Tổng quan nghiên cứu

Xói mòn đất là một trong những dạng thoái hóa đất nghiêm trọng nhất trên phạm vi toàn cầu, đe dọa trực tiếp đến an ninh lương thực và tính bền vững của các hệ sinh thái tự nhiên. Tại Việt Nam, hơn 13 triệu hecta đất đồi núi dốc đang chịu tác động của quá trình rửa trôi lớp đất mặt do mưa nhiệt đới cường độ cao. Thành phố Uông Bí thuộc tỉnh Quảng Ninh với tổng diện tích tự nhiên khoảng 256,3 km2 sở hữu địa hình chuyển tiếp phức tạp từ vùng núi cao Yên Tử xuống đồng bằng ven biển. Khu vực này vừa là trung tâm khai thác khoáng sản than trọng điểm, vừa là địa bàn chịu tác động nặng nề của biến đổi khí hậu ven biển.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm là sự gia tăng đột biến của cường độ mưa cực đoan kết hợp với biến động lớp phủ bề mặt do hoạt động khai khoáng và đô thị hóa, làm gia tăng nguy cơ mất đất và sạt lở nghiêm trọng. Mục tiêu cụ thể của luận văn là ứng dụng công nghệ viễn thám và hệ thống thông tin địa lý GIS để lượng hóa tốc độ mất đất do mưa ở thời điểm hiện trạng, đồng thời mô phỏng phân vùng nguy cơ xói mòn đất theo kịch bản biến đổi khí hậu giai đoạn 2016-2035 của Bộ Tài nguyên và Môi trường. Phạm vi nghiên cứu bao trùm toàn bộ ranh giới hành chính thành phố Uông Bí với chuỗi dữ liệu không gian và khí tượng thu thập từ năm 2000 đến năm 2020. Nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi cung cấp bộ bản đồ số hóa tỷ lệ chi tiết và các chỉ số định lượng về tỷ lệ mất đất trung bình hàng năm tính bằng tấn/ha/năm, tạo tiền đề vững chắc cho việc lập quy hoạch sử dụng đất bền vững và giảm thiểu thiệt hại thiên tai tối thiểu 25% cho địa phương trong giai đoạn tới.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng phương trình mất đất phổ quát USLE do các nhà khoa học Wischmeier và Smith phát triển, kết hợp với lý thuyết viễn thám quang học và phân tích không gian địa lý. Phương trình USLE xác định lượng đất mất trung bình hàng năm thông qua tích của năm yếu tố thành phần cơ bản. Khung lý thuyết tiếp cận xói mòn đất như một hàm số của lực tác động từ ngoại lực khí quyển và khả năng chống chịu của bề mặt đất tự nhiên.

Ba khái niệm cốt lõi được định nghĩa và chuẩn hóa trong nghiên cứu bao gồm:

  1. Hệ số xói mòn do mưa (R, đơn vị tính bằng MJ.mm/ha.h.năm), phản ánh động năng và khả năng bào mòn bề mặt của các trận mưa trong năm.
  2. Hệ số kháng xói mòn của đất (K, đơn vị tính bằng tấn.h/MJ.mm), biểu thị tính nhạy cảm vốn có của từng loại đất trước tác động rửa trôi dựa trên cấu trúc thành phần cơ giới và hàm lượng chất hữu cơ.
  3. Hệ số độ dốc và chiều dài sườn dốc (LS), hệ số quản lý che phủ thực vật (C) và hệ số áp dụng các biện pháp bảo vệ đất (P).

Chỉ số thực vật khác biệt chuẩn hóa NDVI chiết xuất từ ảnh vệ tinh đóng vai trò cầu nối xác định định lượng hệ số C theo không gian và thời gian.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu khai thác nguồn dữ liệu đa tầng bao gồm: mô hình số độ cao DEM độ phân giải không gian 30 mét, ảnh vệ tinh đa phổ Landsat và VNREDSAT-1 qua các thời kỳ, chuỗi dữ liệu lượng mưa quan trắc hơn 20 năm từ mạng lưới trạm khí tượng thủy văn khu vực Đông Bắc Bộ, cùng các thông số kịch bản biến đổi khí hậu nồng độ khí nhà kính trung bình và cao cập nhật năm 2016.

Phương pháp chọn mẫu thổ nhưỡng được thực hiện theo nguyên tắc lấy mẫu ngẫu nhiên phân tầng dựa trên bản đồ đơn vị đất đai và địa hình, thu thập tổng cộng 43 điểm mẫu đại diện trên toàn địa bàn Uông Bí. Các mẫu đất được phân tích trong phòng thí nghiệm để xác định chính xác tỷ lệ hạt cát, bụi, sét và hàm lượng cacbon hữu cơ.

Quy trình phân tích dữ liệu không gian dựa trên công cụ Raster Calculator thuộc phần mềm ArcGIS Spatial Analyst để nhân chập 5 lớp bản đồ chuyên đề thành phần. Phương pháp thống kê vùng theo bảng biểu Zonal Statistics as Table được lựa chọn để tổng hợp diện tích mất đất chi tiết theo từng đơn vị hành chính phường, xã và từng loại hình sử dụng đất. Lý do lựa chọn tổ hợp USLE và GIS là khả năng xử lý linh hoạt khối lượng lớn dữ liệu raster liên tục trên diện rộng, tối ưu hóa chi phí điều tra thực địa và cho phép cập nhật kịch bản khí hậu đa thời gian với độ tin cậy vượt trội.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Kết quả mô hình hóa không gian đã làm rõ bức tranh tổng thể về hiện trạng và xu thế xói mòn đất do mưa tại thành phố Uông Bí qua các chỉ số cụ thể:

Hệ số xói mòn do mưa hiện trạng dao động từ 1.250 đến 1.850 MJ.mm/ha.h.năm trên toàn thành phố. Theo kịch bản biến đổi khí hậu giai đoạn 2016-2035, chỉ số này tăng thêm từ 8,2% đến 14,5% do lượng mưa cực đoan có xu hướng tập trung mạnh vào các tháng mùa mưa cao điểm.

Tổng diện tích đất bị xói mòn ở mức trung bình đến rất mạnh (trên 10 tấn/ha/năm) ở điều kiện hiện trạng chiếm khoảng 34,8% diện tích tự nhiên. Dưới tác động của biến đổi khí hậu giai đoạn 2016-2035, tỷ lệ này gia tăng lên mức 42,6%, tương đương mức mở rộng thêm khoảng 1.998 hecta đất có nguy cơ thoái hóa cao.

Phân bố xói mòn đất có sự phân hóa sâu sắc theo đơn vị hành chính và địa hình. Khu vực phía Bắc bao gồm xã Thượng Yên Công và phường Vàng Danh có lượng mất đất trung bình lên đến 25-50 tấn/ha/năm tại các sườn dốc trên 25 độ thiếu thảm thực vật che phủ. Ngược lại, các phường trung tâm và ven sông phía Nam như Quang Trung, Yên Thanh có tỷ lệ xói mòn dưới 1 tấn/ha/năm.

Đất rừng phòng hộ và rừng tự nhiên có hệ số che phủ C thấp (khoảng 0,01 đến 0,05) giúp giảm thiểu đến 90% lượng đất trôi rửa, trong khi các khu vực khai trường khai thác than lộ thiên và bãi thải mỏ có mức độ xói mòn cao gấp 3,5 đến 5 lần mức bình quân toàn đô thị.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự phân hóa cường độ xói mòn xuất phát từ sự kết hợp bất lợi giữa địa hình đồi núi dốc đứng với các hoạt động nhân sinh làm biến đổi lớp phủ. Các bãi thải mỏ than và sườn dốc bị bóc trần làm suy giảm nghiêm trọng hệ số che phủ C và gia tăng hệ số độ dốc LS, khiến động năng hạt mưa bẻ gãy cấu trúc đất mặt nhanh chóng. Đất feralit phát triển trên đá cát kết và phiến thạch sét có hệ số K biến thiên từ 0,18 đến 0,32, dễ bị tan rã khi gặp các đợt mưa lớn kéo dài.

Khi so sánh với các nghiên cứu xói mòn đất tại các địa phương lân cận như Hạ Long hay Cẩm Phả, mức độ gia tăng mất đất dưới tác động của biến đổi khí hậu tại Uông Bí hoàn toàn tương đồng về quy luật không gian. Mô hình USLE kết hợp GIS đã phản ánh trung thực mối tương quan giữa sự thay đổi hệ số mưa R và mức mở rộng diện tích xói mòn cấp nguy hiểm.

Toàn bộ dữ liệu nghiên cứu có thể được trực quan hóa hiệu quả thông qua hệ thống bản đồ phân vùng xói mòn 5 cấp độ (Rất nhẹ < 1, Nhẹ 1-5, Trung bình 5-10, Mạnh 10-50, Rất mạnh > 50 tấn/ha/năm) kết hợp với các bảng thống kê diện tích mất đất theo từng phường xã và biểu đồ cột so sánh biến động nguy cơ mất đất giữa hiện trạng và kịch bản 2016-2035.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả định lượng, tác giả đề xuất 4 nhóm giải pháp công trình và phi công trình cụ thể nhằm giảm thiểu xói mòn đất trong bối cảnh biến đổi khí hậu:

Trồng bổ sung và khoanh nuôi phục hồi rừng đầu nguồn: Tiến hành phủ xanh 1.500 hecta đất đồi núi trọc tại xã Thượng Yên Công và phường Vàng Danh nhằm nâng tỷ lệ che phủ rừng toàn thành phố từ 48% lên trên 55% trước năm 2030, hạ thấp hệ số C xuống dưới 0,03 do UBND thành phố Uông Bí và Chi cục Kiểm lâm chủ trì.

Cải tạo kỹ thuật và hoàn nguyên môi trường tại các khai trường than: Xây dựng hệ thống rãnh thoát nước bậc thang, kè rọ đá gia cố chân bãi thải và phủ thảm thực vật phục hồi sinh thái để giảm thiểu tối thiểu 40% lượng bùn cát trôi rửa trong giai đoạn 2025-2030, giao cho các đơn vị thuộc Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam phối hợp thực hiện.

Áp dụng mô hình canh tác nông lâm kết hợp bền vững trên đất dốc: Hướng dẫn hơn 1.200 hộ dân vùng đồi núi kỹ thuật trồng cây xen canh theo đường đồng mức, tạo băng cây cỏ chắn xói mòn Vetiver nhằm đưa hệ số P xuống khoảng 0,2 đến 0,4 trong giai đoạn 2026-2028 dưới sự điều phối của Phòng Kinh tế thành phố.

Tích hợp bản đồ số cảnh báo xói mòn vào quy hoạch không gian đô thị: Định kỳ cập nhật cơ sở dữ liệu GIS và bản đồ mất đất chu kỳ 2 năm một lần trong lộ trình 2025-2035, do Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Quảng Ninh quản lý nhằm kiểm soát cấp phép xây dựng tại các khu vực có nguy cơ sạt lở cao.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên, môi trường và quy hoạch đô thị: Khai thác trực tiếp cơ sở dữ liệu bản đồ số và các chỉ số định lượng để xây dựng kế hoạch hành động ứng phó biến đổi khí hậu, phê duyệt quy hoạch sử dụng đất và cấp phép các dự án hạ tầng.

Các doanh nghiệp khai thác khoáng sản và năng lượng: Tham khảo mô hình phân vùng rủi ro để thiết kế các công trình thoát nước moong than, tính toán giải pháp ổn định sườn bãi thải và xây dựng lộ trình hoàn nguyên môi trường đạt chuẩn.

Chuyên gia nghiên cứu, giảng viên và học viên cao học: Kế thừa quy trình công nghệ kết hợp mô hình USLE với công cụ viễn thám và GIS để mở rộng áp dụng cho các lưu vực sông ngòi ven biển khác tại Việt Nam.

Các tổ chức phát triển nông thôn và bảo tồn thiên nhiên: Ứng dụng bản đồ độ che phủ và phân vùng xói mòn để thiết kế các dự án tài trợ phát triển sinh kế lâm nghiệp bền vững cho cộng đồng dân cư địa phương.

Câu hỏi thường gặp

Mô hình USLE tích hợp GIS có độ tin cậy như thế nào khi áp dụng tại địa hình phức tạp như Uông Bí? Mô hình USLE kết hợp GIS đạt độ chính xác cao nhờ sử dụng mô hình số độ cao DEM 30 mét chiết xuất chuẩn xác hệ số LS và 43 điểm mẫu phân tích đất thực địa kiểm định hệ số K. Sai số tổng thể của mô hình so với quan sát thực nghiệm thực tế được kiểm soát ở mức dưới 15%.

Biến đổi khí hậu làm gia tăng tốc độ xói mòn đất tại địa phương theo cơ chế nào? Biến đổi khí hậu làm tăng lượng mưa năm và gia tăng các trận mưa cực đoan có cường độ cao, trực tiếp đẩy chỉ số xói mòn do mưa R tăng từ 8,2% đến 14,5%. Động năng hạt mưa lớn phá vỡ liên kết hạt đất nhanh hơn, tạo dòng chảy tràn bề mặt cuốn trôi lớp đất màu mỡ.

Công nghệ viễn thám đóng vai trò gì trong việc xác định các hệ số xói mòn đất? Công nghệ viễn thám cung cấp ảnh đa phổ để tính toán chỉ số NDVI, từ đó phân loại chính xác thảm thực vật và xác định giá trị hệ số che phủ C trên từng pixel không gian. Phương pháp này giảm hơn 70% thời gian khảo sát thực địa mà vẫn đảm bảo tính cập nhật liên tục.

Loại đất và khu vực nào tại thành phố Uông Bí chịu nguy cơ xói mòn cao nhất? Đất feralit đỏ vàng trên đá phiến sét và đất thoái hóa tại các bãi thải mỏ than thuộc phường Vàng Danh và xã Thượng Yên Công chịu nguy cơ xói mòn cao nhất, với lượng mất đất vượt ngưỡng 50 tấn/ha/năm tại các sườn dốc trên 25 độ không có thảm thực vật bảo vệ.

Biện pháp phi công trình nào mang lại hiệu quả giảm xói mòn cao nhất trong thực tiễn? Phục hồi rừng tự nhiên và nâng cao độ che phủ của thảm thực vật là giải pháp bền vững nhất. Việc duy trì tán rừng khép tán trên 70% giúp giảm hệ số C xuống dưới 0,01, ngăn chặn tới 85-90% năng lượng va đập của hạt mưa và giữ ổn định kết cấu tầng đất mặt.

Kết luận

  • Luận văn đã định lượng thành công hiện trạng xói mòn đất và mô phỏng chính xác nguy cơ mất đất theo kịch bản biến đổi khí hậu giai đoạn 2016-2035 cho thành phố Uông Bí.
  • Quy trình tích hợp mô hình USLE, công nghệ viễn thám và GIS chứng minh tính ưu việt trong việc xử lý dữ liệu không gian raster đa thời gian.
  • Nghiên cứu xác định sự gia tăng 8,2% đến 14,5% của hệ số mưa R dưới tác động của biến đổi khí hậu, làm mở rộng thêm gần 2.000 hecta đất có nguy cơ xói mòn mạnh.
  • Hệ thống cơ sở dữ liệu bản đồ số 5 cấp độ xói mòn cung cấp công cụ trực quan hỗ trợ đắc lực cho công tác quản lý tài nguyên và phòng chống thiên tai.
  • Đề xuất đồng bộ 4 nhóm giải pháp kỹ thuật, lâm nghiệp và quy hoạch có tính khả thi cao gắn liền với các mốc thời gian cụ thể đến năm 2030 và 2035.

Về định hướng tiếp theo trong giai đoạn 2025-2030, nghiên cứu khuyến nghị mở rộng tích hợp mô hình thủy văn SWAT để đánh giá chi tiết quá trình bồi lắng lòng hồ và cửa sông ven biển. Các cơ quan quản lý và nhà nghiên cứu quan tâm có thể khai thác, ứng dụng ngay bộ dữ liệu bản đồ số này để nâng cao hiệu quả bảo vệ tài nguyên đất đai trước thách thức của biến đổi khí hậu toàn cầu.