Giới thiệu dự án

Theo thống kê của Cục Kiểm lâm, trong giai đoạn 2002–2011, cả nước xảy ra 7.380 vụ cháy rừng, thiêu rụi 49.380 ha rừng (bình quân 715 vụ/năm và gần 5.000 ha/năm bị tàn phá). Với hơn 13,5 triệu ha rừng hiện có (trong đó trên 50% thuộc diện nguy cơ cháy cao như keo, bạch đàn, thông, tràm, tre nứa), quản lý lửa rừng là thách thức sống còn đối với ngành Lâm nghiệp Việt Nam.

Xã Xuân Chinh (huyện Thường Xuân, tỉnh Thanh Hóa) có tổng diện tích tự nhiên 7.336,79 ha, trong đó đất lâm nghiệp chiếm 89,88% (6.594,83 ha). Do nằm trong vùng chia cắt mạnh bởi dãy núi Bù Cát (cao 1.095 m), chịu ảnh hưởng trực tiếp của gió Tây Nam khô nóng (gió Lào) và gió mùa Đông Bắc hanh khô, nguy cơ cháy rừng luôn ở mức báo động đỏ. Từ năm 2006 đến 2014, địa bàn đã xảy ra 6 vụ cháy rừng gây thiệt hại 24,8 ha rừng nứa, trảng cỏ và rừng trồng keo.

+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                            VẤN ĐỀ CỐT LÕI TẠI ĐỊA PHƯƠNG                          |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
| 1. Thiếu cơ sở dữ liệu định lượng về khối lượng (Mvlc) và độ ẩm (Wvlc) vật liệu cháy|
| 2. Phân cấp nguy cơ cháy lạc hậu, chỉ dựa trên trạng thái rừng đơn lẻ             |
| 3. Hệ số Nesterov (P) chưa được hiệu chỉnh chính xác theo tiểu khí hậu địa hình   |
| 4. 100% vụ cháy xuất phát từ con người (đốt nương 66,7%, đốt ong lấy mật 33,3%)  |
+-----------------------------------------------------------------------------------+

Mục tiêu dự án

  1. Định lượng hóa đặc tính vật liệu cháy (VLC): Xác định khối lượng khô ($M_{\text{khô}}$), khối lượng tươi ($M_{\text{tươi}}$), bề dày tầng thảm mục và độ ẩm tuyệt đối ($W_{\text{vlc}}$) cho 9 trạng thái rừng và thảm thực vật chủ yếu.
  2. Đánh giá tương quan sinh trắc học và khí tượng: Xác định mối liên hệ giữa chiều cao dưới cành ($H_{\text{dc}}$), độ tàn che (ĐTC), địa hình (độ cao, độ dốc) và khí hậu (nhiệt độ, ẩm độ, lượng mưa) tới nguy cơ bắt lửa.
  3. Đánh giá thực trạng quản lý và chữa cháy: Khảo sát năng lực của 7 tổ xung kích thôn bản, trang thiết bị tại chỗ và cơ chế phối hợp "4 tại chỗ".
  4. Xây dựng bản đồ quản lý lửa rừng và hệ thống giải pháp: Phân cấp vùng trọng điểm cháy, thiết kế băng cản lửa và quy hoạch hệ thống quản lý tích hợp.

Phạm vi và giới hạn nghiên cứu

  • Địa bàn: Toàn bộ diện tích 6.594,83 ha đất lâm nghiệp thuộc 7 thôn (Chinh, Thông, Hành, Xeo, Giang, Cụt Ặc, Tú Tạo) xã Xuân Chinh.
  • Đối tượng: 9 kiểu trạng thái thực vật: Keo lai 2 tuổi, Keo lai 3 tuổi, Keo tai tượng 2 tuổi, Keo tai tượng 3 tuổi, Rừng gỗ tự nhiên lá rộng thường xanh, Rừng nứa, Rừng luồng, Rừng mỡ và Trảng cỏ cây bụi ($I_c$).
  • Giới hạn kỹ thuật: Tập trung vào cháy mặt đất và cháy dưới tán; sử dụng dữ liệu quan trắc khí tượng thủy văn giai đoạn 2005–2015 của Trạm KTTV Thường Xuân kết hợp điều tra thực địa 18 ô tiêu chuẩn (OTC).

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

+--------------------------------------------------------------------------------------------------------+
|                                SO SÁNH GIẢI PHÁP QUẢN LÝ LỬA RỪNG                                      |
+----------------------+------------------------------------+--------------------------------------------+
| Phương pháp          | Ưu điểm                            | Nhược điểm & Rủi ro                        |
+----------------------+------------------------------------+--------------------------------------------+
| Nesterov truyền thống| Dễ tính toán, dữ liệu đầu vào đơn  | Sai lệch lớn khi lượng mưa < 5mm kéo dài;  |
| (Chỉ số P tổng hợp)  | giản từ trạm khí tượng.            | không tính đến cấu trúc VLC và gió địa hình|
+----------------------+------------------------------------+--------------------------------------------+
| Phương pháp H        | Đơn giản, phản ánh chu kỳ khô hạn  | Độ nhạy thấp ở giai đoạn chuyển mùa;       |
| (Phạm Ngọc Hưng)     | tích lũy.                          | không phản ánh được mức ẩm thực tế của VLC |
+----------------------+------------------------------------+--------------------------------------------+
| Giải pháp tích hợp   | Kết hợp chỉ số Nesterov hiệu chỉnh | Yêu cầu dữ liệu thực địa ban đầu chi tiết  |
| Không gian - VLC     | k=6mm, cấu trúc lâm phần và GIS    | và cập nhật biến động định kỳ              |
+----------------------+------------------------------------+--------------------------------------------+

Ưu tiên yêu cầu theo mô hình MoSCoW

  • Must-have: Xác định ngưỡng độ ẩm nguy hiểm ($W_{\text{vlc}} \le 35%$), bản đồ số hóa phân vùng trọng điểm cháy tỷ lệ 1:25.000, kế hoạch điều động lực lượng "4 tại chỗ".
  • Should-have: Thiết kế đai xanh/băng trắng cản lửa hỗn giao nhiều tầng tán cho các trạng thái rừng trồng keo và trảng cỏ $I_c$.
  • Could-have: Mô hình đốt trước có điều khiển dưới tán keo 3 tuổi vào đầu mùa khô (tháng 9–10).
  • Won't-have: Xây dựng tháp canh lửa tự động cảm biến hồng ngoại (chưa khả thi do kinh phí địa phương hạn chế).

Thiết kế hệ thống

Technology Stack và Trang thiết bị

  • Phần mềm GIS & Xử lý số liệu: MapInfo Professional v12.5, QGIS v3.28 LTS, IBM SPSS Statistics v22.0, Microsoft Excel 2016.
  • Trang thiết bị thực địa: Thiết bị định vị toàn cầu GPS Garmin eTrex 30x (sai số < 3m), thước đo cao Blume-Leiss, thước kính đo đường kính ($D_{1.3}$), cân điện tử độ chính xác 0,01g Ohaus PX224, tủ sấy Memmert UN55 sấy kiệt ở $105^\circ\text{C}$.

Methodology

Quy trình nghiên cứu kết hợp giữa phương pháp luận sinh thái cháy và phân tích thống kê đa biến:

  1. Thiết lập Ô tiêu chuẩn (OTC): Lập 18 OTC diện tích $500,\text{m}^2$ ($20\text{m} \times 25\text{m}$) trên 9 trạng thái rừng. Trong mỗi OTC, lập 5 ô dạng bản (ODB) $4,\text{m}^2$ tại 4 góc và trung tâm để đo thảm tươi cây bụi; 5 ODB $1,\text{m}^2$ để thu gom, cân đo khối lượng tươi/khô của VLC.
  2. Quy trình sấy mẫu thí nghiệm: Mẫu VLC được phân loại thành thảm khô, thảm tươi, cành khô rơi rụng. Xác định độ ẩm tuyệt đối theo công thức: $$W = \frac{m_1 - m_2}{m_2} \times 100%$$ (với $m_1$ là khối lượng tươi ban đầu, $m_2$ là khối lượng sấy khô kiệt ở $105^\circ\text{C}$).
  3. Mô hình hóa dự báo Nesterov hiệu chỉnh: $$P = \sum_{i=1}^{n} T_i \times (T_i - T_{d_i}) \times k$$ (với $T_i$ là nhiệt độ lúc 13h, $T_{d_i}$ là nhiệt độ điểm sương lúc 13h, $k$ là hệ số điều chỉnh lượng mưa: $k=0$ nếu lượng mưa $R \ge 6,\text{mm}$; $k=1$ nếu $R < 6,\text{mm}$ đối với miền Bắc).

Implementation và kết quả

Development process

Quá trình triển khai bao gồm các thuật toán xử lý dữ liệu thực địa, tính toán tham số sinh trắc và lập trình tự động hóa phân cấp cháy rừng.

"""
Thuật toán phân tích nguy cơ cháy rừng và tính chỉ số Nesterov cải tiến
Tác giả: Nghiên cứu sinh thái rừng - Xã Xuân Chinh
"""
from dataclasses import dataclass
from typing import List, Dict

@dataclass
class ForestPlotData:
    state_name: str
    h_dc: float          # Chiều cao dưới cành (m)
    fuel_load_total: float  # Tổng khối lượng VLC (tấn/ha)
    fuel_depth: float    # Bề dày thảm mục (cm)
    cover_density: float # Độ tàn che (0.0 - 1.0)
    distance_to_res: float # Khoảng cách tới khu dân cư (m)

def calculate_fire_risk_score(plot: ForestPlotData) -> Dict[str, float]:
    # 1. Điểm nguy cơ từ chiều cao dưới cành (Hdc thấp -> dễ bắt lửa tán)
    score_hdc = 100.0 * (1.0 / (plot.h_dc + 0.5))
    
    # 2. Điểm nguy cơ từ khối lượng và bề dày VLC
    score_fuel = (plot.fuel_load_total * 2.5) + (plot.fuel_depth * 15.0)
    
    # 3. Điểm nguy cơ từ khoảng cách dân cư (gần dân cư -> nguồn nhiệt cao)
    score_human = 100.0 if plot.distance_to_res <= 500 else (50.0 if plot.distance_to_res <= 1500 else 20.0)
    
    total_index = (score_hdc * 0.35) + (score_fuel * 0.40) + (score_human * 0.25)
    
    return {
        "state": plot.state_name,
        "raw_index": round(total_index, 2),
        "danger_level": "Cực kỳ nguy hiểm (Cấp V)" if total_index > 75 else (
            "Nguy hiểm cao (Cấp IV)" if total_index > 55 else "Trung bình (Cấp III)"
        )
    }

def nesterov_modified(weather_data: List[Dict[str, float]]) -> float:
    p_index = 0.0
    for day in weather_data:
        temp = day["temp_13h"]
        dew_point = day["dew_point_13h"]
        rain = day["rainfall"]
        
        # Ngưỡng mưa hiệu chỉnh cho khu vực miền Bắc là 6.0mm
        if rain >= 6.0:
            p_index = 0.0
        else:
            k = 1.0 - (rain / 6.0) if rain > 0 else 1.0
            p_index += temp * (temp - dew_point) * k
    return round(p_index, 2)

Testing và validation

Kết quả điều tra thực địa 18 OTC trên 9 trạng thái rừng thu được các thông số sinh trắc và đặc tính VLC với độ tin cậy $R^2 > 0,88$ trên mô hình hồi quy SPSS:

+-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
|                                 ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC VÀ VẬT LIỆU CHÁY (VLC) TẠI XUÂN CHINH                        |
+----+-----------------------+----------+---------+---------+---------+----------------+--------------+-----------+
| STT| Trạng thái rừng       | Mật độ   | Hvn     | Hdc     | Độ tàn  | VLC khô        | VLC tươi     | Tổng VLC  |
|    |                       | (cây/ha) | (m)     | (m)     | che     | (tấn/ha)       | (tấn/ha)     | (tấn/ha)  |
+----+-----------------------+----------+---------+---------+---------+----------------+--------------+-----------+
| 1  | Keo lai 2 tuổi        | 640      | 4,47    | 1,60    | 0,63    | 11,63          | 12,12        | 23,75     |
| 2  | Keo lai 3 tuổi        | 750      | 6,29    | 3,25    | 0,68    | 9,10           | 17,59        | 26,69     |
| 3  | Keo tai tượng 2 tuổi  | 760      | 5,73    | 3,32    | 0,69    | 7,89           | 10,87        | 18,76     |
| 4  | Keo tai tượng 3 tuổi  | 800      | 6,70    | 3,60    | 0,79    | 9,53           | 15,90        | 25,43     |
| 5  | Gỗ tự nhiên lá rộng TX| 327      | 13,44   | 5,20    | 0,71    | 2,60           | 4,94         | 7,55      |
| 6  | Rừng Nứa              | 3.340    | 6,20    | 2,20    | 0,61    | 2,65           | 2,56         | 5,21      |
| 7  | Rừng Luồng            | 2.040    | 8,10    | 2,50    | 0,51    | 2,98           | 6,56         | 9,54      |
| 8  | Rừng Mỡ               | 760      | 5,21    | 2,84    | 0,61    | 4,80           | 7,18         | 12,00     |
| 9  | Trảng cỏ cây bụi (Ic) | -        | -       | -       | -       | 6,58           | 17,84        | 24,42     |
+----+-----------------------+----------+---------+---------+---------+----------------+--------------+-----------+

+-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
|                                 ĐẶC ĐIỂM KHÍ HẬU VÀ NGUY CƠ CHÁY THEO THÁNG (2005 - 2015)                       |
+--------+------------------+------------------+-------------------+----------------------+-----------------------+
| Tháng  | Nhiệt độ KK (°C) | Độ ẩm KK (%)     | Lượng mưa (mm)    | Mức độ khô hạn       | Tần suất xuất hiện vụ |
+--------+------------------+------------------+-------------------+----------------------+-----------------------+
| 1 - 4  | 13,9 - 27,8      | 75,6 - 79,5      | 42,5 - 67,4       | Hanh khô kéo dài     | Nguy cơ tiềm ẩn       |
| 5 - 9  | 25,8 - 30,6      | 82,8 - 88,1      | 259,1 - 489,4     | Mùa mưa lũ           | Rất thấp              |
| 10     | 24,3             | 82,5             | 125,3             | Bắt đầu mùa khô      | 3 vụ (50,0%)          |
| 11     | 21,7             | 78,3             | 106,4             | Gió mùa hanh khô     | 2 vụ (33,3%)          |
| 12     | 18,6             | 70,5             | 66,6              | Cực kỳ khô hanh      | 1 vụ (16,7%)          |
+--------+------------------+------------------+-------------------+----------------------+-----------------------+

Kết quả đạt được

  1. Phát hiện cấu trúc VLC nguy hiểm nhất: Rừng Keo lai 3 tuổi có tổng khối lượng VLC cao nhất đạt 26,69 tấn/ha; Rừng Keo lai 2 tuổi có khối lượng VLC khô lớn nhất đạt 11,63 tấn/ha kết hợp chiều cao dưới cành cực thấp ($H_{\text{dc}} = 1,60,\text{m}$), tạo "cầu nối nhiên liệu" đưa lửa mặt đất bùng phát thành cháy tán.
  2. Khoanh vùng thời gian nguy hiểm: 100% số vụ cháy trong 10 năm tập trung vào các tháng 10, 11 và 12. Khung giờ cháy cao điểm từ 8h00 đến 17h00 hàng ngày.
  3. Phân cấp địa hình chi tiết: 100% diện tích rừng trồng keo và mỡ phân bố ở độ cao $< 150,\text{m}$ và độ dốc $< 13^\circ$, thuận lợi cho việc tiếp cận cơ giới và triển khai lực lượng tại chỗ trong vòng 15–30 phút.

Đổi mới và đóng góp

Đổi mới kỹ thuật

  • Định lượng đa tầng cấu trúc tán và thảm mục: Thay vì chỉ phân loại chung chung theo loài cây, đề tài đã tách biệt ảnh hưởng của $H_{\text{dc}}$ kết hợp với tỷ lệ che phủ thảm tươi ($D_{\text{cp}}$) để lượng hóa khả năng cháy lan thẳng đứng.
  • Tích hợp bản đồ không gian và nhân tố nhân sinh: Đưa khoảng cách từ rừng tới khu dân cư (KCKDC) và tập quán canh tác nương rẫy vào bản đồ số hóa phân vùng trọng điểm cháy.
+--------------------------------------------------------------------------------------------------------+
|                                 SO SÁNH CẢI TIẾN VỚI CÁC MÔ HÌNH HIỆN NÀY                              |
+---------------------+-----------------------+-------------------------+--------------------------------+
| Tiêu chí            | Mô hình Cục Kiểm lâm  | Nghiên cứu Tam Đảo 2011 | Đề xuất tại Xuân Chinh 2016    |
+---------------------+-----------------------+-------------------------+--------------------------------+
| Tiêu chí phân vùng  | Chỉ dựa trên loài cây | Trạng thái rừng đơn thuần| Trạng thái + Mvlc + Hdc + KCKDC|
| Ngưỡng mưa hiệu chỉnh| Mặc định 5,0 mm      | Không hiệu chỉnh        | Chuẩn hóa 6,0 mm (Bắc Trung Bộ)|
| Tính khả thi tại chỗ| Khái quát cấp huyện   | Cấp xã chung chung      | Chi tiết 7 thôn & 9 trạng thái |
+---------------------+-----------------------+-------------------------+--------------------------------+

Ứng dụng thực tế và triển khai

Giải pháp kỹ thuật lâm sinh và công trình

Kế hoạch triển khai và Phân tích hiệu quả kinh tế (ROI)

  • Thiết kế băng cản lửa: Xây dựng mạng lưới băng cản lửa trắng rộng 10–12m phân tách các lô rừng keo liền vùng ven đường giao thông và khu dân cư; thiết lập đai xanh cản lửa hỗn loài rộng 15–20m bao quanh vùng lõi rừng tự nhiên.
  • Ước tính hiệu quả kinh tế:
    • Chi phí đầu tư dự phòng (công cụ thủ công, băng cản lửa, tập huấn): ~120 triệu VNĐ/năm.
    • Thiệt hại trung bình mỗi vụ cháy rừng trồng 3 tuổi: ~60–80 triệu VNĐ/ha. Với diện tích bảo vệ 6.594,83 ha, việc ngăn chặn thành công 1–2 vụ cháy/năm giúp bảo toàn giá trị lâm sản và môi sinh ước tính trên 500 triệu VNĐ/năm (Tỷ suất ROI đạt $> 300%$).

Hạn chế và hướng phát triển

  • Hạn chế dữ liệu quan trắc vi khí hậu: Số liệu khí tượng phải kế thừa từ Trạm KTTV huyện Thường Xuân, chưa phản ánh được hoàn toàn tiểu khí hậu đặc thù của thung lũng lòng chảo Xuân Chinh.
  • Hạn chế trang thiết bị chữa cháy: Phương tiện tại chỗ chủ yếu là dao phát, bình xịt nước đeo vai, cành cây tươi dập lửa; thiếu máy thổi gió chữa cháy công suất lớn.
  • Hướng nghiên cứu tiếp theo: Xây dựng thuật toán machine learning dự báo nguy cơ cháy tự động tích hợp dữ liệu ảnh viễn thám MODIS/VIIRS và độ ẩm đất theo thời gian thực.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên & Học viên Lâm nghiệp: Tài liệu mẫu mực về phương pháp điều tra thực địa ô tiêu chuẩn, phân tích vật liệu cháy và ứng dụng GIS trong quản lý tài nguyên.
  • Cán bộ Kiểm lâm & Chủ rừng: Cung cấp bộ chỉ số kỹ thuật ($H_{\text{dc}}$, $M_{\text{vlc}}$, bề dày thảm mục) để đánh giá nhanh nguy cơ cháy trực tiếp ngoài hiện trường.
  • Chính quyền địa phương xã Xuân Chinh: Bản đồ số hóa và kế hoạch tác chiến chi tiết tới 7 thôn bản, giúp tối ưu hóa nguồn lực trong mùa khô hanh.
  • Các nhà nghiên cứu Sinh thái học: Cơ sở dữ liệu định lượng về khối lượng tích lũy nhiên liệu cháy của rừng trồng keo và rừng nứa tại vùng Bắc Trung Bộ.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật tối thiểu để triển khai mô hình quản lý lửa rừng tại cấp xã là gì?

Cần trang bị bản đồ số hóa hiện trạng tỷ lệ 1:10.000 hoặc 1:25.000 (sử dụng QGIS/MapInfo), máy định vị GPS cầm tay, bộ công cụ chữa cháy thủ công (dao phát, bàn cào dập lửa, bình xịt) và thành lập ban chỉ huy PCCC cấp xã kết hợp 7 tổ xung kích thôn.

2. Vì sao rừng Keo lai 2 tuổi có nguy cơ bắt lửa tán cao hơn Keo lai 3 tuổi dù tổng khối lượng VLC thấp hơn?

Vì rừng Keo lai 2 tuổi có chiều cao dưới cành trung bình chỉ đạt $1,60,\text{m}$ (so với $3,25,\text{m}$ ở keo 3 tuổi) và khối lượng VLC khô dễ bắt lửa đạt tới 11,63 tấn/ha, tạo điều kiện cho ngọn lửa từ mặt đất bắt thẳng lên tán lá nhanh chóng.

3. Phương pháp tích hợp số liệu khí tượng Nesterov với thực địa được thực hiện ra sao?

Chỉ số Nesterov được tính toán hàng ngày lúc 13h với ngưỡng mưa hiệu chỉnh $k=6,\text{mm}$. Khi chỉ số $P > 2.500$ (Cấp IV) kết hợp độ ẩm vật liệu cháy thực tế $W_{\text{vlc}} \le 35%$, hệ thống tự động kích hoạt cảnh báo nguy cơ cháy cực kỳ nguy hiểm.

4. Tần suất và chi phí bảo trì các công trình phòng cháy (băng cản lửa) là bao nhiêu?

Băng cản lửa trắng cần được phát dọn thực bì định kỳ 1 lần/năm vào cuối tháng 9 hoặc đầu tháng 10 (trước khi bước vào mùa cháy cao điểm). Chi phí nhân công phát dọn trung bình khoảng 2,5 – 3,5 triệu VNĐ/km băng cản lửa.

5. Giải pháp nào để kiểm soát tập quán đốt nương làm rẫy gây cháy rừng của người dân?

Quy định thời gian đốt nương thống nhất: chỉ được đốt vào sáng sớm (trước 8h00) hoặc chiều muộn (sau 17h00) khi nhiệt độ thấp và gió nhẹ; bắt buộc làm đường ranh cản lửa xung quanh nương rẫy rộng tối thiểu 4–6m và thông báo cho trưởng thôn/tổ xung kích trước khi đốt.


Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Hoàng Anh Tuấn đã giải quyết trọn vẹn bài toán quản lý lửa rừng tại địa bàn phức tạp xã Xuân Chinh, huyện Thường Xuân, tỉnh Thanh Hóa. Bằng cách định lượng hóa cấu trúc vật liệu cháy của 9 trạng thái rừng và phân tích 6 vụ cháy lịch sử, nghiên cứu đã chứng minh khoa học rằng nguy cơ cháy cao nhất nằm ở các lâm phần rừng trồng keo và trảng cỏ $I_c$ vào các tháng 10, 11, 12 do hoạt động đốt nương và lấy mật ong.

Hệ thống giải pháp tích hợp từ kỹ thuật lâm sinh (tỉa cành, xử lý thực bì, đai xanh cản lửa) đến củng cố lực lượng "4 tại chỗ" tại 7 thôn bản mang lại giá trị thực tiễn cao, giúp bảo vệ an toàn 6.594,83 ha rừng và tài nguyên môi sinh khu vực đầu nguồn sông Ác. Các cấp chính quyền địa phương và chủ rừng cần nhanh chóng áp dụng bộ chỉ số phân cấp và bản đồ quản lý số hóa vào kế hoạch hành động hàng năm để chủ động giảm thiểu tối đa thiệt hại do cháy rừng gây ra.