Tổng quan nghiên cứu

Xói mòn đất là một trong những vấn đề môi trường nghiêm trọng toàn cầu, với khoảng 57 triệu ha đất bị mất khả năng sản xuất hàng năm do xói mòn theo báo cáo của FAO-UNEP. Ở Việt Nam, đặc biệt tại lưu vực sông Nhật Lệ, tỉnh Quảng Bình, hiện tượng này càng trở nên cấp thiết do đặc điểm địa hình đồi núi thấp, khí hậu nhiệt đới ẩm gió mùa và hoạt động kinh tế xã hội ngày càng gia tăng. Lưu vực sông Nhật Lệ có diện tích khoảng 653 km², chiếm 34,7% diện tích tỉnh Quảng Bình, với địa hình dốc, mạng lưới sông ngòi dày đặc và cửa sông hẹp, dễ xảy ra lũ lụt và xói mòn đất. Mục tiêu nghiên cứu là ứng dụng mô hình SWAT để mô phỏng và tính toán lượng bùn cát vận chuyển từ lưu vực ra cửa sông theo các kịch bản khác nhau, nhằm đánh giá ảnh hưởng của xói mòn lưu vực thượng nguồn đến vận chuyển bùn cát vùng cửa sông Nhật Lệ. Phạm vi nghiên cứu tập trung trên lưu vực sông Nhật Lệ trong giai đoạn từ năm 1975 đến 1981, với dữ liệu khí tượng thủy văn, địa hình, đất đai và sử dụng đất được thu thập và xử lý chi tiết. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc quản lý tài nguyên đất, phòng chống xói mòn và bảo vệ môi trường thủy văn tại khu vực ven biển miền Trung Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình về xói mòn đất và vận chuyển bùn cát trong lưu vực sông. Khái niệm xói mòn đất được định nghĩa theo nhiều quan điểm, trong đó xói mòn là quá trình vận chuyển lớp đất mặt do tác động của nước mưa, dòng chảy và trọng lực. Các yếu tố ảnh hưởng chính gồm khí hậu (lượng mưa, cường độ mưa), địa hình (độ dốc, chiều dài sườn dốc), thổ nhưỡng (đặc tính đất, độ thấm), thảm thực vật và hoạt động của con người. Mô hình SWAT (Soil and Water Assessment Tool) được sử dụng làm công cụ chính để mô phỏng quá trình thủy văn, xói mòn và vận chuyển bùn cát. Mô hình này phân chia lưu vực thành các tiểu lưu vực dựa trên bản đồ sử dụng đất, đất đai và địa hình, mô phỏng các quá trình vật lý liên quan đến nước, bùn cát và chất dinh dưỡng. Phương trình xói mòn được áp dụng là phương trình MUSLE (Modified Universal Soil Loss Equation), sửa đổi từ USLE, tính toán lượng trầm tích dựa trên lưu lượng dòng chảy, diện tích tiểu lưu vực và các hệ số đặc trưng cho khả năng xói mòn của đất và biện pháp bảo vệ.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu đầu vào bao gồm số liệu lượng mưa ngày, nhiệt độ không khí, lưu lượng nước và độ đục tại các trạm khí tượng thủy văn trên lưu vực Nhật Lệ trong giai đoạn 1975-1981. Dữ liệu địa hình số (DEM) có độ phân giải 90 m, bản đồ sử dụng đất và đất đai được thu thập từ các nguồn uy tín như USGS và FAO. Phương pháp chọn mẫu là sử dụng toàn bộ dữ liệu quan trắc có sẵn trong giai đoạn nghiên cứu để đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy. Phân tích dữ liệu được thực hiện bằng mô hình SWAT phiên bản 2012, kết hợp với công cụ hiệu chỉnh và kiểm định tự động SWAT-CUP nhằm tối ưu hóa các tham số mô hình. Quá trình nghiên cứu được tiến hành theo timeline từ thu thập, xử lý dữ liệu, thiết lập mô hình, hiệu chỉnh, chạy mô hình theo các kịch bản và đánh giá kết quả trong khoảng thời gian nghiên cứu từ năm 2018 đến 2019.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Lượng dòng chảy và bùn cát vận chuyển: Lưu lượng dòng chảy trung bình năm tại trạm Kiến Giang là 20,3 m³/s, trạm Tám Lu là 71,2 m³/s. Lượng bùn cát vận chuyển trung bình tháng trong mùa lũ chiếm tới 75-77% tổng lượng năm, cho thấy sự tập trung mạnh của quá trình xói mòn và vận chuyển bùn cát trong mùa mưa lũ.

  2. Ảnh hưởng của các kịch bản thượng nguồn: Theo kịch bản số 1 và số 2 mô phỏng bằng SWAT, lượng bùn cát vận chuyển ra cửa sông Nhật Lệ có sự biến đổi rõ rệt tùy thuộc vào mức độ xói mòn trên lưu vực thượng nguồn. Kịch bản số 2 với mức độ xói mòn cao hơn cho kết quả lượng bùn cát tăng khoảng 15-20% so với kịch bản số 1.

  3. Độ tin cậy mô hình: Chỉ số Nash-Sutcliffe (NSE) đạt giá trị trên 0,65 và hệ số tương quan (R) trên 0,82 cho thấy mô hình SWAT có khả năng mô phỏng chính xác dòng chảy và vận chuyển bùn cát trên lưu vực Nhật Lệ.

  4. Phân bố không gian và thời gian: Xói mòn đất và vận chuyển bùn cát tập trung chủ yếu ở các tiểu lưu vực có độ dốc lớn, đất dễ bị phân tán và ít thảm phủ thực vật. Thời gian cao điểm là các tháng mùa mưa từ tháng 9 đến tháng 12, tương ứng với mùa lũ chính vụ.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các phát hiện trên là do đặc điểm địa hình dốc, khí hậu nhiệt đới gió mùa với lượng mưa lớn và cường độ cao, cùng với hoạt động canh tác và phát triển kinh tế xã hội chưa bền vững trên lưu vực. Kết quả mô hình SWAT phù hợp với các nghiên cứu tương tự trong nước và quốc tế về vận chuyển bùn cát và xói mòn đất, đồng thời cung cấp dữ liệu định lượng có giá trị cho công tác quản lý tài nguyên đất và nước. Biểu đồ phân bố dòng chảy và nồng độ bùn cát theo các kịch bản mô phỏng có thể được trình bày để minh họa sự khác biệt về tải lượng bùn cát theo thời gian và không gian, giúp các nhà quản lý dễ dàng nhận diện vùng trọng điểm cần can thiệp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường phủ xanh và bảo vệ thảm thực vật: Thực hiện các biện pháp trồng rừng, phủ xanh đất trống đồi trọc nhằm giảm tốc độ dòng chảy bề mặt và hạn chế xói mòn, đặt mục tiêu tăng độ che phủ thực vật lên ít nhất 40% trong vòng 3 năm, do các cơ quan quản lý nông lâm phối hợp thực hiện.

  2. Quản lý và cải tạo đất đai: Áp dụng kỹ thuật canh tác bền vững, hạn chế du canh du cư, sử dụng các biện pháp bảo vệ đất như ruộng bậc thang, rãnh thoát nước hợp lý, nhằm giảm thiểu xói mòn đất, với kế hoạch triển khai trong 5 năm tới do các đơn vị nông nghiệp địa phương chủ trì.

  3. Kiểm soát phát triển thủy điện và công trình xây dựng: Đánh giá tác động môi trường nghiêm ngặt trước khi xây dựng các hồ thủy điện vừa và nhỏ, đảm bảo không làm gia tăng xói mòn và thay đổi dòng chảy tự nhiên, thực hiện giám sát liên tục trong vòng 2 năm đầu sau khi hoàn thành công trình.

  4. Xây dựng hệ thống cảnh báo và quản lý lũ lụt: Phát triển hệ thống cảnh báo sớm dựa trên mô hình thủy văn SWAT kết hợp dữ liệu quan trắc thực tế, nhằm giảm thiểu thiệt hại do lũ lụt và xói mòn đất, triển khai trong vòng 1 năm với sự phối hợp của các cơ quan khí tượng thủy văn và địa phương.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý tài nguyên nước và đất: Luận văn cung cấp dữ liệu và mô hình định lượng giúp hoạch định chính sách bảo vệ đất và quản lý dòng chảy hiệu quả, hỗ trợ ra quyết định dựa trên bằng chứng khoa học.

  2. Các nhà nghiên cứu thủy văn và môi trường: Cung cấp cơ sở lý thuyết, phương pháp mô hình SWAT và kết quả thực nghiệm để phát triển nghiên cứu sâu hơn về xói mòn và vận chuyển bùn cát trong lưu vực sông.

  3. Cơ quan quy hoạch và phát triển hạ tầng: Tham khảo để đánh giá tác động môi trường của các dự án thủy điện, xây dựng và canh tác trên lưu vực, từ đó đề xuất các biện pháp giảm thiểu tác động tiêu cực.

  4. Người dân và cộng đồng địa phương: Hiểu rõ về nguyên nhân và hậu quả của xói mòn đất, từ đó tham gia tích cực vào các hoạt động bảo vệ môi trường và sử dụng đất bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Mô hình SWAT có ưu điểm gì trong nghiên cứu xói mòn đất?
    Mô hình SWAT có khả năng mô phỏng chi tiết các quá trình thủy văn, xói mòn và vận chuyển bùn cát trên lưu vực rộng lớn, tích hợp dữ liệu không gian và thời gian, đồng thời có công cụ hiệu chỉnh tự động giúp nâng cao độ chính xác.

  2. Tại sao lưu vực sông Nhật Lệ lại dễ bị xói mòn?
    Do đặc điểm địa hình dốc, khí hậu nhiệt đới ẩm với lượng mưa lớn và cường độ cao, cùng với hoạt động canh tác và phát triển chưa bền vững, làm giảm độ che phủ thực vật và tăng nguy cơ xói mòn đất.

  3. Các kịch bản mô phỏng trong nghiên cứu có ý nghĩa gì?
    Các kịch bản mô phỏng giúp đánh giá tác động của các mức độ xói mòn khác nhau trên lưu vực thượng nguồn đến lượng bùn cát vận chuyển ra cửa sông, từ đó đề xuất các biện pháp quản lý phù hợp.

  4. Làm thế nào để giảm thiểu xói mòn đất hiệu quả?
    Tăng cường phủ xanh, áp dụng kỹ thuật canh tác bền vững, quản lý hợp lý các công trình thủy điện và xây dựng hệ thống cảnh báo lũ lụt là những giải pháp thiết thực và hiệu quả.

  5. Nghiên cứu này có thể áp dụng cho các lưu vực khác không?
    Mô hình và phương pháp nghiên cứu có thể được điều chỉnh và áp dụng cho các lưu vực có đặc điểm tương tự, giúp đánh giá và quản lý xói mòn đất và vận chuyển bùn cát hiệu quả hơn.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã ứng dụng thành công mô hình SWAT để mô phỏng và tính toán lượng bùn cát vận chuyển trên lưu vực sông Nhật Lệ, với độ chính xác cao (NSE > 0,65, R > 0,82).
  • Lượng bùn cát vận chuyển tập trung chủ yếu trong mùa mưa lũ, chiếm khoảng 75-77% tổng lượng năm, ảnh hưởng lớn đến vùng cửa sông và môi trường ven biển.
  • Các yếu tố địa hình, khí hậu và hoạt động con người là nguyên nhân chính gây xói mòn đất và biến đổi dòng chảy trên lưu vực.
  • Đề xuất các giải pháp bảo vệ thảm thực vật, quản lý đất đai, kiểm soát phát triển thủy điện và xây dựng hệ thống cảnh báo lũ nhằm giảm thiểu xói mòn và bảo vệ tài nguyên.
  • Tiếp tục nghiên cứu mở rộng phạm vi và thời gian mô phỏng, đồng thời áp dụng kết quả vào quản lý thực tiễn để nâng cao hiệu quả bảo vệ môi trường và phát triển bền vững lưu vực sông Nhật Lệ.

Hành động tiếp theo là triển khai các giải pháp đề xuất và cập nhật mô hình theo dữ liệu mới nhằm hỗ trợ quản lý tài nguyên hiệu quả hơn. Đề nghị các nhà quản lý và nghiên cứu quan tâm áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn nhằm bảo vệ môi trường và phát triển kinh tế xã hội bền vững.