Sử dụng tư liệu không gian và công nghệ GIS xây dựng bản đồ xói mòn đất


Đăng lúc: 10:06:25 25/06/2016 - Đã Đọc: 683
Từ khóa Từ khóa:

Đất là nguồn tài nguyên thiên nhiên quý giá, cung cấp nguồn vật chất năng lượng chủ yếu trong suốt quá trình phát triển kinh tế xã hội loài người và thế giới sinh vật, là thành phần quan trọng hàng đầu của môi trường sống. Tuy nhiên, theo thời gian, những tác động mạnh mẽ của tự nhiên và các hoạt động canh tác do con người đã gây nhiều ảnh hưởng nghiêm trọng tới đất đai, dẫn tới hiện tượng suy thoái đất. Những tác động này có thể làm đất đâi bị thoái hóa và dần mất đi khả năng sản xuất, một trong những nguyên nhân làm cho đất bị thoái hóa mạnh nhất là do xói mòn.  

Xói mòn (erosion) là sự chuyển dời vật lý lớp đất mặt do nhiều tác nhân khác nhau như: lực của giọt nước mưa, dòng chảy trên bề mặt và qua chiều sâu của phẩu diện đất, tốc độ gió và sức kéo của trọng lực. quá trình mang đi lớp đất mặt do nước chảy, gió, tuyết hoặc các tác nhân địa chất khác, bao gồm cả các quá trình sạt lở do trọng lực. quá trình di chuyển lớp đất do nước đều kéo theo các vật liệu tan và không tan. Nguyên nhân chủ yếu gây ra xói mòn đất tại Việt Nam là do lượng mưa lớn ở những nơi đất dốc và có độ che phủ thực vật thấp, bắt nguồn từ việc chặt phá rừng, canh tác nương rẫy du canh du cư và chăn thả tự do của người dân.  

Xói mòn đất gây ra những tác động nghiêm trọng tới môi trường và cuộc sống con người như mất đất, mất dinh dưỡng và làm suy giảm độ phì nhiêu của đất, gây ra nhiều tác động tiêu cực tới quá trình sản xuất, trồng cây. Xói mòn đất ở mức độ cao như sạt lở đất, sạt lở núi gắn liền với hiện tượng lũ quét gây thiệt hại nặng nề không những cho môi trường sinh thái, cảnh quan mà cả con người và xã hội. Do đó, việc tính toán, giảm thiểu xói mòn đất là một trong những mối quan tâm hàng đầu của các nhà khoa học không chỉ ở Việt Nam mà còn cả trên toàn thế giới.

Trên thế giới đã có rất nhiều công trình nghiên cứu nhằm đánh giá xói mòn đất, những nghiên cứu đầu tiên được thực hiện vào những năm 1877 bởi các nhà khoa học người Đức. Nhiều năm sau đó, Musgrave và cộng sự  đã phát triển một phương trình thực nghiệm được gọi là phương trình Musgrave vào năm 1947. Vào năm 1958, Wischmeier và Smith đã nghiên cứu thành công và đưa ra công thức tính xói mòn đất, được gọi là phương trình mất đất phổ dụng (USLE). Từ đó tới nay, trên thế giới đã có rất nhiều mô hình tính toán xói mòn khác nhau được phát triển dựa trên phương trình USLE.

Ngày nay, với sự phát triển của công nghệ thông tin, việc sử dụng công nghệ viễn thám GIS để xác định, đánh giá thực trạng xói mòn đất được xem là một hướng đi mới trong việc giải quyết vấn đề xói mòn đất. Những năm gần đây, ở Việt Nam đã xuất hiện nhiều công trình nghiên cứu ứng dụng công nghệ GIS trong đánh giá xói mòn đất như: “Ứng dụng GIS ước lượng xói mòn đất tại lâm trường Mã Đà-  Tỉnh Đồng Nai” của  Nguyễn Kim Lợi (2006); “Ứng dụng viễn thám và GIS đánh giá xói mòn đất khu vực yên châu tỉnh Sơn La” của Đinh Văn Hùng (2009);“ Ứng dụng viễn thám và hệ thống thông tin địa lý đánh giá xói mòn đất đồi gò huyện tam nông tỉnh phú thọ” của các tác giả Trần Quốc Vinh, Đặng Hùng Võ, Đào Châu Thu (2011)…. . Gần đây nhất, trung tâm nghiên cứu không gian trường Đại Học Nông Lâm Thái Nguyên đã sử dụng công nghệ viễn thám GIS nghiên cứu, tính toán xói mòn đất nhằm phục vụ dự án “ điều tra thoái hóa đất kỳ đầu trên địa bàn tỉnh Lạng Sơn”.

Nghiên cứu sử dụng bản đồ đất bị xói mòn do mưa để tính toán lượng đất bị xói mòn. Bản đồ được xây dựng theo phương pháp mô hình hóa trong GIS tính toán lượng đất xói mòn theo phương trình mất đất phổ dụng của Wischmeier và Smith: A = R.K.L.S.C.P

A:      Lượng đất mất trung bình hàng năm chuyển tới chân sườn (kg/m2.năm)

R:     Hệ số xói mòn do mưa (KJ.mm/m2.h.năm)

K:      Hệ số xói mòn của đất (kg.h/KJ.mm)

L:      Hệ số chiều dài sườn dốc

S:      Hệ số độ dốc

C:      Hệ số lớp phủ thực vật và quản lý đất

P:      Hệ số do áp dụng các biện pháp canh tác bảo vệ đất

                

Hình 1:  phương pháp xây dựng bản đồ xói mòn đất.

Các yếu tố trong phương trình mất đất Wischmeier và Smith của  đều được thể hiện và tính toán số liệu trên bản đồ chuyên đề dưới dạng dữ liệu RASTER.

Dựa trên kết quả đo lượng mưa bình quân tháng/bình quân năm giai đoạn 2000 - 2015 của các trạm khí tượng trên địa bàn tỉnh Lạng Sơn. Áp dụng công thức tính hệ số R cho từng trạm khí tượng theo công thức tính R của Fournier (Arnoldus 1977) và Nguyễn Trọng Hà. Thực hiện phép nội suy (Krigging; IDW) cho số liệu mưa của các trạm theo ranh giới ta có được bản đồ hệ số xói mòn do mưa với các giá trị liên tục ở dạng RASTER

 Description: C:\Users\FPTSHOP\Desktop\2.jpg

Hình 2: Bản đồ hệ số xói mòn do mưa (hệ số R) tỉnh Lạng Sơn

Từ kết quả phân tích phẫu diện đất tầng mặt ta có được hệ số a; và xác định đước trọng lượng cấp hạt M, sau đó tra toán đồ của Wischmeier và Smith (1978) để được các hệ số b, c. Thay vào công thức ta có giá trị K cho từng phẫu diện đất được lấy trên thực địa và tương ứng cho từng thửa đất trên bản đồ. Quá trình xử lý tính toán được thực hiện bằng phần mềm ArcGIS 10.2, kết quả ta thu được bản đồ hệ số K

 Description: C:\Users\FPTSHOP\Desktop\7.jpg

Hình 3: Bản đồ hệ số xói mòn đất (hệ số K) tỉnh Lạng Sơn

Hệ số LS đặc trưng cho ảnh hưởng của yếu tố địa hình đến xói mòn đất, vì thế có thể được tính toán thông qua thông tin từ bản đồ địa hình. Từ bản đồ địa hình được số hóa với khoảng cao đều 10m, tiến hành gán giá trị độ cao cho các đường bình độ và các điểm độ cao. Sau đó, sử dụng các thuật toán nội suy của GIS (phần mềm ArcGIS 10.2), nội suy đường bình độ và các điểm độ cao để xây dựng bản đồ số độ cao (DEM).

 Description: C:\Users\FPTSHOP\Desktop\3.jpg 

Hình 4: Bản đồ hệ số độ dốc, chiều dài sườn dốc (hệ số LS) tỉnh Lạng Sơn

Từ ảnh vệ tinh Landsat 8 OLI, tiến hành phân loại ảnh vệ tinh theo chỉ số khác biệt thực vật (NDVI) bằng phần mềm Envi 5.0. Sau đó sử dụng phần mềm ArcGIS 10.2 để xử lý và tính toán C theo công thức của De Jong, kết quả thu được bản đồ chỉ số thực vật và bản đồ hệ số C, đã xác định được hệ số lớp phủ thực vật và quản lý đất dao động từ 0,00 đến 0,65.

 Description: C:\Users\FPTSHOP\Desktop\4.jpg

Hình 5: Bản đồ hệ số lớp phủ và quản lý đất (hệ số C) tỉnh Lạng Sơn

 

Hệ số P đặc trưng cho mức độ giảm thiểu xói mòn nhờ các biện pháp canh tác. Nếu canh tác từng luống được trồng theo hướng đồng mức hoặc canh tác bậc thang thì sẽ giảm thiếu xói mòn so với canh tác có luống theo hướng sườn. Hệ số P chỉ thể hiện rõ rệt nhất trong tính toán xói mòn ở khu vực đất nông nghiệp. Thực tế điều kiện canh tác nông nghiệp tỉnh Lạng Sơn chủ yếu canh tác theo đường đồng mức, vì vậy chúng tôi sử dụng phương pháp tính P theo công thức của Wischmeier và Smith (1978). Từ bản đồ độ dốc, gán giá trị P theo công thức, xây dựng được bản đồ hệ số P.

 Description: C:\Users\FPTSHOP\Desktop\5.jpg

Hình 6: Bản đồ hệ số áp dụng các biện pháp canh tác bảo vệ đất ( hệ số P) tỉnh Lạng Sơn

Lượng đất mất đi hàng năm của từng khoanh đất được xác định trên cơ sở xây dựng và chồng xếp các bản đồ chuyên đề về hệ số theo phương trình mất đất phổ dụng. Từ những bản đồ chuyên đề trên, tổng hợp, chồng xếp bản đồ, ta thu được kết quả là bản đồ xói mòn đất của tỉnh Lạng Sơn.

 Description: C:\Users\FPTSHOP\Desktop\5.jpg

 Hình 7: Bản đồ xói mòn đất tỉnh Lạng Sơn năm 2015

 

Từ bản đồ xói mòn đất tỉnh Lạng Sơn, nghiên cứu đã tính toán, thống kê được diện tích đất bị xói mòn chính xác đến từng huyện trong địa bàn tỉnh qua bảng thống kê dưới đây.

Bảng diện tích đất bị xói mòn theo đơn vị hành chính

Đơn vị tính: 

TT 

Tên huyện

Diện tích đất bị xói mòn

Diện tích đất không bị xói mòn

Diện tích điều tra

Yếu

Trung bình

Mạnh

Tổng

1

Bắc Sơn

25.407,81

10.972,44

1433,87

37.821,15

28.396,52

66.217,67

2

TP Lạng Sơn

2.357,54

425,25

17,00

2.801,93

2.628,71

5.430,64

3

Bình Gia

53.342.82

17.811,83

944,91

72.104,07

27.893,44

99.997,51

4

Cao Lộc

26.618,92

9.375,65

750,18

36.767,47

18.721,16

55.488,63

5

Đình Lập

44.305,73

18.941,33

2272,26

65.525,62

34.701,86

100.227,48

6

Hữu Lũng

23.586,00

9.569,21

2219,60

35.410,39

33.353,19

68.763,58

7

Lộc Bình

39.524,96

13.643,27

1020,71

54.212,26

34.498,88

88.711,14

8

Tràng Định

48.127,60

14.884,39

694,14

63.716,08

29.684,99

93.401,07

9

Văn Lãng

25.418,49

6.660,97

321,54

32.402,44

16.942,73

49.345,17

10

Văn Quan

21.700,02

6.872,99

847,20

29.434,69

16.705,80

46.140,49

11

Chi Lăng

27.988,49

11.967,84

1.435,78

41.410,15

21.930,50

63.340,65

Tổng

338.497,76

121.125,15

11.957,18

471.606,24

265.457,78

737.064,02

Tỷ lệ (%) diện tích điều tra

45,93

16,43

1,62

63,98

36,02

 

 
Từ kết quả chồng xếp các bản đồ chuyên đề, xác định được diện tích đất bị xói mòn trên địa bàn tỉnh Lạng Sơn là 471608,27 ha, chiếm 63,98% tổng diện tích điều tra. Qua đó, ta có thể thấy rằng hiện tượng xói mòn đất diễn ra khá mạnh ở tỉnh Lạng sơn, chủ yếu tại các huyện Bình Gia, Đình Lập, Tràng Định. Đồng thời, nghiên cứu trên cho thấy những lợi ích, tác dụng to lớn của việc sử dụng công nghệ viễn thám trong nghiên cứu đánh giá xói mòn đất.

 

 

                                                                                                                           

Viết bài: GIRC

Trung tâm Địa tin học - Trường Đại học Nông lâm Thái Nguyên

Địa chỉ: Xã Quyết Thắng - TP. Thái Nguyên | Tel: 0904.031.103

Email: girc.tuaf@gmail.com | Website: www.girc.tuaf.edu.vn