Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Trên thế giới 1. Nghiên cứu ảnh hưởng của rừng tới dòng chảy 1. Quan điểm về khả năng giữ nước của rừng Vai trò giữ nước của rừng được hiểu là khả năng lưu giữ và tích luỹ nước ở bất kỳ dạng nào - làm tăng lượng nước trong đất, giảm bốc thoát hơi nước, tăng mực nước ngầm, giảm dòng chảy bề mặt, hạn chế xói mòn đất, qua đó làm tăng và ổn định dòng chảy sông suối, cũng như làm sạch nước (Mon-tra- nop, 1960, 1973 - dẫn theo Vương Văn Quỳnh, 1999 [29]).
Khả năng giữ nước của rừng có thể được phản ánh thông qua các tiêu chí như giảm tỷ lệ dòng chảy mặt, tăng lượng nước ngầm, giảm cường độ và tần xuất xuất hiện lũ trên các sông suối, ổn định dòng chảy giữa các mùa trong năm. Tuy nhiên khả năng giữ nước của rừng có giới hạn, nó phụ thuộc nhiều vào đặc điểm cấu trúc rừng và đặc điểm của đất rừng như (độ xốp, cấu tượng đất, tốc độ thấm nước, hàm lượng mùn, độ dày tầng đất). Những đặc điểm về cấu trúc lớp phủ thực vật, đất và địa hình quyết định dung tích chứa nước của rừng và đất rừng (Vu Chí Dân và Vương Lễ Tiên, 2001 [2]). Phương pháp nghiên cứu Theo Thomas Dunne (1992), Menachem Agassi (1996), C.Agus và cộng sự (1998) [51], có hai phương pháp cơ bản để nghiên cứu khả năng giữ nước của rừng: Một là, nghiên cứu lưu vực: Khả năng giữ nước của rừng được đánh giá thông qua theo dõi sự thay đổi lưu lượng nước hoặc biến đổi tốc độ dòng chảy của sông suối trước và sau khi mưa, hoặc giữa mùa mưa và mùa khô, và lượng vật chất xói mòn được vận chuyển tại đầu ra của lưu vực.
Với phương pháp này người ta chỉ có thể thấy được tác động tổng hợp của các c 4 trạng thái rừng mà không định lượng được khẳ năng giữ nước của từng trại thái riêng biệt. Hai là, nghiên cứu quá trình thuỷ văn trên sườn dốc: Nghiên cứu này được thực hiện bằng cách bố trí các ô mẫu nghiên cứu và tiến hành đo đạc chi tiết trên các ô đó nhiều lần. Phương pháp này cho kết quả nghiên cứu chính xác hơn, đặc biệt là ảnh hưởng của từng kiểu rừng đến quá trình thủy văn rừng như: lượng nước được giữ lại trên tán, tỷ lệ dòng chảy mặt, tỷ lệ dòng chảy ngầm, sói mòn đất…. Tuy nhiên phương pháp này đòi hỏi phải có sự đầu tư lớn và phức tạp hơn phương pháp đầu.
Đặc điểm thuỷ văn rừng được biểu hiện thông qua vòng tuần hoàn nước hay tuần hoàn thuỷ văn. Quá trình tuần hoàn thuỷ văn rừng là một quá trình bắt đầu từ khi nước mưa đi vào hệ sinh thái rừng, đến quá trình nước thấm xuống đất, hình thành dòng chảy mặt và dòng chảy ngầm, hình thành dòng chảy sông suối, bốc hơi nước vật lý và sinh lý và trở về khí quyển. Nghiên cứu thủy văn rừng cần xem xét một cách tổng hợp của nhiều yếu tố như: Chế độ khí hậu, thời tiết, độ dốc, độ cao của lưu vực, hình dạng của lưu vực, đặc điểm đất và đặc điểm lớp thảm thực vật của lưu vực đó (Phạm Văn Điển, 2006 [10]). Những kết quả nghiên cứu điển hình Nghiên cứu về thủy văn rừng trên thế giới đã thu được những thành quả quan trọng, các nghiên cứu đi từ định tính đến định lượng đặc biệt là đã một phần định lượng được các thành phần cân bằng nước trong hệ sinh thái rừng và xác định, dự báo xói mòn đất.
Có thể kể ra một vài công trình nghiên cứu điển hình sau: a. Lượng nước mưa giữ lại trên tán rừng Lượng nước mưa giữ lại trên tán là một trong những chỉ tiêu quan trọng phản ánh khả năng giữ nước của rừng. Lượng nước mưa được giữ lại trên tán càng nhiều có thể tạo điều kiện để cho nước ngấm vào đất càng lớn, do đó c 5 làm giảm tỷ lệ dòng chảy mặt, giảm nguy cơ sói mòn đất, đặc biệt là trên các vùng đất dốc. Theo Bruijnzeel (1990b) [46], nhiều công trình nghiên cứu về lượng nước chảy men thân trên thế giới đều cho kết quả từ 1 - 3% so với tổng lượng mưa.
Các công trình nghiên cứu khả năng giữ nước của tán rừng lá kim ôn đới cho kết quả lượng nước mưa được giữ lại trên tán giao động từ 20 - 40% tổng lượng nước mưa (Gash và cộng sự, 1980; Rutter và cộng sự, 1971; Teklehaimanot, 1991 - dẫn theo Vương Lễ Tiên và cộng sự, 1991 [34]). Tại Trung Quốc nghiên cứu khả năng ngăn giữu nước mưa của tán rừng ở các đới khí hậu khác nhau cho kết quả tán rừng có thể ngăn giữ 11,4 - 34,3% tổng lượng nước mưa, hệ số biến động 6,68 - 55,05%. Trong đó tỷ lệ nước mưa đươ ̣c giữ lại trên tán của rừng lá kim thường xanh á nhiệt đới, trên núi cao ở miền Tây là lớn nhất, rừng hỗn giao cây lá rộng thường xanh với cây lá rộng rụng lá á nhiệt đới, miền núi là nhỏ nhất (Vu Chí Dân - Christoph Peisert - Dư Tân Hiểu (2001) [1]. Các kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, lượng nước được giữ lại trên tán rừng tùy thuộc vào lượng mưa, cường độ mưa, đặc điểm cấu trúc rừng.
Hiện nay việc mô phỏng lượng nước mưa bị giữ lại trên tán rừng, người ta thường sử dụng mô hình Rutter và mô hình giải tích Gash. Tỷ lệ phần trăm của lượng nước mưa lọt tán so với tổng lượng mưa của các loại rừng thường đạt từ 75% trở lên và tỷ lê ̣ này phụ thuộc vào cấu trúc tán lá, chỉ số diện tích lá, đặc điểm mưa và nhân tố gió; Năng lượng của lượng nước mưa lọt tán ở rừng cây gỗ một tầng thường lớn hơn năng lượng của mưa ngoài nơi trống. Lượng nước hút giữ bởi vật rơi rụng trong rừng Lớp thảm mục có một ý nghĩa to lớn đối với đời sống của các sinh vật rừng và quá trình thủy văn rừng. Lớp thảm mục không chỉ có tác dụng thấm nước, là lớp ma sát ngăn cản dòng chảy, mà khi chúng phân hủy sẽ tạo cho đất rừng tơi xốp hơn, do vậy làm tăng dung tích chứa nước của đất.
Kết quả nghiên cứu ở vùng hồ Mật Vân - Trung Quốc ghi nhận rằng, khối lượng nước lưu giữ trong lớp thảm mục có thể đạt tới 2 - 4 lần khối lượng khô của bản thân nó, tỷ lệ khối lượng nước được giữ lại trong lớp thảm mục tối đa bình quân là 309,54% (Vu Chí Dân & Vương Lễ Tiên, 2001) [2]. Những nghiên cứu về lượng nước hút giữ của lớp thảm mục trong rừng trồng phòng hộ trên cao nguyên Hoàng Thổ của Trương Hồng Giang (1989) [11], cho thấy rằng, tỷ lệ này hơn 191%. Lượng nước chảy trên bề mặt đất và nước ngầm Nhìn chung, đất rừng tự nhiên có khả năng thấm nước rất cao và ít khi xuất hiện dòng chảy bề mặt (Douglass, 1977 [49]). Tuy nhiên, khi rừng bị chặt hạ và trở nên thưa thớt và độ dốc mặt đất lớn, có thể tạo ra dòng chảy mặt.
Nói chung, đất rừng có tốc độ thấm nước lớn hơn so với các loại hình sử dụng đất khác, tốc độ thấm nước ổn định của đất rừng có thể đạt 80 mm/giờ trở lên (Dunne, 1978) [50]. Kết quả nghiên cứu của Trần Huệ Tuyền (1994) [41] cho thấy, đất rừng có độ hổng ngoài mao quản lớn, thì tốc độ thấm nước và lượng nước thấm của đất rừng sẽ tăng lên. Theo kết quả nghiên cứu, mỗi hecta đất rừng có thể tích giữ được lượng nước 641 - 679 tấn/năm (Vu Chí Dân và Vương Lễ Tiên, 2001) [2]. Những kết quả nghiên cứu thủy văn và nghiên cứu môi trường sử dụng chất đồng vị phóng xạ cho thấy, trong một số trường hợp, dòng chảy mạch nước ngầm chính là nguồn gốc chủ yếu của lũ lưu vực; Quá trình lũ chủ yếu c 7 là do “nước cũ” (Old water) bị "nước mới" thay thế đẩy ra ngoài tạo nên (Skash và cộng sự, 1986, dẫn theo Phạm Văn Điển, 2006 [10]).
Nghiên cứu ảnh hưởng của đặc điểm lưu vực đến dòng chảy Đặc điểm của lưu vực như kích thước, độ dốc, hình dạng, lớp thảm thực vật và chế độ khí hậu (lượng mưa, thời gian mưa và mùa mưa) là những nhân tố rất quan trọng ảnh hưởng đến đặc điểm của dòng chảy trên mỗi lưu vực như sản lượng nước của lưu vực, đỉnh lũ, độ muộn lũ. Lĩnh vực nghiên cứu này đã được tiến hành rộng dãi trên thế giới để phát hiện ra mối liên hệ giữa đặc điểm dòng chảy với đặc điểm của lưu vực (Hewlett và cộng sự, 1984, 1977 [55] và [54]). Có rất nhiều yếu tố của lưu vực mà khi thay đổi sẽ làm thay đổi đặc điểm dòng chảy. Nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước lưu vực đến quá trình thủy văn đã được thực hiện bởi Pilgrim và cộng sự (1982) [64].
Nhóm tác giả này đã kết luận rằng “kích thước của lưu vực có thể ảnh hưởng rõ rệt không chỉ đến đặc điểm của dòng chảy trung bình mà còn ảnh hưởng đến biến động dòng chảy. Khi kích thước lưu vực nhỏ, mức độ thay đổi của dòng chảy sông suối phụ thuộc rõ rệt vào lượng mưa và sự biến thiên của dòng lũ có xu hướng tăng lên khi lượng mưa tăng và ngược lại”. Tại Quebec, Lajoie và cộng sự (2007) [59] đã phân tích đặc điểm dòng chảy theo từng tháng giữa các dòng sông tự nhiên, các dòng sông có kiểm soát và kết luận rằng kích thước của lưu vực có mức độ ảnh hưởng toàn bộ đến sự thay đổi của quá trình thủy văn và mức độ thay đổi theo mùa của dòng chảy. Với hình dạng lưu vực, Tabios và cộng sự (1988) [60] đã phát hiện ra rằng ở những lưu vực có hình dạng dài ảnh hưởng rõ rệt đến sự biến đổi của dòng chảy hơn là các lưu vực hình tròn.
Sự trì hoãn dòng chảy ở những lưu vực tập trung (hình tròn) có hiệu quả hơn các lưu vực có hình dạng dài (Goff và cộng sự, 2006 [53]). c 8 Ảnh hưởng của rừng đối với dòng chảy trên các lưu vực: Sau khi xem sét các tài liệu trên thế giới về rừng và mối quan hệ dòng chảy, Sun và cộng sự (2007) [68] đã chỉ ra rằng tăng diện tích rừng có khả năng làm giảm sản lượng nước và tốc độ dòng lũ. Bằng cách tổng kết kết quả nghiên cứu của một số tác giả khác (Trendle and King, 1985; Fritsch, 1990; Robinson và cộng sụ, 1991; Hornbeck và cộng sự,1997 – dẫn theo Trần Quang Bảo, 2006 [43]), Andreassian (2004) [42] kết luận rằng sự mất rừng thường làm tăng tần xuất lũ và đỉnh lũ.