ĐẶT VẤN ĐỀ Tính thấm nước của đất là hiện tượng nước đi xuống bề mặt đất hay mẫu chất, là một trong các chỉ tiêu quan trọng của quản lý lưu vực và là một nhân tố quan trọng trong cân bằng nước. Khả năng thấm nước của đất chỉ lượng nước lớn nhất có thể thấm xuống bề mặt đất trong một điều kiện xác định. Đặc điểm thấm nước của đất ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát sinh các quá trình dòng chảy như dòng chảy mặt, dòng chảy nền đất và dòng chảy ngầm. Nếu khả năng thấm nước xuống đất lớn thì hầu như không có sự xuất hiện của dòng chảy mặt, khi đó dòng chảy ưu thế sẽ là dòng chảy nền đất hoặc dòng chảy ngầm.
Từ đó làm giảm nguy cơ gây lũ lụt, xói mòn, sạt lở, hơn thế nữa tài nguyên nước sẽ được điều tiết và tài nguyên đất đồng thời cũng được bảo vệ. Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ thấm của đất như: lượng mưa, địa hình, che phủ thực vật, loại đất, đặc điểm của đất và điều kiện che phủ mặt đất…. Dưới các loại hình sử dụng đất khác nhau thì có độ che phủ thực vật khác nhau và đây cũng là một trong những nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến tính thấm của đất. Khi độ che phủ thực vật tốt, khả năng giữ lại nước cao và tính thấm nước cao, với lượng mưa nhỏ thì hầu như lượng nước mưa được thấm hết xuống đất.
Ngược lại khi độ che phủ thực vật kém, không thể giữ lại nước khi mưa xuống từ đó tính thấm giảm và dòng chảy mặt lớn gây ra nhiều thiệt hại về cả tài nguyên và con người. Hơn nữa, một số yếu tố như độ ẩm, độ xốp và kết cấu đất cũng có ảnh hưởng đáng kể đến tốc độ thấm. Rõ ràng, các loại đất khác nhau có tỷ lệ thấm khác nhau. Vì thế để quản lý hiệu quả tài nguyên đất và nước thì việc duy trì tốt đặc tính thấm của đất đóng vai trò quan trọng.
Các nghiên cứu về vai trò của rừng trong việc bảo vệ môi trường, cũng như khả năng điều tiết nước, phòng chống lũ lụt, xói mòn, bảo vệ độ phì nhiêu và bồi dưỡng tiềm năng của đất .vv, đã và đang được thực hiện ở nhiều quốc gia trên thế giới cũng như ở Việt Nam. Trong các giá trị của rừng 1 thì khả năng bảo vệ đất là một trong những vai trò vô cùng quan trọng. Nhìn chung, đất rừng tự nhiên có khả năng thấm nước cao và ít khi xuất hiện dòng chảy bề mặt. 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 (Phạm Văn Điển, 2009).
Núi Luốt – Trường Đại học Lâm Nghiệp là một trong những khu vực có địa hình đồi núi thấp của Việt Nam, tương đối đa dạng về loại hình sử dụng đất bởi địa hình tương đối bằng phẳng. Tại đây, nhiều hình thức sử dụng đất đã được triển khai như giao thông, hệ thống thủy văn, cơ sở hạ tầng (trường học, nhà ở…) tại chân đồi và đặc biệt là phần diện tích rừng trồng hỗn loài cũng như thuần loài tương đối lớn…từ sườn lên đỉnh đồi. Là phần diện tích có ỹ nghĩa lớn không chỉ là nơi sinh sống, làm việc mà còn là nơi phục vụ công việc học tập, nghiên cứu khoa học… Một số loại hình sử dụng đất ở đây như: rừng trồng thuần loài và hỗn loài, rừng tự nhiên…Chính vì vậy dưới các loại hình sử dụng đất khác nhau có đặc điểm thấm nước khác nhau. Nếu như việc sử dụng đất, đất rừng và rừng không hợp lý ở khu vực núi Luốt không chỉ làm ảnh hưởng đến sự phát triển kinh tế và sự thay đổi môi trường sinh thái ở khu vực này mà còn ảnh hưởng và làm thay đổi môi trường sinh thái ở các khu vực liên quan, gây ra những hậu quả đặc biệt nghiêm trọng là đất, làm thay đổi kết cấu đất và đất dần bị suy thoái.
Vì vậy, nhằm cung cấp thêm những cơ sở khoa học về đặc tính thấm của đất và các nhân tố chính ảnh hưởng hưởng tới quá trình này, tôi tiến hành nghiên cứu đề tài “ Đánh giá đặc điểm thấm nước của đất dưới rừng trồng thuần loài và hỗn giao tại khu vực núi Luốt, Xuân Mai, Hà Nội”. 2 Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Các khái niệm cơ bản Đất là một tài nguyên vô giá mà tự nhiên đã ban tặng cho con người để sinh tồn và phát triển. Đất là tư liệu sản xuất, là đối tượng lao động, là vật mang được đặc thù bởi tính chất độc đáo mà không vật thể tự nhiên nào có được – đó là độ phì nhiêu (Lê Văn Khoa,2004).
Đất được hình thành, phát triển và thoái hóa theo thời gian dưới tác động của điều kiện tự nhiên và các hoạt động của con người (Wada,2000). “Khả năng thấm nước của đất” là khả năng lưu giữ lại dòng chảy bề mặt và biến chúng thành dòng chảy ngầm trong lòng đất (Vũ Thị Quỳnh Nga, 2009). “Tốc độ thấm của đất ” biểu thị bằng mm/phút là tốc độ nước từ mặt đất đi vào trong đất. Nếu trên mặt đất có lớp nước đọng, nước sẽ thấm xuống đất theo tốc độ thấm tiềm năng.
Tốc độ thấm là đặc trưng quan trọng nhất về vận động của nước dưới đất trong môi trường lỗ hổng (Vũ Thị Quỳnh Nga, 2009). “ Tốc độ thấm nước ban đầu” (mm/phút) là một chỉ tiêu quan trọng phản ánh đặc trưng thấm nước của đất rừng. Tốc độ thấm nước khởi đầu được tính là giá trị trung bình của tốc độ thấm trung bình trong 5 phút đầu tiên (Vũ Thị Quỳnh Nga, 2009). “ Tốc độ thấm nước ổn định của đất” (mm/phút) là tốc độ thấm khi đất được cung cấp đủ nước và tầng đất mặt đã bão hòa nước.
Khi đất đạt đến tốc độ thấm ổn định và tốc độ thấm nhỏ hơn cường độ mưa, dòng chảy bề mặt sẽ được tạo ra cùng với việc cuốn trôi vật chất xói mòn (Vũ Thị Quỳnh Nga, 2009). “ Quá trình thấm nước ” là quá trình nước từ mặt đất thâm nhập vào trong đất. Có nhiều nhân tố ảnh hưởng đến tốc độ thấm bao gồm điều kiện 3 trên mặt đất và lớp phủ thực vật, tính chất của đất như độ xốp, kết cấu đất, độ ẩm đất (Nguyễn Thị Thúy Hường, 2009) 1. Các nghiên cứu trên thế giới Quá trình thủy văn rừng cơ bản gồm: khi mưa rơi xuống một phần nước mưa bị giữ lại trến tán lá, một phần qua tán và qua thân cây rồi tạo thành dòng chảy mặt và một phần nước được thấm xuống đất tạo thành dòng chảy ngầm và dòng chảy nền.
Nếu hệ sinh thái rừng có độ tàn che, che phủ của thực vật tốt thì lượng nước mưa rơi xuống để tạp thành dòng chảy mặt ít, hầu hết là nước được thấm xuống đất hoặc giữ lại trên tán. Khi hệ sinh thái rừng có độ tàn che và che phủ thực vật ít thì hầu hết nước mưa khi rơi xuống sẽ tạo thành dòng chảy mặt. Nói chung, quá trình này bị ảnh hưởng bởi cấu trúc thảm thực vật rừng, chế độ mưa, địa hình và đất đai. Tính thấm nước của đất là một trong những vấn đề nghiên cứu sâu rộng trong lĩnh vực thuỷ văn.
Độ thấm của đất là yếu tố quan trọng trong việc xác định cơ chế phát sinh dòng chảy. 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 20 để nghiên cứu cơ chế hình thành dòng chảy trên bề mặt đất. Lý luận này chiếm địa vị thống trị trong lĩnh vực thủy văn học công trình kéo dài suốt khoảng 30 năm 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). Sự thấm nước của đất là một trong những vấn đề được nghiên cứu sâu rộng trong lĩnh vực thủy văn học.
Từ lý luận phát sinh dòng chảy mặt, sự thấm nước của đất là chỉ thị cho khả năng của tầng điều tiết quan trọng nhất trong tuần hoàn thủy văn rừng, sau khi nước mưa đã đi qua bầu không khí, lớp thảm thực vật và vật rơi rụng che phủ. Sự thấm nước của đất 4 có tác dụng rất quan trọng trong việc hình thành cơ chế phát sinh dòng chảy. Có nhiều mô hình thấm nước của đất dựa vào việc đơn giản hóa quá trình vật lý và các mô hình kinh nghiệm, trong đó bao gồm mô hình Green - Ampt (1911), mô hình Horton (1933, 1945), mô hình Philip (1957, 1969) và mô hình cải tiến của nó là mô hình Smith R E - Parlange J Y, (1978),… Trên thế giới, dự án nghiên cứu đầu tiên về độ thấm nước của đất được tiến hành bởi nhà khoa học Darcy. Năm 1856, ông giới thiệu luật với cái tên là Luật của Darcy được sử dụng để tính toán lượng nước hấp thụ vào đất theo phương trình: Q= Trong đó: Q: lượng nước thấm xuống đất (cm3) K: hệ số thấm (cm3) T: thời gian thấm (phút) H: áp suất chênh lệch của cột nước đầu và cuối.
L: chiều dài tính thấm của đường thấm (cm) Ngoài ra định luật cũng được chỉ ra bởi phương trình vận tốc dòng chảy: V=K.I Trong đó: V: vận tốc dòng chảy (mm / giây, cm / phút, m / ngày) I = h / L. H: áp suất chênh lệch của cột nước đầu và cuối. L: chiều dài tính thấm của đường thấm (cm). Như vậy, vận tốc thấm cũng tỷ lệ bậc nhất với gradien áp lực.
Trong qúa trình xác định vận tốc thấm V , lưu lượng Q được tính cho toàn bộ mặt cắt, bao gồm không những diện tích lỗ rỗng nước có thể chảy qua được mà còn cả diện tích các hạt đất, nước không thể chảy qua được. Do đó, vận tốc thấm chỉ là một khái niệm thuỷ lực được đưa ra với giả thiết môi trường thấm là liên tục để có thể sử dụng các phương trình của thuỷ lực học. Ngoài ra còn có định luật thấm phi tuyến là: Trong môi trường thấm có lỗ rỗng lớn (đá karst hóa, cuội, sỏi.) và khi gradien áp lực thấm quá lớn sẽ 5 xuất hiện thấm rối, vận tốc thấm được xác định theo định luật của Kratnoponxki : V = K.