Nghiên cứu đặc trưng thấm và giữ nước tiềm tàng của đất rừng tại núi Luốt - Xuân Mai - Hà Nội

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu hay nghiên cứu đặc trưng thấm và giữ nước tiềm tàng của đất rừng tại núi luốt xuân mai hà nội, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải

• Tác giả: Vũ Thị Quỳnh Nga
• Trường học: Trường Đại Học Lâm Nghiệp
• Chuyên ngành: Khoa Học Lâm Nghiệp
• Đề tài: Nghiên Cứu Đặc Trưng Thấm Và Giữ Nước Tiềm Tàng Của Đất Rừng Tại Núi Luốt - Xuân Mai - Hà Nội
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sỹ
• Năm xuất bản: 2009
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 1.1. Thành quả nghiên cứu
• 1.1.1. Khả năng thấm nước của đất
• 1.1.2. Khả năng giữ nước của đất
• 1.1.3. Lượng nước bốc hơi

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu đặc trưng thấm và giữ nước của đất rừng

Nghiên cứu đặc trưng thấm và giữ nước của đất rừng tại núi Luốt, Xuân Mai, Hà Nội là một chủ đề quan trọng trong lĩnh vực lâm nghiệp. Đặc trưng này không chỉ ảnh hưởng đến khả năng điều tiết nước mà còn quyết định đến sự phát triển của hệ sinh thái rừng. Việc hiểu rõ về đặc trưng thấm của đất giúp xác định năng lực giữ nước và cơ chế phát sinh dòng chảy trong môi trường rừng.

1.1. Ý nghĩa của việc nghiên cứu đặc trưng thấm nước

Nghiên cứu này giúp xác định khả năng giữ nước của đất rừng, từ đó đưa ra các giải pháp bảo vệ nguồn nước và phòng chống xói mòn đất. Đặc biệt, việc nắm bắt được đặc điểm sinh thái đất sẽ hỗ trợ trong việc quản lý rừng bền vững.

1.2. Tình hình nghiên cứu hiện tại về đất rừng tại Việt Nam

Mặc dù có nhiều nghiên cứu về đất rừng tại Hà Nội, nhưng các nghiên cứu về đặc trưng thấm và giữ nước vẫn còn hạn chế. Điều này gây khó khăn trong việc dự báo xói mòn và lũ lụt, cũng như trong việc quản lý tài nguyên nước.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu đất rừng

Một trong những thách thức lớn nhất trong nghiên cứu đất rừng tại núi Luốt là sự biến đổi của kết cấu đất và thành phần cơ giới. Những yếu tố này ảnh hưởng đến khả năng thấm và giữ nước, làm cho việc áp dụng các mô hình thấm nước trở nên khó khăn.

2.1. Sự biến đổi của kết cấu đất và ảnh hưởng đến thấm nước

Kết cấu đất không đồng nhất dẫn đến sự rối loạn trong quá trình thấm nước. Điều này làm cho việc áp dụng định luật Darcy trở nên không chính xác trong nhiều trường hợp, đặc biệt là trong môi trường đất rừng.

2.2. Khó khăn trong việc dự báo dòng chảy và xói mòn

Việc thiếu dữ liệu về đặc trưng thấm nước của đất rừng gây khó khăn trong việc dự báo dòng chảy và xói mòn. Điều này ảnh hưởng đến khả năng quản lý tài nguyên nước và bảo vệ môi trường.

III. Phương pháp nghiên cứu đặc trưng thấm nước của đất rừng

Để nghiên cứu đặc trưng thấm nước, nhiều phương pháp đã được áp dụng, bao gồm mô hình hóa và thực nghiệm tại hiện trường. Các phương pháp này giúp xác định chính xác khả năng thấm và giữ nước của đất rừng.

3.1. Mô hình hóa thấm nước trong đất rừng

Mô hình hóa thấm nước giúp dự đoán khả năng thấm của đất trong các điều kiện khác nhau. Các mô hình như Philip và Green-Ampt đã được sử dụng để mô phỏng quá trình thấm nước trong đất rừng.

3.2. Thực nghiệm tại hiện trường để xác định đặc trưng thấm

Thực nghiệm tại hiện trường cho phép đo đạc trực tiếp khả năng thấm nước của đất. Kết quả từ các thí nghiệm này cung cấp dữ liệu quan trọng cho việc phân tích và đánh giá đặc trưng thấm của đất.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy đất rừng tại núi Luốt có khả năng thấm nước cao, giúp duy trì độ ẩm và bảo vệ nguồn nước. Những phát hiện này có thể được áp dụng trong quản lý rừng và bảo vệ môi trường.

4.1. Khả năng thấm nước của đất rừng tại núi Luốt

Kết quả cho thấy khả năng thấm nước của đất rừng tại núi Luốt đạt mức cao, giúp giảm thiểu xói mòn và duy trì độ ẩm trong đất. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc bảo vệ nguồn nước.

4.2. Ứng dụng kết quả nghiên cứu vào quản lý rừng

Kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng để xây dựng các chính sách quản lý rừng hiệu quả, nhằm bảo vệ nguồn nước và phát huy các chức năng sinh thái của rừng.

V. Kết luận và triển vọng nghiên cứu trong tương lai

Nghiên cứu về đặc trưng thấm và giữ nước của đất rừng tại núi Luốt mở ra nhiều triển vọng cho các nghiên cứu tiếp theo. Việc hiểu rõ hơn về đặc trưng này sẽ giúp cải thiện quản lý tài nguyên nước và bảo vệ môi trường.

5.1. Tầm quan trọng của nghiên cứu trong quản lý tài nguyên nước

Nghiên cứu này đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý tài nguyên nước, giúp xác định các biện pháp bảo vệ và phát huy hiệu quả sử dụng nước trong nông nghiệp và lâm nghiệp.

5.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực đất rừng

Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc xác định các yếu tố ảnh hưởng đến đặc trưng thấm nước và phát triển các mô hình dự báo chính xác hơn cho dòng chảy và xói mòn trong đất rừng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Quá trình điều tiết nguồn nước và phòng chống xói mòn đất đồi núi phụ thuộc mật thiết vào khả năng thấm và trữ ẩm của đất rừng. Tại khu vực miền Bắc Việt Nam, lượng mưa bình quân năm dao động từ 1.690,7 mm đến 2.125 mm, trong đó mùa mưa tập trung cao điểm từ tháng 4 đến tháng 10, chiếm tới 90,8% tổng lượng nước rơi cả năm. Sự phân bố không đều này đặt ra thách thức lớn đối với việc điều tiết dòng chảy mặt, ngăn ngừa nguy cơ lũ quét và suy thoái tầng đất mặt. Nghiên cứu đặc trưng thấm và giữ nước tiềm tàng của đất rừng tại núi Luốt, thị trấn Xuân Mai, Hà Nội được triển khai nhằm giải quyết hạn chế về mặt định lượng trong các nghiên cứu thủy văn đất rừng nhiệt đới.

Mục tiêu cốt lõi của đề tài là xác định các chỉ tiêu thấm tiềm tàng gồm tốc độ thấm ban đầu, tốc độ thấm ổn định và khả năng trữ ẩm hữu hiệu dưới các trạng thái rừng trồng khác nhau. Nghiên cứu được tiến hành trên tổng diện tích 130,03 ha tại khu rừng thực nghiệm núi Luốt, với độ dốc trung bình 15 độ (dao động từ 11 đến 22 độ). Khu vực khảo sát bao gồm 71,57 ha đất có rừng, tập trung vào các mô hình rừng trồng Thông mã vĩ, Keo lá tràm và rừng hỗn giao với cây bản địa.

Ý nghĩa thực tiễn của công trình thể hiện ở việc xây dựng luận cứ khoa học để tối ưu hóa cấu trúc rừng phòng hộ nguồn nước. Kết quả ứng dụng giúp giảm thiểu dòng chảy bề mặt từ 3% đến 5%, nâng cao khả năng cấp nước ngầm cho gần 200 hộ gia đình sinh sống quanh khu vực chân núi trong mùa khô kéo dài 5 tháng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu vận dụng nền tảng thủy văn học rừng và vật lý đất, kết hợp các mô hình toán học kinh nghiệm để mô phỏng quá trình dịch chuyển của nước:

• Định luật Darcy và lý thuyết dòng chảy rối qua khe hổng lớn: Mô tả cơ chế nước thâm nhập qua các lỗ hổng mao quản và ngoài mao quản do hoạt động của rễ cây và động vật đất tạo nên.
• Mô hình thấm Horton (1933): Thiết lập phương trình động thái thấm theo thời gian nhằm xác định tốc độ thấm tức thời và tốc độ thấm ổn định.
• Mô hình thấm Philip (1957): Ứng dụng hàm số tỷ lệ hút nước và thời gian để tính toán lưu lượng nước xâm nhập tầng đất mặt.
• Lý thuyết cân bằng nước và độ trữ ẩm của Rode: Phân loại các dạng nước trong đất, từ độ trữ ẩm phân tử cực đại đến độ ẩm cây héo và sức chứa ẩm đồng ruộng.

Các khái niệm chính được chuẩn hóa bao gồm: Tốc độ thấm tiềm tàng (tốc độ thấm khi duy trì lớp nước mặt liên tục), độ xốp ngoài mao quản (khoang rỗng dẫn nước trọng lực), độ ẩm cây héo (giới hạn dưới của nước hữu hiệu) và dung trọng đất khô tự nhiên.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu thiết lập hệ thống 8 ô tiêu chuẩn (OTC) điển hình với diện tích 1.000 m2 (kích thước 25 m x 40 m) đại diện cho 3 trạng thái rừng: Rừng Thông + Keo, rừng Thông + Cây bản địa, và rừng Keo + Cây bản địa. Phương pháp chọn mẫu điển hình vát sườn được áp dụng để bao quát các điều kiện hướng phơi Đông, Đông Nam và Tây Nam trên các độ dốc từ 11 đến 22 độ.

Quy trình thu thập và phân tích dữ liệu bao gồm:

• Thí nghiệm thấm hiện trường: Sử dụng phương pháp ống vòng khuyên kép (đường kính trong 20 cm và đường kính ngoài 30 cm, chiều cao 35 cm, đóng sâu 20 cm) tại 24 vị trí, duy trì cột nước cố định 4 cm và theo dõi liên tục trong 3 đến 6 giờ cho đến khi tốc độ thấm đạt trạng thái bão hòa ổn định.
• Phân tích lý tính đất: Lấy mẫu đất tại 8 OTC ở 3 tầng sâu (0 - 10 cm, 10 - 30 cm, 30 - 60 cm) để xác định tỷ trọng, dung trọng, độ xốp và thành phần cơ giới bằng phương pháp sấy khô và ống dung trọng chuẩn.
• Xác định ẩm độ và bốc hơi: Đo biến động độ ẩm đất tầng mặt hàng ngày tại 24 điểm, đo bốc hơi vật lý mặt đất tại 16 vị trí bằng ống trụ kết hợp cân phân tích độ chính xác 0,01 g, và xác định sức hút ẩm tối đa qua bình hút ẩm axít sunfuric 10%.

Lý do lựa chọn phương pháp vòng khuyên kép là nhằm triệt tiêu sự phân tán dòng thấm ngang, phản ánh chính xác lưu lượng thấm thẳng đứng. Các chỉ tiêu cấu trúc lâm phần như mật độ cây (240 - 690 cây/ha), đường kính tán (3,08 - 4,83 m), độ tàn che (0,70 - 0,85) và độ che phủ thảm tươi (73 - 93,4%) được xử lý bằng thống kê toán học trong lâm nghiệp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Phân tích số liệu thực nghiệm trên đất Feralit màu nâu vàng phát triển trên đá mẹ Foocfiarit (Rhodic Ferralsols) ghi nhận các kết quả định lượng:

• Độ xốp và dung trọng đất: Đất rừng có dung trọng dao động từ 0,93 g/cm3 đến 1,32 g/cm3, tỷ trọng từ 2,58 g/cm3 đến 2,70 g/cm3. Độ xốp tổng số đạt từ 22,56% đến 65,00%. Trong đó, trạng thái rừng hỗn giao Thông + Keo có độ xốp trung bình cao nhất đạt 59,1%, tiếp đến là rừng Keo + Cây bản địa đạt 57,1%, và thấp nhất là rừng Thông + Cây bản địa đạt 51,9%.
• Hàm lượng chất hữu cơ và mùn: Hàm lượng mùn tổng số biến động từ 0,46% đến 2,83%. Tầng đất mặt (0 - 10 cm) có hàm lượng mùn cao nhất, đạt đỉnh 2,83% ở lâm phần Keo + Bản địa và giảm mạnh xuống dưới 1,0% ở tầng sâu 30 - 60 cm. Rừng Thông + Keo duy trì hàm lượng mùn trung bình 1,7%, cao hơn 21,4% so với rừng Thông + Bản địa (1,4%).
• Đặc tính thành phần cơ giới: Đất thuộc nhóm sét trung bình với hàm lượng sét vật lý (cấp hạt dưới 0,02 mm) trung bình chiếm 22,88% (biến động 20,86% - 35,10%), hàm lượng cát vật lý (cấp hạt trên 0,02 mm) chiếm 31,41% (biến động 19,50% - 45,92%).
• Động thái thấm và trữ nước: Tốc độ thấm ban đầu diễn ra nhanh trong 5 phút đầu và chuyển dần sang tốc độ thấm ổn định sau 180 đến 360 phút tưới liên tục. Độ che phủ của thảm cây bụi thảm tươi cao từ 85% đến 93,4% ở hầu hết các ô tiêu chuẩn giúp giữ lại 10% đến 15% lượng nước trong đất sau các trận mưa lớn.

Thảo luận kết quả

Khả năng thấm và giữ nước vượt trội ở trạng thái rừng hỗn giao Thông + Keo bắt nguồn từ sự tương hỗ sinh thái giữa hai loài cây. Rễ keo có nốt sần cố định đạm kết hợp với tầng thảm mục lá thông phân giải chậm tạo nên lớp đệm hữu cơ tơi xốp, làm giảm dung trọng tầng đất mặt xuống mức 0,91 - 1,05 g/cm3. Điều này kích thích sự gia tăng của các khe hổng ngoài mao quản, đóng vai trò như các đường dẫn ưu tiên đưa nước thấm nhanh xuống tầng sâu.

So sánh với các nghiên cứu tại vùng phòng hộ hồ thủy điện Hòa Bình, tốc độ thấm ổn định của đất rừng núi Luốt có sự tương đồng chặt chẽ với các trạng thái rừng có độ xốp tầng mặt trên 55%. Sự suy giảm độ xốp theo chiều sâu (từ 65% ở tầng mặt xuống 51,11% ở tầng 30 - 60 cm) giải thích vì sao nước mưa được giữ lại chủ yếu ở tầng đất mặt trước khi ngấm dần vào mạch nước ngầm.

Về mặt trực quan hóa, toàn bộ dữ liệu thấm có thể được biểu diễn qua biểu đồ đường cong suy giảm thấm Horton thể hiện mối quan hệ phi tuyến giữa tốc độ thấm (mm/phút) và thời gian (phút), kết hợp bảng đối sánh đa biến giữa độ xốp, hàm lượng mùn và dung trọng theo từng tầng phẫu diện đất.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các chỉ số định lượng về thủy văn đất, 4 nhóm giải pháp kỹ thuật lâm sinh và quản lý được khuyến nghị thực hiện:

• Chuyển hóa cấu trúc rừng thuần loài sang hỗn giao đa tầng: Tiến hành trồng dặm các loài cây bản địa như Re hương, Dẻ ăn quả, Lim xanh dưới tán rừng Thông và Keo hiện có. Mục tiêu nâng độ tàn che tầng cây cao đạt từ 0,80 đến 0,85 và duy trì độ che phủ thảm tươi trên 90% trong lộ trình 3 năm, do Ban Quản lý rừng thực nghiệm Đại học Lâm nghiệp chủ trì thực hiện.
• Bảo vệ nghiêm ngặt thảm mục và cây bụi thảm tươi: Cấm triệt để việc đốt dọn thực bì, chăn thả gia súc và thu gom lá rụng nhằm duy trì dung trọng đất mặt dưới 1,0 g/cm3, bảo toàn lượng mùn hữu cơ trên 2,0%. Kế hoạch áp dụng thường xuyên từ quý 1 hàng năm do lực lượng bảo vệ rừng phối hợp chính quyền địa phương triển khai.
• Xây dựng công trình sinh học giữ nước trên sườn dốc: Thiết lập các băng cản xanh bằng cỏ Vetiver hoặc cây bụi bản địa theo đường đồng mức tại các khu vực sườn dốc từ 15 đến 22 độ. Mục tiêu cắt giảm 40% vận tốc dòng chảy tràn mặt đất trong vòng 18 tháng, do Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn Hà Nội phối hợp chỉ đạo.
• Thu hồi diện tích đất bị lấn chiếm và phục hồi rừng: Lập ranh giới bảo vệ rõ ràng, xử lý dứt điểm 29,6 ha đất rừng bị lấn chiếm để tái lập thảm thực vật bảo vệ nguồn nước trong giai đoạn 2010 - 2015, do UBND huyện Chương Mỹ cùng Trường Đại học Lâm nghiệp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình cung cấp hệ số thực nghiệm và cơ sở khoa học giá trị cho 4 nhóm đối tượng chuyên môn:

• Ban quản lý rừng phòng hộ và cán bộ kiểm lâm: Áp dụng dữ liệu về mật độ và độ tàn che (0,7 - 0,85) để quy hoạch rừng phòng hộ đầu nguồn, điều tiết lũ và phòng chống sạt lở đất dốc.
• Học viên cao học, nghiên cứu sinh và giảng viên ngành Lâm sinh, Thủy văn: Sử dụng làm tài liệu tham khảo chuẩn mực về phương pháp đo thấm vòng khuyên kép ngoài hiện trường và ứng dụng mô hình Horton, Philip trong tính toán thủy văn đất.
• Kỹ sư lâm nghiệp và chuyên gia tư vấn môi trường: Khai thác các chỉ tiêu dung trọng, độ xốp (51,9% - 59,1%) và thành phần cơ giới để thiết kế các mô hình nông lâm kết hợp bền vững trên đất Feralit.
• Cơ quan quản lý tài nguyên nước địa phương: Sử dụng mô hình bổ cập nước ngầm tự nhiên từ đất rừng để xây dựng chiến lược cấp nước sinh hoạt bền vững cho cộng đồng dân cư bán sơn địa.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao rừng hỗn giao Thông + Keo có khả năng thấm và giữ nước tốt hơn rừng thuần loài?

Rừng hỗn giao Thông + Keo tạo ra lượng rơi rụng đa dạng, cải thiện độ xốp đất lên mức 59,1% và hàm lượng mùn đạt 1,7%. Tầng rễ đa tầng giúp mở rộng hệ thống khe hổng ngoài mao quản, dẫn nước thấm sâu và giảm bốc hơi mặt đất hiệu quả hơn rừng thuần loài.

Thí nghiệm thấm bằng ống vòng khuyên kép mất bao lâu để đạt trạng thái ổn định?

Theo số liệu quan trắc tại 24 vị trí ở núi Luốt, quá trình thấm nước tiềm tàng đạt trạng thái bão hòa ổn định sau khoảng 3 đến 6 giờ cấp nước liên tục với lớp nước mặt dày 4 cm, tùy thuộc vào độ dày tầng đất và hàm lượng sét vật lý.

Hàm lượng sét vật lý 22,88% ảnh hưởng thế nào đến tính chất giữ nước của đất?

Tỷ lệ sét vật lý trung bình 22,88% tạo cho đất kết cấu thịt trung bình đến sét trung bình. Cấu trúc này giúp hình thành mạng lưới mao quản dày đặc, giữ lại lượng nước hữu hiệu cao cho cây trồng sử dụng trong mùa khô mà không bị thoát nước trọng lực quá nhanh.

Mùa mưa tại Xuân Mai tác động ra sao đến nguy cơ xói mòn đất rừng?

Với lượng mưa tập trung 90,8% trong 7 tháng mùa mưa và cường độ mưa bình quân cực đại đạt 45,70 mm/h vào tháng 9, đất rừng nếu mất thảm phủ sẽ bị xói mòn nghiêm trọng. Do đó, độ che phủ thảm tươi trên 85% là điều kiện bắt buộc để bảo vệ tầng đất mặt.

Việc duy trì thảm rừng tại núi Luốt mang lại lợi ích thủy văn cụ thể nào cho cộng đồng?

Nhờ 71,57 ha đất rừng hấp thụ và điều tiết nước mưa ngấm vào lòng đất, mực nước ngầm tầng nông được duy trì ổn định, giải quyết triệt để tình trạng cạn kiệt giếng sinh hoạt của gần 200 hộ dân lân cận trong suốt 5 tháng mùa khô.

Kết luận

• Luận văn đã xác định định lượng đặc tính vật lý đất Feralit tại núi Luốt với dung trọng từ 0,93 g/cm3 đến 1,32 g/cm3 và độ xốp tổng số đạt tới 65,00%.
• Mô hình rừng hỗn giao Thông + Keo chứng minh hiệu quả thủy văn cao nhất với độ xốp trung bình 59,1% và mùn tầng mặt đạt 1,7%.
• Khẳng định vai trò quyết định của độ tàn che (0,70 - 0,85) và thảm tươi (che phủ 73% - 93,4%) trong việc giảm bốc hơi và gia tăng tốc độ thấm tiềm tàng.
• Ứng dụng thành công phương pháp vòng khuyên kép và mô hình Horton trong việc định lượng hóa các thông số thấm đất rừng nhiệt đới.
• Đóng góp luận cứ khoa học quan trọng cho việc phục hồi nguồn nước ngầm phục vụ dân sinh và phát triển lâm nghiệp bền vững tại vùng đồi gò miền Bắc.

Trong giai đoạn tiếp theo, các đơn vị quản lý cần tiến hành quan trắc thủy văn liên tục theo chu kỳ 3 năm để cập nhật động thái biến đổi của nước ngầm. Các nhà khoa học và cơ quan quản lý được khuyến khích áp dụng ngay các giải pháp lâm sinh hỗn giao nhằm tối ưu hóa chức năng phòng hộ của rừng đầu nguồn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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 [e-mail] 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 [e-mail] 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 [e-mail] 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 [e-mail] 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 [e-mail] 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.