Nghiên Cứu Đặc Trưng Thấm Và Giữ Nước Tiềm Tàng Của Đất Rừng Tại Núi Luốt Xuân Mai Chương Mỹ Hà Nội

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP

--------------------------------

VŨ THỊ QUỲNH NGA

NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG THẤM VÀ GIỮ NƯỚC TIỀM TÀNG

CỦA ĐẤT RỪNG TẠI NÚI LUỐT - XUÂN MAI - HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC LÂM NGHIỆP

HÀ NỘI, 2009

1

ĐẶT VẤN ĐỀ

Nghiên cứu đặc trưng thấm và giữ nước của đất rừng có ý nghĩa quan

trọng đối với ngành Lâm nghiệp. Nắm được đặc trưng thấm và giữ nước của

đất rừng, có thể hình dung được sự vận động và biến đổi của lượng nước

trong đất rừng, xác định được năng lực điều tiết tuần hoàn thuỷ văn của đất và

cơ chế phát sinh dòng chảy.

Khả năng thấm và giữ nước của đất là cơ sở quan trọng nhất để giữ

nước trong đất và giữ đất tại chỗ. Hiệu quả giữ nước của đất là chỉ tiêu tổng

hợp chi phối chu trình thuỷ văn và hiệu quả phòng chống xói mòn đất. Ngoài

ra, nó còn là cơ sở để giải thích cơ chế phát sinh dòng chảy, xây dựng căn cứ

khoa học cho xác định yêu cầu cấu trúc rừng bảo vệ nguồn nước, đồng thời để

đề xuất các giải pháp phát huy tốt hơn các chức năng có lợi khác của rừng.

Tuy nhiên, những nghiên cứu về đặc trưng thấm và giữ nước của đất

rừng ở Việt Nam còn rất hạn chế. Kết quả của phần lớn các nghiên cứu đó

mới chỉ giúp nhận thức một cách sơ bộ về đặc trưng thấm, giữ nước của đất

rừng. Điều này đã gây khó khăn cho việc phân tích cơ chế phát sinh dòng

chảy trên sườn dốc, dự báo xói mòn đất và lũ lụt; đồng thời chưa đủ luận cứ

khoa học để đề xuất những giải pháp quản lý rừng phòng hộ nguồn nước theo

hướng phát huy đồng thời và tối đa những chức năng có lợi của rừng cả về

sinh thái và kinh tế.

Để góp phần giải quyết một số tồn tại nêu trên, đề tài “Nghiên cứu đặc

trưng thấm và giữ nước tiềm tàng của đất rừng tại núi Luốt - Xuân Mai - Hà

Nội” đã được thực hiện.

Do điều kiện nghiên cứu và thời gian có hạn, đề tài chỉ xác định một số

đặc trưng thấm và giữ nước tiềm tàng của đất rừng trong điều kiện cung cấp

nước nhân tạo ở khu rừng thực nghiệm núi Luốt của trường Đại học Lâm

nghiệp, như một ví dụ minh họa thể hiện đặc trưng thấm, giữ nước của đất

rừng.

2

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1. Ở ngoài nước

1.1.1. Thành quả nghiên cứu

1.1.1.1. Khả năng thấm nước của đất

Sự thấm nước của đất là một trong những vấn đề được nghiên cứu sâu

rộng trong lĩnh vực thủy văn học, từ lý luận sản sinh dòng chảy mặt tiếp giáp

mà xét, sự thấm nước của đất là chỉ thị cho khả năng của tầng điều tiết quan

trọng nhất trong tuần hoàn thủy văn của nước, sau khi nước mưa đã đi qua

bầu không khí và lớp thảm thực vật che phủ. Sự thấm nước của đất có tác

dụng rất quan trọng trong việc hình thành cơ chế phát sinh dòng chảy. Có

nhiều mô hình thấm nước của đất dựa vào việc đơn giản hóa quá trình vật lý

và các mô hình kinh nghiệm, trong đó có mô hình Philip và mô hình cải tiến

của nó là mô hình Smith - Parlange, mô hình Green - Ampt, mô hình Horton,

mô hình Holtan, vv...

Khi nước thấm vào đất và dịch chuyển trong đất, đứng về mặt bản chất

vật lý học mà nói, chúng chịu sự chi phối của trọng lực do lực hấp dẫn địa cầu

sinh ra và lực tác dụng mao quản do tiếp xúc giữa nước và hạt đất (Baver,

1937) (dẫn theo Nguyễn Thị Bích Ngọc, [33]), nhưng do sự biến đổi của kết

cấu đất và của thành phần cơ giới đất, dẫn đến sự rối loạn đan chéo vào nhau

của con đường vận động của nước trong đất, việc ứng dụng định luật Darcy - định luật mô tả vận động của nước trong một môi trường đồng nhất nhiều lỗ

hổng - và phương trình liên tục về sự vận động của nước trong đất rừng để

nghiên cứu định lượng và dự báo, sẽ dẫn đến những sai lệch tương đối lớn so

với tình hình thực tế vì phạm vi sử dụng của định luật Darcy là dùng cho vận

động của dòng chảy trong một tầng đất. Vận động của dòng chảy ưu tiên của

nước trong đất là vận động của dòng chảy rối loạn, mô tả nó về mặt lý luận có

3

thể sử dụng phương trình Darcy - Weisbach. Những nghiên cứu trước kia về

dòng ưu tiên chủ yếu là sử dụng dòng chảy theo đường ống, dòng chảy theo

đường ống là vận động của dòng chảy rối loạn của chất lỏng đi theo con

đường vận động thông qua các lỗ hổng lớn hơn mao quản của cơ chất

(Atkinson, 1978) (dẫn theo Lê Hồng Liên, [28]); nhưng những nghiên cứu

gần đây cho thấy rõ, dù rằng trong đất cát (cơ chất) thuần nhất, nhưng do sự

không ổn định của mức độ đỉnh cao ẩm ướt, nên vẫn có thể dẫn đến vận động

dòng chảy của nước trong đất theo chủ quan (Stagnitti and Parlange, 1995)

(dẫn theo Nguyễn Thị Bích Ngọc, [33]). Từ góc độ ảnh hưởng của rừng đối

với tuần hoàn thủy văn mà xét, do trong hoàn cảnh của rừng có sự phân giải

liên tục của thảm mục, hoạt động của rễ cây, hoạt động phong phú của động

vật dẫn đến vận động của dòng chảy theo đường ống trong các lỗ hổng tương

đối lớn, có một ý nghĩa vô cùng quan trọng về ảnh hưởng của rừng đối với sự

hình thành dòng chảy lưu vực rừng và lượng nước sản sinh ra của lưu vực

(Jones, 1997) (dẫn theo Lê Hồng Liên, [28]).

Do đó, bất luận là vận động theo phương thẳng đứng hoặc ra các bên

theo phương nằm ngang của nước trong môi trường đất, khi xem xét đến tính

chất không đồng nhất của môi trường đất, việc sử dụng phương trình Laplace

cho vận động bão hòa và phương trình Richards cho vận động không bão hòa

- vốn là mô tả vận động của chất lỏng trong môi trường đồng nhất để mô tả

vận động thực tế của nước trong đất sẽ rất khó đạt được tính chân thực chuẩn

xác của nó.

Công trình nghiên cứu đầu tiên về đặc trưng thấm nước của đất là của

Darcy (1856) (dẫn theo Nguyễn Thị Bích Ngọc, [33]). Tác giả này đã đưa ra

định luật Darcy để tính lượng nước thấm vào đất. Trong định luật này tác giả

đã khẳng định hệ số thấm phụ thuộc vào tính chất đất đồng thời phụ thuộc vào

tính chất của chất lỏng (nước) - tức là độ nhớt của chúng, mà độ nhớt lại phụ

4

thuộc vào nhiệt độ và mức độ khoáng hóa. Khi nhiệt độ giảm thì độ nhớt sẽ

tăng dẫn đến làm giảm tốc độ thấm và ngược lại. Tác giả đã biểu thị bằng

công thức toán học và được gọi là định luật Darcy:

Q = K.S.T.h/l

Trong đó: Q là lượng nước thấm (cm3), K là hệ số thấm (cm3), T là thời

gian thấm (phút), h là độ chênh lệch áp lực cột nước ở đầu trên và đầu dưới

của cột thấm, l là chiều dài đoạn đường thấm (cm). Đồng thời, định luật còn

được biểu thị bằng phương trình tốc độ thấm:

V = K.I

Với V là tốc độ thấm (mm/giây, cm/phút, hoặc m/ngày đêm), I = h/l

Sau này, người ta nhận thấy rằng khi xác định tốc độ thấm của đất

trong những điều kiện nhiệt độ thay đổi thì không thể so sánh được, do đó

người ta quy về điều kiện tiêu chuẩn ở 100 C bằng cách sử dụng hệ số điều

chỉnh nhiệt độ của Hazen là: 0,7 + 0,3t khi tính hệ số thấm.

Đến năm 1937, Vusoski (dẫn theo Lê Hồng Liên, [28]) nhà bác học

người Nga đã xây dựng được công thức tính lượng nước thấm xuống đất.

Công trình nghiên cứu của Fraisơ (1963) (dẫn theo Phùng Ngọc Lan, 1994,

[27]) đã nghiên cứu việc phân bố lượng nước rơi trong rừng thường xanh ở

Brazil. Kết quả nghiên cứu đã đưa ra kết luận là lượng nước trực tiếp xuống

đất rừng sau một trận mưa là rất lớn. Nếu đất rừng có khả năng thấm nước cao

thì sẽ giảm được lượng nước chảy bề mặt, giảm xói mòn.

Đã có nhiều mô hình nghiên cứu nước thấm vào đất dựa trên việc đơn

giản hóa quá trình vật lý các mô hình kinh nghiệm như mô hình Philip và cải

biến của nó là mô hình Smith - Pilange, mô hình Green - Ampt, mô hình

Horton,...Khả năng thấm nước của đất cũng được nghiên cứu cùng với sự tác

động ảnh hưởng của lửa rừng. Theo kết quả nghiên cứu của Dernes (1976)

(dẫn theo Nguyễn Thị Bích Ngọc, [33]) đốt lửa làm cho lớp đất mặt từ 2,5 -

5

30 cm giảm rõ rệt độ thấm nước và làm tăng sự bay hơi bề mặt, lớp đất mặt

trở nên khô, độ xốp của đất giảm, kết cấu đất bị phá vỡ.

Nhìn chung, đất rừng có hiệu suất thấm nước lớn hơn so với các loại

hình sử dụng đất khác, hiệu suất ổn định của nước thấm xuống trong đất rừng

tốt có thể lên tới 80 cm/h trở lên (Dunne (1978) (dẫn theo Nguyễn Thị Bích

Ngọc, [33]). Còn ở Trung Quốc, các nhà khoa học thường dùng lượng nước

bão hòa các lỗ hổng ngoài mao quản trong đất rừng để tính toán lượng nước

thấm xuống đất.

Sau này đã có khá nhiều mô hình được xây dựng để mô tả quá trình

thấm nước của đất hoàn thiện và đầy đủ hơn, như các mô hình dựa trên việc

đơn giản hoá quá trình vật lý và mô hình kinh nghiệm gồm các mô hình Philip

và mô hình cải tiến của nó là mô hình Smith - Parlange, mô hình Green - Ampt, mô hình Horton, v.v…Mặc dù, những mô hình này đã mô phỏng khá

tốt sự vận động của nước trong đất nông nghiệp và trong thuỷ văn lưu vực đất

nông nghiệp (Skaggs and Khaleel, 1982) (dẫn theo Lê Hồng Liên, [28]),

nhưng khi ứng dụng trong lưu vực rừng lại gây ra những thách thức nghiêm

trọng (dẫn theo Bùi Hiếu, 2002, [14]).

1.1.1.2. Khả năng giữ nước của đất

Khả năng giữ nước của đất là khả năng giữ lại nước trong điều kiện có

dòng chảy tự do về phía dưới. Số lượng nước được đất giữ lại trong điều kiện

như vậy được đặc trưng bằng độ trữ ẩm toàn phần và có tầm quan trọng trong

sản xuất nông nghiệp cũng như trong kinh doanh rừng. Do đó, có rất nhiều

nhà khoa học đã nghiên cứu về vấn đề này.

Penman (1991) (dẫn theo Nguyễn Thị Bích Ngọc, [33]) đã sử dụng

phương pháp động lượng học không khí để tính toán ra lượng lưu thông tiềm

nhiệt dùng cho bốc hơi. Monteith cải tiến thêm thành phương pháp tính toán

hiệu suất phản xạ của thảm thực vật hình thành phương pháp Penman -

6

Monteith để tính toán lượng phát tán hơi nước, trong đó việc xác định lực cản

động lực học không khí và lực cản của tầng tán rừng có tầm quan trọng bậc

nhất.

Theo Jones (1997) (dẫn theo Đỗ Đình Sâm và cộng sự, [38]) nhìn từ

góc độ hình thành dòng chảy nếu như không có con đường ưu tiên của vận

động của nước trong đất (dòng ưu tiên), sẽ không có khả năng hình thành

dòng chảy mạch nước ngầm, dòng chảy tốc độ nhanh trong đất, dòng chảy lưu

vực v.v…

Những nghiên cứu của Atkinson (1978) (dẫn theo Lê Hồng Liên, [28])

về dòng ưu tiên chủ yếu là sử dụng dòng chảy theo đường ống, dòng chảy

theo đường ống là vận động của dòng chảy rối loạn của chất lỏng đi theo con

đường vận động thông qua các lỗ hổng lớn hơn mao quản.

Trong những năm gần đây, đã có nhiều công trình nghiên cứu về dòng

chảy mặt như công trình nghiên cứu của Moltranov A.A (1960, 1973),

Matveev P.N (1973), Santra Regina L. (1989), Giacomin (1992) (dẫn theo

Phùng Văn Khoa, [23])…Một trong những công trình nghiên cứu toàn diện

phải kể đến là công trình của Moltranov tiến hành tại Liên Xô. Tác giả này đã

nghiên cứu khá tỉ mỉ về khả năng thấm và giữ nước của đất rừng, sự khác biệt

về lượng nước bị giữ lại ở trên các tán rừng, lượng nước chảy men thân cây,

lượng mưa dưới tán rừng. Tác giả đã khẳng định ngay rằng ở những nơi có độ

dốc 25 - 300

, đất rừng vẫn có khả năng chuyển nước chảy mặt đất thành nước

ngầm. Hiệu quả làm khô đất của cây rừng ở Liên Xô không chỉ thấy trên các

vùng đầm lầy mà còn ở những khu vực có lượng mưa thấp như các vùng

Trung Á. Kết quả nghiên cứu của Moltranov có ý nghĩa không chỉ trong công

tác xây dựng tiêu chuẩn rừng giữ nước mà còn trong lĩnh vực nghiên cứu hình

thành và phương pháp nghiên cứu thuỷ văn rừng.

7

Theo Rode và Koloskop (dẫn theo Vương Văn Quỳnh, [37]) độ trữ ẩm

hấp phụ cực đại là lượng nước lớn nhất mà đất giữ lại nhờ lực hấp phụ, hay

nói cách khác là lượng nước lớn nhất của nước liên kết chặt. Theo Lebedev,

độ trữ ẩm phân tử cực đại là lượng nước lớn nhất được giữ lại trong đất nhờ

lực phân tử, bao gồm nước hút ẩm không khí cực đại và nước màng. Theo

Rozop (1936), Rode (1952, 1963, 1969), Astapop (1943), Katriski (1970)

(dẫn theo Vương Văn Quỳnh, [37]) độ trữ ẩm cực đại là lượng nước lớn nhất

mà đất giữ lại được sau khi nước trong lưu vực đã rút chảy và không có hiện

tượng dâng mao quản từ dưới mạch ngấm lên.

Bude Ko (1943) (dẫn theo Bùi Hiếu, [14]) đã sáng lập ra phương pháp

cân bằng năng lượng thông qua việc dựng lên một phương trình cân bằng

năng lượng để xác định lượng lưu thông tiềm nhiệt dùng cho bốc hơi nước, từ

đó xác định lượng nước bốc hơi.

Trên cơ sở nghiên cứu nhiều năm, Kantrinski [40] còn đưa ra bảng

đánh giá độ trữ ẩm cực đại sau: