Đánh giá xói mòn đất bằng mô hình rusle - Nghiên cứu ở huyện quảng ninh, tỉnh Quảng Bình

Tạp chí Khoa học và Giáo dục, Trường Đại học Sư phạm Huế ISSN 1859-1612, Số 04(24)/2012: tr. 68-75 ĐÁNH GIÁ XÓI MÒN ĐẤT BẰNG MÔ HÌNH RUSLE - NGHIÊN CỨU Ở HUYỆN QUẢNG NINH, TỈNH QUẢNG BÌNH NGUYỄN TIẾN ĐẠT Trường Đại học Khoa học – Đại học Huế NGUYỄN THÁM Trường Đại học Sư phạm – Đại học Huế Tóm tắt: Xói mòn đất huyện Quảng Ninh được nghiên cứu trên cơ sở mô hình RUSLE với sự trợ giúp công nghệ GIS. Kết quả cho thấy lượng đất xói mòn dao động từ 0-672,64 tấn/ha.năm, lượng đất mất trung bình trên toàn lãnh thổ là 11,27 tấn/ha.năm. Bản đồ xói mòn đất được phân thành 5 cấp theo TCVN 5299:2009, trong đó, cấp không xói mòn (<1 tấn/ha.năm) chiếm 30,19% diện tích đất tự nhiên; cấp xói mòn nhẹ (1-5 tấn/ha.năm) chiếm 11,75%; cấp xói mòn trung bình (5-10 tấn/ha.năm) chiếm 11,12%; cấp xói mòn mạnh (10-50 tấn/ha.năm) chiếm 17,36% và cấp xói mòn rất mạnh (>50 tấn/ha.năm) chiếm 10,32% diện tích đất tự nhiên. Kết quả nghiên cứu là cơ sở khoa học đề xuất các biện pháp chống xói mòn, bảo vệ và sử dụng bền vững nguồn tài nguyên đất trên địa bàn huyện Quảng Ninh, tỉnh Quảng Bình. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Xói mòn đất đang là vấn đề cấp bách mang tính toàn cầu và tác động nghiêm trọng đến nền kinh tế của nhiều Quốc gia trên thế giới. Đặc biệt là xói mòn do nước. Xói mòn đất là nguyên nhân chính gây thoái hóa đất. Xói mòn vừa làm mất đất, mất khả năng giữ nước, dần dần mất khả năng canh tác, giảm năng suất cây trồng và gây ô nhiểm môi trường sinh thái. Xói mòn thường xảy ra ở trên vùng đất dốc, lượng mưa lớn và lớp phủ thực vật bị tàn phá. Đánh giá xói mòn đất phục vụ công tác quy hoạch sử dụng, bảo vệ đất, góp phần đảm bảo tính bền vững nguồn tài nguyên đất là việc làm cấp bách và cần thiết. Trước đây xói mòn đất được nghiên cứu bằng thực nghiệm như đóng cọc, bẩy đất, phẩu diệnNgày nay, với sự phát triển của khoa học công nghệ đặc biệt là công nghệ GIS, bài toán xói mòn được giải quyết dể dàng hơn, tiết kiệm thời gian và công sức thông qua các mô hình toán học. Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng mô hình Revised Universal Soil Loss Equation (Renard et al., 1997). 2. KHÁI QUÁT VÙNG NGHIÊN CỨU Quảng Ninh, một huyện nông nghiệp ở phía Nam tỉnh Quảng Bình, có tọa độ địa lý từ 1704‘7“ đến 17026‘18“ vĩ độ Bắc và từ 106017‘9“ đến 106048‘ kinh độ Đông. Diện tích toàn huyện là 119.169,19 ha [4]. Địa hình đồi núi chiếm ưu thế (chiếm 86,67%), vùng đồi mở rộng với nhiều nhánh tiến ra sát biển. Vùng đồng bằng chỉ chiếm 13,33% diện tích đất tự nhiên. Địa hình phân hóa phức tạp, theo hướng kinh tuyến, địa ĐÁNH GIÁ XÓI MÒN ĐẤT BẰNG MÔ HÌNH RUSLE 69 hình nghiêng dần từ Tây sang Đông với độ dốc lớn (trung bình 20,10), mật độ chia cắt sâu và chia cắt ngang cao. Hình 1. Mô hình số độ cao (DEM) Hình 2. Bản đồ độ dốc Quảng Ninh là khu vực có lượng mưa khá cao, lượng mưa năm trung bình nhiều năm đạt trên 2.100mm, mưa lớn tập trung vào các tháng IX, X, XI với lượng mưa chiếm 70- 75% tổng lượng mưa năm. Theo bảng phân loại đất của FAO-UNESCO-WRB, huyện Quảng Ninh có 15 loài đất thuộc 8 nhóm đất: nhóm đất cát (C), nhóm đất mặn (M), nhóm đất phèn (S), nhóm đất phù sa (P), nhóm đất glây (GL), nhóm đất mới biến đổi (CM), nhóm đất xám (X) và nhóm đất tầng mỏng (E). 3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ CƠ SỞ DỮ LIỆU 3.1. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu xói mòn đất đất khu vực huyện Quảng Ninh được thực hiện trên cơ sơ mô hình dự báo xói mòn đất RUSLE (Renard et al., 1997) dưới sự trợ giúp của hệ thống thông tin địa lý (GIS) A = R*K*S*L*C*P Trong đó: A - Lượng đất trung bình năm bị mất đi trên một đơn vị diện tích (tấn/ha.năm); R - Hệ số xói mòn do mưa/chảy tràn, là khả năng gây ra xói mòn do mưa, tương ứng với tiềm năng xói mòn do mưa trong điều kiện đất trống; K - Hệ số kháng xói của đất, là tỉ lệ mất đất trên một đơn vị diện tích trong điều kiện chuẩn (dài sườn 22,13m và nghiêng đều với độ dốc 5,160) L - Hệ số chiều dài sườn dốc, là tỉ lệ mất đất của sườn thực tế so với sườn dài 22,13m. S - Hệ số độ dốc, là tỉ lệ lượng đất mất ở độ dốc thực tế so với sườn có độ dốc 5,160 C - Hệ số lớp phủ thực vật, là tỷ lệ giữa lượng đất mất trên một đơn vị diện tích có lớp phủ thực vật với lượng đất mất trên đất trống tương đương. NGUYỄN TIẾN ĐẠT – NGUYỄN THÁM 70 P - Hệ số canh tác bảo vệ đất, là tỷ số giữa lượng đất mất đi khi áp dụng các biện pháp chống xói mòn và lượng đất mất đi khi không có các biện pháp phòng chống xói mòn. 3.2. Cơ sở dữ liệu đánh giá xói mòn: Cơ sở dữ liệu được tác giả sử dụng phục vụ cho nghiên cứu bao gồm: - Dữ liệu mưa trung bình nhiều năm từ 17 trạm quan trắc trên địa bàn và vùng phụ cận [1], là cơ sở để tính giá trị R phục vụ cho mô hình đánh giá. - Bản đồ địa hình tỷ lệ 1:10.000 toạ độ VN-2000, là cơ sở xây dựng bản đồ hệ số LS. - Bản đồ thổ nhưỡng và số liệu điều tra, phân tích mẫu đất làm dữ liệu đầu vào để tính hệ số kháng xói của đất. - Bản đồ hiện trạng rừng và bản đồ hiện trạng sử dụng đất năm 2010, tỷ lệ 1/50.000 là dữ liệu đầu vào phục vụ tính toán hệ số lớp phủ thực vật (C) và hệ số canh tác (P). 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 4.1. Quy trình nghiên cứu Xói mòn đất huyện Quảng Ninh được tác giả đánh giá theo quy trình hình 3 4.2. Xây dựng bản đồ xói mòn đất. a. Bản đồ hệ số xói mòn do mưa - R Hệ số xói mòn do mưa là độ đo tính xói mòn của mưa và thuộc tính của mưa, được tính trên cơ sở động năng mưa (E), cường độ mưa cực đại trong thời gian 30 phút của từng cơn mưa (I30) và tổng các cơn mưa trong năm. Tuy nhiên, nguồn dữ liệu về cường độ mưa 30 phút là rất khó thực hiện ở nhiều khu vực và huyện Quảng Ninh cũng không ngoài lệ. Để thuận lợi hơn trong tính toán, các nhà nghiên cứu đã tìm ra mối tương quan giữa hệ số R với lượng mưa trung bình năm. Trong nghiên cứu này tác giả sử dụng phương pháp tính hệ số xói mòn do mưa (R) theo công thức của Nguyễn Trọng Hà (1996) áp dụng cho những khu vực khí hậu ẩm có lượng mưa từ mức trung bình đến cao [3]. R = 0,548257* P - 59,9 Trong đó: R: Hệ số xói mòn do mưa (J/m2) P: Lượng mưa trung bình năm của nhiều năm (mm) Trên cơ sở bản đồ lượng mưa năm trung bình của nhiều năm, tác giả sử dụng phương pháp raster hóa và áp dụng công thức trên để tính giá trị R cho từng điểm pixel. Kết quả Hình 3. Quy trình đánh giá ĐÁNH GIÁ XÓI MÒN ĐẤT BẰNG MÔ HÌNH RUSLE 71 thu được bản đồ hệ số xói mòn do mưa (hình 4). b. Bản đồ hệ số kháng xói của đất - K Hệ số kháng xói mòn của đất phụ thuộc vào nhiều yếu tố như thành phần cơ giới, thành phần chất hữu cơ, hệ số thấm, hệ số cấu trúc đất và tương quan giữa các thành phần khác nhau trong đất. Phương pháp tính toán hệ số K trong nghiên cứu này dựa vào toán đồ của Wischmeier và Smith, đồng thời có kế thừa giá trị hệ số K một số loại đất của Nguyễn Trọng Hà [2]. Kết quả thu được bản đồ hệ số kháng xói mòn của đất (hình 5). Bảng 1. Giá trị hệ số K huyện Quảng Ninh Loại đất K Loại đất K Đất cồn cát trắng vàng 0,19* Đất xám lẫn đá 0,35 Đất cát biển trung tính ít chua 0.01* Đất xám cơ giới nhẹ 0,23* Đất mặn trung bình và ít 0,035* Đất xám bạc màu 0,23 Đất phèn hoạt động 0,45 Đất xám feralit 0,24 Đất phù sa trung tính ít chua 0,67* Đất xám kết von 0,32* Đất phù sa chua 0,41 Đất xám mùn trên núi 0,19* Đất glây chua 0,51* Đất tầng mỏng chua 0,58 Đất mới biến đổi chua 0,40 Mặt nước, núi đá 0,00 (Ghi chú: (*) Tham khảo từ hệ số kháng xói mòn đất của một số loại đất ở Việt Nam - Nguyễn Trọng Hà, 1996) Hình 4. Bản đồ hệ số R Hình 5. Bản đồ hệ số K c. Bản đồ hệ số địa hình - LS Ảnh hưởng của hình thái địa hình đến xói mòn đất thể hiện trong mô hình RUSLE thông qua hệ số LS. Trong nghiên cứu này, tác giả đã sử dụng phương trình tính hệ số LS theo công thức toán của Mitasova và cộng sự (1996) như sau: NGUYỄN TIẾN ĐẠT – NGUYỄN THÁM 72 Trong đó: A: là diện tích đóng góp do dòng chảy trên đơn vị chiều dài dòng chảy; β: Độ dốc; Lo: Độ dài tiêu chuẩn ô thí nghiệm trong RUSLE (72,6 feet = 22,13m); bo: độ dốc tiêu chuẩn trong ô thí nghiệm RUSLE (9% hoặc 5,160); n: Hằng số, thay đổi từ 1-1,4; t: Hằng số phụ thuộc vào độ dốc Để phù hợp với tính toán trong ArcGIS, công thức được thay đổi [3]: LS=(([FlowAcc]*Cellsize/22,13)n)* ((Sin([Slope]*0,01745))/0,09)1,3*1,6 Trong đó: LS: Hệ số ảnh hưởng của địa hình đến xói mòn đất ; FlowAcc: Giá trị dòng chảy tích lũy ; Cellsize: Kích thước pixel (10m); Slope: Độ dốc (tính bằng độ); n: Thông số thực nghiệm. Theo kết quả phân tích, huyện Quảng Ninh phần lớn là đồi núi, độ dốc trên 80 chiếm 71,12% diện tích; do đó hệ số n được chọn cố định bằng 0,5. Kết quả thu được bản đồ hệ số kháng xói mòn của đất (hình 6). d. Bản đồ hệ số lớp phủ thực vật - C Hệ số C đặc trưng cho mức độ hạn chế xói mòn đất, phụ thuộc vào lớp phủ thực vật, thể hiện mức độ ảnh hưởng khác nhau của các loại cây trồng đối với quá trình xói mòn đất. C là hệ số quan trọng nhất trong mô hình RUSLE vì nó đại diện cho yếu tố giảm xói mòn một cách linh hoạt nhất (Renard at al., 1994) [5] Bảng 2. Hệ số C huyện Quảng Ninh Lớp phủ thực vật C S (ha) Lớp phủ thực vật C S (ha) Rừng giàu 0,001 11.290,90 Cây trồng lâu năm 0,05 554,75 Rừng trung bình 0,003 25.309,86 Cây hàng năm 0,20 8216,11 Rừng nghèo 0,009 37.105,49 Cây trồng nương rẫy 0,60 934,04 Cây bụi, gỗ rải rác 0,05 13.356,41 Vườn tạp 0,17 2535.75 Trảng cỏ 0,83 1.158,86 Đất trống CSD 0,85 3238.59 Rừng trồng 0,02 13246,23 Mặt nước 0,00 2222.20 Giá trị hệ số C được cập nhật vào bảng cơ sở dữ liệu thuộc tính của bản đồ lớp phủ thực vật và raster hóa để thành lập bản đồ hệ số C. e. Bản đồ hệ số canh tác - P Hệ số canh tác biểu thị cho mức độ bảo vệ đất chống xói mòn nhờ vào các hoạt động canh tác của con người. Trong nghiên cứu này, giá trị P được xác định trên cơ sở tham khảo đề xuất của Shin, 1999 (bảng 3) [6]. Căn cứ vào bản đồ hiện trạng sử dụng đất, khảo sát điều kiện canh tác thực tế, độ dốc của từng loại hình sử dụng đất, tiến hành nhóm các loại hình sử dụng đất có sự tương đồng về biện pháp canh tác để tính toán giá trị P cho khu vực nghiên cứu. Các giá trị P tương ứng với từng cấp độ dốc và từng loại hình sử dụng đất được nhập vào lớp dữ liệu hiện trạng sử dụng đất. Bằng phầm mềm ArcGIS raster hóa, kết quả thu được bản đồ hệ ĐÁNH GIÁ XÓI MÒN ĐẤT BẰNG MÔ HÌNH RUSLE 73 số P huyện Quảng Ninh. Hình 6. Bản đồ hệ số LS Hình 7. Bản đồ hệ số CP e. Bản đồ xói mòn đất (A) Bản đồ xói mòn đất đánh giá lượng đất mất trung bình hàng năm trên một đơn vị lãnh thổ. Bản đồ xói mòn đất huyện Quảng Ninh được thành lập trên cơ sở các bản đồ thành phần R, K, LS, C, P và áp dụng công thức RUSLE. Tổng quát hơn về mức độ xói mòn đất trên địa bàn, tác giả tiến hành phân cấp xói mòn theo Tiêu chuẩn Việt Nam 5299:2009 “Chất lượng đất - Phương pháp xác định mức độ xói mòn do mưa”. Hình 8. Bản đồ xói mòn đất huyện Quảng Ninh, tỉnh Quảng Bình NGUYỄN TIẾN ĐẠT – NGUYỄN THÁM 74 Bảng 3. Phân loại mức độ xói mòn đất huyện Quảng Ninh (Theo TCVN 5299:2009) Cấp độ xói mòn Lượng đất bị xói mòn trung bình năm (tấn/ha.năm) Đánh giá Diện tích (ha) Tỷ lệ (%) I < 1 Không bị xói mòn 35.973,15 30,19 II 1 - 5 Xói mòn nhẹ 14.005,67 11,75 III 5 - 10 Xói mòn trung bình 13.249,74 11,12 IV 10 - 50 Xói mòn mạnh 20.690,44 17,36 V > 50 Xói mòn rất mạnh 12.299,44 10,32 Tổng diện tích xói mòn 96.218,44 80,74 Núi đá, mặt nước 22.950,75 19,26 Tổng 119.169,19 100,00 Hình 9. Biểu đồ tỷ lệ các cấp xói mòn đất huyện Quảng Ninh Như vậy, qua bản đồ xói mòn đất huyện Quảng Ninh cho thấy lượng đất xói mòn ở lãnh thổ huyện Quảng Ninh giao động từ 0 đến 672,64 tấn/ha.năm, lượng đất mất trung bình trên toàn lãnh thổ là 11,27 tấn/ha.năm. Khu vực không xảy ra xói mòn hoặc xói mòn thấp tập trung ở vùng đồng bằng và khu vực có lớp phủ thực vật tốt, xói mòn mạnh tập trung ở vùng đồi núi - nơi có độ dốc cao và lớp phủ thảm thực vật thấp như đất trống, đất nương rẫy hay trảng cỏ, đồi trọc. 5. KẾT LUẬN Qua quá trình nghiên cứu, có thể rút ra một số kết luận sau: Quảng Ninh là một huyện có các yếu tố tự nhiên phân hóa đa dạng và phức tạp, mang đặc thù của vùng duyên hải Bắc Trung Bộ. Đồi núi chiếm ưu thế, lượng mưa lớntiềm ẩn nguy cơ xói mòn cũng rất lớn. Qua mô hình RUSLE (Renard at, al. 1997), đề tài đã xác định được mức độ xói mòn trên địa bàn huyện Quảng Ninh giao động từ 0 - 672,64 tấn/ha.năm, lượng đất mất trung bình là 11,27 tấn/ha.năm. Đề tài đã đánh giá thành 5 cấp xói mòn trên cơ sở TCVN 5299:2009 và mối tương quan giữa các nhân tố. Kết quả nghiên cứu đã tổng quát hóa về xói mòn đất cũng như sự phân hóa của các yếu ĐÁNH GIÁ XÓI MÒN ĐẤT BẰNG MÔ HÌNH RUSLE 75 tố tự nhiên ở khu vực nghiên cứu. Là cơ sở lý luận vững chắc phục vụ cho việc đề xuất biện pháp giảm thiểu xói mòn, sử dụng bền vững nguồn tài nguyên đất huyện Quảng Ninh, tỉnh Quảng Bình. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Ngọc Anh (chủ nhiệm) (2011), Đánh giá tình hình xói lở và bồi lắng các dòng sông trên hệ thống sông Thạch Hãn, tỉnh Quảng Trị, Trường ĐHKH Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội. [2] Lê Huy Bá (chủ biên) (2006), Phương pháp nghiên cứu khoa học - Tập 2, NXB ĐHQG Thành phố Hồ Chí Minh. [3] Trần Quốc Vinh, Đặng Hùng Võ, Đào Châu Thu (2011), Ứng dụng viễn thám và hệ thống thông tin địa lý đánh giá xói mòn đất đồi gò huyện Tam Nông tỉnh Phú Thọ, Tạp chí Khoa học và Phát triển, Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội, tập 9 (số 5), tr 823-833. [4] Ủy ban Nhân dân huyện Quảng Ninh (2011), Niên giám thống kê huyện Quảng Ninh năm 2010. Quảng Ninh. [5] Bamutade Yazidhi (2003), A comparative study of soil erosion modelling in Lom Kao-Phetchabun, Thailand, Thesis of Master of Science International Institute for Geo-Information Sicence and Earth Observation, the NetherLands [6] Hyeon Sik Kim (2006), Soil erosion modeling using RUSLE and GIS on the Imha Watershed, South Korea, Thesis of Master of Science Colorado State University Fort Collins, Colorado. Title: ASSESSMENT OF SOIL EROSION BY RUSLE MODEL - A CASE STUDY IN QUANG NINH DISTRICT, QUANG BINH PROVINCE Abstract: Soil erosion in Quang Ninh district was researched based on Revised Universal Soil Loss Equation - RUSLE (Renard et al., 1997) and Geographic Information System - GIS. The results showed that soil loss changed from 0 to 672,64 t/ha.yr; average soil erosion is 11,27 t/ha.yr. The map soil erosion was grouped into 5 classes according to Viet Nam Standard 5299:2009. The research results were a scientific base for suggestions of soil erosion protection and sustainable land resource use in Quang Ninh district, Quang Binh province. NGUYỄN TIẾN ĐẠT Học viên Cao học, Trường Đại học Khoa học – Đại học Huế Email: tiendat.gis@gmail.com PGS. TS. NGUYỄN THÁM Trường Đại học Sư phạm – Đại học Huế