cho thành phố Hồ Chí Minh
Mô hình nguồn tuyến được áp dụng để xây dựng công cụ phần mềm đánh giá độ rủi ro động đất và ước lượng thiệt hại ở phạm vi đô thị. Công cụ này có tên gọi là ArcRisk, được viết bằng ngôn ngữ Avenue trên cơ sở tuỳ biến giao diện của ArcView. Ngoài chức năng là một công cụ mạnh trong việc đánh giá độ nguy hiểm động đất bằng công nghệ GIS,
ArcRisk còn được thiết kế để có thể sử dụng như một Hệ thống hỗ trợ ra quyết định trong công tác phòng ngừa, ứng cứu và giảm nhẹ thiệt hại do động đất gây ra đối với cộng đồng đô thị tại thành phố Hồ Chí Minh.
3.1. Về Hệ thống hỗ trợ ra quyết định
Một trong những công cụ mạnh được xây dựng trên cơ sở công nghệ tin học và GIS và đang được sử dụng khá rộng rãi trên thế giới hiện
Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học và công nghệ cấp thành phố 2010-2012, Sở Khoa học và Công nghệ thành phố Hồ Chí Minh
nay được biết đến dưới tên gọi “Hệ thống hỗ trợ ra quyết định”. Ra đời từ những năm 1970-1980, Hệ thống hỗ trợ ra quyết định (Decision Support System) được định nghĩa như là một hệ thống phần mềm tương tác được xây dựng trong máy tính, nhằm giúp cho các nhà ra quyết định sử dụng dữ liệu và các mô hình để giải quyết những bài toán phi cấu trúc và ra các quyết định [50].
Quá trình ra quyết định được hiểu là quá trình lựa chọn trong số các phương án một hành động để khi thực hiện nó ta đạt được một hay một vài mục tiêu đã được xác định trước. Các Hệ thống hỗ trợ ra quyết định được đặc trưng bởi bốn tính chất cơ bản sau đây:
Chúng bao gồm cả cơ sở dữ liệu lẫn các mô hình;
Chúng được xây dựng để giúp các nhà quản lý ra quyết định đúng đắn trong khi thực hiện quy trình giải quyết các bài toán nửa cấu trúc hay phi cấu trúc;
Chức năng của chúng là hỗ trợ, chứ không phải là thay đổi các quyết định quản lý;
Mục đích của chúng là nâng cao hiệu quả của các quyết định quản lý chứ không phải tăng năng suất các kết quả mà quá trình ra quyết định đang hướng tới.
Như vậy, hai yếu tố quan trọng nhất của một Hệ thống hỗ trợ ra quyết định là cơ sở dữ liệu và các mô hình. Cơ sở dữ liệu là thành phần không thể thiếu được của Hệ thống hỗ trợ ra quyết định, là nguồn cung cấp số liệu đầu vào cho các phép tính toán và xử lý để có được các kết quả mang tính định lượng hỗ trợ cho việc ra quyết định. Phần lớn các Hệ thống hỗ trợ ra quyết định phức tạp sử dụng các mô hình (chuẩn hoá hay tuỳ biến) trên cơ sở các tri thức chuyên môn. Các mô hình này được xây dựng để giải quyết những nhiệm vụ kỹ thuật cụ thể của từng giai đoạn trong toàn bộ quy trình dẫn tới việc ra quyết định. Nhiều nhà chuyên môn cũng đưa ra yếu tố quan trọng thứ ba của Hệ thống hỗ trợ ra quyết định, đó là một giao diện sử dụng (user interface) nối kết cơ sở dữ liệu với các mô hình.
3.2. Hệ thống hỗ trợ ra quyết định trong đánh giá rủi ro động đất đô thị
Quy trình đánh giá độ rủi ro động đất đô thị được thực hiện trong chương trình ArcRisk bao gồm các bước minh hoạ trên hình 5.3. Quy trình được thực hiện qua nhiều giai đoạn, trong đó các giai đoạn lại có mối liên hệ “nhân quả” với nhau, hay nói cách khác, kết quả thực hiện mỗi giai đoạn được sử dụng làm số liệu đầu vào cho giai đoạn tiếp theo. Quy trình được bắt đầu bằng việc xác định khu vực nghiên cứu. Tiếp đó
Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học và công nghệ cấp thành phố 2010-2012, Sở Khoa học và Công nghệ thành phố Hồ Chí Minh
là việc xác định trận động đất “kịch bản”, được dự báo sẽ xảy ra tại khu vực nghiên cứu, với các thông số ban đầu được cho trước và có thể được thay đổi bởi người sử dụng. Trên cơ sở các số liệu hiện có và sự hiểu biết về tính địa chấn, địa chấn kiến tạo, địa chất công trình và điều kiện nền, khả năng rung động nền được đánh giá cho khu vực nghiên cứu. Các kết quả này, được sử dụng làm dữ liệu đầu vào để đánh giá khả năng phá huỷ nền. Cuối cùng, các thông tin về độ nhạy cảm của các yếu tố chịu rủi ro như mật độ dân số, phân bố nhà cửa, cơ sở hạ tầng, các hệ thống kỹ thuật, v.v... được đưa vào kết hợp với các kết quả đánh giá khả năng phá huỷ nền để tính toán và ước lượng tổn thất.
3.3. ArcRisk - Hệ thống hỗ trợ ra quyết định đánh giá rủi ro động đất cho thành phố Hồ Chí Minh
ArcRisk là một phần mềm GIS bao gồm các mô đul xử lý hoạt động độc lập, trong đó mỗi mô đul mô phỏng một bước thực hiện trong quy trình đánh giá độ rủi ro động đất. Các mô đul được thực hiện bởi tập hợp các mô hình xử lý chuyên biệt và được mô tả chi tiết dưới đây.
3.3.1. Mô đul 1: Xác định vùng nghiên cứu
Việc đầu tiên cần phải làm trước khi đánh giá độ rủi ro động đất cho một khu vực là xác định ranh giới địa lý của khu vực đó. Trong nhiều trường hợp, ranh giới này trùng với các ranh giới hành chính. Trong thực tế, vùng nghiên cứu có thể là một tập hợp bất kỳ các tỉnh, huyện, xã, thành phố hay quận, phường, … trong đó mỗi đơn vị hành chính được cấu thành bởi một hay nhiều đơn vị hành chính cấp thấp hơn. Như vậy, quá trình chọn vùng nghiên cứu quy về việc chọn một vùng có chứa nhiều đơn vị hành chính khác nhau và có cấp hành chính thấp hơn nó.
Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học và công nghệ cấp thành phố 2010-2012, Sở Khoa học và Công nghệ thành phố Hồ Chí Minh
Hình 5.3. Quy trình đánh giá độ rủi ro động đất đô thị bằng Hệ thống hỗ trợ ra quyết định.
Mô hình xác định vùng nghiên cứu được xây dựng để giải bài toán không gian cho phép tách một tập hợp bất kỳ các vùng có đơn vị hành chính nhỏ nhất từ một đa giác có đơn vị hành chính lớn nhất và hiển thị tập hợp này trên màn hình dưới dạng một bản đồ nền. Thao tác này được tự động hoá hoàn toàn nhờ một giao diện đồ họa, được thiết kế dưới dạng các cửa sổ chọn. Hình 5.4 minh hoạ cửa sổ cho phép chọn đồng thời các quận 4, 7 và huyện Nhà Bè từ bản đồ thành phố Hồ Chí Minh.
3.3.2. Mô đul 2: Xác định động đất kịch bản
Mô đul này cho phép người sử dụng mô tả các tham số của một trận động đất được dự báo sẽ xảy ra tại khu vực nghiên cứu. Các tham số chính của động đất kịch bản được xác định trước bao gồm: magnitude M, tọa độ chấn tâm (kinh/vĩ độ), độ sâu chấn tiêu h. Ngoài ra, cơ sở dữ liệu GIS của hệ thống, với hai danh mục được lưu trữ bao gồm danh mục các động đất lịch sử và danh mục các đứt gãy sinh chấn có thể cung cấp các thông số liên quan đến nguồn chấn động như thời gian xảy ra động đất, cường độ chấn động trên mặt đất, loại đứt gãy, độ sâu, độ dài, góc cắm, toạ độ các
1. Xác định vùng nghiên cứu 2. Xác định động đất kịch bản 3. Đánh giá Khả năng rung động nền 4. Đánh giá Khả năng phá huỷ nền
Số liệu điều tra dân số, nhà cửa và các yếu tố chịu rủi ro khác
5. Ước lượng Tổn thất Ra quyết định: Phòng tránh, ngăn ngừa, giảm thiểu thiệt hại; Ứng cứu khẩn cấp; Khôi phục, tái thiết
Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học và công nghệ cấp thành phố 2010-2012, Sở Khoa học và Công nghệ thành phố Hồ Chí Minh
điểm đầu và cuối của đứt gãy, v.v… Tất cả các thông tin này đều có thể được sử dụng để xác định động đất kịch bản.
Hình 5.4. Giao diện đồ họa thực hiện mô đul xác định vùng nghiên cứu
Nguồn gốc phát sinh động đất kịch bản được xác định bằng cách chọn một trong ba giả thiết sau:
Động đất kịch bản có chấn tâm trùng với chấn tâm của một trận động đất lịch sử (nguồn điểm);
Động đất kịch bản được phát sinh trên một đứt gãy sinh chấn nằm gần hoặc chạy qua vùng nghiên cứu (nguồn tuyến);
Động đất kịch bản có chấn tâm tại một điểm bất kỳ, có toạ độ được xác định bởi người sử dụng (nguồn điểm tuỳ ý);
Khả năng tương tác giữa người và máy được hỗ trợ tối đa bởi các cửa sổ giao diện giành cho người sử dụng. Trên hình 5.5 minh hoạ cửa sổ cho phép người sử dụng lựa chọn một trong ba phương án giả thiết về nguồn gốc phát sinh động đất kịch bản (động đất lịch sử, nguồn tuyến và nguồn điểm tuỳ ý). Sau khi đã lựa chọn một trong các phương án nêu trên, các cửa sổ minh hoạ trên các hình 5.6, 5.7 và 5.8 sẽ cho phép người sử
Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học và công nghệ cấp thành phố 2010-2012, Sở Khoa học và Công nghệ thành phố Hồ Chí Minh
dụng xác lập các thông số của động đất kịch bản tương ứng với phương án đã chọn.
ArcRisk cũng được thiết kế để cho phép người sử dụng nhập khẩu luôn bản đồ rung động nền đã tính sẵn vào hệ thống bằng cách lựa chọn nút “Bản đồ động đất do các chuyên gia cung cấp (Hình 5.5). Với lựa chọn này, người sử dụng sẽ bỏ qua các Môđul tính toán số 2 và 3 để đi thẳng tới môđul tính toán số 4 (“Đánh giá khả năng phá hủy nền”).
Hình 5.5. Cửa sổ chọn nguồn gốc động đất kịch bản và phương trình tắt dần chấn động.
Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học và công nghệ cấp thành phố 2010-2012, Sở Khoa học và Công nghệ thành phố Hồ Chí Minh
Hình 5.6. Cửa sổ cho phép chỉnh sửa các tham số của động đất lịch sử đã chọn.
Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học và công nghệ cấp thành phố 2010-2012, Sở Khoa học và Công nghệ thành phố Hồ Chí Minh
Hình 5.8. Cửa sổ cho phép chỉnh sửa các tham số của nguồn điểm tuỳ ý.
3.3.3. Mô đul 3: Đánh giá khả năng rung động nền
Mô đul này thực hiện việc tính toán và vẽ bản đồ độ nguy hiểm động đất cho khu vực nghiên cứu (đã xác định trong mô đul 1) với nguồn chấn động là động đất kịch bản (đã xác định trong mô đul 2). Thông số ngầm định được chọn là gia tốc cực đại nền (PGA), một thông số được thế giới quy ước chọn làm thông số đầu vào cho các tính toán ước lượng thiệt hại. Các mô hình xử lý được sử dụng trong mô đul này bao gồm việc xác định khoảng cách giữa nguồn chấn động và điểm tính, xác định phương trình tắt dần chấn động và tính toán giá trị gia tốc cực đại nền, và cuối cùng là các mô hình nội suy và vẽ bản đồ đường đồng mức.
Hệ thống hỗ trợ ra quyết định cho phép người sử dụng lựa chọn một trong số 10 phương trình tắt dần chấn động thành lập cho các vùng khác nhau trên thế giới và ứng với các điều kiện địa chấn, địa chất công trình rất khác nhau (Bảng 5.3).
3.3.4. Mô đul 4: Đánh giá khả năng phá huỷ nền
Các bản đồ độ nguy hiểm động đất biểu diễn sự phân bố của các tham số dao động nền theo không gian (PGA và các tham số tương ứng khác). Trên thực tế, các tham số này có thể bị thay đổi do ảnh hưởng của
Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học và công nghệ cấp thành phố 2010-2012, Sở Khoa học và Công nghệ thành phố Hồ Chí Minh
điều kiện nền đất tại một điểm cụ thể thuộc vùng nghiên cứu. Sự thay đổi này phụ thuộc chủ yếu vào cấu trúc địa chất của nền tại điểm đang xét, độ sâu mực nước ngầm và một vài yếu tố khác. Hiện tượng này được gọi là
hiệu ứng địa phương của nền đất, và sự thay đổi giá trị của các tham số dao động nền trong trường hợp này được gọi là sự khuếch đại rung động nền.
Một trong những chức năng quan trọng của mô đul 4 là thực hiện các phép hiệu chỉnh để các giá trị rung động nền phản ánh chân thực các hiệu ứng nền địa phương. Phép hiệu chỉnh được thực hiện trên cơ sở sử dụng tiêu chuẩn phân loại nền đất của Mỹ, với các hệ số khuếch đại được xác định theo giá trị vận tốc truyền sóng ngang trong các lớp đất đá cấu tạo nền địa phương, phân bố từ bề mặt tới độ sâu 30 m. Tiếp đó, các thuật toán đánh giá khả năng hoá lỏng nền và trượt lở nền trong động đất được áp dụng để thành lập các mô hình xử lý. Kết quả cuối cùng được định lượng hoá và quy về đại lượng dịch chuyển nền, từ đó sẽ được sử dụng cho các tính toán thiệt hại ở bước tiếp theo.
Mô đul 4 của Hệ thống hỗ trợ ra quyết định cho phép tự động tính toán và thành lập các bản đồ sau đây cho vùng nghiên cứu:
Bản đồ xác suất hoá lỏng nền
Bản đồ dịch chuyển ngang do hoá lỏng nền Bản đồ lún do hoá lỏng nền
Bản đồ dịch chuyển ngang do trượt lở nền
3.3.5. Mô đul 5: Ước lượng tổn thất
Các kết quả tính toán rung động và phá huỷ nền được chồng ghép với các thông tin chứa các yếu tố chịu rủi ro để ước lượng tổn thất. Trong trường hợp thành phố Hồ Chí Minh, hai yếu tố chịu rủi ro được xét đến là nhà cửa và người. Để đánh giá thiệt hại về nhà cửa, Hệ thống hỗ trợ ra quyết định sử dụng mô hình phân loại nhà theo tiêu chuẩn của Mỹ, bao gồm 36 loại nhà được phân loại theo kết cấu, độ cao và mục đích sử dụng
[32]. Đối với mỗi loại nhà, các đường cong chịu phá huỷ được xây dựng để ước lượng một trong năm trạng thái phá huỷ sau đây: không bị phá huỷ, phá huỷ nhẹ, phá huỷ trung bình, phá huỷ nặng và phá huỷ hoàn toàn.
Thuật toán cho phép tính tại mỗi điểm thuộc vùng nghiên cứu xác suất để cho nhà cửa tại đó rơi vào một trong năm trạng thái phá huỷ nêu trên. Từ các kết quả tính cho mạng lưới điểm, các bản đồ kết quả được thành lập minh hoạ mức độ thiệt hại nhà cửa cho toàn vùng nghiên cứu. Cuối cùng, các kết quả tính thiệt hại nhà cửa được sử dụng làm dữ liệu
Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học và công nghệ cấp thành phố 2010-2012, Sở Khoa học và Công nghệ thành phố Hồ Chí Minh
đầu vào để tính toán thiệt hại về người tại khu vực nghiên cứu. Kết quả được hiển thị dưới dạng các bản đồ thiệt hại theo đơn vị hành chính tới cấp phường tại ba thời điểm trong ngày tương ứng với 2 giờ sáng, 2 giờ chiều và 5 giờ chiều.
Để tăng thêm hiệu quả của việc đánh giá thiệt hại nhà cửa, một chức năng chuyên biệt được xây dựng trong chương trình ArcRisk cho phép người sử dụng có thể tùy ý hiệu chỉnh các tiêu chí phân loại nhà cửa khi chuyển đổi từ tiêu chuẩn của Mỹ sang tiêu chuẩn tương ứng của Việt Nam. Các kết quả đánh giá chi tiết thiệt hại về nhà cửa và người do động đất cho các quận 4, 7 và huyện Nhà Bè, thành phố Hồ Chí Minh sẽ được trình bày, phân tích và minh hoạ trong các chương VI và VII của báo cáo này.
Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học và công nghệ cấp thành phố 2010-2012, Sở Khoa học và Công nghệ thành phố Hồ Chí Minh
Chƣơng VI
ĐÁNH GIÁ THIỆT HẠI TRỰC TIẾP DO ĐỘNG ĐẤT GÂY RA ĐỐI VỚI NHÀ CỬA TẠI CÁC QUẬN 4, 7 VÀ HUYỆN NHÀ BÈ,