Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Cháy rừng là một trong những thảm họa thiên nhiên gây tổn thất nghiêm trọng về tài nguyên sinh thái, kinh tế và con người trên quy mô toàn cầu. Theo số liệu công bố từ IUCN, UNDP và WWF được tác giả trích dẫn, thế giới mất trung bình khoảng 15 triệu hecta rừng mỗi năm, trong đó diện tích thiệt hại do cháy rừng chiếm 23%. Điển hình là các thảm họa cháy rừng lịch sử tại bang Victoria (Úc) thiêu rụi hơn 350.000 ha rừng, làm hơn 100 người thiệt mạng và 500 người bị thương; hay đợt cháy rừng năm 2010 tại Nga thiêu hủy 199 điểm dân cư, 3.200 ngôi nhà, hơn 200.000 ha rừng và làm 62 người tử vong.

Tại Việt Nam, thống kê của Cục Kiểm lâm giai đoạn 2005 - 2008 ghi nhận 2.772 vụ cháy rừng trên cả nước, làm thiệt hại 15.675 ha rừng (gồm 4.059 ha rừng tự nhiên và 11.617 ha rừng trồng), trung bình mỗi năm mất khoảng 3.918 ha rừng. Đặc biệt, các hệ sinh thái rừng trồng như rừng thông rất dễ bắt lửa do lượng vật liệu cháy tích lũy dưới tán lớn. Trong cấu trúc tam giác lửa gồm vật liệu cháy, oxy (chiếm 21% cố định trong khí quyển) và nguồn nhiệt, việc kiểm soát hành vi đám cháy phụ thuộc vào đặc tính vật liệu và địa hình. Mặc dù vậy, các nghiên cứu định lượng về tác động của yếu tố địa hình, cụ thể là độ dốc, đến tốc độ lan tràn của đám cháy rừng ở điều kiện thực nghiệm tại Việt Nam còn rất hạn chế.

Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Hoàng Văn Thành (ngành Quản lý Tài nguyên Rừng và Môi trường, khóa 2013 - 2017, dưới sự hướng dẫn của GS.TS Vương Văn Quỳnh) thực hiện đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của độ dốc đến tốc độ lan tràn của đám cháy Rừng” nhằm giải quyết khoảng trống này.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu được xác định cụ thể:

  1. Xác định mức độ ảnh hưởng của nhân tố địa hình (độ dốc) tới tốc độ lan tràn của đám cháy khởi đầu và trong quá trình cháy lan tràn, làm cơ sở dự đoán, cảnh báo mức độ nguy hiểm của cháy rừng ở các hệ sinh thái có địa hình khác nhau.
  2. Điều tra đặc điểm vật liệu cháy dưới tán rừng thông tại khu vực nghiên cứu (thành phần, khối lượng, độ dày, kích thước lá).
  3. Quan trắc diễn biến các yếu tố khí tượng (nhiệt độ, độ ẩm không khí, tốc độ gió) trong thời gian đốt thử nghiệm.
  4. Đánh giá ảnh hưởng riêng rẽ và tổng hợp của các nhân tố môi trường đến chiều cao ngọn lửa và tốc độ lan tràn đám cháy.
  5. Đề xuất các giải pháp và thông số kỹ thuật phục vụ công tác phòng cháy, chữa cháy rừng (PCCCR).

Phạm vi nghiên cứu:

  • Không gian: Trung tâm nghiên cứu và phát triển Lâm nghiệp Sóc Sơn (huyện Sóc Sơn, Hà Nội) và phòng phân tích của Viện Sinh thái rừng và Môi trường.
  • Đối tượng: Thảm khô dưới tán rừng thông (Thông 3 lá Pinus kesiya và Thông 2 lá Pinus merkusii), tập trung vào các đám cháy nhỏ có tính chất khởi đầu trên mặt đất.
  • Thời gian: Khóa học 2013 - 2017, các đợt thực nghiệm đốt mẫu được thực hiện liên tục trong ngày từ sáng sớm đến cuối chiều nhằm ghi nhận sự biến thiên của các yếu tố khí tượng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết và tổng quan nghiên cứu

Khóa luận kế thừa lý thuyết tam giác lửa và cơ chế truyền nhiệt trong cháy rừng: trên sườn dốc, dòng đối lưu nhiệt hướng lên trên làm khô nhanh vật liệu phân bố phía trước ngọn lửa, khiến ngọn lửa kéo dài song song với mặt dốc (khi độ dốc $>25^\circ$) và làm tăng tốc độ cháy lan ngược dốc.

Tác giả đã tổng thuật các công trình nghiên cứu trên thế giới và trong nước:

  • Quốc tế: Nghiên cứu thảm mục của E. Show (1914, Mỹ); chỉ số dự báo cháy tổng hợp của V. Nesterov (Nga); mô hình tốc độ lan truyền của Traubaud (1979, Pháp) $V_p = 0.83 \times f(U_v, H, L_t, T_e)$; công thức cường độ cháy của Byram $I = H \cdot W \cdot R$; bảng tính đặc tính cháy trong rừng bạch đàn khô của JS Gould, WL McCaw, NP Cheney, PF Ellis, S Matthews (2007); mô phỏng FIRETEC của Linn et al. (2010); thí nghiệm đốt dốc trên dăm gỗ Aspen của Butler & Catchpole (2007); thực nghiệm của Saglam et al. (2007) tại Thổ Nhĩ Kỳ; nghiên cứu của Curry & Fons (1938, 1940), McArthur (1968), Murphy (1963), Weise (1993) và giáo trình Quản lý lửa rừng của PGS.TS Bế Minh Châu.
  • Trong nước: Phương pháp dự báo theo số ngày khô hạn liên tục của TS Phạm Ngọc Hưng (1986); giải pháp đốt trước vật liệu cháy ở rừng thông 3 lá Đà Lạt của Phan Thanh Ngọ; phân cấp nguy hiểm cháy rừng theo độ ẩm vật liệu của Bế Minh Châu; các giải pháp PCCCR tại U Minh và Tây Nguyên của GS.TS Vương Văn Quỳnh và cộng sự.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và thu thập số liệu

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa điều tra thực địa rừng thông, thực nghiệm mô hình vật lý và phân tích thống kê toán học:

  1. Điều tra đặc điểm thảm khô rừng thông: Lập 3 ô tiêu chuẩn (OTC) điển hình diện tích $30\text{m} \times 33.3\text{m}$ ($\approx 1000\text{m}^2$) tại rừng Thông 3 lá (25 và 35 tuổi) và Thông 2 lá (30 tuổi). Trong mỗi OTC, bố trí 4 ô dạng bản $5\text{m} \times 5\text{m}$; tại 4 góc và tâm mỗi ô dạng bản lập 5 ô dạng bản phụ $1\text{m}^2$. Vật liệu kích thước $<1.5\text{cm}$ được thu thập tại ô $1\text{m}^2$, vật liệu $>1.5\text{cm}$ thu tại ô $5\text{m} \times 5\text{m}$. Đo chiều dài lá thông (10 chùm lá ngẫu nhiên/OTC) và đường kính lá thông (đo bề rộng cụm 30 lá ghép sát).
  2. Quan trắc khí tượng: Sử dụng máy khí tượng đa chỉ tiêu đo nhiệt độ không khí ($T_{kk}$), độ ẩm không khí ($W_{kk}$) và tốc độ gió ($V_g$) tại từng thời điểm đốt thử nghiệm.
  3. Xác định độ ẩm vật liệu cháy: Lấy mẫu $200 - 300\text{g}$ lá thông đựng trong túi polyethylene 2 lớp, chuyển về Viện Sinh thái rừng và Môi trường sấy khô ở $105^\circ\text{C}$ để xác định độ ẩm tương đối ($W_a$) và tuyệt đối ($W_0$): $$W_a = \frac{m_1 - m_0}{m_1} \times 100% \quad ; \quad W_0 = \frac{m_1 - m_0}{m_0} \times 100%$$ (với $m_1$ là khối lượng ẩm, $m_0$ là khối lượng khô kiệt).
  4. Thiết kế mô hình đốt thực nghiệm:
    • Sử dụng ô đốt thử nghiệm diện tích $8\text{m}^2$ ($2\text{m} \times 4\text{m}$) chế tạo bằng tôn lá, bề mặt trải lưới thép mắt $2\text{cm}$ chống trượt vật liệu khi nâng dốc.
    • Bố trí 28 ô đốt thử nghiệm với 7 cấp độ dốc ($5^\circ, 10^\circ, 15^\circ, 20^\circ, 25^\circ, 30^\circ, 35^\circ$) điều chỉnh bằng cọc sắt nâng một đầu, kết hợp 4 mức tải lượng vật liệu cháy rải đều ($4\text{kg}, 8\text{kg}, 12\text{kg}, 16\text{kg}$ tương ứng $5, 10, 15, 20\text{ tấn/ha}$).
    • Đốt thử bằng mồi xăng rải đều mép dưới để ngọn lửa bén đồng đều toàn tuyến và lan ngược dốc lên trên.
  5. Đo đạc vi trắc và xử lý thống kê:
    • Chiều cao ngọn lửa ($H_{lua}$) đo qua 2 thước nhôm đặt dọc mép ô, chụp ảnh vi trắc tối thiểu 4 lần/lần đốt (bắt đầu, gần giữa, quá giữa, cuối ô) và tính giá trị bình quân.
    • Tốc độ lan tràn ($V_c$) tính bằng khoảng cách dịch chuyển của mép lửa trên ảnh chia cho khoảng thời gian ghi nhận qua ảnh chụp đồng hồ đếm giây.
    • Phân tích tương quan đơn biến và hồi quy đa biến trên phần mềm Excel, kiểm định mô hình qua hệ số tương quan $R$, giá trị $R^2$, mức ý nghĩa Significance $F$ và $P\text{-value} < 0.05$.

Nội dung chính theo từng phần của khóa luận

Phần I: Lược sử vấn đề nghiên cứu

Tổng hợp toàn diện các thành tựu lý thuyết và thực nghiệm về dự báo cháy rừng, phân tích cơ chế bắt cháy của thảm mục, ảnh hưởng của điều kiện khí tượng và địa hình tại Hoa Kỳ, Nga, Pháp, Úc, Thổ Nhĩ Kỳ. Đồng thời, đánh giá các công trình nghiên cứu về chỉ số khô hạn và độ ẩm vật liệu cháy tại Việt Nam, chỉ ra tính cấp thiết của việc nghiên cứu định lượng ảnh hưởng của độ dốc mặt đất đến tốc độ lan tràn của đám cháy.

Phần II: Mục tiêu - Nội dung - Phương pháp nghiên cứu

Trình bày chi tiết hệ thống mục tiêu, 4 nội dung nghiên cứu trọng tâm, cơ sở phương pháp luận tam giác lửa, quy trình bố trí ô tiêu chuẩn ngoài thực địa, thiết kế mô hình khay tôn $2\text{m} \times 4\text{m}$ có lưới thép, phương pháp đo vi trắc quang học chiều cao lửa và vận tốc cháy, cùng quy trình phân tích tương quan đơn biến và hồi quy đa biến trên máy tính.

Phần III: Kết quả nghiên cứu và nhận xét kết quả

Trình bày toàn bộ số liệu thực nghiệm và thảo luận kết quả:

  • Thành phần, cấu trúc và kích thước thảm khô rừng thông qua 3 OTC điển hình.
  • Diễn biến các thông số khí tượng trong ngày thực nghiệm đốt.
  • Phân tích tương quan đơn biến giữa chiều cao ngọn lửa ($H_{lua}$) và tốc độ lan tràn ($V_c$) với từng nhân tố: khối lượng vật liệu ($M_{vl}$), độ ẩm vật liệu ($W$), tốc độ gió ($V_g$), nhiệt độ không khí ($T_{kk}$), độ ẩm không khí ($W_{kk}$) và độ dốc ($\alpha$).
  • Xây dựng mô hình tương quan đa biến và thiết lập các bảng tra định mức kỹ thuật phục vụ PCCCR.

Phần IV: Kết luận - Tồn tại - Kiến nghị

Tóm lược các phát hiện cốt lõi từ thực nghiệm, nêu rõ những hạn chế kỹ thuật do quy mô mô hình đám cháy khởi đầu nhỏ và đề xuất các định hướng nghiên cứu tiếp theo cũng như khuyến nghị áp dụng cho các đơn vị quản lý rừng.

Kết quả và đóng góp

1. Đặc điểm vật liệu cháy dưới tán rừng thông

Kết quả điều tra tại 3 ô tiêu chuẩn rừng thông cho thấy khối lượng thảm khô dao động từ $6.700$ đến $7.390\text{ kg/ha}$ (ở những khu vực người dân thu gom lá hoặc cháy định kỳ, khối lượng biến động từ $5.000$ đến $20.000\text{ kg/ha}$). Lá thông là thành phần chiếm ưu thế tuyệt đối quyết định đặc tính cháy.

Thành phần thảm khô Khối lượng (kg/ha) Tỷ lệ trong thảm khô (%) Đặc điểm hình thái / Kích thước
Lá thông $6.240 - 6.860$ $92 - 94%$ (TB: $93%$) Dài $16 - 27\text{ cm}$ (TB: $18.x\text{ cm}$), đường kính cụm 30 lá $\approx 3.10\text{ cm}$, lớp cutin dày
Cành thông $320 - 380$ $4 - 5%$ Cành tỉa tự nhiên và cành gãy do gió, kích thước $<1.5\text{ cm}$ chiếm đa số
Quả thông $100 - 120$ $\approx 1.6%$ Kích thước $7 - 15\text{ cm}$, hóa gỗ, khó phân hủy
Vỏ thông $20 - 30$ $< 1%$ Lớp bần bong tróc, diện tích vài $\text{cm}^2$ đến hàng chục $\text{cm}^2$

2. Tác động của các nhân tố đến đặc tính đám cháy

Trong các lần đốt thực nghiệm, chiều cao ngọn lửa ($H_{lua}$) dao động từ $0.53\text{ m}$ đến $1.71\text{ m}$ (trung bình $0.71\text{ m}$), tốc độ lan tràn đám cháy ($V_c$) dao động từ $0.027\text{ m/s}$ đến $0.116\text{ m/s}$.

Các mối liên hệ đơn biến được xác định qua thực nghiệm:

  • Tốc độ gió ($V_g$): Chiều cao ngọn lửa giảm tuyến tính khi tốc độ gió tăng do ngọn lửa bị tạt nghiêng theo chiều gió ($y = -0.1009x + 0.8281, R^2 = 0.1025$). Ngược lại, tốc độ lan tràn tăng thuận theo tốc độ gió ($y = 0.0046x + 0.0338, R^2 = 0.0289$) do gió đẩy bức xạ nhiệt làm khô thảm lá phía trước.
  • Nhiệt độ không khí ($T_{kk}$): Chiều cao ngọn lửa tăng tuyến tính theo nhiệt độ không khí ($y = 0.0237x + 0.3696, R^2 = 0.3699$) do nhiệt độ cao thúc đẩy bốc hơi nước và gia tăng cường độ cháy. Vận tốc đám cháy thể hiện xu hướng giảm nhẹ đơn biến ($y = -0.0003x + 0.0428, R^2 = 0.0064$).
  • Độ ẩm không khí ($W_{kk}$): Chiều cao ngọn lửa giảm theo hàm logarit với độ ẩm không khí ($y = -1.178\ln(x) + 5.8326, R^2 = 0.1538$). Tương quan đơn biến với vận tốc cháy rất nhỏ ($y = 0.0002x + 0.0266, R^2 = 0.0024$).
  • Khối lượng vật liệu cháy ($M_{vl}$): Chiều cao ngọn lửa tăng theo dạng hàm mũ với khối lượng vật liệu ($R$ tương đối chặt). Vận tốc đám cháy có xu hướng giảm nhẹ khi lượng vật liệu quá dày do thiếu hụt oxy cục bộ ở lớp đáy.
  • Độ ẩm vật liệu cháy ($W$): Chiều cao ngọn lửa giảm tỷ lệ nghịch với độ ẩm vật liệu. Độ ẩm cao làm giảm tốc độ lan tràn do tiêu hao nhiệt năng vào quá trình bốc hơi nước.

3. Đề xuất giải pháp và đóng góp kỹ thuật cho PCCCR

Dựa trên kết quả thực nghiệm mô hình đa biến, tác giả đã xây dựng hệ thống bảng tra định mức ứng dụng trong chỉ huy chữa cháy rừng thông:

  • Xác định khoảng cách tiếp cận chữa cháy an toàn của con người theo chiều cao ngọn lửa tối đa tương ứng với từng cấp độ dốc và khối lượng vật liệu.
  • Phân loại phương thức chữa cháy: chữa cháy thủ công trực diện khi ngọn lửa thấp; sử dụng thiết bị cơ giới/bán cơ giới, tiếp cận hai bên sườn, làm băng cản lửa tạm thời hoặc đốt ngược đón đầu khi độ dốc cao và khối lượng vật liệu lớn khiến ngọn lửa bùng cao.
  • Thiết lập bảng tra tốc độ lan tràn tối đa, dự báo chu vi đám cháy theo thời gian và tính toán số lượng nhân lực cần thiết tối đa cho công tác dập lửa mặt đất dưới rừng thông.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận chỉ ra một số tồn tại xuất phát từ điều kiện thực nghiệm:

  • Quy mô thí nghiệm giới hạn ở các ô đốt $8\text{m}^2$ ($2\text{m} \times 4\text{m}$) mô phỏng đám cháy mặt đất giai đoạn khởi đầu, chưa phản ánh đầy đủ tác động tương hỗ phức tạp của các đám cháy lớn ngoài thực địa (hiệu ứng gió cục bộ do đám cháy tạo ra, cháy lan tầng tán).
  • Đối tượng thực nghiệm mới chỉ tập trung vào thảm khô rừng thông (Thông 3 lá và Thông 2 lá), chưa mở rộng trên các dạng vật liệu cháy của các hệ sinh thái rừng khác như rừng khộp, rừng tràm hay rừng hỗn giao tre nứa.
  • Thời gian thực nghiệm gói gọn trong các đợt quan trắc cụ thể, chịu ảnh hưởng của các nhiễu động thời tiết trong ngày đốt.

Hướng nghiên cứu tiếp theo bao gồm: mở rộng kiểm chứng thực nghiệm trên nhiều trạng thái rừng khác nhau, tăng kích thước ô đốt mô hình và hoàn thiện phần mềm tính toán dự báo tự động tốc độ lan tràn đám cháy kết hợp bản đồ số độ dốc địa hình.

Giá trị tham khảo

Công trình là tài liệu chuyên khảo thực nghiệm có giá trị đối với:

  • Sinh viên, học viên cao học và giảng viên các ngành Quản lý Tài nguyên Rừng, Lâm học, Khoa học Môi trường và Phòng cháy Chữa cháy.
  • Cán bộ kỹ thuật tại các Chi cục Kiểm lâm, Ban quản lý rừng phòng hộ, rừng đặc dụng ở vùng đồi núi có địa hình dốc.
  • Phương pháp thiết kế ô đốt thực nghiệm bằng tôn có lưới thép điều chỉnh độ dốc và kỹ thuật vi trắc quang học đo chiều cao ngọn lửa là quy trình chuẩn có thể tái lập trong các nghiên cứu lâm nghiệp thực nghiệm.

Câu hỏi thường gặp

1. Khóa luận sử dụng mô hình thiết bị nào để mô phỏng sự thay đổi của độ dốc khi đốt thử nghiệm?

Tác giả thiết kế ô đốt thử nghiệm diện tích $8\text{m}^2$ ($2\text{m} \times 4\text{m}$) chế tạo từ các tấm tôn lá phẳng, bên trên bề mặt có trải lưới thép mắt $2\text{cm}$ để giữ cố định lớp lá thông không bị trôi trượt khi tăng độ dốc. Một đầu ô đốt được đặt cố định sát mặt đất tỳ vào 2 cọc sắt, đầu còn lại được nâng cao bằng hệ thống cọc sắt theo bảng tra chiều cao thiết kế để đạt chính xác 7 cấp độ dốc từ $5^\circ, 10^\circ, 15^\circ, 20^\circ, 25^\circ, 30^\circ$ đến $35^\circ$.

2. Tỷ lệ các thành phần trong thảm khô dưới rừng thông tại khu vực nghiên cứu được xác định như thế nào?

Qua điều tra tại 3 ô tiêu chuẩn điển hình, lá thông chiếm tỷ lệ cao nhất và là nguồn nhiên liệu chính với $92 - 94%$ (trung bình $93%$), cành thông rụng chiếm khoảng $4 - 5%$, quả thông chiếm khoảng $1.6%$, và vỏ thông chiếm tỷ lệ thấp nhất dưới $1%$.

3. Tốc độ gió ảnh hưởng như thế nào đến chiều cao ngọn lửa và tốc độ lan tràn đám cháy trong các lần đốt thử?

Số liệu thực nghiệm cho thấy tốc độ gió có mối tương quan nghịch với chiều cao ngọn lửa theo phương trình tuyến tính $y = -0.1009x + 0.8281$ ($R^2 = 0.1025$), do gió mạnh làm ngọn lửa bị bạt nghiêng sát mặt đất. Ngược lại, tốc độ gió tương quan thuận với tốc độ lan tràn đám cháy theo phương trình $y = 0.0046x + 0.0338$ ($R^2 = 0.0289$), do luồng gió đẩy ngọn lửa nghiêng về phía trước, tăng cường truyền nhiệt đối lưu và bức xạ làm khô nhanh vật liệu trước khi bén lửa.

4. Tác giả đã đo đạc chiều cao ngọn lửa và tốc độ lan tràn đám cháy bằng phương pháp gì?

Chiều cao ngọn lửa được đo thông qua 2 thước nhôm chuẩn dựng hai bên sườn ô đốt; mỗi lần đốt tiến hành chụp ảnh vi trắc tối thiểu 4 thời điểm (bắt đầu bén lửa, ngọn lửa lan gần giữa, quá giữa và cuối ô), sau đó đo đạc chiều cao ngọn lửa trên máy tính rồi tính trung bình. Tốc độ lan tràn được xác định bằng cách đo khoảng cách mép ngọn lửa di chuyển trên ảnh chia cho khoảng thời gian giữa các lần chụp ghi nhận bằng ảnh chụp đồng hồ đếm giây.

5. Vì sao tác giả cần kết hợp phân tích tương quan đơn biến và phân tích hồi quy đa biến?

Trong thực tế, các yếu tố môi trường (độ dốc, khối lượng vật liệu, độ ẩm vật liệu, nhiệt độ, độ ẩm không khí, tốc độ gió) tác động đồng thời lên đám cháy. Phân tích đơn biến giúp nhận diện dạng hàm phân bố (tuyến tính, mũ, logarit) để thực hiện đổi biến thích hợp cho từng đại lượng. Sau đó, phân tích hồi quy đa biến cho phép xác định chính xác phương trình tương quan tổng hợp, kiểm soát hiện tượng nhiễu và đánh giá độ tin cậy của mô hình qua mức ý nghĩa Significance $F$ và $P\text{-value} < 0.05$.

Kết luận

Khóa luận của tác giả Hoàng Văn Thành đã giải quyết bài toán định lượng về ảnh hưởng của độ dốc địa hình và các yếu tố khí tượng đến đặc tính lan tràn của đám cháy mặt đất dưới tán rừng thông tại Sóc Sơn, Hà Nội. Bằng phương pháp thực nghiệm 28 ô đốt mô hình tiêu chuẩn kết hợp phân tích vi trắc quang học và xử lý thống kê đa biến, công trình đã xác lập các mối quan hệ định lượng giữa độ dốc, tải lượng vật liệu cháy và tốc độ lan tràn ngọn lửa. Các kết quả và bảng tra kỹ thuật được xây dựng là cơ sở thực tiễn quan trọng phục vụ công tác dự báo cháy rừng, tính toán định mức nhân lực và lựa chọn chiến thuật dập lửa hiệu quả trong công tác phòng cháy, chữa cháy rừng.