Chƣơng 2 : PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.2. Nội dung và phƣơng pháp thực hiện
2.2.1. Ứng dụng GIS phân vùng dự báo tai biến trượt lở đất khu vực nghiên cứu
nghiên cứu
Cơ sở khoa học của phương pháp phân vùng nguy cơ tai biến trượt lở đất là mức độ nguy cơ tai biến trượt đất được thể hiện bởi hệ số an toàn, hay hệ số ổn định sườn dốc. Đây là tỷ số giữa các lực giữ và lực kéo khối đất trượt xuống. Hiện nay có hàng loạt các phương pháp phân tích độ ổn định của sườn dốc dựa trên cơ sở khái niệm "mơ hình sườn dốc vơ tận". Trong nhiều nghiên cứu trước đây, hệ số định sườn dốc được sử dụng tương đối rộng rãi trong GIS để phân vùng nguy cơ tai biến trượt lở đất. Trong nghiên cứu này, học viên cũng sử dụng phương pháp phân vùng nguy cơ tai biến trượt lở đất trên cơ sở độ ổn định sườn dốc. Mơ hình được mơ tả như sau: “ tanθ tanφ γ γ m - 1 + cos sin Dγ C + C = Fs e w e r s (1) Trong đó:
Fs là hệ số an toàn hay chỉ số thể hiện mức độ ổn định của sườn dốc
Cs và Cr là hệ số kết dính của đất và hệ số kết dính của rễ cây (kNm-2). Các giá trị này thay đổi tùy thuộc và loại đất và loại thảm thực vật tương ứng.
γw khối lượng riêng của nước γw =9.81 kNm-3.
D là độ dày của lớp đất đá (m).
φ góc ma sát trong của đất đá (độ)
θ là độ dốc của sườn (độ),
γe khối lượng hữu hiệu của đất đá và tải trọng (kNm-3), và được tính như sau: d sat e +m γ +(1-m) γ D cosθ q = γ (2) Trong đó:
γd khối lượng khơ của đất (kNm-3);
γs khối lượng của đất khi bão hòa nước (kNm-3); q là tải trọng (kNm-2) phía trên bề mặt đất.
+ Thơng số m trong phương trình là chỉ số bão hịa của đất, nó thể hiện độ ẩm tương đối của đất hoặc diễn tả một cách khác là vị trí liên quan của gương nước ngầm h/D trong tầng đất. Trong đó h là chiều dày của phần đất bị bão hòa. Chỉ số ẩm phụ thuộc vào các điều kiện thủy văn, đất đá và các đặc tính của địa hình”12
. Hình dưới đây sẽ mô phỏng giả định về sườn dốc và các thơng số được mơ tả trong các phương trình trên.
Hình 2. 1: Mơ phỏng sườn dốc và các biến có liên quan
Trong phương trình 1, hầu hết các thơng số tham gia vào tính tốn hệ số an toàn như là Cs, Cr, D, φ, θ, γw,γe đều là các biến số mang tính chất khơng gian. Trong khi đó chỉ bão hịa “m” thì phức tạp hơn. “Chỉ số bão hòa được suy diễn từ các thơng tin về địa hình trong mơ hình TOPMODEL như sau:
tanθ
a ln =
m (3)
Trong đó: a là diện tích lưu vực đơn vị hoặc diện tích tích tụ của nước trên chiều dài đơn vị của đường đẳng trị độ cao”13. Hình 2.2 mơ tả định nghĩa về diện tích lưu vực đơn vị.
12 Nguyễn Thành Long, Báo cáo luận án tiến sĩ “Thành lập bản đồ nguy cơ trượt lở đất khu vực
miền núi huyện A Lưới, Thừa Thiên Huế, Việt Nam”, Lưu trữ Đại học Tự do Brussel, Vương Quốc Bỉ, 2008.
13Nguyễn Thành Long, Báo cáo luận án tiến sĩ “Thành lập bản đồ nguy cơ trượt lở đất khu vực miền
núi huyện A Lưới, Thừa Thiên Huế, Việt Nam”, Lưu trữ Đại học Tự do Brussel, Vương Quốc Bỉ, 2008.
Bề mặt đất Gương nước ngầm Bề mặt trượt q Đá mẹ h D γd γs θ
Hình 2. 2: Định nghĩa về diện tích lưu vực đơn vị
(Nguồn: Nguyễn Thành Long, Báo cáo luận án tiến sĩ “Thành lập bản đồ nguy cơ trượt lở đất khu vực miền núi huyện A Lưới, Thừa Thiên Huế, Việt Nam”, Lưu trữ Đại học Tự do Brussel, Vương Quốc Bỉ, 2008).
Sự khơng thuận lợi trong phương trình (3) là nó chỉ tập trung vào các đặc trưng địa hình của khu vực nghiên cứu, nhưng nó lại khơng xem xét đến ảnh hưởng của các điều kiện thủy văn, đặc tính của đất đá mà là những yếu tố ảnh hưởng chủ yếu tới chỉ số bão hòa của đất đá. Nhiều nhà nghiên cứu khác đã sử dụng hàm sin để thay thế cho hàm tang của độ dốc, nhưng thực tế nó cũng không xem xét đến các điều kiện thủy văn, đặc tính của đất đá. Do vậy phương trình này khơng được sử dụng rộng rãi. Tuy nhiên một tiến trình thực tiễn hơn đã được sử dụng để dự báo gương nước ngầm dưới dạng một hàm của dòng chảy nước ngầm và cường độ lượng mưa. Mơ hình này dựa trên giả thiết là “dòng chảy trong đất được đưa ra bởi định luật Darcy là song song với bề mặt đất và bằng tốc độ thấm của lượng mưa trên khu vực thượng nguồn, do vậy:
Khbsinθ = RA (4)
Trong đó: K là hệ số dẫn nước của đất đá (m2/d), b là mặt cắt của đoạn dòng chảy nước ngầm quan tâm (m), sinθ là gradient thuy lực, R là tốc độ thấm hoặc cường độ lượng mưa hữu hiệu (m/d) và A là diện tích lưu vực thượng nguồn (m2
). Trên cơ sở đó, hệ số bão hịa của đất có thể tính như sau:
sinθ D K a R = D h = m (5) Diện tích lưu vực A Diện tích lưu vực đơn vị
a=A/b
Chiều dài đơn vị của đường đẳng trị độ cao
Do vậy, chỉ sổ bão hịa có thể tính tốn dựa trên cơ sở đặc tính của địa hình, đặc điểm của đất đá và cường độ lượng mưa”14
.
Trong phương trình 4, giá trị R khơng phải là lượng mưa trung bình dài hạn mà là lượng mưa hữu hiệu đối với một khoảng thời gian cụ thể nào đó mà có các điều kiện ẩm ướt có thể gây ra trượt lở đất. Trong hầu hết các nghiên cứu trước đây, R trong phương trình 5 được lấy từ lượng mưa ngày cực đại được dự báo theo một chu kỳ lặp lại đủ dài (thường là 20 năm). Trong nghiên cứu này, học viên cũng áp dụng tương tự cho khu vực nghiên cứu. Thực tế mà nói, giá trị của m biến đổi từ 0 đến 1, phụ thuộc vào mức độ bão hòa của đất. Nếu giá trị m lớn hơn thì thường được gán bằng 1.
2.2.2. Quy trình cơng nghệ thành lập bản đồ phân vùng nguy cơ tai biến trượt lở đất
Sơ đồ qui trình chuẩn bị số liệu để thành lập bản đồ phân vùng nguy cơ tai biến trượt lở đất trên cơ sở phân tích độ ổn định của sườn dốc áp dụng cho khu vực nghiên cứu được thể hiện trong hình 2.3:
14Nguyễn Thành Long, Báo cáo luận án tiến sĩ “Thành lập bản đồ nguy cơ trượt lở đất khu vực miền
Hình 2. 3: Qui trình chuẩn bị số liệu để thành lập bản đồ phân vùng nguy cơ tai biến trượt lở đất Bản đồ địa hình Bản đồ độ dốc Bản đồ về các thơng số địa hình khác
Số liệu khí tượng thủy văn
Lượng mưa
hữu hiệu Bản đồ thảm phủ thực vật
Ảnh vệ tinh Khảo sát thực địa
Bản đồ độ dày tầng đất và VPH
Bản đồ đất và VPH Mơ hình số độ cao
Lấy mãu và phân tích mẫu
Bản đồ chỉ
số bão hịa Bản đồ hệ số kết dính của rễ cây Bản đồ hệ số kết dính của đất đá Bản đồ góc ma sát trong của đất đá hữu hiệu của đất đá Bản đồ khối lượng
Bản đồ độ ổn định của sƣờn dốc
Bản đồ phân vùng nguy cơ tai biến trƣợt lở đất
Phân chia độ ổn định của sườn dốc