LUẬN ÁN TIẾN SỸ LÂM NGHIỆP Hà Nội, 2014
LUẬN ÁN TIẾN SỸ LÂM NGHIỆP
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. PHÙNG VĂN KHOA
2. GS.TSKH. NGUYỄN NGỌC LUNG

Ơ

Hà Nội, 2014
i

LỜI CẢM ƠN
Luận án tiến sĩ “ Nghiên cứu mối liên hệ giữa thảm thực vật rừng với
dòng chảy và chất lượng nước trong lưu vực sông Đăkbla, tỉnh Kon tum”
được thực hiện và hoàn thành theo chương trình đào tạo tiến sĩ tại Trường Đại
học Lâm nghiệp Việt nam.
Trong suốt hơn 3 năm thực hiện luận án này, tác giả đã được Ban giám

công bố.
Kon tum, ngày 15/7/2014.
Người cam đoan.

iii

Ơ
MỤC LỤC

Lời cảm ơn i
Lời cam đoan ii
Mục lục iii
Danh mục chữ viết tắt và ký hiệu các đơn vị tính. vi
Danh mục các bảng tính toán và hình ảnh viii
MỞ ĐẦU 1
I. Đặt vấn đề. 1
II. Mục tiêu, đối tượng nghiên cứu của đề tài. 2
III. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2
TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 4
I. Trên thế giới. 4
1. Phương pháp nghiên cứu thủy văn rừng. 4
1.1. Nghiên cứu ở quy mô ô thí nghiệm. 5
1.2. Nghiên cứu ở quy mô khu rừng. 5
1.3. Nghiên cứu ở quy mô lưu vực. 6
1.4. Mô hình hóa trong nghiên cứu thủy văn rừng quy mô lưu vực. 10
2. Những kết quả nghiên cứu chủ yếu về ảnh hưởng của rừng đối với dòng
chảy và chất lượng nước của lưu vực. 12

nhằm nâng cao sản lượng và chất lượng nước trong dòng chảy của lưu
vực sông Đăkbla. 41
1.2. Phương pháp nghiên cứu. 41
1.2.1. Phương pháp luận. 41
1.2.2. Phương pháp thu thập thông tin. 42
1.2.3. Phương pháp xử lý thông tin. 49
v

Chương 2. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 63
2.1. Phân tích các đặc trưng cơ bản của khu vực nghiên cứu. 63
2.1.1. Xác định vị trí, ranh giới, diện tích, độ dốc, chỉ số hình dạng, thổ
nhưỡng, mật độ lưới sông, suối của các lưu vực nghiên cứu. 63
2.1.2. Phân tích các đặc trưng về chế độ mưa, thảm thực vật rừng và chế
độ dòng chảy sông, suối trong các lưu vực nghiên cứu. 67
2.2. Phân tích mối liên hệ giữa thảm thực vật rừng và các yếu tố lập địa với
dòng chảy và chất lượng nước trong lưu vực sông Đăkbla. 82
2.2.1. Xác định mức độ liên hệ giữa các đại lượng. 82
2.2.2. Xác lập phương trình hồi quy biểu thị mối liên hệ giữa các biến
độc lập và biến phụ thuộc. 83
2.3. Bước đầu đề xuất quy mô diện tích và chất lượng rừng cần thiết nhằm
nâng cao giá trị sử dụng của sản lượng và chất lượng nước trong dòng chảy
của lưu vực sông Đăkbla. 116
2.3.1. Đánh giá khả năng điều tiết nước trong dòng chảy sông suối và
hạn chế xói mòn đất của thảm thực vật rừng hiện có trong lưu vực sông
Đăkbla. 116
2.3.2. Bước đầu đề xuất quy mô diện tích và chất lượng rừng cần thiết
nhằm nâng cao sản lượng và chất lượng nước trong dòng chảy của lưu
vực sông Đăkbla. 119
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 126
I. Kết luận 126

Geography Information System – Hệ thống thông tin địa lý.
GPS.

Global Positioning System
-

H
ệ thống định vị to
àn c
ầu.

IUFRO.
International Union of Forest Research Orgnizations – Hiệp
hội các tổ chức nghiên cứu lâm nghiệp quốc tế.
MapInfor.

Phần mềm hệ thống thông tin địa lý xử lý bản đồ.
RQĐ.

R
ừng quy đổi.

SPSS.
Statistical Package for the Social Sciences – Phần mềm máy
tính phục vụ phân tích thống kê dùng cho nghiên cứu điều
tra xã hội.
SSE. Sum of Squares Residual - Tổng bình phương sai số.
SSR. Sum of Squares Regression - Tổng bình phương hồi quy.
SST. Sum of Squares Total - Tổng bình phương chung.
SWAT.

P
gtb
Tỷ lệ diện tích rừng giàu và trung bình.
Q Lưu lượng dòng chảy.
Q
năm

Lưu lư
ợng b
ình quân n
ăm.

S Độ dốc lưu vực .
T
năm
Tổng lượng nước mưa năm trên lưu vực .
X
bq
Lượng mưa bình quân .
Y

Đ
ộ sâu d
òng ch
ảy.

ŋ Hệ số dòng chảy.
COM Compound - Hàm compound. Y = B
0
+ B

0
+ B
1
.X
LOG. Logarithmic – Hàm logarit. Y = B
0
+ B
1
.lnX
POW. Power - Hàm Power. lnY = B
0
+ B
1
.lnX

QUA. Quadratic - Hàm parabol bậc 2. Y = B
0
+ B
1
X + B
2
X
2

S Hàm chữ S. lnY = B
0
+ B
1
/X hoặc Y = exp (B
0

Bảng 2.8. Bảng tính tỷ tương quan giữa các đại lượng

81
Bảng 2.9. Bảng phân tích phương sai (CP - Q
năm
).
84
Bảng 2.10. Bảng các hệ số của phương trình hồi quy (CP - Q
năm
).
84
Bảng 2.11. Bảng phân tích phương sai (T
năm
,CP,S
bq
,K
d
)- Q
năm
. 85
Bảng 2.12.
B
ảng các hệ số
c
ủa ph
ương tr
ình h
ồi

quy

ồi quy (T
năm
,CP,)
-

Q
năm

.

87
Bảng 2.16. Bảng phân tích phương sai (CP- M
năm
). 89
Bảng 2.17. Bảng các hệ số của phương trình hồi quy (CP- M
năm
).
89
Bảng 2.18.

Bảng phân tích phương sai (X
năm
,CP,) - M
năm
.
90
Bảng 2.19.

Bảng các hệ số của phương trình hồi quy (X
năm

.
94
B
ảng 2.24.

B
ảng

phân tích phương sai (CP
-
ŋ
năm
).

96
Bảng 2.25.

Bảng các hệ số của phương trình hồi quy (CP-ŋ
năm
). 97
Bảng 2.26.

Bảng phân tích phương sai (CP-M
bclu
)
.

98
Bảng 2.27.



Bảng các hệ số của phương trình hồi quy (P
gtb
- Q
năm
).
105
Bảng 2.32.

Bảng phân tích phương sai (T
năm
,P
gtb
)- Q
năm
. 106
Bảng 2.33.

Bảng các hệ số của phương trình hồi quy (T
năm
,P
gtb
)- Q
năm
.
106
Bảng 2.34.

Bảng phân tích phương sai (P
gtb

110
Bảng 2.38.

Bảng phân tích phương sai (P
gtb
-M
lũ
).
112
Bảng 2.39.

Bảng các hệ số của phương trình hồi quy (P
gtb
-M
lũ
). 113
B
ảng 2.40.
Kết quả biến động mô đuyn dòng chảy năm theo sự biến đổi
của lượng mưa bình quân năm và độ che phủ rừng.
119
Bảng 2.41.

Kết quả biến động mô đuyn bùn cát lơ lửng mùa lũ theo sự
biến đổi của lượng mưa và độ che phủ rừng.
121
Bảng 2.42.

K
ết quả biến động mô đuyn d

83
Hình 2.6. Biểu đồ thăm dò các dạng liên hệ giữa CP - M
năm
88
Hình 2.7. Biểu đồ thăm dò các dạng liên hệ giữa CP- M
lu
92
Hình 2.8.

Biểu đồ thăm dò các dạng liên hệ giữa CP - 
năm
96
Hình 2.9. Biểu đồ thăm dò các dạng liên hệ giữa CP – M
bclu
98
Hình 2.10.

Biểu đồ thăm dò các dạng liên hệ giữa P
gtb
- Q
năm
104
Hình 2.11.

Biểu đồ thăm dò các dạng liên hệ giữa P
gtb
- M
năm
108
Hình 2.12.

, có vai trò rất quan trọng trong việc cung cấp nguồn nước cho sản xuất và
sinh hoạt của cư dân sinh sống trong lưu vực. Sông Đăkba còn là nguồn cung
cấp nước chủ yếu cho nhiều công trình thủy điện lớn của quốc gia như công
trình thủy điện Yaly, Sê san 3, Sê san 3A và Sê san 4, đóng góp một sản
lượng điện to lớn trong việc đảm bảo an ninh năng lượng của nước ta. Phần
lớn lưu vực sông Đăkbla nằm trong vùng có địa hình cao, dốc, chia cắt mạnh,
có lượng mưa lớn và phân bố không đều, cho nên bảo vệ và phát triển hệ
thống rừng phòng hộ đầu nguồn nhằm điều tiết nguồn nước, giảm thiểu những
hiểm họa như khô hạn hay lũ lụt, hạn chế xói mòn và sạt lở đất gây bồi lắng
2

các hồ chứa của các công trình thủy điện trong lưu vực, đồng thời nâng cao
chất lượng nước phục vụ sản xuất và sinh hoạt của người dân địa phương là
vấn đề có tầm quan trọng chiến lược. Tuy nhiên, từ trước đến nay vẫn chưa có
những công trình nghiên cứu khoa học một cách sâu rộng và có hệ thống, làm
cơ sở lý luận cho công tác quản lý, sử dụng bền vững tài nguyên rừng và tài
nguyên nước trong lưu vực sông Đăkbla.
Đề tài luận án tiến sĩ “ Nghiên cứu mối liên hệ giữa thảm thực vật rừng
với dòng chảy và chất lượng nước trong lưu vực sông Đăkbla, tỉnh Kon tum”
được thực hiện nhằm góp phần đáp ứng yêu cầu khoa học và thực tiễn đó.
II. Mục tiêu, đối tượng nghiên cứu của đề tài.
1. Mục tiêu nghiên cứu chung. Phân tích và đánh giá khả năng điều
tiết nước trong dòng chảy sông suối và hạn chế xói mòn đất của thảm thực vật
rừng, bước đầu đề xuất quy mô diện tích và chất lượng rừng cần thiết nhằm
nâng cao sản lượng và chất lượng nước trong dòng chảy sông Đăkbla.
2. Mục tiêu nghiên cứu cụ thể. Xây dựng các mô hình toán mô phỏng
mối liên hệ giữa thảm thực vật rừng và các yếu tố lập địa với dòng chảy và
chất lượng nước trong lưu vực sông Đăkbla làm cơ sở tính toán diện tích rừng
cần thiết trong lưu vực.
3. Đối tượng nghiên cứu. Các mối liên hệ giữa đặc trưng của thảm


4

TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Rừng và nước có mối quan hệ tương tác rất phức tạp, trong phức hệ
tương tác đa chiều với các thành phần khác của môi trường. Vai trò của rừng
đối với việc quản lý nước vẫn là vấn đề đang gây tranh cãi ở trên thế giới, cho
dù hiểu biết khoa học đã có sự tiến bộ ( IUFRO, 2007)[47]. Đánh giá về ảnh
hưởng của rừng đến chế độ dòng chảy sông suối và chất lượng nước trên thế
giới hiện nay, các nhà khoa học đã nhận định rằng: Khả năng cung cấp và
chất lượng nước ở nhiều khu vực trên thế giới ngày càng bị đe dọa nhiều hơn
bởi sự lạm dụng, sử dụng quá mức và ô nhiễm, và điều đó ngày càng được
nhận ra rằng cả hai đều bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi rừng. Hơn nữa, biến đổi
khí hậu đang làm thay đổi vai trò của rừng trong việc điều chỉnh dòng chảy và
ảnh hưởng đến sự cung cấp tài nguyên nước (Bergkamp.G, Orlando.B và
Burton.I, 2003)[35]. Vì vậy, mối quan hệ giữa rừng và nước là một vấn đề
quan trọng phải được ưu tiên cao (I. Calder, T. Hofer, S. Vermont, P. Warren,
2011)[46]. Nghiên cứu mối liên hệ của thảm thực vật rừng đối với dòng chảy
và chất lượng nước trong lưu vực sông là một trong những cách tiếp cận khoa
học của thủy văn rừng nhằm làm sáng tỏ cơ chế tương tác giữa rừng và nước,
từ đó có giải pháp sử dụng hài hòa và hiệu quả cả tài nguyên rừng và tài
nguyên nước, phục vụ tốt lợi ích của con người. Trên thế giới và ở Việt nam
đã có nhiều công trình nghiên cứu có giá trị khoa học và thực tiễn cao, là
những tiền đề cơ bản được kế thừa và bổ sung trong đề tài nghiên cứu này.

khu rừng được nghiên cứu và mô tả như sau: Lượng giáng thủy khi vào thảm
thực vật rừng được chia thành 3 phần: Một phần nước bị giữ lại trên tán và
bốc hơi trở lại khí quyển; Một phần nước vào tán và chảy men theo thân cây
xuống mặt đất; Phần nước còn lại lọt qua tán rừng xuống mặt đất rừng. Ở mặt
6

đất, nước lại phân chia thành nhiều phần: Một phần hấp thụ vào thảm khô vật
rơi rụng, thảm mục rồi bốc hơi trở lại không khí; Một phần chảy tràn trên mặt
đất dồn xuống các khe, suối, sông, hồ; Một phần ngấm xuống đất trở thành
nước ngầm nông di chuyển trong lớp đất tơi xốp hoặc nước ngầm sâu trong
khe nứt của các lớp đá không thấm nước phía dưới; Một phần nước trong đất
cũng được cây hút và thoát hơi trở lại khí quyển; một phần nước trong đất có
thể được thẩm ngấm lên mặt đất và bốc hơi vào không khí.
Phương pháp nghiên cứu ở quy mô khu rừng có những ưu điểm là: cơ
sở khoa học chắc chắn, kết quả nghiên cứu khá chính xác, cho phép xác định
quy luật tác động của từng nhân tố cấu trúc rừng và từng trạng thái rừng đến
khả năng giữ nước, điều tiết dòng chảy và chống xói mòn đất. Đây là những
yếu tố quyết định đến khả năng bảo vệ nguồn nước và hạn chế xói mòn đất
của rừng, làm cơ sở cho việc xây dựng tiêu chuẩn về cấu trúc của rừng phòng
hộ nguồn nước và đề xuất những biện pháp kỹ thuật xây dựng những mô hình
rừng phòng hộ có cấu trúc tối ưu, phát huy đầy đủ các giá trị phòng hộ và
kinh tế. Hạn chế của phương pháp này là chi phí nhân lực và vật lực cao, kết
quả nghiên cứu chỉ đánh giá trên diện hẹp, không thể xác lập được liên hệ
trực tiếp giữa các đại lượng như diện tích, chất lượng và phân bố rừng ở một
khu vực rừng lớn với các đại lượng đặc trưng về số lượng, chất lượng và biến
động của dòng chảy sông suối.
1.3. Nghiên cứu ở quy mô lưu vực.
Lưu vực là toàn bộ diện tích mặt đất đón nhận giáng thủy và hội tụ
dòng chảy về một điểm chung nào đó (Debarry Paul A, 2004)[40]. Lưu vực
được xem là những đơn vị thích hợp cho việc bảo tồn tài nguyên nước và các

chảy và hệ số biến sai dòng chảy. Các đặc trưng này có mối liên hệ với nhau,
thông thường khi biết lưu lượng dòng chảy là có thể tính được các đặc trưng
còn lại trên cơ sở số liệu về lượng mưa, diện tích lưu vực và diện tích mặt cắt
ngang lòng dẫn của dòng chảy sông suối. Vận dụng các quy luật liên hệ này,
8

trên cơ sở số liệu đo và tính toán lưu lượng dòng chảy đo tại điểm đầu ra của
các lưu vực nghiên cứu, các đặc trưng khác của dòng chảy thuộc đối tượng
nghiên cứu của đề tài đã được xác định.
Theo Zhang và cộng sự (2007)[58], ngoài các đại lượng đặc trưng trên,
dòng chảy còn có hai đặc trưng cơ bản khác đó là: dòng chảy bùn cát (còn gọi
dòng chảy phù sa, dòng chảy rắn) và thành phần hóa nước sông. Dòng chảy
bùn cát gồm ba thành phần chính: phù sa lơ lửng, phù sa đáy và vật chất hòa
tan, trong đó thành phần chiếm tỷ lệ trên 80% là phù sa lơ lửng (Nguyễn
Thanh Sơn, 2003) [28]. Thành phần hóa nước sông rất đa dạng và gồm khá
nhiều chỉ tiêu khác nhau như độ mặn, đạm tổng số, lân tổng số và các chất
hóa học khác. Có thể nói rằng, hai đặc trưng cơ bản này thực chất là thành
phần và hàm lượng các chất trong nước của dòng chảy. Trong điều kiện giới
hạn của đề tài, lượng bùn cát lơ lửng (hay còn gọi là lượng phù sa lơ lửng)
trong dòng chảy là chỉ tiêu được xác định để đánh giá chất lượng nước trong
lưu vực nghiên cứu.
Dòng chảy ở sông, suối được hình thành không phải do nước của một
khu rừng mà là của tổng hợp nhiều khu rừng khác nhau trong lưu vực. Ngoài
ra, trong quá trình vận chuyển nước về sông suối, nước ở khu rừng này có thể
chảy sang những khu rừng và thảm thực vật khác xung quanh. Vì vậy, trong
nghiên cứu thủy văn rừng người ta còn nghiên cứu khả năng điều tiết nước
của rừng ở quy mô lưu vực. Bằng quan sát sự thay đổi của lưu lượng và chất
lượng nước của sông suối trước và sau khi mưa, hoặc trong mùa mưa và mùa
khô, qua một điểm tại đầu ra của lưu vực nước, người ta nghiên cứu mối liên
hệ của các đại lượng dòng chảy và chất lượng nước với diện tích, chất lượng,

cho từng lưu vực sông và các địa phương. Nhược điểm của phương pháp này
là không đánh giá được vai trò của từng nhân tố riêng rẽ của thảm thực vật
rừng hoặc từng trạng thái rừng đối với dòng chảy và chất lượng nước. Phương
pháp tiếp cận nghiên cứu ở quy mô lưu vực có ý nghĩa làm sáng tỏ ảnh hưởng
10

của rừng đối với nguồn nước trong mối liên hệ biện chứng với các nhân tố
cấu thành khác của lưu vực, tạo cơ sở cho việc đề ra các giải pháp quản lý
rừng hiệu quả nhất trên toàn lưu vực và rất cần thiết cho nghiên cứu cân bằng
nước toàn cầu (Bosch J.M. and Hewlett J.D., 1982 [37]; Zhang et al
,2004,[57]; Van Dijk et al ,2007,[53]; R.C. Ward and M. Robinson, 2010,
[34]).
1.4. Mô hình hóa trong nghiên cứu thủy văn rừng quy mô lưu vực.
Phương pháp sử dụng các mô hình và phân tích tương quan đang được
sử dụng rộng rãi để nghiên cứu ảnh hưởng của rừng đến dòng chảy và chất
lượng nước lưu vực. Theo Vương Văn Quỳnh và cộng sự (2007)[26], do tính
phức tạp trong tác động cùng lúc của nhiều nhân tố đến dòng chảy và lũ lụt ở
sông suối, nên trong thời gian dài trước đây khi nghiên cứu ảnh hưởng của
rừng đến dòng chảy người ta thường chọn những lưu vực nhỏ, trong đồng
nhất của nhiều yếu tố ảnh hưởng như độ dốc, loại đất đai, lượng mưa, và kiểu
trạng thái rừng. Người ta tiến hành khai thác trắng rừng ở những tỷ lệ khác
nhau, đồng thời điều tra các yếu tố dòng chảy. Phân tích quan hệ của tỷ lệ che
phủ rừng với các đặc trưng dòng chảy người ta làm sáng tỏ được ảnh hưởng
của rừng đến dòng chảy và quá trình hình thành lũ (Hewlett, J.D.,1982)[45].
Những thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của rừng đến dòng chảy đã rất tốn
kém, nhưng quy luật ảnh hưởng của rừng vẫn không được làm sáng tỏ đầy đủ.
Nguyên nhân chính là do thông tin về đặc điểm của nhiều nhân tố ảnh hưởng
khác như độ dốc, độ chênh cao, loại đất và dạng đất trong lưu vực thường
không chính xác. Chúng thường biến động mạnh ngay trong một lưu vực và
gây nhiễu cho quá trình phân tích ảnh hưởng của rừng đến dòng chảy. Trong

12

thứ ba đó là sự kết hợp giữa 2 kiểu mô hình trên để áp dụng cho đối tượng và
các mục tiêu nghiên cứu mong muốn.
Hiện nay, có rất nhiều mô hình được áp dụng trong nghiên cứu thủy
văn rừng quy mô lưu vực, điển hình như mô hình BASINS, SWAT,
PERFECT, SoilWat. Tùy từng điều kiện cụ thể mà áp dụng các mô hình cho
thích hợp hoặc phải xây dựng các tham số điều chỉnh cho việc ứng dụng các
mô hình này. Một trong những mô hình thường được sử dụng để phân tích
ảnh hưởng của rừng đến dòng chảy và xói mòn là mô hình “ công cụ đánh giá
đất và nước” gọi tắt là SWAT ( Soil and Water Assesment Tools). Theo Phạm
Thị Hương Lan (2005) [16], đây là một mô hình vật lý được xây dựng từ
những năm 90 của thế kỷ XX do tiến sỹ Jeff Arnold thuộc trung tâm nghiên
cứu đất nông nghiệp của Mỹ xây dựng. Mô hình này được xây dựng để mô
phỏng ảnh hưởng của quản lý sử dụng đất đến nguồn nước, bùn cát và hàm
lượng chất hữu cơ trong đất trên hệ thống lưu vực sông trong một khoảng thời
gian nào đó. Xét về toàn lưu vực thì mô hình SWAT là một mô hình phân bố.
Mô hình chia lưu vực ra làm các vùng hay các lưu vực nhỏ để mô phỏng dòng
chảy khi mà các lưu vực này có đủ số liệu về sử dụng đất cũng như đặc tính
của đất. Số liệu đầu vào của mô hình SWAT bao gồm số liệu không gian và
các số liệu thuộc tính với rất nhiều loại bản đồ số hóa và số liệu khác nhau về khí
tượng, dòng chảy được quan trắc trong thời gian dài và liên tục. Đây là vấn đề
khó khăn cho việc áp dụng trong nghiên cứu thủy văn rừng ở những nơi như lưu
vực sông Đăkbla, với hệ thống quan trắc khí tượng thủy văn còn lạc hậu và thiếu
thốn, nghiên cứu đất rừng còn nhiều hạn chế, dẫn đến không đủ chuỗi dữ liệu
đầu vào để chạy mô hình. Chính vì vậy việc ứng dụng mô hình SWAT vào đề tài
để nghiên cứu lưu vực sông Đăkbla không được thực hiện.
2. Những kết quả nghiên cứu chủ yếu về ảnh hưởng của rừng đối với
dòng chảy và chất lượng nước của lưu vực.
13