, Purdue University, West Lafayette, Indiana. 198p. (5) Nguyen Kim Loi. and N. Tangtham. 2004. Decision support system for sustainable watershed management in Dong Nai watershed – Vietnam: Applying Linear Programming Technique for Land Allocation. Paper presented in International Environmental Modelling and Software Society iEMSs 2004 International Conference . Complexity and Integrated Resources Management Session. 14-17 June 2004 University of Osnabrck, Germany. (6) Rollans, S. 1999. Soil Erosion and Sediment Yield Modeling using GIS. GIS in Water Resources, University of Texasa at Austin, at Website: http://www.ce.utexas.edu/stu/rollansw/termroject.html (7) Roose, E.J.,1977. Use of the universal soil erosion equation to predict erosion in West Africa. In Soil Erosion: Prediction and Control. Soil Cons. Soc. Am., Ankeny, Iowa, p.60-74. (8) Nipon Tangtham and K.Lorsirirat .1993. Prediction Models of the Effect of Basin Characteristics and Forest Cover on Reservoir Sedimentation in Northeastern Thailand. Kasetsart J. (Nat. Scl.)27: 230 – 235p. Designed by Dr. Nguyen Kim Loi, July 2005 120 Laboratory Exercise No. 3 GIS & USLE Model Vật liệu cần chuẩn bị: 1) Bản đồ sử dụng đất 2) Máy tính với các phần mềm hỗ trợ: Arc View, Arc GIS,… 3) Bản đồ địa hình 4) Lượng mưa của khu vực cần nghiên cứu 5) Bản đồ đất Các kiến thức căn bản 1. Tiến trình xói mòn đất Bennet (1955), Baver (1965), Steven et.al. (1986) và Troeh et.al (1999) đã định nghĩa xói mòn đất là hiện tượng di chuyển đất bởi nước mưa, bởi gió dưới tác động của trọng lực lên bề mặt của đất. Xói mòn đất được xem như là một hàm số với biến số là loại đất, độ dốc địa hình, mật độ che phủ của thảm thực vật, lượng mưa và cường độ mưa. Quá trình xói mòn gồm 3 giai đoạn sau: Giai đoạn 1: Tách các hạt đất; Giai đoạn 2: Giai đoạn vận chuyển; Giai đoạn 3: Giai đoạn lắng đọng. Bằng các thí nghiệm trong phòng Ellision (1944) thấy rằng các loại đất khác nhau có biểu hiện khác nhau trong các giai đoạn này. Thí dụ, các hạt các nhỏ bị tách ra dễ hơn nhiều so với các hạt đất bùn, song hạt bùn dễ vận chuyển hơn các hạt cát. Việc nghiên cứu quá trình xói mòn có thể được chia thành 2 vấn đề: Xói mòn biểu hiện ra sao ở các dạng mưa khác nhau và xói mòn xảy ra như thế nào trên các loại đất khác nhau. Vì vậy, xói mòn phụ thuôc vào tổ hợp 2 nhân tố: Cường độ mưa và khả năng của đất chống lại tác động của mưa. Tóm lại, xói mòn đất là hàm số tác động xói mòn của mưa và tính xói mòn của đất. Xói mòn = f (tính xói mòn của mưa, tính xói mòn của đất). 2. Phương trình dự báo xói mòn đất USLE (The Universal Soil Loss Equation) Phương trình dự báo xói mòn (Wischmeier và Smith, 1965, 1975 và 1978) hiện đang được thừa nhận và sử dụng rộng rãi trên thế giới, có lịch sử phát triển lâu dài. Đây là phương trình toán học biểu thị lượng đất xói mòn phụ thuộc vào các yếu tố mưa (R), đất (K), địa hình (LS), cây trồng (C), và biện pháp sử dụng đất (P). Phương trình trình như sau: A = RKCPSL Trong đó: A: dự đoán lượng đất xói mòn (tons/ acre); R: nhân tố mưa (ft-ton/acre-in); K: nhân tố đất; LS: địa hình; C: cây trồng; P: biện pháp sử dụng đất. 3. Mối quan hệ giữa các hình thức sử dụng đất, thủy văn và bồi lắng lòng hồ Designed by Dr. Nguyen Kim Loi, July 2005 121 Laboratory Exercise No. 3 GIS & USLE Model Glymph và Flaxman (1975) đã thu thập số liệu bồi lắng tại các lưu vực ơ Mỹ, và đã chỉ ra được mối quan hệ giữa lượng bồi lắng lòng hồ và lưu lượng dòng chảy theo mô hình như sau: Y = a * X m Trong đó: Y = lượng bồi lắng lòng hồ (mg/l); X = lưu lượng dòng chảy (cfs); a = hằng số; m = tham số. Để có thể ứng dụng đối với những lưu vực lớn, Dune và Dietrich (1982) đã đề nghị thêm vào tham số sử dụng đất và yếu tố địa hình, mô hình trở thành: S y = U * Q a * S b Trong đó: S y = lượng bồi lắng lòng hồ hằng năm (tons/km 2 /yr) Q = lưu lượng dòng chảy hằng năm (mm) S = yếu tố địa hình U = hình thức sử dụng đất trong lưu vực Dune và Dietrich (1982) đã sử dụng phương pháp phân tích hồi quy đa biến cho các kiểu sử dụng đất, và mô hình đã tìm được như sau: (1) Diện tích đất rừng không thay đổi xáo trộn (n = 4) S y = 2.67 * Q 0.38 R 2 = 0.98 (2) Đất lâm nghiệp lớn hơn đất nông nghiệp (n = 8) S y = 0.10 * Q 1.28 * S 0.47 R 2 = 0.76 (3) Đất lâm nghiệp nhỏ hơn đất nông nghiệp ( n = 28) S y = 0.14 * Q 1.48 * S 0.51 R 2 = 0.74 (4) Đất đồi không có rừng (n = 5) S y = 4.26 * Q 2.17 * S 1.14 R 2 = 0.87 Tác giả đã lý luận sự gia tăng số mũ của Q và S trong các mô hình trên chỉ ra rằng độ che phủ của các thảm thực vật bị thu hẹp và nó đã ảnh hưởng đến sự gia tăng lưu lượng dòng chảy và yếu địa hình. Trên cơ sở dử liệu quan sát bồi lắng tại các hồ chứa vùng Đông Bắc Thailand, Tangtham và Lorsirirat (1993) đã tìm được phương trình về mối quan hệ ảnh hưởng Designed by Dr. Nguyen Kim Loi, July 2005 122 Laboratory Exercise No. 3 GIS & USLE Model giữa các hình thức sử dụng đất trong lưu vực, địa hình đến bồi lắng lòng hồ như sau: lnY = -2.1028 + 1.5598 lnX 1 – 0.0054 X 2 – 0.0291X 3 + 0.0072X 4 –8.3696X 5 + 0.6890X 6 – 6.2545X 7 - 0.0203X 8 – 0.0084X 9 với: Y = lượng bồi lắng lòng hồ hằng năm (10 6 m 3 ) X 1 = lưu lượng dòng chảy hằng năm (Q) (10 6 m 3 ) X 2 = lượng mưa trung bình hằng năm (mm) X 3 = độ che phủ của rừng trong lưu vực(%) X 4 = diện tích lưu vực (km 2 ) X 5 = tỉ lệ chiều dài dòng sông (l/L) X 6 = tỉ lệ địa hình của lưu vực (H/L) X 7 = hệ số độ chặt đất X 8 = diện tích bề mặt nước (km 2 ) X 9 = Dung lượng hồ (10 6 m 3 ) Cũng trong nghiên cứu này, theo tác giả trong số các yếu tố địa mạo học liên quan đến chức năng của lưu vực đã sử dụng, chỉ có 3 tham số được chọn như là những nhân tố có ý nghĩa để dự đoán bồi lắng lòng hồ, đó là lưu lượng dòng chảy Q (MCM), diện tích lưu vực DA (km 2 ), tỉ lệ địa hình lưu vực (Sr,%). Phương trình dự đoán bồi lắng lòng hồ nhận được là: RS = e (-11.1354 + 2.8515lnQ - 0.0045DA - 0.7229Sr) Theo các nghiên cứu gần đây của Parker và Osterkemp (1995) về lượng bồi lắng của 24 hồ tại Mỹ, diện tích của các lưu vực đó dao động trong khoảng từ 1,6 x 10 3 đến 1,8 x 10 3 km 2 . Lượng phù sa trung bình hằng năm 1480 tấn/km 2 /năm. Phân tích hồi quy tuyến tính và phi tuyến tính giữa lượng phù sa trung bình hằng năm và diện tích lưu vực chỉ ra rằng mối quan hệ này không có ý nghĩa về mặt thống kê. Denby and Bolton (1976) đã sử dụng số liệu quan sát sự bồi lắng lòng hồ trong 800 lưu vực tại Mỹ. Diện tích lưu vực biến thiên từ 2,9 x 10 4 đến 7,1 x 10 4 km 2 , lưu lượng dòng chảy trung bình 330 mm/năm, lượng phù sa bồi lắng khoảng 56 – 695 tấn/km 2 /năm. Ibanez et.al (1996) đã tìm ra rằng trước khi thành lập các hồ chứa tại hạ lưu sông Ebro vào cuối thập niên 1960, lượng bồi lắng đã được ước lượng khoảng 10 8 tấn/năm. Sau khi đắp đập thì lượng bồi lắng đã được hạn chế khoảng 0.3 x 10 6 tấn/năm. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TẠI VIỆT NAM Designed by Dr. Nguyen Kim Loi, July 2005 123 Laboratory Exercise No. 3 GIS & USLE Model 1. Các nhân tố ảnh hưởng đến quá trình xói mòn và hình thành lũ Vai trò của rừng trong việc bảo vệ và cải tạo môi trường sống đã trở thành vấn đề thời sự lôi cuốn sự quan tâm của toàn thể loài người. Rừng gây ảnh hưởng tổng hợp đến môi trường bên ngoài và môi trường bên trong (tiểu khí hậu rừng). Nghiên cứu ảnh hưởng của rừng đến môi trường không chỉ có ý nghĩa lý luận mà còn có ý nghĩa thực tiễn to lớn trong việc bảo vệ và sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên, đặt biệt là tài nguyên đất và nước; gây trồng các loài rừng phòng hộ làm tăng thêm ý nghĩa sinh thái cảnh quan, văn hóa xã hội của rừng. Quan hệ giữa cây, đất và nước là mối quan hệ rất phức tạp. Lượng nước mưa rơi xuống một khu vực, nếu như không có lớp thảm thực vật che phủ thì xung lực và gia tốc của hạt mưa sẽ tạo ra sức bắn phá cơ giới phá hủy kết cấu lớp đất mặt, dẫn tới sự xói mòn và rửa trôi chất dinh dưỡng của đất. Ở những nơi lượng mưa cao, địa hình dốc, dòng chảy mặt thường tập trung và rất mạnh, có thể gây ra lũ và lũ quét. Trong những điều kiện tốt nhất (có thảm cây to và cây bụi che phủ mặt đất), toàn bộ nước sẽ ngấm vào đất và sẽ không có nước chảy bề mặt. Trong những điều kiện xấu nhất (đất trống trơ trọi, không có lớp phủ thực vật che phủ), hầu hết lượng mưa sẽ chảy trên mặt tới các khe suối làm tăng đỉnh cao của dòng chảy, tạo nên lũ lụt ở các vùng trung lưu và hạ lưu. Nước chảy có thể cuốn theo đất (xói mòn bề mặt) hoặc có thể chảy thành dòng tạo ra những rãnh và gây ra xói mòn rất lớn. Như vậy, thảm thực vật có tác dụng rất lớn trong việc điều tiết nước mưa, hạn chế sức công phá mặt đất của giọt mưa, giảm nhẹ dòng chảy mặt cả về tốc độ lẫn khối lượng. Tác dụng quan trọng nhất là làm tăng lượng tích lũy nước ngầm để cung cấp nước cho mùa khô nên giảm bớt được dòng chảy mặt, do đó mà hạn chế được xói mòn và lũ. 2. Quan hệ giữa xói mòn đất và dòng chảy mặt với lượng mưa và cường độ mưa Các lý thuyết và quan trắc thực tế cho rằng đại lượng xói mòn đất và dòng chảy mặt phụ thuộc rất lớn vào lượng mưa và cường độ mưa. Sự phụ thuộc này trong trường hợp tổng quát rất phức tạp nhưng có thể sử dụng kinh nghiệm để đơn giản hóa bài toán và chọn được các đặt trưng thích hợp cho việc xác định mối tương quan định lượng giữa xói mòn đất và dòng chảy với đại lượng mưa. Ở nước ta, khi nghiên cứu thủy văn rừng ở Núi Tiên (Hữu Lũng), Bùi Ngạnh và Nguyễn Danh Mô (1977) và một số tác giả khác đã thiết lập mối quan hệ này nhưng chỉ dừng lại ở việc mô tả định tính. Nguyễn Ngọc Lung và Võ Đại Hải (1997) trên cơ sở dãy số liệu thu được tại trạm nghiên cứu thủy văn rừng Sơ Pai (Kông Hà Nừng) đã tính toán được các đặt trưng thống kê và phương trình hồi quy xác định tương quan giữa xói mòn đất và dòng chảy bề mặt với lượng mưa và cường độ mưa. Kết quả tính toán cho thấy: giữa đại lượng xói mòn đất và dòng chảy mặt có mối quan hệ khá chặt chẽ với lượng mưa và cường độ mưa. 3. Anh hưởng của thảm thực vật Thực nghiệm cho thấy: trong cùng một điều kiện như nhau về đất đai, tiểu khí hậu và địa hình, … lượng nước tạo thành dòng chảy mặt và xói mòn đất phụ thuộc Designed by Dr. Nguyen Kim Loi, July 2005 124 Laboratory Exercise No. 3 GIS & USLE Model rất lớn vào đặc điểm cấu trúc của thảm thực vật. Số liệu nghiên cứu của Nguyễn Quang Mỹ (1984) ở Tây Nguyên cho thấy độ che phủ của thảm cây trồng có ảnh hưởng rất lớn tới độ vẩn đục của dòng chảy, thảm cây trồng có độ che phủ yếu thì nồng độ đậm đặc của dòng chảy chiếm tỉ lệ cao hơn. Như vậy, độ che phủ có ảnh hưởng rất lớn tới xói mòn đất và dòng chảy mặt. Trong mục tiêu phát triển lâm nghiệp giai đoạn 1996-2010 (Đề án đóng cửa rừng tự nhiên) phải nâng độ che phủ của rừng hiện nay là 28% lên 43% so với tổng diện tích đất tự nhiện của cả nước. Ở Việt Nam, kết quả nghiên cứu của Nguyễn Quang Mỹ trong chương trình nghiên cưú Tây Nguyên II đã cho thấy trên cùng độ dốc từ 0 – 3 o và các yếu tố khí hậu, hướng sườn, thổ nhưỡng, …khả năng chống xói mòn đất của các loài cây công nghiệp như: đậu, ngô, khoai lang, cà phê, … cũng rất khác nhau. Tóm lại, với điều kiện khí hậu, đất đai thuận lợi nước ta có nhiều khả năng phát huy cao độ nền sản xuất nông lâm nghiệp nhiệt đới, xây dựng nền nông nghiệp miền núi tiến lên hiện đại, sản xuất nhiều loại hàng hóa. Tuy nhiên, khí hậu nước ta mưa nhiều, tập trung theo mùa, sản xuất miền núi lại tiến hành đại bộ phận trên đất dốc, nạn xói mòn đất rất nghiêm trọng. Đây là một khó khăn lâu dài mới có thể khắc phục đựơc. Tình trạng phát nương làm rẫy, du canh, du cư của đồng bào các dân tộc vẫn còn nhiều, tình trạng khai hoang bừa bãi, chặt phá rừng đầu nguồn và di dân tự do ngày một gia tăng. Tất cả những tình trạng đó là nguyên nhân dẫn tới xói mòn và lũ lụt rất nghiêm trọng, ảnh hưởng lớn tới sự phát triển kinh tế văn hóa miền núi nói riêng và nước ta nói chung. Nội dung thực hiện: 1) Ứng dụng Spreasheet và GIS tính xói mòn đất Gần đây, với sự hỗ trợ của các phần mềm,(Exel, ) và đặt biệt Geographic Information System (GIS), máy tính đã có thể ứơc lượng, dự báo với tính chính xác cao của các hiện tượng tự nhiên (natural phenomena). Tổng hợp các công cụ này để vẽ lại, thu thập, mô phỏng, phân tích các cở sở dữ liệu trong quản lý tài nguyên thiên nhiên. - Xác định tất cả các tham số của phương trình USLE sử dụng các cell trong Spreasheet hoặc Grid, Pixel trong GIS. - Ứng dụng Microsoft Exel hoặc ArcView GIS tính xói mòn đất. Tính tóan on-site soil Erosion và Off – site soil erosion trên cơ sở các lớp cơ sở dữ liệu và SDR. - Nhưng thuận lợi & khó khăn của phương pháp này. - Các kiến nghị và đề xuất Designed by Dr. Nguyen Kim Loi, July 2005 125 . No. 3 GIS & USLE Model Chuyên đề 3 ỨNG DỤNG GIS & PHƯƠNG TRÌNH USLE TÍNH TÓAN XÓI MÒN ĐẤT CHO MỘT KHU VỰC (LƯU VỰC, TỈNH) Mục tiêu: 1) Ứng dụng phương. xói mòn của mưa và tính xói mòn của đất. Xói mòn = f (tính xói mòn của mưa, tính xói mòn của đất) . 2. Phương trình dự báo xói mòn đất USLE (The Universal