Nghiên cứu đặc tính dòng chảy mặt các mô hình sử dụng đất tại Lương Sơn, Hòa Bình

• Tác giả: Lại Thị Loan
• Người hướng dẫn: TS. Phùng Văn Khoa
• Trường học: Trường Đại học Lâm nghiệp
• Chuyên ngành: Lâm học
• Đề tài: Nghiên cứu đặc tính dòng chảy mặt của một số mô hình sử dụng đất tại Lâm trường Lương Sơn – huyện Lương Sơn - tỉnh Hòa Bình
• Loại tài liệu: Luận văn Thạc sỹ
• Năm xuất bản: 2009
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• ĐẶT VẤN ĐỀ
• 1. Chương 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 1.1. Về dòng chảy trên bề mặt đất
• 1.2. Chất lượng nước dòng chảy mặt khởi đầu
• 1.3. Những thành quả nghiên cứu về dòng chảy mặt

Tóm tắt

I. Toàn cảnh nghiên cứu dòng chảy mặt tại Lương Sơn Hòa Bình

Nghiên cứu dòng chảy mặt là một nhiệm vụ cấp thiết trong bối cảnh tài nguyên nước đang đối mặt với nhiều thách thức. Tại huyện Lương Sơn, tỉnh Hòa Bình, vấn đề này càng trở nên quan trọng do đặc thù địa hình đồi núi và hoạt động sản xuất nông lâm nghiệp. Dòng chảy mặt không chỉ là nguyên nhân chính gây ra xói mòn đất do mưa, mà còn là tiền đề của các hiện tượng ngập úng và lũ lụt Lương Sơn. Khi xuất hiện, dòng chảy cuốn theo các chất hữu cơ, bùn cát và chất hòa tan, làm suy giảm nghiêm trọng chất lượng nguồn nước. Điều này tác động trực tiếp đến đời sống và sản xuất của người dân, đặc biệt là ở các khu vực miền núi phụ thuộc vào nguồn nước tự nhiên. Các nghiên cứu trước đây tại Việt Nam về mối quan hệ giữa rừng và nước chủ yếu mang tính định tính. Do đó, việc thiếu các số liệu định lượng cụ thể đã tạo ra một khoảng trống lớn trong việc xây dựng các khuyến cáo khoa học về quản lý chất lượng nước và kiểm soát ô nhiễm. Nghiên cứu này được thực hiện nhằm mục tiêu lượng hóa và phân tích các đặc tính của dòng chảy bề mặt Lương Sơn dưới các mô hình sử dụng đất khác nhau. Từ đó, cung cấp cơ sở khoa học vững chắc cho công tác quản lý tài nguyên nước Lương Sơn, dự báo lũ và đề xuất các giải pháp sử dụng đất bền vững, góp phần bảo vệ môi trường và cải thiện sinh kế cho cộng đồng địa phương.

1.1. Tầm quan trọng của việc quản lý tài nguyên nước Lương Sơn

Tài nguyên nước là yếu tố sống còn, quyết định sự phát triển kinh tế - xã hội của Lương Sơn. Tuy nhiên, nguồn tài nguyên này đang bị suy thoái cả về số lượng và chất lượng. Nguyên nhân chính xuất phát từ tác động của sử dụng đất đến dòng chảy. Việc chuyển đổi đất rừng sang canh tác nông nghiệp, đặc biệt là các mô hình canh tác trên đất dốc, đã làm gia tăng tốc độ và khối lượng dòng chảy mặt. Hậu quả là tình trạng xói mòn trở nên nghiêm trọng, đất đai bạc màu, và nguy cơ lũ lụt, thiếu nước trong mùa khô ngày càng hiện hữu. Việc nghiên cứu các đặc điểm thủy văn huyện Lương Sơn và đánh giá định lượng dòng chảy giúp các nhà quản lý có cái nhìn chính xác về thực trạng. Từ đó, xây dựng các chiến lược quản lý tổng hợp, kết hợp giữa bảo vệ rừng đầu nguồn, áp dụng các biện pháp canh tác bền vững và quy hoạch sử dụng đất hợp lý nhằm bảo vệ nguồn nước cho tương lai.

1.2. Mục tiêu cốt lõi của đề tài nghiên cứu dòng chảy bề mặt

Nghiên cứu này đặt ra các mục tiêu cụ thể để giải quyết những thách thức đã nêu. Mục tiêu chung là đề xuất các biện pháp kỹ thuật và quản lý phù hợp nhằm hạn chế dòng chảy mặt, cải thiện chất lượng và số lượng nguồn nước. Mục tiêu cụ thể bao gồm: (1) Lượng hóa và so sánh lưu lượng nước mặt Hòa Bình dưới ba mô hình sử dụng đất đặc trưng là rừng trồng Keo lai, rừng trồng Bạch đàn và nương Sắn. (2) Phân tích mối quan hệ định lượng giữa các đặc tính dòng chảy mặt với các yếu tố ảnh hưởng như đặc điểm mưa, cấu trúc thảm thực vật, và tính chất thổ nhưỡng. Kết quả nghiên cứu không chỉ cung cấp các số liệu khoa học tin cậy mà còn là cơ sở để xây dựng các mô hình dự báo, hỗ trợ ra quyết định trong việc quản lý lưu vực sông một cách bền vững.

II. Thách thức từ dòng chảy mặt và xói mòn đất do mưa ở Hòa Bình

Dòng chảy mặt là một trong những thách thức môi trường lớn nhất tại các vùng đồi núi như Lương Sơn, Hòa Bình. Hiện tượng này xảy ra khi cường độ mưa vượt quá khả năng thấm của đất, tạo ra dòng nước chảy tràn trên bề mặt. Quá trình này không chỉ gây thất thoát một lượng nước ngọt quý giá mà còn kéo theo nhiều hệ lụy tiêu cực khác. Nghiên cứu của nhiều tác giả trên thế giới và tại Việt Nam đều khẳng định, dòng chảy mặt là tác nhân chính gây ra xói mòn đất do mưa. Lớp đất mặt màu mỡ bị cuốn trôi, làm suy thoái tài nguyên đất, giảm năng suất cây trồng và gây khó khăn cho hoạt động sản xuất nông nghiệp. Hơn nữa, lượng bùn cát và vật chất lơ lửng theo dòng chảy đổ về các sông suối gây bồi lắng lòng sông, hồ chứa, làm giảm tuổi thọ các công trình thủy lợi. Đặc biệt, tại Lương Sơn, việc gia tăng dòng chảy mặt còn làm tăng nguy cơ ngập úng và lũ lụt Lương Sơn ở các vùng hạ lưu. Các trận mưa lớn có thể nhanh chóng tạo thành lũ quét, gây thiệt hại nghiêm trọng về người và tài sản. Vấn đề càng trở nên phức tạp khi các mô hình sử dụng đất thiếu bền vững như trồng cây nông nghiệp ngắn ngày trên đất dốc không có biện pháp bảo vệ. Điều này làm phá vỡ cấu trúc đất, giảm độ che phủ thực vật và làm trầm trọng thêm các tác động tiêu cực của dòng chảy mặt.

2.1. Tác động của sử dụng đất đến dòng chảy và ngập úng

Thảm thực vật, đặc biệt là rừng, đóng vai trò như một "tấm bọt biển" tự nhiên, có khả năng điều tiết nước mưa hiệu quả. Tán lá cây làm giảm động năng của hạt mưa, lớp thảm mục và hệ rễ cây làm tăng khả năng thấm và giữ nước của đất. Tuy nhiên, tác động của sử dụng đất đến dòng chảy trở nên rõ rệt khi rừng bị thay thế bởi các loại hình sử dụng đất khác. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, lưu lượng dòng chảy ở nơi canh tác nông nghiệp có thể cao hơn từ 2,5 đến 27 lần so với nơi có rừng (Đỗ Đình Sâm và cộng sự, 2002). Tại khu vực nghiên cứu Lương Sơn, mô hình trồng sắn trên đất dốc cho thấy khả năng sinh dòng chảy cao nhất, do đất thường xuyên bị cày xới và thiếu lớp phủ bảo vệ. Điều này không chỉ gây mất đất, mất nước tại chỗ mà còn góp phần làm tăng đỉnh lũ và nguy cơ ngập úng cho các khu vực thấp hơn.

2.2. Hiện trạng suy giảm chất lượng nước mặt tại Hòa Bình

Chất lượng lưu lượng nước mặt Hòa Bình đang đối mặt với nguy cơ ô nhiễm từ chính dòng chảy bề mặt. Dòng chảy cuốn theo không chỉ đất cát mà còn cả dư lượng phân bón, thuốc bảo vệ thực vật từ các khu vực canh tác nông nghiệp. Sự gia tăng nồng độ các chất dinh dưỡng như Nitrat (NO3-) và Photphat (PO43-) trong nước là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng phú dưỡng, làm "tảo nở hoa", suy giảm oxy hòa tan và hủy hoại hệ sinh thái thủy sinh. Một nghiên cứu của Omernik (1976) cho thấy, nồng độ N và P trong nước bề mặt ở khu vực nông nghiệp cao hơn rất nhiều so với khu vực có rừng che phủ. Việc phân tích các chỉ tiêu hóa học trong nước dòng chảy mặt tại Lương Sơn là cực kỳ cần thiết để đánh giá mức độ ô nhiễm và xác định các nguồn gây ô nhiễm, từ đó có biện pháp kiểm soát và quản lý hiệu quả.

III. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm dòng chảy mặt tối ưu nhất

Để có được những kết quả định lượng chính xác về dòng chảy bề mặt Lương Sơn, một phương pháp nghiên cứu thực nghiệm chặt chẽ đã được áp dụng. Phương pháp luận của nghiên cứu dựa trên việc thiết lập hệ thống các ô thí nghiệm tại hiện trường để đo lường trực tiếp các yếu tố thủy văn. Cách tiếp cận này cho phép kiểm soát và phân tích mối liên hệ giữa dòng chảy với các nhân tố ảnh hưởng chính như đặc điểm mưa, loại hình sử dụng đất, và điều kiện địa hình, thổ nhưỡng. Luận văn đã lựa chọn ba mô hình sử dụng đất phổ biến nhất tại khu vực: rừng trồng thuần loài Keo lai, rừng trồng thuần loài Bạch đàn, và mô hình trồng Sắn. Tại mỗi mô hình, bốn ô thí nghiệm đã được bố trí một cách điển hình, đảm bảo tính đại diện và đủ điều kiện để áp dụng các phân tích thống kê. Các ô thí nghiệm được thiết kế với diện tích 6m² (3m x 2m), có gờ bao quanh để ngăn nước từ bên ngoài chảy vào và đảm bảo toàn bộ dòng chảy trong ô được thu gom. Việc sử dụng phương pháp thực nghiệm này giúp loại bỏ các yếu tố nhiễu và cung cấp số liệu quan trắc mưa Hòa Bình cũng như dòng chảy một cách khách quan và tin cậy, làm cơ sở vững chắc cho việc mô hình hóa dòng chảy mặt.

3.1. Thiết kế ô thí nghiệm và thu thập số liệu quan trắc mưa

Mỗi ô thí nghiệm được bố trí trên cấp độ dốc 20-25 độ, là cấp độ dốc điển hình của vùng. Cạnh dưới của ô được lắp đặt một bể chứa lót bạt không thấm nước để hứng toàn bộ lượng dòng chảy và vật chất xói mòn. Bên cạnh mỗi bể, một thiết bị đo mưa dưới tán được đặt để tính toán lượng mưa thực tế rơi vào bể. Các thông số về trận mưa như tổng lượng mưa, thời gian mưa và cường độ mưa được ghi nhận từ vũ kế đặt tại khu vực. Dữ liệu dòng chảy được thu thập sau mỗi trận mưa bằng cách đo đếm tổng lượng nước trong bể chứa. Quá trình thu thập số liệu được tiến hành cẩn thận, đảm bảo tính chính xác và đồng bộ giữa các ô thí nghiệm, tạo tiền đề cho việc phân tích và so sánh hiệu quả.

3.2. Phân tích các chỉ tiêu thủy hóa trong mẫu nước bề mặt

Bên cạnh việc đo lường khối lượng, chất lượng nước dòng chảy cũng là một nội dung nghiên cứu trọng tâm. Sau mỗi trận mưa, các mẫu nước được lấy từ bể chứa để mang về phòng thí nghiệm phân tích. Các chỉ tiêu quan trọng được đo đạc bao gồm: Nitơ (dưới dạng NO3-), Photpho (dưới dạng PO43-), Sunphat (SO42-), và tổng chất rắn lơ lửng (TSS). Việc phân tích được thực hiện bằng máy Quang phổ kế HACH theo các quy trình chuẩn. Các thông số như pH, nhiệt độ, tổng chất rắn hòa tan (TDS) được đo nhanh ngay tại hiện trường. Kết quả phân tích hóa học giúp đánh giá mức độ ô nhiễm của dòng chảy mặt từ các mô hình sử dụng đất khác nhau, qua đó cảnh báo về những nguy cơ đối với môi trường nước và sức khỏe con người.

IV. Phân tích đặc điểm thủy văn huyện Lương Sơn và các yếu tố

Để hiểu rõ cơ chế hình thành dòng chảy bề mặt Lương Sơn, việc phân tích các điều kiện tự nhiên và yếu tố ảnh hưởng là vô cùng cần thiết. Đặc điểm thủy văn huyện Lương Sơn chịu tác động tổng hòa của nhiều yếu tố, trong đó nổi bật là khí hậu, địa hình, thổ nhưỡng và đặc biệt là lớp phủ thực vật. Khu vực nghiên cứu mang đặc trưng khí hậu nhiệt đới gió mùa, với mùa mưa kéo dài từ tháng 4 đến tháng 10, chiếm trên 95% tổng lượng mưa cả năm. Lượng mưa trung bình năm đạt 1913mm, tập trung với cường độ lớn trong thời gian ngắn, là điều kiện thuận lợi cho việc phát sinh dòng chảy mặt và xói mòn. Yếu tố địa hình cũng đóng vai trò quan trọng; với địa hình chủ yếu là đồi núi đá vôi xen kẽ, độ dốc lớn, khả năng tập trung nước và gia tăng tốc độ dòng chảy là rất cao. Bên cạnh đó, các yếu tố về cấu trúc thảm thực vật và tính chất đất đai tại từng mô hình sử dụng đất có ảnh hưởng quyết định đến hệ số dòng chảy lưu vực. Nghiên cứu đã tiến hành khảo sát chi tiết các chỉ tiêu này để làm rõ vai trò của chúng trong việc điều tiết dòng chảy, từ đó cung cấp một bức tranh toàn diện về các quá trình thủy văn tại khu vực.

4.1. Đặc điểm địa hình Lương Sơn và cấu trúc thảm thực vật

Khu vực nghiên cứu có đặc điểm địa hình Lương Sơn điển hình là đồi núi bị chia cắt, độ cao tuyệt đối trung bình khoảng 500m so với mực nước biển. Đất đai chủ yếu là feralit phát triển trên đá Poocfirit, sa thạch, có thành phần cơ giới từ thịt nhẹ đến trung bình. Về thảm thực vật, hai mô hình rừng trồng có sự khác biệt. Rừng Keo lai có mật độ trung bình 610 cây/ha và độ tàn che 67%, sinh trưởng tốt và đồng đều hơn. Trong khi đó, rừng Bạch đàn có mật độ thưa hơn (545 cây/ha) và độ tàn che chỉ đạt 45%. Sự khác biệt về mật độ và độ tàn che này ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng cản giữ nước mưa của tán lá và bảo vệ mặt đất, qua đó tác động đến lượng dòng chảy được hình thành.

4.2. Mối liên hệ giữa lượng mưa và hệ số dòng chảy lưu vực

Kết quả nghiên cứu cho thấy mối tương quan chặt chẽ giữa lượng mưa và dòng chảy mặt. Võ Đại Hải (1996) đã mô hình hóa mối quan hệ này dưới dạng phương trình logarit, khẳng định vai trò của lượng mưa và cường độ mưa. Hệ số dòng chảy lưu vực – tỷ lệ giữa lượng nước chảy trên mặt so với tổng lượng mưa – là một chỉ số quan trọng phản ánh khả năng giữ nước của một lưu vực. Hệ số này không phải là hằng số mà thay đổi tùy thuộc vào loại hình sử dụng đất. Ở những nơi có thảm thực vật tốt như rừng Keo lai, hệ số dòng chảy thấp hơn đáng kể so với khu vực đất trồng sắn. Điều này chứng tỏ vai trò không thể thay thế của rừng trong việc biến dòng chảy mặt thành dòng chảy ngầm, làm giảm đỉnh lũ và tăng lượng nước cho mùa khô.

V. Kết quả định lượng dòng chảy từ các mô hình sử dụng đất khác

Kết quả từ nghiên cứu thực nghiệm đã cung cấp những bằng chứng định lượng rõ ràng về tác động của sử dụng đất đến dòng chảy tại Lương Sơn, Hòa Bình. Việc so sánh trực tiếp giữa ba mô hình rừng Keo lai, rừng Bạch đàn và nương Sắn cho thấy sự khác biệt đáng kể về khả năng sinh dòng chảy. Mô hình nương Sắn, với đặc điểm đất thường xuyên bị xáo trộn và thiếu lớp phủ thực vật bảo vệ, đã ghi nhận lượng dòng chảy mặt cao nhất. Ngược lại, mô hình rừng trồng Keo lai, nhờ có độ tàn che tốt, thảm mục dày và hệ rễ phát triển, đã thể hiện vai trò vượt trội trong việc hạn chế dòng chảy và bảo vệ đất. Rừng Bạch đàn cho kết quả ở mức trung gian, tốt hơn nương Sắn nhưng kém hiệu quả hơn rừng Keo lai. Những số liệu này không chỉ khẳng định lại các lý thuyết về thủy văn rừng mà còn cung cấp các giá trị hệ số dòng chảy lưu vực cụ thể cho từng loại hình, là dữ liệu đầu vào quan trọng cho các bài toán quy hoạch và quản lý tài nguyên nước. Phân tích sâu hơn về chất lượng nước cũng cho thấy dòng chảy từ nương Sắn chứa hàm lượng chất rắn lơ lửng và các chất dinh dưỡng cao hơn, tiềm ẩn nguy cơ gây ô nhiễm nguồn nước hạ lưu.

5.1. So sánh lưu lượng nước mặt giữa rừng Keo Bạch đàn và Sắn

Số liệu đo đạc trực tiếp từ các ô thí nghiệm cho thấy sự chênh lệch lớn về lưu lượng nước mặt Hòa Bình giữa các mô hình. Cụ thể, tổng lượng dòng chảy mặt ở mô hình Sắn cao hơn nhiều lần so với hai mô hình rừng trồng. Rừng Keo lai chứng tỏ hiệu quả giữ nước tốt nhất, với lượng dòng chảy mặt thấp nhất. Sự khác biệt này có thể được lý giải bởi các yếu tố cấu trúc thảm thực vật. Độ tàn che của rừng Keo lai (67%) cao hơn đáng kể so với rừng Bạch đàn (45%), giúp ngăn cản và phân phối lại lượng mưa hiệu quả hơn. Lớp thảm mục dưới tán rừng Keo cũng dày hơn, hoạt động như một lớp đệm thấm hút nước, trong khi ở nương Sắn, lớp bảo vệ này gần như không tồn tại.

5.2. Mô hình hóa dòng chảy mặt và các yếu tố liên quan

Nghiên cứu đã tiến hành mô hình hóa dòng chảy mặt bằng cách xây dựng các phương trình tương quan toán học. Các tác giả Phùng Văn Khoa (1997) và Phạm Văn Điển (1998, 2006) đã chỉ ra rằng mối liên hệ giữa lượng dòng chảy bề mặt (Y) và các chỉ tiêu tổng hợp (X) như độ dốc, độ xốp, độ che phủ có thể được biểu diễn tốt bằng phương trình bậc hai dạng: Y = a + bX + cX². Việc xây dựng các mô hình này cho khu vực Lương Sơn giúp dự báo lượng dòng chảy có thể phát sinh dưới các điều kiện mưa và tình trạng lớp phủ khác nhau. Đây là công cụ hữu ích cho các nhà quy hoạch trong việc đánh giá tác động của các phương án sử dụng đất, từ đó lựa chọn kịch bản phát triển bền vững nhất cho lưu vực.

VI. Hướng đi tương lai cho quản lý bền vững dòng chảy mặt

Từ kết quả của nghiên cứu về dòng chảy bề mặt Lương Sơn, có thể rút ra những định hướng quan trọng cho công tác quản lý tài nguyên nước và sử dụng đất trong tương lai. Rõ ràng, việc duy trì và phát triển lớp phủ rừng, đặc biệt là các mô hình rừng trồng có cấu trúc tốt như Keo lai, là giải pháp nền tảng và hiệu quả nhất để giảm thiểu dòng chảy mặt, chống xói mòn và bảo vệ nguồn nước. Công tác quản lý tài nguyên nước Lương Sơn cần được tiếp cận một cách tổng hợp, không chỉ tập trung vào các công trình thủy lợi ở hạ lưu mà phải bắt đầu từ việc quản lý bền vững lưu vực ở thượng nguồn. Các chính sách cần khuyến khích người dân áp dụng các mô hình nông lâm kết hợp, trồng cây theo đường đồng mức, và hạn chế tối đa việc canh tác các cây trồng ngắn ngày trên đất dốc mà không có biện pháp bảo vệ. Việc nâng cao nhận thức cho cộng đồng về vai trò của rừng đối với việc điều tiết nguồn nước là một nhiệm vụ quan trọng. Đồng thời, cần có sự hỗ trợ về kỹ thuật và chính sách để người dân có thể chuyển đổi sang các phương thức canh tác bền vững hơn, đảm bảo hài hòa giữa lợi ích kinh tế và bảo vệ môi trường.

6.1. Khuyến nghị giải pháp giảm thiểu lũ lụt Lương Sơn

Để giảm thiểu nguy cơ ngập úng và lũ lụt Lương Sơn, cần triển khai đồng bộ nhiều giải pháp. Trước hết, cần đẩy mạnh công tác trồng rừng, khoanh nuôi, bảo vệ và phục hồi rừng đầu nguồn. Ưu tiên các loài cây bản địa hoặc các loài cây đa tác dụng có hệ rễ phát triển mạnh và khả năng che phủ tốt. Đối với các khu vực canh tác nông nghiệp trên đất dốc, cần áp dụng các biện pháp kỹ thuật như làm ruộng bậc thang, trồng xen cây phân xanh, cây che phủ đất, và tạo các băng cây xanh cản dòng chảy. Các biện pháp này không chỉ giúp giữ nước, giữ đất tại chỗ mà còn góp phần cải tạo độ phì của đất. Ngoài ra, việc xây dựng các hồ chứa nhỏ, đập chắn cũng là giải pháp cần thiết để trữ nước mùa mưa và cắt giảm đỉnh lũ.

6.2. Triển vọng ứng dụng mô hình SWAT HEC HMS và GIS

Trong tương lai, để nâng cao hiệu quả quản lý, cần ứng dụng các công cụ và công nghệ hiện đại. Việc sử dụng công nghệ viễn thám và Hệ thống Thông tin Địa lý (GIS) để xây dựng bản đồ GIS dòng chảy và theo dõi biến động lớp phủ thực vật sẽ cung cấp dữ liệu đầu vào chính xác. Hơn nữa, việc áp dụng các mô hình SWAT, HEC-HMS cho phép mô phỏng chi tiết các quá trình thủy văn trong toàn bộ lưu vực. Các mô hình này có thể đánh giá tác động của các kịch bản sử dụng đất và biến đổi khí hậu và dòng chảy, từ đó giúp các nhà hoạch định chính sách đưa ra những quyết định tối ưu, xây dựng một tương lai phát triển bền vững và an toàn về tài nguyên nước cho Lương Sơn, Hòa Bình.