Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Thuật ngữ “Thủy văn rừng” ra đời vào những năm đầu của thế kỷ XIII, 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. Trên thế giới, nghiên cứu thuỷ văn rừng hay nói cách khác là nghiên cứu khả năng giữ nước của rừng thường được tiến hành gắn liền với nghiên cứu xói mòn đất đã được rất nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm, các tác giả đã đề cập đến nhiều lĩnh vực khác nhau, trong đó đáng chú ý là những thành quản liên quan tới việc định lượng các thành phần trong phương trình cân bằng nước trong hệ sinh thái rừng, cụ thể: 2. Trên thế giới 2. Lượng nước mưa giữ lại trên tán Một trong những chỉ tiêu phản ánh khả năng giữ nước của rừng là lượng nước giữ lại trên tán.
Qua các kết quả nghiên cứu cho thấy tỷ lệ lượng nước mưa giữ lại trên tán rừng lá kim ôn đới chiếm 20 - 40% (Vương Lễ Tiên và Lý Á Quang, 1991). Những nghiên cứu ở Trung Quốc về tỷ lệ lượng nước mưa ngăn giữ bởi tán rừng tương ứng với các đới khí hậu khác nhau cho thấy phạm vi biến động của tỷ lệ lượng nước mưa bị ngăn giữ lại trong khoảng 11,4 - 34,3%, hệ số biến động 6,68 - 55,05%, trong đó tỷ lệ nước mưa bị giữ lại trên tán của rừng lá kim thường xanh Á nhiệt đới ở miền Tây là lớn nhất, rừng hỗn giao cây lá rộng thường xanh với cây lá rộng rụng lá á nhiệt đới, miền núi là nhỏ nhất (Vũ Chí Dân - Christoph Peisert - Dư Tân Hiểu, 2001). Lượng nước mưa gihữ lại bởi tán rừng phụ thuộc vào nhiều nhân tố, trong đó bao gồm loài cây, tuổi rừng, mật độ lâm phần, cấu trúc của tán rừng, tần suất mưa, cường độ mưa, thời gian mưa. Cũng giống như hệ sinh thái và quá trình thủy văn, lượng nước mưa ngăn giữ bởi tán rừng cũng biến động theo không 3 gian và thời gian.
Vì vậy, mục tiêu của việc nghiên cứu lượng nước mưa ngăn giữ bởi tán rừng là xây dựng được lý luận và mô hình thực nghiệm mô tả sự ngăn giữ nước mưa bởi tán rừng và chỉnh hợp nó vào trong mô hình thủy văn rừng.Hiện tại mô hình Rutter và mô hình giải tích Gash ( M. Waterloo, 1999; Gladwell J S, 2002) là tương đối hoàn thiện và được ứng dụng rộng rãi nhất trong số các mô hình hiện có trong việc mô phỏng lượng nước mưa giữ lại trên tán. Mô hình Rutter và mô hình Gash thích hợp cho việc mô phỏng sự ngăn giữ nước mưa của những khu rừng có tán lá tương đối dày đặc.Valente và cộng sự (1997) đã cải tiến hai mô hình này để mô phỏng quá trình ngăn giữ nước mưa của tán rừng thưa.M, (1997) đã mô phỏng khá thành công kết cấu không gian của lượng nước mưa lọt qua tán rừng và lượng nước mưa do tán rừng ngăn giữ của rừng trồng vân sam ở Na Uy. Những phát triển dựa trên mô hình của Rutter, ngoài mô hình giải tích của Gash ra, còn có mô hình của Mulder (1985).Whitehead D và Hinckley T M, (1991) cũng mô phỏng định lượng sự ngăn giữ nước mưa của tán rừng.
Ở nhiều nước khác, một số học giả đã xây dựng mô hình ngăn giữ nước mưa của tán rừng, trong đó có mô hình lấy nhân tố “độ khô ráo” của tán rừng, có mô hình lấy nhân tố “hệ số nước lọt qua” của tán rừng làm nhân tố chủ đạo (Vương Lễ Tiên và Lý Á Quang, 1991). Lượng nước chảy men thân Theo Bruijnzeel L A, (1990), nhiều công trình nghiên cứu về lượng nước chảy men thân trên thế giới đều cho kết quả là chúng thường chiếm từ 1 - 3% so với tổng lượng mưa. Đây là một tỷ lệ thấp so với các thành phần cân bằng nước khác, nhưng nó cung cấp một lượng chất dinh dưỡng cho các cây cá lẻ mà không nên bỏ qua (Herwitz F, 1986). Nhiều nhà thuỷ văn rừng nhận xét rằng, trong không ít trường hợp lượng nước chảy men thân của cây có đường kính lớn lại ít hơn lượng nước chảy men 4 thân của cây có đường kính bé (Weaver 1972; Lloyd và Marques Filho, 1988).
Điều này có thể do sự khác nhau bởi cách phân cành hoặc do lượng nước rơi từ tán lá của cây ở tầng trên xuống cây ở tầng dưới không như nhau. Vì vậy, khi điều tra lượng nước chảy men thân cần chú ý đầy đủ các yếu tố có ảnh hưởng đến nó như kích thước tán, góc phân cành, tầng thứ, v. Lượng nước mưa lọt tán Lượng mưa lọt tán đã được nhiều tác giả trên thế giới nghiên cứu. Nhìn chung kết quả nghiên cứu về lượng nước mưa lọt tán còn khiêm tốn, một số công trình được coi là có độ tin cậy cao nhưng mới chỉ đưa ra một số thông tin ban đầu như: tỷ lệ phần trăm của lượng nước mưa lọt tán so với tổng lượng mưa của các loại rừng thường ở mức 75% trở lên.
Lượng mưa lọt tán phụ thuộc vào cấu trúc tán lá, chỉ số diện tích lá và một số nhân tố khác … 2. Lượng nước giữ bởi vật rơi rụng trong rừng Nghiên cứu về khả năng hút giữ nước của vật rơi rụng trong rừng: vật rơi rụng, thảm mục trong rừng có khả năng ngăn giữ nước tương đối lớn, nên có tác dụng bổ sung nước cho đất và cung cấp nước cho thực vật của Vũ Chí Dân & Vương Lễ Tiên, 2001. Mặt khác vật rơi rụng lại cho nước có khả năng bốc hơi đi một cách dễ dàng, đó là những nghiên cứu của Black và Kelliher, 1989 (dẫn theo Vũ Chí Dân & Vương Lễ Tiên, 2001). Lượng nước hút giữ của lớp thảm mục trong rừng phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như: thành phần thảm mục, tuổi rừng, tình trạng phân giải thảm mục, tình trạng tích lũy của thảm mục, tình trạng giữ nước của thảm mục, loại hình lâm phần và đặc điểm của mưa.
Những nghiên cứu của Mật Vân, Trương Hồng Giang, Triệu Hồng Nhạn ở Trung Quốc đã chứng minh: lượng nước hút giữ của thảm mục có thể đạt tới 2 - 4 lần khối lượng khô của bản thân nó, tỷ lệ lượng nước giữ tối đa bình quân của thảm mục trong rừng là 309,54%, dung lượng nước hút giữ của nó nhỏ hơn 191% (Vũ Chí Dân & Vương Lễ Tiên, 2001). Lượng nước chảy bề mặt 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 dòng chảy bề mặt (Douglass 1977; Pritchett, 1979 – dẫn theo Phạm Văn Điển).
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 – dẫn theo Phạm Văn Điển). 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) 6 - đặt cơ sở cho việc hình thành lý luận về cơ chế phát sinh dòng chảy (dẫn theo Phạm Văn Điển). 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 tốnhư 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 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 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 (J. 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.A, 1960, 1973 – dẫn theo Phùng Văn Khoa). 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 7 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.