ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP nội SUY KRIGING KHẢO sát sự PHÂN bố TẦNG đất yếu TUỔI HOLOCENE ở KHU vực nội THÀNH THÀNH PHỐ hồ CHÍ MINH

TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 10, SỐ 02 - 2007 ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP NỘI SUY KRIGING KHẢO SÁT SỰ PHÂN BỐ TẦNG ĐẤT YẾU TUỔI HOLOCENE Ở KHU VỰC NỘI THÀNH THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Phan Thị San Hà(1), Lê Minh Sơn(2) (1) Trường Đại học Bách khoa, ĐHQG-HCM (2) Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM (Bài nhận ngày 10 tháng 04 năm 2006) TÓM TẮT: Tầng đất yếu tuổi Holocene thành phố Hồ Chí Minh đối tượng địa chất ln nhận quan tâm đặc biệt nhà địa chất Việc nhận biết quy luật phân bố theo diện theo chiều sâu đối tượng giúp ích cho nhà quản lý, quy hoạch đô thị, nhà đầu tư Ngoài việc dựa vào kinh nghiệm chun gia việc dùng mơ hình toán (cụ thể phương pháp nội suy Kriging) để xác định quy luật phân bố không gian đối tượng địa chất phát triển mạnh mẽ giới Tuy nhiên, nay, phương pháp chưa sử dụng rộng rãi lĩnh vực địa chất cơng trình Việt Nam Nhằm giới thiệu khả ứng dụng phương pháp nội suy Kriging, báo trình bày kết nhận sử dụng phương pháp để khảo sát quy luật phân bố tầng đất yếu tuổi Holocene khu vực nội thành thành phố Hồ Chí Minh Bên cạnh đó, kết nội suy so sánh với kết có trước kết khảo sát trực tiếp trường, qua đánh giá độ tin cậy kết nội suy 1.MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Trong q trình khảo sát địa chất cơng trình, đặc điểm phân bố tầng đất yếu (thể qua hai thông số: độ sâu xuất chiều dày) vấn đề nhà địa chất quan tâm Để khảo sát phân bố lớp đất, nhà địa chất cần có liệu dạng bề mặt liên tục, đó, liệu khảo sát địa chất cơng trình (ĐCCT) lại dạng liệu phân bố rời rạc không gian (theo diện theo chiều sâu) Việc chuyển đổi từ dạng liệu rời rạc sang dạng liệu liên tục thường thực theo hai khuynh hướng: a) dựa vào kinh nghiệm, kiến thức chuyên gia; b) dựa vào mô hình tốn phương pháp nội suy Khuynh hướng a) thích hợp số lượng liệu ít, phân bố không gian Tuy nhiên, khuynh hướng có nhược điểm thường mang tính chủ quan Trong đó, khuynh hướng b) mà đặc biệt phương pháp nội suy Kriging, dựa vào mối quan hệ biến động liệu vị trí chúng khơng gian để xây dựng bề mặt phân bố liệu Do vậy, kết nhận từ phương pháp nội suy Kriging giảm bớt ý kiến chủ quan chuyên gia, đồng thời tăng tính khách quan kết nội suy Đề tài nghiên cứu: “Ứng dụng phương pháp nội suy Kriging khảo sát phân bố tầng đất yếu tuổi Holocene, khu vực nội thành thành phố Hồ Chí Minh” thực nhằm đánh giá khả ứng dụng phương pháp nội suy Kriging công tác khảo sát ĐCCT nói chung việc khảo sát phân bố tầng đất yếu tuổi Holocene thành phố Hồ Chí Minh (TPHCM) nói riêng Trang 43 Science & Technology Development, Vol 10, No.02 - 2007 2.PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Phương pháp nội suy Kriging khảo sát mối quan hệ biến động liệu theo vị trí chúng khơng gian, từ rút mơ hình tốn phản ánh mối quan hệ Nhờ vào mơ hình tốn, nhà nghiên cứu dự báo giá trị liệu nội suy vị trí chưa có số liệu khảo sát thực tế Để sử dụng phương pháp nội suy Kriging, liệu khảo sát cần phải có tọa độ địa lý tương ứng Cơng tác nghiên cứu phân bố tầng đất yếu khu vực nội thành TPHCM tiến hành qua bước sau: − Thu thập tọa độ hố khoan − Xác định độ sâu xuất hiện, chiều dày tầng đất yếu − Tiến hành nội suy phương pháp Kriging − Đánh giá độ tin cậy kết nội suy Quy trình thực nói minh họa lưu đồ sau: DỮ LIỆU DỮ LIỆU THUỘC TÍNH TỌA ĐỘ NỘI SUY KRIGING ĐÁNH GIÁ 0.898 Kết Hình 1.Lưu đồ phương pháp nội suy Kriging 2.1.Thu thập liệu tọa độ hố khoan Tổng hợp từ báo cáo khảo sát, có 247 hố khoan thu thập [2] Tọa độ 247 hố khoan xác định dụng cụ GPS cầm tay (Garmin 12XL) với độ xác tọa độ ~ 15 m Trong điều kiện thời tiết thuận lợi, độ xác tọa độ đạt đến m Để phục vụ cho cơng tác nội suy địa chất cơng trình, độ xác m tọa độ địa lý chấp nhận Vị trí 247 hố khoan khảo sát ĐCCT thể Hình Trang 44 TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 10, SỐ 02 - 2007 Hình Sơ đồ vị trí điểm liệu Cao độ đáy lớp tầng đất yếu xác định thông qua cao độ mặt đất, độ sâu xuất chiều dày tầng đất yếu Cao độ mặt đất vị trí hố khoan rút từ mơ hình số độ cao (Digital Elevation Model – viết tắt DEM) Mơ hình DEM xây dựng phần mềm ILWIS 3.2 dựa đồ địa hình Phòng thí nghiệm Viễn thám GIS thuộc Trung tâm khoa học tự nhiên công nghệ quốc gia cung cấp Hình thể mơ hình DEM TPHCM Hình Mơ hình DEM TPHCM 2.2.Xác định độ sâu xuất hiện, chiều dày tầng đất yếu Độ sâu xuất chiều dày tầng đất yếu rút từ báo cáo khảo sát địa chất Bộ môn Địa kỹ thuật, Khoa Địa chất – Dầu khí, Trường Đại học Bách khoa TPHCM thực khoảng thời gian từ năm 1996 đến 2004 Trang 45 Science & Technology Development, Vol 10, No.02 - 2007 2.3.Phương pháp nội suy Kriging Các bước tiến hành nội suy Kriging sau: - Khảo sát đặc trưng thống kê tập liệu, đặc biệt ý đến tính phân bố chuẩn liệu Nếu liệu khơng có phân bố chuẩn phải chuyển dạng liệu để thỏa mãn yêu cầu - Xây dựng biểu đồ semi-variogram Biểu đồ semi-variogram phản ánh mối quan hệ biến thiên liệu với khoảng cách điểm - Lựa chọn mơ hình semi-variogram thích hợp với tập liệu Quy luật quan hệ biến động liệu với khoảng cách chúng xấp xỉ hàm số xác định trước (hàm Spherical, Circular, Gaussian, Exponential, Power…) - Tiến hành nội suy theo mơ hình semi-variogram chọn 2.4.Đánh giá độ tin cậy kết nội suy Độ tin cậy kết nội suy cần đánh giá thông qua phương pháp: - So sánh đồ nội suy với đồ thành lập trước - So sánh kết nội suy với kết khảo sát trực tiếp trường 3.KẾT QUẢ 3.1.Khảo sát đặc trưng thống kê tập liệu 247 hố khoan khảo sát chia thành hai nhóm: hố khoan có phát tầng đất yếu (108 hố khoan) hố khoan không phát tầng đất yếu (139 hố khoan) Tại hố khoan khơng có phát tầng đất yếu, chiều dày tầng đất yếu xem (zero) đưa vào nội suy Tuy nhiên, việc đưa 139 điểm liệu có giá trị vào trình nội suy làm cho liệu không thỏa mãn yêu cầu liệu cần có phân bố chuẩn Điều thể rõ Bảng Hình Bảng Đặc trưng thống kê liệu bao gồm tất hố khoan No Mean 108 12.708 SE Mean 0.851 Skewne ss 0.38 StDev 8.849 Kurtosis Min Median Max IQR 1.09 1.000 11.250 31.600 16.100 Histogram (with Normal Curve) of Chiều dày bùn 20 Probability Plot of Chiều dày bùn Mean StDev N Normal - 95% CI 12.71 8.849 108 99.9 Mean StDev N AD P-Value 99 15 95 Percent Frequency 90 10 80 70 60 50 40 30 20 10 5 -6 12 18 Chiều dày bùn a) 24 30 0.1 -20 -10 10 20 Chiều dày bùn b) Hình a) Histogram; b) Đồ thị Q-Q plot điểm liệu Trang 46 30 40 50 12.71 8.849 108 2.402 m) No 71 SE Mean 0.795 Mean 17.710 StDev 6.698 Skewn ess 0.29 Kurtosi s -1.12 Histogram of Chiều dày bùn 1.5 Thuộc nhóm TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 10, SỐ 02 - 2007 Từ biểu đồ semi-variogram (Hình 8a), mơ hình semi-variogram chọn hàm Spherical với thông số sau: Nugget = 0.026125; Partial Sill = 1.1682; Range = 11268 a) b) Hình a) Biểu đồ semi-variogram; b) Kết nội suy IK Bản đồ nội suy IK cho biết, vị trí khu vực nghiên cứu nhận giá trị nội suy từ kết nội suy nhóm hay nhóm 3.3.Nội suy Ordinary Kriging (OK) Từ biểu đồ semi-variogram nhóm nhóm (Hình 9a 9b), mơ hình semivariogram chọn cho hai nhóm hàm Circular với thơng số sau: nhóm 1: Nugget = 0.75; Sill = 1.5; Range = 1500; nhóm 2: Nugget : 2.0; Sill = 28.0; Range = 2900.0 a) b) Hình 9.Biểu đồ semi-variogram OK của: a) nhóm b) nhóm 3.4.Tổng hợp kết nội suy nhóm nhóm Dựa vào mơ hình semi-variogram chọn cho hai nhóm liệu bước 3.3, kết nội suy từ hai mơ hình tổng hợp lại thành đồ nội suy cho toàn vùng (Hình 10) Trang 49 Science & Technology Development, Vol 10, No.02 - 2007 a) b) Hình 10 a) Sơ đồ kết nội suy b) Sơ đồ sai số nội suy ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ NỘI SUY 4.1.So sánh với sơ đồ đẳng chiều dày tầng đất yếu Liên đoàn ĐCTV-ĐCCT miền Nam thành lập năm 1988 Để thuận tiện cho việc đối chiếu kết nội suy, đồ quy ước gọi tên sau: Bản đồ 1: Sơ đồ đẳng chiều dày tầng đất yếu Liên đoàn địa chất thủy văn – địa chất cơng trình miền Nam thành lập năm 1988 (Hình 11) K h o ân g c o ù Hình 11.Sơ đồ đẳng bề dày tầng đất yếu (do Liên đoàn ĐCTV-ĐCCT miền Nam thành lập năm 1988) Trang 50 TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 10, SỐ 02 - 2007 Bản đồ 2: Bản đồ kết nội suy OK Một vài nhận xét so sánh Bản đồ với Bản đồ 2: − Khu vực không tồn lớp bùn hai đồ phù hợp − Cả hai đồ cho thấy phức tạp diện phân bố đơn nguyên ĐCCT khu vực quận khu vực quận Bình Thạnh − Theo Bản đồ 1, khu vực quận Bình Tân (huyện Bình Chánh cũ) khơng tồn lớp bùn Trong đó, Bản đồ xuất lớp bùn dày ~ m (ở phía Bắc) 10 ~ 15 m (ở phía Nam) − Tại quận 9, khu vực dọc sông Sài Gòn, Bản đồ cho thấy chiều dày lớp bùn từ 10 ~ 15 m, Bản đồ 2, chiều dày lớp bùn từ ~ m Khu vực cần kiểm chứng lại có hố khoan thực tế − Khu vực bán đảo Thủ Thiêm, hai đồ cho kết chiều dày lớp bùn 15 m 4.2.So sánh với kết thực tế Kết nội suy với sai số nội suy so sánh với kết khảo sát trực tiếp (từ cơng tác khoan, thí nghiệm CPT…) để đánh giá độ tin cậy mơ hình nội suy Bảng so sánh kết khảo sát trực tiếp kết nội suy Một số nhận xét rút từ bảng so sánh kết nêu trên: − Cơng trình #1, #2 #4 có kết nội suy phù hợp với kết khảo sát thực tế; cơng trình #5 có sai số q lớn − Cơng trình #3 nằm ranh giới tiếp giáp ba vùng nội suy: 2.0 ~ 5.0 m; 10.0 ~ 15.0 m; 15.0 ~ 20.0 m Do vậy, bổ sung điểm vào mơ hình nội suy ranh giới ba vùng nội suy điều chỉnh hợp lý − Cơng trình #4 có chênh lệch kết nội suy kết thực tế lớn (2.5 m) Tuy nhiên, độ chênh lệch nằm phạm vi sai số nội suy (5.2 m) − Công trình #5 có chênh lệch q lớn kết nội suy kết thực tế, đó, sai số nội suy lại thấp, chứng tỏ kết nội suy đáng tin cậy (!) Nghịch lý cho thấy chiều dày lớp bùn tăng cao mang tính cục Để xác định xác khu vực phân bố lớp bùn này, cần phải bố trí thêm nhiều hố khoan khảo sát cho khu vực xung quanh cơng trình #5 Bảng 7: So sánh kết khảo sát trực tiếp với kết nội suy Nhà số 490B Nguyễn Thị Minh Khai, Q.1 683 885 190 568 CHIỀU DÀY THỰC TẾ Khơng có Khu dân cư cụm III, Cát Lái, Q.2 696 111 191 800 3.0 m 3.2 ± 1.5 m Trung tâm thương mại dịch vụ vui chơi giải trí quận 8, Q.8 682 861 187 319 7.0 m 15.7 ± 5.2 m STT CÔNG TRÌNH TỌA ĐỘ (m) X Y CHIỀU DÀY NỘI SUY Khơng có Trang 51 Science & Technology Development, Vol 10, No.02 - 2007 Chung cư Nguyễn Văn Cừ, Bình Chánh 684 678 186 634 16.2 m 18.7 ± 5.2 m Chung cư tái định cư phường Linh Đông, Thủ Đức 690 248 199 345 40.0 m 3.7 ± 1.4 m 5.KẾT LUẬN 1) Kết nội suy phụ thuộc vào thông số như: số lượng liệu; chất lượng liệu; phân bố liệu khu vực nghiên cứu Hiện nay, hố khoan khảo sát thường tập trung thành cụm, phân bố khơng tồn khu vực, vậy, kết nội suy hạn chế khu vực có (hoặc chưa có) hố khoan khảo sát, đặc biệt khu vực ngoại thành 2) Kết dự đốn khu vực khơng có bùn cho thấy khu vực trùng khớp với khu vực bị bóc mòn sơ đồ cổ địa lý thành lập trước 3) Phương pháp nội suy Ordinary Kriging khơng cung cấp kết nội suy mà kèm theo kết sai số nội suy Nhờ đó, đánh giá độ tin cậy kết nội suy 4) Căn vào biểu đồ semi-variogram nhóm nhóm 2, giá trị Range 500 m 900 m Theo lý thuyết, khoảng cách phân bố hố khoan hợp lý (1/5 ~ 1/3) Range ([4], [6]), vậy, khoảng cách phân bố hố khoan hợp lý TPHCM (300 ~ 500 m) cho khu vực nhóm (600 ~ 000 m) cho khu vực nhóm Căn vào khoảng cách phân bố hố khoan này, nhà quy hoạch xác định khu vực cần bố trí thêm hố khoan khảo sát khu vực không cần phải bố trí thêm hố khoan 5) Mặc dù kết nội suy chưa đạt độ xác cao giúp cho nhà quản lý, nhà quy hoạch có nhìn tổng qt phân bố tầng đất yếu khu vực nghiên cứu 6) Kết nội suy cập nhật dễ dàng có thêm số liệu Qua đó, độ xác kết nội suy cải thiện theo thời gian 7) Phương pháp nội suy Kriging áp dụng để dự đốn thông số địa kỹ thuật không gian hai chiều (theo diện theo độ sâu) Để đánh giá quy luật biến đổi thông số không gian ba chiều (cả theo diện theo độ sâu), cần phải sử dụng công cụ nội suy Kriging 3D phần mềm chuyên dụng APPLYING KRIGING TO PREDICT THE DISTRIBUTION OF THE HOLOCENE SOFT SOIL STRATUM IN THE URBAN AREA OF HOCHIMINH CITY Phan Thi San Ha(1), Le Minh Son(2) (1) University of Technology, VNU-HCM (2) University of Natural Sciences, VNU-HCM ABSTRACT: The Holocene soft soil layer in Hochiminh city is a special geotechnical unit to geologists and geotechnical engineers Understanding the distribution of this special unit is very helpful for urban planners, investors, managers and geologists Besides knowledge- Trang 52 TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 10, SOÁ 02 - 2007 driven methods, data-driven methods, especially Kriging, are commonly used nowadays to determine the distribution of geological objects However, Kriging is rarely used in the field of geotechnical engineering in Vietnam This paper presents the map of thickness of soft soil layer which is interpolated by using Kriging for data of the urban area of Hochiminh city In addition, this result is compared with one from existing maps and from direct measurements to evaluate the ability of applying Kriging in the field of geotechnical engineering Keywords: Ordinary Kriging, Indicator Kriging, spatial interpolation TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] American Society for Testing and Materials, Annual Book of ASTM Standards – D 5549 – 94∈1: Standard Guide for the Contents of Geostatistical Site Investigation Report [2] Bộ môn Địa kỹ thuật, Khoa Địa chất – Dầu khí, Đại học Bách khoa TPHCM, Tài liệu khảo sát địa chất cơng trình (từ năm 1996 ~ 2004) [3] Bonham-Carter G.F., Geographic Information System for Geoscientists – Modelling with GIS, Pergamon (1994) [4] Clark I., Harper W.V., Practical Geostatistics 2000, Ecosse North America LLC (2000) [5] Davis J.C., Statistics and Data Analysis in Geology, 3rd edition, John Wiley & Sons, (2002) [6] Houlding S.W., Practical Geostatistics, Modeling and Spatial Analysis, SpringerVerlag Berlin Heidelberg (2000) [7] Liên đoàn ĐCTV–ĐCCT miền Nam Bản đồ địa chất cơng trình thành phố Hồ Chí Minh, tỉ lệ 1/50 000 (1988) [8] Ủy ban khoa học kỹ thuật TPHCM, Tạp chí khoa học phát triển, Chuyên đề 2: Đất, nước khoáng sản (1983) [9] Webster R., Oliver M., Geostatistics for Environmental Scientists, John Wiley & Sons, Ltd (2001) Trang 53 ... liệu nội suy vị trí chưa có số liệu khảo sát thực tế Để sử dụng phương pháp nội suy Kriging, liệu khảo sát cần phải có tọa độ địa lý tương ứng Cơng tác nghiên cứu phân bố tầng đất yếu khu vực nội. .. khu vực, vậy, kết nội suy hạn chế khu vực có (hoặc chưa có) hố khoan khảo sát, đặc biệt khu vực ngoại thành 2) Kết dự đốn khu vực khơng có bùn cho thấy khu vực trùng khớp với khu vực bị bóc mòn... xác khu vực phân bố lớp bùn này, cần phải bố trí thêm nhiều hố khoan khảo sát cho khu vực xung quanh cơng trình #5 Bảng 7: So sánh kết khảo sát trực tiếp với kết nội suy Nhà số 490B Nguyễn Thị Minh