Luận chứng hệ thống quan trắc phục vụ cảnh báo tai biến trượt đất cho khu vực Tây Nam tỉnh Hà Giang

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2017 24 LUẬN CHỨNG HỆ THỐNG QUAN TRẮC PHỤC VỤ CẢNH BÁO TAI BIẾN TRƯỢT ĐẤT CHO KHU VỰC TÂY NAM TỈNH HÀ GIANG NGUYỄN QUANG HUY* Discussion about geotechnical monitoring system for predicting landslide risk in the southern west of Ha Giang province Abstract: Landslide is widespread in the southern west of Ha Giang province. For the purpose of predicting exactly landslide risk it is necessary to collect enter-data of natural condition in the region. The paper presents the theoretical basis for developing the geotechnical monitoring system and technical requirements of the system for sustainable exploiting the studied region. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ * Vai trò của các yếu tố phát sinh, phát triển tai biến trƣợt đất ở mỗi khu vực rất khác nhau, do vậy chỉ có quan trắc mới có thể đánh giá đúng tầm quan trọng của các yếu tố, phục vụ cho cảnh báo, dự báo nguy cơ tai biến trên diện rộng, cũng nhƣ đảm bảo các số liệu tính toán thiết kế phòng chống trƣợt đất tại các khu vực trọng điểm và các khối trƣợt cụ thể. Ở các nƣớc phát triển, quan trắc tai biến trƣợt đất là một phần trong hệ thống Monitoring quốc gia về các quá trình địa chất, là cấu thành của Monitoring môi trƣờng quốc gia. Để xác định rõ mục tiêu, nội dung của hệ thống quan trắc, cần đƣa ra khái niệm về đối tƣợng quan trắc. Đối tƣợng quan trắc là một phần của môi trƣờng địa chất hoặc vùng lãnh thổ với các chỉ tiêu đồng nhất, đặc trƣng cho sự phát triển của tai biến trƣợt đất. Ở Việt Nam, hệ thống quan trắc tai biến (trong đó có trƣợt đất) có thể xây dựng ở các cấp sau đây: - Cấp quốc gia: Toàn bộ lãnh thổ Việt Nam - Cấp vùng lãnh thổ: Đông Bắc, Tây Bắc, Tây Nguyên, Trung Bộ... - Cấp khu vực: giới hạn bởi những khu vực * Viện Khoa học và Công nghệ Xây dựng đặc thù có cùng một số đặc điểm về địa hình, cấu trúc địa chất, khí hậu, điều kiện kinh tế - xã hội; đồng nhất về yếu tố phát sinh phát triển tai biến và cơ chế biến đổi... - Cấp cục bộ: Các đô thị, khu kinh tế, khu vực đông dân cƣ... - Cấp chi tiết: Cho từng khối trƣợt cụ thể Khu vực miền núi tỉnh Hà Giang, đặc biệt là khu vực Tây Nam, trƣợt đất xảy ra trên diện rộng với nhiều khối trƣợt có quy mô lớn và rất lớn. Tai biến trƣợt đất thƣờng xuyên xảy ra gây thiệt hại không nhỏ về ngƣời và tài sản, ảnh hƣởng nghiêm trọng đến đời sống, xã hội của ngƣời dân trong khu vực. Luận chứng hệ thống quan trắc phục vụ cảnh báo tai biến trƣợt đất khu vực Tây Nam tỉnh Hà Giang (cấp khu vực) làm cơ sở để chính quyền tỉnh Hà Giang triển khai thực tiễn, phục vụ quy hoạch và khai thác hợp lý lãnh thổ theo hƣớng bền vững, giảm thiệu thiệt hại do trƣợt đất gây ra. 2. MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CỦA CÁC HỆ THỐNG QUAN TRẮC CẤP KHU VỰC a. Mục tiêu tổng quát: Phục vụ chiến lƣợc tổng thể phát triển kinh tế xã hội và bảo vệ môi trƣờng quốc gia và vùng lãnh thổ b. Mục tiêu cụ thể: ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2017 25 - Cung cấp thông tin cho chính quyền, cơ quan chức năng về quy mô trƣợt đất trong phạm vi địa giới hành chính của khu vực nghiên cứu, từ đó đƣa các giải pháp phòng tránh và giảm nhẹ thiệt hại do trƣợt đất gây ra, quy hoạch, phát triển, quản lý khai thác lãnh thổ theo hƣớng bền vững. - Mặt khác, hệ thống quan trắc cũng kiểm chứng lại kết quả đánh giá nguy cơ trƣợt đất, điều chỉnh phƣơng pháp tính toán, nhằm tăng tính chính xác trong việc dự báo nguy cơ trƣợt đất. c. Nhiệm vụ - Triển khai quan trắc một cách hệ thống theo các mạng lƣới quan trắc để có đƣợc thông tin đặc trƣng cho các yếu tố có tỷ trọng cao tác động đến quá trình tai biến trƣợt đất cũng nhƣ cơ chế phát triển của quá trình trƣợt đất. - Phân tích cƣờng độ và hoạt tính của trƣợt đất trong khu vực nghiên cứu (quy mô, bao nhiêu khối, thời điểm trƣợt,) - Xây dựng và kiểm tra các dự báo định kỳ ngắn, dài hạn về hoạt tính của tai biến. - Thành lập sự biến động theo chuỗi thời gian của các yếu tố biến động nhanh quyết định đến hoạt tính của quá trình trƣợt đất(Lƣợng mƣa, mực nƣớc ngầm, độ ẩm,) - Xác định quy luật biến đổi không gian của tai biến và các yếu tố tác động - Hoàn thiện và phát triển hệ thống quan trắc d. Thông số quan trắc Đối với khu vực quan trắc, các thông số quan trắc là: hiện trạng phân bố khối trƣợt (số lƣợng các khối trƣợt xuất hiện mới, khối trƣợt hoạt hóa, khối trƣợt cũ trong giai đoạn quan trắc; đặc điểm khối trƣợt (diện tích, thể tích trƣợt) và các yếu tố điều kiện gây trƣợt chủ yếu (địa hình, địa mạo, cấu trúc địa chất, thành phần thạch học, chiều dày vỏ phong hóa, độ đốc, hƣớng dốc, phân cắt ngang, phân cắt sâu, đô cao,.....); Các yếu tố tác động biến đổi nhanh: lƣợng mƣa; biến động cơ cấu sử dụng đất; mực nƣớc ngầm; mức độ cắt xén taluy,... Phƣơng pháp quan trắc thông qua giải đoán ảnh chụp bằng máy bay, vệ tinh kết hợp kiểm chứng thực địa trên mặt đất. Bản đồ thể hiện với tỉ lệ 1/50.000 hoặc 1/100.000. 3. SƠ ĐỒ NGUYÊN TẮC VÀ TỔ CHỨC HỆ THỐNG QUAN TRẮC TRƢỢT ĐẤT Hình 1: Sơ đồ nguyên tắc và tổ chức hệ thống quan trắc trượt đất ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2017 26 Tính chính xác của dự báo nguy cơ trƣợt đất theo phƣơng pháp chỉ số thống kê tích hợp đa biến phụ thuộc vào độ xác thực của bản đồ hiện trạng trƣợt đất, tính hợp lý của sự phân chia các lớp của từng yếu tố, hiện trạng dữ liệu đầu vào của các yếu tố điều kiện và nguyên nhân gây trƣợt vì vậy kết quả dự báo nguy cơ trƣợt đất cho khu vực nghiên cứu càng rộng thì tính chính xác của dự báo càng giảm. Do việc đánh giá nguy cơ trƣợt đất chỉ là cơ sở ban đầu để xây dựng hệ thống quan trắc tai biến trƣợt đất nên tính chính xác về thời gian, không gian không phải là yếu tố quyết định. Kết quả quan trắc sẽ là dữ liệu thực tiễn, thuyết phục để chính xác hóa lại kết quả đánh giá nguy cơ trƣợt đất. Toàn bộ các dữ liệu quan trắc đƣợc tổng hợp, thống kê theo từng yếu tố, phân theo từng lớp. Căn cứ các dữ liệu thông số quan trắc đƣợc từ hiện trƣờng, bản đồ hiện trạng trƣợt đất đƣợc thiết lập lại. Chồng chập bản đồ hiện trạng trƣợt đất mới quan trắc đƣợc vào bản đồ phân bố cƣờng độ của các yếu tố ta đƣợc trọng số của từng lớp của mỗi yếu tố. Tích hợp các bản đồ phân bố trọng số theo lớp của từng yếu tố, trọng số của các yếu tố để hiệu chỉnh bản đồ phân vùng nguy cơ trƣợt đất. Vị trí tuyến quan trắc, trạm quan trắc cũng đƣợc điều chỉnh cho phù hợp với giá trị trọng số các yếu tố và bản đồ phân vùng nguy cơ trƣợt đất. Nhƣ vậy, dữ liệu quan trắc của các thông số đã đƣợc đƣa vào tính toán nhằm hiệu chỉnh lại trọng số của các yếu tố cho phù hợp với thực tế. Quá trình này liên tục đƣợc lặp lại sẽ cho kết quả phân vùng nguy cơ trƣợt đất cũng nhƣ việc xác định trọng số yếu tố một cách chính xác. Kết quả dữ liệu quan trắc cũng cho ta biết quan hệ hàm số giữa cƣờng độ của các yếu tố tác động, đặc biệt là các yếu tố tác động biến đổi nhanh với hệ số ổn định trƣợt, từ đó đƣa ra cảnh báo tai biến trƣợt đất, giúp chính quyền địa phƣơng có những biện pháp phòng tránh kịp thời nhằm giảm thiểu nguy cơ thiệt hại. Quy trình tổ chức hệ thống quan trắc tổng thể đƣợc thể hiện ở hình 5.2 4. NGUYÊN TẮC THIẾT KẾ MẠNG LƢỚI QUAN TRẮC 4.1. Tuyến quan trắc - Nguyên tắc định hƣớng tuyến quan trắc là các điểm quan trắc trên tuyến phải theo hƣớng biến đổi chính và mạnh nhất của các yếu tố đặc trƣng, nằm trên khu vực có nguy cơ tai biến trƣợt đất cao. - Chiều dài tuyến, số điểm quan trắc trên tuyến, khối lƣợng quan trắc của bất cứ hệ thống quan trắc nào cũng cần đƣợc tính toán tối ƣu tức là cần thiết và vừa đủ để có thể nắm bắt đƣợc quy luật biến đổi chính của các thông số cần quan trắc. - Mạng lƣới quan trắc gồm nhiều tuyến quan trắc, mỗi tuyến quan trắc sự biến đổi của một hoặc nhiều yếu tố có vai trò quyết định đến tai biến trƣợt đất hoặc thể hiện quy mô, quy luật diễn biến của trƣợt đất. Mạng lƣới quan trắc của hệ thống quan trắc cấp 1 đƣợc tích hợp các lớp tuyến của hệ thống quan trắc cấp 2, 3, có quy mô, đặc điểm khác nhau; đảm bảo tính đại diện, sự phân bố tập trung tại các khu vực có nguy cơ trƣợt đất cao và quan trắc theo đúng trình tự quy định để tuyến này không ảnh hƣởng hoặc trùng lắp với tuyến khác. - Tuyến khảo sát của hệ thống quan trắc cấp 2, 3 phải vuông góc với thế nằm của đất đá, vuông góc với trục ngắn của các thể địa chất, đới phá hủy kiến tạo, đới nứt nẻ, các hƣớng biến đổi chính của các yếu tố phát sinh, phát triển trƣợt đất. - Trong môi trƣờng địa chất, thƣờng có 3 hƣớng chính: một hƣớng theo chiều sâu, còn 2 hƣớng trên mặt phẳng, trong đó có hƣớng biến đổi mạnh nhất và hƣớng biến đổi ít nhất. Các điểm quan trắc đƣợc thiết kế thành các tuyến theo hƣớng biến đổi mạnh nhất của trƣờng các thông số đặc trƣng. Theo hƣớng biến động mạnh nhất, cho phép trong phạm vi tuyến ngắn có thể quan trắc đƣợc toàn bộ phạm vi biến động của tham số, xây dựng đầy đủ các quan hệ liên quan. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2017 27 4.2. Các trạm quan trắc Số lƣợng trạm quan trắc sẽ đƣợc thiết kế tập trung nhiều ở các khu vực có nguy cơ tai biến trƣợt đất cao và ít hơn ở các khu vực có nguy cơ thấp hơn. Tại các khu vực trƣợt đất phát triển mạnh, các số liệu quan trắc, phản ánh hiện thực nhất các mối quan hệ giữa các thông số gây trƣợt với sự phát triển của tai biến trƣợt đất (số lƣợng, quy mô, cƣờng độ ). Trên cơ sở đó xác định vai trò của từng yếu tố trong tổ hợp các yếu tố phát sinh, phát triển tai biến phục vụ cho xây dựng các mô hình dự báo, cảnh báo tai biến trƣợt đất và điều chỉnh các mô hình dự báo đã có cho phù hợp với thực tế. Số lƣợng trạm quan trắc đảm bảo phân bố trên toàn bộ khu vực nghiên cứu; nằm trên các tuyến quan trắc; mật độ phân bố phù hợp với mật độ điểm trƣợt; tất cả các phân lớp của các yếu tố điều kiện và nguyên nhân đều có trạm quan trắc. 5. ĐỀ XUẤT HỆ THỐNG QUAN TRẮC CHO KHU VỰC NGHIÊN CỨU 5.1. Mạng lƣới tuyến, trạm quan trắc Căn cứ nguyên tắc thiết kế mạng lƣới quan trắc và bản đồ phân vùng nguy cơ trƣợt đất khu vực Tây Nam tỉnh Hà Giang, mạng lƣới quan trắc đƣợc chia làm chia làm 12 tuyến, trong đó gồm 7 tuyến theo hƣớng Tây Nam - Đông Bắc và 5 tuyến theo hƣớng Tây Bắc - Đông Nam. Số lƣợng trạm quan trắc là 86 trạm. (bằng số phân lớp của 11 yếu tố đƣợc phân chia thep phƣơng pháp Natural Break để đảm bảo mỗi phân lớp có ít nhất 01 trạm quan trắc). Hình 2: Bản đồ phân bố các tuyến và trạm quan trắc ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2017 28 5.2. Nội dung và khối lƣợng quan trắc 5.2.1.Quan trắc phân bố không gian các khối trượt Các thông số quan trắc là số lƣợng các điểm trƣợt, khối trƣợt cũ hoạt động trở lại, khối trƣợt mới (03 thông số). Quan trắc theo diện thông qua giải đoán ảnh vệ tinh để xác định các yếu tố. Kiểm chứng kết quả thông qua thị sát thực địa tại các trạm quan trắc. Số lƣợng thông số quan trắc là 3. Chu kỳ quan trắc 1 quí/01 lần vào mùa khô và 24h/01 lần vào mùa mƣa. 5.2.2. Quan trắc đặc điểm khối trượt và các yếu tố điều kiện gây trượt chủ yếu - Quan trắc đặc điểm khối trƣợt: thể tích khối trƣợt. Quan trắc thông qua đo vẽ khối trƣợt tại thực địa. Số lƣợng thông số quan trắc là 01. Số trạm quan trắc là 86. Chu kỳ quan trắc là 01 năm/01 lần đo vào tháng 8 hàng năm. - Quan trắc các yếu tố điều kiện gây trƣợt: độ cao địa hình, phân cắt ngang, phân cắt sâu, độ dốc, hƣớng dốc, khoảng cách đến đứt gãy, khoảng cách đến đƣờng giao thông, thành phần thạch học, chiều dày vỏ phong hóa. Quan trắc thông qua giải đoán ảnh vệ tinh, bản đồ địa hình, địa chất, đo, vẽ, quan sát và ghi chép tại hiện trƣờng. Số lƣợng thông số quan trắc là 09. Số trạm quan trắc là 86. Chu kỳ quan trắc là 1 năm/1 lần đo vào tháng 8, thời điểm trong năm có số lƣợng, quy mô khối trƣợt hoạt động tăng mạnh. 5.2.3. Quan trắc các yếu tố tác động biến đổi nhanh (nguyên nhân gây trượt) Yếu tố tác động biến đổi nhanh trên phạm vi toàn bộ khu vực nghiên cứu cần quan trắc là lƣợng mƣa và biến đổi cơ cấu sử dụng đất. a. Quan trắc lượng mưa - Quan trắc theo diện thông qua việc khai thác dữ liệu các trạm quan trắc khí tƣợng hiện có trong và lân cận khu vực nghiên cứu, đó là các trạm Bắc Quang, Hoàng Su Phì và Bắc Mê - Quan trắc theo điểm thông qua thiết bị đo đặt tại mỗi trạm quan trắc, kết nối với hệ thống ghi và truyền dữ liệu tự động Chu kỳ quan trắc 24 giờ/1 lần vào mùa khô, 30 phút/1 lần đo vào mùa mƣa, số trạm quan trắc là 13 (mỗi phân lớp của yếu tố lƣợng mƣa đều có trạm quan trắc, 13 phân lớp – 13 trạm). b. Quan trắc biến động cơ cấu sử dụng đất - Quan trắc theo diện thông qua việc khai thác dữ liệu ảnh vệ tinh - Quan trắc trên thực địa theo tuyến để kiểm chứng, chuẩn hóa lại kết quả dữ liệu quan trắc do ảnh vệ tinh cung cấp. Thiết bị quan trắc là UAV Chu kỳ quan trắc 01 tháng/01 lần, số lƣợng thông số quan trắc là 7 (diện tích đất: chƣa sử dụng, núi đá không có rừng cây, rừng trồng, rừng tự nhiên, trồng cây lâu năm, trồng lúa nƣớc, ở và công trình). Bảng 1: Tổng hợp khối lƣợng quan trắc STT Thông số quan trắc Chu kỳ quan trắc Số trạm, tuyến quan trắc Số thông số cần quan trắc Ghi chú I Phân bố không gian khối trƣợt 1 Tổng số lƣợng khối trƣợt, vị trí khối trƣợt cũ hoạt động trở lại, vị trí khối trƣợt mới 01 quý/ 01 lần vào mùa khô và 24h/01 lần đo vào mùa mƣa 03 Phân tích ảnh chụp vệ tinh và UAV, kết hợp kiểm chứng thực địa ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2017 29 STT Thông số quan trắc Chu kỳ quan trắc Số trạm, tuyến quan trắc Số thông số cần quan trắc Ghi chú II Đặc điểm các yếu tố điều kiện gây trƣợt 9 thông số (độ cao địa hình, phân cắt ngang, phân cắt sâu, độ dốc, hƣớng dốc, khoảng cách đến đứt gãy, thành phần thạch học, chiều dày vỏ phong hóa, Khoảng cách đến đƣờng giao thông) 01 năm/ 01 lần 66 trạm 09 Số trạm quan trắc bằng tổng số phân lớp của 9 yếu tố điều kiện gây trƣợt (theo phƣơng pháp Natural break) III Đặc điểm các yếu tố tác động biến đổi nhanh (nguyên nhân gây trƣợt) 1 Lƣợng mƣa 24 giờ/ 01 lần vào mùa khô 30 phút/ 01 lần vào mùa mƣa 13 trạm 01 Số trạm quan trắc lƣợng mƣa bằng số phân lớp lƣợng mƣa (theo phƣơng pháp Natural break) 2 Cơ cấu sử dụng đất 01 tháng/ 01 lần Phân tích ảnh chụp vệ tinh và UAV 07 Lập 7 trạm quan trắc tƣơng ứng với 7 phân lớp để kiểm chứng thực địa III Quan trắc đặc điểm khối trƣợt 1 Thể tích khối trƣợt 01 năm/ 01 lần 86 trạm 01 Số trạm quan trắc bằng tổng số phân lớp của các yếu tố điều kiện, nguyên nhân (theo phƣơng pháp Natural break) 6. MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ QUAN TRẮC ĐỀ XUẤT ÁP DỤNG 6.1. Quan trắc phân bố không gian các khối trƣợt Phƣơng pháp kết hợp giữa thu thập tài liệu, phân tích ảnh vệ tinh, lắp đặt thiết bị công nghệ đo ghi tự động và khảo sát thực địa là phƣơng pháp đƣợc nhiều nhà khoa học sử dụng hiện nay. Với phƣơng pháp này mọi hạn chế của từng phƣơng pháp riêng lẻ đƣợc khắc phục tối đa. Ngoài ra sản phẩm dữ liệu thu đƣợc từ phƣơng pháp quan trắc này cũng phản ánh đƣợc đầy đủ nhất hiện trạng về cƣờng độ tác động của các yếu tố quyết định trƣợt đất, sự thay đổi của chúng theo thời gian, mối quan hệ phụ thuộc giữa các yếu tố với nhau và giữa các yếu tố với đặc điểm trƣợt đất (mức độ dịch trƣợt, thể tích khối trƣợt, đặc điểm trƣợt, cơ chế trƣợt,...) giúp việc đánh giá nguy cơ trƣợt đất, công tác cảnh báo tai biến trƣợt đất đƣợc chính xác. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2017 30 Hiện nay một số loại ảnh viễn thám có độ phân giải cao hay đƣợc sử dụng vào việc xác định vị trí và khoảng không gian của các điểm trƣợt đất đó là ảnh SPOT, IKONOS, QUICKBIRD, ASTER, LANDSAT TM, LANDSAT ETM, MERIS... Để xác định trƣợt đất trong khu vực quan trắc với việc áp dụng kỹ thuật giao thoa radar In SAR, việc sử dụng các ảnh SAR chụp trên kênh L có thể đạt đƣợc kết quả tối ƣu. Các ảnh này đƣợc cung cấp từ đầu thu PALSAR2 (Phased arrays type L-band Synthetic Aperture rada) lắp đặt trên vệ tinh ALOS-2 (Advanced Land Observing Satellite- 2 or DAICHI-2) bởi hãng JAXA (The Japan Aerospace Exploration Agency). Phiên bản này là sự nâng cấp từ đầu thu PALSAR – đầu thu đầu tiên trên kênh L ở bƣớc sóng 23,6m, lắp trên vệ tinh ALOS với quỹ đạo bay và thời gian rất chính xác để theo dõi biến dạng chậm của bề mặt trái đất. ALOS đã đóng góp vào việc đo vẽ, quan sát khu vực, theo dõi tai biến trƣợt đất và khảo sát tài nguyên từ khi phóng lên trời năm 2006. Quá trình phân tích các vị trí trƣợt đất của khu vực nghiên cứu bằng ảnh viễn thám cũng song song tiến hành. Với số liệu ảnh viễn thám đƣợc sử dụng là ảnh vệ tinh với độ phân giải 3m và bản đồ địa hình tỷ lệ 1:50.000. Bản đồ địa hình đƣợc số hóa với khoảng cách các đƣờng đồng mức là 10m. Sau đó trên cơ sở bản đồ địa hình đƣợc gán giá trị độ cao của đƣờng đồng mức, các thuật toán nội suy đã đƣợc sử dụng để nội suy và tạo ra mô hình số độ cao (DEM) của khu vực nghiên cứu. Để hiển thị và phân tích ảnh hàng không nhƣ dƣới kính lập thể (Stereo), ảnh hàng không của khu vực nghiên cứu đã đƣợc nắn chỉnh rồi chồng chập lên DEM để tạo ra một ảnh hàng không của khu vực nghiên cứu giống nhƣ đang đƣợc quan sát trong không gian 3 chiều. Trên cơ sở ảnh hàng không 3D tất cả các vị trí trƣợt đất đã đƣợc đánh dấu thông qua quá trình phân tích, giải đoán ảnh hàng không bằng mắt thƣờng trong không gian 3 chiều thông qua các yếu tố địa hình, dạng và kiến trúc các dòng chảy, xói mòn bề mặt, tông ảnh, thảm phủ và hiện trạng sử dụng đất. 6.2. Quan trắc đặc điểm khối trƣợt và các yếu tố điều kiện gây trƣợt chủ yếu Các yếu tố thể tích khối trƣợt (đặc điểm khối trƣợt), khoảng cách đến đƣờng giao thông, khoảng cách đến đứt gãy, độ cao địa hình, độ dốc, hƣớng dốc, phân cắt ngang, phân cắt sâu, thành phần thạch học, chiều dày vỏ phong hóa (các yếu tố điều kiện gây trƣợt chủ yếu) sẽ đƣợc quan trắc thông qua giải đoán ảnh vệ tinh, bản đồ địa chất, địa hình tỷ lệ 1/50.000 khu vực nghiên cứu, đo bằng các thiết bị đo và quan sát, ghi chép tại thực địa. Tại điểm khảo sát, tiến hành định vị tọa độ địa lý điểm khảo sát và độ cao địa hình bằng thiết bị GPS Garmin 62 (độ chính xác ± 3m) và GPS 72 (độ chính xác ± 5m). Đo thể tích khối trƣợt, chiều dày vỏ phong hóa xuất lộ tại mặt trƣợt bằng ống ngắm đo khoảng cách Nikon Laser 550A S. Khoảng cách đo tối đa 1000m và góc đo tối đa là 89o và độ phóng đại lên tới 6 lần. Với chiều dài dƣới 30m thì dùng thƣớc dây để đo. Quan trắc mái dốc, độ dốc, hƣơng dốc bằng địa bàn và máy đo Nikon Laser 550A S. Quan trắc mức độ phân cắt ngang, phân cắt sâu, khoảng cách đến đứt gãy, đến đƣờng giao thông bằng giải đoán ảnh vệ tinh độ phân giải cao, bản đồ địa hình tỷ lệ 1/50.000 kết hợp máy đo Nikon Laser 550A S. Quan trắc chiều dày vỏ phong hóa thông qua giải đoán bản đồ địa chất tỷ lệ 1/50.000 Mô tả thành phần vật chất khối trƣợt, đặc điểm, cơ chế trƣợt đất ngoài thực tế kết hợp phỏng vấn ngƣời dân để biết thêm các thông tin xung quanh khối trƣợt, đƣa ra bảng thông tin các khối trƣợt lân cận trong khu vực quan trắc. Nhận định khối trƣợt theo bảng phân loại trƣợt đất của Lomtazde (1979) để xếp loại và phân cấp các khối trƣợt. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2017 31 6.3. Hệ thống quan trắc tự động và các thiết bị điều khiển - liên lạc từ xa Hệ thống quan trắc tự động bao gồm các cấu phần thiết bị chính sau đây: 1. Các cảm biến ghi đo các thông số dịch trƣợt và các yếu tố tác động trong và trên phạm vi mái dốc cần quan trắc. 2. Một bộ ghi đo tự động đặt trên hiện trƣờng để ghi đo các cảm biến theo chƣơng trình định sẵn. Bộ ghi đo có khả năng liên lạc, giao tiếp với một máy tính PC trực tiếp hoặc quan trắc từ xa. Bộ ghi đo tự động có chứa nguồn điện phục vụ cho việc kích hoạt các cảm biến và ghi đo lƣu trữ, truyền số liệu. Ngoài ra bộ ghi đo tự đông cần có khả năng kích hoạt một thiết bị báo động khi một (hoặc nhiều) các thông số đo đƣợc vƣợt quá ngƣỡng an toàn theo tính toán. 3. Một máy tính PC với phần mềm quản lý để điều khiển bộ ghi đo tự động, thu số liệu, tính toán và hiển thị các số liệu từ hiện trƣờng. Liên lạc giữa máy tính và bộ ghi đo tại hiện trƣờng đƣợc thực hiện qua một đƣờng truyền vô tuyến (sóng radio, mạng điện thoại di dộng, điện thoại vệ tinh) hoặc hữu tuyến (liên lạc trực tiếp qua cáp máy tính trên hiện trƣờng, bằng mô- đem điện thoại, bằng các mô-đem hữu tuyến đƣờng ngắn). Việc đo ghi đo tự động đƣợc thực hiện bởi một thiết bị CR1000 cùng các thiết bị ngoại vi do hãng Campbell Scientific Inc. chế tạo tại Mỹ. Đây là một thiết bị tích hợp bởi các mô-đun đo với độ chính xác cao các cảm biến hoạt động theo nguyên lý điện thế - dòng điện - xung điện - tần số (thông qua một adaptor dây rung)- nhiệt độ và một bộ vi xử lý để điều khiển việc ghi đo và lƣu số liệu từ các cảm biến. Bộ ghi đo và vi xử lý CR1000 tƣơng thích với hầu hết các thiết bị quan trắc địa kỹ thuật, thủy văn, môi trƣờng hiện có trên thế giới. Hệ thống ghi đo tự động có thể ghi đo và quản lý thêm một loạt các cảm biến khác nhƣ: áp suất khí quyển, nhiệt độ, độ ẩm không khí, số giờ nắng trong ngày, bức xạ mặt trời, độ bay hơi bề mặt, tốc độ gió, hƣớng gió, nhiệt đô - độ ẩm của đất, độ đục của dòng chảy, chuyển vị kế, giãn kế, các ten-sơ đo ứng suất, áp lực trong đất tổng số các cảm biến mà bộ ghi đo tự động CR1000 có thể quản lý lên đến 96 với sự trợ giúp của các bảng mở rộng kênh đo 16/32 kênh. 6.4. Quan trắc các yếu tố tác động, biến đổi nhanh Các yếu tố tác động, biến đổi nhanh trên phạm vi rộng lớn toàn bộ khu vực nghiên cứu. Vì vậy, phƣơng pháp quan trắc chủ yếu thông qua đo vẽ, giải đoán ảnh viễn thám kết hợp với việc sử dụng thiết bị quan trắc tại mặt đất. 6.4.1. Thiết bị đo lƣợng mƣa Tại trạm quan trắc, một máy đo mƣa đƣợc lắp đặt cùng hệ thống ghi đo tự động và mô-đem điện thoại kết nối giữa máy tính PC đặt từ xa với hệ thống ghi đo tự động. Máy đo mƣa TE525 MM do hãng Texas Electronics chế tao tại Mỹ là loại máy đo mƣa hoạt động theo nguyên lý cốc lật điện từ. Nƣớc mƣa đƣợc hứng qua phễu có đƣờng kính 25.4 mm xuống một cốc chứa đƣợc hiệu chuẩn tƣơng ứng với lƣợng mƣa 0.1 mm. Khi nƣớc mƣa đƣợc hứng qua phễu chảy xuống đầy cốc, chiếc cốc sẽ lật, làm bật công tắc điện từ, gây ra một xung điện, xung điện này sẽ đƣợc ghi đo bởi máy ghi đo tự động. 6.4.2. Thiết bị đo sự thay đổi của cơ cấu sử dụng đất Việc kết hợp ảnh vệ tinh độ phân giải cao với công nghệ laser scanner có thể tăng độ phân giải cả không gian và thời gian của các ảnh chụp bề mặt khu vực nghiên cứu. Công nghệ này có tính linh hoạt cao, tốc độ thu thập và xử lý số liệu nhanh chóng hơn so với các phƣơng pháp viễn thám truyền thống. Với công nghệ này, tốc độ dịch chuyển bề mặt đƣợc xác định trên cơ sở so sánh các số liệu mô hình số bề mặt đƣợc xác định từ ảnh chụp ghi nhận ở các thời điểm khác nhau. Các công tác này có thể tiến hành tự động hoặc thủ công. Công nghệ sử dụng UAV (Thiết bị bay chụp điều khiển từ xa) hiện nay cho phép các phân tích chi tiết hình ảnh bề mặt trên phạm ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2017 32 vi từng vùng nghiên cứu nhỏ hơn (cấp xã,thị trấn) trong đó cho ta biết đặc điểm đất từng loại đất và diện tích các loại đất, từ đó tích hợp hình ảnh cho phép thành lập bản đồ hiện trạng cơ cấu sử dụng đất trên phạm vi toàn khu vực nghiên cứu 7. ĐỊNH HƢỚNG CÁC MÔ HÌNH CẢNH BÁO TRƢỢT ĐẤT KHU VỰC NGHIÊN CỨU TỪ DỮ LIỆU QUAN TRẮC 7.1. Điều chỉnh trọng số trong mô hình chỉ số thống kê tích hợp đa biến Để tính toán định lƣợng trọng số của các yếu tố điều kiện, nguyên nhân gây trƣợt, luận án sử dụng công thức là kết quả nghiên cứu của Trung tâm Nghiên cứu đô thị - Đại học Quốc gia Hà Nội, cụ thể. (1) n: Số lƣợng yếu tố gây trƣợt đất của khu vực nghiên cứu MaxDij: Mật độ trƣợt lớn nhất của các phân lớp i trong yếu tố j Hệ thống quan trắc cung cấp dữ liệu quan trắc thay đổi theo chu kỳ quan trắc. Đối với mỗi dữ liệu thuộc 01 chu kỳ quan trắc sẽ có đƣợc 01 giá trị và Wj. Tùy kết quả quan trắc thực tế, giá trị trọng số của các yếu tố thay đổi sẽ có thể dẫn đến việc điều chỉnh mạng lƣới quan trắc cho phù hợp, cụ thể: phân bố lại tuyến quan trắc cho phù hợp với bản đồ phân vùng cƣờng độ tác động của yếu tố chiếm tỷ trọng lớn, phân bố lại trạm quan trắc cho phù hợp với bản đồ phân vùng nguy cơ trƣợt đất đƣợc xác định lại sau khi sử dụng kết quả dữ liệu quan trắc. 7.2. Sử dụng mô hình định lƣợng chỉ tiêu tích hợp các yếu tố điều kiện, nguyên nhân gây trƣợt đất để dự báo phân vùng nguy cơ trƣợt đất Khu vực nghiên cứu đƣợc chia làm các ô lƣới cơ sở với kích thƣớc 20x20m (01 pixel). Chỉ tiêu tích hợp các yếu tố phát sinh, phát triển trƣợt đất đƣợc tính toán cho tất cả các ô lƣới cơ sở trên mạng tính toán, sau đó xây dựng mô hình trƣờng biến đổi của nó dƣới dạng các đƣờng đẳng trị chỉ tiêu tích hợp . Đó là cơ sở để tiến hành phân vùng lãnh thổ khả năng phát triển trƣợt đất. Chỉ tiêu tích hợp các yếu tố điều kiện, nguyên nhân gây trƣợt đất trƣợt đất đƣợc tính toán theo công thức sau: (2) Trong đó: gi là tỷ trọng của yếu tố điều kiện, nguyên nhân gây trƣợt đất thứ i, là tham số định lƣợng của yếu tố điều kiện, nguyên nhân gây trƣợt đất thứ i đã đƣợc quan trắc Tỷ trọng (gi) của yếu tố điều kiện, nguyên nhân gây trƣợt đất đƣợc xác định trên cơ sở mối tƣơng quan giữa các yếu tố điều kiện, nguyên nhân gây trƣợt vói nhau và với đặc điểm trƣợt đất khu vực nghiên cứu (thông qua dữ liệu quan trắc). Tham số định lƣợng của yếu tố ( ), cũng đƣợc điều chỉnh thông qua dữ liệu quan trắc về cƣờng độ tác động của các yếu tố điều kiện, nguyên nhân gây trƣợt. Nhƣ vậy, dựa vào dữ liệu quan trắc ta có thể xây dựng bản đồ dự báo nguy cơ trƣợt đất dƣới dạng các đƣờng đẳng trị chỉ tiêu tích hợp 7.3. Cảnh báo nhanh quy mô, cƣờng độ (thể tích) của các khối trƣợt có thể xuất hiện thông qua quan trắc yếu tố gây trƣợt chủ yếu bằng các hàm hồi quy Xây dựng hàm hồi quy liên hệ giữa thể tích khối trƣợt với các yếu tố gây trƣợt chủ yếu. Xác định các yếu tố gây trƣợt chủ yếu dựa trên việc xác định định lƣợng tỷ trọng tham gia của các yếu tố gây trƣợt trên cơ sở thống kê các số liệu đo vẽ về thể tích khối trƣợt và các yếu tố gây trƣợt tƣơng ứng. - Tính toán hệ số tƣơng quan cặp đôi giữa tất cả các yếu tố gây trƣợt đƣợc xem xét (rij) và giữa các yếu tố gây trƣợt với thể tích khối trƣợt, xây dựng ma trận của chúng. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2017 33 1 r21 r31 ..rp1 r12 1 r32 rp 2 ∆ = r13 r23 1.. rp 3 .... r1p r2p..1 - Lập hệ phƣơng trình: 121211 ... ppy rrr   221212 ... ppy rrr   ppppy rrr   ...2211 - Tính toán các hệ số tiêu chuẩn βi Với    ii , Hệ số i đƣợc xác định từ ma trận trên bằng cách thay thế các cột tƣơng ứng i bằng hệ số tự do của phƣơng trình trên. rij là hệ số tƣơng quan giữa yếu tố điều kiện tai biến thứ i và j, riy là hệ số tƣơng quan giữa yếu tố điều kiện thứ i và hàm mục tiêu FTB (thể tích khối trƣợt) - Tính toán hệ số tƣơng quan nhiều chiều R. R 2 =   p 1i yiir (3) Hệ số tƣơng quan nhiều chiều cho phép xem xét các tham số phát triển tai biến tham gia phân vùng có hợp lý hay không. Thực tế hệ số tƣơng quan nhiều chiều R >0.7 thì các tham số lựa chon là đủ, nếu hệ số tƣơng quan nhiều chiều nhỏ thì chắc chắn trong việc xác định các tham số phát triển tai biến còn thiếu một số các tham số quan trọng nào đó. - Tính toán tỷ trọng của các tham số phát triển tai biến theo công thức sau:    p i iyi iyi i r r g 1   (4) Mức độ quan trọng của các yếu tố xác định theo tỷ trọng của chúng, tỷ trọng càng lớn, các yếu tố càng quan trọng. Phụ thuộc vào giá trị tỷ trọng của các yếu tố gây trƣợt đƣợc tính toán trên khu vực nghiên cứu, có thể xây dựng hàm hồi quy liên hệ giữa thể tích khối trƣợt và yếu tố chiếm tỷ trọng lớn nhất. Hàm hồi quy sẽ đƣa ra số liệu cảnh báo nhanh quy mô thể tích khối trƣợt có thể xuất hiện theo yếu tố chiếm tỷ trọng gây trƣợt lớn nhất. 7.4. Mô hình cảnh báo, dự báo ngƣỡng phát triển trƣợt đất theo các yếu tố có tỷ trọng gây trƣợt lớn, biến đổi nhanh bằng các hàm hồi quy Căn cứ bảng trọng số của các yếu tố quyết định trƣợt đất sẽ lựa chọn ra yếu tố chiếm tỷ trọng gây trƣợt lớn và biến động nhanh và thất thƣờng qua các năm và có tác động trực tiếp đến tai biến trƣợt đất trong khu vực nghiên cứu. Mô hình cảnh báo nhanh tai biến trƣợt đất sẽ đƣợc xây dựng căn cứ số liệu quan trắc về sự biến đổi của yếu tố này theo thời gian và tần suất xuất hiện trƣợt đất trong khu vực nghiên cứu. Đồ thị phân tán giữa tần suất xuất hiện khối trƣợt và sự biến đổi của yếu tố quan trắc cho ta một phƣơng trình hồi quy tuyến tính. Phƣơng trình này sẽ đƣợc sử dụng để cảnh báo về ngƣỡng giá trị của cƣờng độ tác động của yếu tố có thể gây trƣợt cho khu vực và ngƣỡng biến đổi có thể gây trƣợt ồ ạt, quy mô lớn trên toàn bộ khu vực nghiên cứu. Từ đó, đƣa ra khuyến cáo để chính quyền địa phƣơng có giải pháp chủ động ứng phó, giảm thiểu thiệt hại do trƣợt đất gây ra. KẾT LUẬN Trên cơ sở nghiên cứu luận chứng hệ thống quan trắc phục vụ cảnh báo tai biến trƣợt đất cho cấp khu vực có thể rút ra một số kết luận sau: 1. Hệ thống quan trắc phục vụ cảnh báo tai biến trƣợt đất khu vực đƣợc luận chứng trên cơ sở của bản đồ dự báo nguy cơ trƣợt đất khu vực Tây Nam tỉnh Hà Giang và các bản đồ thành phần phân bố cƣờng độ tác động của các yếu tố phát sinh, phát triển trƣợt đất, bao gồm: 12 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2017 34 tuyến và 30 trạm quan trắc; 13 yếu tố cần quan trắc (09 yếu tố điều kiện, 02 yếu tố nguyên nhân biến đổi nhanh, 02 yếu tố đặc điểm khối trƣợt). 2. Hệ thống quan trắc bao gồm 03 hệ thống quan trắc thành phần: - Hệ thống quan trắc phân bố không gian các khối trƣợt trên toàn khu vực nghiên cứu: Phục vụ xây dựng bản đồ hiện trạng trƣợt đất - Hệ thống quan trắc đo vẽ đặc điểm khối trƣợt và các yếu tố điều kiện chủ yếu: Phục vụ thống kê xác định quan hệ giữa hiện trạng và đặc điểm trƣợt đất với các yếu tố điều kiện gây trƣợt làm cơ sở xác định trọng số các yếu tố - Hệ thống quan trắc các yếu tố tác động biến đổi nhanh (nguyên nhân gây trƣợt): Phục vụ cảnh báo tai biến trƣợt đất 3. Dữ liệu thu đƣợc thông qua hệ thống quan trắc đƣợc sử dụng để phục vụ cảnh báo tai biến trƣợt đất khu vực nghiên cứu thông qua các mô hình cảnh báo sau: - Điều chỉnh trọng số các yếu tố điều kiện, nguyên nhân gây trƣợt trong mô hình chỉ số thống kê tích hợp đa biến. - Sử dụng mô hình định lƣợng chỉ tiêu tích hợp các yếu tố điều kiện nguyên nhân gây trƣợt để dự báo phân vùng nguy cơ trƣợt đất khu vực nghiên cứu. - Cảnh báo nhanh quy mô, cƣờng độ thể tích của các khối trƣợt có thể xuất hiện thông qua quan trắc yếu tố gây trƣợt chủ yếu; - Cảnh báo, dự báo ngƣỡng phát triển tai biến trƣợt đất trên toàn bộ khu vực nghiên cứu theo yếu tố có tỷ trọng gây trƣợt lớn, biến đổi nhanh. 4. Luận chứng hệ thống quan trắc phục vụ cảnh báo tai biến trƣợt đất khu vực nghiên cứu, có thể làm cơ sở để chính quyền tỉnh Hà Giang triển khai đề án thực tiễn xây dựng hệ thống quan trắc cung cấp dữ liệu phục vụ quy hoạch, khai thác bền vững lãnh thổ và đề xuất giải pháp giảm thiểu thiệt hại do trƣợt đất gây ra trên phạm vi khu vực. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Công ty tƣ vấn lập Xí nghiệp Xây dựng và Chuyển giao Công nghệ Môi trƣờng 2 (2013), Báo cáo điều tra, đánh giá mức độ tác động của biến đổi khí hậu đến lũ quét, lũ ống, trƣợt, sạt lở đất trên địa bàn các huyện Yên Minh, Hoàng Su Phì, Xín Mần, Quang Bình-tỉnh Hà Giang và xây dựng các biện pháp ứng phó với biến đổi khí hậu. 2. Lomtadze V. D. (1979), Địa chất công trình, địa chất động lực công trình, NXB Đại học và Trung học chuyên nghiệp, HN (Bản dịch tiếng Việt). 3. Lê Quốc Hùng (2014), Điều tra, đánh giá và phân vùng cảnh báo nguy cơ trƣợt lở đất đá các vùng miền núi Việt Nam, Viện Khoa học Địa chất & Khoáng sản. 4. Trần Mạnh Liểu (2013), Một vài phƣơng pháp đánh giá định tính và định lƣợng vai trò của các yếu tố hình thành và phát triển tai biến địa chất, Trung tâm Nghiên cứu đô thị - ĐHQGHN, HN. 5. Nguyễn Trọng Yêm (2011), Những đặc điểm, nguyên nhân T-L, LQ-LBĐ ở Yên Minh, Hoàng Su Phì, Xín Mần, đề xuất những giải pháp phòng chống thích hợp cho từng địa phƣơng, Đề tài NCKH cấp Bộ KC.08.01 & KC.08.01BS. Viện Địa chất, Viện Hàn lâm KHCN Việt Nam, Hà Nội. 6. Voogd H. (1983), Multicriteria Evaluation for Urban and Regional Planning, University of Groningen, The Netherlands. 7. Lomtadze V.D. (1977), Engineering Geology. Engineering Geodynamic, Nedra Publishing house,Leningrad, p.495. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2017 35 Người phản biện: TS. NGUYỄN QUỐC THÀNH