Tổng quan nghiên cứu

Rừng giữ vai trò đặc biệt quan trọng đối với cân bằng sinh thái, bảo vệ nguồn nước, chống xói mòn và điều hòa khí hậu toàn cầu. Tại Việt Nam, diện tích rừng toàn quốc đã liên tục tăng trưởng từ 10.592.000 ha với độ che phủ 33,2% vào năm 1999 lên 13.075.000 ha với độ che phủ 39,5% vào năm 2010. Cùng với xu hướng chung, tỉnh Quảng Ngãi đã ghi nhận sự phục hồi mạnh mẽ của diện tích lâm nghiệp nhờ các chương trình trồng rừng quốc gia, nâng độ che phủ từ 24,8% (126.605 ha) năm 1999 lên 51,06% (263.087,58 ha) vào năm 2015.

Tuy nhiên, huyện Ba Tơ thuộc tỉnh Quảng Ngãi với diện tích tự nhiên trên 113.780 ha là khu vực trọng điểm về lâm nghiệp nhưng thường xuyên đối mặt với hiểm họa cháy rừng nghiêm trọng trong mùa khô hạn. Công tác phòng cháy và chữa cháy rừng tại địa phương trước đây chủ yếu dựa vào các phương pháp truyền thống mang tính chủ quan, dựa trên quan sát cục bộ và dữ liệu khí tượng đơn lẻ, chưa có công cụ đánh giá không gian tổng thể.

Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là ứng dụng tư liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 kết hợp công nghệ Hệ thống Thông tin Địa lý (GIS) và phương pháp phân tích thứ bậc để xác định các tiêu chí ảnh hưởng, từ đó thành lập bản đồ cảnh báo nguy cơ cháy rừng với độ chính xác cao. Đề tài được triển khai trong phạm vi không gian toàn huyện Ba Tơ từ tháng 7 năm 2017 đến tháng 01 năm 2018, kế thừa chuỗi số liệu khí tượng và diễn biến cháy rừng giai đoạn 2013-2017. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở dữ liệu số hóa trực quan, hỗ trợ quản lý hiệu quả hơn 100.000 ha đất lâm nghiệp, giảm thiểu tối đa thiệt hại tài nguyên và ngân sách cho công tác chữa cháy hàng năm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết sinh thái học lửa rừng và tam giác cháy kinh điển, khẳng định sự hình thành đám cháy là phản ứng oxy hóa bùng phát khi hội đủ ba yếu tố: oxy tự do trong khí quyển, nguồn nhiệt đạt ngưỡng bắt cháy từ 300 đến 500 độ C, và nguồn vật liệu cháy hữu cơ tích tụ dưới tán rừng.

Về mặt mô hình hóa nguy cơ, đề tài tích hợp lý thuyết dự báo cháy rừng của Nesterov thông qua chỉ số khí tượng tổng hợp P kết hợp với phương pháp dự báo khô hạn dài hạn theo chỉ số H của Phạm Ngọc Hưng và chỉ số khô hạn X của Thái Văn Trừng.

Bên cạnh đó, nghiên cứu vận dụng Lý thuyết Ra quyết định Đa tiêu chí thông qua Tiến trình Phân tích Thứ bậc (AHP) do Thomas Saaty khởi xướng năm 1980. Hệ thống khái niệm nền tảng bao gồm: Hệ thống Thông tin Địa lý (GIS) với khả năng quản lý và phân tích chồng lớp không gian; Công nghệ Viễn thám (Remote Sensing) khai thác dữ liệu phản xạ phổ vệ tinh; Bản đồ phân vùng nguy cơ cháy rừng; và Vật liệu cháy rừng (VLC) đại diện cho trữ lượng sinh khối dễ bắt lửa trên mặt đất.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của luận văn được thu thập toàn diện từ ảnh vệ tinh Landsat 8 chụp tháng 11 năm 2017 với độ phân giải không gian 30m tải từ Cục Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ, kết hợp dữ liệu khí tượng thủy văn gồm nhiệt độ và độ ẩm đo lúc 13 giờ hàng ngày trong 5 năm (2013-2017) tại Trạm Khí tượng Ba Tơ. Cỡ mẫu nghiên cứu bao trùm 100% diện tích đất lâm nghiệp trên địa bàn 19 xã, thị trấn của huyện Ba Tơ. Phương pháp chọn mẫu không gian theo mạng lưới điểm kiểm chứng thực địa được thực hiện để xác thực tọa độ các trạm bảo vệ rừng và các điểm cháy lịch sử thông qua thiết bị định vị GPS cầm tay.

Quy trình phân tích dữ liệu ứng dụng phần mềm ArcGIS để số hóa và chuẩn hóa 6 lớp bản đồ chuyên đề: hiện trạng rừng, nhiệt độ, độ ẩm không khí, mạng lưới giao thông, thủy văn và độ cao địa hình. Phương pháp AHP được lựa chọn nhằm xây dựng ma trận so sánh cặp đôi vuông cấp 6x6, chuẩn hóa vector trọng số ưu tiên và kiểm tra tỷ số nhất quán, bảo đảm tính khách quan trong việc lượng hóa mức độ ảnh hưởng của từng nhân tố. Lý do lựa chọn kết hợp AHP và GIS là nhằm tận dụng khả năng xử lý không gian đa biến linh hoạt, khắc phục triệt để nhược điểm của các phương pháp quan trắc điểm rời rạc trước đây. Toàn bộ quy trình tính toán và tích hợp cơ sở dữ liệu được hoàn thiện trong timeline 7 tháng nghiên cứu thực nghiệm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Phân tích không gian từ bản đồ tổng hợp nguy cơ cháy rừng huyện Ba Tơ mang lại những phát hiện then chốt sau:

  • Diện tích rừng thuộc cấp nguy cơ cháy cao chiếm tỷ trọng lớn nhất với 72.062,03 ha, tương đương 63,32% tổng diện tích tự nhiên của toàn huyện.
  • Diện tích có nguy cơ cháy rất cao đạt khoảng 32.880,00 ha, chiếm 28,92% diện tích, phân bố tập trung tại các khu vực rừng trồng sản xuất thuần loài và thảm cỏ cây bụi khô cằn.
  • Vùng có nguy cơ cháy thấp và trung bình chỉ chiếm tỷ lệ rất nhỏ, lần lượt là 5.249,03 ha (4,61%) và 3.588,26 ha (3,15%), chủ yếu nằm ở các khu vực rừng tự nhiên giàu độ ẩm, gần hệ thống sông suối lớn.
  • Tổng diện tích nằm trong vùng cảnh báo nguy hiểm (nguy cơ cao và rất cao) lên tới hơn 104.942 ha, chiếm 92,24% lãnh thổ, phản ánh mức độ dễ bị tổn thương cực lớn của tài nguyên rừng Ba Tơ trong mùa khô hạn.

Thảo luận kết quả

Dữ liệu phân tích chứng minh rằng sự kết hợp giữa kiểu thảm thực vật có khối lượng vật liệu cháy tích tụ cao và điều kiện vi khí hậu khắc nghiệt là nguyên nhân cốt lõi dẫn đến tình trạng nguy cơ cháy lan rộng. Các trạng thái rừng trồng keo và bạch đàn có lượng cành lá rụng lớn, kết hợp với nhiệt độ trung bình mùa khô tại trạm Ba Tơ thường xuyên vượt ngưỡng 35 độ C và độ ẩm không khí giảm sâu dưới 60%, tạo điều kiện tối ưu cho phản ứng bắt cháy.

Về mặt nhân sinh, phân tích vùng đệm giao thông cho thấy các khu vực rừng nằm trong phạm vi cách đường giao thông dưới 500m có mật độ cháy lịch sử chiếm trên 95% tổng số vụ, phản ánh nguồn nhiệt bắt nguồn chủ yếu từ hoạt động đốt thực bì, bất cẩn trong sinh hoạt và canh tác nương rẫy của người dân địa phương. Kết quả này hoàn toàn tương thích với các nghiên cứu lâm nghiệp hiện đại tại khu vực miền Trung, nhưng vượt trội hơn nhờ khả năng trực quan hóa phân vùng cụ thể từng tiểu khu.

Toàn bộ hệ thống dữ liệu kết quả được trình bày mạch lạc thông qua Bảng ma trận trọng số phân cấp AHP, Biểu đồ biến thiên nhiệt độ - độ ẩm trung bình giai đoạn 2013-2017, và Bản đồ chuyên đề phân vùng cảnh báo nguy cơ cháy rừng tỷ lệ 1/50.000 với 4 gam màu tương phản biểu thị rõ nét các mức độ rủi ro theo từng đơn vị hành chính cấp xã.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả phân vùng không gian, nghiên cứu đề xuất 4 nhóm giải pháp chiến lược nhằm nâng cao hiệu quả phòng cháy, chữa cháy rừng trên địa bàn huyện:

  1. Ứng dụng công nghệ bản đồ số trong giám sát tác nghiệp: Chuyển giao cơ sở dữ liệu GIS và bản đồ phân vùng nguy cơ cháy rừng cho Hạt Kiểm lâm huyện Ba Tơ nhằm số hóa công tác chỉ huy tác chiến, hướng tới mục tiêu giảm 50% thời gian tiếp cận hiện trường khi xuất hiện điểm cháy. Timeline triển khai từ quý II/2018 đến hết năm 2019, do Chi cục Kiểm lâm tỉnh Quảng Ngãi chủ trì phối hợp cùng Hạt Kiểm lâm huyện.
  2. Đầu tư công trình phòng chống cháy trọng điểm: Tập trung xây dựng hệ thống đường băng cản lửa xanh, chòi quan sát phát hiện lửa sớm và các hồ chứa nước dập lửa dung tích lớn tại 32.880 ha thuộc vùng nguy cơ rất cao. Target đặt ra là giảm thiểu 40% diện tích rừng bị thiệt hại trong giai đoạn 2018-2020, do Ban Chỉ đạo Phòng cháy chữa cháy rừng huyện Ba Tơ và các Ban Quản lý rừng phòng hộ trực tiếp thi công.
  3. Kiểm soát nguồn lửa nhân sinh và phân mùa canh tác: Thiết lập quy chế giám sát nghiêm ngặt hoạt động xử lý thực bì và đốt nương rẫy trong bán kính 1km quanh các khu rừng xung yếu vào thời điểm nắng nóng cao điểm từ tháng 3 đến tháng 8 hàng năm. Target nhằm cắt giảm 90% số vụ cháy bắt nguồn từ sự bất cẩn của con người, do Ủy ban nhân dân các xã phối hợp chặt chẽ với lực lượng kiểm lâm địa bàn thực hiện.
  4. Đào tạo kỹ thuật và xây dựng lực lượng xung kích: Tổ chức các khóa tập huấn chuyên sâu về kỹ năng sử dụng thiết bị định vị GPS, đọc bản đồ cảnh báo nguy cơ và vận hành phương tiện dập lửa cơ giới cho 100% cán bộ kiểm lâm và lực lượng bảo vệ rừng thôn bản. Timeline duy trì định kỳ hàng năm, do Ủy ban nhân dân huyện Ba Tơ phân bổ kinh phí và chỉ đạo tổ chức.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang giá trị ứng dụng cao cho 4 nhóm đối tượng chính:

  • Cán bộ quản lý ngành Kiểm lâm và Lâm nghiệp: Cung cấp công cụ khoa học chính xác để Hạt Kiểm lâm Ba Tơ và Chi cục Kiểm lâm tỉnh Quảng Ngãi xây dựng phương án phòng chống cháy rừng thường niên, phân bổ nguồn lực tuần tra hợp lý vào các vùng nguy cơ rất cao.
  • Học viên cao học, sinh viên và nghiên cứu sinh chuyên ngành Lâm học, Quản lý Tài nguyên Rừng, Hệ thống Thông tin Địa lý (GIS) và Viễn thám: Đóng vai trò là tài liệu tham khảo chuẩn mực về phương pháp tích hợp mô hình AHP và phân tích ảnh vệ tinh Landsat 8 trong đánh giá rủi ro thiên tai lâm nghiệp.
  • Lãnh đạo chính quyền địa phương cấp huyện, xã và Ban Chỉ huy Phòng chống thiên tai: Sử dụng số liệu phân vùng không gian để ban hành các quyết định hành chính, phân cấp trách nhiệm quản lý lửa rừng và hoạch định chính sách an sinh gắn liền với bảo vệ tài nguyên sinh thái.
  • Chủ rừng, công ty lâm nghiệp và các ban quản lý rừng phòng hộ, đặc dụng: Ứng dụng quy trình đánh giá thực địa để thiết kế mạng lưới đường ranh cản lửa, bố trí hồ chứa nước dập cháy và quản lý an toàn trữ lượng vật liệu cháy dưới tán rừng trồng sản xuất.

Câu hỏi thường gặp

Công nghệ Viễn thám và GIS mang lại ưu thế gì vượt trội so với phương pháp dự báo cháy rừng truyền thống?

Viễn thám và GIS cho phép thu thập dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 độ phân giải 30m trên phạm vi hơn 113.780 ha, giúp phân tích không gian đa tiêu chí thay vì chỉ dựa vào dữ liệu điểm tại một trạm đo thời tiết đơn lẻ. Phương pháp này tiết kiệm tối đa kinh phí điều tra thực địa và nâng cao độ chính xác cảnh báo.

Tại sao phương pháp phân tích thứ bậc AHP lại cần thiết trong đánh giá nguy cơ cháy rừng tại Ba Tơ?

Phương pháp AHP lượng hóa mức độ quan trọng của 6 tiêu chí đầu vào thông qua ma trận so sánh cặp đôi chuẩn hóa. Thuật toán này giúp loại bỏ các đánh giá chủ quan của chuyên gia, xác định chính xác hiện trạng thảm thực vật và nhiệt độ là hai nhân tố có trọng số chi phối cao nhất đến nguy cơ bắt cháy.

Tỷ lệ diện tích rừng có nguy cơ cháy cao và rất cao tại huyện Ba Tơ được ghi nhận ở mức nào?

Kết quả tính toán cho thấy diện tích có nguy cơ cháy cao là 72.062,03 ha (chiếm 63,32%) và nguy cơ cháy rất cao là 32.880,00 ha (chiếm 28,92%). Tổng hai cấp độ nguy hiểm chiếm tới 92,24% lãnh thổ tự nhiên của huyện, đòi hỏi phương án kiểm soát đặc biệt nghiêm ngặt.

Yếu tố nào đóng vai trò là nguyên nhân phát sinh nguồn lửa chính gây cháy rừng tại địa phương?

Hơn 95% số vụ cháy rừng tại Ba Tơ xuất phát từ các hoạt động nhân sinh như đốt nương rẫy, xử lý thực bì không kiểm soát và sử dụng lửa bất cẩn gần hành lang giao thông. Phân tích vùng đệm cho thấy nguy cơ cháy bùng phát mạnh nhất trong cự ly dưới 500m tính từ mạng lưới đường giao thông.

Bản đồ cảnh báo nguy cơ cháy rừng của đề tài có khả năng cập nhật định kỳ như thế nào?

Bản đồ được thiết lập trên cấu trúc cơ sở dữ liệu GIS chuẩn hóa, cho phép định kỳ cập nhật ảnh vệ tinh Landsat mới nhất kết hợp chuỗi dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm hàng ngày theo quy định tại Quyết định số 127/2000/QĐ-BNN-KL để xuất bản tin dự báo biến động theo mùa.

Kết luận

  • Ứng dụng thành công công nghệ Viễn thám Landsat 8 và GIS để số hóa 6 lớp bản đồ chuyên đề phục vụ đánh giá cháy rừng tại huyện Ba Tơ.
  • Tích hợp chuẩn xác phương pháp phân tích thứ bậc AHP nhằm lượng hóa khách quan trọng số của các yếu tố khí tượng, thảm thực vật, địa hình và nhân sinh.
  • Xác định tổng diện tích rừng thuộc vùng nguy cơ cháy cao và rất cao lên tới 104.942,03 ha, chiếm 92,24% tổng diện tích toàn huyện.
  • Cung cấp luận cứ khoa học thực tiễn để đề xuất 4 nhóm giải pháp kỹ thuật, hạ tầng và quản lý nguồn lửa cho các cơ quan chuyên trách.
  • Xây dựng hoàn chỉnh cơ sở dữ liệu không gian số hóa tỷ lệ 1/50.000 làm công cụ trợ giúp ra quyết định cho công tác phòng cháy chữa cháy rừng địa phương.

Đóng góp lớn nhất của luận văn là hoàn thiện quy trình công nghệ tích hợp ảnh viễn thám và GIS trong dự báo nguy cơ cháy rừng cấp huyện, mở ra hướng ứng dụng hiện đại và chi phí thấp cho ngành lâm nghiệp. Trong giai đoạn 2018-2022, mô hình cần được tiếp tục mở rộng tích hợp dữ liệu viễn thám thời gian thực từ cảm biến MODIS và Sentinel để tự động hóa hoàn toàn hệ thống cảnh báo sớm.

Các cơ quan quản lý lâm nghiệp, viện nghiên cứu và chính quyền địa phương hãy khai thác ngay nguồn tài liệu chuyên sâu này nhằm nâng cấp phương án quản lý bảo vệ rừng và phòng chống cháy rừng một cách chủ động, bền vững.