Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Lưu vực sông Đak Bla thuộc địa bàn tỉnh Kon Tum có chiều dài dòng chính khoảng 110,6 km, bắt nguồn từ đỉnh núi Ngọc Cơ Rinh (độ cao 2.039 m) thuộc khối núi Ngọc Linh, chảy theo hướng Đông Bắc – Tây Nam qua các huyện Kon Plong, Kon Rẫy, thành phố Kon Tum và một phần huyện Đak Hà trước khi hợp lưu với hệ thống sông Sê San. Đây là khu vực giữ vai trò chiến lược về phòng hộ đầu nguồn, cung cấp tài nguyên nước sinh hoạt, phục vụ tưới tiêu nông nghiệp và cung cấp nguồn năng lượng cho hàng loạt công trình thủy điện lớn như thủy điện Ya Ly, thủy điện Thượng Kon Tum.

Trong những năm qua, quá trình phát triển kinh tế – xã hội cùng áp lực gia tăng dân số đã dẫn đến tình trạng khai thác quá mức tài nguyên đất, rừng, cát sỏi và đá xây dựng. Việc chuyển đổi mục đích sử dụng đất thiếu quy hoạch khoa học, kết hợp với các hoạt động xây dựng công trình thủy điện và canh tác nông nghiệp trên các sườn dốc hiểm trở, đã thúc đẩy quá trình thoái hóa lưu vực diễn ra nghiêm trọng. Đặc biệt, hiện tượng xói mòn đất vào mùa mưa gây sạt lở, cuốn trôi hàng nghìn hecta đất rừng, hoa màu và đe dọa các khu dân cư ven sông suối. Đất đá và phù sa bị cuốn trôi trở thành lượng bồi lắng khổng lồ, bồi tụ lòng dẫn và các hồ chứa thủy điện, làm suy giảm dung tích tích trữ nước, cản trở tiêu thoát lũ và gây suy thoái hệ sinh thái thủy vực.

Trước thực trạng đó, việc quản lý và dự báo ảnh hưởng của quy hoạch sử dụng đất đến xói mòn và bồi lắng trở thành yêu cầu cấp thiết. Các phương pháp quan trắc thực địa truyền thống thường tốn kém chi phí, khó thực hiện trên quy mô không gian rộng lớn và địa hình hiểm trở, đồng thời không có khả năng mô phỏng các kịch bản tương lai. Do đó, việc ứng dụng các mô hình thủy văn phân bố kết hợp Hệ thống Thông tin Địa lý (GIS) mở ra giải pháp định lượng khoa học và hỗ trợ ra quyết định quy hoạch đất đai bền vững. Khóa luận tập trung giải quyết các mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

  1. Xây dựng các lớp cơ sở dữ liệu không gian và thuộc tính đầu vào chuẩn hóa phục vụ cài đặt mô hình SWAT cho lưu vực sông Đak Bla.
  2. Tính toán và mô phỏng lượng bồi lắng bùn cát trên lưu vực sông Đak Bla tại các mốc thời gian năm 2010 và dự báo năm 2020.
  3. Đánh giá, so sánh mức độ xói mòn và bồi lắng giữa giai đoạn hiện trạng (2005 – 2010) và giai đoạn quy hoạch (2015 – 2020).
  4. Đề xuất các nhóm giải pháp hạn chế xói mòn, bồi lắng nhằm hỗ trợ hoàn thiện phương án quy hoạch sử dụng đất bền vững cho địa phương.

Về phạm vi và giới hạn, nghiên cứu tập trung vào phạm vi lưu vực sông Đak Bla nằm trong địa giới hành chính tỉnh Kon Tum (chiếm diện tích trọng yếu qua huyện Kon Plong, Kon Rẫy, Đak Hà và TP. Kon Tum). Về mặt tác nhân vật lý, đề tài giới hạn đánh giá tác nhân xói mòn chủ yếu do nước (nước mưa và dòng chảy tràn bề mặt), không xét đến xói mòn do gió hoặc tác nhân cơ giới thuần túy. Nghiên cứu được thực hiện trong thời gian 4 tháng (từ ngày 27/02/2014 đến ngày 31/05/2014) tại Trung tâm Nghiên cứu Biến đổi Khí hậu thuộc Trường Đại học Nông Lâm TP. Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết thủy văn bề mặt, động lực học dòng chảy và các quy luật xói mòn – bồi lắng đất dốc nhiệt đới gió mùa:

  • Khái niệm và cơ chế xói mòn – bồi lắng: Xói mòn đất do nước được xác định là quá trình phá hủy và dịch chuyển tầng thổ nhưỡng bề mặt dưới tác động kết hợp của động năng hạt mưa và thế năng dòng chảy mặt. Động năng hạt mưa rơi xuống làm vỡ kết cấu đất (theo Ellison, động năng giọt mưa lớn hơn 256 lần động năng dòng chảy do nó sinh ra), sau đó dòng chảy phân tán cuốn trôi các phần tử đất theo triền dốc, tạo nên các dạng xói mòn lớp, xói mòn rãnh và mương xói. Quá trình bồi lắng xảy ra khi động năng dòng chảy suy giảm, khiến các hạt đất, phù sa, cát sỏi lơ lửng lắng đọng xuống triền sông, lòng dẫn hoặc đáy hồ chứa.
  • Mô hình SWAT (Soil and Water Assessment Tool): Công cụ mô phỏng phân bố theo thời gian liên tục do Jeff Arnold thuộc Cơ quan Nghiên cứu Nông nghiệp (USDA-ARS) và Đại học Texas A&M phát triển. SWAT chia lưu vực lớn thành các tiểu lưu vực (Sub-basins), sau đó tiếp tục chia nhỏ thành các Đơn vị Thủy văn Đồng nhất (Hydrologic Response Units - HRU), là sự kết hợp duy nhất giữa một loại hình sử dụng đất, một loại đất và một cấp độ dốc. Chu trình thủy văn trong SWAT vận hành qua hai pha: pha đất (kiểm soát cân bằng nước, tải lượng phù sa, dinh dưỡng từ HRU ra dòng nhánh) và pha nước (kiểm soát quá trình điều tiết, vận chuyển nước và bồi lắng dọc mạng lưới sông chính đến cửa xả).
  • Phương trình cân bằng nước pha đất: $$SW_t = SW_0 + \sum_{i=1}^n (R_{day} - Q_{surf} - E_a - w_{seep} - Q_{gw})$$ Trong đó: $SW_t$ là lượng nước trong đất tại ngày $t$; $SW_0$ là độ ẩm ban đầu; $R_{day}$ là lượng mưa; $Q_{surf}$ là dòng chảy mặt; $E_a$ là lượng bốc thoát hơi nước; $w_{seep}$ là lượng nước thấm vào tầng rễ chưa bão hòa; $Q_{gw}$ là dòng chảy ngầm trở lại dòng chính (tất cả tính bằng mm H₂O).
  • Cơ sở tính toán bồi lắng (Phương trình MUSLE): Lượng bồi lắng trầm tích hàng ngày ($sed$, tính bằng tấn) trong mô hình SWAT được tính toán bằng Phương trình Mất đất Phổ quát Sửa đổi (Modified Universal Soil Loss Equation - MUSLE, Williams, 1975): $$sed = 11.8 \cdot (Q_{surf} \cdot q_{peak} \cdot area_{hru})^{0.56} \cdot K_{USLE} \cdot C_{USLE} \cdot P_{USLE} \cdot LS_{USLE} \cdot CFRG$$ Trong đó: $Q_{surf}$ là thể tích dòng chảy mặt (mm H₂O/ha); $q_{peak}$ là lưu lượng đỉnh (m³/s); $area_{hru}$ là diện tích đơn vị thủy văn (ha); $K_{USLE}$ là chỉ số độ nhạy cảm xói mòn của đất; $C_{USLE}$ là hệ số che phủ thực vật và quản lý; $P_{USLE}$ là hệ số biện pháp canh tác bảo vệ đất; $LS_{USLE}$ là hệ số chiều dài và độ dốc sườn; $CFRG$ là hệ số mảnh thô.

Quy trình nghiên cứu kết hợp giữa công nghệ GIS và mô hình toán, sử dụng các phần mềm chuyên dụng ArcGIS, mô-đun ArcSWAT 2012, công cụ SWAT-CUP để kiểm định, cùng các công cụ phụ trợ TinhDEW (tính nhiệt độ điểm sương) và WGNmaker (tạo thông số trạm thời tiết).

Tên dữ liệu Định dạng / Quy cách Nguồn thu thập Mục đích sử dụng
Mô hình số độ cao (DEM) Dữ liệu Raster, độ phân giải không gian từ USGS Trang thông tin EarthExplorer (USGS) Trích xuất mạng lưới sông, phân định lưu vực, tiểu lưu vực và tính độ dốc ($LS$)
Bản đồ thổ nhưỡng Shapefile chuyển đổi sang Raster Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Kon Tum (2011) Xác định tính chất lý hóa đất, thành phần cơ giới và hệ số $K_{USLE}$
Hiện trạng sử dụng đất (2010) Shapefile chuyển đổi sang Raster Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Kon Tum (2011) Thiết lập lớp phủ mặt đất cho Kịch bản 1, tính hệ số $C_{USLE}$
Quy hoạch sử dụng đất (2020) Shapefile chuyển đổi sang Raster Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Kon Tum (2011) Thiết lập lớp phủ mặt đất cho Kịch bản 2, đánh giá tác động quy hoạch
Khí tượng – Thủy văn Số liệu đo ngày: mưa, nhiệt độ max/min, gió, ẩm, bức xạ Đài Khí tượng Thủy văn tỉnh Kon Tum; globalweather.tamu.edu Cung cấp điều kiện biên khí hậu từ năm 2000 đến 2020

Để kiểm tra độ tin cậy của mô hình thủy văn, nghiên cứu áp dụng hai chỉ số thống kê tiêu chuẩn thông qua chương trình SWAT-CUP: Hệ số xác định ($R^2$, yêu cầu giá trị đạt trên 0,7 để mô hình đạt mức khá – tốt) và Chỉ số hiệu quả Nash – Sutcliffe (NSI, dao động từ $-\infty$ đến 1, trong đó giá trị tiến gần 1 khẳng định mức độ trùng khớp cao giữa lưu lượng dòng chảy tính toán và số liệu thực đo tại trạm thủy văn).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Mở đầu

Chương này trình bày tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ tác động tiêu cực của suy thoái lưu vực, sạt lở đất và bồi lắng lòng dẫn tại khu vực Tây Nguyên dưới sức ép của việc quy hoạch đất đai chưa hợp lý. Tác giả phân tích ưu thế vượt trội của phương pháp mô hình toán học (tiêu biểu là SWAT) so với phương pháp thực nghiệm trong việc tiết kiệm kinh phí, khả năng mô phỏng lưu vực lớn, địa hình hiểm trở và cho phép dự báo định lượng theo kịch bản. Trên cơ sở đó, chương xác lập hệ thống 4 mục tiêu nghiên cứu cụ thể và giới hạn phạm vi đề tài vào các yếu tố xói mòn do dòng nước trên lưu vực sông Đak Bla trong khoảng thời gian làm việc 4 tháng.

Chương 2. Tổng quan tài liệu

Chương tổng quan cung cấp cơ sở dữ liệu học thuật và thực tiễn toàn diện trên năm nội dung cốt lõi:

  • Đặc điểm tự nhiên lưu vực sông Đak Bla: Nằm ở sườn Tây dãy Trường Sơn, độ cao dao động từ 558 m đến 2.039 m, địa hình phân hóa thành ba bậc rõ rệt (vùng núi cao hiểm trở phía Bắc có độ dốc trên $15^\circ$; vùng núi thấp trung tâm có độ dốc $15^\circ - 20^\circ$; vùng thung lũng, máng trũng phía Nam có độ dốc $10^\circ - 15^\circ$). Khí hậu mang tính chất cao nguyên nhiệt đới gió mùa, lượng mưa trung bình năm đạt 2.121 mm (biến thiên từ 1.234 mm đến 2.260 mm), tập trung 85 – 90% vào mùa mưa (tháng 5 đến tháng 10). Mạng lưới thủy văn gồm dòng chính Đak Bla và 18 nhánh sông suối cấp I và cấp II (Đak Pơ Ne, Đak Ne, Đak Akol, Đak Le...), mật độ mạng lưới 0,49 km/km², độ uốn khúc 2,03, độ dốc lòng dẫn trung bình 4%, tổng lượng dòng chảy năm đạt 2,106 tỷ m³ (chiếm 32,43% tổng lượng dòng chảy toàn tỉnh Kon Tum).
  • Lý thuyết xói mòn và bồi lắng: Phân tích cơ chế tác động của hạt mưa, các dạng xói mòn (xói mòn phẳng, xói mòn rãnh, mương xói) và 5 nhân tố ảnh hưởng (mưa, đất, địa hình, lớp phủ, con người). Tác giả trích dẫn số liệu thực nghiệm: sườn dốc tăng 2 lần thì xói mòn tăng 2 – 4 lần; rừng phòng hộ phủ kín chỉ mất 1 tấn đất/ha/năm trong khi nương sắn dốc mất đến 147 tấn đất/ha/năm; đất bazan trồng chè 1 tuổi tại Tây Nguyên mất từ 96 tấn/ha/năm (độ dốc $3^\circ$) lên 305 tấn/ha/năm (độ dốc $15^\circ$).
  • Nguyên lý và lịch sử mô hình SWAT: Truy nguyên nguồn gốc phát triển từ các mô hình CREAMS, GLEAMS, EPIC và SWRRP; các phiên bản cải tiến qua từng thời kỳ (SWAT 94.2 bổ sung HRU, SWAT 2000 bổ sung phương trình Green & Ampt, SWAT 2005, SWAT 2012); làm rõ cơ chế cân bằng nước và chu trình dòng chảy trong pha đất và pha nước.
  • Tổng quan nghiên cứu trong và ngoài nước: Hệ thống hóa các phương pháp đánh giá xói mòn trên thế giới (từ phương trình Musgrave, USLE, RUSLE, mô hình WEPP, EUROSEM, SWAT) và các công trình ứng dụng GIS/SWAT tiêu biểu tại Việt Nam (lâm trường Mã Đà, lưu vực sông La Ngà, sông Bến Hải, Hương Thủy).

Chương 3. Nội dung và phương pháp nghiên cứu

Chương 3 thiết lập quy trình kỹ thuật chi tiết để vận hành mô hình ArcSWAT 2012:

  • Quy trình xử lý dữ liệu: Cắt dữ liệu độ cao DEM theo ranh giới lưu vực bằng công cụ Extract by Mask trong ArcGIS; chuẩn hóa bản đồ hiện trạng sử dụng đất 2010 và bản đồ quy hoạch 2020 từ định dạng vector sang raster, gán mã phân loại lớp phủ tương thích bảng thuộc tính SWAT; chuyển đổi bản đồ thổ nhưỡng và lập bảng tra đặc tính cơ lý đất; xử lý chuỗi số liệu khí tượng ngày, chạy công cụ TinhDEW để tính điểm sương và công cụ WGNmaker để biên tập tập tin thời tiết tổng hợp.
  • Tiến trình mô phỏng: Thực hiện tuần tự 6 bước: (1) Phân định lưu vực và mạng lưới thoát nước tự động từ DEM; (2) Định nghĩa các đơn vị phản ứng thủy văn (HRU) dựa trên sự giao thoa giữa đất, lớp phủ và độ dốc; (3) Nhập dữ liệu khí tượng; (4) Thiết lập thông số và chạy mô hình; (5) Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình bằng SWAT-CUP thông qua chỉ số NSI và $R^2$; (6) Kết xuất và phân tích kết quả đầu ra.
  • Thiết lập kịch bản mô phỏng:
    • Kịch bản 1: Sử dụng bản đồ hiện trạng lớp phủ năm 2010 kết hợp chuỗi dữ liệu khí tượng thủy văn giai đoạn 2005 – 2010.
    • Kịch bản 2: Sử dụng bản đồ quy hoạch sử dụng đất năm 2020 kết hợp chuỗi dữ liệu khí tượng thủy văn giai đoạn 2015 – 2020.
    • Các kịch bản mở rộng: Kịch bản giữ nguyên diện tích rừng hiện có và kịch bản kết hợp giữ rừng với phủ xanh đất trống đồi trọc đến năm 2020.

Chương 4. Kết quả - Thảo luận

Chương này trình bày các phát hiện định lượng thu được từ mô hình:

  • Đặc điểm cơ sở dữ liệu đầu vào: Địa hình lưu vực dao động từ 558 m đến 2.039 m, phần lớn diện tích có độ dốc cao. Về hiện trạng sử dụng đất năm 2010, đất lâm nghiệp chiếm ưu thế tuyệt đối với diện tích rừng đạt 93.030 ha, tiếp đến là đất sản xuất nông nghiệp.
  • Kết quả mô phỏng xói mòn – bồi lắng:
    • Trong Kịch bản 1 (giai đoạn 2005 – 2010), mô hình SWAT tính toán tổng lượng bùn cát bồi lắng trong lưu vực sông Đak Bla đạt mức 21.060,2 tấn.
    • Mô phỏng dòng chảy đầu ra của lưu vực được kiểm chứng bằng phần mềm SWAT-CUP cho thấy độ tương thích tin cậy giữa đường quá trình thực đo và mô phỏng.
    • So sánh kết quả mô phỏng giữa các kịch bản cho thấy sự biến động sâu sắc của lượng bồi lắng phụ thuộc vào tỷ lệ diện tích rừng bị chuyển đổi hay được bảo tồn. Ở các kịch bản có sự suy giảm diện tích rừng do chuyển đổi mục đích sang đất canh tác hoặc xây dựng hạ tầng, lượng bồi lắng gia tăng đột biến. Ngược lại, kịch bản duy trì diện tích rừng và đẩy mạnh phủ xanh đất trống đồi núi trọc giúp triệt tiêu đáng kể lượng bùn cát xâm nhập vào mạng lưới sông suối.
  • Đề xuất giải pháp quy hoạch đất đai: Tác giả xây dựng 4 nhóm giải pháp kỹ thuật và quản lý: (1) Giải pháp tăng thảm phủ thực vật và bảo vệ nghiêm ngặt diện tích rừng đầu nguồn; (2) Hài hòa giữa phát triển kinh tế (công nghiệp thủy điện, khai khoáng) với bảo vệ môi trường sinh thái; (3) Kiểm soát tốc độ đô thị hóa và xây dựng cơ sở hạ tầng giao thông hạn chế đào bới taluy; (4) Áp dụng các kỹ thuật canh tác nông nghiệp chống xói mòn trên đất dốc (làm đất theo đường đồng mức, trồng băng cây xanh chắn sóng/chắn đất).

Chương 5. Kết luận và kiến nghị

Tổng kết toàn bộ kết quả nghiên cứu, khẳng định tính khả thi và hiệu quả của việc ứng dụng mô hình SWAT kết hợp GIS trong việc định lượng hóa quá trình xói mòn, bồi lắng phục vụ quy hoạch đất. Đồng thời, tác giả đưa ra các kiến nghị đối với chính quyền địa phương trong việc tích hợp các chỉ số môi trường đất – nước vào đồ án quy hoạch tổng thể phát triển kinh tế – xã hội tỉnh Kon Tum đến năm 2020.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu mang lại những đóng góp cụ thể về mặt dữ liệu định lượng, phương pháp luận kỹ thuật và cơ sở thực tiễn:

  • Bộ dữ liệu chuẩn hóa: Thiết lập hoàn chỉnh bộ cơ sở dữ liệu không gian tích hợp cho lưu vực sông Đak Bla, bao gồm mô hình số độ cao DEM (độ cao cực đại 2.039 m, cực tiểu 558 m), bản đồ phân loại đất, bản đồ hiện trạng sử dụng đất năm 2010 (xác định 93.030 ha đất rừng) và bản đồ quy hoạch sử dụng đất năm 2020, cùng hệ thống thông số trạm khí tượng thủy văn được hiệu chỉnh qua TinhDEW và WGNmaker.
  • Kết quả tính toán định lượng bồi lắng: Định lượng chính xác sản lượng bồi lắng trầm tích của lưu vực trong giai đoạn hiện trạng 2005 – 2010 là 21.060,2 tấn. Mô hình chỉ ra các khu vực tiểu lưu vực có nguy cơ bồi lắng và xói mòn cao nhất tập trung tại các sườn dốc thuộc vùng núi cao phía Bắc và trung tâm lưu vực, nơi có mạng lưới sông suối chia cắt mạnh và xuất hiện các hoạt động khai thác tài nguyên hoặc đất dốc thiếu che phủ.
  • Đánh giá các kịch bản quy hoạch đất đai: Chứng minh bằng số liệu mô phỏng mối tương quan nghịch giữa tỷ lệ che phủ rừng và sản lượng bồi lắng dòng chảy. Các kịch bản duy trì diện tích rừng phòng hộ kết hợp phủ xanh đồi trọc chứng minh khả năng giảm thiểu vượt trội lượng đất bồi tích so với kịch bản chỉ thuần túy mở rộng đất sản xuất và đất xây dựng theo phương án quy hoạch ban đầu.
  • Đề xuất giải pháp khả thi:
    • Nhóm giải pháp thảm phủ: Bảo tồn diện tích 93.030 ha rừng hiện có, cấm tuyệt đối chặt phá rừng đầu nguồn; khoanh nuôi tái sinh và trồng rừng phủ xanh diện tích đồi trọc tại các tiểu lưu vực xung yếu.
    • Nhóm giải pháp canh tác và công trình: Bố trí cơ cấu cây trồng phù hợp trên đất dốc; khuyến khích các mô hình nông lâm kết hợp, làm ruộng bậc thang, đào rãnh ngăn dòng chảy tràn; kiểm soát chặt chẽ việc xả thải bùn cát từ các bãi khai thác khoáng sản và lòng hồ thủy điện.
    • Nhóm giải pháp quản lý: Đưa bản đồ phân vùng nguy cơ bồi lắng xói mòn vào quy trình thẩm định các dự án chuyển đổi mục đích sử dụng đất tại tỉnh Kon Tum.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận đã thẳng thắn ghi nhận một số giới hạn khách quan và chuyên môn trong quá trình thực hiện:

  • Hạn chế về thời gian và nguồn lực: Thời gian nghiên cứu giới hạn trong 4 tháng (từ tháng 2 đến tháng 5/2014), khiến việc thu thập chuỗi số liệu đo đạc thực tế về lưu lượng bùn cát tại các mặt cắt sông nhánh chưa thể triển khai liên tục và đồng bộ ngoài hiện trường.
  • Giới hạn tác nhân xói mòn: Đề tài chỉ xem xét tác nhân gây xói mòn duy nhất là dòng nước (nước mưa và dòng chảy tràn bề mặt theo mô hình MUSLE), chưa tính toán đến tác động cơ học trực tiếp do hoạt động đào đắp công trình giao thông, san nền đô thị hoặc khai thác vật liệu xây dựng (cát, sỏi, đá).
  • Phạm vi không gian hành chính: Nghiên cứu mới giới hạn phân tích phần lưu vực sông Đak Bla nằm trên địa phận tỉnh Kon Tum, chưa mở rộng đánh giá liên vùng đối với toàn bộ hệ thống lưu vực sông Sê San sang địa phận tỉnh Gia Lai và vùng hạ lưu Campuchia.
  • Hướng nghiên cứu tiếp theo: Mở rộng thu thập số liệu quan trắc bùn cát thực tế dài hạn tại nhiều trạm thủy văn cấp cơ sở để nâng cao độ chính xác hiệu chỉnh thông số trong SWAT-CUP; tích hợp thêm các kịch bản biến đổi khí hậu toàn cầu (nhiệt độ tăng, mưa cực đoan) vào mô phỏng bồi lắng; kết hợp các mô hình thủy lực hai chiều để mô phỏng chi tiết quá trình bồi xói đáy hồ chứa của các bậc thang thủy điện cụ thể trên dòng Đak Bla.

Giá trị tham khảo

Báo cáo khóa luận là tài liệu chuyên khảo mang giá trị ứng dụng và học thuật cao cho nhiều nhóm đối tượng:

  • Sinh viên và học viên cao học: Đặc biệt hữu ích cho sinh viên các ngành Hệ thống Thông tin Môi trường, Quản lý Tài nguyên và Môi trường, Kỹ thuật Trắc địa – Bản đồ, Quản lý Đất đai, Địa lý Tự nhiên và Kỹ thuật Tài nguyên Nước. Tài liệu là một hướng dẫn thực hành hoàn chỉnh từ khâu chuẩn bị dữ liệu GIS thô (DEM, bản đồ đất, bản đồ lớp phủ), chuẩn hóa bảng tra thuộc tính, đến quy trình vận hành ArcSWAT và sử dụng phần mềm SWAT-CUP để kiểm định mô hình thủy văn.
  • Cơ quan quản lý và tư vấn quy hoạch: Cung cấp tài liệu tham khảo cho Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Kon Tum, Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, cùng các viện quy hoạch đô thị – nông thôn trong việc đánh giá tác động môi trường chiến lược của các phương án quy hoạch sử dụng đất; hỗ trợ lựa chọn địa điểm và phương án bố trí cây trồng trên đất dốc nhằm kéo dài tuổi thọ cho các hồ chứa thủy điện lớn trên lưu vực.
  • Phần nội dung đáng tham khảo nhất: Quy trình trích xuất và xử lý dữ liệu khí tượng bằng công cụ TinhDEW và WGNmaker (Mục 3.2.4); phương pháp thiết lập ma trận Đơn vị Phản ứng Thủy văn (HRU) dựa trên sự phối hợp giữa bản đồ thổ nhưỡng và sử dụng đất (Mục 3.3); và cơ chế áp dụng phương trình mất đất cải biên MUSLE để mô phỏng bùn cát (Mục 3.5).

Câu hỏi thường gặp

1. Mô hình SWAT tính toán lượng bùn cát bồi lắng hàng ngày dựa trên công thức nào?

Mô hình SWAT tính toán sản lượng bùn cát bồi lắng hàng ngày ($sed$, tấn) bằng Phương trình Mất đất Phổ quát Sửa đổi (MUSLE) do Williams (1975) đề xuất. Khác với phương trình USLE truyền thống sử dụng năng lượng mưa, MUSLE sử dụng trực tiếp thể tích dòng chảy mặt ($Q_{surf}$) và lưu lượng dòng chảy đỉnh ($q_{peak}$) kết hợp với diện tích đơn vị thủy văn ($area_{hru}$), chỉ số xói mòn của đất ($K_{USLE}$), hệ số thảm phủ và quản lý ($C_{USLE}$), hệ số canh tác bảo vệ đất ($P_{USLE}$), hệ số độ dốc - chiều dài sườn dốc ($LS_{USLE}$) và hệ số mảnh thô ($CFRG$).

2. Đặc điểm địa hình lưu vực sông Đak Bla có tác động như thế nào đến nguy cơ xói mòn đất?

Địa hình lưu vực sông Đak Bla nằm ở phía Tây dãy Trường Sơn, có cao độ chênh lệch rất lớn từ 558 m đến 2.039 m, thấp dần từ Đông Bắc xuống Tây Nam. Vùng núi cao và núi trung bình ở phía Bắc có độ dốc bình quân trên $15^\circ$, mặt địa hình bị chia cắt hiểm trở tạo thành nhiều thung lũng sâu và khe suối dốc. Theo kết quả thực nghiệm được tác giả tổng hợp, độ dốc tăng 2 lần thì xói mòn tăng từ 2 đến 4 lần; chiều dài sườn dốc tăng 2 lần làm xói mòn tăng từ 2 đến 7,5 lần. Do đó, địa hình dốc đứng kết hợp lượng mưa tập trung là nguyên nhân hàng đầu thúc đẩy rửa trôi và sạt lở đất.

3. Hai kịch bản mô phỏng chính trong đề tài được thiết lập dựa trên các yếu tố nào và kết quả bồi lắng giai đoạn 2005 – 2010 là bao nhiêu?

Hai kịch bản chính được thiết lập dựa trên sự thay đổi đồng thời của dữ liệu lớp phủ bề mặt đất và chuỗi số liệu khí quyển:

  • Kịch bản 1: Sử dụng bản đồ hiện trạng lớp phủ năm 2010 và chuỗi số liệu thời tiết giai đoạn 2005 – 2010. Kết quả mô phỏng cho thấy lượng bồi lắng đạt 21.060,2 tấn.
  • Kịch bản 2: Sử dụng bản đồ quy hoạch sử dụng đất năm 2020 và chuỗi số liệu thời tiết giai đoạn 2015 – 2020, cùng các phương án so sánh về duy trì diện tích rừng và phủ xanh đất trống đồi trọc.

4. Tác giả sử dụng các chỉ số thống kê nào để kiểm định mô hình SWAT và thông qua công cụ gì?

Để kiểm tra độ tin cậy của mô hình thủy văn, tác giả sử dụng Hệ số xác định ($R^2$) và Chỉ số hiệu quả Nash – Sutcliffe (NSI) bằng cách so sánh lưu lượng dòng chảy mô phỏng với lưu lượng dòng chảy thực đo tại trạm thủy văn. Toàn bộ tiến trình kiểm định và phân tích độ nhạy của các thông số đầu vào được thực hiện tự động thông qua phần mềm chuyên dụng SWAT-CUP.

5. Vì sao tác giả kiến nghị phương án giữ nguyên diện tích rừng và phủ xanh đồi trọc thay vì phương án quy hoạch đất thuần túy?

Qua mô phỏng trên mô hình SWAT, tác giả nhận thấy thảm phủ thực vật đóng vai trò quyết định trong việc hấp thu động năng hạt mưa, làm chậm dòng chảy tràn mặt đất và cải thiện khả năng thấm của đất. Kết quả so sánh giữa các kịch bản năm 2020 cho thấy nếu giữ nguyên diện tích 93.030 ha rừng và phủ xanh đồi trọc, lượng bồi lắng giảm đi rõ rệt so với kịch bản chỉ mở rộng đất sản xuất và đất xây dựng theo quy hoạch, giúp bảo vệ dung tích các hồ chứa thủy điện và ngăn ngừa suy thoái tài nguyên đất lâu dài.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Kiều Minh Thông đã ứng dụng thành công chuỗi công nghệ tích hợp GIS và mô hình SWAT trong việc mô phỏng quá trình thủy văn và định lượng lượng bồi lắng bùn cát trên lưu vực sông Đak Bla, tỉnh Kon Tum. Kết quả nghiên cứu đã phản ánh rõ rệt sự biến động của lượng bồi lắng bùn cát giữa giai đoạn hiện trạng 2005 – 2010 (đạt 21.060,2 tấn) và các kịch bản quy hoạch đất đai đến năm 2020. Công trình cung cấp hệ thống luận cứ khoa học thực tiễn vững chắc, khẳng định vai trò sống còn của thảm phủ rừng đầu nguồn trong việc kiểm soát xói mòn, từ đó hỗ trợ tích cực cho các nhà quản lý trong công tác điều chỉnh và đề xuất phương án quy hoạch sử dụng đất phát triển bền vững tại địa phương.