CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Thành quả nghiên cứu 1. Khả năng thấm nước của đất Sự thấm nước của đất là một trong những vấn đề được nghiên cứu sâu rộng trong lĩnh vực thủy văn học, từ lý luận sản sinh dòng chảy mặt tiếp giáp mà xét, sự thấm nước của đất là chỉ thị cho khả năng của tầng điều tiết quan trọng nhất trong tuần hoàn thủy văn của nước, sau khi nước mưa đã đi qua bầu không khí và lớp thảm thực vật che phủ. Sự thấm nước của đất có tác dụng rất quan trọng trong việc hình thành cơ chế phát sinh dòng chảy.
Có nhiều mô hình thấm nước của đất dựa vào việc đơn giản hóa quá trình vật lý và các mô hình kinh nghiệm, trong đó có mô hình Philip và mô hình cải tiến của nó là mô hình Smith - Parlange, mô hình Green - Ampt, mô hình Horton, mô hình Holtan, vv. Khi nước thấm vào đất và dịch chuyển trong đất, đứng về mặt bản chất vật lý học mà nói, chúng chịu sự chi phối của trọng lực do lực hấp dẫn địa cầu sinh ra và lực tác dụng mao quản do tiếp xúc giữa nước và hạt đất (Baver, 1937) (dẫn theo Nguyễn Thị Bích Ngọc, [33]), nhưng do sự biến đổi của kết cấu đất và của thành phần cơ giới đất, dẫn đến sự rối loạn đan chéo vào nhau của con đường vận động của nước trong đất, việc ứng dụng định luật Darcy - định luật mô tả vận động của nước trong một môi trường đồng nhất nhiều lỗ hổng - và phương trình liên tục về sự vận động của nước trong đất rừng để nghiên cứu định lượng và dự báo, sẽ dẫn đến những sai lệch tương đối lớn so với tình hình thực tế vì phạm vi sử dụng của định luật Darcy là dùng cho vận động của dòng chảy trong một tầng đất. Vận động của dòng chảy ưu tiên của nước trong đất là vận động của dòng chảy rối loạn, mô tả nó về mặt lý luận có LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 3 thể sử dụng phương trình Darcy - Weisbach. Những nghiên cứu trước kia về dòng ưu tiên chủ yếu là sử dụng dòng chảy theo đường ống, dòng chảy theo đường ống là vận động của dòng chảy rối loạn của chất lỏng đi theo con đường vận động thông qua các lỗ hổng lớn hơn mao quản của cơ chất (Atkinson, 1978) (dẫn theo Lê Hồng Liên, [28]); nhưng những nghiên cứu gần đây cho thấy rõ, dù rằng trong đất cát (cơ chất) thuần nhất, nhưng do sự không ổn định của mức độ đỉnh cao ẩm ướt, nên vẫn có thể dẫn đến vận động dòng chảy của nước trong đất theo chủ quan (Stagnitti and Parlange, 1995) (dẫn theo Nguyễn Thị Bích Ngọc, [33]).
Từ góc độ ảnh hưởng của rừng đối với tuần hoàn thủy văn mà xét, do trong hoàn cảnh của rừng có sự phân giải liên tục của thảm mục, hoạt động của rễ cây, hoạt động phong phú của động vật dẫn đến vận động của dòng chảy theo đường ống trong các lỗ hổng tương đối lớn, có một ý nghĩa vô cùng quan trọng về ảnh hưởng của rừng đối với sự hình thành dòng chảy lưu vực rừng và lượng nước sản sinh ra của lưu vực (Jones, 1997) (dẫn theo Lê Hồng Liên, [28]). Do đó, bất luận là vận động theo phương thẳng đứng hoặc ra các bên theo phương nằm ngang của nước trong môi trường đất, khi xem xét đến tính chất không đồng nhất của môi trường đất, việc sử dụng phương trình Laplace cho vận động bão hòa và phương trình Richards cho vận động không bão hòa - vốn là mô tả vận động của chất lỏng trong môi trường đồng nhất để mô tả vận động thực tế của nước trong đất sẽ rất khó đạt được tính chân thực chuẩn xác của nó. Công trình nghiên cứu đầu tiên về đặc trưng thấm nước của đất là của Darcy (1856) (dẫn theo Nguyễn Thị Bích Ngọc, [33]). Tác giả này đã đưa ra định luật Darcy để tính lượng nước thấm vào đất.
Trong định luật này tác giả đã khẳng định hệ số thấm phụ thuộc vào tính chất đất đồng thời phụ thuộc vào tính chất của chất lỏng (nước) - tức là độ nhớt của chúng, mà độ nhớt lại phụ LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 4 thuộc vào nhiệt độ và mức độ khoáng hóa. Khi nhiệt độ giảm thì độ nhớt sẽ tăng dẫn đến làm giảm tốc độ thấm và ngược lại. Tác giả đã biểu thị bằng công thức toán học và được gọi là định luật Darcy: Q = K.h/l Trong đó: Q là lượng nước thấm (cm3), K là hệ số thấm (cm3), T là thời gian thấm (phút), h là độ chênh lệch áp lực cột nước ở đầu trên và đầu dưới của cột thấm, l là chiều dài đoạn đường thấm (cm). Đồng thời, định luật còn được biểu thị bằng phương trình tốc độ thấm: V = K.I Với V là tốc độ thấm (mm/giây, cm/phút, hoặc m/ngày đêm), I = h/l Sau này, người ta nhận thấy rằng khi xác định tốc độ thấm của đất trong những điều kiện nhiệt độ thay đổi thì không thể so sánh được, do đó người ta quy về điều kiện tiêu chuẩn ở 100 C bằng cách sử dụng hệ số điều chỉnh nhiệt độ của Hazen là: 0,7 + 0,3t khi tính hệ số thấm.
Đến năm 1937, Vusoski (dẫn theo Lê Hồng Liên, [28]) nhà bác học người Nga đã xây dựng được công thức tính lượng nước thấm xuống đất. Công trình nghiên cứu của Fraisơ (1963) (dẫn theo Phùng Ngọc Lan, 1994, [27]) đã nghiên cứu việc phân bố lượng nước rơi trong rừng thường xanh ở Brazil. Kết quả nghiên cứu đã đưa ra kết luận là lượng nước trực tiếp xuống đất rừng sau một trận mưa là rất lớn. Nếu đất rừng có khả năng thấm nước cao thì sẽ giảm được lượng nước chảy bề mặt, giảm xói mòn.
Đã có nhiều mô hình nghiên cứu nước thấm vào đất dựa trên việc đơn giản hóa quá trình vật lý các mô hình kinh nghiệm như mô hình Philip và cải biến của nó là mô hình Smith - Pilange, mô hình Green - Ampt, mô hình Horton,.Khả năng thấm nước của đất cũng được nghiên cứu cùng với sự tác động ảnh hưởng của lửa rừng. Theo kết quả nghiên cứu của Dernes (1976) (dẫn theo Nguyễn Thị Bích Ngọc, [33]) đốt lửa làm cho lớp đất mặt từ 2,5 - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 5 30 cm giảm rõ rệt độ thấm nước và làm tăng sự bay hơi bề mặt, lớp đất mặt trở nên khô, độ xốp của đất giảm, kết cấu đất bị phá vỡ. Nhìn chung, đất rừng có hiệu suất thấm nước lớn hơn so với các loại hình sử dụng đất khác, hiệu suất ổn định của nước thấm xuống trong đất rừng tốt có thể lên tới 80 cm/h trở lên (Dunne (1978) (dẫn theo Nguyễn Thị Bích Ngọc, [33]). Còn ở Trung Quốc, các nhà khoa học thường dùng lượng nước bão hòa các lỗ hổng ngoài mao quản trong đất rừng để tính toán lượng nước thấm xuống đất.
Sau này đã có khá nhiều mô hình được xây dựng để mô tả quá trình thấm nước của đất hoàn thiện và đầy đủ hơn, như các mô hình dựa trên việc đơn giản hoá quá trình vật lý và mô hình kinh nghiệm gồm các mô hình Philip và mô hình cải tiến của nó là mô hình Smith - Parlange, mô hình Green - Ampt, mô hình Horton, v.v…Mặc dù, những mô hình này đã mô phỏng khá tốt sự vận động của nước trong đất nông nghiệp và trong thuỷ văn lưu vực đất nông nghiệp (Skaggs and Khaleel, 1982) (dẫn theo Lê Hồng Liên, [28]), nhưng khi ứng dụng trong lưu vực rừng lại gây ra những thách thức nghiêm trọng (dẫn theo Bùi Hiếu, 2002, [14]). Khả năng giữ nước của đất Khả năng giữ nước của đất là khả năng giữ lại nước trong điều kiện có dòng chảy tự do về phía dưới. Số lượng nước được đất giữ lại trong điều kiện như vậy được đặc trưng bằng độ trữ ẩm toàn phần và có tầm quan trọng trong sản xuất nông nghiệp cũng như trong kinh doanh rừng. Do đó, có rất nhiều nhà khoa học đã nghiên cứu về vấn đề này.
Penman (1991) (dẫn theo Nguyễn Thị Bích Ngọc, [33]) đã sử dụng phương pháp động lượng học không khí để tính toán ra lượng lưu thông tiềm nhiệt dùng cho bốc hơi. Monteith cải tiến thêm thành phương pháp tính toán hiệu suất phản xạ của thảm thực vật hình thành phương pháp Penman - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 6 Monteith để tính toán lượng phát tán hơi nước, trong đó việc xác định lực cản động lực học không khí và lực cản của tầng tán rừng có tầm quan trọng bậc nhất. Theo Jones (1997) (dẫn theo Đỗ Đình Sâm và cộng sự, [38]) nhìn từ góc độ hình thành dòng chảy nếu như không có con đường ưu tiên của vận động của nước trong đất (dòng ưu tiên), sẽ không có khả năng hình thành dòng chảy mạch nước ngầm, dòng chảy tốc độ nhanh trong đất, dòng chảy lưu vực v.v… Những nghiên cứu của Atkinson (1978) (dẫn theo Lê Hồng Liên, [28]) về dòng ưu tiên chủ yếu là sử dụng dòng chảy theo đường ống, dòng chảy theo đường ống là vận động của dòng chảy rối loạn của chất lỏng đi theo con đường vận động thông qua các lỗ hổng lớn hơn mao quản. Trong những năm gần đây, đã có nhiều công trình nghiên cứu về dòng chảy mặt như công trình nghiên cứu của Moltranov A.
(1989), Giacomin (1992) (dẫn theo Phùng Văn Khoa, [23])…Một trong những công trình nghiên cứu toàn diện phải kể đến là công trình của Moltranov tiến hành tại Liên Xô. Tác giả này đã nghiên cứu khá tỉ mỉ về khả năng thấm và giữ nước của đất rừng, sự khác biệt về lượng nước bị giữ lại ở trên các tán rừng, lượng nước chảy men thân cây, lượng mưa dưới tán rừng. Tác giả đã khẳng định ngay rằng ở những nơi có độ dốc 25 - 300, đất rừng vẫn có khả năng chuyển nước chảy mặt đất thành nước ngầm. Hiệu quả làm khô đất của cây rừng ở Liên Xô không chỉ thấy trên các vùng đầm lầy mà còn ở những khu vực có lượng mưa thấp như các vùng Trung Á.
Kết quả nghiên cứu của Moltranov có ý nghĩa không chỉ trong công tác xây dựng tiêu chuẩn rừng giữ nước mà còn trong lĩnh vực nghiên cứu hình thành và phương pháp nghiên cứu thuỷ văn rừng. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 7 Theo Rode và Koloskop (dẫn theo Vương Văn Quỳnh, [37]) độ trữ ẩm hấp phụ cực đại là lượng nước lớn nhất mà đất giữ lại nhờ lực hấp phụ, hay nói cách khác là lượng nước lớn nhất của nước liên kết chặt.