Luận văn Thạc sĩ Khoa học lâm nghiệp: Nghiên cứu đặc tính dòng chảy mặt của một số mô hình sử dụng đất tại Lâm trường Lương Sơn – huyện Lương Sơn - tỉnh Hòa Bình

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:109

Thêm vào BST

Báo xấu

37
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Phương hướng nghiên cứu của luận văn là phân tích mối quan hệ định lượng giữa dòng chảy mặt của một số mô hình sử dụng đất chủ yếu tại vùng Lương Sơn – Hòa Bình với những nhân tố có ảnh hưởng quan trọng, từ đó làm cơ sở để dự báo lũ cho khu vực; đồng thời xác định mức độ ô nhiễm của nước mặt và đưa ra được một số khuyến nghị về môi trường. Mời các bạn cùng tham khảo!

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 đặc tính dòng chảy mặt của một số mô hình sử dụng đất tại Lâm trường Lương Sơn – huyện Lương Sơn - tỉnh Hòa Bình

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP ------------------------- LẠI THỊ LOAN NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH DÒNG CHẢY MẶT CỦA MỘT SỐ MÔ HÌNH SỬ DỤNG ĐẤT TẠI LÂM TRƯỜNG LƯƠNG SƠN – HUYỆN LƯƠNG SƠN – TỈNH HOÀ BÌNH LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC LÂM NGHIỆP Chuyên ngành: Lâm học Mã số: 60.62.60 Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Phùng Văn Khoa Hà Nội, 2009
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 chất lượng nước tốt hơn so với các loại hình sử dụng đất khác. Nhưng sự tốt hơn đó cụ thể như thế nào? Hàm lượng các chất lắng đọng trong dòng chảy mặt đất rừng là bao nhiêu? Tốc độ phân hủy các chất hữu cơ ra sao? 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. Vì lý do đó, hầu như chưa có một khuyến cáo nào về vấn đề chất lượng nước mặt khởi đầu hay vấn đề ô nhiễm nguồn nước có nguồn không xác định. Có một thực tế là lượng dòng chảy mặt đóng góp một phần không nhỏ vào lượng nước của các sông suối trong lưu vực. Trong khi đó cuộc sống của người dân miền núi có mối liên quan mật thiết đến nguồn nước tự nhiên này. Từ thực tế trên cho thấy việc nghiên cứu dòng chảy mặt và chất lượng dòng
2 chảy mặt khởi đầu là rất cần thiết và cấp bách trong giai đoạn hiện nay – khi mà tài nguyên nước đang ngày càng khan hiếm. Để góp phần giải quyết những tồn tại trên, tác giả đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu đặc tính dòng chảy mặt của một số mô hình sử dụng đất tại Lâm trường Lương Sơn – huyện Lương Sơn - tỉnh Hòa Bình”. Phương hướng nghiên cứu của luận văn là phân tích mối quan hệ định lượng giữa dòng chảy mặt của một số mô hình sử dụng đất chủ yếu tại vùng Lương Sơn – Hòa Bình với những nhân tố có ảnh hưởng quan trọng, từ đó làm cơ sở để dự báo lũ cho khu vực; đồng thời xác định mức độ ô nhiễm của nước mặt và đưa ra được một số khuyến nghị về môi trường.
3 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
4 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 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
5 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 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
6 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. 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
7 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 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
8 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. 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 lượg 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, phốtphát ngoài việc dùng để đánh giá mức độ phì 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
9 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). 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 3462 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.
10 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. 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).
11 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. 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)
12 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 chảy mặt tăng lên 58,1%; nếu giảm độ tàn che từ 0,7-0,8 xuống 0,3-0,4 thì dòng chảy mặt tăng 30,4% (đối với rừng tự nhiên). Tác giả cũng cho rằng các biện pháp canh tác có ảnh hưởng lớn đến xói mòn và dòng chảy mặt và đưa ra khuyến cáo nên hạn chế trồng sắn ở những nơi đồi núi trọc, dốc cao. Tuy nhiên do việc nghiên cứu xói mòn mới là mục đích chính nên vấn đề về thủy văn rừng nói chung và dòng chảy mặt đất nói riêng chưa được quan tâm nghiên cứu một cách hệ thống. Công trình nghiên cứu tương đối toàn diện về thủy văn rừng tại Việt Nam được thực hiện bởi của Võ Đại Hải (1996), Nguyễn Ngọc Lung và Võ Đại Hải (1997) (Phạm Văn Điển, 2006). Một trong những thành công của công trình nghiên cứu là đã xây dựng được phương pháp đo lượng nước mưa lọt qua tán rừng, đó là phải dùng ít nhất 9 ống đo mưa bố trí theo hệ thống trên diện tích 3.600 m2 sẽ cho kết quả tin cậy, với sai số luôn nhỏ hơn 10%. Ngoài ra, các tác giả cũng đưa ra kết luận vai trò điều tiết nước, chống xói mòn đất của rừng rất lớn, lượng nước mưa bị tán rừng ngăn cản dao động từ 5,7% đến 11,6% tuỳ thuộc vào từng loại rừng; lượng nước tạo thành dòng chảy ngầm và các dạng khác từ 88,2% đến 92,5% tổng lượng nước mưa; lượng nước mưa tạo thành dòng chảy mặt ở những nơi có rừng rất thấp, qua đó hạn chế khả năng hình thành lũ và lũ quét. Ngoài thành công trong việc
13 xây dựng phương pháp đo lượng mưa lọt tán, Nguyễn Ngọc Lung và Võ Đại Hải đã xây dựng được bảng tra hệ số thảm thực vật (hệ số C) tương ứng với đặc điểm, cấu trúc của một số thảm rừng và xác định được cấu trúc hợp lý của thảm thực vật rừng chống xói mòn đất. Các kết quả nghiên cứu này có tính thực tiễn cao và làm cơ sở cho những nghiên cứu sau này. Phùng Văn Khoa (1997) nghiên cứu đặc điểm thuỷ văn rừng thông đuôi ngựa (Pinus massoniana) tại núi Luốt - Xuân Mai - Hà Tây (nay là Hà Nội) cho kết quả lượng dòng chảy mặt đất chiếm từ 3 - 5% tổng lượng mưa và phụ thuộc chặt chẽ với chỉ tiêu tổng hợp của 3 nhân tố độ che phủ của cây bụi thảm tươi, độ dốc, độ xốp. Theo tác giả, tiêu chuẩn rừng giữ nước là trị số của độ che phủ lớp cây bụi thảm tươi mà tại đó lượng nước chảy bề mặt đạt mức tối thiểu. Tuy nhiên, do phạm vi nghiên cứu hẹp và đối tượng nghiên cứu là rừng trồng thông đuôi ngựa thuần loài đều tuổi (14 - 15 tuổi), nên công trình này chỉ mang tính thử nghiệm về phương pháp nghiên cứu. Phạm Văn Điển (1998) nghiên cứu về đặc điểm thủy văn của một số thảm thực vật rừng làm cơ sở cho việc xây dựng tiêu chuẩn rừng giữ nước – vùng xung yếu hồ thủy điện Hòa Bình đã phát hiện lượng dòng chảy bề mặt không chỉ có mối liên hệ chặt với 3 nhân tố độ dốc, độ xốp, độ che phủ cây bụi thảm tươi mà còn phụ thuộc vào độ tàn che tầng cây cao. Trung bình tỷ lệ dòng chảy bề mặt chiếm 51,83% lượng mưa, cao nhất ở khu vực đất trống và thấp nhất ở rừng keo tai tượng. Trong các nghiên cứu của mình, cả 2 tác giả Phùng Văn Khoa (1997) và Phạm Văn Điển (1998; 2006) đều chỉ ra rằng có thể mô hình hóa mối liên hệ giữa lượng dòng chảy bề mặt với các chỉ tiêu tổng hợp dưới dạng phương trình bậc 2 có dạng: Y = a + bX + cX2
14 Trong đó: Y: lượng dòng chảy mặt (mm) X: chỉ tiêu tổng hợp (độ dốc, độ xốp, độ che phủ và tàn che) a, b, c: các tham số của phương trình với hệ số tương quan rất cao r = 0.980 – 0.998 Vũ Thanh Te, Trần Quốc Thưởng, Phạm Anh Tuấn (2005) khi nghiên cứu tác động của lớp phủ thực vật đến khả năng gây xói mòn đất và vận chuyển bùn cát trên lưu vực sông chợ Lèn đã nhận thấy lớp phủ thực vật càng dày thì khả năng làm chậm dòng chảy sườn càng tăng (từ 7 – 11 lần). Nguyễn Thế Hưng (2008) khi nghiên cứu về vai trò bảo vệ nguồn nước của 4 dạng thảm thực vật là thảm cây bụi cao, thảm cây bụi thấp, rừng trồng keo và rừng trồng bạch đàn đã đưa ra kết luận về khả năng giữ nước của các dạng thảm thực vật giảm dần từ thảm cây bụi cao đến rừng trồng keo, rừng trồng bạch đàn và thấp nhất là thảm cây bụi thấp với tổng lượng nước giữ được trong thảm thực vật tương ứng là 988,97 tấn/ha, 936,07 tấn/ha, 724,58 tấn/ha và 660,62 tấn/ha. Trong các nghiên cứu về dòng chảy mặt, Võ Đại Hải (1996) đã sử dụng phương pháp xây bể để đo lượng xói mòn và dòng chảy mặt. Với phương pháp này việc thu thập số liệu về xói mòn và dòng chảy mặt thuận tiện và cho kết quả chính xác nhưng đòi hỏi đầu tư tốn kém. Các tác giả Phùng Văn Khoa (1997) và Phạm Văn Điển (1998) đã dùng các ống đo có đường kính 5,7 cm đặt sát mép dưới các ô tiêu chuẩn để đo lượng nước chảy trên bề mặt đất. Phương pháp này có nhược điểm là trong nhiều trường hợp không hứng được toàn bộ lượng nước chảy trên mặt đất. Phạm Văn Điển (2006) đã cải tiến phương pháp đo lượng dòng chảy mặt đất bằng máng hứng nước nhằm thu lượng nước chảy mặt đối một cách hiệu quả nhất. Xong nếu việc lắp máng không cẩn thận cũng sẽ làm cho việc thu nước không được như ý muốn.
15 1.2.2. Chất lượng nước dòng chảy mặt khởi đầu Ở Việt Nam, đặc biệt đối với ngành lâm nghiệp, những nghiên cứu bước đầu về chất lượng nước dưới các dạng thảm thực vật còn khá mới mẻ và chưa có nhiều công trình nghiên cứu. Võ Đại Hải (1996) khi phân tích nước dòng chảy mặt thu được trong trận mưa đã bước đầu xác định được hàm lượng khoáng (K+, Na+, Mg2+, Ca2+, Al3+, Fe3+) bị rửa trôi theo dòng chảy mặt. Theo tác giả xói mòn và đặc biệt là rửa trôi là nguyên nhân thúc đẩy quá trình thoái hóa đất đai một cách mạnh mẽ. Nguyễn Thị Thì (2009) trong nghiên cứu của mình về chất lượng nước mặt tại lưu vực sông Cầu (Thái Nguyên) cho rằng các hoạt động kinh tế xã hội – đặc biệt là hoạt động sản xuất nông nghiệp, khai thác cát sỏi trên sông không theo quy hoạch và nạn phá rừng bừa bãi – có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng nước sông, làm gia tăng hàm lượng chất ô nhiễm trong nguồn nước. Bên cạnh các hoạt động sản xuất nông nghiệp, phá rừng thị việc phát triển sân golf một cách bừa bãi hiện nay cũng kéo theo sự gia tăng hàm lượng các chất ô nhiễm có trong nước mặt (nhóm tác giả Hứa Thị Yến, Nguyễn Thùy Dương, Trần Văn Hùng, 2009) Nếu so sánh hàm lượng các chất ở khu vực đầu nguồn – không bị ảnh hưởng của các hoạt động của sân golf thì các thông số như hàm lượng NO3- và PO43- đều cao hơn, thậm chí vượt quá tiêu chuẩn cho phép. Những tồn tại chính trong nghiên cứu đặc tính dòng chảy mặt đất: 1- Nghiên cứu về dòng chảy mặt còn ít, thường kết hợp với nghiên cứu xói mòn hoặc độ thấm của đất. Chưa có công trình nào chỉ đi sâu nghiên cứu về dòng chảy mặt và chất lượng dòng chảy mặt.
16 2- Phương pháp đo lượng nước chảy bề mặt còn nhiều khó khăn, chưa có phương pháp đo lượng nước chảy bề mặt nào được coi là chuẩn mực để sử dụng thống nhất. Những phương pháp cho độ chính xác cao thì đòi hỏi nhiều công phu và tốn kém, ngược lại, những phương pháp dễ thực hiện hơn thì độ tin cậy không cao. 3- Những nghiên cứu về dòng chảy mặt đất mới chỉ dừng lại ở việc định lượng, chưa có nghiên cứu nào đề cập đến vấn đề chất lượng nước của dòng chảy mặt khởi đầu. Dòng chảy mặt là một bộ phận hợp thành của dòng chảy sông suối trong lưu vực, chất lượng nước của sông suối là một vấn đề cần được quan tâm bởi nó ảnh hưởng đến sinh hoạt hàng ngày và vấn đề canh tác nông nghiệp của bà con vùng núi. 4- Tại khu vực Hòa Bình mặc dù đã có nhiều công trình nghiên cứu về thủy văn rừng nhưng chủ yếu tập trung vào khả năng giữ nước của rừng và ở khu vực hồ Hòa Bình là chính. Việc đi sâu nghiên cứu thủy văn rừng tại khu vực Lâm trường Lương Sơn mà cụ thể là đặc tính dòng chảy mặt đất là chưa có. Chính vì vậy việc nghiên cứu đặc tính dòng chảy mặt tại Lâm trường Lương Sơn – Hòa Bình của luận văn là thực sự cần thiết.
17 Chương 2 MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Mục tiêu nghiên cứu 2.1.1. Mục tiêu chung Đề xuất các biện pháp thích hợp nhằm hạn chế dòng chảy mặt dưới các mô hình sử dụng đất khác nhau, từ đó góp phần cải thiện số lượng và chất lượng nguồn nước. 2.1.2. Mục tiêu cụ thể - Lượng hóa và so sánh dòng chảy mặt dưới 3 mô hình sử dụng đất đặc trưng cho khu vực nghiên cứu. - Phân tích mối liên hệ giữa đặc tính dòng chảy mặt với một số nhân tố ảnh hưởng trong khu vực nghiên cứu. 2.2. Nội dung nghiên cứu - Khảo sát và phân tích điều kiện tự nhiên khu vực nghiên cứu, bao gồm: + Cấu trúc thảm thực vật trong các mô hình nghiên cứu (về độ tàn che, độ che phủ của lớp cây bụi thảm tươi, che phủ của lớp thảm mục,…) + Đặc điểm địa hình: độ dốc + Điều kiện thổ nhưỡng: thành phần cơ giới, độ ẩm đất, tỉ lệ đá nổi + Điều kiện khí tượng thủy văn: quan tâm đến đặc tính mưa trong khu vực, cụ thể về lượng mưa, cường độ mưa, thời gian mưa - Nghiên cứu đặc tính dòng chảy mặt trong khu vực: + Lượng dòng chảy mặt và hệ số dòng chảy mặt
18 + Hàm lượng các chất có trong dòng chảy mặt + So sánh đặc tính dòng chảy mặt giữa các mô hình khác nhau trong khu vực nghiên cứu - Phân tích mối liên hệ giữa dòng chảy mặt và hàm lượng các chất có trong dòng chảy mặt với các nhân tố ảnh hưởng - Đề xuất một số biện pháp giảm thiểu dòng chảy mặt dưới các mô hình sử dụng đất khác nhau. 2.3. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài bao gồm: - Mô hình rừng trồng thuần loài Bạch đàn - Mô hình rừng trồng thuần loài Keo lai - Mô hình Sắn 1- Mô hình Sắn: Sắn được trồng với mục đích chủ yếu nhằm tăng gia sản xuất, tăng thu nhập cho người dân địa phương bên cạnh nghề lâm nghiệp. Sắn được bắt đầu trồng vào đầu tháng 6/2009. Trước khi trồng sắn, đất đã được phun thuốc diệt cỏ. 2- Mô hình rừng trồng thuần loài Keo lai: Tổng diện tích trồng Keo lai tại lâm trường Lương Sơn là 689 ha, trong đó tại khu vực nghiên cứu diện tích trồng là 18,8 ha. Keo lai được trồng bắt đầu từ năm 2003, đến nay rừng đã khép tán và sinh trưởng khá tốt. Rừng trồng thuần loài với mật độ ban đầu là 1666 cây/ha (hàng cách hàng 3m, cây cách cây 2m). 3- Mô hình rừng trồng thuần loài Bạch đàn: Tổng diện tích trồng Bạch đàn tại lâm trường Lương Sơn là 313 ha. Bạch đàn được trồng từ năm 2003. Rừng trồng thuần loài với mật độ ban đầu 1666 cây/ha (hàng cách hàng 3m,
19 cây cách cây 2m). Rừng Bạch đàn sinh trưởng không tốt, cây còi cọc và mọc vống cao (nguyên nhân có thể do sự tác động của con người (chặt phá, lấy gỗ, củi) và có thể do không thích hợp với điều kiện thổ nhưỡng trong khu vực). 2.4. Phạm vi và giới hạn nghiên cứu 2.4.1. Phạm vi nghiên cứu Đề tài chỉ nghiên cứu số lượng và chất lượng dòng chảy mặt dưới một số mô hình sử dụng đất đặc trưng tại lâm trường Lương Sơn – huyện Lương Sơn – tỉnh Hòa Bình. 2.4.2. Giới hạn nghiên cứu Do giới hạn về thời gian và kinh phí thực hiện nên đề tài chỉ tập trung nghiên cứu lượng hóa và so sánh đặc trưng dòng chảy mặt giữa các mô hình và mối liên hệ của các nhân tố ảnh hưởng như cấu trúc thảm thực vật, điều kiện địa hình, thổ nhưỡng, đặc điểm mưa tới dòng chảy mặt. 2.5. Phương pháp nghiên cứu 2.5.1. Quan điểm và phương pháp luận Dòng chảy mặt là một trong những thành phần vô cùng quan trọng của thủy văn rừng, nó là bộ phận quan trọng của tuần hoàn nước trong hệ sinh thái rừng, phản ánh tốt nhất khả năng giữ nước của rừng. Về mặt nguyên tắc có thể sử dụng nhiều chỉ tiêu khác nhau để phản ánh khả năng giữ nước của rừng như mức thay đổi của hàm lượng các chất hóa học, các chất hòa tan trong nước sau khi đã di chuyển qua hệ sinh thái rừng, mô đun dòng chảy mặt, mô đun dòng chảy ngầm, các chỉ tiêu cấu trúc rừng,… Tuy nhiên xét về tính đại diện và khả năng dễ xác định thì tỷ lệ dòng chảy mặt được xem là chỉ tiêu tốt nhất để phản ảnh khả năng giữ nước của hệ sinh thái rừng. Nếu dòng chảy mặt càng thấp thì chất lượng nguồn nước càng được cải thiện, hiệu ích của nước càng cao (Vương Văn Quỳnh, 2007).