Luận văn Thạc sĩ Khoa học lâm nghiệp: Nghiên cứu ảnh hưởng của một số nhân tố đến chất lượng dòng chảy tại lưu vực sông Bùi – huyện Lương Sơn - tỉnh Hòa Bình

Chia sẻ: Tri Lễ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:83

Thêm vào BST

Báo xấu

24
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài nghiên cứu nhằm xác định được đặc điểm của chất lượng dòng chảy (lưu lượng, mực nước, nhiệt độ nước) tại lưu vực sông Bùi; xác định được mức độ ảnh hưởng của một số nhân tố (lượng mưa, độ che phủ của rừng) đến chất lượng dòng chảy tại lưu vực sông Bùi; đề xuất một số giải pháp góp phần quản lý và phát triển bền vững chất lượng dòng chảy tại lưu vực sông Bùi.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học lâm nghiệp: Nghiên cứu ảnh hưởng của một số nhân tố đến chất lượng dòng chảy tại lưu vực sông Bùi – huyện Lương Sơn - tỉnh Hòa Bình

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP ---------------------------- HOÀNG ĐÌNH LƯU NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ NHÂN TỐ ĐẾN CHẤT LƯỢNG DÒNG CHẢY TẠI LƯU VỰC SÔNG BÙI HUYỆN LƯƠNG SƠN, TỈNH HÒA BÌNH LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC LÂM NGHIỆP HÀ NỘI - 2012
2 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP --------------------------- HOÀNG ĐÌNH LƯU NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ NHÂN TỐ ĐẾN CHẤT LƯỢNG DÒNG CHẢY TẠI LƯU VỰC SÔNG BÙI HUYỆN LƯƠNG SƠN, TỈNH HÒA BÌNH Ngành : Lâm học Mã ngành : 60.62.60 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC LÂM NGHIỆP NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. PHÙNG VĂN KHOA HÀ NỘI - 2012 2
i LỜI CẢM ƠN Luận văn được hoàn thành theo chương trình đào tạo cao học lâm nghiệp trường Đại học Lâm nghiệp Việt Nam. Nhân dịp này cho tôi được gửi lời cảm ơn chân thành, sâu sắc nhất tới UBND huyện Lương Sơn; UBND xã Lâm Sơn; khoa Sau đại học, Viện Sinh thái rừng và Môi trường - trường Đại học Lâm nghiệp; và đặc biệt là thầy giáo TS. Phùng Văn Khoa, người đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong quá trình thu thập và thực hiện luận văn. Mặc dù đã hết sức cố gắng nghiên cứu, làm việc để hoàn thiện luận văn, song do hạn chế về mặt thời gian và trình độ, nên luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót nhất định. Tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu từ các thầy cô giáo, các nhà khoa học và bạn bè đồng nghiệp để bản luận văn được hoàn thiện hơn. Tôi xin cam đoan rằng, số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực và chưa được sử dụng để bảo vệ một học vị nào, các thông tin trích dẫn trong luận văn đều được chỉ rõ nguồn gốc. Tôi xin chân thành cám ơn! Hà Nội, Ngày 28 tháng 12 năm 2012 Tác giả Hoàng Đình Lưu
ii MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cảm ơn ......................................................................................................... i Mục lục .............................................................................................................. ii Danh mục các từ viết tẳt.................................................................................... v Danh mục các bảng .......................................................................................... vi Danh mục các hình .......................................................................................... vii ĐẶT VẤN ĐỀ .................................................................................................. 1 Chương 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU.................................... 2 1.1. Thế giới .................................................................................................. 2 1.1.1. Về dòng chảy trên bề mặt đất ........................................................ 2 1.1.2. Chất lượng nước dòng chảy mặt khởi đầu ................................... 7 1.2. Việt Nam ............................................................................................... 9 1.2.1. Những thành quả nghiên cứu về dòng chảy mặt ......................... 9 1.2.2. Chất lượng nước dòng chảy mặt khởi đầu ................................. 13 Chương 2. MỤC TIÊU - NỘI DUNG - PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ... 15 2.1. Mục tiêu nghiên cứu........................................................................... 15 2.1.1. Mục tiêu chung ............................................................................ 15 2.2. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu ................................ 15 2.3. Nội dung nghiên cứu .......................................................................... 15 2.4. Phương pháp nghiên cứu................................................................... 16 2.4.1. Phương pháp kế thừa tài liệu ...................................................... 16 2.4.2. Phương pháp xử lý và phân tích số liệu ..................................... 16 2.4.3. Phương pháp chuyên gia ............................................................. 21 Chương 3. ĐẶC ĐIỂM ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN – KINH TẾ - XÃ HỘI KHU VỰC NGHIÊN CỨU .......................................................................... 22
iii 3.1. Điều kiện tự nhiên .............................................................................. 22 3.1.1. Vị trí địa lý khu vực nghiên cứu.................................................. 22 3.1.2. Điều kiện khí hậu khu vực nghiên cứu ...................................... 22 3.1.3. Đặc điểm địa hình khu vực nghiên cứu ..................................... 24 3.1.4. Điều kiện thổ nhưỡng khu vực nghiên cứu ............................... 24 3.1.5. Đặc điểm tài nguyên rừng ........................................................... 25 3.2. Đặc điểm kinh tế xã hội ..................................................................... 25 3.2.1. Dân tộc, dân số và lao động......................................................... 25 3.2.2.Thực trạng các ngành kinh tế ...................................................... 26 Chương 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ........................................................ 29 4.1. Biến động độ che phủ của thảm thực vật rừng trong lưu vực sông Bùi . 29 4.1.1. Đặc điểm lưu vực sông Bùi ............................................................. 29 4.1.2. Biến động độ che phủ của thảm thực vật rừng trong lưu vực sông Bùi .................................................................................................. 30 4.2. Đặc điểm chất lượng dòng chảy tại lưu vực sông Bùi .................... 41 4.2.1. Đặc điểm chế độ thủy văn trong lưu vực sông Bùi .................... 41 4.2.3. Đặc điểm biến động chiều cao mực nước H (cm) tại lưu vực sông Bùi .................................................................................................. 46 4.2.4. Đặc điểm biến động nhiệt độ nước T (0C) tại lưu vực sông Bùi 49 4.3. Ảnh hưởng của lượng mưa và độ che phủ rừng đến chất lượng dòng chảy trong lưu vực sông Bùi ........................................................... 53 4.3.1. Diễn biến lượng mưa tại các thời điểm nghiên cứu ở lưu vực sông Bùi .................................................................................................. 53 4.3.2. Ảnh hưởng của lượng mưa đến chất lượng dòng chảy trong lưu vực sông Bùi ........................................................................................... 55 4.3.3. Ảnh hưởng của độ che phủ rừng đến chất lượng dòng chảy trong lưu vực sông Bùi .......................................................................... 57
iv 4.3.4. Ảnh hưởng tổng hợp của lượng mưa và độ che phủ rừng đến chất lượng dòng chảy trong lưu vực sông Bùi ..................................... 61 4.3.5. Ảnh hưởng của yếu tố nhân tác đến chất lượng dòng chảy tại lưu vực sông Bùi .................................................................................... 62 4.4. Một số giải pháp góp phần quản lý và phát triển bền vững chất lượng dòng chảy tại lưu vực sông Bùi ..................................................... 65 KẾT LUẬN – TỒN TẠI – KIẾN NGHỊ ..................................................... 67 1. Kết luận .................................................................................................. 67 2. Tồn tại .................................................................................................... 69 3. Kiến nghị ................................................................................................ 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC
v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT TT Từ viết tắt Nghĩa từ 1 CLDC Chất lượng dòng chảy 2 DCBM Dòng chảy bề mặt 3 H (cm) Chiều cao mực nước 4 LN Lâm nghiệp 5 LV Lưu vực 6 PH Phòng hộ 7 Q Lưu lượng dòng chảy 8 R Lượng mưa 9 T (0C). Nhiệt độ nước 10 TV Thủy văn 11 TVR Thủy văn rừng 12 UBND Ủy ban nhân dân 13 W% Độ ẩm 14 XM Xói mòn 15 XMBM Xói mòn bề mặt
vi DANH MỤC CÁC BẢNG TT Tên bảng Trang 2.1 Hệ thống bảng mã trạng thái rừng chuẩn chu kỳ IV 18 3.1 Các chỉ tiêu khí hậu cơ bản tại khu vực nghiên cứu 23 4.1 Đặc điểm lưu vực sông Bùi 29 4.2 Hiện trạng rừng giai đoạn 1995 – 2000 tại lưu vực sông Bùi 31 4.3 Hiện trạng rừng giai đoạn 2000 – 2005 tại lưu vực sông Bùi 32 4.4 Hiện trạng rừng giai đoạn 2005 – 2010 tại lưu vực sông Bùi 33 Biến động độ che phủ của thảm thực vật rừng trong lưu vực 4.5 34 sông Bùi 4.6 Đặc điểm chế độ thủy văn tại lưu vực sông Bùi 41 4.7 Biến động lưu lượng dòng chảy theo các tháng trong năm 45 4.8 Biến động chiều cao mực nước H (cm) theo các tháng trong năm 48 4.9 Biến động nhiệt độ nước T (0C) theo các tháng trong năm 52 4.10 Đặc điểm diễn biến lượng mưa (mm) tại các thời điểm nghiên cứu 53 4.11 Đặc điểm lượng mưa và các yếu tố dòng chảy qua các thời kỳ 55 4.12 Độ che phủ rừng và các yếu tố dòng chảy qua các thời kỳ 57 4.13 Khóa giải đoán các trạng thái rừng 58 Kết quả xác định độ che phủ rừng trên ảnh vệ tinh và các yếu 4.14 59 tố dòng chảy qua các thời kỳ Biến động đất khác + đất dân cư và các yếu tố dòng chảy qua 4.15 62 các thời kỳ
vii DANH MỤC CÁC HÌNH TT Tên hình Trang 2.1 Minh họa phương pháp xâ dựng mô hình 3D của lưu vực 17 2.2 Mô hình tính toán NDVI 20 4.1 Mô hình 3D lưu vực sông Bùi 30 4.2 Biến động độ che phủ rừng trong lưu vực sông Bùi 34 4.3 Biến động diện tích đất trống trong lưu vực sông Bùi 35 4.4 Biến động diện tích đất dân cư và đất khác trong lưu vực sông Bùi 36 4.5 Hiện trạng rừng lưu vực sông Bùi năm 1995 37 4.6 Hiện trạng rừng lưu vực sông Bùi năm 2000 38 4.7 Hiện trạng rừng lưu vực sông Bùi năm 2005 39 4.8 Hiện trạng rừng lưu vực sông Bùi năm 2010 40 4.9 Đặc điểm chế độ thủy văn tại lưu vực sông Bùi 41 Biến thiên lượng mưa theo các tháng trong năm tại lưu vực 4.10 42 sông Bùi 4.11 Biến động lưu lượng dòng chảy trong năm 1995 42 4.12 Biến động lưu lượng dòng chảy trong năm 2010 43 4.13 Biến động lưu lượng dòng chảy theo các tháng trong năm 43 4.14 Biến động chiều cao mực nước H (cm) trong năm 1995 44 4.15 Biến động chiều cao mực nước H (cm) trong năm 2000 44 4.16 Biến động chiều cao mực nước H (cm) trong năm 2005 45 4.17 Biến động chiều cao mực nước H (cm) trong năm 2010 46 4.18 Biến động chiều cao mực nước H (cm) theo các tháng trong 47 năm 4.19 Biến động nhiệt độ nước T (0C) trong năm 1995 47 4.20 Biến động nhiệt độ nước T (0C) trong năm 2000 47
viii 4.21 Biến động nhiệt độ nước T (0C) trong năm 2005 49 4.22 Biến động nhiệt độ nước T (0C) trong năm 2010 50 4.23 Biến động nhiệt độ nước T (0C) theo các tháng trong năm 50 4.24 Đặc điểm diễn biến lượng mưa (mm) tại các thời điểm nghiên 50 cứu 4.25 Biến động tổng lượng mưa qua các năm 51 4.26 Liên hệ giữa lượng mưa với lưu lượng dòng chảy Q (m3/s) 52 4.27 Liên hệ giữa lượng mưa với chiều cao mực nước H (cm) 54 4.28 Kết quả tính NDVI trên ảnh landsat ETM năm 2007 55 4.29 Liên hệ giữa lưu lượng dòng chảy và độ che phủ của rừng 56 4.30 Liên hệ giữa chiều cao mực nước và độ che phủ của rừng 56 4.31 Liên hệ giữa nhiệt độ nước và độ che phủ của rừng 58 4.32 Liên hệ giữa lưu lượng dòng chảy nước với diện tích đất khác 60 và đất dân cư 4.33 Liên hệ giữa chiều cao mực nước với diện tích đất khác và đất 60 dân cư 4.34 Liên hệ giữa chiều cao mực nước với diện tích đất khác và đất 61 dân cư 4.35 Biến động lưu lượng dòng chảy trong năm 2010 63 4.36 Liên hệ giữa nhiệt độ nước với diện tích đất khác và đất dân 63 cư 4.37 Liên hệ giữa nhiệt độ nước với diện tích đất khác và đất dân cư 64
1 ĐẶT VẤN ĐỀ Nước là một thành phần môi trường, một nhân tố sinh thái vô cùng quan trọng đối với sự tồn tại của con người và thiên nhiên. Không có nước đồng nghĩa với không có sự sống. Mặc dù chiếm giữ vai trò hết sức to lớn và không thể thay thế trong đời sống, nhưng hiện nay tài nguyên nước đang bị suy giảm nghiêm trọng cả về số lượng và chất lượng. Có nhiều nguyên nhân gây nên hiện tượng này, trong đó có xói mòn và dòng chảy mặt. Dòng chảy mặt xuất hiện, đó chính là tiền đề của hiện tượng lũ lụt. Sự xuất hiện của dòng chảy mặt thường kéo theo những chất hữu cơ, chất hòa tan, bùn, cát,... và có nhiệt độ thay đổi không ổn định phụ thuộc vào nhiệt độ bề mặt đất nơi chúng đi qua. Điều này đã dẫn đến việc mất ổn định của nguồn nước và làm cho nguồn nước bị ô nhiễm. Làm sao để hạn chế được dòng chảy mặt và kiểm soát ô nhiễm nước có nguồn không xác định này – đó là một câu hỏi lớn đang đặt ra cho những nhà quản lý và những chuyên gia về môi trường nước hiện nay. Chúng ta đều biết dưới tác dụng của các khu rừng tới chất lượng dòng chảy tốt hơn so với các loại hình sử dụng đất khác. Nhưng sự tốt hơn đó cụ thể như thế nào? Ảnh hưởng cụ thể của từng nhân tố đến chất lượng dòng chảy cụ thể ra sao? Chiều hướng diễn biến của chất lượng dòng chảy theo thời gian sẽ thế nào? Các công trình nghiên cứu về mối quan hệ giữa rừng và nước tại Việt Nam mới chỉ ở dạng định tính. Rất cần thiết có những nghiên cứu định lượng về vấn đề này. Để góp phần giải quyết những tồn tại trên, tác giả đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của một số nhân tố đến chất lượng dòng chảy tại lưu vực sông Bùi – huyện Lương Sơn - tỉnh Hòa Bình”.
2 Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Dòng chảy mặt xuất hiện khi cường độ mưa lớn hơn so với tỷ lệ thấm của đất, hay khi lượng mưa vượt quá khả năng thấm của đất (Mingteh Chang, 2005). Sự xuất hiện của dòng chảy mặt thường cuốn theo nhiều bùn cát, chất hữu cơ, chất hòa tan và có nhiệt độ biến đổi mạnh phụ thuộc nhiệt độ mặt đất, đó là nguyên nhân làm cho nước sông hồ có tính ổn định thấp, mức ô nhiễm của nước tăng lên (Vương Văn Quỳnh, 2007). Trên thế giới nói chung và tại Việt Nam nói riêng đã có nhiều tác giả nghiên cứu về dòng chảy mặt và mức độ ảnh hưởng của dòng chảy mặt đối với chất lượng nước sông ngòi. Một số nét lớn của các công trình nghiên cứu có liên quan đến đặc tính dòng chảy mặt khởi đầu được trình bày tóm tắt như sau: 1.1. Thế giới 1.1.1. Về dòng chảy trên bề mặt đất Nghiên cứu dòng chảy mặt đất thực chất là nghiên cứu về thủy văn rừng. Thuật ngữ “Thủy văn rừng” ra đời vào những năm đầu của thế kỷ XIII (chính xác là vào năm 1215), tuy lĩnh vực này đã được đề cập nghiên cứu từ khá lâu, song những thành tựu của nó mang ý nghĩa rõ rệt trong cuộc sống phải kể từ những năm 1930 trở lại đây khi mà những nghiên cứu về định lượng phát triển một cách mạnh mẽ. Dòng chảy mặt đất là một bộ phận vô cùng quan trọng của tuần hoàn nước trong hệ sinh thái rừng, phản ánh tốt nhất khả năng giữ nước của rừng. Đã có nhiều lý luận về dòng chảy bề mặt đất như: “Cơ chế dòng chảy trên mặt đất siêu thấm”; khái niệm “Diện tích sản sinh dòng chảy biến động”. Nhìn chung, đất rừng tự nhiên có khả năng thấm nước cao và ít khi xuất hiện dòng chảy bề mặt (Douglass 1977; Pritchett, 1979). Tuy nhiên, khi rừng bị chặt hạ trở nên thưa thớt và độ dốc mặt đất lớn, có thể tạo ra nhiều lượng
3 nước chảy trên bề mặt (Ruxton B P, 1967; Imeson A C và Vis, 1982). Nhưng cũng có quan điểm cho rằng chặt rừng lại làm giảm lượng dòng chảy mặt đất (Mingteh Chang, 2005). Đó là đối với những khu rừng có nhiều hơi nước, tạo nên mưa cục bộ trong rừng (mưa sương ngưng kết) hay khu vực có lượng mưa nội tại lớn hơn so với lượng bốc thoát hơi nước của rừng. Thủy văn học truyền thống đã phát triển lý luận về dòng chảy trên mặt đất của Horton vào những năm 30 và 40 của thế kỷ XX để nghiên cứu cơ chế hình thành dòng chảy trên mặt đất. Lý luận này chiếm địa vị thống trị trong lĩnh vực thủy văn học công trình kéo dài suốt khoảng 30 năm (Foster G R, 1982). Hibbert A R, (1967) đã dựa vào những quan trắc thực nghiệm và chỉ ra rằng trong hoàn cảnh rừng, cường độ mưa rất ít khi lớn hơn tốc độ thấm nước tiềm tàng của đất, đã nêu ra khung lý luận về động thái hình thành dòng chảy của mưa rào, sau đó đã triển khai nhiều nghiên cứu thực nghiệm nhằm tìm hiểu cơ chế hình thành dòng chảy do mưa gây ra, chủ yếu trên những khu vực ôn đới ẩm ướt của châu Âu và ở Mỹ (Bonell M, 1993). Vào những năm 1970, lý luận “diện tích phát sinh dòng chảy biến động” đã được thừa nhận rộng rãi, những nghiên cứu về thủy văn học trên đất dốc đã phát triển mạnh mẽ và thay thế giả thuyết về “dòng chảy siêu thấm” - các học giả Trung Quốc gọi nó là “trường phái thủy văn học đất dốc” (Trương Hồng Giang, 1989; Vương Lễ Tiên, 1990) - đặt cơ sở cho việc hình thành lý luận về cơ chế phát sinh dòng chảy (Phạm Văn Điển, 2006). Các công trình nghiên cứu về dòng chảy mặt đất thường được gắn liền với nghiên cứu về xói mòn. Phần lớn các nghiên cứu đều tập trung làm rõ ảnh hưởng của các nhân tố như loại đất, độ dốc tầng đất mặt, thực bì, lượng mưa, biện pháp canh tác đến sự phát sinh dòng chảy và xói mòn. Những nghiên cứu đầu tiên được thực hiện vào những năm 80 của thế kỷ 19 (1877 – 1885) do nhà bác học người Đức Volni tiến hành (Hudson N, 1981). Kết quả nghiên
4 cứu đã cho thấy có mối quan hệ mật thiết giữa sự hình thành dòng chảy bề mặt và các nhân tố ảnh hưởng như lượng mưa, đặc điểm cấu trúc lớp phủ thực vật, đặc điểm thấm và giữ nước của đất cùng với đặc điểm địa hình. Bennett vào những năm 1938 – 1943 (Hudson N, 1981) cũng tiến hành thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của các biện pháp kỹ thuật canh tác tới xói mòn và dòng chảy mặt đất. Tại Châu Phi, nghiên cứu đầu tiên về dòng chảy được thiết lập tại trường đại học Pretoria do giáo sư Haillet tiến hành vào năm 1929 (Hudson N, 1981). Cũng tại Châu Phi, J.O.Owino, S.F.O.wido, M.C.Chemelil (2006) đã tiến hành thí nghiệm đánh giá về khả năng hạn chế dòng chảy mặt và mất đất thịt nhẹ bằng cỏ Hương bài và cỏ Voi. Kết quả cho thấy dòng chảy mặt trên các ô thửa thí nghiệm có cỏ Hương bài và cỏ Voi giảm tương ứng là 54% và 12%. Song phần lớn các kết luận đã nghiên cứu chưa được định lượng chính xác, chưa được khái quát thành quy luật. Một trong những công trình nghiên cứu tương đối toàn diện về thủy văn rừng là công trình của Moltranov tiến hành tại Liên Xô (Moltranov A.A, 1960, 1973). Ông đã nghiên cứu rất tỷ mỷ sự khác biệt về lượng nước bị giữ lại ở trên các tán rừng, lượng nước chảy men thân cây, lượng mưa dưới tán rừng, khả năng thấm và giữ nước của tán rừng. Bằng các thí nghiệm của mình, ông chỉ ra rằng các khu rừng ở Châu Âu tán rừng có khả năng giữ được 25 – 40% tổng lượng giáng thủy. Ông khẳng định ngay ở nơi có độ dốc 25 – 300 rừng vẫn có khả năng biến nước chảy mặt đất thành nước ngầm. Các phương pháp nghiên cứu thủy văn rừng không ngừng được các nhà khoa học tìm tòi, phát triển, trong đó ưu việt nhất là phương pháp gây mưa nhân tạo. Với phương pháp này, việc nghiên cứu ảnh hưởng của các nhân tố cấu trúc rừng đến khả năng điều tiết bảo vệ đất của rừng trở nên dễ dàng hơn, kết quả thu được chính xác hơn và thời gian nghiên cứu được giảm xuống.
5 Áp dụng phương pháp nghiên cứu tiến bộ này, nhóm tác giả Tao Liang, Hao Wang, Hsiang–te Kung và Chao–sheng Zhang khi nghiên cứu ảnh hưởng của 5 loại hình sử dụng đất (rừng tre, vườn trồng dâu tằm, rừng thông, mảnh đất trồng rau, ruộng lúa) đến sự mất đi các chất dinh dưỡng tại phía tây lưu vực Tiaoxi – Trung Quốc (2004) đã đưa ra kết luận với cường độ mưa 2mm/phút trong thì sau 10 phút dòng chảy mặt bắt đầu xuất hiện trên mảnh đất trồng rau, đối với 4 loại hình sử dụng đất còn lại thời gian trung bình để dòng chảy mặt xuất hiện là 2,5 – 5 phút. Khi nghiên cứu về thủy văn rừng bạch đàn tự nhiên, Lima và Oloughlin (Poore M.E.D, 1988) đã kết luận rằng tồn tại mối quan hệ tuyến tính giữa lượng mưa với lượng nước chảy men thân cây, dòng chảy mặt, lượng mưa bị tán rừng ngăn giữ… theo dạng y = a + bx (trong đó x là lượng mưa, y là dòng chảy mặt). Mối liên hệ giữa dòng chảy với việc chặt rừng được nghiên cứu bởi nhiều tác giả. Theo Bosch và Hewlett (1986) (Phạm Văn Điển, 2006), thực sự tồn tại mối liên hệ nghịch của tổng lượng dòng chảy với rừng bị chặt ở 94 ô thí nghiệm đo nước ở nhiều nơi trên thế giới và đã hai ông cũng đã xác lập công thức tính mức gia tăng trữ lượng nước trong các mùa theo tỷ lệ khai thác trắng rừng. Ngoài ra cũng có những thí nghiệm đã cho thấy sự gia tăng của mực nước ngầm theo mức khai thác rừng. Sở dĩ có những nhận định và kết luận trái ngược như vậy là do nhiều tác giả đã không phân tích một cách đầy đủ mối quan hệ nhân quả giữa rừng – đất – chế độ mưa và những thành phần cân bằng nước trong các hệ sinh thái rừng. Phần lớn những thí nghiệm đưa đến những kết luận về hiệu quả làm tăng sản lượng và tính ổn định của nguồn nước do khai thác rừng đều tiến hành ở những vùng ôn đới – nơi có tổng lượng giáng thủy nhỏ và phân bố tương đối đều trong năm, ở những nơi mà khai thác không làm thay đổi mục đích sử dụng của đất như chuyển thành đất
6 nông nghiệp hoặc đất đồng cỏ, nghĩa là chỉ làm thay đổi tình trạng của lớp phủ thực vật với mức độ nhất định, trong thời gian ngắn và đặc biệt không làm mất đi những tính chất thủy văn của đất rừng. Đối với vùng nhiệt đới nơi có lượng mưa lớn và chủ yếu tập trung vào mùa mưa trong năm thì việc khai thác rừng có ảnh hưởng rất lớn đến việc làm tăng dòng chảy mặt và khả năng xuất hiện lũ là rất lớn. McCuen, R.H., (1998) bằng những nghiên cứu của mình đã tính toán được hệ số dòng chảy mặt cho một số mô hình sử dụng đất khác nhau dưới những nhóm đất khác nhau. Những nghiên cứu này tuy phần lớn được thực hiện tại các nước Châu Âu nhưng kết quả của nó có thể được sử dụng để so sánh, ước lượng cho những vị trí có điều kiện tương tự nhau tại các khu vực khác. Trong nghiên cứu dòng chảy bề mặt, việc xác định lượng dòng chảy bề mặt là một yếu tố vô cùng quan trọng. Có nhiều phương pháp đo lượng dòng chảy mặt đất như xây bể kiên cố ở cạnh dưới ô mẫu để đo lượng nước chảy bề mặt và lượng đất xói mòn. Phương pháp này đã được áp dụng phổ biến ở nhiều nước phát triển trên thế giới từ những năm 40 của thế kỷ trước. Ưu điểm của nó là có độ tin cậy cao, nhưng có nhược điểm là tốn kém, phức tạp và nhiều khi không thể thực hiện được do điều kiện thi công khó khăn. Ngoài ra còn có phương pháp dùng máng kim loại để thu nước đặt ngay tại cạnh dưới của ô thí nghiệm, đưa lại hiệu quả thu nước tối ưu nhưng lại không linh hoạt do chỉ thích hợp với các ô mẫu đo dòng chảy có chiều rộng từ 0,5 – 2m (Gerlack, 1952). Đến nay vẫn chưa có phương pháp nào đo lượng nước chảy bề mặt được coi là chuẩn mực trên phạm vi toàn thế giới để sử dụng một cách thống nhất (Phạm Văn Điển, 2006). Tùy thuộc vào điều kiện thực tế của từng nghiên cứu mà áp dụng các phương pháp đo dòng chảy một cách linh hoạt và hợp lý.
7 Nhìn chung nghiên cứu về dòng chảy mặt nói riêng và thủy văn rừng nói chung trên thế giới đã đạt đến những bước phát triển nhất định và có nhiều đóng góp cho nghiên cứu thủy văn học hiện đại. Đó chính là nền tảng vững chắc cho những nghiên cứu tiếp theo sau này. 1.1.2. Chất lượng nước dòng chảy mặt khởi đầu Sự phú dưỡng là một trong những lo ngại lớn đối với môi trường nước. Mỗi một lưu vực nước trở nên phú dưỡng, có thể xem chúng như là bị “chết” và hệ sinh thái thủy vực dần dần bị suy thoái. Hiện nay, sự phú dưỡng không còn là “xu thế” nữa mà đã trở thành “hiện trạng”. Hậu quả trực tiếp của sự phú dưỡng là làm suy giảm hàm lượng oxy hòa tan trong nước, ảnh hưởng đến đời sống thủy sinh. Sự phú dưỡng cũng sinh ra các loài tảo độc gây nguy hiểm đến sức khỏe con người. Sự phú dưỡng xảy ra phụ thuộc vào nhiều yếu tố, nhưng nguyên nhân chính là hàm lượng chất dinh dưỡng (chủ yếu là nitơ và photpho) trong nước cao. Hàm lượng chất dinh dưỡng cao dẫn đến sự phát triển mạnh của thực vật phù du và thậm chí “bùng nổ” – gọi là hiện tượng “tảo nở hoa”. Các chỉ tiêu như nitrat, phốt phát ngoài việc dùng để đánh giá mức độ phú dưỡng của nguồn nước còn dùng để đánh giá các quá trình phân hủy chất hữu cơ có chứa nitơ, phốt pho trong nguồn nước. Vì vậy, nghiên cứu chất lượng nước, quan tâm đến những tham số về vật lý (nhiệt độ, pH, độ dẫn điện) và hóa học (kim loại nặng, các chất dinh dưỡng,…) của dòng chảy bề mặt và mức độ ảnh hưởng của nó đến khả năng ô nhiễm nguồn nước là rất cần thiết. Trong đó N và P là thành phần chính của chất lơ lửng trong dòng chảy mặt. Những phân tích nước Lysimeter cho thấy nước mưa thấm qua lớp đất mặt đã cuốn theo lượng chất hữu cơ, đạm và các nguyên tố kiềm. Huyền phù trong nước hứng bằng Lysimeter chứa chủ yếu các phân tử mịn, tức là các nhóm sét keo có giá trị nhất cho sự duy trì cấu trúc đất (Võ Đại Hải, 1996).
8 Khi xem xét mối quan hệ giữa rừng với nước có thể khẳng định rừng thực sự làm trong sạch nguồn nước. Dưới tán rừng chất lượng nước tốt hơn hẳn so với các hình thức sử dụng đất khác (Chang et al., 1983, Ice and Sugden, 2003). Omernik (1976) bằng những nghiên cứu của mình đã chỉ ra rằng rừng có độ che phủ trên 90% thì nồng độ N và P trong nước bề mặt tương ứng là 0,398 mg/l và 0.018 mg/l, thấp hơn nhiều so với cùng độ che phủ của dạng canh tác nông nghiệp là 5,354 mg/l và 0,161 mg/l. Việc khai thác rừng cũng làm ảnh hưởng không nhỏ đến đặc tính nguồn nước, tác động mạnh đến nhiệt độ dòng chảy, sự tập trung các hóa chất trong nước, lượng oxi hòa tan (DO), độ dẫn điện, pH, sự hoạt động bề mặt của vi khuẩn,…. (Eschner and Larmoyeux, 1963; Binkley and Brown, 1993; Bolstad and Swank, 1997). Theo Likens và các cộng sự (1977), chặt rừng là nguyên nhân gây nên sự gia tăng đột biến của lượng NO3- trong nước (15mg/l). Chang, M., Roth, F.A., II, Hunt, E.V., Jr (1982) đã quan sát và phân tích trên 30 trận mưa tại 6 khu rừng thuộc bang Texas, Mỹ trong 2 năm 1980, 1981 và chỉ ra rằng tổng lượng chất lắng đọng và lượng dinh dưỡng bị mất đi đối với rừng chưa bị bất kỳ tác động nào tương ứng là 10,7 kg/ha và 2,33 kg/ha, thấp hơn rất nhiều so với lưu vực đã bị tác động mạnh mẽ là 3.462 kg/ha và 71 kg/ ha. Nghiên cứu về mối liên hệ giữa lưu lượng dòng chảy Q với các nồng độ các chất lắng đọng P trong nó, Giáo sư John Stednick trường đại học Colorado, Mỹ (2009) cho rằng có 4 dạng liên hệ: Một là khi Q tăng thì P tăng. Hai là Q tăng P giảm hay nồng độ các chất giảm xuống, đó chính là tác dụng làm loãng của dòng chảy, đây cũng là mối liên hệ khá phổ biến trong nhiều chất khác nhau. Ba là Q tăng, nồng độ các chất lúc đầu giảm sau tăng dần. Bốn là không có mối liên hệ giữa dòng chảy và nồng độ các chất, xảy ra đối với những lưu vực đã bị xáo trộn, không còn giữ được đặc tính ban đầu.
9 Nồng độ các chất dưới các dạng thảm thực vật khác nhau là khác nhau. Tao Liang, Hao Wang, Hsiang–te Kung và Chao–sheng Zhang (2004) chỉ ra rằng nồng độ N và P trong dòng chảy lớn nhất xảy ra đối với vườn trồng cây dâu tằm và nhỏ nhất là dưới rừng thông. Tổng lượng N và P mất đi trên các diện tích nghiên cứu dao động từ 4,66 – 9,40 mg/m2 (với N) và 2,57 – 4,89 mg/m2 (với P). 1.2. Việt Nam 1.2.1. Những thành quả nghiên cứu về dòng chảy mặt Những nghiên cứu về dòng chảy mặt tại Việt Nam còn khá mới mẻ và thường gắn liền với nghiên cứu về xói mòn đất. Nó được bắt đầu vào những năm 70 của thế kỷ XX nhưng thực sự phát triển vào những năm 90 và phần lớn tập trung vào việc nghiên cứu ảnh hưởng của các nhân tố chủ yếu đến khả năng điều tiết giữ nước của rừng. Công trình nghiên cứu điển hình về thuỷ văn rừng trong khoảng thời gian từ năm 1970 - 1985 là của Bộ môn Khí tượng thuỷ văn rừng (Viện nghiên cứu Lâm nghiệp Việt Nam cũ) ở Tứ Quận, Tuyên Quang và ở núi Tiên, Hữu Lũng, Lạng Sơn đã tập trung chủ yếu vào việc tìm hiểu lượng nước chảy bề mặt và lượng đất xói mòn dưới tán rừng bồ đề trồng thuần loài đều tuổi trong khoảng thời gian 3 năm (1974 - 1976) (Bùi Ngạnh, Vũ Văn Mễ, 1995). Thảm thực vật rừng có tác dụng to lớn trong việc điều tiết nước, cung cấp nước cho sông, suối vào mùa khô. Đó là kết luận chung của những tác giả Bùi Ngạnh, Nguyễn Danh Mô (1977), Nguyễn Viết Phổ (1992); Vũ Văn Tuấn (1977, 1981, 1982) khi nghiên cứu về vai trò điều tiết nước của rừng, ảnh hưởng của kiểu thảm thực vật rừng tới việc thay đổi chế độ dòng chảy mặt tại các lưu vực nước và ảnh hưởng đến lượng nước của sông ngòi.
10 Nghiên cứu về rừng với tác dụng dòng chòng chảy được thực hiện bởi các tác giả Vũ Văn Tuấn (1993), Vũ Văn Tuấn và Phạm Thị Lan Hương (1998), Trần Thục và Huỳnh Thị Lan Hương (1999) (Phạm Văn Điển, 2006), Phạm Ngọc Dũng (1993). Các kết quả nghiên cứu cho thấy khả năng tiêu thụ một lượng nước rất lớn của cây rừng, từ đó góp phần làm giảm thiểu xói mòn và dòng chảy. Bên cạnh đó, đất rừng cũng là một nhân tố ảnh hưởng rất rõ nét đến dòng chảy mặt. Sự khác nhau về tính chất, chủ yếu là tính chất vật lý của các loại đất sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến xói mòn đất và sự hình thành dòng chảy. Nguyễn Ngọc Lung và cộng sự (1995) đã dựa vào mức độ thấm, thoát nước và sự thoái hoá của các loại đất để cho điểm và đánh giá vai trò của nhân tố đất ảnh hưởng tới xói mòn và dòng chảy (Phạm Văn Điển, 2006). Không chỉ nghiên cứu định tính, những ảnh hưởng to lớn của rừng đến dòng chảy còn được lượng hóa một cách cụ thể. Đó là lưu lượng dòng chảy tại nơi có rừng thấp hơn từ 2,5 đến 27 lần so với khu vực canh tác nông nghiệp, rừng tự nhiên có tác dụng tốt hơn rừng trồng trong việc giảm dòng chảy mặt; dòng chảy kiệt ở nơi có rừng cao hơn ở nơi không có rừng (Đỗ Đình Sâm, Ngô Đình Quế và Vũ Tấn Phương (2002) (Phạm Văn Điển, 2006). Mối liên hệ giữa lượng mưa và dòng chảy mặt được Võ Đại Hải (1996) mô hình hóa thành dạng phương trình như sau: Log(y) = a + bLog(x) Trong đó y là dòng chảy mặt, x là lượng mưa. Theo tác giả, đây là phương trình biểu diễn khá tốt mối quan hệ giữa dòng chảy mặt với lượng mưa và cường độ mưa. Cùng với việc mô hình hóa quan hệ giữa lượng mưa và dòng chảy mặt, tác giả cũng khẳng định vai trò đặc biệt quan trọng của lớp phủ thảm tươi, cây bụi trong việc làm giảm dòng chảy mặt và xói mòn đất. Bằng kết quả nghiên cứu của mình, tác giả cho rằng khi chiều dài sườn dốc tăng lên 2 lần thì dòng