198 HNUE JOURNAL OF SCIENCE DOI 10 18173/2354 1059 2021 0023 Natural Sciences 2021, Volume 66, Issue 1, pp 198 212 This paper is available online at http //stdb hnue edu vn ÚNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN T[.]
HNUE JOURNAL OF SCIENCE Natural Sciences 2021, Volume 66, Issue 1, pp 198-212 This paper is available online at http://stdb.hnue.edu.vn DOI: 10.18173/2354-1059.2021-0023 ÚNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH THỨ BẬC VÀ CÔNG NGHỆ GIS PHÂN VÙNG NGUY CƠ LŨ TRÊN LƯU VỰC SÔNG NGÀN SÂU VÀ NGÀN PHỐ TỈNH HÀ TĨNH Đặng Tuyết Minh Khoa Kĩ thuật Tài nguyên Nước, Trường Đại học Thuỷ lợi Tóm tắt Bài báo giới thiệu phương pháp phân tích thứ bậc tích hợp với GIS để cung cấp thông tin phục vụ cho việc phân tích nguy lũ lưu vực sơng Ngàn Sâu Ngàn Phố Các tham số nguyên nhân ảnh hưởng đến lũ đề cập bào bao gồm: Độ dốc, lượng mưa, thực phủ, thổ nhưỡng, chiều dài sườn dốc tương đối mật độ lưới sông Kết cho thấy vùng nghiên cứu chịu ảnh hưởng hai yếu tố lượng mưa độ dốc với trọng số tương ứng 45% 25,5% Vùng có nguy lũ cao cao chiếm 82,78% tổng diện tích lưu vực khu vực có nguy thấp trung bình chiếm 17,22% Độ xác đồ phân vùng nguy lũ kiểm chứng dựa vào mức báo động lũ trạm thủy văn số trận lũ thực tế Kết cho thấy kết hợp AHP công nghệ GIS phương pháp đáng tin cậy để đánh giá nguy lũ dặc biệt khu vực thiếu liệu Từ khóa: Phân vùng nguy lũ, phương pháp phân tích thứ bậc, AHP, lưu vực sông Ngàn Sâu, Ngàn Phố Mở đầu Lũ thiên tai gây thiệt hại nặng nề Việt Nam nhiều khu vực khác giới Q trình cơng nghiệp hố, thị hố mạnh mẽ với tác động biến đổi khí hậu tình hình mưa lớn làm cho thời gian, cường suất, lưu lượng tần suất xuất lũ ngày nhiều diễn biến phức tạp Hằng năm, tỉnh miền Trung chịu ảnh hưởng lũ thường xuyên xảy với xu hướng ngày trầm trọng gây hậu nặng nề người tài sản Tỉnh Hà Tĩnh địa phương chịu nhiều ảnh hưởng thiên tai, riêng hai đợt lũ lịch sử năm 2002, 2007 lưu vực sông Ngàn Phố Ngàn Sâu làm 82 người chết, hàng trăm người bị thương thiệt hại hàng ngàn tỉ đồng [1] Theo báo cáo ban huy phòng chống thiên tai tim kiếm cứu nạn (TKCN) tỉnh Hà Tĩnh, thiệt hại trận mưa lũ tháng 10/ 2017 ước tính 375 tỉ đồng, 10/ 2013 ước tính 980 tỉ đồng, tháng 10/ 2017 ước tính 375 tỉ đồng, tháng 10/ 2016 thiệt hại ước tính 1.064 tỉ đặc biệt 10/ 2010 tổng thiệt hại ước tính 6.374 tỉ đồng Gần đây, trận lũ tháng 10/2020, Hà Tĩnh chịu ảnh hưởng đợt lũ lớn gây ngập lụt diện rộng ước tính thiệt hại 5300 tỉ đồng [2] Để ngăn ngừa giảm nhẹ thiệt hại lũ gây ra, cần phải làm tốt cơng tác phịng chống, ứng phó với lũ, đánh giá phân vùng nguy lũ công việc cần tiến hành Để phân vùng nguy lũ, giới có nhiều phương pháp nghiên cứu, giới thiệu ứng dụng Mỗi phương pháp có ưu nhược điểm điều kiện ứng dụng riêng Ngày nhận bài: 5/1/2021 Ngày sửa bài: 19/3/2021 Ngày nhận đăng: 26/3/2021 Tác giả liên hệ: Đặng Tuyết Minh Địa e-mail: dtminh@tlu.edu.vn 198 Ứng dụng phương pháp phân tích thứ bậc công nghệ GIS phân vùng nguy lũ lưu vực sông… Việc chọn phương pháp phù hợp phụ thuộc liệu đầu vào, yêu cầu chi tiết dự án khả chuyên môn kỹ thuật viên Bên cạnh phương pháp phổ biến như: sử dụng liệu viễn thám GIS [3, 4], sử dụng số độ ẩm ướt địa hình (TWI) [5], sử dụng mơ hình thuỷ lực [6, 7] phương pháp thống kê [8, 9], phương pháp phân tích nhân tố [10],… phương pháp kết hợp phân tích đa tiêu chí (MCA) cơng nghệ GIS ứng dụng phân vùng nguy lũ [11-16] Phương pháp MCA cho phép xác định yếu tố khác vấn đề định phức tạp, tổ chức yếu tố thành cấu trúc phân cấp nghiên cứu mối quan hệ yếu tố Ngồi ra, phương pháp cho phép xác định mức độ quan trọng tiêu chí thơng qua ý kiến đánh giá chuyên gia sở kiến thức, kinh nghiệm cá nhân người thực Trong số phương pháp phân tích đa tiêu chí, thuật tốn phân tích thứ bậc (Analytic Hierarchy Process - AHP) sử dụng phổ biến, hỗ trợ phân tích vấn đề định phức tạp với nhiều tiêu chí [17] Theo Das S (2018), tích hợp AHP GIS phương pháp đơn giản để xác định vị trí có nguy lũ cách đánh giá yếu tố khác ảnh hưởng đến lũ [11] Trong thập kỷ gần đây, AHP sử dụng nhiều nghiên cứu khác Việt nam giới để đánh giá phân vùng nguy lũ lụt Ở Việt Nam, áp dụng thuật tốn AHP cơng nghệ GIS, Lê Hoàng Tú nnk (2013) tiến hành thực nghiệm lưu vực sông Vu Gia [12], Trần Thị Phượng nnk (2015) xây dựng đồ phân vùng lưu vực sông Hương [13], Lưu Chinh đánh giá thiệt hại lũ sau phân vùng nguy tỉnh Quảng Bình [18] Trên giới, phương pháp áp dụng rộng rãi với nhiều nghiên cứu tác giả khu vực khác Các nhà khoa học sử dụng AHP GIS phân vùng tiềm nguy lũ [14], đánh giá vùng nguy lũ [15], xây dựng đồ nhạy cảm lũ [16], đánh giá tổn thương thiệt hại lũ dựa vào đồ phân vùng nguy [19] Phân vùng nguy lũ lưu vực sông Ngàn Sâu Ngàn Phố tiến hành phương pháp phân tích nhân tố chính, nhiên tác giả quan tâm đến nguy xảy lũ lớn liệu chủ yếu liệu thủy văn thủy lực [10] Bài báo thực với mục tiêu phân vùng nguy lũ lưu vực sông Ngàn Sâu, Ngàn Phố, tỉnh Hà Tĩnh dựa vào ứng dụng thuật tốn phân tích thứ bậc AHP cơng nghệ GIS với liệu sử dụng bao gồm khí tượng thủy văn địa hình Kết thu cho thấy, phương pháp áp dụng cho nhiều khu vực địa lí với tham số ảnh hưởng tới nguy lũ khác Nội dung nghiên cứu 2.1 Khu vực nghiên cứu Sông Ngàn Sâu phụ lưu sơng La dài khoảng 131 km với độ cao trung bình 360 m chảy hướng Bắc qua huyện Hương Khê, Vũ Quang, Đức Thọ Hương Sơn (tỉnh Hà Tĩnh) Sông Ngàn Phố bắt nguồn dòng suối nhỏ từ dãy núi Giăng Màn thuộc dãy Trường Sơn với độ cao trung bình 331 m Sông Ngàn Phố sông nhánh lớn sông La bắt nguồn từ sườn Đông dãy Trường Sơn nhập vào sông La, phụ lưu sơng Lam Hệ thống sơng Ngàn Sâu có lưu vực rộng 2.061 km2, có nhiều nhánh sơng bé sông Tiêm, Rào Trổ, Ngàn Trươi Hệ thống sông Ngàn Phố dài 86 km, lưu vực rộng 1.065 km2, nhận nước từ Hương Sơn với sông Ngàn Sâu đổ sơng La, sau hợp với sơng Lam chảy Cửa Hội Lưu vực sông Ngàn Sâu, Ngàn Phố có địa hình dốc bị chia cắt mạnh, tạo thành thung lũng nhỏ hẹp chạy dọc theo triền sông Khu vực nghiên cứu nằm khu vực nhiệt đới gió mùa, nóng ẩm, mưa nhiều Ngồi ra, khu vực cịn chịu ảnh hưởng khí hậu chuyển tiếp miền Bắc miền Nam, với đặc trưng khí hậu nhiệt đới điển hình miền Nam có mùa đông giá lạnh miền Bắc; nên thời tiết, khí hậu khắc nghiệt, có hai mùa rõ rệt mùa hè mùa đông [20] 199 Đặng Tuyết Minh Hình Khu vực nghiên cứu - Lưu vực sông Ngàn Sâu sông Ngàn Phố, tỉnh Hà Tĩnh Nguồn tài nguyên đất đai lưu vực sông Ngàn Sâu Ngàn Phố nhiều tiềm chưa khai thác Hiện nay, hệ số sử dụng đất nông nghiệp thấp, huyện miền núi Đất đai, thổ nhưỡng chủ yếu thích hợp cho trồng lương thực công nghiệp ngắn ngày Rừng lưu vực sông tập trung hai huyện Hương Sơn Hương Khê tỉnh Hà Tĩnh, chủ yếu rừng trung bình rừng nghèo Rừng giàu chiếm 10%, rừng trung bình chiếm 40%, còn lại 50% rừng nghèo kiệt [10] Đất khơng có rừng còn nhiều, có số diện tích đất sườn dốc bị xói mòn nghiêm trọng Sông Ngàn Sâu thuộc loại nhiều nước hệ thống sơng Cả Tổng lượng nước bình qn nhiều năm tính tới cửa sơng 6,15 km3, ứng với lưu lượng trung bình năm 195m3/s Sơng Ngàn Phố có tổng lượng nước 1,40 km³ tương ứng với lưu lượng trung bình 45,6 m³/s [20] 2.2 Dữ liệu phương pháp nghiên cứu 2.2.1 Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu sử dụng phương pháp phân tích thứ bậc AHP cơng nghệ GIS để tính tốn số nguy lũ, từ thành lập đồ phân vùng nguy lũ Hình thể quy trình nghiên cứu báo Bản đồ phân vùng nguy kiểm chứng cách so sánh với trận lũ điển hình số năm gần 200 Ứng dụng phương pháp phân tích thứ bậc cơng nghệ GIS phân vùng nguy lũ lưu vực sơng… Hình Quy trình thành lập đồ phân vùng nguy lũ lưu vực sông Ngàn Sâu, Ngàn Phố phương pháp AHP công nghệ GIS * Xác định yếu tố cần thiết để tính số nguy Giống dạng tai biến khác lũ quét, lũ bùn đá, hạn hán…, lũ lụt chịu tác động yếu tố nội sinh, ngoại sinh hoạt động người [21] Nguyên nhân chủ yếu gây lũ yếu tố tự nhiên (độ dốc, lớp phủ, lượng mưa, ), kinh tế, xã hội (sử dụng đất, phân bố dân cư, ) sở hạ tầng (cơng trình phịng chống lũ, hệ thống đường giao thơng, ) Từ nguyên nhân nêu trên, Nghiên cứu sử dụng sáu tham số coi yếu tố ảnh hưởng đến nguy lũ bao gồm: lượng mưa, độ dốc, thổ nhưỡng, lớp phủ, chiều dài sườn dốc tương đối mật độ lưới sông Các yếu tố chọn dựa nguyên nhân, đặc điểm, chế hình thành, điều kiện địa lí, tự nhiên, kinh tế xã hội…của khu vực nghiên cứu, tham khảo nghiên cứu có trước ý kiến đánh giá chuyên gia Mỗi yếu tố chia thành lớp dựa theo mức độ ảnh hưởng chúng đến nguy lũ khu vực nghiên cứu Lượng mưa yếu tố khí hậu quan trọng ảnh hưởng đến tần suất xuất lũ [19] Lượng mưa lớn dịng chảy mạnh cường độ lũ cao Thêm vào đó, độ dốc địa hình lưu vực liên quan chặt chẽ với nguy lũ có ý nghĩa quan trọng q trình nước Độ dốc lớn làm tốc độ dòng chảy tăng, gây khả thấm thấp (vì theo định luật Becnulli, áp suất tĩnh giảm đi) Hay nói cách khác, lưu vực, độ dốc lớn có xu hướng làm giảm lượng nước thấm vào lòng đất thời gian tập trung dòng chảy ngắn, tốc dộ dòng chảy lớn, nước mưa nhanh xuống sơng theo sườn dốc Ngược lại, khu vực phẳng, độ dốc nhỏ nước chậm tức thời gian nước tập trung tích tụ nhiều nên xuất lũ nhanh Ngồi ra, mật độ lưới sơng có vai trị lớn ảnh hưởng đến tập trung dòng chảy lũ lưu vực, mật độ lưới sông cao làm tăng nguy dòng chảy lũ tức nguy lũ lớn [25, 27], Theo [4], độ thấm tầng thổ nhưỡng ảnh hưởng trực tiếp đến nguy lũ, yếu tố coi tham số ảnh hướng đến lũ Khi nghiên cứu dòng chảy lũ, vai trò lớp phủ đánh giá tương đối quan trọng Nhiều nghiên cứu chứng tỏ thay đổi lớp phủ làm thay đổi đặc tính lũ, dòng chảy mặt đỉnh lũ [21, 30] * Phương pháp phân tích thứ bậc Sau chuẩn bị xong đồ tham số ảnh hưởng đến nguy lũ, phương pháp phân tích thứ bậc (Analytic Hierarchy Process – AHP) sử dụng để đánh giá mức độ ảnh hưởng đến nguy lũ Cách tiếp cận phù hợp với mục đích phân tích số lượng lớn yếu tố khác ảnh hưởng đến nguy lũ Phương pháp AHP được nhà khoa học Mỹ Thomas 201 Đặng Tuyết Minh L.Saaty trường Đại học Pitsburg (Mỹ) đề xuất vào năm 1980 nghiên cứu mở rộng, bổ sung AHP phương pháp tốn học hỗ trợ phân tích vấn đề định phức tạp với nhiều tiêu chí dựa việc khử dần giá trị thông qua so sánh cặp tham số theo tất tiêu chí [22] Để thực q trình phân tích AHP, phân vùng nguy lũ, cần xây dựng cấu trúc thứ bậc để xếp yếu tố chọn theo cấp bậc khác làm sở cho trình so sánh cặp yếu tố Sau thiết lập cấu trúc thứ bậc, tiến hành so sánh mức độ quan trọng tất yếu tố theo cặp, có n tiêu chí số lần so sánh n(n-1)/2 Kết so sánh xếp vào ma trận vng A (ma trận trọng số) có kích thước n x n phần tử aij thể mức độ quan trọng tiêu hàng i so với tiêu cột j Khi phân vùng lũ, nhân tố ảnh hưởng đến lũ có vai trò tầm quan trọng khác nên vấn đề cần thiết cần đánh giá xác khác lựa chọn tiêu chí quan trọng Hệ số ma trận tính từ điểm so sánh cặp tiêu chí thơng qua ý kiến chun gia, quyền địa phương đại diện lĩnh vực môi trường, tài nguyên nước, xã hội học , đồng thời tham khảo đề tài, báo kết hợp với ý kiến chủ quan cá nhân (kết tổng hợp Bảng 3) [8, 23] Để đánh giá độ xác kết quả, theo Saaty, sử dụng tỉ số quán (CR) liệu Tỉ số so sánh mức độ quán với tính khách quan (ngẫu nhiên) liệu tính cơng thức: 𝐶𝐼 𝐶𝑅 = 𝑅𝐼 (1) đó: RI: Chỉ số ngẫu nhiên hay giá trị trung bình CI nhận định so sánh ngẫu nhiên, phụ thuộc vào số tiêu chí so sánh thể Bảng CI: số quán (chỉ số đo lường mức độ chệch hướng quán) 𝐶𝐼 = 𝜆𝑚𝑎𝑥 −𝑛 𝑛−1 (2) n: số tiêu chí λmax : giá trị riêng lớn (giá trị cực đại ma trận) Nếu giá trị CR nhỏ 0,1 có nghĩa sai số khoảng 10% đánh giá qn, xác Ngược lại CR lớn 0.1 nhận định ngẫu nhiên, cần nhận định lại người định thu giảm không đồng cách thay đổi giá trị mức độ quan trọng cặp tiêu [8, 22, 23] Bảng Giá trị RI [22] n RI 0,00 0,00 0,58 0,90 1,12 1,24 1,32 1,41 2.2.2 Dữ liệu sử dụng Trong nghiên cứu này, đồ tiêu chí ảnh hưởng thành lập dựa vào nguồn liệu khác như: đồ địa hình, đồ trạng sử dụng đất, đồ phân loại dất, liệu lượng mưa khu vực nghiên cứu Mơ hình số độ cao DEM với độ phân giải 30 m xây dựng dựa đường đồng mức đồ địa hình tỉ lệ 1: 50000, từ đồ độ dốc, đồ mật độ lưới sông, đồ chiều dài sườn dốc tương đối thành lập Bản đồ thổ nhưỡng thành lập từ đồ phân loại đất đồ lớp phủ xây dựng từ đồ trạng sử dụng đất Dữ liệu lượng mưa thu trạm thuỷ văn khu vực nghiên cứu khu lận giai đoạn 1961 - 2017 sử dụng để thành lập đồ phân bố lượng mưa phương pháp nội suy IDW ArcGIS Bảng thể liệu nguồn sử dụng nghiên cứu 202 Ứng dụng phương pháp phân tích thứ bậc cơng nghệ GIS phân vùng nguy lũ lưu vực sông… Bảng Nguồn liệu sử dụng nghiên cứu Dữ liệu Mô tả Nguồn liệu Bản đồ địa hình Tỉ lệ 1: 50000 Sở Tài nguyên Môi trường Hà Tĩnh Bản đồ trạng sử dụng đất Tỉ lệ 1: 50000 Sở Tài nguyên Mơi trường Hà Tĩnh Năm 1961-2017 Trung tâm Khí tượng Thuỷ văn Quốc gia Lượng mưa 2.3 Kết nghiên cứu 2.3.1 Đánh giá mức độ ảnh hưởng yếu tố Các tác nhân ảnh hưởng đến lũ có vai trò tầm quan trọng khác nhau, đánh giá cách định lượng tầm quan trọng nhân tố ảnh hưởng vấn đề cần thiết Bảng kết tổng hợp mức độ ưu tiên yếu tố ảnh hưởng đến lũ khu vực nghiên cứu Trong bảng này, dấu trừ (-) thể quan trọng (ảnh hưởng hơn) yếu tố đứng trước so với yếu tố đứng sau cặp yếu tố so sánh Bảng Kết tổng hợp mức độ ưu tiên yếu tố ảnh hưởng đến lũ Stt Yếu tố so sánh cặp Điểm trung bình Stt Yếu tố so sánh cặp Điểm trung bình Lượng mưa thổ nhưỡng Thổ nhưỡng chiều dài sườn dốc Lượng mưa độ dốc 10 Độ dốc lớp phủ Lượng mưa lớp phủ 11 Độ dốc mật độ lưới sông Lượng mưa mật độ lưới sông 12 Độ dốc chiều dài sườn dốc Lượng mưa chiều dài sườn dốc 13 Lớp phủ mật độ lưới sông Thổ nhưỡng độ dốc -5 14 Lớp phủ chiều dài sườn dốc Thổ nhưỡng lớp phủ 15 Mật độ lưới sông chiều dài sườn dốc Thổ nhưỡng mật độ lưới sông Tổng hợp ý kiến chuyên gia xếp hạng mức độ ưu tiên yếu tố ảnh hưởng đến nguy lũ đánh giá cho điểm cặp yếu tố theo thang đánh giá Satty, ma trận so sánh cặp xây dựng để tính trọng số, phản ánh vai trò nhân tố ảnh hưởng đến nguy lũ thể Bảng 203 Đặng Tuyết Minh Bảng Ma trận so sánh cặp yếu tố ảnh hưởng đến nguy lũ Lượng mưa Thổ nhưỡng Độ dốc Lớp phủ Mật độ lưới sông Chiều dài sườn dốc tương đối Lượng mưa 5 Thổ nhưỡng 1/7 1/5 1 Độ dốc 1/3 5 3 Lớp phủ 1/5 1/5 1 Mật độ lưới sông 1/5 1/3 1 Chiều dài sườn dốc tương đối 1/5 1/3 1 Tiêu chí Áp dụng phương pháp chuẩn hoá ma trận xây dựng trọng số nhân tố ảnh hưởng đến lũ Mức độ quan trọng yếu tố ảnh hưởng đến lũ biết thông qua trọng số Bảng Từ kết tính tốn cho thấy: yếu tố lượng mưa ảnh hưởng đến nguy lũ nhiều (45 %), tiếp đến độ dốc (25,5%), chiều dài sườn dốc tương đối mật độ lưới sông (7,7 %), lớp phủ (7,3 %) thổ nhưỡng 6,8 % Kết tính tốn thơng số AHP thể Bảng Với tỉ số quán CR = 0,03 < 0,1 nên ma trận so sánh quán tức trọng số (Bảng 5) chấp nhận Do đó, tiến hành xây dựng đồ phân vùng nguy lũ cho khu vực nghiên cứu Bảng Trọng số yếu tố ảnh hưởng Yếu tố ảnh hưởng Trọng số Lượng mưa 0,450 Độ dốc Bảng Các thông số AHP Thông số Giá trị 6,18 0,255 Giá trị riêng ma trận (λmax) Chiều dài sườn dốc tương đối 0,077 Số yếu tố ảnh hưởng (n) Mật độ lưới sông 0,077 Chỉ số quán (CI) 0,04 Lớp phủ 0,073 Chỉ số ngẫu nhiên (RI) 1,24 Thổ nhưỡng 0,068 Tỉ số quán (CR) 0,03 2.3.2 Xây dựng bảng phân cấp yếu tố ảnh hưởng đến lũ khu vực nghiên cứu * Xây dựng bảng phân cấp lượng mưa Khi xây dựng bảng phân cấp lượng mưa để đánh giá, phân vùng nguy lũ theo phương pháp AHP, thông thường sử dụng khoảng bước nhảy [24-26] Khu vực nghiên cứu với lượng mưa trung bình năm dao động khoảng 1000 ÷ 2900 mm Như vậy, với lượng mưa nhỏ nhất, lớn số lớp phân cấp 5, khoảng bước nhảy giá trị lượng mưa tính xấp xỉ 400 mm Mức độ nguy lũ tăng lượng mưa lớn Do đó, ảnh hưởng lượng mưa đến nguy lũ phân cấp tăng dần từ mức thấp đến mức cao, tương ứng với lượng mưa từ nhỏ 1000 mm đến lớn 2900 mm với điểm số tương ứng từ đến Bảng 204 ... 200 Ứng dụng phương pháp phân tích thứ bậc cơng nghệ GIS phân vùng nguy lũ lưu vực sơng… Hình Quy trình thành lập đồ phân vùng nguy lũ lưu vực sông Ngàn Sâu, Ngàn Phố phương pháp AHP công nghệ GIS. .. lũ lưu vực sông Ngàn Sâu, Ngàn Phố, tỉnh Hà Tĩnh dựa vào ứng dụng thuật toán phân tích thứ bậc AHP cơng nghệ GIS với liệu sử dụng bao gồm khí tượng thủy văn địa hình Kết thu cho thấy, phương pháp. .. dụng AHP GIS phân vùng tiềm nguy lũ [14], đánh giá vùng nguy lũ [15], xây dựng đồ nhạy cảm lũ [16], đánh giá tổn thương thiệt hại lũ dựa vào đồ phân vùng nguy [19] Phân vùng nguy lũ lưu vực sông