Laboratory Exercise No. 3 GIS & USLE Model
Designed by Dr. Nguyen Kim Loi, July 2005
120
ỨNG DỤNG GIS & PHƢƠNG TRÌNH USLE TÍNH TÓAN XÓI MÒN ĐẤT
CHO MỘT KHU VỰC (LƢU 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. Aûnh 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 Osnabrück, 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.
Vật liệu cần chuẩn bị:
Laboratory Exercise No. 3 GIS & USLE Model
Designed by Dr. Nguyen Kim Loi, July 2005
121
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. Phƣơng 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
Laboratory Exercise No. 3 GIS & USLE Model
Designed by Dr. Nguyen Kim Loi, July 2005
122
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* Xm
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:
Sy = U * Qa * Sb
Trong đó:
Sy = lượng bồi lắng lòng hồ hằng năm (tons/km2/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)
Sy = 2.67 * Q0.38
R2 = 0.98
(2) Đất lâm nghiệp lớn hơn đất nông nghiệp (n = 8)
Sy = 0.10 * Q1.28 * S0.47
R2 = 0.76
(3) Đất lâm nghiệp nhỏ hơn đất nông nghiệp ( n = 28)
Sy = 0.14 * Q1.48 * S0.51
R2 = 0.74
(4) Đất đồi không có rừng (n = 5)
Sy = 4.26 * Q2.17 * S1.14
R2 = 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
Laboratory Exercise No. 3 GIS & USLE Model
Designed by Dr. Nguyen Kim Loi, July 2005
123
giữa các hình thức sử dụng đất trong lưu vực, địa hình đến bồi lắng lòng hồ như
sau:
lnY = -2.1028 + 1.5598 lnX1 – 0.0054 X2 – 0.0291X3 + 0.0072X4 –8.3696X5 +
0.6890X6 – 6.2545X7 - 0.0203X8 – 0.0084X9
với: Y = lượng bồi lắng lòng hồ hằng năm (106 m3)
X1 = lưu lượng dòng chảy hằng năm (Q) (106 m3)
X2 = lượng mưa trung bình hằng năm (mm)
X3 = độ che phủ của rừng trong lưu vực(%)
X4 = diện tích lưu vực (km2 )
X5 = tỉ lệ chiều dài dòng sông (l/L)
X6 = tỉ lệ địa hình của lưu vực (H/L)
X7 = hệ số độ chặt đất
X8 = diện tích bề mặt nước (km2)
X9 = Dung lượng hồ (106 m3 )
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 (km2), 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
103 đến 1,8 x 103 km2. Lượng phù sa trung bình hằng năm 1480 tấn/km2/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 104 đến 7,1 x 104
km2, lưu lượng dòng chảy trung bình 330 mm/năm, lượng phù sa bồi lắng khoảng
56 – 695 tấn/km2/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 108
tấn/năm. Sau khi đắp đập thì lượng bồi lắng đã được hạn chế khoảng 0.3 x 106
tấn/năm.
Laboratory Exercise No. 3 GIS & USLE Model
Designed by Dr. Nguyen Kim Loi, July 2005
124
TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TẠI VIỆT NAM
1. Các nhân tố ảnh hƣởng 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 lƣợng mƣa và cƣờng độ
mƣa
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. Aûnh hƣởng của thảm thực vật