Ứng dụng Gis nghiên cứu sạt lở đất

Ứng dụng Gis nghiên cứu sạt lở đấtỨng dụng Gis nghiên cứu sạt lở đấtỨng dụng Gis nghiên cứu sạt lở đấtỨng dụng Gis nghiên cứu sạt lở đấtỨng dụng Gis nghiên cứu sạt lở đấtỨng dụng Gis nghiên cứu sạt lở đất

34(3), 223-232 Tạp chí CÁC KHOA HỌC VỀ TRÁI ĐẤT 9-2012 NGHIÊN CỨU NHẠY CẢM VÀ PHÂN VÙNG NGUY CƠ TRƯỢT - LỞ ĐẤT KHU VỰC HỒ THỦY ĐIỆN SƠN LA THEO PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH CẤP BẬC SAATY TRẦN ANH TUẤN, NGUYỄN TỨ DẦN E-mail: tuan0906@yahoo.com Viện Địa chất Địa Vật lý Biển - Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam Ngày nhận bài: 01 - - 2012 Mở đầu Cơng trình thủy điện Sơn La cơng trình cấp đặc biệt quan trọng Nhà nước Tuy nhiên, lại nằm miền địa chất phức tạp, hoạt động kiến tạo, địa động lực xảy mạnh mẽ, với trình ngoại sinh trượt - lở, lũ qt, lũ bùn đá, xói mịn,… thường xun xảy Cho đến có nhiều cơng trình ứng dụng công nghệ viễn thám GIS nghiên cứu trượt - lở đất Từ năm đầu kỷ XXI, nhà khoa học giới sâu nghiên cứu vấn đề trượt - lở đất cho cơng bố nhiều cơng trình nghiên cứu có giá trị lĩnh vực [4, 5, 9] Trong đó, nhiều cơng trình sử dụng tư liệu viễn thám vào việc xác định điểm trượt - lở đất, đới phá hủy kiến tạo, trạng lớp phủ thực vật, yếu tố có ảnh hưởng đến trình trượt - lở đất, đồng thời áp dụng phương pháp nghiên cứu định lượng đại như: hồi quy logistic (logistic regression); tỷ số tần suất (frequency ratio) hay mạng thần kinh nhân tạo (Artificial Neural Network) với trợ giúp công nghệ GIS cho kết khả quan Ở Việt Nam, nghiên cứu trạng nguy dạng tai biến địa chất nói chung trượt - lở đất nói riêng [3, 7, 8] đặc biệt quan tâm Nhiều đề tài, đề án cấp Nhà nước, cấp Bộ triển khai đạt thành tựu đáng kể Gần đây, nhiều tác giả [1, 2, 7, 9] ứng dụng cơng nghệ viễn thám GIS việc tính tốn, xây dựng thơng tin thành phần sử dụng mơ hình đồ - tốn (Mathematic Catorgaphical Modelling) việc đánh giá nhạy cảm phân vùng tai biến trượt - lở đất Các kết nghiên cứu định lượng trợ giúp đắc lực cho việc định việc phòng chống giảm nhẹ thiên tai Tiếp cận theo hướng sử dụng phương pháp nghiên cứu đại, nghiên cứu tập trung vào việc đánh giá nhạy cảm phân vùng nguy trượt - lở đất khu vực hồ thủy điện Sơn La với giới hạn tọa độ: 21°15'00"-22°07'30" vỹ độ bắc 103°22' 30"-104°15'00" kinh độ đơng (hình 1) Hình Vị trí vùng nghiên cứu 223 Xác định vị trí trượt - lở đất xây dựng tiêu 2.1 Xác định vị trí trượt - lở đất khu vực nghiên cứu Vị trí điểm trượt - lở đất quan trọng q trình phân tích Sử dụng tư liệu viễn thám cung cấp thơng tin quan trọng vị trí trượt - lở mang lại hiệu kinh tế cao Khảo sát thực địa phương pháp thu thập thông tin trượt - lở đất cách xác nhất, nhiên, phương pháp tốn nhiều thời gian chi phí tốn kém, đặc biệt vùng núi cao, việc tiếp cận khó khăn, chí khơng thể tiếp cận Khắc phục nhược điểm phương pháp nêu trên, nghiên cứu sử dụng kết hợp việc giải đoán điểm trượt - lở từ tư liệu ảnh vệ tinh kết khảo sát hai chuyến thực địa năm 2010, 2011, bên cạnh kết nghiên cứu trước Viện Địa chất thu thập sử dụng Kết thống kê cho thấy có 98 điểm trượt - lở khu vực nghiên cứu, nhìn chung kết phản ánh cách chi tiết trạng trượt lở Bản đồ phân bố vị trí điểm trượt khu vực (hình 2) cho thấy trượt - lở xuất nhiều khu vực khác nhau, thường tập trung nhiều bờ sơng Đà thuộc phạm vi hồ thủy điện Sơn La hệ thống đường giao thông 2.2 Xây dựng tiêu đánh giá Qua thực tiễn nghiên cứu trượt - lở đất miền núi Việt Nam, nhà khoa học đưa số yếu tố có tác động ảnh hưởng lớn đến trượt - lở sau đây: - Độ dốc địa hình, kiểu hình thái sườn yếu tố định hình thành phát triển trượt - lở đất Độ dốc địa hình lớn, khả trượt - lở đất cao, sườn gồ ghề thuận lợi cho khe rãnh xói mịn phát triển dễ phát sinh trượt - lở đất - Các thành tạo, cấu tạo địa chất tính chất lý hóa lớp đất đá khác có độ bền khác Các đất đá có tính liên kết yếu thường xảy trượt - lở đất - Các đứt gãy kiến tạo tạo nên đới dập vỡ, nứt nẻ tiền đề cho trình trượt - lở đất có điều kiện phát triển [2, 9] Bên cạnh đó, vùng nguồn gây động đất, chấn động động đất kéo theo vụ trượt - lở đất xảy - Điều kiện khí hậu, đặc biệt lượng mưa tập trung với lưu lượng cường độ lớn điều kiện dễ phát sinh lũ quét, lũ bùn đá trượt - lở đất - Sự dao động mực nước ngầm làm phát sinh lực thủy tĩnh lực thuỷ động lên đất đá Các lực ảnh hưởng đến biến đổi trạng thái ứng suất đất đá sườn dốc mái dốc Trong thời gian biến đổi đột ngột gradien áp lực, áp lực thuỷ động nguyên nhân phá huỷ độ ổn định đất đá sườn dốc - Mỗi loại vỏ phong hóa thường có độ dày khác điển hình cho tập hợp lý hóa đất khác dẫn đến tính ổn định sườn dốc khác - Đối với lớp thực vật sườn: lượng sinh khối tạo nên mặt đệm bảo vệ sườn dốc, loại thực vật làm thay đổi tính ổn định sườn dốc: khu vực có rừng phát triển ổn định tượng trượt - lở đất xuất - Các hoạt động người có việc xây dựng đường giao thơng, cơng trình dân dụng cơng nghiệp sườn có độ ổn định thấp, tăng tải sườn dốc khu vực kế cận mép sườn nguyên nhân gây trượt - lở Hình Vị trí điểm trượt - lở với DEM 224 Qua phân tích nêu trên, tác giả lựa chọn số tiêu cho trình đánh giá nhạy cảm trượt - lở đất (bảng 1) Các tiêu độ dốc, hướng phơi sườn độ cao địa hình xây dựng từ đồ địa hình 1:50.000 xuất năm 2003 với hệ tọa độ độ cao Quốc gia VN2000, công cụ GIS Chỉ tiêu thạch học gộp nhóm từ thành tạo địa chất, mật độ đứt gãy tính tốn từ đứt gãy địa chất Hai tiêu sử dụng liệu gốc đồ địa chất 1:200.000 Cục Địa chất Khống sản Việt Nam Chỉ tiêu vỏ phong hóa thành lập từ nguồn liệu địa hình địa chất nêu Chỉ tiêu lượng mưa xây dựng từ chuỗi số liệu mưa dài 20 năm cập nhật đến năm 2008 25 trạm khí tượng có khu vực số trạm khí tượng lân cận khác Lớp phủ thực vật phân loại từ tư liệu Landsat TM thu nhận ngày 20/9/2007 với phương pháp phân loại có kiểm định (Supervised classification) theo giá trị xác suất cực đại (Maximum likelihooh) dùng để phân loại cho băng ảnh đưa vào xử lý Các vùng mẫu sử dụng phân loại kiểm chứng thực tế qua hai chuyến khảo sát thực địa năm 2010 2011 Nghiên cứu phân loại lớp phủ cho mục đích nghiên cứu trượt - lở, đối tượng lớp phủ phân thành đối tượng: Rừng phát triển ổn định; rừng thưa xen bụi; Làng vườn trồng lâu năm; Đất trống; Trảng cỏ, bụi; Đất nông nghiệp mặt nước Kết phân loại chưa phải kết cuối đối tượng phân loại thường bị lẫn với nhau, đặc biệt đối tượng rừng thưa xen bụi thường bị lẫn với làng vườn trồng lâu năm chủ yếu lẫn phổ Để tách đối tượng này, tác giả sử dụng phương pháp giải đốn mắt thường, chuẩn giải đốn vị trí áp dụng để phân biệt đối tượng Ví dụ, làng vườn trồng lâu năm thường thể ký hiệu dân cư đồ địa hình nằm khu vực có địa hình phẳng, cịn rừng thưa xen bụi thường nằm khu vực có độ dốc lớn (hình 3) Sau phân loại, độ xác kết đánh giá hệ số Kappa, kết đánh giá cho thấy hệ số Kappa xấp xỉ 0,7 Nhìn chung, kết chấp nhận nơi có địa hình miền núi khu vực hồ thủy điện Sơn La Bảng Các tiêu lựa chọn cho q trình phân tích TT Chỉ tiêu lựa chọn Thành phần thạch học Dữ liệu gốc Tỷ lệ Bản đồ địa chất 1:200.000 Bản đồ địa chất kết hợp với đồ địa hình 1:200.000 Bản đồ địa hình 1:50.000 Mật độ đứt gãy Vỏ phong hoá Độ dốc địa hình Hướng phơi sườn Độ cao địa hình Lượng mưa Số liệu trạm đo mưa 1:100.000 Lớp phủ thực vật Ảnh vệ tinh LansatTM tài liệu thực địa 30 x 30m Hình Bản đồ lớp phủ thực vật khu vực hồ thủy điện Sơn La Nghiên cứu, đánh giá nhạy cảm trượt - lở đất 3.1 Mơ hình tốn tổng qt Trong nghiên cứu chúng tơi sử dụng mơ hình chồng ghép thơng tin GIS [6] Các thơng tin chuẩn hóa gắn trọng số theo mức độ quan trọng khác Mơ hình tốn tổng qt có dạng sau: S = m n ∑ (W i =1 i * X i)*∏ C j j =1 Trong đó: S: số đánh giá tổng hợp; Xi: số đánh giá tiêu i; Wi: trọng số gắn cho tiêu i; Cj: giá trị (0 1) mức chế ngự 225 3.2 Chuẩn hóa tiêu đánh giá Các tiêu đánh giá phải chuẩn hóa theo thang điểm chung để chúng so sánh với Quá trình chia lớp tiêu thành bốn cấp nhạy cảm trình trượt - lở đất là: yếu, trung bình, mạnh mạnh Về nguyên tắc phân chia cấp nhạy cảm tiêu thực cách tính mật độ điểm trượt - lở điều tra hợp phần tiêu, sau dựa kết tính tốn mật độ đánh giá định tính theo cấp nhạy cảm định Thang điểm đánh giá chuẩn theo bảng sau: Bảng Thang điểm chuẩn hóa Nhóm đối tượng Nhóm Nhóm Nhóm Nhóm Mức độ nhạy cảm Rất mạnh Mạnh Trung bình Yếu Điểm đánh giá Dựa vào nguyên tắc đây, đánh giá chuẩn hóa tiêu lựa chọn theo bảng 3-10 đây: Bảng Chuẩn hóa tiêu thạch học Các kiểu thạch học Số điểm trượt Các đá trầm tích lục nguyên Đá magma Đá xâm nhập nơng Các trầm tích đệ tứ Đá vơi Tổng Diện tích (km2) 92 98 Mật độ (điểm/km2) 1785.4203 28.1842 108.5988 18.4683 312.3584 2253.03 0.052 0.000 0.046 0.000 0.003 Mức nhạy cảm Rất mạnh Yếu Mạnh Yếu Trung bình Điểm chuẩn hóa Bảng Chuẩn hóa tiêu mật độ đứt gãy Mật độ đứt gãy (km/km²) Số điểm trượt < 0,2 0,2-0,4 0,4-0,6 0,6-0,8 0,8-1,0 >1,0 Tổng 22 35 17 12 98 Các kiểu vỏ phong hóa Số điểm trượt Tổng 44 37 98 Diện tích (km2) 685,5985 492,1382 523,3695 307,7590 161,2660 82,8988 2253,03 Mật độ (điểm/km2) Mức nhạy cảm Điểm chuẩn hóa 0,012 0,045 0,067 0,055 0,074 0,048 Yếu Trung bình Rất mạnh Mạnh Rất mạnh Trung bình 9 Bảng Chuẩn hóa tiêu vỏ phong hóa Diện tích (km2) 240,0530 107,9960 24,1060 1467,4746 72,6426 3,9768 318,1130 18,6680 2253,03 Mật độ (điểm/km2) 0,012 0,009 0,000 0,030 0,083 0,000 0,116 0,375 Mức nhạy cảm Điểm chuẩn hóa Trung bình Yếu Yếu Trung bình Mạnh Yếu Mạnh Rất mạnh 3 7 Ghi chú: 1) Vỏ phong hóa Saprolit đá vơi; 2) Vỏ phong hóa Saprolit đá xâm nhập nơng; 3) Vỏ phong hóa Saprolit đá magma; 4) Vỏ phong hóa Saprolit đá trầm tích lục ngun; 5) Vỏ phong hóa Ferosialit đá vơi; 6) Vỏ phong hóa Ferosialit đá magma; 7) Vỏ phong hóa Ferosialit đá trầm tích lục nguyên; 8) Trầm tích Đệ tứ Bảng Chuẩn hóa tiêu độ dốc 226 Độ dốc (°) Số điểm trượt 35 Tổng 33 30 22 98 Diện tích (km2) 159,0774 123,0245 248,0293 603,0483 659,1735 460,6770 2253,03 Mật độ (điểm/km2) 0,006 0,033 0,133 0,050 0,033 0,017 Mức nhạy cảm Điểm chuẩn hóa Yếu Trung bình Rất mạnh Mạnh Trung bình Yếu Bảng Chuẩn hóa tiêu hướng phơi sườn Hướng phơi sườn Số điểm trượt Bắc Đông Bắc Đông Đông Nam Nam Tây Nam Tây Tây Bắc Tổng 10 13 18 20 22 98 Diện tích (km ) 278,1140 278,4220 226,4060 246,5740 296,1020 314,5320 344,3180 268,5620 2253,03 Mật độ (điểm/km ) 0,022 0,011 0,044 0,053 0,061 0,064 0,064 0,022 Mức nhạy cảm Điểm chuẩn hóa Yếu Yếu Trung bình Trung bình Mạnh Rất mạnh Rất mạnh Yếu 3 5 9 Bảng Chuẩn hóa tiêu phân tầng độ cao Phân tầng độ cao (m) Số điểm trượt < 200 200 - 300 300 - 400 400 - 500 500 - 750 750 - 1000 > 1000 Tổng 34 31 10 13 98 Lượng mưa trung bình năm (mm) Số điểm trượt 1300-1400 1400-1500 1500-1600 1600-1700 1700-1800 1800-1900 Tổng 0 50 38 98 Diện tích (km2) 155,8184 220,7195 253,4258 304,1474 737,5475 335,2255 246,1459 2253,03 Mật độ (điểm/km2) Mức nhạy cảm Điểm chuẩn hóa 0,218 0,140 0,039 0,020 0,018 0,012 0,000 Rất mạnh Mạnh Trung bình Trung bình Trung bình Trung bình Yếu 5 5 Bảng Chuẩn hóa tiêu lượng mưa Diện tích (km2) 1,1199 78,6637 211,3230 612,1144 982,5540 367,2550 2253,03 Mật độ (điểm/km2) 0,000 0,000 0,005 0,082 0,039 0,025 Mức nhạy cảm Điểm chuẩn hóa Yếu Yếu Trung bình Rất mạnh Mạnh Mạnh 3 7 Bảng 10 Chuẩn hóa tiêu lớp phủ thực vật Loại lớp phủ thực vật Rừng phát triển ổn định Rừng non, rừng thưa, xen bụi Làng vườn, trồng lâu năm Đất trống, bụi, đất nông nghiệp Mặt nước Tổng Số điểm trượt 31 55 98 Diện tích (km2) 375,8330 863,3470 22,8087 966,1065 24,9348 2253,03 3.3 Tính trọng số mức chế ngự - Tính trọng số: Nghiên cứu sử dụng phương pháp phân tích cấp bậc Saaty - Saaty’s Analytical Hiearchy Process (AHP), qua trình đánh giá, ma trận so sánh thiết lập bảng 11 Việc tính tốn trọng số thực chia giá trị cột ma trận cho tổng số giá trị cột đó, điều cho ma trận (bảng 12) với giá trị nằm khoảng từ đến Giá trị trung bình dòng ma trận tương ứng với trọng số tiêu nằm dịng Mật độ (điểm/km2) 0,019 0,036 0,219 0,057 0,000 Mức nhạy cảm Điểm chuẩn hóa Yếu Trung bình Rất mạnh Mạnh Yếu - Xác định mức chế ngự: Theo quan điểm chung nhiều nhà nghiên cứu, trượt đất thường khơng xảy xảy mức độ dốc 1 mức nhạy cảm trung bình yếu tỷ số