Nội dung

HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 ỨNG DỤNG GIS TRONG ĐÁNH GIÁ MỨC ĐỘ XÓI MÒN ĐẤT TẠI LƯU VỰC SÔNG ĐA TAM TỈNH LÂM ĐỒNG (ASSESSING SOIL EROSION IN DA TAM WATERSHED, LAM DONG PROVINCE USING GIS TECHNIQUE) Lê Hoàng Tú(1), Nguyễn Duy Liêm(1), Trương Phước Minh(2), Nguyễn Kim Lợi(1) (1) Bộ môn Thông tin Địa lý Ứng dụng, Khoa Môi trường và Tài nguyên, Trường Đại học Nông Lâm Tp. Hồ Chí Minh (2) Trường Đại học Sư Phạm Đà Nẵng Email: nguyenkimloi@gmail.com Abstract: This study is aimed at assessing factors contributing to on site soil erosion in Da Tam watershed, Lam Dong province using Geographic Information System (GIS) technique. The main aim in this investigation is how to apply GIS and USLE (Universal Soil Loss Equation) to estimate on site soil erosion in Da Tam watershed. The results of this research found that the average potential on site soil erosion in Da Tam watershed was 132,736 ton/ha/yr and the on site soil erosion in Da Tam watershed based on existing land use was 17,770 ton/ha/yr. Keywords: GIS, USLE, Soil Erosion, Da Tam Watershed, Lam Dong Province. 1. GIỚI THIỆU Xói mòn là hiện tượng di chuyển đất bởi nước mưa, bởi gió dưới tác động của trọng lực lên bề mặt của đất (Ellison,1944). Trong vài thập niên gần đây ở nước ta hiện tượng xói mòn đang xảy ra rộng hơn cả về diện và lượng (Số liệu thống kê đến năm 2008 của bộ tài nguyên môi trường cho thấy Việt Nam có khoảng 25 triệu hecta đất dốc, nguy cơ xói mòn và rửa trôi rất lớn khoảng 10 tấn/ha/năm)[9]. Riêng đối với lưu vực sông Đa Tam, các hoạt động của con người hiện nay đã và đang tác động tiêu cực đến tình hình xói mòn trong lưu vực. Trong lưu vực, có hồ Tuyền Lâm là một địa danh du lịch nổi tiếng, một trong các nguồn cung cấp nước sinh hoạt, sản xuất quan trọng của thành phố Đà Lạt và các vùng phụ cận. Do đó cần có những tính toán, ước lượng về nguy cơ xói mòn để làm cở sở cho việc quy hoạch và sử dụng các nguồn tài nguyên đảm bảo mục tiêu phát triển kinh tế xã hội bền vững. Có nhiều hướng tiếp cận và phương pháp khác nhau trong việc nghiên cứu vấn đề xói mòn đất. Xu hướng phổ biến hiện nay là nghiên cứu xói mòn theo hướng mô hình hóa diễn tả động lực của quá trình xói mòn và nghiên cứu xói mòn kết hợp với các khoa học khác, chủ yếu để tìm hiểu quá trình cũng như tác động của xói mòn lên môi trường nhằm có được các biện pháp chống xói mòn khả thi. Có nhiều mô hình phục vụ cho việc tính toán xói mòn được phát triển dựa trên phương trình USLE ở nhiều nơi trên thế giới như: mô hình MUSLE (William, 1975), mô hình ANSWERS (Beasley và cộng sự, 1980), mô hình SLEMSA (Elwell, 1981), mô hình SOILOSS (Rosewell, 1993), mô hình RUSLE (Renard, 1997), mô hình MUSLE [13]. Các mô hình này đều có những ưu điểm, hạn chế trong tính toán lượng đất xói mòn. Tuy nhiên, do hạn chế về nguồn dữ liệu nên mục tiêu của nghiên cứu này là xác định, đánh giá xói mòn tiềm năng cũng như hiện trạng xói mòn cho lưu vực sông Đa Tam sử dụng phương trình USLE và GIS. 146 HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 2. KHU VỰC NGHIÊN CỨU Lưu vực sông Đa Tam hay lưu vực Đa Tam (LVĐT) thuộc hệ thống lưu vực sông Đồng Nai. Theo ranh giới hành chính, LVĐT nằm trên ranh giới của thành phố Đà Lạt, huyện Đức Trọng, huyện Đơn Dương và Lâm Hà trong địa bàn tỉnh Lâm Đồng. Tổng diện tích tự nhiên của lưu vực khoảng 48.402 ha [12]. Tọa độ địa lý: Kinh độ:108022’26’’ – 108033’35” kinh Đông, Vĩ độ: 11045’12” – 11057’6” vĩ Bắc. Hình 1: Vị trí địa lý lưu vực sông Đa Tam LVĐT nằm trên cao nguyên Lang Biang, độ cao từ 960 – 1800 m so với mực nước biển. Địa hình trong lưu vực tương đối phức tạp. Trên cơ sở tác động của các yếu tố trong quá trình hình thành đất và nhất là đặc điểm về địa chất (đá mẹ), tại LVĐT có 9 đơn vị đất [7]: Bảng 1: Các đơn vị đất trong LVĐT Tên Kí hiệu Diện tích (ha) Đất phù sa có tầng loang lổ Pf 175,88 Đất phù suối Py 849,08 Đất nâu thẫm trên đá bazan Ru 173,34 Đất nâu đỏ trên đá bazan Fk 4.861,68 Đất nâu vàng trên đá bazan Fu 622,83 Đất nâu vàng trên đá macma trung tính Fd 24.860,96 Đất đỏ vàng trên đá granit Fa 10.474,19 Đất đỏ vàng trên đá cát sét kết Fs 4.603,53 Đất thung lũng do sản phẩm dốc tụ D 1.780,529 (Nguồn: Trung Tâm NC Đất, Phân bón và Môi trường phía Nam, 2010) 147 HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 Hình 2: Bản đồ thổ nhưỡng lưu vực Đa Tam (Nguồn: Phòng Tài nguyên Đất – Viện Địa lý Tài nguyên Tp. Hồ Chí Minh, 2011) Do ảnh hưởng của độ cao (960 – 1810 m) và rừng thông bao bọc, nên LVĐT mang nhiều đặc tính của miền ôn đới. Nhiệt độ trung bình 18–22°C, nhiệt độ cao nhất chưa bao giờ quá 30°C và thấp nhất không dưới 5°C. LVĐT có mùa mưa từ tháng 5 đến tháng 10, mùa nắng từ tháng 11 đến tháng 4. Lượng mưa trung bình năm là 1644 – 1729 mm và độ ẩm 82%[7]. Hình 3: Bản đồ hiện trạng sử dụng đất trong lưu vực Đa Tam năm 2005 (Nguồn: Phòng Tài Nguyên Đất- Viện Địa Lý Tài Nguyên Tp. Hồ Chí Minh, 2005) 148 HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Phương trình USLE được xây dựng và hoàn thiện bởi đồng tác giả Wischmeier và Smith vào năm 1978[1]. Trong phương trình, lượng đất xói mòn hàng năm được tính toán dựa trên cơ sở đánh giá sự ảnh hưởng của các yếu tố: mưa, khả năng kháng xói mòn của đất, chiều dài sườn dốc và độ dốc sườn cũng như thông số về lớp phủ thực vật (giai đoạn phát triển cây trồng, loại cây trồng, độ phủ thực vật) và phương pháp canh tác đất. Đây là một phương trình đơn giản, kết quả khá chính xác, đã được sử dụng rộng rãi. Phương trình USLE có dạng [1]: A = R * K * LS * C * P (1) Trong đó: - A : Lượng mất đất trung bình trên một đơn vị diện tích trong năm (tấn/ha). - R : Hệ số mưa/chảy tràn, là hệ số đánh giá năng lượng mưa và dòng chảy tràn. - K : Hệ số xói mòn đất của đất - tỉ lệ mất đất trên một đơn vị diện tích đối với diện tích có chiều dài sườn 22,1 m và nghiêng đều với độ dốc 9% (∼5o). - LS : Hệ số chiều dài sườn và độ dốc, là tỉ lệ mất đất của sườn và độ dốc thực tế so với sườn dài 22,1 m (72,6 feet) và nghiêng đều với độ dốc 9% (∼5o). - C : Hệ số lớp phủ bề mặt đất. - P : Hệ số canh tác hay hệ số cách làm đất. Để thành lập bản đồ xói mòn cho khu vực nghiên cứu theo phương trình USLE và GIS thì ta cần xây dựng bản đồ hệ số R, bản đồ hệ số K, bản đồ hệ số LS, bản đồ hệ số C. Sau đó tích các bản đồ hệ số R, bản đồ hệ số K, bản đồ hệ số LS để cho ra bản đồ xói mòn tiềm năng. Cuối cùng tích bản đồ hệ số C với bản đồ xói mòn tiềm năng để cho ra bản đồ hiện trạng xói mòn. Hình 4: Tiến trình xây dựng bản đồ xói mòn đất (Nguồn: Nguyễn Kim Lợi, 2005) 149 HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 4.1. Bản đồ hệ số R Hệ số R trong LVĐT được tính toán theo lượng mưa trung bình hàng năm và áp dụng công thức tính R của Nguyễn Trọng Hà (1996)[5]: R = 0,548257 x P – 59,9 (2) Trong đó: R là Hệ số xói mòn của mưa và dòng chảy; P là Lượng mưa trung bình năm. Bảng 2: Thống kê diện tích giá trị mưa nội suy và hệ số R lưu vực Đa Tam Giá trị nội suy (mm) Giá trị R Diện tích (ha) 1650 1660 1677 1685 1695 1705 1715 1725 844 850 859 863 869 874 880 885 5.438,38 3.840,16 3.509,28 5.693,06 6.926,32 13.906,78 5.594,8 3.493,24 Hệ số R trong lưu vực đạt mức trung bình và giảm dần theo chiều Bắc Nam. Việc tính toán hệ số R theo lượng mưa trung bình năm đã không phản ánh hết được sự ảnh hưởng của yếu tố mưa và dòng chảy đến sự xói mòn. 4.2. Bản đồ hệ số K Chỉ số K trong nghiên cứu được tham khảo, kế thừa từ các công trình nghiên cứu khác. Bảng 3: Hệ số K của các loại đất lưu vực Đa Tam Kí hiệu Ru Fk Fu Fd Fa Fs D Hệ số K 0,12 0,20 0,21 0,23 0,23 0,27 0,32 Diện tích (ha) 173,34 4.861,68 622,83 24.860,96 10.474,19 4.603,53 1.780,52 Kết quả cho thấy, ở LVĐT hệ số K có giá trị từ 0,12 - 0,32 chiếm phần lớn diện tích vùng (87,84%). Hệ số K ở đây có giá trị chênh lệch không lớn cho thấy khả năng kháng xói mòn của các loại đất trên không có sự khác biệt nhiều. 4.3. Bản đồ hệ số LS Để xây dựng bản đồ hệ số LS cho LVĐT ta sử dụng mô hình DEM của LVĐT và phần mềm Arcgis 9.3 theo công thức của Bruch (1986) [11]: LS =(([Flow Accumulation]* Cellsize/22,13)n) *((Sin([slope]*0,01745))/0,0896)1,3 (4) Trong đó: - LS: Hệ số thể hiện sự ảnh hưởng của địa hình đến xói mòn. - Flow Accumulation: Giá trị dòng tích lũy. - Cellsize: Kích thước pixel của DEM. - Slope: Bản đồ độc dốc theo phần trăm. 150 HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 - n: Thông số thực nghiệm; n = 0,2 khi S < 1% ; n = 0,3 khi 1% < S < 3.5%; n = 0,4 khi 3.5% < S < 4.5% ; n = 0,5 khi S > 5% Hình 5: Bản đồ độ dốc trong lưu vực Đa Tam Bảng 4: Thống kê độ dốc trong lưu vực Đa Tam Độ dốc (%) 0-1 1 - 3,5 3,5 - 4,5 4,5 - 5 >5 Tổng Diện tích (ha) 4.542,54 2.501,56 841,96 375,68 40.140,26 48.402 Tỷ lệ (%) 9,39 5,17 1,74 0,78 82,93 100 Do phần lớn độ dốc trong lưu vực lớn hơn 5% (chiếm 82,93 % diện tích toàn lưu vực) nên trong nghiên cứu này chúng tôi chọn n = 0,5. Sau quá trình xử lý trong phần mềm Arcgis 9.3 ta được kết quả hệ số LS của LVĐT (bảng 5): Bảng 5: Thống kê hệ số LS lưu vực Đa Tam Hệ số LS 0 - 0,2 0,2 - 0,5 0,5 - 1,5 > 1,5 Diện tích (ha) 13.592,24 1.851,30 5.209,09 27.749,37 Diện tích (%) 28,08 3,82 10,76 57,33 151 HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 Thông qua bảng 5 cho thấy hệ số LS lớn hơn 1,5 chiếm hơn phân nửa diện tích lưu vực (57,33 % diện tích lưu vực) và phân bố trên toàn lưu vực. Khu vực có hệ số LS từ 0 đến 0,2 chiếm diện tích tương đối lớn (28,08 % diện tích lưu vực). Như vậy có thể thấy rằng yếu tố độ dốc và chiều dài sườn dốc sẽ ảnh hưởng rất lớn đến lượng đất xói mòn trong LVĐT. 4.4. Bản đồ hệ số C Từ hiện trạng sử dụng đất (năm 2005) lớp phủ bề mặt của khu vực nghiên cứu được phân thành các loại thực phủ với giá trị hệ số C tương ứng (bảng 6): Bảng 6: Hệ số C của lưu vực Đa Tam Loại thực phủ Rừng thông Cây trồng lâu năm Cây trồng hàng năm Lúa Phi nông nghiệp Mặt nước (ao, hồ) Hệ số C 0,01 0,08 0,20 0,06 0,17 0,00 Diện tích (ha) 30.408,40 8.022,78 3.863,17 900,47 3.993,06 1.214,11 Hệ số C cho từng loại thực phủ trong LVĐT có độ chênh lệch về giá trị không lớn. Hệ số C có giá trị bằng 0,01 chiếm phần lớn diện tích lưu vực ( 28.380,85 ha) . Điều này sẽ giúp làm giảm đi đáng kể lượng xói mòn thực tế tại LVĐT. 4.5. Hệ số P Việc xác định hệ số P đòi hỏi sự tính toán, khảo sát lâu dài. Do tính chất hạn chế của bài báo nên hệ số P được coi có giá trị là 1. Với P = 1, tổng lượng đất mất A trong công thức (1) sẽ không bị ảnh hưởng bởi hệ số này[3]. Hình 6: Bản đồ hệ số R lưu vực Đa Tam 152 Hình 7: Bản đồ hệ số K của lưu vực Đa Tam HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 Hình 8: Bản đồ hệ số LS lưu vực Đa Tam Hình 9: Bản đồ hệ số C của lưu vực Đa Tam 4.6. Bản đồ xói mòn tiềm năng Sau khi tính toán và dùng phần mềm Arcgis 9.3 tích hợp các bản đồ các hệ số kết quả cho được bản đồ xói mòn tiềm năng LVĐT (hình 10). Căn cứ vào bản đồ xói mòn tiềm năng và quy định phân cấp xói mòn tiền năng theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 5299 -1995), tiến hành phân loại xói mòn tiềm năng ở LVĐT (bảng 7): Bảng 7: Phân cấp xói mòn tiềm năng lưu vực Đa Tam STT Cấp XMTN 1 2 3 4 5 6 7 8 Cấp I Cấp II Cấp III Cấp IV Cấp V Cấp VI Cấp VII Cấp VIII Lượng mất đất (tấn/ha/năm) 0 – 50 50 – 100 100 – 200 200 – 400 400 – 800 800 – 1600 1600 – 3200 > 3200 Tổng Diện tích (ha) 13.910,60 1.494,81 2.557,39 5.169,19 9.358,66 9.676,04 4.506,45 1.728,85 48.402 Tỷ lệ (%) 28,74 3,09 5,28 10,68 19,34 19,99 9,31 3,57 100 Qua bản đồ xói mòn tiềm năng của LVĐT chúng ta có thể thấy xói mòn tiềm năng có quan hệ chặt chẽ với yếu tố địa hình của khu vực (giá trị LS). Hầu như xói mòn diễn ra trên toàn lưu vực. Xói mòn ở cấp độ I (0 - 50 tấn / ha/ năm) chiếm diện tích lớn hơn cả 28,74 % diện tích toàn lưu vực còn các cấp xói mòn khác chiếm diện tích tương đối ( từ 0 – 20 %) và thấp nhất là xói mòn cấp II (3,09 %). Xói mòn cấp VIII chiếm diện tích không lớn 3,57 % diện tích toàn lưu vực. Nhìn chung các cấp xói mòn tiềm năng LVĐT có sự phân bố không đồng đều (khu vực có hệ số xói mòn cao tập trung ở phía Tây và Tây Nam). Tổng lượng mất 153 HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 đất tiềm năng lên đến 132.736 tấn/ha/ năm. Các cấp xói mòn diễn biến khá phức tạp và có xu hướng giảm từ cấp I (28,74 %) đến cấp II (3,09 %)sau đó tăng đến cấp VI (19,99 %) rồi lại giảm đến cấp VIII (3,57 %). Hình 10: Bản đồ xói mòn tiềm năng lưu vực Đa Tam 4.7. Bản đồ xói mòn hiện trạng Bản đồ hiện trạng xói mòn LVĐT thể hiện mức độ xói mòn đất khi đã tích bản đồ hệ số (C) và bản đồ xói mòn tiềm năng. Trong Arcgis 9.3 ta cũng dùng công cụ Raster Calculator để thành lập bản đồ xói mòn hiện trạng. Sau quá trình xử lý ta được bản đồ hiện trạng xói mòn của LVĐT (hình 11). Căn cứ vào quy định phân cấp hiện trạng xói mòn theo tiêu chuẩn Việt Nam (Chất lượng đất Việt Nam, TCVN 5299 – 1995) trong vùng nghiên cứu có thể chia thành các cấp xói mòn (bảng 8): Bảng 8: Phân cấp hiện trạng xói mòn lưu vực Đa Tam STT Cấp HTXM 1 2 3 4 5 6 7 8 Cấp I I1 I2 I3 I4 Cấp II Cấp III Cấp IV Lượng mất đất (tấn/ha/năm) 0 – 10 0 – 0,5 0,5 – 1 1–5 5 – 10 10 – 50 50 – 200 > 200 Tổng 154 Diện tích (ha) 28.729,68 13.773,68 557,37 6.830,94 7.567,70 12.349,03 5.627,07 1.696,22 48.402 Tỷ lệ (%) 59,36 28,46 1,15 14,11 15,64 25,51 11,63 3,50 100 HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 Qua kết quả thống kê cho thấy tác dụng hạn chế xói mòn đất của lớp phủ thực vật từ 132.736 tấn/ha/ năm xuống còn 17.770 tấn/ha/ năm. Giá trị xói mòn tiềm năng và hiện trạng xói mòn là các giá trị biến đổi liên tục và có sự thay đổi giá trị xói mòn ở cùng 1 vị trí. Kết quả xây dựng bản đồ hiện trạng xói mòn LVĐT cho thấy các diện tích có lớp phủ bề mặt là rừng có giá trị xói mòn thấp nhất. Chính vì vậy, rừng rất quan trọng, không chỉ vì chúng có giá trị về kinh tế mà còn có giá trị sinh thái, phòng hộ. Cần trồng và bảo vệ rừng ở nơi có độ dốc lớn, xói mòn tiềm năng cao. Một số nhận xét về hiện trạng xói mòn lưu vực Đa Tam: − Hiện trạng xói mòn của lưu vực có diện tích không đồng đều giữa các cấp xói mòn. Tổng lượng mất đất lên đến 17.770 tấn/ha/năm. − Phần lớn diện tích của lưu vực có lượng mất đất từ 1 đến 10 tấn/ha/năm. Diện tích của vùng này rất lớn 28.729,68 ha, chiếm đến 59,36 % tổng diện tích lưu vực. − Xói mòn cấp IV chiếm không lớn nhưng nếu không biết bảo vệ lớp thực phủ thì nó sẽ tăng lên nhanh chóng. Hình 11: Bản đồ hiện trạng xói mòn lưu vực Đa Tam 5. KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ Thông qua việc sử dụng phương trình USLE và công nghệ GIS bài báo đã thành lập bản đồ xói mòn tiềm năng và xói mòn hiện trạng cho LVĐT. LVĐT với tổng lượng xói tiềm năng 132.736 tấn/ha/năm và xói mòn hiện trạng là 17.770 tấn/ha/năm. Sự chệnh lệnh giữa giá trị xói mòn tiềm năng và hiện trạng xói mòn cho thấy vai trò, tác dụng của lớp thực phủ bề mặt. Vì vậy, cần có những biện pháp bảo vệ lớp thực phủ như: trồng và bảo vệ rừng, dùng tàn dư 155