Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http //lrc tnu edu vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM NGUYỄN THÀNH LUÂN ỨNG DỤNG GIS VÀ VIỄN THÁM TRONG ĐÁNH GIÁ XÓI MÒN ĐẤT TRÊ[.]
Trang 1ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM
NGUYỄN THÀNH LUÂN
ỨNG DỤNG GIS VÀ VIỄN THÁM TRONG
ĐÁNH GIÁ XÓI MÒN ĐẤT TRÊN ĐỊA BÀN HUYỆN ĐỒNG HỶ, TỈNH THÁI NGUYÊN
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG
Thái Nguyên - 2019
Trang 2Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM
NGUYỄN THÀNH LUÂN
ỨNG DỤNG GIS VÀ VIỄN THÁM TRONG
ĐÁNH GIÁ XÓI MÒN ĐẤT TRÊN ĐỊA BÀN HUYỆN ĐỒNG HỶ, TỈNH THÁI NGUYÊN
Chuyên ngành: Khoa học môi trường
Mã số ngành: 8 44 03 01
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Hoàng Văn Hùng
Thái Nguyên - 2019
Trang 3LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng tôi Các số liệu sử dụng phân tích trong luận án có nguồn gốc rõ ràng, đã công bố theo đúng quy định Các kết quả nghiên cứu trong luận án do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách trung thực, khách quan và phù hợp với thực tiễn của Việt Nam Các kết quả này chưa từng được công bố trong bất kỳ nghiên cứu nào khác
HỌC VIÊN Nguyễn Thành Luân
Trang 4Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
LỜI CẢM ƠN
Để có thể hoàn thành đề tài luận văn thạc sĩ một cách hoàn chỉnh, bên cạnh sự nỗ lực cố gắng của bản thân còn có sự hướng dẫn nhiệt tình của quý Thầy Cô, cũng như sự động viên ủng hộ của gia đình và bạn bè trong suốt thời gian học tập nghiên cứu và thực hiện luận văn thạc sĩ Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến Thầy PGS.TS Hoàng Văn Hùng người đã hết lòng giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi hoàn thành luận văn này Xin chân thành bày
tỏ lòng biết ơn đến toàn thể quý thầy cô trong khoa Tài nguyên Môi trường và Phòng đào tạo – Đào tạo sau đại học, trường Đại học Nông Lâm – Đại học Thái Nguyên đã tận tình truyền đạt những kiến thức quý báu cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá trình học tập nghiên cứu và cho đến khi thực hiện đề tài luận văn Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến phòng Tài nguyên Môi trường huyện Đồng Hỷ, Ủy ban nhân dân huyện Đồng Hỷ đã không ngừng hỗ trợ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt thời gian nghiên cứu và thực hiện luận văn Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn đến gia đình, các anh chị và các bạn đồng nghiệp đã hỗ trợ cho tôi rất nhiều trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện đề tài luận văn thạc sĩ một cách hoàn chỉnh
Thái Nguyên, ngày tháng năm 2019
Tác giả luận văn Nguyễn Thành Luân
Trang 5MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN i
LỜI CẢM ƠN ii
MỤC LỤC iii
DANH MỤC BẢNG BIỂU vi
DANH MỤC HÌNH ẢNH vii
MỞ ĐẦU 1
1 Tính cấp thiết 1
2 Mục tiêu nghiên cứu 2
3 Ý nghĩa của đề tài nghiên cứu 2
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 3
1.1 Xói mòn đất và các nhân tố ảnh hưởng đến xói mòn đất 3
1.1.1 Xói mòn đất 3
1.1.2 Các quá trình xói mòn đất 5
1.1.3 Các nhân tố ảnh hưởng đến xói mòn đất 6
1.2 Nghiên cứu xói mòn đất trên thế giới 11
1.2.1 Các nghiên cứu xói mòn đất trên thế giới 12
1.2.2 Các phương pháp đánh giá xói mòn đất 15
1.2.3 Một số mô hình đánh giá xói mòn đất 17
1.3 Nghiên cứu xói mòn đất ở Việt Nam 19
1.4 Hệ thống thông tin địa lý (GIS) 22
1.4.1 Lịch sử phát triển của GIS 22
1.4.2 Ứng dụng GIS trực tiếp xây dựng bản đồ xói mòn 23
1.4.3 Ứng dụng GIS và mô hình hóa tính toán xói mòn đất 24
CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 26
2.1 Đối tượng nghiên cứu 26
2.2 Phạm vi nghiên cứu 26
2.3 Nội dung nghiên cứu 26
2.4 Phương pháp nghiên cứu 26
Trang 6Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
2.4.1 Phương pháp thu thập tài liệu, số liệu 26
2.4.2 Phương pháp kế thừa 27
2.4.3 Phương pháp tính toán các tham số theo phương trình của Wischmeier W.H và Smith D.D 27
2.4.4 Phương pháp chồng xếp xây dựng bản đồ xói mòn đất huyện Đồng Hỷ 35
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 37
3.1 Điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội huyện Đồng Hỷ, tỉnh Thái Nguyên 37 3.1.1 Điều kiện tự nhiên của huyện Đồng Hỷ, Thái Nguyên 37
3.1.2 Điều kiện kinh tế - xã hội của huyện Đồng Hỷ, tỉnh Thái Nguyên 44
3.2 Xây dựng bản đồ xói mòn đất huyện Đồng Hỷ giai đoạn năm 2013 và 2018 48
3.2.1 Xây dựng bản đồ hệ số xói mòn do mưa (R) 48
3.2.2 Thành lập bản đồ hệ số kháng xói của đất (K) 50
3.2.3 Thành lập bản đồ hệ số địa hình (LS) 53
3.2.4 Thành lập bản đồ hệ số lớp phủ thực vật (C) 55
3.2.5 Bản đồ hệ số canh tác (P) 56
3.2.6 Bản đồ xói mòn huyện Đồng Hỷ 58
3.3 Đề xuất một số giải pháp giảm thiểu và chống xói mòn đất tại khu vực nghiên cứu 64
3.3.1 Giải pháp nông nghiệp chống xói mòn đất 64
3.3.2 Giải pháp lâm nghiệp chống xói mòn đất 65
3.3.3 Giải pháp kết hợp nông, lâm nghiệp chống xói mòn đất 66
3.3.4 Chống xói mòn bằng biện pháp công trình 67
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 68
1 Kết luận 68
2 Kiến nghị 69
TÀI LIỆU THAM KHẢO 70
Trang 8Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Hệ số xói mòn đất của một số loại đất ở Việt Nam 30 Bảng 2.2: Bảng tra hệ số P theo hội khoa học đất quốc tế 35 Bảng 2.3: Phân cấp mức độ xói mòn đất theo TCVN 5299 – 1995 36 Bảng 3.1: Các loại đất chính của huyện Đồng Hỷ 41 Bảng 3.2: Hiện trạng sử dụng đất của huyện Đồng Hỷ năm 2017 43 Bảng 3.3: Kết quả tính hệ số R cho các trạm đo mưa huyện Đồng
Hỷ 48 Bảng 3.4: Hệ số kháng xói các loại đất huyện Đồng Hỷ 50 Bảng 3.5: Độ dốc trên các loại đất của huyện 54 Bảng 3.6: Bảng tính toán hệ số P huyện Đồng Hỷ năm 2013 và năm
2018 57 Bảng 3.7: Diện tích xói mòn đất theo các cấp độ huyện Đồng Hỷ năm
2013 và năm 2018 60 Bảng 3.8: Diện tích xói mòn đất huyện Đồng Hỷ năm 2018 phân theo
đơn vị hành chính 61
Trang 9DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1 Các nhân tố chính ảnh hưởng đến xói mòn đất 6 Hình 2.2 Sơ đồ các bước tính toán hệ số R trong GIS 29 Hình 2.3 Sơ đồ quy trình xây dựng bản đồ hệ số LS 33 Hình 3.1 Bản đồ hệ số xói mòn do mưa trên địa bàn huyện Đồng Hỷ
năm 2013 và năm 2018 49 Hình 3.2 Bản đồ hệ số kháng xói đất (K) của huyện Đồng Hỷ năm 2013
và 2018 52 Hình 3.3 Bản đồ mô hình số độ cao DEM huyện Đồng Hỷ 53 Hình 3.4 Bản đồ độ dốc năm 2013 và năm 2018 huyện Đồng Hỷ 53 Hình 3.5 Bản đồ hệ số địa hình LS huyện Đồng Hỷ năm 2013 và năm
2018 54 Hình 3.6 Bản đồ chỉ số khác biệt thực vật NDVI huyện Đồng Hỷ năm
2013 và 2018 55 Hình 3.7 Bản đồ hệ số lớp phủ thực vật (C) huyện Đồng Hỷ năm 2013
và năm 2018 56 Hình 3.8 Bản đồ hệ số canh tác P huyện Đồng Hỷ năm 2013 và năm
2018 57 Hình 3.9 Bản đồ phân cấp xói mòn đất huyện Đồng Hỷ năm 2013 58 Hình 3.10 Bản đồ phân cấp xói mòn đất huyện Đồng Hỷ năm 2018 59
Trang 10MỞ ĐẦU
1 Tính cấp thiết
Đất đai là một tài nguyên thiên nhiên quý giá của mỗi quốc gia và cũng là yếu tố mang tính quyết định sự tồn tại và phát triển của con người và các sinh vật khác trên trái đất Đất đai là tài sản mãi mãi với loài người, là điều kiện để sinh tồn, là điều kiện không thể thiếu được để sản xuất, là tư liệu sản xuất cơ
bản trong nông, lâm nghiệp Bởi vậy, nếu không có đất đai thì không có bất kỳ
một ngành sản xuất nào, con người không thể tiến hành sản xuất ra của cải vật chất để duy trì cuộc sống và duy trì nòi giống đến ngày nay Trải qua một quá trình lịch sử lâu dài con người chiếm hữu đất đai biến đất đai từ một sản vật tự nhiên thành một tài sản của cộng đồng, của một quốc gia
Đất đai là tư liệu sản xuất gắn liền với hoạt động của con người Con người tác động vào đất đai nhằm thu được sản phẩm để phục vụ cho các nhu cầu của cuộc sống Tác động này có thể trực tiếp hoặc gián tiếp và làm thay đổi tính chất của đất đai có thể chuyển đất hoang thành đất sử dụng được hoặc là chuyển mục đích sử dụng đất
Tuy nhiên hiện nay do thực trạng sử dụng đất, do ảnh hưởng bởi các yếu
tố tự nhiên Đất đai đã và đang bị ảnh hưởng tiêu cực Trong đó hiện tượng xói mòn đất là một trong những hệ quả tiêu cực mà con người và thiên nhiên gây
ra cho môi trường đất
Đồng Hỷ có tổng diện tích tự nhiên 427,73km2, trong đó đất lâm nghiệp chiếm 55,91%, đất sản xuất nông nghiệp 31,95%, đất phi nông nghiệp 10,78%
Là một huyện đang có nhiều chuyển dịch về cơ cấu kinh tế xã hội do đang trong quá trình tiếp nhận sự mở rộng địa bàn của thành phố Thái Nguyên Đặt ra những vấn đề cấp thiết trong sử dụng và bảo vệ tài nguyên đất trong phát triển kinh tế xã hội
Cho đến thời điểm hiện tại, đã có một số công trình nghiên cứu khoa học phục vụ cho phát triển kinh tế xã hội của huyện Đồng Hỷ nói riêng và tỉnh Thái
Trang 11Nguyên nói chung Tuy nhiên chưa có đề tài nào tiến hành đánh giá xói mòn đất bằng công nghệ GIS và viễn thám chi tiết cho khu vực này
Công nghệ GIS ngày càng nâng cao khả năng thu thập, xử lý và phân tích
dữ liệu thông tin địa lý Trong đó, các bài toán hỗ trợ cho đánh giá xói mòn đất như: xử lý ảnh số, mô hình hóa địa hình, chồng ghép phân tích dữ liệu, v.v… được tiến hành một cách hiệu quả và khách quan Trên thế giới, việc nghiên cứu đánh giá xói mòn đất được quan tâm tại nhiều quốc gia, đặc biệt là tại các khu vực có nguy cơ xói mòn cao Xuất phát từ những lí do trên và được sự nhất trí của nhà trường, dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Hoàng Văn Hùng Tôi tiến hành
thực hiện luận văn: “Ứng dụng GIS và viễn thám trong đánh giá xói mòn đất
trên địa bàn huyện Đồng Hỷ tỉnh Thái Nguyên”
2 Mục tiêu nghiên cứu
- Đánh giá hiện trạng xói mòn đất huyện Đồng Hỷ dựa trên ứng dụng công nghệ hệ thống thông tin địa lý (GIS)
- Đề xuất một số giải pháp chống xói mòn đất
3 Ý nghĩa của đề tài nghiên cứu
- Ý nghĩa khoa học: Luận văn ứng dụng hệ thống thông tin địa lý (GIS)
và viễn thám để đánh giá và dự báo xói mòn đất qua việc phân tích không gian và mối quan hệ của các nhân tố địa hình, thủy văn, thổ nhưỡng, thực vật và con người tại huyện Đồng Hỷ
- Ý nghĩa thực tiễn của luận văn: Đánh giá hiện trạng xói mòn đất tại huyện Đồng Hỷ, từ đó xây dựng bản đồ xói mòn đất khu vực nghiên cứu làm
cơ sở đề xuất một số giải pháp hạn chế xói mòn đất
Trang 12CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Xói mòn đất và các nhân tố ảnh hưởng đến xói mòn đất
1.1.1 Xói mòn đất
Xói mòn đất là quá trình tự nhiên làm ảnh hưởng đất tất cả các dạng địa hình Trong nông nghiệp, xói mòn đất là quá trình lớp đất mặt bị mang đi nơi khác do các yếu tố vật lý như nước và gió hoặc các yếu tố liên quan đến hoạt động trồng trọt Trong khi xói mòn là một quá trình tự nhiên, các hoạt động của con người làm gia tăng tốc độ xói mòn lên 10-40 lần Xói mòn gia tăng có thể gây ra các vấn đề tại vị trí đó hoặc những nơi khác liên quan đến các dòng trầm tích này Tại vị trí xói mòn như làm giảm sản lượng nông nghiệp và phá vỡ hệ sinh thái, cả hai yếu tố này làm giảm độ phì của tầng đất mặt Trong một vài trường hợp, kết quả cuối cùng là sự sa mạc hóa Các ảnh hưởng ngoài nơi xói mòn như sự lắng đọng trầm tích trên các kênh dẫn và gây phú dưỡng các vực nước, cũng như gây phá vỡ đường sá và nhà cửa liên quan đến trầm tích Xói mòn do gió và nước là hai yếu tố cơ bản làm giảm chất lượng đất; Nếu xét cả hai trường hợp này, chúng chiếm đến 84% sự xuống cấp của đất trên toàn cầu, nên đây là một trong những vấn đề môi trường quan trọng nhất toàn cầu (http://wikipedia.org)
Các kiểu xói mòn đất chính
Kiểu xói mòn do nước
Kiểu xói mòn do nước gây ra do tác động của nước chảy tràn trên bề mặt (nước mưa, băng tuyết tan hay tưới tràn) Hiện tượng xói mòn do nước gây ra đối với đất sản xuất nông nghiệp thường mạnh nhất ở các bề mặt đất trống, sau khi làm đất chuẩn bị gieo trồng Ðể xảy ra xói mòn, nước cần có năng lượng để tách các hạt đất, rồi sau đó vận chuyển chúng đi Mưa và nước có thể tách được các hạt đất song việc vận chuyển được chúng đi bao xa phải phụ thuộc vào
Trang 13dòng chảy Tác động của mưa gây ra xói mòn đối với đất gồm các tác động va đập phá vỡ, làm tách rời các hạt đất và sau đó vận chuyển các hạt đất bị phá hủy theo các dòng chảy tràn trên mặt đất Dòng chảy của nước có thể tạo ra các rãnh xói, khe xói hoặc bị bóc theo từng lớp, người ta chia kiểu xói mòn do nước gây ra thành các dạng:
- Xói mòn thẳng là sự xói lở đất, đá mẹ theo những dòng chảy tập trung,
ăn sâu tạo ra các rãnh xói và mương xói
- Xói mòn phẳng là sự rửa trôi đất một cách tương đối đồng đều trên bề mặt
do nước chảy dàn đều, đất bị cuốn đi theo từng lớp, phiến Khi lớp đất trên bề mặt bị xói mòn thì rất khó khôi phục và những thiệt hại của xói mòn có thể ảnh hưởng nghiêm trọng tới sức sản xuất của đất Ví dụ một phép tính đơn giản nếu đất bị xói mòn 1cm đất thì trên 1 ha đất mất đi 100m3 đất, tương đương 150 tấn, trong đó có 6 tấn mùn và 1,5 tấn đạm Trong khi đó, ở vùng nhiệt đới có những nơi xói mòn làm mất 3cm đất mặt hàng năm Riêng vùng đồi núi hàng năm bình quân mất đi khoảng 2cm điều này làm cho đất ở đây bị thoái hóa nhanh chóng Trên những vùng đất cao, dốc, mưa lớn còn tạo nên những dòng chảy cực đại trên sườn dốc và ngoài việc bào mòn lớp đất mặt chúng còn có khả năng tạo ra những dòng xói hoặc rãnh xói Có rãnh sâu 5 - 6m tới tận lớp đá mẹ và làm mất
đi hoàn toàn khả năng sản xuất của đất đai (http://wikipedia.org)
Kiểu xói mòn do gió
Kiểu xói mòn do gió là hiện tượng xói mòn gây ra bởi sức gió Ðây là hiện tượng xói mòn có thể xảy ra ở bất kì nơi nào khi có những điều kiện thuận lợi sau đây (http://wikipedia.org):
- Ðất khô, tơi và bị tách nhỏ đến mức độ gió có thể cuốn đi
- Mặt đất phẳng, có ít thực vật che phủ thuận lợi cho việc di chuyển của gió
- Diện tích đất đủ rộng và tốc độ gió đủ mạnh để mang được các hạt đất đi Thông thường đất cát là loại đất rất dễ bị xói mòn do gió vì sự liên kết
Trang 14gây ra khá phức tạp, đất bị chuyển dịch đi có thể dưới các hình thức nhảy cóc, trườn trên bề mặt hoặc bay lơ lửng
1.1.2 Các quá trình xói mòn đất
1.1.2.1 Xói lở sông suối
Xói lở sông suối là một vấn đề diễn ra tại nhiều nơi trên thế giới, ở những nơi này khi có thiên tai thì hậu quả của nó sẽ gia tăng, ảnh hưởng tiêu cực đến sinh kế của con người và các hoạt động cộng đồng khác
Theo Nguyễn Quang Mỹ (2005), quá trình xói lở sông suối được xác định theo công thức về động năng của dòng chảy như sau:
Trong đó: F: là động năng của khối nước chảy
m: là khối lượng nước chảy v: là vận tốc dòng chảy Qua công thức trên có thể nhận xét, động năng của dòng chảy tỉ lệ thuận với bình phương của tốc độ dòng chảy Trong quá trình xói lở, dòng chảy tạo
ra vật liệu, phù sa Tùy theo kích thước phù sa và tốc độ dòng chảy mà phù sa
có thể vận chuyển xuôi theo chiều dòng chảy Khi động năng của dòng chảy không đủ sức mang đi từng bộ phận vật chất, phù sa sẽ lắng đọng xuống dòng
sông gọi là quá trình bồi tụ
1.1.2.2 Xói mòn và rửa trôi bề mặt
Xói mòn và rửa trôi bề mặt là quá trình xói mòn do dòng chảy tạm thời trên sườn lúc mưa hoặc tuyết tan do chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố tự nhiên, trong đó yếu tố địa hình là quan trọng nhất Bên cạnh đó, yếu tố tác động
do con người cũng ảnh hưởng không nhỏ đến quá trình này, các tác động này đến chủ yếu từ các hoạt động như: Khai thác tài nguyên đất thiếu hợp lý, khai
thác tài nguyên rừng bừa bãi,…