Nghiên cứu ảnh hưởng của mưa đối với trượt lở và xây dựng bản đồ tai biến trượt lở huyện khánh vĩnh, tỉnh khánh hòa tt

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN THANH DANH NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MƯA ĐỐI VỚI TRƯỢT LỞ VÀ XÂY DỰNG BẢN ĐỒ TAI BIẾN TRƯỢT LỞ HUYỆN KHÁNH VĨNH, TỈNH KHÁNH HÒA Chuyên ngành: Kỹ thuật địa chất Mã số chuyên ngành: 62.52.05.01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH NĂM 2019 Cơng trình hồn thành Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM Người hướng dẫn khoa học 1: PGS TS Đậu Văn Ngọ Người hướng dẫn khoa học 2: TS Tạ Quốc Dũng Phản biện độc lập 1: Phản biện độc lập 2: Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp vào lúc ngày tháng năm 2019 Có thể tìm hiểu luận án thư viện: - Thư viện Khoa học Tổng hợp Tp HCM - Thư viện Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Vùng Nam Trung Bộ nói chung huyện Khánh Vĩnh (tỉnh Khánh Hòa) nói riêng, mùa mưa thường kéo dài cường độ mưa lớn thường nguyên nhân gây kích hoạt trượt lở sườn dốc, mái dốc đất trượt tiềm làm tăng thêm mức độ phá hủy trượt lở xảy Mưa tạo nên trình ngấm bề mặt, phụ thuộc vào cường độ mưa, tính thấm đất mà trình ngấm diễn nhanh hay chậm Nước mưa ngấm vào sườn dốc, mái dốc, áp lực nước lỗ rỗng tăng dần đồng thời làm giảm độ hút dính, giảm sức chống cắt đất tính ổn định sườn dốc, mái dốc giảm Do đó, yếu tố mưa cần phải đưa vào phân tích, đánh giá để lập đồ tai biến trượt lở đất Một biện pháp cấp thiết để cấp quyền phòng, tránh giảm thiểu thiệt hại trượt lở đất gây thành lập đồ phân vùng tai biến trượt lở Mục đích việc thành lập đồ nhằm cảnh báo trước vùng có tai biến trượt lở xảy tương lai Đối tượng phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu ổn định sườn dốc, mái dốc đất cấu tạo đất tàn tích phong hóa ảnh hưởng mưa xây dựng đồ phân vùng tai biến trượt lở đất phạm vi địa giới hành huyện Khánh Vĩnh, tỉnh Khánh Hòa Mục đích luận án  Làm sáng tỏ mối tương quan hệ số an toàn mái dốc với cường độ mưa, hệ số thấm, góc dốc chiều cao mái dốc Từ xác định ngưỡng cường độ mưa tương ứng với hệ số an toàn nhỏ  Ứng dụng phương pháp xác suất thống kê GIS để thành lập đồ phân vùng tai biến trượt lở đất, nhằm nâng cao khả cảnh báo sớm tai biến trượt lở, giảm thiểu thiệt hại người tài sản, làm sở cho việc quy hoạch phát triển kinh tế xã hội cách bền vững Những luận điểm bảo vệ Luận điểm 1: Tai biến trượt lở đất bắt đầu xảy từ ngưỡng cường độ mưa 10 mm/h với thời gian mưa năm ngày, đất tàn tích khơng bão hòa vỏ phong hóa có hệ số thấm từ 10-7 m/s đến 10-5 m/s Luận điểm 2: Các phương pháp dự báo tai biến trượt lở FR, SI, WoE LR có độ tin cậy xác cao Phương pháp WoE cho kết dự báo tốt mơ hình dự báo gồm bốn yếu tố ảnh hưởng DEM, DFR, MP SLOPE tối ưu Nội dung nghiên cứu luận án  Áp dụng tiêu chuẩn phá hủy Mohr-Coulomb mở rộng mơi trường đất khơng bão hòa để nghiên cứu ảnh hưởng mưa ổn định mái dốc  Nghiên cứu tích hợp yếu tố mưa tính thấm đất vào phương pháp dự báo tai biến trượt lở đất  Phân tích đánh giá mức độ ảnh hưởng yếu tố tai biến trượt lở  Áp dụng phương pháp xác suất thống kê tích hợp với hệ thống thông tin địa lý (GIS) để thành lập đồ tai biến trượt lở  So sánh độ xác phương pháp xác suất thống kê, lựa chọn phương pháp dự báo tốt mô hình tối ưu tổ hợp yếu tố ảnh hưởng Phương pháp nghiên cứu luận án  Thu thập liệu, khảo sát trường, phân tích ảnh vệ tinh ảnh Google Earth  Kế thừa kết từ cơng trình nghiên cứu trước  Nghiên cứu lý thuyết thấm ổn định trượt mái dốc đất khơng bão hòa  Sử dụng mơ hình số để phân tích thấm mái dốc đất khơng bão hòa  Áp dụng phương pháp xác suất thống kê tích hợp với cơng cụ phân tích GIS tạo đồ số xác suất tai biến trượt lở  Sử dụng thuật tốn mơ hình trung bình BMA (Bayesian Model Average) phần mềm thống kê mã nguồn mở R để phân tích, xác định yếu tố ảnh hưởng liên quan đến trượt lở, yếu tố ảnh hưởng quan trọng tổ hợp yếu tố ảnh hưởng tối ưu Những điểm mặt khoa học luận án  Ảnh hưởng mưa dự ổn định mái dốc nghiên cứu dựa quan điểm lý thuyết học đất khơng bão hòa Kết kiểm tốn ổn định mái dốc đất khơng bão hòa - bão hòa phù hợp với thực tế  Đặc điểm địa hình, cường độ mưa tính chất đất xét đến phương pháp xác suất thống kê lập đồ dự báo tai biến trượt lở đất thông qua hai yếu tố ảnh hưởng số ẩm ướt địa hình (TWI) lượng mưa lớn năm (MP)  Để so sánh độ xác phương pháp, đồ số tai biến trượt lở chuẩn hóa trước áp dụng phương pháp độ lệch chuẩn (Standard Deviation) để phân vùng mức độ tai biến trượt lở  Lần nghiên cứu sử dụng thuật tốn mơ hình trung bình BMA (Bayesian Model Average) để tìm yếu tố ảnh hưởng quan trọng tổ hợp yếu tố ảnh hưởng tối ưu phục vụ cho việc thành lập đồ tai biến trượt lở đất Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án 8.1 Ý nghĩa khoa học  Vai trò yếu tố ảnh hưởng mưa trượt lở đất nghiên cứu đánh giá sở lý thuyết học đất không bão hòa  Mưa yếu tố bên ngồi kích thích trượt lở đất xảy đưa vào tính toán phương pháp xác suất thống kê để dự báo tai biến trượt lở đất thông qua hai yếu tố ảnh hưởng lượng mưa lớn năm số ẩm ướt địa hình  Nghiên cứu xác định sở khoa học, công nghệ qui trình thành lập đồ tai biến trượt lở theo phương pháp xác suất thống kê 8.2 Ý nghĩa thực tiễn  Góp phần bổ sung cho việc áp dụng phương pháp phục vụ công tác điều tra, đánh giá dự báo tai biến trượt lở đất  Có thể ứng dụng phương pháp kết nghiên cứu để mở rộng cho đánh giá tương tự khu vực khác có đặc điểm tự nhiên, địa chất - địa mạo tương tự với vùng nghiên cứu  Các đồ dự báo tai biến trượt lở đất sở tài liệu tham khảo hữu ích cho nhà qui hoạch, người định kỹ sư việc quản lý trượt lở quy hoạch sử dụng đất Cơ sở tài liệu luận án Luận án kế thừa sử dụng kết nghiên cứu từ đề tài nghiên cứu khoa học, báo cáo báo khoa học công bố hội nghị khoa học, tạp chí nước 10 Cấu trúc luận án Mở đầu Chương 1: Tổng quan nghiên cứu trượt lở mưa Chương 2: Điều kiện tự nhiên trạng trượt lở vùng nghiên cứu Chương 3: Nghiên cứu ảnh hưởng mưa trượt lở Chương 4: Ứng dụng phương pháp xác suất thống kê GIS thành lập đồ tai biến trượt lở Kết luận kiến nghị CHƯƠNG TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU TRƯỢT LỞ DO MƯA Nghiên cứu ảnh hưởng mưa trượt lở giới Trên giới, nhiều nghiên cứu khảo sát nguyên nhân phá hủy mái dốc vùng có khí hậu nhiệt đới cho mưa yếu tố quan trọng kích hoạt trượt lở mái dốc (Caine, 1980; Lim, 1996; Gasmo, 2000 , Rahardjo, 2005, 2008, 2010; Shuin, 2012; Chen, 2008) Một vài nghiên cứu cố gắng đưa mối quan hệ đơn giản trực tiếp cường độ mưa thời gian mưa dựa thống kê kiện trượt lở liên quan đến mưa nhiều nơi giới (Caine, 1980; Dahal, 2008; Guzzetti, 2008) Những mối quan hệ phức tạp hơn, sử dụng mơ hình số để mơ Qua khảo sát mối tương quan mô hình mưa với trượt lở, Lo (2010) Tsai (2011) nhận xét mơ hình mưa có cường độ mưa tăng dần mơ hình cường độ mưa khơng đổi theo thời gian nguy hiểm ổn định mái dốc Nước mưa ngấm vào mái dốc làm thay đổi áp lực nước lỗ rỗng khả thấm đất hai yếu tố quan trọng gây ổn định mái dốc (Gasmo, 2000; Cho, 2001; Rahardjo, 2002, 2011) Nghiên cứu ảnh hưởng mưa trượt lở Việt Nam Ở Việt Nam, có vài nghiên cứu nhằm phân tích rõ ảnh hưởng trực tiếp mưa ổn định mái dốc (Hoàng Đại Tồn, 2012; Nguyễn Văn Hồng, 2011; Nguyễn Văn Thìn, 2007) Những nghiên cứu phân tích q trình ngấm nước mưa vào mái dốc để tính toán lượng nước ngấm vào đất lượng nước thoát bề mặt, đơn khảo sát thay đổi hệ số an toàn mái dốc theo cường độ mưa Nghiên cứu dự báo trượt lở giới Hầu hết đồ dự báo nguy trượt lở thành lập theo phương sau: phương pháp trực tiếp, phương pháp tính tốn địa kỹ thuật phương pháp xác suất thống kê (FR, SI, WoE LR) Phương pháp xác suất thống kê khắc phục nhược điểm phương pháp nên sử dụng rộng rãi đánh giá nguy trượt lở đất đá Các tác giả sử dụng phương pháp xác suất thống kê như: Lee Talib (2005), Isik Yilmaz (2009), Jaafari nnk (2014), Youssef nnk (2015) Nghiên cứu dự báo trượt lở Việt Nam Ở Việt Nam, năm gần vài nghiên cứu nhằm xây dựng đồ dự báo nguy trượt lở đất có kể đến ảnh hưởng mưa yếu tố quan trọng (Nguyễn Thám, 2012; Phạm Hùng, 2011; Sở KH&CN Khánh Hòa, 2011) Bên cạnh yếu tố mưa, yếu tố ảnh hưởng khác liên quan đến trượt lở lựa chọn phụ thuộc vào vị trí vùng nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu, kinh nghiệm chuyên gia liệu sẵn có Nhận xét nghiên cứu dự báo trượt lở giới Việt Nam Các nhà nghiên cứu thừa nhận phương pháp FR, SI, WoE LR đơn giản, dễ sử dụng, tốn thời gian trình bày phần mềm GIS phần mềm thống kê có mã nguồn mở Các nhà quan sát chuyên gia cho trượt lở xảy không phụ thuộc vào yếu tố bên mà bao gồm yếu tố bên mưa hay tuyết tan Để xét đến tăng áp lực nước lỗ rỗng nước mưa ngấm tính thấm đất có ảnh hưởng quan trọng đến trượt lở, nghiên cứu sử dụng số ẩm ướt địa hình xác định theo Montgomery Dietrich (1994), Borga nnk (1998), Pack Tarboton (1998) Hiện nay, chưa có nghiên cứu đưa dẫn chung để lựa chọn yếu tố ảnh hưởng tổ hợp yếu tố ảnh hưởng Trong nghiên cứu này, lần sử dụng thuật toán BMA (Bayesian Model Average) để tìm yếu tố ảnh hưởng quan trọng tổ hợp yếu tố ảnh hưởng tối ưu Theo cơng trình nghiên cứu cơng bố, việc so sánh độ xác phương pháp khơng thể thực đồ số tai biến trượt lở thành lập theo phương pháp khác cho kết khoảng giá trị hoàn toàn khác Trong nghiên cứu này, để so sánh độ xác phương pháp, số tai biến trượt lở chuẩn hóa CHƯƠNG ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN VÀ HIỆN TRẠNG TRƯỢT LỞ VÙNG NGHIÊN CỨU 2.1 Vị trí vùng nghiên cứu Vùng nghiên cứu nằm trọn ranh giới hành huyện Khánh Vĩnh, vùng núi phía tây tỉnh Khánh Hòa (Hình 2.1) 2.2 Đặc điểm địa hình Địa hình huyện Khánh Vĩnh phức tạp, núi đồng ven sông xen kẽ Có thể nhận rõ dạng địa hình sau: Địa hình núi cao; địa hình núi trung bình, núi thấp; địa hình núi thấp đồi; địa hình lượn sóng chia cắt nhẹ; địa hình đồng ven sơng 2.3 Hình 2.1 Vị trí vùng nghiên cứu Đặc điểm thủy văn Toàn địa bàn huyện nằm lưu vực sơng Cái Nha Trang Lưu vực có dạng hình cành cây, dòng bắt nguồn từ dãy núi cao phía tây có độ cao từ 1500 đến 2000 m, chảy theo hướng đông đổ biển cửa Hà Ra Xóm Bóng thành phố Nha Trang 2.4 Đặc điểm khí hậu Khí hậu vùng nghiên cứu mang nét đặc trưng khí hậu Nam Trung Bộ Một năm có hai mùa rõ rệt: mùa mưa kéo dài từ tháng IX đến tháng XII, mùa khô từ tháng I đến tháng VIII, đơi có mưa nhỏ 2.5 Cấu trúc địa chất Trong vùng nghiên cứu có phân vị địa tầng trầm tích, phun trào Mesozoi phân vị địa tầng Đệ tứ, gồm: Loạt Bản Đôn; Hệ tầng Đèo Bảo Lộc (J3đbl); Hệ tầng Nha Trang (Knt); Hệ tầng Đak Rium (K2đr); Hệ tầng Đơn Dương (K2đd); Trầm tích sơng đại (aQ23); Tàn tích (eQ); Sườn tích (dQ); Lũ tích - sườn tích (pdQ); Trầm tích sơng - lũ tích (apQ) 2.6 Điều kiện địa chất cơng trình Cấu trúc đất vùng nghiên cứu bao gồm phức hệ thạch học phân chia mơ tả (Hình 2.2) Đất đá Hỗn hợp aluvi –proluvi – Đệ tứ Mô tả Cát, cát pha, sét pha Hỗn hợp aluvi –deluvi – proluvi – Đệ tứ Sét, sét pha, sét pha chứa dăm sạn Phun trào Creta Andesit, andesittodacit Trầm tích lục nguyên Jura Bột kết, cát kết, sét kết, cát bột kết bị sừng hóa, cuội kết, sạn kết Granit, Graprodiorit, granosyenit, diorit, diabas, gabro, gabrodiorit Xâm nhập Paleogen Creta – dacit, Hình 2.2 Sơ đồ địa chất huyện Khánh Vĩnh 2.7 Điều kiện địa chất thủy văn Dựa theo đặc điểm địa chất, thạch học tính thấm nước đất đá vùng, hệ thống tầng chứa nước vùng phân chia sau: Tầng chứa nước lổ hổng - trầm tích Đệ Tứ; Tầng chứa nước khe nứt - trầm tích phun trào; Tầng chứa nước khe nứt - trầm tích lục nguyên 2.8 Các đứt gãy kiến tạo Trong vùng nghiên cứu có hệ thống đứt gãy kiến tạo Đơng Bắc - Tây Nam, Tây Bắc - Đơng Nam vĩ tuyến, ngồi có hệ thống kinh tuyến 2.9 Địa mạo Theo đặc điểm nguồn gốc hình thái, vùng nghiên cứu có kiểu địa sau: Địa hình bóc mòn; Các bề mặt đồng bóc mòn - rửa trơi, tích tụ ven sơng 2.10 Đặc điểm vỏ phong hóa Vùng nghiên cứu có điều kiện khí hậu nhiệt đới nóng ẩm nên phong hóa hóa học chủ yếu Thực tế khu vực nghiên cứu tất điểm trượt lở khảo sát có đất đá cấu tạo tầng phủ bị phong hóa mức độ mạnh đến mạnh, Phương trình van Genuchten (1980): w  s 3.2.3 1   a n    (3.4) m Hàm thấm thủy lực Hàm thấm đất khơng bão hòa thể mối quan hệ hệ số thấm độ hút dính (Hình 3.5) Phương trình thực nghiệm (3.5) Leong Rahardjo (1997b) thường sử dụng nhiều đơn giản, dễ sử dụng thể mối tương quan chung hàm thấm đường cong SWCC kw  ks  p (3.5) Hình 3.4 Đường cong đặc trưng đấtnước (SWCC) 3.2.4 Hình 3.5 Đường cong hàm thấm thủy lực Thấm không ổn định đất khơng bão hòa Trong đất khơng bão hòa, biến đổi theo khơng gian độ hút dính nên hệ số thấm biến đổi theo không gian (không đồng nhất) Độ lớn hệ số thấm phụ thuộc vào độ hút dính Đối với trường hợp đẳng hướng, hệ số thấm theo hướng x y (tức kwx = kwy = kw) Do vậy, viết phương trình (3.6) sau: hw   hw    hw    q  mw w  kw    kw x  x  y  y  t (3.8) Phương trình thấm chủ đạo (3.8) dùng để phân tích đồng thời dòng thấm trạng thái khơng ổn định qua đất bão hòa khơng bão hòa 11 3.2.5 Sức chống cắt đất khơng bão hòa Sức chống cắt đất khơng bão hòa thường xác định phương trình Fredlund Rahardjo (1978) đề nghị theo hai biến trạng thái ứng suất pháp thực ( - ua) độ hút dính (ua - uw) sau:  ff  c,   f  ua  f tg ,   ua  uw  f tg b (3.9) Nhiều phương trình bán thực nghiệm đề nghị để dự đoán sức chống cắt đất khơng bão hòa dựa vào đường cong SWCC Tuy nhiên, phương trình sau Vanapalli nnk (1996) thường sử dụng:   w  r    s  r   ff  c,   n  ua  tg ,   ua  uw  tg ,   3.3 3.3.1 (3.11) Tính tốn ổn định mái dốc ảnh hưởng mưa Các thông số nghiên cứu Khi phân tích ổn định mái dốc, hệ số an tồn biến phụ thuộc, yếu tố cường độ mưa (q ), hệ số thấm bão hòa (ks), độ sâu mực nước ngầm ban đầu (Hw), góc dốc (α) chiều cao mái dốc (Hs) biến độc lập Các thơng số phân tích ổn định mái dốc biểu diễn mái dốc đất đồng đặc trưng (Hình 3.7) q 3Hs 3Hs a b Hs 3Hs α h c d Hw 2Hs e g f Hình 3.7 Sơ đồ cấu tạo mái dốc đất đồng đặc trưng 3.3.2 Phân tích thấm Phân tích thấm nhằm tính tốn thay đổi áp lực nước lỗ rỗng mái dốc đất khơng bão hòa-bão hòa mưa Phương trình chủ đạo (3.8) chi phối dòng thấm đất đồng nhất, đẳng hướng sử dụng để phân tích thay đổi áp lực nước lỗ rỗng Phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng để mô trình 12 thấm khơng ổn định mái dốc mô đun SEEP/W phần mềm GeoStudio 2007 3.3.3 Phân tích ổn định Hệ số an tồn mái dốc theo phương pháp cân giới hạn tính từ phương trình cân mơ men (Fm) hay cân lực (Ff) sau (Fredlund Rahardjo, 1993):  ,    tg b   tg b c  R  N  u   u  Rtg ,    w a 1  , ,  tg    tg    Fm  AL aL  Wx   Nf (3.16)  ,    tg b tg b   , c  cos   N  u   u  a  tg cos      w a  , ,  tg tg       (3.17) Ff  AL   N sin  Sự thay đổi áp lực nước lỗ rỗng suốt thời gian mưa có từ phân tích thấm tích hợp vào mơ đun SLOPE/W (GeoStudio 2007) để phân tích ổn định mái dốc theo phương pháp Morgenstern-Price Hệ số an toàn nhỏ để mái dốc ổn định chọn 1,3 3.3.4 3.3.4.1 Kết phân tích Ảnh hưởng hệ số thấm Hệ số thấm bão hòa có vai trò quan trọng ổn định mái dốc Khi thời gian mưa kéo dài đến ngày, hệ số an toàn thay đổi nhiều mái dốc cấu tạo đất có hệ số thấm nhỏ (ks1 = 2,09x10-7 m/s; ks2 = 1,55x10-6 m/s) thay đổi mái dốc cấu tạo đất có hệ số thấm lớn (ks3 = 2,03x10-5 m/s) 3.3.4.2 Ảnh hưởng cường độ mưa Hệ số an toàn thay đổi theo thời gian cường độ mưa khác Hệ số an toàn giảm cường độ mưa lớn Cường độ mưa 10 mm/h sau thời gian bảy ngày, mái dốc ổn định Cường độ mưa lớn 20 mm/h sau thời gian năm ngày mái dốc ổn định 13 Ảnh hưởng cấu tạo hình học mái dốc 3.3.4.3 Tại khoảng thời gian mưa cường độ mưa, góc dốc lớn độ ổn định mái dốc giảm Hầu hết trường hợp, mái dốc có góc dốc nhỏ nhơn 45o khơng phá hủy Các mái dốc có góc dốc lớn 45o chịu tác dụng cường độ mưa 10 mm/h bị phá hủy: mưa liên tục ngày, góc dốc lớn 60o; mưa liên tục ngày, góc dốc lớn 45o Hệ số an tồn giảm chiều cao mái dốc tăng khoản thời gian mưa dài tương ứng với cường độ mưa khác Tại mức cường độ mưa I = 10 mm/h, thời gian mưa t = ngày, mái dốc có chiều cao lớn 10 m bị phá hủy CHƯƠNG ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP XÁC SUẤT THỐNG KÊ VÀ GIS THÀNH LẬP BẢN ĐỒ TAI BIẾN TRƯỢT LỞ 4.1 4.1.1 Cơ sở lý thuyết phương pháp xác suất thống kê Phương pháp tỷ số tần suất (FR - Frequency Ratio) Phương pháp FR sử dụng để tính số tai biến trượt lở (Landslide Hazard Index - LHI) khu vực nghiên cứu: LHI   FR (4.1) Với FR trọng số xảy trượt lở yếu tố ảnh hưởng: FR  PLO PIF 4.1.2 Phương pháp số thống kê (SI - Statistic Index) (4.3) Phương pháp số thống kê lần đề xuất Van Westen (1997) Trọng số xảy trượt lở yếu tố ảnh hưởng sau: Wi  ln Densclas Densmap (4.4) Chỉ số dự báo tai biến trượt lở (LHI) khu vực nghiên cứu tính nhưa sau: LHI  Wi (4.5) 14 4.1.3 Phương pháp trọng số chứng (WoE - Weights of Evidence) Phương pháp dựa sở phương pháp xác suất có điều kiện Bayes Xác suất xảy kiện D yếu tố ảnh hưởng B xảy tính theo cơng thức: PD | B  PD  B PB | D  PD PB PB (4.6) Nếu có nhiều yếu tố ảnh hưởng chúng độc lập với nhau, xác suất xảy kiện D yếu tố ảnh hưởng B xảy xác định theo công thức sau:  log itDW  k P D |  B1  B2   Bn   4.1.4 e  log itDW  1 e k (4.8) Phương pháp hồi quy logistic (LR - Logistic Regression) Theo phương pháp LR, quan hệ xác suất xảy trượt lở yếu tố ảnh hưởng thể qua phương trình sau:  P  logit  P  = ln     o  1 x1   x2    n xn 1 P  (4.14) Các hệ số hồi quy (i ) thể mối tương quan trượt lở với yếu tố ảnh hưởng, hệ số hồi quy dương cho thấy yếu tố ảnh hưởng có tác động thuận lợi trượt lở 4.2 Nguyên lý thành lập đồ tai biến trượt lở Nguyên lý 1: q khứ chìa khóa tương lai Nguyên lý 2: yếu tố ảnh hưởng yếu tố kích hoạt gây trượt lở xác định hầu hết lập thành đồ Nguyên lý 3: mức độ tai biến trượt lở xác định dựa vào yếu tố ảnh hưởng gây trượt lở, giải thích việc thành lập đồ dự báo theo phương pháp khác 15 4.3 Hệ thống thông tin địa lý (GIS) nghiên cứu trượt lở Dữ liệu GIS chủ yếu chia làm ba dạng: dạng lưới giá trị (raster), dạng đối tượng (vector) dạng điểm rời rạc Các dạng liệu phải chuyển đổi thành mạng lưới giá trị, q trình gọi lưới hóa để phục vụ tính tốn 4.4 Xây dựng sở liệu Bản đồ phân bố điểm trượt lở tập hợp điểm trượt lở xảy vùng xác định thể mối liên quan không gian điểm trượt lở với yếu tố ảnh hưởng cung cấp thông tin tần suất trượt lở Trong vùng nghiên cứu có 231 điểm trượt lở ghi nhận chia ngẫu nhiên thành nhóm liệu (Hình 4.3): nhóm liệu điểm trượt huấn luyện chiếm 70% (161 điểm trượt Hình 4.3 Bản đồ phân bố điểm trượt lở 30% (70 điểm trượt lở) Nhóm liệu huấn luyện dùng để tính tốn; nhóm lở); nhóm liệu điểm trượt kiểm tra chiếm liệu kiểm tra dùng để đánh giá độ xác phương pháp Nghiên cứu lựa chọn 11 yếu tố ảnh hưởng đến trượt lở để đưa vào phân tích mơ hình gồm: góc dốc, hướng dốc, cao độ, số ẩm ướt địa hình, độ uốn cong bề mặt mái dốc, thạch học, khoảng cách đến đường giao thông, khoảng cách đến sông suối, khoảng cách đến đứt gãy, số thực vật lượng mưa lớn năm Các đồ chuyên đề sử dụng để thành lập 11 đồ yếu tố ảnh hưởng gồm: đồ địa hình, đồ địa chất, đồ mạng lưới giao thông, đồ mạng lưới sông suối, đồ mạng lưới đứt gãy, ảnh viễn thám Landsat 7+ETM đồ phân bố trạm đo mưa 16 4.5 Quy trình thành lập đồ tai biến trượt lở Bản đồ tai biến trượt lở đất thành lập từ 11 yếu tố ảnh hưởng theo phương pháp xác suất thống kê dựa quy trình sau (Hình 4.19): Thu thập liệu trường Bản đồ địa hình Bản đồ địa chất Đường giao thông Đường đồng mức Sông suối Bản đồ điểm trượt hữu Bản đồ DFR Bản đồ DEM Bản đồ DFD Bản đồ góc dốc Bản đồ hướng dốc Bản đồ cao độ Bản đồ độ cong bề mặt mái dốc Bản đồ thạch học Bản đồ TWI Ảnh viễn thám Bản đồ DFF Bản đồ NDVI Áp dụng phương pháp FR, SI, WoE LR Các đồ trọng số Lựa chọn mơ hình tối ưu Kiểm chứng mơ hình Kết hợp đồ trọng số Bản đồ số tai biến trượt lở Bản đồ phân vùng tai biến trượt lở Hình 4.19 Quy trình xây dựng đồ tai biến trượt lở 17 Bản đồ trạm đo mưa Bản đồ MP 4.6 4.6.1 Ứng dụng phương pháp xác suất thống kê thành lập đồ tai biến trượt lở Trình tự tính tốn trọng số theo phương pháp Trình tự tính tốn trọng số để thành lập đồ số tai biến trượt lở theo phương pháp khác tương đối khác 4.6.2 Kết tính tốn Trượt lở đất xảy tăng dần từ cao độ lớn 300 m xảy nhiều khoảng cao độ từ 1500~1800 m Đối với góc dốc lớn 25o, trượt lở đất tăng dần theo tăng góc dốc xảy nhiều góc dốc lớn 45o Trượt lở xảy nhiều theo hướng Đông - Nam Thành phần thạch học có ảnh hưởng nhiều đến trượt lở, phần lớn trượt lở xảy vỏ phong hóa dày nhóm sét kết, bột kết, cát kết, sạn kết, cuội kết nhóm andesit, dacsit, andesittodacit Lượng mưa lớn năm yếu tố quan trọng kích thích trượt lở xảy Kết tính toán cho thấy ứng với lượng mưa từ 525~750 mm nguy xảy trượt lở cao, khả xảy trượt lở cao ứng với lượng mưa từ 650~750 mm Phần lớn trượt lở xảy phạm vi từ 0~300 m khoảng cách đến sông suối đường giao thông Trượt lở xảy mạnh phạm vi 0~100 m Khoảng cách đến đứt gãy có xảy trượt lở tập trung phạm vi từ 100~300 m, 400~600 m 800~900 m Trượt lở xảy nhiều phạm vi khoảng cách đến đứt gãy từ 400~500 m 4.6.3 Bản đồ trọng số yếu tố ảnh hưởng Bản đồ trọng số yếu tố ảnh hưởng thành lập dựa sở đồ phân nhóm yếu tố ảnh hưởng gán với trọng số phân nhóm tương ứng Bản đồ trọng số yếu tố ảnh hưởng thành lập cho phương pháp FR, SI WoE 18 4.6.4 Kiểm tra tính độc lập yếu tố ảnh hưởng Kiểm tra tính độc lập yếu tố ảnh hưởng áp dụng phương pháp WoE LR Việc kiểm tra nhằm đảm bảo khơng có tượng đa cộng tuyến yếu tố ảnh hưởng phương pháp Kết kiểm tra khơng có tượng đa cộng tuyến xảy yếu tố ảnh hưởng độc lập với 4.6.5 Bản đồ tai biến trượt lở Bản đồ tai biến trượt lở thành lập dựa vào kết hợp 11 đồ trọng số yếu tố ảnh hưởng Đối với phương pháp FR SI, kết hợp đồ trọng số yếu tố ảnh hưởng tạo thành đồ số tai biến trượt lở (Hình 4.27, 4.28); phương pháp WoE LR, kết hợp đồ trọng số yếu tố ảnh hưởng tạo thành đồ xác suất tai biến trượt lở (Hình 4.29, 4.30) Hình 4.27 Bản đồ phân vùng tai biến trượt lở phương pháp FR 19 Hình 4.28 Bản đồ phân vùng tai biến trượt lở phương pháp SI Hình 4.29 Bản đồ phân vùng tai biến trượt lở phương pháp WoE 20 Hình 4.30 Bản đồ phân vùng tai biến trượt lở phương pháp LR 4.6.6 Kiểm chứng so sánh phương pháp Một phương pháp sử dụng phổ biến dựa vào đường cong tỷ lệ, có loại: đường cong Success rate đường cong Prediction rate Đường cong Success rate dùng để đánh giá mức độ phù hợp phương pháp so với liệu quan sát, đường cong Prediction rate dùng để đánh giá mức độ xác dự báo phương pháp Phương pháp tốt phương pháp có giá trị AUC gần Quan hệ AUC chất lượng phương pháp phân chia sau: AUC = 0,5~0,6: kém; AUC = 0,6~0,7: trung bình; AUC = 0,7~0,8: tốt; AUC = 0,8~0,9: tốt; AUC = 0,9~1,0: xuất sắc Các phương pháp có giá trị AUC gần thuộc khoảng 0,8~0,9 nên có mức độ phù hợp độ xác dự báo cao Tuy nhiên, phương pháp dự báo, phương pháp LR SI có độ xác dự báo thấp (AUC = 0,801 0,807) so với phương pháp FR WoE (AUC = 0,826 0,814) 21 Prediction rates Success rates 90 90 Tích lũy trượt lở xảy (%) 100 Tích lũy trượt lở xaûy (%) 100 80 70 60 50 FR (AUC = 0,836) SI (AUC = 0,846) WoE (AUC = 0,848) LR (AUC = 0,828) 40 30 20 10 70 60 50 FR (AUC = 0,826) SI (AUC = 0,807) WoE (AUC = 0,814) LR (AUC = 0,801) 40 30 20 10 0 10 20 30 40 50 60 Diện tích (%) 70 80 90 100 Hình 4.43 Đường cong Success rate 4.6.7 80 10 20 30 40 50 60 Diện tích (%) 70 80 90 100 Hình 4.44 Đường cong Prediction rate Đánh giá yếu tố ảnh hưởng lựa chọn mơ hình tối ưu Có yếu tố ảnh hưởng có liên quan đến trượt lở gồm: DEM, DFR, MP, SLOPE, LITHOLOGY, DFF, DFD ASPECT Trong đó, yếu tố ảnh hưởng quan trọng gồm: DEM, DFR, MP SLOPE (xác suất xuất 100%) Có mơ hình tối ưu (Bảng 4.13) lựa chọn, mơ hình tối ưu tốt mơ hình 1, mơ hình có yếu tố ảnh hưởng (4 yếu tố) Kết tính tốn cho thấy, mơ hình tối ưu có giá trị AUC xấp xỉ thuộc khoảng 0,8~0,9 nên có độ xác dự báo cao Trong mơ hình tối ưu, phương pháp WoE phương pháp cho kết dự báo tốt có giá trị AUC cao nhất, tiếp đến phương pháp FR, SI LR Bảng 4.13 Giá trị AUC FR, SI, WoE LR theo mô hình tối ưu Mơ hình AUC Yếu tố ảnh hưởng FR SI WoE LR DEM, DFR, MP SLOPE 0,827 0,818 0,831 0,810 DEM, DFR, MP, SLOPE LITHOLOGY 0,826 0,813 0,827 0,812 DEM, DFR, MP, SLOPE, LITHOLOGY DFF 0,824 0,818 0,828 0,811 DEM, DFR, MP, SLOPE DFF 0,821 0,822 0,831 0,810 DEM, DFR, MP, SLOPE DFD 0,819 0,808 0,817 0,807 22 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ  Kết luận Trong nghiên cứu này, hầu hết trường hợp mái dốc giảm độ ổn định giảm độ hút dính Cấu tạo hình học mái dốc có ảnh hưởng định tính ổn định mái dốc chiều cao góc dốc định hệ số an tồn ban đầu mái dốc Do đó, thực tế đa số trường hợp mái dốc bị phá hủy chủ yếu cường độ mưa tính thấm đất định Mái dốc đất có hệ số thấm bão hòa nhỏ (ks < ks1 = 2,09x10-7 m/s) lớn (ks > ks3 = 2,03x10-5 m/s), tính ổn định mái dốc bị ảnh hưởng mưa nước mưa phần lớn thoát bề mặt mái dốc nhanh chóng xuống phía dưới, áp lực nước lỗ rỗng tăng khơng đáng kể Những mái dốc đất có hệ số thấm bão hòa thay đổi từ ks1 đến ks3 bị ảnh hưởng nhiều áp lực nước lỗ rỗng tăng đáng kể hệ số an toàn giảm mạnh Ngưỡng cường độ mưa xảy trượt lở đất phụ thuộc vào hệ số thấm bão hòa đất, góc dốc, chiều cao mái dốc thời gian mưa Với tính chất đất vùng nghiên cứu, mái dốc có chiều cao từ 10 m góc dốc từ 45o trở lên trượt lở đất xảy ngưỡng cường độ mưa 10 mm/h, thời gian mưa liên tục từ đến ngày Trượt lở chủ yếu xảy cao độ từ 1500~1800 m; góc dốc từ lớn 45o; hướng dốc Đông - Nam; vỏ phong hóa dày nhóm sét kết, bột kết, cát kết, sạn kết, cuội kết nhóm andesit, dacsit, andesittodacit; vùng phân bố lượng mưa lớn năm từ 650~750 mm; phạm vi khoảng cách đến sông suối, đường giao thông từ 0~100 m khoảng cách đến đứt gãy từ 400~500 m Các phương pháp FR, SI, WoE LR có độ phù hợp độ xác cao Phương pháp FR SI đơn giản tính tốn xem xét vai trò yếu tố ảnh hưởng Phương pháp WoE LR cho thấy mức độ liên quan đến trượt lở yếu tố ảnh hưởng Tuy nhiên, phương pháp WoE LR có quy trình tính tốn phức tạp 23 Có yếu tố ảnh hưởng liên quan đến trượt lở (DEM, DFR, MP, SLOPE, LITHOLOGY, DFF, DFD, ASPECT), yếu tố ảnh hưởng quan trọng (DEM, DFR, MP SLOPE) mơ hình tối ưu tổ hợp yếu tố ảnh hưởng (Mơ hình 1: DEM, DFR, MP SLOPE; mơ hình 2: DEM, DFR, MP, SLOPE, LITHOLOGY; mơ hình 3: DEM, DFR, MP, SLOPE, LITHOLOGY, DFF; mơ hình 4: DEM, DFR, MP, SLOPE, DFF; mơ hình 5: DEM, DFR, MP, SLOPE, DFD) Các mơ hình tối ưu áp dụng cho phương pháp dự báo tai biến trượt lở FR, SI, WoE LR có độ xác cao (AUC = 0,8~0,9) Tuy nhiên, mơ hình mơ hình tối ưu tốt sử dụng yếu tố ảnh hưởng phương pháp dự báo WoE phương pháp dự báo tốt có độ xác cao Kiến nghị Hầu hết sườn dốc, mái dốc đất trạng thái khơng bão hòa nên cần áp dụng lý thuyết học đất khơng bão hòa để phân tích, mơ kiểm tốn ổn định cho kết phù hợp với thực tế so với học đất bão hòa Sự ổn định sườn dốc, mái dốc biến đổi theo không gian thời gian thay đổi yếu tố ảnh hưởng, đặc biệt độ dốc, cường độ mưa tính thấm đất Do đó, để xem xét đầy đủ ảnh hưởng địa hình, lượng mưa tính chất đất trượt lở cần áp dụng số ẩm ướt địa hình (TWI) theo Montgomery Dietrich (1994), Borga nnk (1998), Pack Tarboton (1998) Hiện nay, chưa có nghiên cứu đưa dẫn chung việc lựa chọn yếu tố ảnh hưởng quan trọng tổ hợp yếu tố ảnh hưởng tối ưu áp dụng cho phương pháp dự báo tai biến trượt lở Do đó, thuật toán BMA cần áp dụng để lựa chọn yếu tố ảnh hưởng quan trọng tổ hợp yếu tố ảnh hưởng tối ưu thành lập đồ tai biến trượt lở đất Bản đồ phân vùng tai biến trượt lở thành lập theo phương pháp xác suất thống kê cho vùng nghiên cứu rộng lớn Do đó, theo thời gian để nâng cao độ xác phương pháp cần phải cập nhật thêm số điểm trượt lở 24 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ N.T Danh, D.V Ngo, T.Q Dung, Applying probabilistic method base on Monte Carlo simulation to assess the instability of slopes due to rainfall on route Nha Trang - Da Lat (Within Khanh Vinh district, Khanh Hoa province), Proceedings of the 4th International Conference on Geological and Geotechnical Engineering in Response to Climate Change and Sustainable Development of Infrastructure, Vietgeo 2018, Dong Hoi, Quang Binh, Viet Nam, ISBN 978 604 913 418 0, pp 412-420 Nguyễn Thanh Danh, Đậu Văn Ngọ, Tạ Quốc Dũng, Phạm Ngọc Tân, Ứng dụng phương pháp trọng số chứng GIS xây dựng đồ tai biến trượt lở đất huyện Khánh Vĩnh, tỉnh Khánh Hòa, Tạp chí Xây dựng, Tháng 9, 2018, ISSN 0866-8762, Trang 188-194 Nguyễn Thanh Danh, Đậu Văn Ngọ, Tạ Quốc Dũng, Ứng dụng phương pháp hồi quy logistic xác định tổ hợp tối ưu yếu tố ảnh hưởng xây dựng đồ tai biến trượt lở đất huyện Khánh Vĩnh, tỉnh Khánh Hòa, Tạp chí Phát triển Khoa học Cơng nghệ, tập 20-K4/2017, ISSN 1859-0128, Trang 77-84 N.T Danh, D.V Ngo, T.Q Dung, Landslide hazard mapping using frequency ratio, statistical index, weights of evidence and their comparison: a case study in Khanh Vinh district, Khanh Hoa province, Proceedings of International Conference on Geological and geotechnical engineering in response to climate change and sustainable development of infrastructure, 2016, Ha Long, Quang Ninh, Viet Nam, ISBN 978 604 62 6726 3, pp 191-200 N.T Danh, D.V Ngo, T.Q Dung, Effects of rainfall on stability of soil slopes in Khanh Vinh district, Khanh Hoa province, Proceedings of International Conference on Engineering geology in respond to climate change and sustainable development of infrastructure, 2015, Ha Noi, Viet Nam, ISBN 978 604 913 418 0, pp 219-228 Nguyễn Thanh Danh, Đậu Văn Ngọ, Lập sở liệu phục vụ nghiên cứu trượt lở đất ảnh hưởng mưa địa bàn huyện Khánh Vĩnh, tỉnh Khánh Hòa Đề tài NCKH Cấp trường/ TNCS-ĐCDK-2015-22 N.T Danh, D.V Ngo, T.Q Dung, Applying probabilistic method base on Monte Carlo simulation to analyze slope stability on route Nha Trang - Da Lat (within Khanh Vinh - Khanh Hoa), Science & Technology development journal, Vol 17, K5/2014, ISSN 1859-0128, pp 76-85 ... ảnh hưởng độc lập với 4.6.5 Bản đồ tai biến trượt lở Bản đồ tai biến trượt lở thành lập dựa vào kết hợp 11 đồ trọng số yếu tố ảnh hưởng Đối với phương pháp FR SI, kết hợp đồ trọng số yếu tố ảnh. .. biến trượt lở Bản đồ phân vùng tai biến trượt lở Hình 4.19 Quy trình xây dựng đồ tai biến trượt lở 17 Bản đồ trạm đo mưa Bản đồ MP 4.6 4.6.1 Ứng dụng phương pháp xác suất thống kê thành lập đồ. .. trường Bản đồ địa hình Bản đồ địa chất Đường giao thông Đường đồng mức Sông suối Bản đồ điểm trượt hữu Bản đồ DFR Bản đồ DEM Bản đồ DFD Bản đồ góc dốc Bản đồ hướng dốc Bản đồ cao độ Bản đồ độ