Laboratory Exercise No. 2 GIS & R_CP_K_LS Factor Chuyên đề 2 ỨNG DỤNG GIS TÍNH TOÁN CÁC THAM SỐ TRONG PHƯƠNG TRÌNH MẤT ĐẤT PHỔ DỤNG USLE (Universal Soil Loss Equation) Mục tiêu: 1) Ứng dụng GIS tính tóan R- factor (nhân tố lượng mưa) trong phương trình xói mòn USLE (Universal Soil Loss Equation) trong việc dự báo xói mòn trong một lưu vực; (on-site soil erosion); 2) Ứng dụng GIS tính tóan LS-factor (độ dốc) trong phương trình xói mòn USLE (Universal Soil Loss Equation); 3) Ứng dụng GIS tính tóan K –factor (độ xói mòn của đất), CP-factor (nhân tố che phủ của tham thực vật và hình thức canh tác) . Tài liệu tham khảo: (1) Nguyen Kim Loi. 2002. Effect of Land Use/ Land Cover Changes and Practices on Sediment Contribution to the Tri An Reservoir of Dong Nai Watershed, Vietnam. M.Sc. Thesis, Graduate School, Kasetsart University, Bangkok, Thailand. 113p. (2) ARS-USDA. 2001. The National Soil Erosion Research Laboratory, at Website: http://topsoil.nserl.purduc.edu/nserl web lentry.html [Connect to WEPP software, RUSLE Link Page (3) Nguyễn Kim Lợi .2004. Anh hưởng của sự thay đổi các kiểu sử dụng đất đến bồi lắng lòng hồ Trị An của lưu vực sông Đồng Nai.Tạp chí Khoa học đất, Soá đặc biệt 20/2004, Hà Nội. (4) Cochrane, T.A. 1999. Methodologies for Watershed Modeling with GIS and DEMs for parameterization of the WEPP Model. Ph.D Dissertation. Graduate School, Purdue University, West Lafayette, Indiana. 198p. (5) Nguyen Kim Loi. and N. Tangtham. 2004. Decision support system for sustainable watershed management in Dong Nai watershed – Vietnam: Applying Linear Programming Technique for Land Allocation. Paper presented in International Environmental Modelling and Software Society iEMSs 2004 International Conference . Complexity and Integrated Resources Management Session. 14-17 June 2004 University of Osnabrck, Germany. (6) Rollans, S. 1999. Soil Erosion and Sediment Yield Modeling using GIS. GIS in Water Resources, University of Texasa at Austin, at Website: http://www.ce.utexas.edu/stu/rollansw/termroject.html (7) Roose, E.J.,1977. Use of the universal soil erosion equation to predict erosion in West Africa. In Soil Erosion: Prediction and Control. Soil Cons. Soc. Am., Ankeny, Iowa, p.60-74. Designed by Dr. Nguyen Kim Loi, July 2005 113 Laboratory Exercise No. 2 GIS & R_CP_K_LS Factor (8) Nipon Tangtham and K.Lorsirirat .1993. Prediction Models of the Effect of Basin Characteristics and Forest Cover on Reservoir Sedimentation in Northeastern Thailand. Kasetsart J. (Nat. Scl.)27: 230 – 235p. Vật liệu cần chuẩn bị: 1) Bản đồ sử dụng đất 2) Máy tính với các phần mềm hỗ trợ: Arc View, Arc GIS,… 3) Bản đồ địa hình 4) Lượng mưa của khu vực cần nghiên cứu 5) Bản đồ đất Các kiến thức căn bản 1. Phương pháp dự đóan xói mòn đất Xói mòn đất (Soil erosion) đã từng được nghiên cứu cách nay hơn 60 năm. Nhiều phương trình và công thức đã được phát triển để ước lượng xói mòn. Mặc dù nhiều nhà nghiên cứu đã cho ra nhiều phương pháp và phương trình khác nhau, nhưng phương trình USLE và MUSLE vẫn được xem là quan trọng nhất trong việc ước lượng xói mòn đất. 2. Lịch sử phương trình xói mòn đất (Universal Soil Loss Equation, USLE) Xói mòn đất do mưa là hiện tượng phổ biến trên bề mặt trái đất. Xói mòn đất thể hiện mối quan hệ giữa chế độ mưa và đặc điểm mặt đất (Bao gồm tính chất đất, thành phần cơ giới đất, độ dốc, chiều dài sườn, tham phủ và các hoạt động của con người). Phương trình dự báo xói mòn (Wischmeier và Smith, 1965, 1975 và 1978) hiện đang được thừa nhận và sử dụng rộng rãi trên thế giới, có lịch sử phát triển lâu dài. Đây là phương trình toán học biểu thị lượng đất xói mòn phụ thuộc vào các yếu tố mưa (R), đất (K), địa hình (LS), cây trồng (C), và biện pháp sử dụng đất (P). Phương trình trình như sau: A = RKCPSL Trong đó: A: dự đoán lượng đất xói mòn (tons/ acre); R: hệ số xói mòn bở mưa hay nhân tố mưa (ft-ton/acre-in); K: hệ số xói mòn của đất hay nhân tố đất; LS: hệ số chiều dài sườn và độ dốc hay nhân tố địa hình; C: hệ số cây trồng hay thảm thực vật; P: hệ số bảo vệ đất hay biện pháp sử dụng đất hay hình thức canh tác. Sự tác động của mưa vào mặt đất tạo ra động lực xói mòn (năng lượng của hạt mưa và tốc độ chảy tràn), độ dốc và chiều dài sườn đóng vài trò như là một mặt trượt tạo thêm gia tốc cho khả năng xói mòn của dòng chảy nước mặt và khả năng kháng lại sự xói mòn của đất, và lớp phủ thực vật và kỹ thuật bảo vệ đất góp phần làm hạn chế lực xói mòn bởi nước mặt và mưa. Designed by Dr. Nguyen Kim Loi, July 2005 114 Laboratory Exercise No. 2 GIS & R_CP_K_LS Factor Hình 2. Phương pháp tiếp cận đánh giá xói mòn đất 3. Ý nghĩa của các yếu tố trong phương trình xói mòn đất, USLE. 3.1. Yếu tố lượng mưa, (R, Rainfall Erosion Index) R là nhân tố xói mòn (erosivity) của mưa. Theo Ellision quá trình xói mòn do mưa có thể chia làm 3 pha: Tách các hạt đất ra khỏi khối đất, dichuyển các hạt và cuồi cùng là chúng bị trầm lắng. Như vậy tác động chủ yếu của các hạt mưa là tách hạt đất ra khỏi mặt đất, trong khi đó tách động chủ yếu của dòng chảy trên mặt là vận chuyển chúng. Giữa xói mòn do hạt mưa gây ra và xói mòn do dòng chảy trên mặt có quan hệ qua lại với nhau. Sự va đập của hạt mưa vào mặt đất làm mặt đất hóa lầy và dòng chảy trên mặt tăng lền. Sau nhiều công trình nghiên cứu về mối quan hệ giữa lượng mất đất và chế độ mưa người ta thấy rằng: Mối tương quan giữa lượng đất mất và lượng mưa rơi trong những thời lượng khác nhau không chặt chẻ nhưng có tương quan tốt và phụ thuộc Designed by Dr. Nguyen Kim Loi, July 2005 Bản đồ tiềm năng xói mòn Bản đồ hệ Số R Bản đồ hệ Số K Bản đồ hệ Số LS Bản đồ hệ số CP Bản đồ hiện trạng xói mòn 115 Rainfall Soil Land cover Contours R-Factor K-Factor CP- Factor DEM Slopes Slopes L-Factor S- Factor LS- Factor Soil loss Lượng mua Bản đồ đất Bản đồ SD Đất Bản đồ địa hình Hình1.Ứng dụng GIS trong xây dựng bản đồ xói mòn đất (Nguyễn Kim Lợi, 2005) Laboratory Exercise No. 2 GIS & R_CP_K_LS Factor chặt chẻ với động năng của mưa, nhất là cường độ mưa tối đa trong 30 phút. Từ đó chỉa số EI 30 ra đời. Căn cứ trên chỉ số EI 30 để xác lập hệ số xói moon do mưa ® được sử dụng rộng rải. Tùy thuộc vào tính chất mưa và số liệu mưa hiện có ở địa phương mà các công thức tính chỉ số R được xác lập từ những công thức khác nhau, được chỉ ra trong Bảng dưới đây. Bang 1 Phương pháp sử dụng để tính nhân tố mưa (R-factor). Roose (1975) Chỉ số xói mòn tính theo lượng mưa hằng năm = 0.5 x P x 1.73 (5) Morgan (1974) Chỉ số xói mòn tính theo lượng mưa hằng năm (MAE1) (KE>25) (j/m 2 ) = 9.28 x P - 8,838 Multiply by I 30 (75 mm/h; max. value recommended By Wischmeier, 1977) = MAE1 x I 30 (6) Foster et al. (1981) Chỉ số xói mòn tính theo lượng mưa hằng năm (MAE2) (kg.m.mm)/(m 2 .h) = 0.276 x P x I 30 = MAE2/100 (7) Renard and Freimund, Chỉ số xói mòn tính theo lượng mưa hằng năm = 0.0048 x P1.61 (8) El-Swaify and others 1985 Chỉ số xói mòn tính theo lượng mưa hằng năm = 38.5 + 0.35 (P) (9) Wanapiryarat et al. 1986 Chỉ số xói mòn tính theo lượng mưa hằng năm = -3.2353 + 1.789 ln(x) Chỉ số xói mòn tính theo lượng mưa hằng năm = Σy (10) Trong đó, P= lượng mưa hằng năm và x= lượng mưa hằng ngày. 3.2 Yếu tố đất K (Soil Erodibility Index) K là yếu tố xói mòn của đất (soil-erodibility), là thước đo độ xói mòn đất trong điều kiện tiêu chuẩn trên một đơn vị thửa đất có chiều dài là 72.6 ft (22.13 m) có độ dốc 9% (5 0 ), có cách làm đất canh tác giống nhau. Designed by Dr. Nguyen Kim Loi, July 2005 116 Laboratory Exercise No. 2 GIS & R_CP_K_LS Factor Yếu tố K thể hiện cả sự nhạy cảm ở xói moon đất do mưa và dòng chảy bề mặt, khi đo đạc dưới điều kiện đơn vị thửa đất chuẩn. Những tính chất đất chính ảnh hưởng tới nhân tố K là: Sa cấu đất, chất hữu cơ, cấu trúc và độ thấm của phẩu diện đất. Kết quả khảo sát từ mảnh đất chuẩn cho thấy những đất có hàm lượng sét cao thì có giá trị K thấp, khỏang 0.05 – 0.15, bởi khả năng kháng cao, những loại đất có cấu trúc thô như đất cát cũng có giá trị K thấp khoảng 0.05 – 0.2 bởi dòng chảy mặt thấp dù là chúng có độ kháng tách yếu. Những đất có cấu trúc trung bình như đất thịt có giá trị K trung bình khoảng 0.25 – 0.4, những đất có hàm lượng bột cao dễ bị xói moon hơn cả, bởi chúng có khả năng kháng thấp, hạt đất dễ bị tách khỏi mặt đất và có chiều hướng hình thành lớp vỏ cứng, giá trị K lên đến 0.4. Chất hữu cơ làm hạn chế khả năng xói moon nhờ tính thấm, tính kết dính các hạt đất và hấp thu cao của chúng. Do đó, sự thêm vào đất chất hữu cơ thông qua thảm mục tự nhiên hoặc bón phân hữu cơ góp phần hạn chế xói mòn. Từ những kết quả nghiên cứu trên Wischmeier, Johnson và Cross năm 1971, đã xác lập chỉ số K dựa vào biểu đồ chỉ số xói moon của đất, trên biểu đồ bao gồm 5 thông số sau nay: - % Cát (0.1 – 2 mm). - % Bột + Cát rất mịn (0.02 – 0.1 mm) - % Chất hữu cơ (OM) - Cấu trúc (Si) - Độ thấm (Pi) 3.3 Nhân tố LS (LS-factor) L là nhân tố chiều dài sườn dốc, thể hiện sự tác động của chiều dài sườn đến sự xói mòn đất. Nó là tỉ số giữa sự mất đất ở những loại đất giống nhau có độ dốc giống nhau có chiều dài sườn khác nhau so với chiều dài sườn của ô đất chuẩn (72.6 foot hay 22.13 m). Chiều dài sườn là khoảng cách từ đường phân thủy ở đỉnh dốc đến nơi vận tốc dòng chảy chậm lại và vật chất bị trầm tích. Lượng mất đất được tính không chỉ cho thấy có sự nhạy cảm đặc biệt đối với chiều dài sườn dốc và sự khác nhau của chiều dài sườn dốc khoảng +/- 10% là không quan trọng trên hầu hết các độ dốc. S là độ dốc của sườn thể hiện sự ảnh hưởng của độ dốc đối với xói mòn. Sự mất đất tăng lên nhanh chóng khi độ dốc tăng hơn là tăng chiều dài sườn. Nó là tỉ lệ của sự mất đất từ độ dốc thực tế đối với độ dốc tiêu tiêu chuẩn (9%) dưới những điều kiện khác đồng nhất, sự liên hệ của sự mất đất đối với độ dốc bị ảnh hưởng bởi mật độ che phủ thực vật và kích thước hạt đất. L và S là 2 yếu tố được xét chung khi xét đến sự ảnh hưởng đối với xói mòn. Trong công thức mất đất phổ dụng RUSLE hệ số LS thể hiện những tác động liên kết của xói mòn khe rảnh (rill) và bên trong khe rảnh (interrill). Xói mòn khe rảnh được hình thành bởi dòng chảy nước mặt và gia tăng theo hướng chân dốc. Xói mòn bên trong khe rảnh gây ra bởi tác động mưa rơi và chúng được tính theo công thức sau nay: Designed by Dr. Nguyen Kim Loi, July 2005 117 Laboratory Exercise No. 2 GIS & R_CP_K_LS Factor LS = (x/22.13) m (0.065 +0.045 s + 0.0065 s 2 ) x: chiều dài sườn thực tế tính bằng m s: độ dốc tính bằng % m = 0.5 3.4 Yếu tố C (Crop management factor) C là yếu tố quản lý lớp phủ. Yếu tố C được sử dụng để phản ánh thực tế quản lý và muà vụ đối với xói mòn. Nó là yếu tố được sử dụng để so sánh những tác động liên quan của chức năng quản lý ở những phương thức bảo vệ đất khác nhau. Yếu tố C chỉ báo phương thức bảo vệ đất nào sẽ ảnh hưởng đến sự mất đất trung bình hàng năm và khả năng mất đất nào sẽ được phân bố trong suốt thời gian hoạt động sản xuất. Yếu tố C thể hiện ảnh hưởng của lớp thực vật, thảm phủ đất, sinh khối đất. 3.5 Yếu tố P (Practice Human) Trong USLE yếu tố P phản ánh sự tác động của những thực tế bảo vệ đất đối với tỉ lệ xói mòn hằng năm. Yếu tố P chính là hoạt động canh tác của con người trong quá trình kiểm soát xói mòn. Thường P = 1. Nội dung thực hiện: 1) Ứng dụng và GIS tính tóan các tham số xói mòn đất Gần đây, với sự hỗ trợ của các phần mềm,(Exel, ) và đặt biệt Geographic Information System (GIS), máy tính đã có thể ứơc lượng, dự báo với tính chính xác cao của các hiện tượng tự nhiên (natural phenomena). Tổng hợp các công cụ này để vẽ lại, thu thập, mô phỏng, phân tích các cở sở dữ liệu trong quản lý tài nguyên thiên nhiên. - Xác định tất cả các tham số của phương trình USLE sử dụng các cell trong Spreasheet hoặc Grid, Pixel trong GIS. - Ứng dụng Microsoft Exel hoặc ArcView GIS tính xói mòn đất. - Nhưng thuận lợi & khó khăn của phương pháp này. - Các kiến nghị và đề xuất Designed by Dr. Nguyen Kim Loi, July 2005 118 . Laboratory Exercise No. 2 GIS & R_CP_K_LS Factor Chuyên đề 2 ỨNG DỤNG GIS TÍNH TOÁN CÁC THAM SỐ TRONG PHƯƠNG TRÌNH MẤT ĐẤT PHỔ DỤNG USLE (Universal Soil. soil erosion); 2) Ứng dụng GIS tính tóan LS-factor (độ dốc) trong phương trình xói mòn USLE (Universal Soil Loss Equation); 3) Ứng dụng GIS tính tóan K