Nghiên cứu quy luật biến động dòng chảy ở một số lưu vực điển hình của việt nam

Các chỉ số phản ánh đặc điểm của dòng chảy như: hệ số biến động dòng chảy, tốc độ tăng lũ, hệ số giảm lũ, thời gian trễ lũ, tổng lưu lượng dòng chảy tại các lưu vực có mối quan hệ với đặ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP

-

NGUYỄN VĂN ĐOÀN

NGHIÊN CỨU QUY LUẬT BIẾN ĐỘNG DÒNG CHẢY

Ở MỘT SỐ LƯU VỰC ĐIỂN HÌNH CỦA VIỆT NAM

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC LÂM NGHIỆP

Hà Nội - 2011

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP

-

NGUYỄN VĂN ĐOÀN

NGHIÊN CỨU QUY LUẬT BIẾN ĐỘNG DÒNG CHẢY

Ở MỘT SỐ LƯU VỰC ĐIỂN HÌNH CỦA VIỆT NAM

Chuyên ngành: Quản lý bảo vệ Tài nguyên rừng

Mã ngành: 60.62.68

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC LÂM NGHIỆP

Người hướng dẫn khoa học:

TS TRẦN QUANG BẢO

Hà Nội - 2011

ĐẶT VẤN ĐỀ

Lũ lụt và hạn hán là những thiên tai gây thiệt hại nhiều nhất đến đời sống kinh tế - xã hội mà hàng ngàn đời nay con người đã và đang phải chống chọi và tìm cách thích ứng Những tai biến, sự cố môi trường này ngày một diễn ra nhiều hơn đặc biệt tại những khu vực có lượng mưa lớn và tập trung Việt Nam, với 3/4 diện tích tự nhiên là vùng đồi núi, lại nằm trong khu vực khí hậu nhiệt đới mưa mùa và được đánh giá là một trong năm quốc gia bị ảnh hưởng nhiều nhất của biến đổi khí hậu toàn cầu, nên hạn hán và lũ lụt là một trong những yếu tố đe dọa đến sự phát triển bền vững kinh tế - xã hội của đất nước

Bản chất của lũ lụt và hạn hán là quá trình dâng lên hoặc suy giảm bất thường của dòng nước mà quá trình này gây thiệt hại về kinh tế, suy thoái môi trường, ảnh hưởng đến đời sống của con người Các chỉ số phản ánh đặc điểm của dòng chảy như: hệ số biến động dòng chảy, tốc độ tăng lũ, hệ số giảm lũ, thời gian trễ lũ, tổng lưu lượng dòng chảy tại các lưu vực có mối quan hệ với đặc điểm lưu vực như hiện trạng lớp phủ thực vật, độ dốc, độ chênh cao, diện tích, chu vi, hình dạng và chế độ mưa của lưu vực Tuy nhiên ảnh hưởng của đặc điểm lưu vực đến dòng chảy là không giống nhau, có những nhân tố ảnh hưởng mạnh và có tính chất quyết định tính chất dòng chảy và có những nhân

cơ sở khoa học nên chưa hiệu quả Để góp phần xây dựng cơ sở lý luận cho các giải pháp quản lý và sử dụng lưu vực, đặc biệt là phòng tránh và giảm nhẹ thiên

tai, tôi chọn và thực hiện đề tài “Nghiên cứu quy luật biến động dòng chảy ở

một số lưu vực điển hình của Việt Nam”

Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Bản chất của nghiên cứu quy luật biến đổi dòng chảy trên các lưu vực

là nghiên cứu quá trình thủy văn của lưu vực Hiện nay nghiên cứu vấn đề này thường được tập trung vào một số nội dung sau:

1.1 Trên thế giới

1.1.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của rừng tới dòng chảy

1.1.1.1 Quan điểm về khả năng giữ nước của rừng

Vai trò giữ nước của rừng được hiểu là khả năng lưu giữ và tích luỹ nước

ở bất kỳ dạng nào - làm tăng lượng nước trong đất, giảm bốc thoát hơi nước, tăng mực nước ngầm, giảm dòng chảy bề mặt, hạn chế xói mòn đất, qua đó làm tăng và ổn định dòng chảy sông suối, cũng như làm sạch nước (Mon-tra-nop, 1960, 1973 - dẫn theo Vương Văn Quỳnh, 1999 [29]; Khanbecop, 1984 [14]; Bonell M, 1993 [45])

Khả năng giữ nước của rừng có thể được phản ánh thông qua các tiêu chí như giảm tỷ lệ dòng chảy mặt, tăng lượng nước ngầm, giảm cường độ và tần xuất xuất hiện lũ trên các sông suối, ổn định dòng chảy giữa các mùa trong năm Tuy nhiên khả năng giữ nước của rừng có giới hạn, nó phụ thuộc nhiều vào đặc điểm cấu trúc rừng và đặc điểm của đất rừng như (độ xốp, cấu tượng đất, tốc độ thấm nước, hàm lượng mùn, độ dày tầng đất) Những đặc điểm về cấu trúc lớp phủ thực vật, đất và địa hình quyết định dung tích chứa nước của rừng và đất rừng (Vu Chí Dân và Vương Lễ Tiên, 2001 [2])

1.1.1.2 Phương pháp nghiên cứu

Theo Thomas Dunne (1992) [71], Menachem Agassi (1996) [63], C.A.A Ciesiolka và C.W Rose (1998) [48], F.Agus và cộng sự (1998) [51], có hai phương pháp cơ bản để nghiên cứu khả năng giữ nước của rừng:

Một là, nghiên cứu lưu vực: Khả năng giữ nước của rừng được đánh giá

thông qua theo dõi sự thay đổi lưu lượng nước hoặc biến đổi tốc độ dòng chảy của sông suối trước và sau khi mưa, hoặc giữa mùa mưa và mùa khô,

và lượng vật chất xói mòn được vận chuyển tại đầu ra của lưu vực Với phương pháp này người ta chỉ có thể thấy được tác động tổng hợp của các trạng thái rừng mà không định lượng được khẳ năng giữ nước của từng trại thái riêng biệt

Hai là, nghiên cứu quá trình thuỷ văn trên sườn dốc: Nghiên cứu này

được thực hiện bằng cách bố trí các ô mẫu nghiên cứu và tiến hành đo đạc chi tiết trên các ô đó nhiều lần Phương pháp này cho kết quả nghiên cứu chính xác hơn, đặc biệt là ảnh hưởng của từng kiểu rừng đến quá trình thủy văn rừng như: lượng nước được giữ lại trên tán, tỷ lệ dòng chảy mặt, tỷ lệ dòng chảy ngầm, sói mòn đất….v.v Tuy nhiên phương pháp này đòi hỏi phải có sự đầu tư lớn và phức tạp hơn phương pháp đầu

Đặc điểm thuỷ văn rừng được biểu hiện thông qua vòng tuần hoàn nước (John D Hewlett, 1982 [57]) hay tuần hoàn thuỷ văn (G.Fiebiger, 1993 [52]) Quá trình tuần hoàn thuỷ văn rừng là một quá trình bắt đầu từ khi nước mưa

đi vào hệ sinh thái rừng, đến quá trình nước thấm xuống đất, hình thành dòng chảy mặt và dòng chảy ngầm, hình thành dòng chảy sông suối, bốc hơi nước vật lý và sinh lý và trở về khí quyển v.v Nghiên cứu thủy văn rừng cần xem xét một cách tổng hợp của nhiều yếu tố như: Chế độ khí hậu, thời tiết, độ dốc,

độ cao của lưu vực, hình dạng của lưu vực, đặc điểm đất và đặc điểm lớp thảm thực vật của lưu vực đó (Phạm Văn Điển, 2006 [10])

1.1.1.3 Những kết quả nghiên cứu điển hình

Nghiên cứu về thủy văn rừng trên thế giới đã thu được những thành quả quan trọng, các nghiên cứu đi từ định tính đến định lượng đặc biệt là đã một phần định lượng được các thành phần cân bằng nước trong hệ sinh thái rừng

và xác định, dự báo xói mòn đất Có thể kể ra một vài công trình nghiên cứu điển hình sau:

a Lượng nước mưa giữ lại trên tán rừng

Lượng nước mưa giữ lại trên tán là một trong những chỉ tiêu quan trọng phản ánh khả năng giữ nước của rừng Lượng nước mưa được giữ lại trên tán càng nhiều có thể tạo điều kiện để cho nước ngấm vào đất càng lớn, do đó làm giảm tỷ lệ dòng chảy mặt, giảm nguy cơ sói mòn đất, đặc biệt là trên các vùng đất dốc

Theo Bruijnzeel (1990b) [46], nhiều công trình nghiên cứu về lượng nước chảy men thân trên thế giới đều cho kết quả từ 1 - 3% so với tổng lượng mưa Các công trình nghiên cứu khả năng giữ nước của tán rừng lá kim ôn đới cho kết quả lượng nước mưa được giữ lại trên tán giao động từ 20 - 40% tổng lượng nước mưa (Gash và cộng sự, 1980; Rutter và cộng sự, 1971; Teklehaimanot, 1991 - dẫn theo Vương Lễ Tiên và cộng sự, 1991 [34]) Tại Trung Quốc nghiên cứu khả năng ngăn giữu nước mưa của tán rừng ở các đới khí hậu khác nhau cho kết quả tán rừng có thể ngăn giữ 11,4 - 34,3% tổng lượng nước mưa, hệ số biến động 6,68 - 55,05% Trong đó tỷ lệ nước mưa đươ ̣c giữ lại trên tán của rừng lá kim thường xanh á nhiệt đới, trên núi cao 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 (Vu Chí Dân - Christoph Peisert -

Dư Tân Hiểu (2001) [1]

Các kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, lượng nước được giữ lại trên tán rừng tùy thuộc vào lượng mưa, cường độ mưa, đặc điểm cấu trúc rừng Hiện

nay việc mô phỏng lượng nước mưa bị giữ lại trên tán rừng, người ta thường sử dụng mô hình Rutter và mô hình giải tích Gash (M.J Waterloo, 1999) [62]

Tỷ lệ phần trăm của lượng nước mưa lọt tán so với tổng lượng mưa của các loại rừng thường đạt từ 75% trở lên và tỷ lê ̣ này phụ thuộc vào cấu trúc tán

lá, chỉ số diện tích lá, đặc điểm mưa và nhân tố gió; Năng lượng của lượng nước mưa lọt tán ở rừng cây gỗ một tầng thường lớn hơn năng lượng của mưa

ngoài nơi trống (Jordan và C.F Herrera, 1981) [58]

b Lượng nước hút giữ bởi vật rơi rụng trong rừng

Lớp thảm mục có một ý nghĩa to lớn đối với đời sống của các sinh vật rừng và quá trình thủy văn rừng Lớp thảm mục không chỉ có tác dụng thấm nước, là lớp ma sát ngăn cản dòng chảy, mà khi chúng phân hủy sẽ tạo cho đất rừng tơi xốp hơn, do vậy làm tăng dung tích chứa nước của đất

Kết quả nghiên cứu ở vùng hồ Mật Vân - Trung Quốc ghi nhận rằng, khối lượng nước lưu giữ trong lớp thảm mục có thể đạt tới 2 - 4 lần khối lượng khô của bản thân nó, tỷ lệ khối lượng nước được giữ lại trong lớp thảm mục tối đa bình quân là 309,54% (Vu Chí Dân & Vương Lễ Tiên, 2001) [2] Những nghiên cứu về lượng nước hút giữ của lớp thảm mục trong rừng trồng phòng hộ trên cao nguyên Hoàng Thổ của Trương Hồng Giang (1989) [11], cho thấy rằng, tỷ lệ này hơn 191%

c Lượng nước chảy trên bề mặt đất và nước ngầm

Nhìn chung, đất rừng tự nhiên có khả năng thấm nước rất cao và ít khi xuất hiện dòng chảy bề mặt (Douglass, 1977 [49]; Pritchett, 1979 [65]) Tuy nhiên, khi rừng bị chặt hạ và trở nên thưa thớt và độ dốc mặt đất lớn, có thể tạo ra dòng chảy mặt (Ruxton, 1967 [66]; Imeson, A.C và Vis, 1982 [56]) Nói chung, đất rừng có tốc độ thấm nước lớn hơn so với các loại hình

sử dụng đất khác, tốc độ thấm nước ổn định của đất rừng có thể đạt 80

mm/giờ trở lên (Dunne, 1978) [50] Kết quả nghiên cứu của Trần Huệ Tuyền

(1994) [41] cho thấy, đất rừng có độ hổng ngoài mao quản lớn, thì tốc độ

thấm nước và lượng nước thấm của đất rừng sẽ tăng lên Theo kết quả nghiên cứu, mỗi hecta đất rừng có thể tích giữ được lượng nước 641 - 679 tấn/năm (Vu Chí Dân và Vương Lễ Tiên, 2001) [2]

Những kết quả nghiên cứu thủy văn và nghiên cứu môi trường sử dụng

chất đồng vị phóng xạ cho thấy, trong một số trường hợp, dòng chảy mạch

nước ngầm chính là nguồn gốc chủ yếu của lũ lưu vực; Quá trình lũ chủ yếu

là do “nước cũ” (Old water) bị "nước mới" thay thế đẩy ra ngoài tạo nên

(Skash và cộng sự, 1986, dẫn theo Phạm Văn Điển, 2006 [10])

1.1.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của đặc điểm lưu vực đến dòng chảy

Đặc điểm của lưu vực như kích thước, độ dốc, hình dạng, lớp thảm thực vật và chế độ khí hậu (lượng mưa, thời gian mưa và mùa mưa) là những nhân tố rất quan trọng ảnh hưởng đến đặc điểm của dòng chảy trên mỗi lưu vực như sản lượng nước của lưu vực, đỉnh lũ, độ muộn lũ Lĩnh vực nghiên cứu này đã được tiến hành rộng dãi trên thế giới để phát hiện ra mối liên hệ giữa đặc điểm dòng chảy với đặc điểm của lưu vực (Hewlett và cộng sự,

1984, 1977 [55] và [54]; Wolock, 1995 [72]; Singh, 1997 [67]; Bruijnzeel,

2004 [47]; Andreassian, 2004 [42])

Có rất nhiều yếu tố của lưu vực mà khi thay đổi sẽ làm thay đổi đặc điểm dòng chảy Nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước lưu vực đến quá trình thủy văn đã được thực hiện bởi Pilgrim và cộng sự (1982) [64] Nhóm tác giả này đã kết luận rằng “kích thước của lưu vực có thể ảnh hưởng rõ rệt không chỉ đến đặc điểm của dòng chảy trung bình mà còn ảnh hưởng đến biến động dòng chảy Khi kích thước lưu vực nhỏ, mức độ thay đổi của dòng chảy sông suối phụ thuộc rõ rệt vào lượng mưa và sự biến thiên của giòng lũ

có xu hướng tăng lên khi lượng mưa tăng và ngược lại” (Wood và cộng sự,

1988 [73]) Tại Quebec, Lajoie và cộng sự (2007) [59] đã phân tích đặc điểm dòng chảy theo từng tháng giữa các giòng sông tự nhiên, các giòng sông có kiểm soát và kết luận rằng kích thước của lưu vực có mức độ ảnh hưởng toàn bộ đến sự thay đổi của quá trình thủy văn và mức độ thay đổi theo mùa của dòng chảy

Với hình dạng lưu vực, Tabios và cộng sự (1988) [70] đã phát hiện ra rằng ở những lưu vực có hình dạng dài ảnh hưởng rõ rệt đến sự biến đổi của dòng chảy hơn là các lưu vực hình tròn Sự trì hoãn dòng chảy ở những lưu vực tập trung (hình tròn) có hiệu quả hơn các lưu vực có hình dạng dài (Goff

Ảnh hưởng của chế độ mưa đến dòng chảy: sự gia tăng của lưu lượng dòng chảy chịu ảnh hưởng rõ rệt bởi sự tăng lên của nước ngầm tại vùng cao hơn

sự tăng lên của lượng mưa (Pilgrim và cộng sự, 1982 [64]) Dựa vào việc so sánh 50 lưu vực lớn trên thế giới, Guillemette và cộng sự (2007) (dẫn theo Trần Quang Bảo, 2006 [43]) nhận thấy rằng đỉnh lũ bắt đầu từ khi mưa với những trận mưa có lượng mưa đủ lớn cho đến khi mưa bao trùm khoảng 30% lưu vực Ngoài ra còn nhiều tài liệu khoa khọc liên quan đến rừng và nước, đặc biệt là tài liệu phân tích ảnh hưởng của phân bố rừng đến sản lượng nước của lưu vực

Các nhà quản lý lưu vực thủy văn rất quan tâm đến mối liên hệ giữa lượng mưa và giòng chả Hewlett và cộng sự (1977, 1984) [54], [55] phân tích giưa lượng mưa và lưu lượng dòng chảy dựa trên số liệu mưa ghi chép của 30 năm tại vùng rừng đầu nguồn tại miền Nam Appalacians và kết luận rằng cường độ mưa theo giờ và theo phút không ảnh hưởng rõ ràng đến lưu lượng dòng chảy Lượng mưa, dòng chảy ban đầu, mùa và khoảng thời gian mưa có mối liên hệ khoảng 86.4% với tổng lưu lượng dòng chảy Một nghiên cứu về lượng mưa và lưu lượng dòng chảy tại một lưu vực tại Nepal chỉ ra rằng dòng chảy của lưu vực (mm) có mối tương quan cao nhất với lượng mưa (mm) và cường độ mưa lớn nhất trong 60 phút Mức độ thay đổi của đỉnh lũ (%) có xu hướng giảm với sự tăng của lượng mưa hàng năm và lượng mưa lớn nhất hàng ngày Cường độ thay đổi của đỉnh lũ (%) có su hướng giảm với

sự tăng dần của lượng mưa hàng năm và dòng chảy cực đại hàng ngày trong năm ở mùa xuân thường xuyên hơn so với giữa mùa đông (MacDonald và cộng sự, 1997) [60]

1.2 Ở Việt Nam

1.2.1 Nghiên cứu vai trò giữ nước của rừng

Ở Việt Nam nghiên cứu về khả năng giữ nước của lớp phủ thực vật được thực hiện chủ yếu theo 2 hướng tiếp cận chính chính là nghiên cứu trên quy

mô lưu vực và nghiên cứu trên quy mô khu rừng

1.2.1.1 Vai trò giữ nước của rừng trên lưu vực

Những nghiên cứu về vai trò của rừng tới việc thay đổi chế độ dòng chảy mặt tại các lưu vực nước và ảnh hưởng đến lượng nước của sông ngòi đã được thực hiện bởi Nguyễn Viết Phổ (1992) [25]; Vũ Văn Tuấn (1977, 1981, 1982) [36], [37], [38] Những nghiên cứu này đã cho thấy vai trò điều tiết nước hữu hiệu của thảm thực vật rừng, đặc biệt là việc cung cấp nước cho sông, suối vào mùa khô

Nghiên cứu của Phạm Ngọc Dũng (1993) [3] cho thấy ở nước ta, cây rừng có khả năng tiêu thụ một lượng nước rất lớn Đất rừng cũng là một nhân

tố ảnh hưởng rất rõ rệt đến dòng chảy mặt Sự khác nhau về tính chất, chủ yếu

là tính chất vật lý của các loại đất sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến xói mòn đất và

Vai trò của rừng trong việc giữ nước là rất quan trọng Nghiên cứu của

Võ Minh Châu (1993 - dẫn theo Vương Văn Quỳnh, 1999 [29]) cho thấy sự suy giảm diện tích rừng đầu nguồn sông Ngàn Mọ từ 23.971 ha xuống còn 6.000 ha đã làm cho lượng nước hồ Kẻ Gỗ giảm đi đáng kể, giảm từ 340 triệu

m3 nước xuống còn 60 triệu m3, do đó không đảm bảo nước cho sản xuất nông nghiệp trên diện tích 6.000 ha

Đỗ Đình Sâm, Ngô Đình Quế và Vũ Tấn Phương (2002) [32] đã đưa ra dẫn liệu lưu lượng dòng chảy tại nơi có rừng thấp hơn từ 2,5 đến 27 lần so với khu vực canh tác nông nghiệp, rừng tự nhiên có tác dụng tốt hơn rừng trồng trong việc giảm dòng chảy mặt; dòng chảy kiệt ở nơi có rừng cao hơn ở nơi không có rừng

Trong ấn phẩm mới đây của Trung tâm sinh thái và môi trường rừng thuộc Viện Khoa học Lâm nghiệp Việt Nam (FSIV) và Chương trình sử dụng đất và lâm nghiệp thuộc Viện Quốc tế về Môi trường và Phát triển (IIED)

(2002) [35], với tiêu đề "Liệu rừng có phòng hộ đầu nguồn được không?", sau

khi phân tích bốn ví dụ điển hình nhóm tác giả đã kết luận như sau: Những bằng chứng về thuỷ văn rừng và chức năng phòng hộ đầu nguồn của rừng chưa được nghiên cứu đầy đủ ở Việt Nam Mặc dù chúng ta không thể khái quát được tất cả những khu vực đầu nguồn trong mọi hoàn cảnh, song kiến thức dự đoán tốt nhất hiện nay của chúng ta là: (1) - Rừng không làm tăng thêm dòng chảy mặt mà thực tế rừng thường làm giảm dòng chảy mặt; (2) - Rừng có thể hoặc không thể điều tiết được lưu lượng nước theo mùa; (3) - Rừng không tốt hơn các loại thảm thực vật khác trong việc hạn chế xói mòn đất; (4) - Rừng không phải là yếu tố quan trọng như là yếu tố khí hậu trong việc kiểm soát lũ, song nó có thể có tác động nhất định ở những lưu vực nhỏ Nhận định trên đây có hai điểm không thích đáng Một là, nếu rừng không tốt hơn các loại thảm thực vật khác trong việc hạn chế xói mòn đất, thì tại các vùng đất dốc đất đai sẽ bị suy thoái theo thời gian và kéo theo hệ sinh thái rừng trên đó cũng suy thoái và có thể biến mất, điều này trái với thực tế Chúng ta dễ dàng bắt gặp được ở những hệ sinh thái rừng tự nhiên, đặc biệt là rừng giầu và rừng trung bình thường có tầng đất dày, độ xốp cao thậm chí ở những vị trí có độ dốc cao và lượng mưa lớn Do vậy kết luận này có thể chỉ đúng cho một số loại rừng trồng hoặc rừng thứ sinh nghèo kiệt, cần loại trừ rừng tự nhiên ra khỏi nhận định trên Hai là, nếu coi yếu tố khí hậu có vai trò kiểm soát lũ thì không có tính thuyết phục bằng việc coi khí hậu là nhân tố có ảnh hưởng hoặc là nguyên nhân gây ra lũ lụt trên các lưu vực

Vương Văn Quỳnh và cộng sự, 2010 [31] khi nghiên cứu về tỷ lệ diện tích rừng rừng quy đổi cần thiết cho mỗi lưu vực dựa trên các nhân tố ảnh hưởng đến tần xuất xuất hiện lũ và yêu cầu giảm lũ là để tần suất xuất hiện lũ thấp hơn 1.5% đã xây dựng được biểu thức xác định tỷ lệ diện tích các thảm thực vật quy đổi và tỷ lệ diện tích rừng rừng quy đổi cần thiết như sau:

(TLTVQDct) = ((0.225233 + 0.010177*sqrt(DtichLV) + 0.047206*(doc) -0.45526*(HSHD)+ 0.000804* (Lmua))-1.5)/ 0.04443 (1-1)

Trong đó: TLTVQDct là tỷ lệ cần thiết của rừng và thảm thực vật (%) DtichLV là diện tích lưu vực (ha)

Doc là độ dốc trung bình của lưu vực (độ)

HSHD là chỉ số hình dạng lưu vực, được xác định bằng tỷ lệ giữa chu

vi lưu vực với chu vi hình tròn có diện tích bằng diện tích lưu vực

Lmua là lượng mưa của lưu vực

Vì tỷ lệ diện tích các loại đất khác chiếm khoảng 5% tổng diện tích lưu vực, còn lại 95% bao gồm diện tích các loại rừng, diện tích đất trống và diện tích đất nông nghiệp nên có thể xây dựng được công thức xác định tỷ lệ diện tích rừng quy đổi cần thiết cho lưu vực như sau

1.2.1.2 Nghiên cứu khả năng giữ nước quy mô khu rừng

Từ năm 1970 – 1985, Bộ môn Khí tượng thuỷ văn rừng thuộc Viện nghiên cứu Lâm nghiệp Việt Nam đã tổ chức nghiên cứu thực nghiệm về thuỷ văn rừng ở xã Tứ Quận, huyện Yên Sơn, tỉnh Tuyên Quang và ở núi Tiên, Hữu Lũng, Lạng Sơn Các tác giả tập trung chủ yếu vào việc tìm hiểu lượng nước chảy bề mặt và lượng đất xói mòn dưới tán rừng Bồ đề trồng thuần loài đều tuổi và một số trạng thái rừng tự nhiên (Bùi Ngạnh, Vũ Văn Mễ, 1995

[23]; Bùi Ngạnh và Nguyễn Danh Mô, (1977) [21]; Bùi Ngạnh và Nguyễn Ngọc Đích, (1985) [22]; Lê Đăng Giảng và Nguyễn Thị Hoài Thu (1981) [12]) Kết quả cho thấy sự thay đổi dòng chảy mặt trong phạm vi từ 5 - 20% phụ thuộc vào đặc điểm của trạng thái rừng, trong đó rừng tự nhiên luôn có tỷ

lệ dòng chảy mặt thấp nhất Trên cơ sở đó các tác giả đã đề xuất những mô hình bố trí các đai rừng giữ nước trên sườn dốc

Khi nghiên cứu đặc điểm thuỷ văn của một số trạng thái rừng ở Tây Nguyên, Võ Đại Hải và Nguyễn Ngọc Lung khẳng định vai trò điều tiết nước của rừng rất lớn, lượng nước mưa bị tán rừng ngăn cản dao động từ 5,7% đến 11,6% tuỳ thuộc vào từng loại rừng, lượng nước tạo thành dòng chảy ngầm và các dạng khác từ 88,2% đến 92,5% tổng lượng nước mưa, lượng nước mưa tạo thành dòng chảy mặt ở những nơi có rừng rất thấp, qua đó hạn chế khả năng hình thành lũ và lũ quét (Võ Đại Hải (1996) [13] , Nguyễn Ngọc Lung

và Võ Đại Hải (1997) [18]) Từ kết quả nghiên cứu này các tác giả đã bước đầu đưa ra cơ sở khoa học cho việc xây dựng rừng phòng hộ giữ nước, giữ đất

ở nước ta và tác giả đã xây dựng được bảng tra hệ số thảm thực vật (hệ số C) tương ứng với đặc điểm và cấu trúc của một số thảm rừng Tuy vậy, do số các dạng rừng nghiên cứu chưa được nhiều, đặc biệt là các dạng rừng trồng nên khả năng ứng dụng trong thực tiễn chưa cao

Trong nghiên cứu về đặc điểm thuỷ văn rừng Thông đuôi ngựa 14 tuổi tại núi Luốt - Xuân Mai - Hà Tây, Phùng Văn Khoa (1997) [15] đã xác định được lượng nước giữ lại trên tán rừng thông biến động từ 10 - 20% tổng lượng mưa và phụ thuộc vào lượng mưa, lượng nước mưa lọt qua tán biến động từ 80 - 90%, lượng nước chảy men thân cây biến động từ 3 - 5%, lượng nước thoát hơi của thực vật chiếm 30 - 40% tổng lượng mưa, lượng nước bốc hơi nước từ mặt đất rừng biến động từ 30 - 35%, lượng nước chảy bề mặt

chiếm từ 3 - 10% phụ thuộc chặt chẽ vào độ che phủ của cây bụi thảm tươi Lượng nước còn lại trong đất chiếm xấp xỉ 10 - 15%

Vương Văn Quỳnh và cộng sự (1994a, 1994b, 1996, 1997, 1999) [25], [26], [27], [28], [29] đã xây dựng phương trình dự báo xói mòn đất ở Việt Nam Trong trường hợp trên một diện tích đồng nhất chỉ có một kiểu rừng và không làm đất hàng năm, thì cường độ xói mòn đất được xác định như sau:

X CP

H TC

K d

TM).

10

2

2 6

(

31 , 2

K là chỉ số xói mòn của mưa được xác định theo công thức:

 12

1

100 / ]]

4 , 25 / ) ( 481 , 2 8263 , 5 [ 331 916 )[

4 , 25 /

Trong đó, Ri là lượng mưa tháng thứ i trong năm, tính bằng mm/tháng Trong trường hợp trên một diện tích đồng nhất có hơn hai kiểu rừng thì cường độ xói mòn bình quân được xác định theo công thức sau:

1

(1-5)

Trong đó Si là diện tích của kiểu rừng thứ i, di là cường độ xói mòn đất của kiểu rừng i, n là số kiểu rừng

Từ công thức tính cường độ xói mòn đất, Vương Văn Quỳnh và cộng sự (1999) [29] đã xác định tiêu chuẩn bảo vệ đất của rừng và lớp phủ thực vật nói chung thoả mãn điều kiện d < 0,8 mm/năm (tốc độ hình thành đất nhiệt đới trong điều kiện có canh tác, Hudson N, 1981)

Nguyễn Ngọc Lung và cộng sự (1995) [17] đã thiết lập bãi đo dòng chảy

và xói mòn đất tại xã Bình Thanh, vùng ven hồ thuỷ điện tỉnh Hoà Bình Các tác giả đã thiết lập 4 ô thí nghiệm định vị với diện tích 100 m2 (10 x 10 m) phân bố ở độ dốc từ 12 - 150 Mỗi ô thí nghiệm đại diện cho một trạng thái rừng (keo lá tràm, keo tai tượng, luồng, trẩu) Kết quả nghiên cứu cho thấy lượng đất xói mòn của bốn trạng thái rừng biến động từ 152,09 - 400,12 kg/ha, thấp nhất ở rừng keo lá tràm và cao nhất ở rừng trẩu; lượng nước chảy

bề mặt biến động từ 765,4 - 990,2 m3/ha, thấp nhất ở rừng keo lá tràm và cao nhất ở rừng trẩu Kết quả nghiên cứu này đã được Võ Đại Hải (1996) [13] kế thừa khi thực hiện đề tài luận án “Nghiên cứu các dạng cấu trúc hợp lý của một số thảm thực vật rừng chủ yếu ở Việt Nam”

Phạm Văn Điển (1998, 1999, 2000, 2001và 2003) [4], [5], [6], [7] và [8]

đã nghiên cứu đặc điểm thuỷ văn của một số thảm thực vật rừng tại xã Vầy Nưa, vùng ven hồ thuỷ điện thuộc huyện Đà Bắc, tỉnh Hoà Bình Tác giả đã chọn ba đối tượng thảm thực vật để nghiên cứu là rừng Keo tai tượng trồng thuần loài đồng tuổi (8 tuổi); trảng cây bụi phục hồi tự nhiên sau nương rẫy, thời gian phục hồi đã được 8 năm; trảng cỏ sau nương rẫy Sau khi lượng hoá từng thành phần cân bằng nước của tuần hoàn thuỷ văn và thiết lập mối quan

hệ định lượng của từng thành phần cân bằng nước với những nhân tố có ảnh hưởng quan trọng, tác giả đã đề xuất tiêu chuẩn cấu trúc của lớp thảm thực vật rừng giữ nước Tiêu chuẩn này được dựa trên cơ sở sự biến đổi của hệ số dòng chảy bề mặt theo ba nhân tố chủ yếu là độ dốc mặt đất, độ xốp tầng đất mặt (0 - 10 cm) và tổng của độ tàn che tầng cây cao với độ che phủ của cây

bụi thảm tươi Kết quả nghiên cứu này đã có ý nghĩa nhất định trong việc làm sáng tỏ đặc điểm thuỷ văn của một số thảm thực vật ở xã Vầy Nưa Tuy nhiên, do thời gian và phương tiện nghiên cứu có hạn, nên đề tài chỉ xây dựng được số lượng rất hạn chế ô thí nghiệm trong điều kiện không có sự khác biệt lớn về điều kiện lập địa và đặc điểm cấu trúc của lớp thảm thực vật rừng Điều này đã dẫn đến những hạn chế nhất định trong quá trình phân tích quy luật thuỷ văn rừng và xây dựng tiêu chuẩn rừng giữ nước

Phạm văn Điển (1998, 1999, 2000, 2001 và 2003) [4], [5], [6], [7] và [8] khi nghiên cứu về khả năng giữ nước của một số thảm thực vật ở vùng phòng hộ hồ thuỷ điện tỉnh Hoà Bình đã cho kết luật: Tỷ lệ phần trăm lượng nước giữ trên tán thảm thực vật dao động từ 2,91 - 18,55% tổng lượng mưa trong năm, tăng dần từ trảng cỏ, cây bụi, rừng trồng đến rừng tự nhiên Lượng nước giữ hữu hiệu của vật rơi rụng chỉ đạt từ 2,5 - 83,2 mm/ha/năm, tương đương với tỷ lệ 0,1 - 4,6% tổng lượng mưa Điều đó cho thấy rằng, vật rơi rụng có khả năng giữ nước rất hạn chế Tổng lượng nước giữ trên tán và vật rơi rụng của các trạng thái rừng từ 60,9 - 455,3 mm/ha/năm, tương đương với 3,04 - 22,70% tổng lượng mưa Lượng nước chảy bề mặt bình quân của các trạng thái rừng biến động từ 104,7 - 574,7 mm/ha/năm, tương đương với hệ

số dòng chảy mặt từ 5,2 - 28,7% Hệ số dòng chảy mặt cao nhất ở trảng cỏ, giảm xuống ở trảng cây bụi, rừng trồng và thấp nhất ở rừng tự nhiên

1.2.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của đặc điểm lưu vực đến dòng chảy

Ở Việt Nam, từ trước đến nay chưa có công trình nào nghiên cứu toàn diện về mối quan hệ giữa đặc điểm của lưu vực và đặc điểm của chế độ mưa đến dòng chảy đã được thực hiện Chỉ có một số nghiên cứu sơ bộ được thực hiện nhằm làm sang tỏ về vai trò thủy văn của rừng đối với đặc điểm dòng chảy và khả năng giữ nước của rừng (Nguyễn Viết Phổ, 1992 [25]; Võ Đại Hải, 1996 [13]; Vương Văn Quỳnh, 1996 [27])

Năm 2007 trong công trình “Nghiên cứu xác định diện tích rừng cần thiết cho các địa phương” (Vương Văn Quỳnh và cộng sự, 2007) [30] nhóm tác giả áp đã nghiên cứu những nhân tố ảnh hưởng tới tính chất thuỷ văn của rừng trên hệ thống 105 ô tiêu chuẩn điển hình ở các tỉnh Hoà Bình, Quảng Ngãi và Đắk Lắk Việc phân tích mối liên hệ giữa các đặc trưng dòng chảy gồm tổng lượng dòng chảy, hệ số biến động dòng chảy, hệ số tăng lũ, hệ số giảm lũ và độ muộn đỉnh lũ với các nhân tố ảnh hưởng là lượng mưa, diện tích rừng quy chuẩn, hệ số phân bố đều của rừng, độ chênh cao trung bình, độ dốc trung bình, hệ số hình dạng lưu vực, bề dày tầng đất trung bình đã cho một số nhận xét sau

- Hệ số biến động dòng chảy liên hệ chặt với với hình dạng lưu vực, diện tích lưu vực, tỷ số giữa độ che phủ rừng và hệ số đồng đều, mức chênh cao tuyệt đối bình quân và độ dốc bình quân của lưu vực

- Hệ số tăng lũ liên hệ với các nhân tố hình dạng lưu vực, diện tích lưu vực, tỷ số giữa độ che phủ rừng và hệ số đồng đều, mức chênh cao tuyệt đối bình quân, độ dốc bình quân, R=0.48

- Lưu lượng dòng chảy cực đại liên hệ chặt với các hệ số hình dạng lưu vực, diện tích lưu vực, tỷ số giữa độ che phủ rừng và hệ số đồng đều, mức chênh cao tuyệt đối bình quân, độ dốc bình quân, lưu lượng dòng chảy trước khi mưa và lượng mưa

- Phương pháp dự báo lưu lượng dòng chảy cực đại (một dạng của dự báo lũ) có thể được xây dựng từ phương trình liên hệ chặt giữa nó với lượng mưa, mực nước sông trước mưa, độ dốc trung bình, mức chênh cao trung bình, hình dạng lưu vực và tỷ lệ che phủ rừng quy đổi Sai số của dự báo được xác định là khoảng 20%

- Với giả thiết rằng sẽ không xảy ra lũ nguy hiểm nếu hệ số biến động dòng chảy của lưu vực không vượt quá 200%, nhóm nghiên cứu đã căn cứ

vào phương trình liên hệ giữa hệ số biến động dòng chảy với tỷ lệ che phủ rừng quy đổi và các yếu tố đặc trưng lưu vực để xác định tỷ lệ diện tích rừng quy đổi cần thiết Kết quả cho thấy phụ thuộc vào các yếu tố đặc trưng lưu vực và chỉ số mưa mà tỷ lệ diện tích rừng quy đổi cần thiết ở các lưu vực có thể dao động từ 20 đến 50%

Nhìn chung, nghiên cứu về khả năng giảm lũ của rừng ở Việt Nam chỉ mới thực sự bắt đầu trong vài chục năm gần đây Tuy nhiên, chúng cũng đã đạt được những thành tựu nhất định, đặc biệt về phương pháp nghiên cứu Nó không chỉ kế thừa được kinh nghiệm của thế giới trong nghiên cứu thuỷ văn rừng, mà còn vận dụng một cách sáng tạo những kỹ thuật mới trong xây dựng

cơ sở dữ liệu và phân tích thông tin để nghiên cứu khả năng giảm lũ của rừng

Vương Văn Quỳnh và cộng sự, 2010 [31] khi nghiên cứu về mối quan

hệ giữa lượng mưa và lưu lượng dòng chảy tại 15 lưu vực điển hình của Việt Nam đã kết luận rằng lưu lượng dòng chảy liên hệ chặt chẽ với lượng mưa Thời kỳ có lượng mưa cao cũng là thời kỳ có lưu lượng dòng chảy lớn Liên

hệ giữa lưu lượng dòng chảy với lượng mưa tương đối chặt Hệ số tương quan trong các phương trình thực nghiệm dao động từ 0.7 – 0.9

Tuy nhiên đỉnh lũ thường lệch so với đỉnh mưa một khoảng thời gian nhất định Ở các lưu vực nghiên cứu Miền Bắc và Miền Trung đỉnh lũ thường chậm hơn đỉnh mưa chừng 1-2 ngày, còn ở Tây Nguyên thường chậm hơn 15-20 ngày Nhóm tác giả khi nghiên cứu sự hình thành lũ trong lưu vực đãphân tích liên hệ của các nhân tố ảnh hưởng là tỷ lệ rừng quy đổi (%), diện tích (ha), độ dốc (độ),

hệ số hình dạng, lượng mưa (mm) với tần suất lũ, kết quả phân tích thống kê cho thấy mức liên hệ của tần suất xuất hiện lũ với các nhân tố anh hưởng có mức liên

hệ rõ rệt, chỉ tiêu kiểm tra Significance F nhỏ hơn so với mức 0.05 và phương trình thực nghiệm để xác định tần suất xuất hiện cường độ tăng lũ vượt quá 5m3/g2 dựa vào đặc điểm của các nhân tố lưu vực được xác định như sau:

TSLU = 0.225233 - 0.04443*(TLRQD) + 0.010177*sqrt(DtichLV) + 0.047206*(doc) -0.45526*(HSHD)+ 0.000804* (Lmua) (1- 6)

Trần Quang Bảo, 2006 [43] đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của đặc điểm lưu vực đến dòng chảy trên 15 lưu vực phân bố tại Việt Nam tác giả đã tìm ra được mối quan hệ giữa đặc điểm của dòng chảy với đặc điểm của lưu vực, kết quả được trình bày trên bảng 2.1

Bảng 2.1: Mối liên hệ giữa các chỉ tiêu dòng chảy với đặc điểm lưu vực

Fin= -1.52 + 11.94*RPA – 0.011*AE (1-7) 0.51 0.43 0.013 Fde = 11.13 – 0.07*AE – 0.047*FC (1-8) 0.60 0.53 0.004

Lt = 1.85 + 2.86*RPA + 2.01*RCD (1-9) 0.49 0.41 0.017 FCV = 241 – 2.57*FC + 74.99* RCD (1-10) 0.53 0.46 0.010

(m 3 hr -1 ); L t – Thời gian trễ lũ (giờ); F CV – Hệ số biến đổi dòng chảy (%); R LW – Chỉ số hình dạng lưu vực; FC – Tỷ lệ che phủ của rừng (%); R CD – Chỉ số tổng hợp của tỷ lệ che phủ rừng và phân

bố rừng; AE – Độ chênh cao trung bình (m)

Chương 2 MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Mục tiêu nghiên cứu

Phát hiện được mối liên hệ giữa đặc điểm lưu vực (độ che phủ rừng, chế độ mưa, diện tích, chu vi, hình dạng lưu vực, độ dốc, độ chênh cao) với quy luật biến động dòng chảy, góp phần xây dựng cơ sở khoa học cho các giải

pháp quản lý và sử dụng bền vững lưu vực

2.2 Nội dung nghiên cứu

2.2.1 Nghiên cứu hiện trạng rừng và đặc điểm các lưu vực

2.2.2 Nghiên cứu chế độ mưa và đặc điểm dòng chảy của các lưu vực

2.2.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của đặc điểm lưu vực đến dòng chảy

- Ảnh hưởng của độ che phủ rừng đến dòng chảy

- Ảnh hưởng của đặc điểm lưu vực đến dòng chảy

- Ảnh hưởng của chế độ mưa đến dòng chảy

2.2.4 Nghiên cứu ảnh hưởng tổng hợp của lưu vực đến dòng chảy

2.3 Phương pháp nghiên cứu

2.3.1 Phương pháp luận

Dòng chảy tại các lưu vực là một hiện tượng tự nhiên và xảy ra theo một trình tự nhất định, bắt đầu từ khi nước mưa đi vào hệ sinh thái, đến quá trình nước mưa bị giữ lại trên tán rừng, nước mưa lọt qua tán, nước mưa chảy men thân cây, nước mưa chảy tràn trên bề mặt đất, đến quá trình nước thấm xuống đất, hình thành dòng chảy ngầm, hình thành dòng chảy sông, suối, thoát hơi sinh lý và vật lý để trở về khí quyển Lũ chủ yếu được hình thành

bởi mưa lớn và địa hình dốc làm dồn tụ khối lượng nước lớn về sông suối trong thời gian ngắn Mọi yếu tố có khả năng làm giảm khối lượng nước hoặc làm chậm dòng nước dồn về sông suối đều được xem là yếu tố có khả năng giảm lũ Những đặc điểm của dòng chảy có ý nghĩa với đời sống kinh tế - xã hội, đặc biệt là trong việc phòng ngừa lũ lụt bao gồm:

(1)- Hệ số biến động dòng chảy năm tính theo phần trăm (%)

(2)- Hệ số tăng lũ - tốc độ tăng lên của lưu lượng dòng chảy từ khi mưa đến thời điểm đạt đỉnh lũ, đơn vị tính là m3/giờ

(3)- Hệ số giảm lũ - tốc độ giảm của lưu lượng dòng chảy sau khi đạt đỉnh lũ, đơn vị tính là m3/giờ

(4)- Độ muộn lũ - khoảng thời gian từ giữa trận mưa đến thời gian đạt đỉnh lũ, đơn vị tính là giờ

Các chỉ số phản ánh đặc điểm của dòng chảy như: hệ số biến động dòng chảy, tốc độ tăng lũ, hệ số giảm lũ, thời gian trễ lũ, tổng lưu lượng dòng chảy tại các lưu vực chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố đặc trung của lưu vực như hiện trạng lớp phủ thực vật, độ dốc, độ chênh cao, diện tích, chu vi, hình dạng

và chế độ mưa của lưu vực Tuy nhiên ảnh hưởng của đặc điểm lưu vực đến dòng chảy là không giống nhau, có những nhân tố ảnh hưởng mạnh và có tính chất quyết định tính chất dòng chảy và có những nhân tố có mức độ ảnh hưởng thấp hơn

Để phân tích ảnh hưởng của đặc điểm lưu vực đến dòng chảy, đề tài sử dụng phương pháp xử lý thống kê đơn biến và đa biến Phân tích đơn biến nhằm xác định được dạng liên hệ của biến phụ thuộc với các biến độc lập và công thức đổi biến để đưa vào phân tích tương quan đa biến Phương pháp phân tích đa biến được áp dụng để phân tích ảnh hưởng tổng hợp của lưu vực

đến dòng chảy Toàn bộ quá trình nghiên cứu được minh họa bằng sơ đồ sau:

Hình 2.1: Phương pháp nghiên cứu được áp dụng trong đề tài

2.3.2 Địa điểm nghiên cứu và yêu cầu về chọn lưu vực

Để nghiên cứu mối liên hệ giữa đặc điểm lưu vực với quy luật biến động dòng chảy, đề tài sử dụng số liệu thu thập tại 17 lưu vực vừa và nhỏ, điển hình và phân bố đều trên khắp lãnh thổ Việt Nam Các lưu vực này khác nhau về các đặc trưng lưu vực như chế độ mưa, độ cao, độ dốc, hình dạng lưu vực, tình trạng lớp phủ thực vật, hoạt động canh tác và chế độ khí hậu , do

đó nguy cơ xảy ra lũ ở các lưu vực khác nhau là không giống nhau Sự biến động trong phạm vi rộng của hoàn cảnh lưu vực là điều kiện cần thiết để nghiên cứu tác động của rừng, chế độ mưa và các đặc điểm của lưu vực đến đặc điểm dòng chảy và nguy cơ hình thành lũ lụt Các lưu vực nghiên cứu được thể hiện trên hình 2.2

Hình 2.2: Vịt trí 17 lưu vực nghiên cứu Diện tích lưu vực: diện tích lưu vực là diện tích thu nước từ các trận mưa, do đó khi diện tích lưu vực thay đổi thì lưu lượng dòng chảy và ảnh hưởng của rừng đến lưu lượng dòng chảy cũng thay đổi Nếu diện tích lưu vực quá nhỏ thì lưu lượng dòng chảy ít và không nguy hiểm cho sản xuất và đời sống Còn nếu diện tích lưu vực quá lớn thì ảnh hưởng của diện tích và phân bố rừng đến quá trình hình thành lũ lại giảm đi Do vậy lưu vực thích

hợp cho nghiên cứu là các lưu vực có diện tích có thể hình thành được lưu lượng dòng chảy gây lũ nguy hiểm và ảnh hưởng của diện tích, phân bố rừng

và đặc điểm của lưu vực đến dòng chảy là rõ rệt Qua kinh nghiệm của các nghiên cứu trước đó, trong nghiên cứu này lưu vực được chọn nghiên cứu là các lưu vực có diện tích biến động từ 33.5 km2 đến 1636.0 km2

Các lưu vực được lựa chọn là các lưu vực vừa và nhỏ, có hệ thống trạm khí tượng thuỷ văn quan trắc liên tục trong thời gian ít nhất là 5 năm gần đây

và phân bố ở những vùng có lượng mưa lớn và địa hình dốc

Những lưu vực được lựa chọn có phân bố của hầu hết các kiểu rừng chính của Việt Nam (ví dụ kiểu rừng kín thường xanh cây lá rộng, rừng lá rộng rụng lá theo mùa, rừng trồng) Những lưu vực thường đại diện cho những vùng có điều kiện thổ nhưỡng và địa lý khác nhau của Việt Nam (hình 2.2)

2.3.3 Nguồn tài liệu

Trong quá trình thu thập và tính toán các chỉ tiêu dòng chảy, đặc điểm lưu vực, đề tài sử dụng một số tài liệu sau:

Bản đồ địa hình dưới dạng số hóa cố tỷ lệ 1:50,000 của Tổng cục địa chính năm 2004, bản đồ này dùng khoanh vẽ lưu vực, để tính toán các chỉ tiêu về diện tích, chu vi, độ dốc và độ cao của lưu vực

Bản đồ hiện trạng rừng toàn quốc tỷ lệ 1:50,000 do Viện Điều tra Quy hoạch rừng lập năm 2007 để tính toán diện tích và phân bố các loại rừng

Dữ liệu chi tiết về lượng mưa và lưu lượng dòng chảy năm 2007 được

thu thập từ 17 trạm khí tượng thủy văn tại các lưu vực nghiên cứu Trong suốt quãng thời gian đó, tất cả những trận mưa có khả năng gây ra lũ và lưu lượng dòng chảy tại đầu ra của các lưu vực được theo dõi và cập nhật hàng giờ Bảng đồ địa hình, bản đồ hiện trạng rừng và số liệu về lượng mưa, lưu

lượng dòng chảy được lấy tại Viện Sinh thái rừng và Môi trường – trường Đại học Lâm nghiệp

2.3.4 Thu thập và xử lý số liệu

2.3.4.1 Thu thập dữ liệu về rừng và đặc điểm của lưu vực

Đặc điểm của lưu vực liên quan đến quá trình thủy văn bao gồm các chỉ

số cơ bản sau: độ che phủ của rừng, chỉ số phân bố đồng đều của rừng, độ dốc, độ cao, chỉ số hình dạng lưu vực, chu vi và diện tích lưu vực

a Độ che phủ của rừng

Đề tài chỉ tập trung nghiên cứu diện tích của các kiểu rừng chính tại 17 lưu vực, gồm: rừng giầu, rừng trung bình, rừng phục hồi, rừng trồng, rừng khộp, rừng lá kim và đất trồng cây công nghiệp Trên các lưu vực, bản đồ hiện trạng rừng được chia thành các picxel có kích thước 30x30m Diện tích các loại rừng là số picxel chứa loại rừng đó nhân với diện tích của picxel

+ Diện tich rừng quy chuẩn ở mỗi lưu vực được xác định bằng công thức:

Srqđ=(Srgiau*100+Srtb*96+Srngheo*89+Srph*81+Strenua*86+Srtrong*66+Srcn*66+Srlkim*79+Srkhop*89)/100 (2-1)

Trong đó: - Srqđ là diện tích thực vật quy đổi

- Srgiau là diện tích rừng giàu

- Srtb là diện tích rừng trung bình

- Srngheo là diện tích rừng nghèo

- Srph là diện tích rừng phục hồi

- Strenua là diện tích rừng tre nứa

- Srtrong là diện tích rừng trồng cây lá rộng

- Srcn là diện tích rừng cây công nghiệp

- Srlkim là diện tích rừng lá kim

- Srkhop là diện tích rừng khộp

+ Độ che phủ rừng quy đổi FC qđ được tính theo công thức:

S

Sr FC

LV

qđ

qđ  100 (2-2) Trong đó: SLV là diện tích của lưu vực

b Đặc điểm lưu vực

Mô tả lưu vực: Quy trình mô tả lưu vực được thực hiện dựa trên phần

mềm Arcgis, phiên bản 9.2 và mô hình phân tích thủy văn mới nhất của ESRI (2006) Công cụ được sử dụng để tính toán các chỉ số của lưu vực là GIS kết hợp với công cụ tính của phần mềm FOXPRO, quá trình này được mô tả như sau: (1) véc tơ bản đồ độ cao (khoảng cách 20m) được số hóa và được cải tạo thành dạng bản đồ raster với độ phân giải 30x30m; (2) tọa độ của 17 trạm thủy văn (tương ứng với đầu ra của 17 lưu vực); và (3) Xác định diện tích và ranh giới của 17 lưu vực và các điểm đầu ra tương ứng của lưu vực Các chỉ số về đặc điểm lưu vực được thu thập bao gồm:

+ Chỉ số hình dạng RPA (McCuen, 2007) [61] được xác định bằng công thức:

) 4

Trong đó: CV và DT theo thứ tự là chu vi (m) và diện tích của lưu vực

Hệ số RPA nhỏ (sấp xỉ bằng 1) có nghĩa là lưu vực có hình dạng tròn và ngược lại lưu vực có hình dạng dài

+ Độ chênh cao trung bình (∆AE): độ chênh cao trung bình giữa điểm

thấp nhất với tất các các điểm khác trong lưu vực, tính bằng mét (m)

n

E E AE

n

i

l i





) (

(2-4)

+ Độ cao và độ dốc của lưu vực được xác định thông qua hệ thống ô

vuông thực hiện trên phần mềm Mapinfor và phần mềm Foxpro tự xây dựng

2.3.4.2 Các chỉ số khí tượng thủy văn và dòng chảy

+ Lượng mưa và tổng lượng mưa: là tổng lượng các trận mưa đo được

ở trạm thuỷ văn của lưu vực với diện tích lưu vực (năm 2007)

- Tổng dòng chảy: là tổng lượng dòng chảy (năm 2007) đo được ở trạm

thuỷ văn nơi đầu ra của lưu vực

Các đặc trưng dòng chảy bao gồm: (1)-Hệ số biến động dòng chảy

năm, (2)- Hệ số tăng lũ, (3)- Hệ số giảm lũ, (4)- Độ muộn lũ Việc thống kê, tính toán được thực hiện bằng công cụ tính của phần mềm FOXPRO

+ Hệ số biến đổi dòng chảy (Fcv):

+ Hệ số tăng lũ (F in ): là hệ số phản ánh tốc độ tăng lưu lượng dòng

chảy sau mưa, bắt đầu từ khi mưa đến khi dòng chảy đạt giá trị lớn nhất (m3/giờ) và được tính theo công thức:

) (

) (

ii pi

ii pi

in

t t

Q Q

+ Hệ số giảm lũ (F de ): phản ánh khả năng lưu giữ nước của lưu vực,

được tính bằng tốc độ giảm dòng chảy từ đỉnh lũ đến lúc dòng chảy đạt giá trị thấp nhất (m3/giờ) và được tính như sau:

)(

)(

li pi

li pi de

t t

Q Q F





Trong đó, QPi và tpi lưu lượng dòng chảy khi đạt đỉnh và thời gian đạt đến đỉnh lũ của trận mưa thứ I ; Qli và tli là lưu lượng dòng chảy thấp nhất và thời gian của trận mưa thứ i (vào ngày mà lưu lượng dòng chảy thấp nhất).

Hình 2.3: Sơ đồ thể hiện mối liên hệ giữa các chỉ số của dòng chảy được sử

dụng trong đề tài (Hewlett và cộng sự, 1977) [54]

+ Thời gian trễ lũ (L t ): là khoảng thời gian (tính theo giờ) tính từ giữa

trận mưa đến đỉnh lũ (Bedient và cộng sự, 2002) [44] và được tính như sau:

) ( pi li

Trong đó, tpi và tri theo thứ tự là thời gian tại thời điểm đỉnh lũ

và thời gian tại trung tâm của trận mưa của trận mua thứ i.2.3.4.4 Xử lý thông

tin, phân tích thống kê

Trong quá trình nghiên cứu đề tài vận dụng phương pháp xử lý thống kê đơn biến và đa biến Công cụ chủ yếu cho phân tích các mối liên hệ là phần mềm EXCEL và phần mềm SPSS với hai bước: phân tích tương quan đơn biến và phân tích tương quan đa biến

Phân tích tương quan đơn biến nhằm xác định được dạng liên hệ giữa các chỉ số phản ánh đặc điểm của dòng chảy (biến phụ thuộc) với đặc điểm dòng chảy (biến độc lập) để đưa vào phân tích tương quan đa biến Phương pháp thống kê đa biến được áp dụng để phân tích ảnh hưởng tổng hợp của lưu vực đến các chỉ số phản ánh đặc điểm dòng chảy (hệ số biến động dòng chảy, hệ số tăng

lũ, hệ số giảm lũ và thời gian trễ lũ)

Các hàm được sử dụng trong nghiên cứu mối quan hệ giữa đặc điểm lưu vực với các chỉ số phản ánh đặc điểm của dòng chảy bao gồm:

Phân tích ảnh hưởng tổng hợp của lưu vực đến dòng chảy được thực hiện thông qua việc phân tích dọc và phân tích ngang nhằm phân tích vai trò và

vị trí của từng nhân tố đối với dòng chảy, phát hiện các tiêu chuẩn chủ đạo và tiêu chuẩn không ảnh hưởng đến tiêu chuẩn khác Việc này được thực hiện thông qua ma trận về hệ số tương quan giữa các tiêu chuẩn nghiên cứu như sau: Bảng 2.2: Bảng phân tích tương quan giữa các đại lượng nghiên cứu

Chương 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1 Hiện trạng rừng và đặc điểm các lưu vực nghiên cứu

Những nhân tố của lưu vực có ảnh hưởng đến các chỉ số phản ánh đặc điểm dòng chảy bao gồm: diện tích, chu vi của lưu vực, độ dốc trung bình, độ chênh cao trung bình, diện tích và tỷ lệ độ che phủ rừng quy đổi Đặc điểm của các lưu vực nghiên cứu được thống kê vào bảng 3.1

Bảng 3.1: Đặc điểm cơ bản của các lưu vực nghiên cứu

DT: Là diện tích lưu vực,đơn vị tính là ha

CV: Là chu vi của lưu vực, đơn vị tính là km

RPA: Là chỉ số hình dạng của lưu vực, tính theo công thức (2-3)

E: Là độ chênh cao trung bình, tính bằng mét

AE: Là độ chênh cao trung bình, tính bằng mét, tính theo công thức (2-4)

Docbq : Là độ dốc bình quân của lưu vực, đơn vị tính bằng độ

Srqđ: Là diện tích rừng quy đổi của lưu vực, tính theo công thức (2-1)

FCqđ : Là độ che phủ rừng quy đổi, đơn vị tính là %, tính theo công thức (2-2)

3.1.1 Hiện trạng phân bố rừng trên các lưu vực nghiên cứu

Rừng có một vai trò to lớn đối với sự ổn định sinh thái của lưu vực nói chung và quá trình thủy văn trên sườn dốc nói riêng Rừng tự nhiên với cấu trúc phức tạp của mình có tác dụng chống xói mòn, hạn chế dòng chảy mặt, tạo điều kiện cho nước ngấm vào trong đất nhiều hơn, điều hòa dòng chảy giữa các mùa trong năm

Tại các lưu vực nghiên cứu, tổng diện tích và độ che phủ của rừng trên các lưu vực là rất khác nhau Diện tích các loại rừng trên các lưu vực nghiên cứu biến đổi từ 334 ha (Lâm Sơn) đến 93178 ha (Bình Tường), tương ứng với

độ che phủ rừng biến động từ 6.36 % (Krông Buk) đến 70.89% (Đắk Nông), trung bình 40.36% Rừng trung bình và rừng nghèo chiếm diện tích nhiều nhất,

độ che phủ biến động từ 0.0% (Krông Buk) đến 47.5% (Đắk Nông), trung bình 18.4% Rừng giầu có tỷ lệ diện tích biến đổi rất khác nhau trên các lưu vực, từ

0 % (Krông Buk, Gia Vòng, Vĩnh Yên và Đại Ngà) đến 33.5% (Sơn Diệm), trung bình 5.9% Rừng phục hồi có độ che phủ biến động từ 0.3% (Krông Buk) đến 20% (Vĩnh Yên) và trung bình 8.8% Ít nhất là rừng là kim và rừng khộp, chỉ có 3 lưu vực có loại rừng này (Sông Lũy, Đại Ngà và Thanh Bình)

Một vài lưu vực có tỷ lệ rừng giầu và rừng trung bình lớn so với tổng số diện tích rừng (Sơn Diệm, Na Hừ) trong khi đó một số lưu vực khác thì tỷ lệ rừng trồng và rừng phục hồi chiếm tỷ lệ lớn (Lâm Sơn, Mù Cang Chải) Về trung bình, phần lớn rừng phân bố ở độ cao từ 500m đến 1000 m (khoảng 46%)

và ở độ dốc từ 15 đến 25% (khoảng 36%) Rừng tự nhiên (rừng giầu, rừng trung bình, rừng nghèo và rừng phục hội) thường phân bố ở độ dốc lớn hơn 15%, trong khi rừng trồng lại phân bố ở những vùng có độ dốc nhỏ hơn 8% Hình ảnh trực quan về độ che phủ và phân bố rừng tại một số lưu vực điển hình được thể hiện trên hình 3.1

Hình 3.1: Phân bố rừng trên một số lưu vực điển hình

3.1.2 Đặc điểm các lưu vực nghiên cứu

- Diện tích lưu vực: diện tích lưu vực là nhân tố quan trọng ảnh hưởng

đến đặc điểm dòng chảy Diện tích lưu vực to hay nhỏ sẽ ảnh tổng lượng nước mưa thu được là nhiều hay ít, khả năng chứa nước của lưu vực là lớn hay nhỏ,

do đó diện tích lưu vực ảnh hưởng tới đặc điểm của dòng chảy, nhất là nguy cơ hình thành lũ, lụt Những lưu vực được chọn để nghiên cứu có diện tích biến đổi rất khác nhau từ 3343 ha (Lâm Sơn) đến 163559 ha (Bình Tường)

- Chu vi lưu vực: là đường viền bao quanh lưu vực và nó phụ thuộc vào

hình dạng của lưu vực Chu vi của các lưu vực nghiên cứu biến động từ 57.31

km (Na Hừ) đến 295.3 km (Bình Tường) và trung bình là 132.7 km

Lưu vực Sơn Diệm (FCqđ = 71.74% ) Lưu vực Ngòi Hút (FCqđ = 43.78%)

Lưu vực An Chỉ (FCqđ = 23.02% )

Chú giải:

Rừng giầu Rừng trung bình Rừng nghèo Rừng phục hồi Rừng trồng Đất trống, cây bụi, đồng cỏ

Hình 3.2: Hình ảnh về một vài lưu vực điển hình

- Chỉ số hình dạng: hình dạng của lưu vực là chỉ số quan trọng ảnh

hưởng đến quá trình tích lũy và vận chuyển nước trong lưu vực Chỉ số hình

Lưu vực Sơn Diệm: AE = 414.84 m;

dạng của các lưu vực biến đổi từ 1.29 (tương đối tròn Na Hừ) đến 2.06 (lưu vực có hình dạng dài An Khê, Bình Tường)

- Độ chênh cao và độ chênh cao trung bình: độ chênh cao trung bình

của lưu vực là nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến thế năng và động năng của giòng nước, qua đó ảnh hưởng đến tốc độ dòng chảy và nguy cơ hình thành lũ

Độ chênh cao trung bình của các lưu vực biến đổi từ 202.55m (Gia Vòng) đến 953.27 m (Na Hừ) và trung bình là 458.08m Độ chênh cao biến đổi từ 212.55

m (Gia Vòng) đến 1558.05 m (Mù Cang Chải) và trung bình là 693.47 m

- Độ dốc: cùng với độ cao, độ dốc là nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến

sự vận động của dòng nước trong lưu vực Đối với các lưu vực có độ chênh cao

và độ dốc lớn thì thế năng và tốc độ của giòng nước cao, nên nguy cơ xảy ra lũ lụt cao hơn các lưu vực có độ chênh cao và độ dốc thấp, đặc biệt là ở những vùng có lượng mưa lớn, mưa tập trung Độ dốc trung bình của các lưu vực biến động từ 2.890 (Krông Buk) đến 27.580 (Na Hừ) và trung bình 15.510

3.2 Chế độ mưa và đặc điểm dòng chảy của lưu vực

3.2.1 Chế độ mưa tại các lưu vực

Chế độ mưa đóng vai trò quan trọng đối với quá trình thủy văn rừng nói chung và nguy cơ hình thành lũ lụt nói riêng Đối với những lưu vực có lượng mưa lớn và tập trung, lưu vực có độ dốc và độ cao lớn thì nguy cơ xảy ra lũ, lụt là rất lớn và ngược lại

Kết quả thống kê lượng mưa, các lưu vực ở miền Bắc (Lâm Sơn, Thanh Sơn, Mù Cang Chải, Ngòi Hút, Vĩnh Yên và Na Hừ) lượng mưa tập trung từ tháng 4 đến tháng 10, chiếm khoảng 95.0% tổng lượng mưa cả năm Các lưu vực ở Bắc Trung Bộ (Thượng Nhật, An Chỉ, Gia Vòng, và Sơn Diệm) mưa tập trung từ tháng 4 đến tháng 11 với lượng mưa chiếm 89.3% tổng lượng mưa năm Các lưu vực ở Tây Nguyên (Krông Buk, Thanh Bình, Đắk Nông, Đại Ngà

và An Khê) lượng mưa tập trung từ tháng 5 đến tháng 10, chiếm khoảng 78.7% lượng mưa năm Các Nam Trung Bộ (Sông Lũy, BÌnh Tường) lượng mưa tập trung từ tháng 5 đến tháng 11, chiếm khoảng 93.7% tổng lượng mưa năm

Trong 2007, các lưu vực thuộc Bắc Trung Bộ có lượng mưa năm cao nhất, trung bình đạt 3501.0mm, tiếp đến là các lưu vực thuộc Tây Nguyên, trung bình năm đạt 2289.3mm, ít nhất là các lưu vực thuộc Bắc Bộ, lượng mưa trung bình năm là 1652.7mm Tổng lượng mưa của các lưu vực biến đổi rất khác nhau từ 1144.2 mm (Sông Lũy) đến 5883.9 mm (Thượng Nhật)

Sự khác biệt về tổng lượng mưa và phân bố mưa giữa các tháng trong năm là điều kiện tốt để phân tích ảnh hưởng của đặc điểm lưu vực đến dòng chảy

3.2.2 Biến động và đặc điểm dòng chảy của các lưu vực nghiên cứu

3.2.2.1 Biến động dòng chảy trong năm tại các lưu vực nghiên cứu

Biến động dòng chảy năm là một chỉ tiêu quan trọng phản ánh đặc điểm của dòng chảy Thông qua nghiên cứu biến động dòng chảy năm của lưu vực, người ta có thể biết được quãng thời gian nào có khả năng xuất hiện lũ, lụt và hạn hán, từ đó đề ra được các biện pháp phòng tránh và ứng phó để giảm thiệt hại cho con người Sự biến động dòng chảy tại các lưu vực trong năm cũng cho thấy khả năng điều hòa dòng chảy của thảm thực vật trên lưu vực đó Biến động dòng chảy năm tại các lưu vực nghiên cứu được thống kê tại bảng 3.2

Phân tích số liệu quan trắc lưu lượng dòng chảy ở các lưu vực cho thấy lưu lượng dòng chảy ở các sông suối biến động rất mạnh theo mùa Ở các lưu vực Miền Bắc lưu lượng dòng chảy tăng lên nhiều nhất trong thời gian từ tháng 5 đến tháng 10, ở các lưu vực Miền Trung từ tháng 9 đến tháng 12, còn

ở Tây Nguyên từ tháng 5 đến tháng 11 Trong những tháng còn lại lưu lượng

dòng chảy chỉ chiếm khoảng 20% lưu lượng dòng chảy cả năm Sự biến động mạnh của lưu lượng dòng chảy theo thời gian là điều kiện thuận lợi để phân tích ảnh hưởng của các nhân tố thời tiết, khí hậu và đặc điểm lưu vực đến biến động dòng chảy đồng thời xây dựng cơ sở khoa học cho các phương pháp dự báo lũ lụt cho lưu vực

Bảng 3.2: Phân bố lưu lượng dòng chảy trong năm tại các lưu vực nghiên cứu

Để phân tích rõ hơn đặc điểm dòng chảy ở các lưu vực đề tài đã thống

kê và xây dựng biểu đồ diễn biến lưu lượng dòng chảy theo thời gian của của từng lưu vực Kết quả được thể hiện ở trên những hình 3.3, 3.4, 3.5, 3.6, 3.7, 3.8, 3.9, 3.10, 3.11, 3.12, 3.13, 1.14, 3.15, 3.16, 3.17, 3.19, 3.19

Hình 3.3: Biến động dòng chảy năm của lưu vực Thanh Bình

Kết quả phân tích số liệu quan trắc lưu lượng dòng chảy cho thấy đường biểu diễn lưu lượng dòng chảy có hình dạng của những đường răng cưa có đỉnh nhọn Điều này chứng tỏ thời gian hình thành đỉnh lũ thường nhanh