Luận văn Ứng dụng công nghệ hệ thống thông tin địa lý (GIS) để dự báo xói mòn đất huyện Sơn Động - Tỉnh Bắc Giang

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM ------ HOÀNG TIẾN HÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ (GIS) ĐỂ DỰ BÁO XÓI MÕN ĐẤT HUYỆN SƠN ĐỘNG - TỈNH BẮC GIANG CHUYÊN NGÀNH: LÂM HỌC Mã số: 60.62.60 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC LÂM NGHIỆP NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: - TS. NGUYỄN VĂN SINH - TS. ĐỖ THỊ LAN ÀNH: 301 THÁI NGUYÊN, NĂM 2009 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM ------ HOÀNG TIẾN HÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ (GIS) ĐỂ DỰ BÁO XÓI MÕN ĐẤT HUYỆN SƠN ĐỘNG - TỈNH BẮC GIANG LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC LÂM NGHIỆP CHUYÊN NGÀNH: LÂM HỌC ÀNH: 301 THÁI NGUYÊN, NĂM 2009 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên LỜI CẢM ƠN Luận văn đƣợc hoàn thành theo chƣơng trình đào tạo cao học khoá 14 tại trƣờng Đại học Nông lâm - Đại học Thái Nguyên. Hoàn thành luận văn thạc sỹ này, tôi đã đƣợc sự quan tâm giúp đỡ của Ban giám hiệu, khoa đào tạo Sau đại học trƣờng Đại học Nông lâm. Nhân dịp này tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến sự giúp đỡ quý báu đó. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Tiến sĩ Nguyễn Văn Sinh - Viện Sinh thái và tài nguyên sinh vật, Tiến sĩ Đỗ Thị Lan - Giảng viên khoa Tài nguyên - Môi trƣờng, trƣờng Đại học Nông lâm Thái Nguyên đã trực tiếp chỉ dẫn, nhiệt tình giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn. Luận văn có ý kiến tham gia của Thạc sỹ Đỗ Văn Thanh, giảng viên trƣờng Đại học sƣ phạm Hà Nội; Thạc sỹ Hà Quý Quỳnh, Viện sinh thái và tài nguyên sinh vật, tôi xin đƣợc bày tỏ lòng biết ơn đến sự giúp đỡ quý báu đó. Tôi xin cảm ơn sự giúp đỡ của Lãnh đạo, cán bộ công chức các cơ quan: UBND huyện Sơn Động, Hạt Kiểm lâm, Phòng Tài nguyên - Môi trƣờng, Phòng Thống kê, Trung tâm khí tƣợng thủy văn huyện Sơn Động đã tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong quá trình thu thập các tài liệu phục vụ luận văn. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo các đơn vị: Sở Nông nghiệp và PTNT Bắc Giang, Chi cục Lâm nghiệp, Chi cục Kiểm lâm đã tạo điều kiện cho tôi đƣợc tham gia khóa học và những điều kiện tốt nhất để tôi học tập, nghiên cứu luận văn này. Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến ngƣời thân, bạn bè và đồng nghiệp đã động viên, giúp đỡ tôi trong thời gian qua. Một lần nữa, tôi xin trân trọng cảm ơn! Thái Nguyên, tháng 11 năm 2009 Tác giả Hoàng Tiến Hà Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 2 MỤC LỤC MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... 6 1. Đặt vấn đề ............................................................................................................................6 2. Mục đích nghiên cứu ............................................................................................................7 3. Ý nghĩa của đề tài nghiên cứu..............................................................................................7 4. Khối lƣợng và cấu trúc luận văn .........................................................................................7 Chƣơng 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ...................................................... 9 1.1. Xói mòn đất và các nhân tố ảnh hƣởng đến xói mòn đất .................................................9 1.1.1. Xói mòn đất ...................................................................................................... 9 1.1.2. Các quá trình xói mòn đất ................................................................................ 9 1.1.2.1. Xói lở sông suối ......................................................................................... 9 1.1.2.2. Xói mòn và rửa trôi bề mặt ...................................................................... 10 1.1.3. Các nhân tố ảnh hưởng đến xói mòn đất ........................................................ 10 1.1.3.1. Ảnh hưởng của các nhân tố khí hậu đến xói mòn đất ............................... 11 1.1.3.2. Ảnh hưởng của địa hình đến xói mòn đất ................................................. 11 1.1.3.3. Ảnh hưởng của lớp phủ thực vật đến xói mòn đất .................................... 13 1.1.3.4. Ảnh hưởng của đất đến quá trình xói mòn đất ......................................... 13 1.1.3.5. Ảnh hưởng của con người đến xói mòn đất .............................................. 13 1.2. Nghiên cứu xói mòn đất trên thế giới ............................................................................. 14 1.2.1. Các xu hướng mới trong nghiên cứu xói mòn ................................................. 14 1.2.2. Các phương pháp đánh giá xói mòn đất [30] ................................................. 15 1.2.3. Các mô hình đánh giá xói mòn đất ................................................................. 16 1.2.3.1. Mô hình kinh nghiệm ............................................................................... 16 1.2.3.2. Mô hình nhận thức .................................................................................. 22 1.3. Nghiên cứu xói mòn đất ở Việt Nam............................................................................... 23 1.4. Ứng dụng hệ thống thông tin địa lý (GIS) trong đánh giá xói mòn đất ......................... 28 1.4.1. Sự hình thành và phát triển của GIS ............................................................... 28 1.4.2. Ứng dụng GIS trực tiếp xây dựng bản đồ xói mòn .......................................... 29 1.4.3. Ứng dụng GIS và mô hình hóa tính toán xói mòn đất ..................................... 30 CHƢƠNG II: ĐẶC ĐIỂM TỰ NHIÊN - XÃ HỘI ....................................................... 33 KHU VỰC NGHIÊN CỨU ........................................................................................... 33 2.1. Điều kiện tự nhiên ........................................................................................................... 33 2.1.1. Vị trí địa lý, địa hình ...................................................................................... 33 2.1.1.1. Vị trí địa lý .............................................................................................. 33 2.1.1.2. Địa hình .................................................................................................. 34 2.1.2. Khí hậu, thuỷ văn ........................................................................................... 35 2.1.2.1. Khí hậu ................................................................................................... 35 2.1.2.2. Thuỷ văn ................................................................................................. 37 2.1.3. Thổ nhưỡng .................................................................................................... 38 2.1.4. Đặc điểm tài nguyên rừng .............................................................................. 40 2.2. Điều kiện kinh tế - xã hội ................................................................................................ 43 2.2.1. Thành phần dân tộc và phân bố dân cư .......................................................... 43 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 3 2.2.2. Y tế, giáo dục[21] .......................................................................................... 43 2.2.3. Giao thông ..................................................................................................... 44 2.2.4. Tình hình phát triển sản xuất huyện Sơn Động ............................................... 44 Chƣơng 3: ĐỐI TƢỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........... 45 3.1. Đối tƣợng nghiên cứu và giới hạn phạm vi nghiên cứu.................................................. 45 3.2. Thời gian nghiên cứu ...................................................................................................... 45 3.3. Nội dung nghiên cứu ....................................................................................................... 45 3.4. Phƣơng pháp nghiên cứu ................................................................................................ 46 3.4.1. Ngoại nghiệp.................................................................................................. 46 3.4.2. Nội nghiệp ..................................................................................................... 47 3.4.2.1. Hệ số mưa (R) ......................................................................................... 47 3.4.2.2. Hệ số thổ nhưỡng (K) .............................................................................. 49 3.4.2.3. Hệ số độ dốc (S) và chiều dài sườn dốc (L).............................................. 51 3.4.2.4. Hệ số thực bì (C) ..................................................................................... 53 3.4.2.5. Hệ số các công trình bảo vệ đất (P) ......................................................... 54 3.4.2.6. Thành lập bản đồ xói mòn tiềm năng huyện Sơn Động (V)....................... 55 3.4.2.7. Thành lập bản đồ xói mòn huyện Sơn Động (A) ....................................... 55 3.4.3. Quy trình nghiên cứu ..................................................................................... 56 3.4.3.1. Xây dựng các bản đồ đơn thành phần:..................................................... 56 3.4.3.2. Xây dựng bản đồ xói mòn tiềm năng và xói mòn thực tế: ......................... 56 3.5. Cơ sở tài liệu .................................................................................................................... 57 Chƣơng 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ........................................... 59 4.1. Xây dựng bản đồ xói mòn tiềm năng và xói mòn thực tế huyện Sơn Động ................... 59 4.1.1. Xây dựng bản đồ hệ số xói mòn do mưa (R) ................................................... 59 4.1.2. Thành lập bản đồ hệ số kháng xói của đất (K) ................................................ 60 4.1.3. Thành lập bản đồ hệ số địa hình (LS) ............................................................. 62 4.1.4. Thành lập bản đồ hệ số lớp phủ thực vật (C) .................................................. 63 4.1.5. Bản đồ hệ số canh tác (P) .............................................................................. 65 4.1.6. Bản đồ xói mòn tiềm năng huyện Sơn Động ................................................... 66 4.1.7. Bản đồ xói mòn huyện Sơn Động .................................................................... 69 4.2. Kiểm chứng kết quả nghiên cứu ..................................................................................... 72 4.3. Ảnh hƣởng biến động lớp phủ thực vật tới xói mòn đất huyện Sơn Động .................... 73 4.3. Một số đề xuất cho khu vực nghiên cứu ......................................................................... 74 4.3.1. Đối với khu vực xói mòn cấp 1 - Cấp không xói mòn ...................................... 74 4.3.2. Đối với khu vực xói mòn cấp 2 - Cấp ít nguy hại ............................................ 74 4.3.3. Đối với khu vực xói mòn cấp 3 - Cấp nguy hại ............................................... 75 4.3.4. Đối với khu vực xói mòn cấp 4 - Cấp rất nguy hại .......................................... 75 4.3.5. Đối với khu vực xói mòn cấp 5 - Cấp cực kỳ nguy hại .................................... 75 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................................... 77 1. Kết luận: ............................................................................................................................. 77 2. Kiến nghị: ........................................................................................................................... 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 78 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 4 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Ảnh hƣởng của độ dốc đến xói mòn đất [6] ................................................. 12 Bảng 2.1: Một số thông tin về chế độ khí hậu............................................................... 36 huyện Sơn Động – Bắc Giang........................................................................................ 36 Bảng 2.2: Lƣợng mƣa huyện Sơn Động năm 2007 theo tháng .................................... 36 Bảng 2.3: Độ che phủ thảm thực vật Sơn Động ........................................................... 42 Bảng 3.1: Hệ số xói mòn đất của một số loại đất ở Việt Nam ...................................... 50 Bảng 3.2. Bảng tra C theo Hội khoa học đất quốc tế [3] ............................................. 53 Bảng 3.3: Hệ số xói mòn đất của một số dạng thảm thực vật ...................................... 54 ở Việt Nam [4] ............................................................................................................... 54 Bảng 3.4. Bảng tra hệ số P theo hội khoa học đất quốc tế [3] ...................................... 55 Bảng 3.5: Phân cấp xói mòn và xói mòn tiềm năng...................................................... 57 Bảng 4.1: Hệ số kháng xói các loại đất huyện Sơn Động ............................................. 61 Bảng 4.2: Bảng hệ số C khu vực nghiên cứu ................................................................ 64 Bảng 4.3: Phân cấp xói mòn tiềm năng huyện Sơn Động ............................................ 68 Bảng 4.4: Phân cấp xói mòn huyện Sơn Động .............................................................. 71 Bảng 4.5: Tƣơng quan diện tích xói mòn với độ che phủ rừng ................................... 73 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 5 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Các nhân tố chính ảnh hƣởng đến xói mòn đất ........................................... 10 Hình 1.2: Ứng dựng GIS trực tiếp tính toán xói mòn .................................................. 30 Hình 1.3: Sử dụng mô hình USLE trong tính toán xói mòn bằng GIS........................ 32 Hình 2.1: Vị trí địa lý huyện Sơn Động ........................................................................ 33 Hình 2.2: Bản đồ hành chính huyện Sơn Động ............................................................ 34 Hình 2.3: Biểu đồ lƣợng mƣa huyện Sơn Động, năm 2007 .......................................... 37 Hình 2.4: Hệ thống sông, suối huyện Sơn Động ........................................................... 38 Hình 2.5: Bản đồ phân bố các loại đất huyện Sơn Động .............................................. 39 Hình 2.6: Diện tích các loại đất chính huyện Sơn Động ............................................... 40 Hình 2.7: Bản đồ hiện trạng thảm thực vật .................................................................. 41 huyện Sơn Động, năm 2007 ........................................................................................... 41 Hình 2.8: Phân bố dân cƣ huyện Sơn Động.................................................................. 43 Hình 3.1: Mô hình phƣơng pháp tính toán bản đồ trên GIS ....................................... 46 Hình 3.2. Các bƣớc xây dựng bản đồ hệ số R ............................................................... 48 Hình 3.3: Các bƣớc xây dựng bản đồ hệ số LS ............................................................ 52 Hình 3.4: Phƣơng pháp nghiên cứu xói mòn đất ......................................................... 58 Hình 4.1: Bản đồ đƣờng đẳng trị mƣa huyện Sơn Động.............................................. 59 Hình 4.2: Bản đồ hệ số xói mòn do mƣa (R) ................................................................. 60 Hình 4.3: Bản đồ hệ số kháng xói của đất (K) .............................................................. 62 Hình 4.4: Bản đồ hệ số LS ............................................................................................. 63 Hình 4.5: Bản đồ hệ số C khu vực nghiên cứu ............................................................ 65 Hình 4.6: Bản đồ xói mòn tiềm năng huyện Sơn Động ................................................ 67 Hình 4.7: Bản đồ xói mòn đất huyện Sơn Động ........................................................... 70 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 6 MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Sơn Động là huyện miền núi của tỉnh Bắc Giang có diện tích tự nhiên là 84.432,4 ha, trong đó diện tích đất lâm nghiệp là 68.348,29 hecta chiếm 72,0% [14]. Địa hình Sơn Động gồm đồi núi xen kẽ các thung lũng, manh mún, địa hình chia cắt mạnh chênh lệch về độ cao, độ dốc lớn. Hiện tƣợng xói mòn, rửa trôi đang xảy ra mạnh. Tuy nhiên, đến nay chƣa có nghiên cứu nào về xói mòn đất trên địa bàn huyện Sơn Động. Đất đai là tài nguyên vô cùng quý giá, là tƣ liệu đặc biệt, là thành phần quan trọng hàng đầu của môi trƣờng sống, là tƣ liệu lao động chính của nền kinh tế Nông – Lâm nghiệp. Tuy nhiên, trong vài thập kỷ gần đây, cùng với sự gia tăng dân số, các nguồn tài nguyên khoáng sản, thảm thực vật, đất đai đã và đang đƣợc sử dụng ở mức độ cao, thậm chí không hợp lý. Việc khai thác Nông – Lâm nghiệp không có ý thức ngày càng làm cho quá trình xói mòn đất xảy ra nghiêm trọng, độ phì nhiêu ngày càng giảm, nhiều nơi trơ sỏi đá, trở thành đất trống, đồi núi trọc [6]. Xói mòn đất là quá trình phá huỷ lớp thổ nhƣỡng (bao gồm cả phá huỷ thành phần cơ, lý, hoá, chất dinh dƣỡng v.v… của đất) dƣới tác động của các nhân tố tự nhiên và nhân sinh làm giảm độ phì của đất, gây ra bạc mầu, thoái hoá đất, laterit hoá, trơ sỏi đá v.v…, ảnh hƣởng trực tiếp tới sự sống và phát triển của thảm thực vật rừng, thảm cây trồng khác. [6]. Ðể giảm thiểu xói mòn ở khu vực miền núi, hai vấn đề cần đƣợc song song nghiên cứu là: quá trình xói mòn, nguyên nhân, các yếu tố ảnh hƣởng và vấn đề sử dụng hợp lý tài nguyên. Có nhiều phƣơng pháp nghiên cứ u, đánh giá xói mòn đất đƣợc các tác giả trong và ngoài nƣớc sử dụng. Trong đó, việc ứng dụng công nghệ hệ thống thông tin địa lý (GIS) là phƣơng pháp, là công Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 7 cụ mạnh có khả năng phân tích không gian trong thời gian ngắn . Công nghệ GIS còn cho phép tích hợp phƣơng trình mất đất tổng quát của Wischmeier W.H và Smith D.D để tính toán và xây dựng bản đồ xói mòn đất của các lƣu vực, vùng lãnh thổ một cách dễ dàng và chính xác. Với các lý do nêu trên , chúng tôi chọn đề tài: “Ứng dụng công nghệ hệ thống thông tin địa lý (GIS) để dự báo xói mòn đất huyện Sơn Động - tỉnh Bắc Giang”. 2. Mục đích nghiên cứu Dự báo xói mòn đất phục vụ quy hoạch sử dụng hợp lí tài nguyên đất huyện Sơn Động. Để đạt đƣợc mục đích trên, đề tài đặt ra những mục tiêu cụ thể sau: - Xây dựng bản đồ xói mòn đất hiện tại và bản đồ dự báo tiềm năng xói mòn đất huyện Sơn Động dựa trên ứng dụng công nghệ hệ thống thông tin địa lý (GIS), làm cơ sở định hƣớng cho chiến lƣợc quy hoạch sử dụng đất huyện Sơn Động. - 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) 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 nhƣỡng, thực vật và con ngƣời tại huyện Sơn Động. - Ý nghĩa thực tiễn của luận văn: Đánh giá xói mòn và xói mòn tiềm năng huyện Sơn Động, 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. 4. Khối lƣợng và cấu trúc luận văn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 8 Luận văn đƣợc trình bày trong 80 trang khổ A4 với 21 hình, 14 bảng biểu và đƣợc trình nhƣ sau: MỞ ĐẦU Chƣơng 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU. Chƣơng 2: ĐẶC ĐIỂM TỰ NHIÊN – XÃ HỘI KHU VỰC NGHIÊN CỨU Ch