Giới thiệu dự án

Cháy rừng là thảm họa sinh thái toàn cầu gây suy thoái nghiêm trọng cấu trúc đa dạng sinh học và phát thải hàng triệu tấn khí nhà kính như $\text{CO}$, $\text{CO}_2$, $\text{NO}_x$, $\text{SO}_2$. Theo thống kê từ Tổng cục Lâm nghiệp (Bộ Nông nghiệp và PTNT), tính đến ngày 31/12/2019, diện tích rừng toàn quốc đạt 14.220.000 ha (10.434.000 ha rừng tự nhiên và 4.786.000 ha rừng trồng). Trong giai đoạn 2014–2019, toàn quốc ghi nhận 2.160 vụ cháy rừng với diện tích thiệt hại trên 10.000 ha; riêng năm 2019 xảy ra 292 vụ làm tổn thất 1.000 ha rừng. Nguyên nhân chủ yếu xuất phát từ tập quán phát đốt nương rẫy (60,8%), sử dụng lửa săn bắt lấy mật ong (18,0%), bất cẩn (5,0%), cố ý phá hoại (5,0%) và nguyên nhân khác (11,2%).

Tại thành phố Đồng Hới, tỉnh Quảng Bình (tọa độ $17^\circ 24'$–$17^\circ 32'$B, $106^\circ 30'$–$106^\circ 41'$Đ), tổng diện tích tự nhiên là 15.570,56 ha; trong đó diện tích đất có rừng đạt 6.153,20 ha (rừng tự nhiên 2.403,31 ha, rừng trồng 2.260,20 ha và đất chưa thành rừng 1.489,69 ha). Do nằm trong tiểu vùng khí hậu chịu ảnh hưởng gay gắt của hiệu ứng phơn Tây Nam (nhiệt độ cực đại $38$–$40^\circ\text{C}$, tốc độ gió giật $20\text{ m/s}$, mùa khô kéo dài từ tháng 4 đến tháng 8), nguy cơ bùng phát cháy rừng tại các lâm phần thông nhựa (Pinus merkusii), keo lai (Acacia hybrid) và phi lao (Casuarina equisetifolia) luôn ở mức báo động cấp IV và cấp V. Giai đoạn 2003–2019, toàn tỉnh xảy ra 179 vụ cháy với hơn 800 ha rừng bị hủy hoại; riêng năm 2019 ghi nhận 16 vụ cháy thiêu rụi 152,38 ha.

                  +-----------------------+
                  |     NGUỒN LỬA         |
                  | (Tự nhiên / Con người)|
                  +-----------+-----------+
                              / \
                             /   \
                            /     \
                           /       \
                          / TAM GIÁC\
                         /    LỬA    \
                        /             \
                       /               \
+---------------------+-----------------+---------------------+
|        OXY          |                 |   VẬT LIỆU CHÁY     |
| (Nồng độ khí quyển) |                 | (Lá khô, thảm mục)  |
+---------------------+-----------------+---------------------+

Đề tài "Nghiên cứu thực trạng và đề xuất một số giải pháp cho phòng cháy, chữa cháy rừng tại thành phố Đồng Hới, tỉnh Quảng Bình" được thực hiện nhằm giải quyết các mắt xích yếu kém trong quản lý lâm phần, ứng phó triệt để mô hình Tam giác lửa (Nhiệt – Oxy – Vật liệu cháy).

Mục tiêu nghiên cứu cụ thể

  1. Đánh giá thực trạng tài nguyên và công tác PCCCR: Tổng kiểm kê cấu trúc rừng, phân bố vật liệu cháy (VLC) và phân tích chuỗi thống kê cháy rừng giai đoạn 2015–2019.
  2. Định lượng các yếu tố ảnh hưởng: Phân tích quy luật biến động ẩm độ thảm mục ($W%$), độ tàn che ($\text{ĐTC}$), tương quan khí tượng (nhiệt độ, ẩm độ không khí, tốc độ gió) và tác động kinh tế – xã hội.
  3. Xây dựng giải pháp kỹ thuật lâm sinh và quản lý: Đề xuất mô hình đường băng xanh cản lửa, xử lý vật liệu cháy có kiểm soát và số hóa bản đồ phân vùng trọng điểm cháy rừng tỷ lệ 1:25.000.

Phạm vi và giới hạn nghiên cứu

  • Không gian: Toàn bộ diện tích 8.621,11 ha đất quy hoạch lâm nghiệp tại TP. Đồng Hới, tập trung thực địa chuyên sâu tại 02 địa bàn trọng điểm: xã Thuận Đức và phường Đồng Sơn.
  • Thời gian: Chuỗi số liệu khí tượng, lâm sinh và nhật ký cháy rừng thu thập liên tục trong 5 năm (2015–2019).

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Quản lý lửa rừng tại địa phương hiện chủ yếu sử dụng phương pháp tuần tra thủ công kết hợp hệ số khí tượng Nesterov cổ điển. Cách tiếp cận này bộc lộ nhiều điểm nghẽn khi đối chiếu với các mô hình dự báo tiên tiến.

Mô hình dự báo / Phương pháp Biến số đầu vào Ưu điểm Hạn chế cốt lõi
Nesterov tiêu chuẩn (1939) $t_{13}$, $d_{13}$, $n$ ngày không mưa Tính toán đơn giản, phù hợp công cụ thô sơ Không tính đến ẩm độ thực tế của VLC và vận tốc gió
Chỉ số Angstrom - Thụy Điển (1951) Ẩm độ tương đối thấp nhất ($R$), Nhiệt độ cực đại ($T$) Dự báo nhanh qua trạm thời tiết Bỏ qua lượng mưa tích lũy và trạng thái thực bì nhiệt đới
A.N Cooper - FAO (1991) Chỉ số $P$ tích lũy, hệ số hiệu chỉnh gió $W_F$ Tích hợp vận tốc gió vào tốc độ lan truyền lửa Giá trị $P_c$ tăng vô hạn khi hạn hán kéo dài trên 30 ngày
Bế Minh Châu (1997) Ẩm độ tuyệt đối mẫu VLC sấy khô ($W%$) Độ chính xác cao, phản ánh trực tiếp vật liệu bắt cháy Đòi hỏi thiết bị cân sấy $105^\circ\text{C}$, độ trễ thông tin cao

Ma trận ưu tiên yêu cầu kỹ thuật (MoSCoW)

  • Must have (Bắt buộc): Thiết lập mạng lưới 48 ô tiêu chuẩn (OTC) giám sát biến động sinh khối VLC; tích hợp hệ số gió $W_F$ vào công thức dự báo $P_c$; chuẩn hóa quy trình phương châm "4 tại chỗ".
  • Should have (Nên có): Xây dựng băng xanh cản lửa bằng các loài cây chống chịu nhiệt (Acacia auriculiformis, Schima wallichii); quy hoạch hệ thống hồ chứa thủy lợi (Phú Vinh $21\text{ triệu m}^3$).
  • Could have (Có thể): Ứng dụng công nghệ GIS (ArcGIS 10.8) xuất bản đồ nguy cơ cháy rừng tự động cập nhật theo tuần.
  • Won't have (Chưa thực hiện): Lắp đặt mạng lưới cảm biến IoT khói quang điện diện rộng do rào cản chi phí đầu tư công.
              +-------------------------------------------------------+
              |              HỆ THỐNG QUẢN LÝ PCCCR ĐỒNG HỚI          |
              +---------------------------+---------------------------+
                                          |
        +---------------------------------+---------------------------------+
        |                                 |                                 |
+-------v-------+                 +-------v-------+                 +-------v-------+
|  KHÍ TƯỢNG    |                 |   LÂM SINH    |                 | ĐIỀU HÀNH TÁC |
|  TIỂU VÙNG    |                 |  VẬT LIỆU     |                 |     CHIẾN     |
+-------+-------+                 +-------+-------+                 +-------+-------+
        |                                 |                                 |
        | - Nhiệt độ t13                  | - 48 OTC (50x20m)               | - Hạt Kiểm lâm
        | - Độ hụt bão hòa d13            | - Sinh khối thảm tươi           | - BQL Rừng phòng hộ
        | - Vận tốc gió (WF)              | - Độ ẩm sấy W%                  | - Đội xung kích xã
        |                                 |                                 |
        +---------------------------------+---------------------------------+
                                          |
                          +---------------v---------------+
                          |    THUẬT TOÁN DỰ BÁO TÍCH HỢP  |
                          |  Pc = [SUM(ti13 * di13)] * WF |
                          +---------------+---------------+
                                          |
                          +---------------v---------------+
                          | PHÂN CẤP NGUY CƠ CHÁY (I - V) |
                          | Bản đồ chuyên đề GIS 1:25.000 |
                          +-------------------------------+

Thiết kế hệ thống

Hệ thống quản lý và kỹ thuật phòng chống cháy rừng (PCCCR) được mô hình hóa theo 3 phân hệ:

  1. Phân hệ thu thập chỉ số khí tượng - thực địa:

    • Cập nhật số liệu nhiệt độ $t_{13}$ ($^\circ\text{C}$), độ hụt bão hòa $d_{13}$ ($\text{mb}$), lượng mưa ngày ($a\text{ mm}$) và tốc độ gió tại độ cao $10$–$12\text{ m}$.
    • Đo đạc cấu trúc tầng cây cao ($D_{1.3}$, $H_{vn}$, $D_t$, $\text{ĐTC}$) và phân tích mẫu thảm mục tại 5 ô dạng bản (ODB $1\text{ m}^2$) trong mỗi OTC.

  2. Phân hệ tính toán & Dự báo nguy cơ:

    • Thực thi thuật toán kết hợp Nesterov – Phạm Ngọc Hưng – A.N Cooper: $$\begin{cases} P = \sum_{i=1}^n K \cdot (t_{i13} \cdot d_{i13}) \ P_c = P \cdot W_F \end{cases}$$
    • Trong đó: $K = 1$ khi lượng mưa $a \le 5\text{ mm}$; $K = 0$ khi $a > 5\text{ mm}$. Hệ số gió $W_F$ điều chỉnh từ $1,0$ ($v < 4\text{ km/h}$) đến $2,5$ ($v > 20\text{ m/s}$).

  3. Phân hệ Kỹ thuật Lâm sinh Phòng cháy (KTLSPCR):

    • Thiết kế băng cản lửa hỗn giao kết hợp đường băng trắng (rộng $10$–$15\text{ m}$) chia cắt các tiểu khu 307, 308A, 353A, 359.

Methodology

Phương pháp tiếp cận dựa trên sự kết hợp giữa nghiên cứu định lượng lâm sinh và điều tra xã hội học có sự tham gia:

  • Phương pháp Điều tra Nhanh Nông thôn (PRA): Phỏng vấn bán cấu trúc 10 cán bộ chuyên trách kiểm lâm và 100 hộ dân nhận khoán bảo vệ rừng tại 2 xã Thuận Đức và phường Đồng Sơn.
  • Phương pháp Lập Ô tiêu chuẩn (OTC): Bố trí 48 OTC diện tích $1.000\text{ m}^2$ ($50\text{ m} \times 20\text{ m}$) và $500\text{ m}^2$ ($20\text{ m} \times 25\text{ m}$) phân bổ đều trên 3 vị trí địa hình (Chân đồi – Sườn đồi – Đỉnh đồi) đại diện cho các trạng thái rừng: Thông thuần loại, Keo thuần loại, Rừng hỗn giao Thông + Keo, Rừng Cao su.
  • Phương pháp Cân sấy mẫu xác định ẩm độ ($W%$): Thu mẫu thảm khô, cành rơi rụng và thảm tươi; cân trọng lượng tươi $Q_0$, sấy hồi lưu ở nhiệt độ chuẩn $105^\circ\text{C}$ trong $6$–$8\text{ giờ}$ đến khối lượng không đổi $Q$.

Implementation và kết quả

Development process

Quá trình điều tra thực địa và xử lý dữ liệu được tiến hành qua 4 giai đoạn chuẩn mực từ tháng 02/2019 đến tháng 09/2019:

[Tháng 02-03/2019] Thu thập dữ liệu thứ cấp, bản đồ giải thửa, chuỗi khí tượng 2015-2019
[Tháng 04-06/2019] Thiết lập 48 OTC, thu thập 240 mẫu ODB VLC, phân tích sấy ẩm độ 105°C
[Tháng 07-08/2019] Phỏng vấn PRA 110 đối tượng, tính toán chỉ số Pc và lập ma trận rủi ro
[Tháng 09/2019]    Tổng hợp báo cáo, số hóa bản đồ phân vùng nguy cơ cháy rừng 1:25.000

Thuật toán phân cấp nguy cơ cháy rừng và tính toán độ ẩm vật liệu cháy được chuẩn hóa thành module xử lý số liệu như sau:

def calculate_fire_risk_index(daily_records, wind_speed_kmh):
    """
    Tính toán chỉ số nguy cơ cháy rừng tổng hợp theo Nesterov cải tiến và Cooper.
    """
    cumulative_p = 0.0
    
    for record in daily_records:
        t13 = record['temp_13h']       # Nhiệt độ lúc 13h (do C)
        d13 = record['deficit_13h']    # Do lech bao hoa am luc 13h (mb)
        rain = record['rainfall_mm']   # Luong mua ngay (mm)
        
        # He so dieu chinh K theo Pham Ngoc Hung
        if rain > 5.0:
            cumulative_p = 0.0  # Reset chi so khi co mua hieu dung
        else:
            k = 1.0
            cumulative_p += k * (t13 * d13)
            
    # He so hieu chinh gio WF cua Cooper
    if wind_speed_kmh < 4.0:
        wf = 1.0
    elif 4.0 <= wind_speed_kmh <= 15.0:
        wf = 1.25
    elif 15.0 < wind_speed_kmh <= 30.0:
        wf = 1.6
    else:
        wf = 2.0
        
    pc = cumulative_p * wf
    
    # Phan cap nguy hiem theo Cooper
    if pc <= 4000:
        return pc, "Cap I: Nguy co thap (Xanh)"
    elif pc <= 12000:
        return pc, "Cap II: Nguy co trung binh (Vang)"
    elif pc <= 30000:
        return pc, "Cap III: Nguy co cao (Da cam)"
    else:
        return pc, "Cap IV: Nguy co cuc ky nguy hiem (Do)"

def compute_vlc_moisture(weight_fresh, weight_dry):
    """
    Xac dinh do am tuyet doi cua vat lieu chay W% theo T.S Be Minh Chau.
    """
    if weight_fresh <= 0:
        raise ValueError("Khoi luong tuoi phai lon hon 0")
    w_percent = ((weight_fresh - weight_dry) / weight_fresh) * 100.0
    return round(w_percent, 2)

Testing và validation

Kết quả phân tích mẫu vật liệu cháy tại 48 OTC đại diện cho thấy sự phân hóa rõ rệt về cấu trúc tích lũy sinh khối và ẩm độ bắt cháy giữa các trạng thái lâm phần:

Trạng thái rừng điều tra Độ tàn che trung bình ($\text{ĐTC}$) Khối lượng VLC khô ($\text{tấn/ha}$) Ẩm độ VLC mùa khô ($W%$) Cấp bén lửa trung bình Tốc độ lan truyền ngọn ($\text{m/s}$)
Rừng Thông thuần loại ($>15$ tuổi) $0,55 \pm 0,04$ $9,42 \pm 0,81$ $11,2 \pm 1,4$ Cấp IV (Dễ cháy) $0,0091$
Rừng Thông non ($<5$ tuổi) $0,35 \pm 0,03$ $5,18 \pm 0,45$ $9,5 \pm 0,8$ Cấp V (Rất dễ cháy) $0,0104$
Rừng Keo lai ($>5$ tuổi) $0,70 \pm 0,05$ $6,25 \pm 0,52$ $18,6 \pm 2,1$ Cấp III (Có thể cháy) $0,0058$
Rừng Keo non ($<3$ tuổi) $0,40 \pm 0,04$ $4,10 \pm 0,38$ $14,2 \pm 1,5$ Cấp IV (Dễ cháy) $0,0082$
Hỗn giao Thông + Keo $0,65 \pm 0,04$ $7,15 \pm 0,60$ $16,8 \pm 1,9$ Cấp III (Ít nguy hiểm) $0,0061$
Rừng Cao su $0,60 \pm 0,05$ $3,80 \pm 0,31$ $22,4 \pm 2,5$ Cấp II (Ít cháy) $0,0032$

Kết quả đạt được

  1. Khối lượng dữ liệu số hóa: Điều tra hoàn chỉnh 48 OTC (tổng diện tích $48.000\text{ m}^2$) và 240 ODB xác định thảm mục, giải mã toàn bộ biến động lâm phần tại 8.621,11 ha đất lâm nghiệp TP. Đồng Hới.
  2. Xác lập quy luật cháy theo mùa: Xác định thời gian cao điểm cháy rừng tập trung từ tháng 5 đến tháng 7 hàng năm (chiếm 81,25% tổng số vụ giai đoạn 2015–2019), trùng khớp với chu kỳ gió Tây Nam có độ ẩm không khí trung bình xuống dưới 55%.
  3. Hiệu chỉnh thông số kỹ thuật: Chứng minh rừng Thông non dưới 5 tuổi có tốc độ lan truyền lửa mặt đất cao nhất ($0,0104\text{ m/s}$) do thảm tươi ưu thế cỏ tranh (Imperata cylindrica) và bấc (Saccharum spontaneum) tích lũy sinh khối khô nhanh trong mùa hạn.

Đổi mới và đóng góp

  • Tích hợp liên ngành Khí tượng – Lâm sinh – Xã hội: Thay vì chỉ áp dụng đơn lẻ chỉ số khí tượng $P$ của Nesterov vốn gây hiện tượng giá trị phân cấp ảo vào cuối mùa khô, đề tài đã tích hợp đồng thời biến thiên ẩm độ thực bì $W%$ (phương pháp Bế Minh Châu) cùng hệ số vận tốc gió $W_F$ (Cooper).
  • Cơ sở định lượng cho Kỹ thuật Lâm sinh: Cung cấp dữ liệu sinh khối chính xác ($9,42\text{ tấn/ha}$ ở rừng thông già; $5,18\text{ tấn/ha}$ ở rừng thông non) để chuẩn hóa kỹ thuật đốt trước có kiểm soát và thiết kế bề rộng đường băng cản lửa ($10$–$15\text{ m}$).
  • Nâng cao độ chính xác dự báo: Giảm thiểu sai số cảnh báo cháy giả từ $28%$ xuống dưới $9,5%$ khi kết hợp kiểm tra độ ẩm thực địa định kỳ chu kỳ 10 ngày.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Quy trình công nghệ phòng chống cháy rừng địa phương

[QUAN TRẮC ĐỊNH KỲ]
   Thu thập dữ liệu trạm khí tượng + Cân ẩm độ thảm mục tại OTC đại diện (10 ngày/lần)
[PHÂN TÍCH CHỈ SỐ]
   Chạy mô hình Pc = P * WF và ma trận ẩm độ W%
[CẢNH BÁO PHÂN CẤP]
[TÁC CHIẾN TẠI CHỖ]

Phân tích hiệu quả kinh tế - xã hội (Cost - Benefit Analysis)

  • Chi phí triển khai đề xuất: Ước tính 450.000.000 VNĐ cho việc thiết lập 12 km đường băng xanh cản lửa, phát dọn thảm mục cục bộ và đào tạo 10 tổ đội xung kích tại Thuận Đức, Đồng Sơn.
  • Giá trị bảo tồn tài sản: Ngăn ngừa nguy cơ thiệt hại cháy rừng trung bình $30\text{ ha/năm}$ (tương đương giá trị gỗ và chi phí tái lập rừng trên 2,1 tỷ VNĐ/năm).
  • Thời gian hoàn vốn rủi ro (ROI): Dưới 1 chu kỳ mùa khô (ngay trong năm đầu tiên ứng dụng quy chuẩn phòng hộ).

Hạn chế và hướng phát triển

  • Hạn chế: Số liệu sấy khô mẫu thảm mục $W%$ đòi hỏi thao tác phòng thí nghiệm chuyên dụng, chưa thể cung cấp dữ liệu tức thời thời gian thực (Real-time telemetry); số lượng trạm đo gió tự động tại các tiểu khu sườn đồi còn mỏng.
  • Hướng phát triển: Tích hợp ảnh viễn thám MODIS/Sentinel-2 để tự động tính toán chỉ số khác biệt thực vật chuẩn hóa ($\text{NDVI}$) và chỉ số ẩm độ thực bì ($\text{NDWI}$); xây dựng ứng dụng di động hỗ trợ kiểm lâm viên tự động nhập liệu $t_{13}$, $d_{13}$ và tra cứu cấp cháy tự động tại hiện trường.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên & Học viên Lâm nghiệp: Tài liệu tham khảo chuẩn mực về phương pháp lập ô tiêu chuẩn (OTC), ô dạng bản (ODB) và tính toán giải tích chỉ số cháy rừng.
  • Lực lượng Kiểm lâm & Ban quản lý Rừng: Khung hướng dẫn kỹ thuật lâm sinh điều tiết vật liệu cháy và quy trình điều hành phối hợp liên ngành.
  • Chính quyền & Cộng đồng địa phương: Giảm thiểu nguy cơ thiệt hại tài sản, ổn định sinh kế nhận khoán bảo vệ rừng bền vững cho hơn 1.200 hộ dân vùng đệm Đồng Hới.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật tối thiểu để địa phương triển khai mô hình dự báo này?

Cần trang bị trạm khí tượng cơ bản đo nhiệt độ khô - ướt (tính độ lệch bão hòa $d_{13}$), vũ kế đo lượng mưa, máy đo gió cầm tay tại trạm và một tủ sấy mẫu thí nghiệm dung tích $50\text{ lít}$ ($105^\circ\text{C}$) đặt tại Hạt Kiểm lâm.

2. Giới hạn mở rộng quy mô của phương pháp là gì?

Mô hình có thể mở rộng cho toàn bộ vùng Bắc Trung Bộ có điều kiện lập địa và khí hậu phơn tương đồng (Quảng Trị, Hà Tĩnh, Nghệ An). Tuy nhiên, cần tái lập chuỗi điều tra sinh khối thảm mục cho các loài cây đặc thù khác như Tràm (Melaleuca) hoặc Rừng khộp.

3. Phương án xử lý khi chỉ số Nesterov $P$ tăng cao vô hạn trong hạn hán kéo dài?

Áp dụng ngưỡng cắt theo quy chuẩn A.N Cooper kết hợp phân cấp độ ẩm mẫu sấy thực tế $W%$. Khi $W% < 10%$, mặc định kích hoạt kịch bản khẩn cấp cấp V mà không phụ thuộc vào độ lớn cơ học của giá trị $P$.

4. Tần suất bảo dưỡng và làm sạch vật liệu cháy đường băng cản lửa?

Tiến hành phát dọn thảm khô, cày lật đất trên băng trắng và cắt tỉa cành nhánh phía dưới tán băng xanh 01 lần/năm vào cuối quý I (tháng 3), ngay trước thời điểm bước vào mùa khô nóng.

5. Chi phí đầu tư hệ thống băng cản lửa xanh so với hiệu quả giữ rừng?

Suất đầu tư băng cản lửa xanh bằng cây bản địa chịu lửa (Keo lá tràm, Dổi xanh) chiếm khoảng $15$–$20\text{ triệu VNĐ/km}$, nhưng tuổi thọ công trình duy trì trên 15–20 năm, tiết kiệm 70% chi phí phát dọn cơ giới hàng năm so với băng trắng thuần túy.

Kết luận

Đồ án đã phân tích toàn diện hiện trạng lâm phần và nguyên nhân cháy rừng giai đoạn 2015–2019 tại TP. Đồng Hới; lượng hóa thành công các thông số vật liệu cháy và đề xuất hệ thống dự báo tích hợp Nesterov – Cooper – Bế Minh Châu. Việc áp dụng đồng bộ các giải pháp lâm sinh phòng hộ, quản lý thảm mục và số hóa bản đồ chuyên đề là nền tảng cốt lõi giúp lực lượng kiểm lâm bảo vệ vững chắc 6.153,20 ha rừng, duy trì độ che phủ và môi trường sinh thái bền vững cho trung tâm kinh tế - văn hóa tỉnh Quảng Bình.