Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Dòng chảy mặt xuất hiện khi cường độ mưa lớn hơn so với tỷ lệ thấm của đất, hay khi lượng mưa vượt quá khả năng thấm của đất (Mingteh Chang, 2005). Sự xuất hiện của dòng chảy mặt thường cuốn theo nhiều bùn cát, chất hữu cơ, chất hòa tan và có nhiệt độ biến đổi mạnh phụ thuộc nhiệt độ mặt đất, đó là nguyên nhân làm cho nước sông hồ có tính ổn định thấp, mức ô nhiễm của nước tăng lên (Vương Văn Quỳnh, 2007). Trên thế giới nói chung và tại Việt Nam nói riêng đã có nhiều tác giả nghiên cứu về dòng chảy mặt và mức độ ảnh hưởng của dòng chảy mặt đối với chất lượng nước sông ngòi. Một số nét lớn của các công trình nghiên cứu có liên quan đến đặc tính dòng chảy mặt khởi đầu được trình bày tóm tắt như sau: 1.
Về dòng chảy trên bề mặt đất Nghiên cứu dòng chảy mặt đất thực chất là nghiên cứu về thủy văn rừng. Thuật ngữ “Thủy văn rừng” ra đời vào những năm đầu của thế kỷ XIII (chính xác là vào năm 1215), tuy lĩnh vực này đã được đề cập nghiên cứu từ khá lâu, song những thành tựu của nó mang ý nghĩa rõ rệt trong cuộc sống phải kể từ những năm 1930 trở lại đây khi mà những nghiên cứu về định lượng phát triển một cách mạnh mẽ. Dòng chảy mặt đất là một bộ phận vô cùng quan trọng của tuần hoàn nước trong hệ sinh thái rừng, phản ánh tốt nhất khả năng giữ nước của rừng. Đã có nhiều lý luận về dòng chảy bề mặt đất như: “Cơ chế dòng chảy trên mặt đất siêu thấm”; khái niệm “Diện tích sản sinh dòng chảy biến động”.
Nhìn chung, đất rừng tự nhiên có khả năng thấm nước cao và ít khi xuất hiện 4 dòng chảy bề mặt (Douglass 1977; Pritchett, 1979). Tuy nhiên, khi rừng bị chặt hạ trở nên thưa thớt và độ dốc mặt đất lớn, có thể tạo ra nhiều lượng nước chảy trên bề mặt (Ruxton B P, 1967; Imeson A C và Vis, 1982). Nhưng cũng có quan điểm cho rằng chặt rừng lại làm giảm lượng dòng chảy mặt đất (Mingteh Chang, 2005). Đó là đối với những khu rừng có nhiều hơi nước, tạo nên mưa cục bộ trong rừng (mưa sương ngưng kết) hay khu vực có lượng mưa nội tại lớn hơn so với lượng bốc thoát hơi nước của rừng.
Thủy văn học truyền thống đã phát triển lý luận về dòng chảy trên mặt đất của Horton vào những năm 30 và 40 của thế kỷ XX để nghiên cứu cơ chế hình thành dòng chảy trên mặt đất. Lý luận này chiếm địa vị thống trị trong lĩnh vực thủy văn học công trình kéo dài suốt khoảng 30 năm (Foster G R, 1982). Vào những năm 1970, lý luận “diện tích phát sinh dòng chảy biến động” đã được thừa nhận rộng rãi, những nghiên cứu về thủy văn học trên đất dốc đã phát triển mạnh mẽ và thay thế giả thuyết về “dòng chảy siêu thấm” - các học giả Trung Quốc gọi nó là “trường phái thủy văn học đất dốc” (Trương Hồng Giang, 1989; Vương Lễ Tiên, 1990) - đặt cơ sở cho việc hình thành lý luận về cơ chế phát sinh dòng chảy (Phạm Văn Điển, 2006). Các công trình nghiên cứu về dòng chảy mặt đất thường được gắn liền với nghiên cứu về xói mòn.
Phần lớn các nghiên cứu đều tập trung làm rõ ảnh hưởng của các nhân tố như loại đất, độ dốc tầng đất mặt, thực bì, lượng mưa, biện pháp canh tác đến sự phát sinh dòng chảy và xói mòn. Những nghiên cứu 5 đầu tiên được thực hiện vào những năm 80 của thế kỷ 19 (1877 – 1885) do nhà bác học người Đức Volni tiến hành (Hudson N, 1981). Kết quả nghiên cứu đã cho thấy có mối quan hệ mật thiết giữa sự hình thành dòng chảy bề mặt và các nhân tố ảnh hưởng như lượng mưa, đặc điểm cấu trúc lớp phủ thực vật, đặc điểm thấm và giữ nước của đất cùng với đặc điểm địa hình. Bennett vào những năm 1938 – 1943 (Hudson N, 1981) cũng tiến hành thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của các biện pháp kỹ thuật canh tác tới xói mòn và dòng chảy mặt đất.
Tại Châu Phi, nghiên cứu đầu tiên về dòng chảy được thiết lập tại trường đại học Pretoria do giáo sư Haillet tiến hành vào năm 1929 (Hudson N, 1981). Cũng tại Châu Phi, J.Chemelil (2006) đã tiến hành thí nghiệm đánh giá về khả năng hạn chế dòng chảy mặt và mất đất thịt nhẹ bằng cỏ Hương bài và cỏ Voi. Kết quả cho thấy dòng chảy mặt trên các ô thửa thí nghiệm có cỏ Hương bài và cỏ Voi giảm tương ứng là 54% và 12%. Song phần lớn các kết luận đã nghiên cứu chưa được định lượng chính xác, chưa được khái quát thành quy luật.
Một trong những công trình nghiên cứu tương đối toàn diện về thủy văn rừng là công trình của Moltranov tiến hành tại Liên Xô (Moltranov A. Ông đã nghiên cứu rất tỷ mỷ 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, khả năng thấm và giữ nước của tán rừng. Bằng các thí nghiệm của mình, ông chỉ ra rằng các khu rừng ở Châu Âu tán rừng có khả năng giữ được 25 – 40% tổng lượng giáng thủy. Ông khẳng định ngay ở nơi có độ dốc 25 – 300 rừng vẫn có khả năng biến nước chảy mặt đất thành nước ngầm.
Các phương pháp nghiên cứu thủy văn rừng không ngừng được các nhà khoa học tìm tòi, phát triển, trong đó ưu việt nhất là phương pháp gây mưa nhân tạo. Với phương pháp này, việc nghiên cứu ảnh hưởng của các nhân tố 6 cấu trúc rừng đến khả năng điều tiết bảo vệ đất của rừng trở nên dễ dàng hơn, kết quả thu được chính xác hơn và thời gian nghiên cứu được giảm xuống. Áp dụng phương pháp nghiên cứu tiến bộ này, nhóm tác giả Tao Liang, Hao Wang, Hsiang–te Kung và Chao–sheng Zhang khi nghiên cứu ảnh hưởng của 5 loại hình sử dụng đất (rừng tre, vườn trồng dâu tằm, rừng thông, mảnh đất trồng rau, ruộng lúa) đến sự mất đi các chất dinh dưỡng tại phía tây lưu vực Tiaoxi – Trung Quốc (2004) đã đưa ra kết luận với cường độ mưa 2mm/phút trong thì sau 10 phút dòng chảy mặt bắt đầu xuất hiện trên mảnh đất trồng rau, đối với 4 loại hình sử dụng đất còn lại thời gian trung bình để dòng chảy mặt xuất hiện là 2,5 – 5 phút. Khi nghiên cứu về thủy văn rừng bạch đàn tự nhiên, Lima và Oloughlin (Poore M.D, 1988) đã kết luận rằng tồn tại mối quan hệ tuyến tính giữa lượng mưa với lượng nước chảy men thân cây, dòng chảy mặt, lượng mưa bị tán rừng ngăn giữ… theo dạng y = a + bx (trong đó x là lượng mưa, y là dòng chảy mặt).
Mối liên hệ giữa dòng chảy với việc chặt rừng được nghiên cứu bởi nhiều tác giả. Theo Bosch và Hewlett (1986) (Phạm Văn Điển, 2006), thực sự tồn tại mối liên hệ nghịch của tổng lượng dòng chảy với rừng bị chặt ở 94 ô thí nghiệm đo nước ở nhiều nơi trên thế giới và đã hai ông cũng đã xác lập công thức tính mức gia tăng trữ lượng nước trong các mùa theo tỷ lệ khai thác trắng rừng. Ngoài ra cũng có những thí nghiệm đã cho thấy sự gia tăng của mực nước ngầm theo mức khai thác rừng. Sở dĩ có những nhận định và kết luận trái ngược như vậy là do nhiều tác giả đã không phân tích một cách đầy đủ mối quan hệ nhân quả giữa rừng – đất – chế độ mưa và những thành phần cân bằng nước trong các hệ sinh thái rừng.
Phần lớn những thí nghiệm đưa đến những kết luận về hiệu quả làm tăng sản lượng và tính ổn định của nguồn 7 nước do khai thác rừng đều tiến hành ở những vùng ôn đới – nơi có tổng lượng giáng thủy nhỏ và phân bố tương đối đều trong năm, ở những nơi mà khai thác không làm thay đổi mục đích sử dụng của đất như chuyển thành đất nông nghiệp hoặc đất đồng cỏ, nghĩa là chỉ làm thay đổi tình trạng của lớp phủ thực vật với mức độ nhất định, trong thời gian ngắn và đặc biệt không làm mất đi những tính chất thủy văn của đất rừng. Đối với vùng nhiệt đới nơi có lượng mưa lớn và chủ yếu tập trung vào mùa mưa trong năm thì việc khai thác rừng có ảnh hưởng rất lớn đến việc làm tăng dòng chảy mặt và khả năng xuất hiện lũ là rất lớn., (1998) bằng những nghiên cứu của mình đã tính toán được hệ số dòng chảy mặt cho một số mô hình sử dụng đất khác nhau dưới những nhóm đất khác nhau. Những nghiên cứu này tuy phần lớn được thực hiện tại các nước Châu Âu nhưng kết quả của nó có thể được sử dụng để so sánh, ước lượng cho những vị trí có điều kiện tương tự nhau tại các khu vực khác. Trong nghiên cứu dòng chảy bề mặt, việc xác định lượng dòng chảy bề mặt là một yếu tố vô cùng quan trọng.
Có nhiều phương pháp đo lượng dòng chảy mặt đất như xây bể kiên cố ở cạnh dưới ô mẫu để đo lượng nước chảy bề mặt và lượng đất xói mòn. Phương pháp này đã được áp dụng phổ biến ở nhiều nước phát triển trên thế giới từ những năm 40 của thế kỷ trước. Ưu điểm của nó là có độ tin cậy cao, nhưng có nhược điểm là tốn kém, phức tạp và nhiều khi không thể thực hiện được do điều kiện thi công khó khăn. Ngoài ra còn có phương pháp dùng máng kim loại để thu nước đặt ngay tại cạnh dưới của ô thí nghiệm, đưa lại hiệu quả thu nước tối ưu nhưng lại không linh hoạt do chỉ thích hợp với các ô mẫu đo dòng chảy có chiều rộng từ 0,5 – 2m (Gerlack, 1952).
Đến nay vẫn chưa có phương pháp nào đo lượng nước chảy bề mặt được coi là chuẩn mực trên phạm vi toàn thế giới để sử dụng một cách 8 thống nhất (Phạm Văn Điển, 2006). Tùy thuộc vào điều kiện thực tế của từng nghiên cứu mà áp dụng các phương pháp đo dòng chảy một cách linh hoạt và hợp lý. Nhìn chung nghiên cứu về dòng chảy mặt nói riêng và thủy văn rừng nói chung trên thế giới đã đạt đến những bước phát triển nhất định và có nhiều đóng góp cho nghiên cứu thủy văn học hiện đại. Đó chính là nền tảng vững chắc cho những nghiên cứu tiếp theo sau này.
Chất lượng nước dòng chảy mặt khởi đầu Sự phú dưỡng là một trong những lo ngại lớn đối với môi trường nước.