Phân vùng nguy cơ lũ lụt tại lưu vực sông vu gia tỉnh quảng nam bằng ứng dụng công nghệ gis và thuật toán ahp

Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Các Khoa học Trái đất và Mơi trường, Tập 29, Số 3 (2013) 64‐72 Phân vùng nguy lũ lụt lưu vực sông Vu Gia, tỉnh Quảng Nam ứng dụng công nghệ GIS thuật tốn AHP Lê Hồng Tú1, Nguyễn Thị Hồng2, Nguyễn Duy Liêm1, Nguyễn Kim Lợi*,1 Trường Đại học Nơng Lâm thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, Việt Nam Nhận ngày 28 tháng năm 2013 Chỉnh sửa ngày 12 tháng năm 2013; chấp nhận đăng ngày 12 tháng năm 2013 Tóm tắt: Lũ lụt thảm họa thiên nhiên lớn Quảng Nam Hầu hết khu vực trũng thấp tỉnh vùng dễ bị ngập lũ Trong yêu cầu hạn chế thấp thiệt hại người cần có công cụ hỗ trợ định cách tồn diện cơng tác kiểm sốt cảnh báo lũ lụt Mục tiêu nghiên cứu (i) phát triển cấu trúc thứ bậc yếu tố ảnh hưởng đến lũ thơng qua thuật tốn Analytic Hierarchy Process (AHP) để cung cấp thơng tin cho phân tích nguy lũ, (ii) thành lập đồ phân vùng nguy lũ dựa công nghệ thông tin địa lý (Geographic Information System-GIS), (iii) tích hợp hai phương pháp ứng dụng cho lưu vực sông Vu Gia tỉnh Quảng Nam Sáu yếu tố xác định có ảnh hưởng đến vùng nguy lũ bao gồm: độ dốc, thổ nhưỡng, sử dụng đất, lượng mưa, mật độ sông lưu vực mật độ dân số Bản đồ phân vùng nguy lũ thành lập dựa ý kiến chuyên gia, liệu thu thập, bảng câu hỏi điều tra, khảo sát thực địa tài liệu từ sở ban ngành địa phương Kết nghiên cứu cho thấy vùng nguy lũ lưu vực sơng Vu Gia chịu tác động hai yếu tố lượng mưa độ dốc Vùng có nguy ngập lũ cao chiếm 23,4 % tổng diện tích lưu vực vùng có nguy ngập lũ trung bình thấp chiếm 28.4 % 48.2 % diện tích lưu vực Việc tích hợp thuật toán AHP GIS xây dựng đồ phân bố vùng nguy lũ cung cấp thơng tin hữu ích hỗ trợ cho cơng tác phịng chống lũ, phương pháp thể có nhiều ưu điểm so với cách truyền thống Từ khóa: GIS, Tiến trình phân tích thứ bậc-AHP, vùng nguy lũ Giới thiệu * Trung nói chung lưu vực sơng Vu Gia nói riêng diễn biến ngày phức tạp Tại lưu vực sông Vu Gia, lũ lụt thường xuyên xảy với xu hướng ngày trầm trọng gây tổn thất to lớn người, tài sản sở hạ tầng Lũ lụt thiên tai gây thiệt hại nặng nề Việt Nam nhiều khu vực khác giới Đặc biệt, năm gần tình hình mưa lũ miền Để ngăn ngừa giảm nhẹ thiệt hại lũ lụt gây ra, nhiều nghiên cứu cần phải làm tốt cơng tác phịng chống, ứng phó với lũ * Tác giả liên hệ ĐT: 84-989617328 Email: ngkloi@hcmuaf.edu.vn 64 L.H. Tú và nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Các Khoa học Trái đất và Mơi trường, Tập 29, Số 3 (2013) 64‐72 mà cơng việc quan trọng cần tiến hành đánh giá phân vùng nguy lũ lụt (Boroushaki and Malczewski, 2010) [1] Tuy nhiên, khó khăn lớn liên quan đến vấn đề tồn nhiều yếu tố ảnh hưởng đến lũ bao gồm tự nhiên (mưa, độ dốc, độ che phủ thảm thực vật, thổ nhưỡng ) lẫn kinh tế-xã hội Do đó, cần phải xem xét, phân tích số lượng lớn yếu tố khác ảnh hưởng đến phân vùng nguy lũ Phương pháp đánh giá đa tiêu chí (Multi-Criteria Evaluation - MCE) 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 ứng dụng nhiều nghiên cứu khác (Boroushaki and Malczewski, 2010) [1] Trong số phương pháp phân tích đa tiêu chí, tiến trình phân tích thứ bậc (Analytic Hierarchy Process - AHP) sử dụng phổ biến để giải vấn đề phức tạp cách xếp yếu tố vào khuôn khổ phân cấp (Saaty, 1980) [2] Xuất phát từ lập luận trên, nghiên cứu thực nhằm phân vùng nguy lũ lụt lưu vực sông Vu Gia, tỉnh Quảng Nam Với nguồn liệu thu thập hạn chế, phương pháp AHP lựa chọn nghiên cứu nhằm tranh thủ kiến thức chuyên môn nhiều chuyên gia đánh giá nguy lũ lụt Tổng quan khu vực nghiên cứu Lưu vực sông Vu Gia nằm miền Trung Việt Nam, bắt nguồn từ vùng núi phía Tây Nam tỉnh Quảng Nam phía Bắc tỉnh Kon Tum Diện tích lưu vực tính đến xã Đại Đồng, huyện Đại Lộc vào khoảng 4659,44 km2 Địa hình lưu vực có phân hóa: Vùng thượng nguồn có địa hình núi cao, dốc với thung lũng hẹp nhiều thác ghềnh, vùng trung lưu, địa hình thấp dần, lịng sơng mở rộng xuống tới hạ lưu Khí hậu lưu vực 65 mang tính chất nhiệt đới gió mùa Độ ẩm trung bình 84% Nhiệt độ trung bình 25,40C Mưa có phân hóa rõ rệt theo khu vực theo mùa Tổng lượng mưa hàng năm thay đổi từ 2.000 mm đồng đến 4.000 mm vùng núi (Nguyễn Đức Thành, 2011) [3] Theo tài liệu thống kê, quy mô dân số toàn lưu vực năm 2011 vào khoảng 233.414 người (chiếm 16% dân số toàn tỉnh Quảng Nam) Dân cư phân bố không đều, tập trung đông vùng đồng hạ lưu thuộc huyện Đại Lộc với mật độ trung bình 250 người/km2 Trong đó, huyện miền núi, mật độ dân số thấp, dao động khoảng 12 - 30 người/km2 Lưu vực sơng Vu Gia có kinh tế đa dạng bao gồm nông lâm nghiệp, thủy sản, công nghiệp, tiểu thủ công nghiệp thương mại dịch vụ Tuy nhiên, xuất phát điểm kinh tế thấp, kinh tế phát triển chủ yếu dựa vào nông nghiệp, công nghiệp chưa phát triển, mức sản xuất lưu thông hàng hố thấp, ngành thương mại, dịch vụ có chiều hướng phát triển song chậm (Nguyễn Đức Thành, 2011) [3] Phương pháp nghiên cứu Đánh giá nguy lũ lụt định nghĩa đánh giá xác suất xảy lũ lụt cường độ định khu vực xác định khoảng thời gian cụ thể (Zhang and Hayakawa, 1999) [4] Có nhiều yếu tố góp phần hình thành nguy lũ lụt bao gồm mặt tự nhiên kinh tế xã hội Tuy nhiên, câu hỏi thường đặt yếu tố ảnh hưởng lớn đến nguy lũ lụt cần xem xét khu vực nghiên cứu làm để định lượng yếu tố Một cách tiếp cận MCE ứng dụng rộng rãi phương pháp AHP phát triển Saaty (1980) Trong năm qua, AHP sử dụng nhiều nghiên cứu khác đánh giá nguy lũ lụt Willet and Sharda (1991) ứng dụng L.H. Tú và nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Các Khoa học Trái đất và Mơi trường, Tập 29, Số 3 (2013) 64‐72 66 AHP để lựa chọn dự án kiểm soát lũ lụt tối ưu cho sông Grand Tar Creek Miami, Mỹ Một nghiên cứu khác Sinha cộng (2008) ứng dụng AHP GIS để phân tích nguy lũ cho lưu vực sơng Kosi, Ấn Độ Thuật tốn AHP dựa yếu tố ảnh hưởng đến lũ lụt, tiến hành lựa chọn yếu tố ảnh hưởng lớn đến lũ Sau đó, cấu trúc thứ bậc xây dựng để xếp yếu tố chọn theo cấp bậc khác nhau, tạo tiền đề cho trình so sánh cặp yếu tố Một sơ đồ thứ bậc tương ứng thể Hình Trong hình phần Cấp thể mục tiêu đánh giá nguy lũ lụt Cấp thể tiêu chí đánh giá nguy lũ Cấp thể tiêu chí phụ, chi tiết hóa tiêu chí Cấp thể điểm (pixel) lũ Sau thiết lập thứ bậc cho tiêu chí, cho điểm so sánh theo cặp tiêu chí Cơng việc địi hỏi cần có tham vấn nhiều chuyên gia đến từ trường đại học, viện nghiên cứu, quan phủ quyền địa phương đại diện cho lĩnh vực khác kiểm soát lũ lụt, quy hoạch quản lý tài nguyên nước, kinh tế, xã hội học, môi trường, kỹ thuật Có thể tổ chức hội thảo tập trung tất chuyên gia tiến hành trao đổi riêng với chuyên gia Để trình trao đổi đạt hiệu cao, nên chuẩn bị bảng câu hỏi theo chủ đề: (1) Lựa chọn yếu tố ảnh hưởng lũ, (2) Đánh giá việc lựa chọn yếu tố, (3) So sánh mức độ quan trọng cặp yếu tố Điểm số so sánh cặp cuối cho tiêu chí tất chuyên gia thảo luận thống Trong tốn thực tế, khơng phải lúc xây dựng quan hệ bắc cầu so sánh cặp Ví dụ, phương án A tốt B, B tốt C lúc A tốt C Hiện tượng gọi không quán Sự không quán điều thực tế mức độ khơng qn khơng nên q nhiều thể đánh giá khơng xác AHP cung cấp cách đo lường toán học để xác định mức độ không quán nhận định thông qua tỉ số quán (CR) Nếu giá trị CR nhỏ 10%, nghĩa chấp nhận được, ngược lại giá trị lớn 10%, cần phải thẩm định lại bước trước Quá trình ước lượng tỉ số quán bao gồm bước sau (Samo Drobne and Anka Lisec, 2009) [5]: ff Hình 1.Vị trí lưu vực sơng Vu Gia L.H. Tú và nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Các Khoa học Trái đất và Mơi trường, Tập 29, Số 3 (2013) 64‐72 67         Hình Cấu trúc thứ bậc AHP đánh giá nguy lũ (chỉnh sửa từ Nguyen Mai Dang et al., 2011) [6] † Xác định vector quán cách chia vector tổng trọng số cho trọng số tiêu chí xác định trước đó, Trong ma trận nghịch đảo, giá trị riêng lớn (ymax) luôn lớn số hàng hay cột (n) Nhận định qn, giá trị tính tốn ymax gần n Nếu ma trận so sánh cặp khơng có khơng qn nào, ymax = n † Tính giá trị riêng lớn (ymax) cách lấy giá trị trung bình vector quán, Cuối cùng, tỉ số qn (CR) tính theo cơng thức: † Xác định vector tổng trọng số cách nhân ma trận so sánh cặp ban đầu với ma trận trọng số tiêu chí, † Tính số quán (CI), số đo lường mức độ chệch hướng quán, xác định theo công thức: CI  ymax  n n 1 Trong đó, ymax giá trị trung bình vector quán, n số tiêu chí CR  CI RI Trong đó, RI số ngẫu nhiên, hay giá trị trung bình CI nhận định so sánh ngẫu nhiên, phụ thuộc vào số tiêu chí so sánh Bảng thể giá trị RI theo số lượng tiêu chí khác Bảng Bảng số ngẫu nhiên (RI) [7] n RI n RI 1,45 10 1,49 0,52 11 1,52 0,89 12 1,54 1,11 13 1,56 1,25 14 1,58 1,35 15 1,59 1,40 L.H. Tú và nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Các Khoa học Trái đất và Mơi trường, Tập 29, Số 3 (2013) 64‐72 68 F pháp ứng dụng AHP đánh giá nguy lũ lụt lưu vực sơng Vu Gia Hình Những yếu tố ảnh hưởng đến lũ xem xét bao gồm Độ dốc, Thổ nhưỡng, Lượng mưa, Thực phủ, Mật độ lưới sông, Xã hội Do giá trị điểm số ma trận so sánh cặp định tính nên cần phải chuyển đổi chúng thành giá trị định lượng kiểm tra tính quán ma trận Q trình thực thơng qua AHP Nếu tỉ số quán (CR) ≤ 10%, kết tính tốn trọng số yếu tố công nhận Ngược lại, cần thực lại bước phân tích ý kiến chuyên gia Kết thảo luận Các yếu tố ảnh hưởng đến lũ lưu vực sơng Vu Gia bao gồm địa hình, địa mạo (độ dốc, hướng sườn, độ phân cắt, ), khí hậu (bão, cường độ mưa, thời gian mưa), thổ nhưỡng (loại đất, chiều dày lớp thổ nhưỡng), đặc điểm thủy văn sơn văn (hình thái lưu vực, đặc trưng hướng dòng chảy, ), thảm thực vật (các kiểu thảm, độ che phủ, ), loại hình sử dụng đất hoạt động nhân sinh Trong phạm vi đề tài, nghiên cứu đề xuất phương 4.1 Xác định trọng số yếu tố ảnh hưởng đến phân vùng nguy lũ lụt Trên cở sở kế thừa nghiên cứu trước tham khảo ý kiến chuyên gia, yếu tố lựa chọn tiến hành xác định vùng nguy lũ lụt Kết cho điểm ma trận so sánh cặp yếu tố ảnh hưởng đến vùng nguy lũ lụt thể Bảng J Hình Phương pháp ứng dụng AHP đánh giá nguy lũ lụt lưu vực sơng Vu Gia h g L.H. Tú và nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Các Khoa học Trái đất và Mơi trường, Tập 29, Số 3 (2013) 64‐72 69 Bảng Ma trận so sánh cặp yếu tố ảnh hưởng đến vùng nguy lũ lụt Độ dốc Thổ nhưỡng Lượng mưa Thực phủ Mật độ lưới sông Xã hội Độ dốc 1/5 1/5 1/5 1/7 Thổ nhưỡng 5 1 1/3 Lượng mưa 1/5 1/5 1/3 1/3 Thực phủ 5 1 1/3 Mật độ lưới sông 1 1/3 Xã hội 3 Kết tính tốn cho thấy CR = 0.08< 0.1 Như vậy, ma trận so sánh quán Trọng số yếu tố ảnh hưởng đến phân vùng nguy lũ lụt nghiên cứu thể Bảng Cơ sở phân vùng nguy lũ lụt tổng quát thành phương trình: Y  0,37  X  0,09  X  0,32  X  0,09  X  0,09  X  0,05  X Trong đó: Y điểm số nguy cơ, Xi điểm phân cấp yếu tố Thang phân cấp điểm số nguy chia thành cấp: † Cấp 1: từ đến † Cấp 2: từ đến 4.2 Bản đồ phân vùng nguy lũ lưu vực sông Vu Gia Sau xây dựng đồ yếu tố ảnh hưởng: độ dốc, lượng mưa, thực phủ, thổ nhưỡng, mật độ lưới sông, xã hội, tiến hành chồng lớp liệu theo phương trình tính tốn hệ số phân vùng nguy lũ cho đồ phân vùng nguy lũ Hình Bản đồ vừa thể vị trí vùng nguy cơ, vừa mức độ nguy lũ cho vị trí khu vực nghiên cứu Kết tính tốn cho thấy giá trị số phân vùng nguy lũ phân bố khoảng từ 3,37 đến 8,37, để phân làm cấp sau: † Cấp 1: Vùng có nguy lụt thấp có giá trị phân bố khoảng từ 3,37 đến 5, chủ yếu tập trung vùng núi cao phía Tây Bắc Cấp chiếm diện tích 224.364,64 (48,20 %) tổng diện tích lưu vực † Cấp 2: Vùng có nguy lũ trung bình có giá trị phân bố khoảng từ đến 7, phân bố rải rác toàn lưu vực Cấp chiếm diện tích khoảng 28,40 % tổng diện tích lưu vực † Cấp 3: từ đến † Cấp 4: từ đến † Cấp 5:từ đến Bảng Trọng số yếu tố ảnh hưởng đến lũ lụt Yếu tố Trọng số Độ dốc 0,37 Thổ nhưỡng 0,09 Lượng mưa 0,32 Thực phủ 0,09 Mât độ lưới sông 0,09 Xã hội 0,05 † Cấp 3: Vùng có nguy lũ lụt cao có giá trị phân bố khoảng từ đến 8,37, chủ yếu tập trung vùng có độ dốc lớn phía Đơng Đơng Bắc rải rác số khu vực phía Tây Nam Cấp có diện tích khoảng 109.169,09 chiếm 23,40 % tổng diện tích lưu vực Bảng Diện tích phân vùng nguy lũ lưu vực sông Vu Gia Phân cấp Diện tích (Ha) Tỷ lệ (%) Thấp 224.364,64 48,20 Trung bình 132.421,27 28,40 Cao 109.169,09 23,40 g 70 L.H. Tú và nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Các Khoa học Trái đất và Mơi trường, Tập 29, Số 3 (2013) 64‐72 g- Hình Bản đồ số phân vùng nguy lũ lưu vực sơng Vu Gia Hình Bản đồ phân cấp vùng nguy lũ lưu vực sông Vu Gia g L.H. Tú và nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Các Khoa học Trái đất và Mơi trường, Tập 29, Số 3 (2013) 64‐72 71 h Dựa vào đồ phân cấp vùng có nguy lũ, thấy vùng có nguy xảy lũ lụt cao chiếm 23,40% diện tích tồn lưu vực Trên sở đồ phân vùng nguy lũ lụt, tiến hành chồng lớp với đồ ranh giới hành chính, xác định vùng có nguy cao tập trung chủ yếu hạ lưu xã Đại Hồng, Đại Lãnh, Đại Đồng, Đại Sơn… thuộc huyện Đại Lộc quản lý lũ lụt lưu vực sông Vu Gia, nhằm giảm tối đa thiệt hại người cho người dân hạn chế tàn phá môi trường sinh thái Đây xem tiền đề quan trọng cho việc xây dựng cảnh báo lũ lụt lưu vực Tài liệu tham khảo Kết luận kiến nghị [1] Trên sở ứng dụng GIS thuật toán AHP, nghiên cứu xây dựng đồ phân vùng nguy lũ lụt lưu vực sông Vu Gia Kết cho thấy khu vực có nguy cao xảy lũ lụt tập huyện Đại Lộc chiếm 5.678 (40%) diện tích lưu vực Như với tham gia nhiều yếu tố khác ảnh hưởng đến lũ lụt lưu vực sơng Vu Gia bao gồm lượng mưa, địa hình, thực phủ, thủy văn, thổ nhưỡng, sử dụng đất, dân cư, AHP trở thành phương pháp hữu ích cho phép đánh giá mức độ quan trọng yếu tố ảnh hưởng đến xác định vùng có nguy lũ lụt Điều chứng minh khả ứng dụng thuật toán AHP toán phân vùng nguy lũ lụt lưu vực sông Vu Gia rộng lưu vực sông khác Bản đồ phân vùng nguy lũ, nguồn tài liệu tham khảo hữu ích cho cơng tác [2] [3] [4] [5] [6] Boroushaki S and Malczewski J, Using the fuzzy majority approach for GIS-based multicriteria group decision-making J Comput Geosci 36(3),(2010)302 Saaty TL, The analytic hierarchy process McGraw- Hill, New York, (1980) Nguyễn Đức Thành, Nghiên cứu xác định nguyên nhân ngây lũ lụt đồng hạ lưu sông Thu Bồn thuộc tỉnh Quảng Nam, Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc Gia Hà Nội, 2011 Zhang, J.Q and Hayakawa, S.J., Risk assessment and classification of drought injury to maize in Songliao Plain, China J Agric Meteorol 55(1),(1999)1 Samo Drobne and Anka Lisec, Multi-attribute Decision Analysis in GIS: Weighted Linear Combination and Ordered Weighted Averaging Informatica 33,(2009)459 Nguyen Mai Dang, Mukand S Babel and Huynh T Luong, Evaluation of food risk parameters in the Day River Flood Diversion Area, Red River Delta, Vietnam Nat Hazards 56,(2011)169 Integrating Analytic Hierarchy Process and GIS for Flood Risk Zoning in Vu Gia Watershed, Quảng Nam Province Lê Hoàng Tú1, Nguyễn Thị Hồng2, Nguyễn Duy Liêm1, Nguyễn Kim Lợi1 Nơng Lâm university, Hồ Chí Minh city, Vietnam VNU University of Sciences, Vietnam Abstract: Flooding is one of the major natural hazards in Quảng Nam province, and most of the low-lying areas in Quảng Nam province are flood-prone areas In order to minimize loss of life and 72 L.H. Tú và nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Các Khoa học Trái đất và Mơi trường, Tập 29, Số 3 (2013) 64‐72 economic losses, a detailed and comprehensive decision-making tool is necessary for both flood control planning and emergency service operations The objectives of this research were (i) to develop a hierarchical structure through the analytic hierarchy process (AHP) to provide preferred options for flood risk analysis, (ii) to map the relative flood risk using the geographic information system (GIS), and (iii) to integrate these two methodologies and apply them to Vu Gia watershed in western Quang Nam Six factors were considered, including slope, soil, rainfall, land cover, drainage density and population density Following well-defined procedures, flood maps were drawn based on the data collected from expert responses to a questionnaire, the field survey, and documents from flood management agencies The results showed that flood risk areas in Vu Gia watershed have been most affected by slope and rainfall The high flood risk zone covers 23.4 percent of the study area, whiles the medium and low risk zones covers 28.4 percent and 48.2percent, respectively It is concluded that integration of AHP and GIS in flood risk assessment can provide useful detailed information for flood risk management, and the method can be easily applied to most areas in Quang Nam where required data sets are readily available Keywords: GIS, Analytic Hierarchy Process, Flood Risk Zoning  ... báo lũ lụt lưu vực Tài liệu tham khảo Kết luận kiến nghị [1] Trên sở ứng dụng GIS thuật toán AHP, nghiên cứu xây dựng đồ phân vùng nguy lũ lụt lưu vực sông Vu Gia Kết cho thấy khu vực có nguy. .. g- Hình Bản đồ số phân vùng nguy lũ lưu vực sông Vu Gia Hình Bản đồ phân cấp vùng nguy lũ lưu vực sơng Vu Gia g L.H. Tú? ?và? ?nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Các Khoa học Trái đất? ?và? ?Mơi trường, Tập 29, Số 3 (2013) 64‐72... ưu cho sông Grand Tar Creek Miami, Mỹ Một nghiên cứu khác Sinha cộng (2008) ứng dụng AHP GIS để phân tích nguy lũ cho lưu vực sông Kosi, Ấn Độ Thuật toán AHP dựa yếu tố ảnh hưởng đến lũ lụt, tiến