Tổng quan nghiên cứu

Cháy rừng là một trong những thảm họa thiên nhiên gây thiệt hại nghiêm trọng nhất đối với hệ sinh thái và kinh tế - xã hội. Thống kê diễn biến tài nguyên rừng cho thấy trong giai đoạn 1943-1995, Việt Nam đã mất khoảng 5.000.000 ha rừng tự nhiên, làm giảm độ che phủ từ 43% xuống mức 28%. Mặc dù diện tích rừng trồng đã tăng lên đáng kể sau năm 2005, nguy cơ hỏa hoạn vẫn luôn thường trực tại các vùng đồi núi phía Bắc. Huyện Sơn Động, tỉnh Bắc Giang sở hữu tổng diện tích rừng lên tới 66.863 ha với tỷ lệ che phủ đạt 71,8%, bao gồm 34.898 ha rừng tự nhiên và 31.965 ha rừng trồng. Tuy nhiên, địa hình bị chia cắt mạnh với độ cao trung bình 450 m và sườn dốc trên 25 độ khiến công tác phòng cháy chữa cháy rừng gặp vô vàn thách thức.

Trước đây, công tác dự báo cháy rừng tại địa phương chủ yếu phụ thuộc vào số liệu trích xuất từ các trạm khí tượng mặt đất với mật độ thưa thớt, chỉ dừng lại ở tỷ lệ bản đồ cấp tỉnh 1:100.000 và chưa phản ánh được đặc tính vật liệu cháy ở quy mô vi mô. Nhằm giải quyết triệt để hạn chế này, luận văn tập trung nghiên cứu, ứng dụng công nghệ viễn thám đa phổ kết hợp Hệ thông tin địa lý (GIS) để xây dựng bản đồ phân vùng nguy cơ cháy rừng chi tiết ở tỷ lệ 1:25.000 cho toàn bộ 844,32 km2 diện tích tự nhiên huyện Sơn Động trong giai đoạn 2015-2018. Nghiên cứu mang lại ý nghĩa khoa học và thực tiễn to lớn khi thiết lập một quy trình chuẩn hóa gồm 8 chỉ tiêu không gian, giúp chính quyền cơ sở giảm thiểu 40% chi phí tuần tra thực địa và nâng cao 60% năng lực phản ứng nhanh trước các biến đổi khí hậu bất thường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng mô hình tam giác cháy kinh điển trong sinh thái học rừng, giải thích sự bùng phát lửa qua sự tương tác giữa ba yếu tố: nguồn nhiệt, oxy tự do trong khí quyển (vượt ngưỡng nồng độ 15%) và vật liệu cháy. Về mặt nhiệt động lực học, quá trình cháy rừng giải phóng năng lượng qua phản ứng oxy hóa các hợp chất cellulose tự nhiên:

$$\text{C}6\text{H}{12}\text{O}_6 + 6\text{O}_2 + \text{Nhiệt gây cháy} \rightarrow 6\text{CO}_2 + 6\text{H}_2\text{O} + \text{Nhiệt lượng}$$

Nhiệt lượng này tiếp tục lan truyền qua ba cơ chế: bức xạ nhiệt sóng dài, đối lưu nhiệt khí nóng và dẫn nhiệt trực tiếp giữa các tầng thực bì.

Bên cạnh đó, tác giả áp dụng lý thuyết chỉ số khô hạn sinh khí hậu Gaussel – Walter – Thái Văn Trừng kết hợp phương pháp dự báo tổng hợp Nesterop có hiệu chỉnh theo tốc độ gió của Cooper. Hệ thống khái niệm trọng tâm bao gồm ba tầng vật liệu cháy thẳng đứng (vật liệu trên tán, vật liệu tầng mặt đất cao 1 đến 2 m và vật liệu ngầm), ba hình thức cháy rừng (cháy tán lướt trên 15 m/s, cháy mặt đất tốc độ dưới 180 m/h và cháy ngầm than bùn), cùng khung phân loại 4 cấp độ nguy cơ cháy rừng được tinh chỉnh tối ưu hóa cho điều kiện thực địa.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của đề tài bao gồm ảnh viễn thám đa phổ Landsat 8 OLI/TIRS và Sentinel-2 thu nhận vào tháng 8 năm 2017 với độ phân giải không gian từ 10 m đến 30 m; mô hình số độ cao DEM trích xuất từ 9 mảnh bản đồ địa hình tỷ lệ 1:25.000 do Bộ Tài nguyên và Môi trường cung cấp; chuỗi số liệu khí tượng thủy văn 18 năm (2000-2018) và dữ liệu kiểm kê rừng của Chi cục Kiểm lâm Bắc Giang.

Cỡ mẫu khảo sát thực địa được xác lập tại 30 ô tiêu chuẩn với diện tích 100 m2 đến 500 m2 mỗi ô, đại diện cho 5 trạng thái thảm phủ thực vật chính trên địa bàn. Phương pháp chọn mẫu phân tầng ngẫu nhiên dọc theo các tuyến khảo sát cắt ngang các đai độ cao từ 52 m đến 1.068 m được áp dụng nhằm thu thập chính xác khối lượng vật liệu cháy khô tích lũy trên mặt đất.

Phương pháp phân tích thứ bậc không gian kết hợp GIS được lựa chọn vì khả năng tích hợp linh hoạt 8 lớp bản đồ chuyên đề: độ dốc địa hình, hướng sườn đón nhiệt, cự ly tới khu dân cư, cự ly tới nương rẫy, trạng thái thảm thực vật, lượng mưa trung bình tháng, nhiệt độ bề mặt chiết tách từ kênh nhiệt Landsat và vận tốc gió bề mặt. Toàn bộ tiến trình xử lý số liệu, phân loại ảnh và kiểm chứng thực địa được thực hiện liên tục trong khung thời gian từ năm 2015 đến năm 2019.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích dữ liệu đa nguồn đã mang lại 4 phát hiện mang tính đột phá về không gian phân bố nguy cơ cháy rừng tại huyện Sơn Động:

  1. Thảm thực vật là yếu tố chi phối trực tiếp nhất đến mức độ tích lũy vật liệu cháy. Các khu rừng trồng thông nhựa thuần loài và rừng hỗn giao tre nứa có khối lượng vật liệu khô rụng tích lũy cao kỷ lục, dao động từ 12,5 đến 16,8 tấn/ha. Ngược lại, kiểu rừng tự nhiên lá rộng thường xanh tại Khu bảo tồn Tây Yên Tử có độ ẩm thảm mục cao, lượng vật liệu cháy chỉ đạt khoảng 3,2 tấn/ha, làm giảm 70% nguy cơ bắt lửa tự nhiên.
  2. Tác động của con người qua cự ly nhân sinh đóng vai trò kích hoạt các điểm cháy cục bộ. Kết quả thống kê không gian chỉ ra rằng 78,4% số vụ cháy rừng lịch sử trong giai đoạn 2000-2018 phân bố tập trung trong bán kính dưới 1,2 km tính từ ranh giới các điểm dân cư tập trung và khu vực canh tác nương rẫy du canh.
  3. Địa hình và nhiệt độ bề mặt tạo nên hiệu ứng vi khí hậu cục bộ rất rõ nét. Các sườn dốc hướng Tây và Tây Nam có độ dốc trên 25 độ ghi nhận nhiệt độ bề mặt chiết tách từ ảnh viễn thám cao hơn từ 3,8°C đến 5,6°C so với sườn Đông Bắc, khiến thảm thực bì bị sấy khô nhanh chóng vào các tháng cao điểm mùa khô.
  4. Tổng hợp phân vùng nguy cơ cho thấy diện tích rừng thuộc cấp III (nguy cơ cao) và cấp IV (nguy cơ rất cao) chiếm tới 38,2% tổng diện tích đất lâm nghiệp toàn huyện, tập trung dày đặc tại các xã Tuấn Đạo, Thanh Luận, An Lạc và Dương Hưu.

Thảo luận kết quả

Mô hình tính toán được trực quan hóa thông qua bảng ma trận trọng số phân tích đa tiêu chí và hệ thống biểu đồ cột thể hiện tỷ lệ diện tích các cấp nguy cơ cháy trên địa bàn 23 xã, thị trấn. Dữ liệu bảng trọng số khẳng định thảm phủ thực vật (trọng số 0,28) và nhiệt độ bức xạ bề mặt (trọng số 0,22) chiếm hơn 50% tổng mức độ ảnh hưởng đến khả năng bùng phát lửa rừng.

Nguyên nhân chính dẫn đến sự tập trung rủi ro cao ở các xã phía Nam và Đông Nam huyện là sự kết hợp giữa diện tích rừng thông, keo lấy gỗ liền dải với hoạt động đốt dọn thực bì làm nương rẫy không kiểm soát trong các tháng hạn kiệt (lượng mưa dưới 15 mm/tháng). Khi so sánh với các nghiên cứu trước đây của Cục Kiểm lâm trên nền ảnh MODIS độ phân giải 1 km, phương pháp tích hợp ảnh Landsat 8 OLI và Sentinel-2 ở tỷ lệ 1:25.000 trong nghiên cứu này mang lại độ chi tiết vượt trội, giúp phân tách ranh giới các khoảnh rừng nguy hiểm đến từng lô trạng thái có diện tích nhỏ hơn 0,5 ha. Việc đối chiếu với 30 điểm kiểm chứng thực tế ghi nhận độ chính xác tổng thể của bản đồ phân vùng đạt 86,7%, đáp ứng hoàn hảo tiêu chuẩn nghiệp vụ quản lý lâm nghiệp hiện đại.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả phân vùng khoa học, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp chiến lược nhằm tối ưu hóa công tác phòng cháy, chữa cháy rừng trên địa bàn:

  1. Số hóa và tích hợp cơ sở dữ liệu GIS vào quản lý vận hành: Hạt Kiểm lâm huyện Sơn Động phối hợp với Chi cục Kiểm lâm tỉnh Bắc Giang chuyển giao toàn bộ bản đồ phân vùng nguy cơ tỷ lệ 1:25.000 lên hệ thống webGIS và ứng dụng di động trong Quý II/2021. Mục tiêu đặt ra là giúp lực lượng tuần tra cơ sở định vị chính xác 100% các vùng trọng điểm cấp IV, rút ngắn 50% thời gian tiếp cận hiện trường khi xuất hiện điểm báo cháy vệ tinh.
  2. Thiết kế và xây dựng hệ thống đường băng cản lửa bền vững: Ban Quản lý rừng phòng hộ Sơn Động cùng các công ty lâm nghiệp địa phương triển khai thi công 45 km đường băng xanh cản lửa bằng các loài cây bản địa khó cháy (như chè khổng lồ, vối thuốc, dẻ gai) phân cách giữa rừng trồng thông và nương rẫy của người dân trong giai đoạn 2021-2023, phấn đấu giảm 60% nguy cơ cháy lan trên diện rộng.
  3. Thực hiện xử lý giảm thiểu vật liệu cháy có kiểm soát: Các đơn vị chủ rừng tổ chức thu gom cơ học hoặc áp dụng kỹ thuật đốt trước có điều khiển lớp thực bì dưới tán rừng thông già vào đầu mùa khô (tháng 10 đến tháng 11 hàng năm), nhằm hạ thấp khối lượng vật liệu bắt lửa xuống dưới ngưỡng an toàn 5 tấn/ha.
  4. Tăng cường cơ chế giám sát cộng đồng và quản lý nguồn lửa: UBND 23 xã, thị trấn thành lập các tổ đội quần chúng bảo vệ rừng tự quản, tiến hành ký cam kết an toàn PCCC với hơn 4.500 hộ gia đình sống ven rừng trong bán kính 1 km, đồng thời ban hành lịch đốt dọn nương rẫy luân phiên nghiêm ngặt trong suốt mùa khô hạn từ tháng 11 đến tháng 4 năm sau.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang giá trị thực tiễn và tính ứng dụng cao đối với 4 nhóm đối tượng trọng tâm sau:

  1. Cơ quan quản lý nhà nước về lâm nghiệp và Chi cục Kiểm lâm: Cung cấp tài liệu quy chuẩn và bản đồ chuyên đề phục vụ trực tiếp công tác quy hoạch mạng lưới chòi quan sát lửa, bố trí các hồ chứa nước dập lửa và phân bổ ngân sách trang thiết bị chuyên dụng cho các vùng có nguy cơ cháy rất cao.
  2. Các nhà nghiên cứu, giảng viên và học viên cao học ngành Địa lý, Viễn thám và Quản lý tài nguyên: Luận văn là tài liệu tham khảo mẫu mực về quy trình tích hợp ảnh viễn thám đa thời gian, phân tích hàm hồi quy nhiệt độ bề mặt và mô hình đánh giá đa chỉ tiêu AHP trong không gian GIS.
  3. Các Ban Quản lý rừng đặc dụng, rừng phòng hộ và chủ rừng lớn: Hướng dẫn phương pháp đánh giá định lượng tải lượng vật liệu cháy cho từng lô trạng thái rừng, từ đó thiết kế các biện pháp lâm sinh chuyển hóa rừng trồng thuần loài sang rừng hỗn giao bản địa có sức chống chịu hỏa hoạn cao.
  4. Chính quyền địa phương cấp huyện, xã và lực lượng phòng chống thiên tai: Cung cấp cơ sở khoa học xác đáng để xây dựng phương án tác chiến 4 tại chỗ, lập kế hoạch di dời dân cư và bảo vệ các công trình hạ tầng trọng yếu khi xảy ra sự cố cháy rừng quy mô lớn.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao luận văn lại tích hợp dữ liệu ảnh Landsat 8 và Sentinel-2 thay vì chỉ sử dụng các trạm khí tượng mặt đất? Dữ liệu khí tượng mặt đất có mật độ phân bố trạm rất thưa thớt, không thể hiện được tính biến thiên liên tục của không gian địa hình. Ảnh Landsat 8 và Sentinel-2 cung cấp độ phân giải không gian cao từ 10 m đến 30 m, cho phép chiết tách nhiệt độ bề mặt thực tế và phân loại chính xác các trạng thái thảm thực vật rừng ở quy mô chi tiết 1:25.000.

Phương pháp phân 4 cấp nguy cơ cháy của luận văn có ưu điểm gì so với Quyết định 127/2000/QĐ-BNN-KL? Theo Quyết định số 127/2000/QĐ-BNN-KL, hệ thống dự báo sử dụng 5 cấp độ nhưng ranh giới giữa cấp IV (nguy hiểm) và cấp V (cực kỳ nguy hiểm) trên thực tế rất khó phân định để bố trí lực lượng. Luận văn đã gộp hai cấp này thành cấp nguy cơ rất cao, tạo nên khung 4 cấp độ rõ ràng, giúp chính quyền cơ sở dễ dàng đưa ra quyết định ứng phó thực địa.

Loại thảm thực vật nào tại huyện Sơn Động có khối lượng vật liệu cháy lớn nhất? Qua khảo sát thực nghiệm tại 30 ô tiêu chuẩn, rừng trồng thông nhựa thuần loài tích lũy lượng vật liệu cháy khô mặt đất lớn nhất, đạt trên 12,5 tấn/ha với hàm lượng tinh dầu cao rất dễ bắt lửa. Tiếp theo là rừng hỗn giao tre nứa và rừng keo, trong khi rừng lá rộng thường xanh có lượng vật liệu khô thấp nhất (dưới 3,5 tấn/ha).

Yếu tố khoảng cách nương rẫy và khu dân cư tác động ra sao đến nguy cơ cháy rừng? Phân tích không gian khẳng định hơn 78% số vụ cháy rừng tại địa phương xuất phát từ nguồn lửa do con người sinh hoạt và đốt dọn nương rẫy. Do đó, các dải rừng nằm trong bán kính 1,0 km quanh khu dân cư và đất nông nghiệp luôn được gán trọng số nguy cơ rất cao trong mô hình đánh giá.

Bản đồ phân vùng tỷ lệ 1:25.000 có thể ứng dụng trực tiếp cho cấp xã như thế nào? Tỷ lệ bản đồ 1:25.000 cho phép hiển thị rõ ràng từng lô, khoảnh rừng thuộc ranh giới hành chính của 23 xã, thị trấn. Cán bộ kiểm lâm địa bàn có thể sử dụng bản đồ này để xác định chính xác các vị trí cần tuần tra nghiêm ngặt 24/24 giờ vào những ngày khô hạn kéo dài, thay vì tuần tra dàn trải trên toàn bộ diện tích.

Kết luận

  • Luận văn đã thiết lập thành công quy trình khoa học kết hợp công nghệ viễn thám đa phổ và GIS nhằm thành lập bản đồ phân vùng nguy cơ cháy rừng tỷ lệ 1:25.000 tại huyện Sơn Động, tỉnh Bắc Giang.
  • Mô hình tích hợp đồng thời 8 thông số tự nhiên và nhân sinh, chứng minh rõ ràng vai trò chi phối của trạng thái thảm thực vật (trọng số 0,28) và nhiệt độ bề mặt bức xạ (trọng số 0,22).
  • Kết quả nghiên cứu chỉ ra 38,2% diện tích đất lâm nghiệp toàn huyện thuộc vùng nguy cơ cao và rất cao, tập trung chủ yếu tại các dải rừng trồng thuần loài giáp ranh khu dân cư.
  • Nghiên cứu đề xuất hệ thống 4 giải pháp đồng bộ bao gồm chuyển giao công nghệ webGIS, thi công 45 km đường băng cản lửa, xử lý thực bì định kỳ và siết chặt quy chế canh tác nương rẫy mùa khô.
  • Kế hoạch tiếp theo cần mở rộng tích hợp dữ liệu ảnh radar Sentinel-1 để theo dõi độ ẩm đất theo thời gian thực và tự động hóa cảnh báo cháy rừng trên nền tảng điện toán đám mây trong giai đoạn 2021-2025.

Hãy áp dụng ngay phương pháp luận viễn thám và GIS của công trình này để nâng tầm hiệu quả quản lý, bảo tồn tài nguyên rừng và chủ động ứng phó với biến đổi khí hậu tại địa phương của bạn.