Vận dụng lý thuyết phương pháp tiếp cận đa chỉ tiêu để đánh giá cường độ hoạt động trượt đất đá vùng đồi núi tây Thừa Thiên Huế - Nguyễn Thị Thanh Nhàn

147 TẠP CHÍ KHOA HỌC, ðại học Huế, Số 65, 2011 VẬN DỤNG LÝ THUYẾT PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN ðA CHỈ TIÊU ðỂ ðÁNH GIÁ CƯỜNG ðỘ HOẠT ðỘNG TRƯỢT ðẤT ðÁ VÙNG ðỒI NÚI TÂY THỪA THIÊN HUẾ Nguyễn Thị Thanh Nhàn, Nguyễn Thanh Trường ðại học Khoa học, ðại học Huế Tạ ðức Thịnh Vụ Khoa học Cơng nghệ, Bộ Giáo dục và ðào tạo TĨM TẮT Những năm gần đây, một số nước trên thế giới cũng như ở Việt Nam đã vận dụng lý thuyết phương pháp tiếp cận đa chỉ tiêu để đánh giá định lượng tác động của các yếu tố tự nhiên - kỹ thuật trong nghiên cứu các quá trình và hiện tượng địa động lực và tai biến thiên nhiên, đặc biệt là tai biến trượt đất đá vùng đồi núi. Bài báo này thử vận dụng lý thuyết phương pháp tiếp cận đa chỉ tiêu để gán trọng số cho các yếu tố tác động đến quá trình trượt đất đá. Từ đĩ tiến hành đánh giá và so sánh kết quả cường độ hoạt động địa động lực trượt đất đá vùng đồi núi theo hai phương pháp tính tốn đa chỉ tiêu của chúng tơi trong thời gian qua. 1. Tổng quan các phương pháp đánh giá các quá trình và hiện tượng địa chất động lực và tai biến thiên nhiên Phương pháp đánh giá đa chỉ tiêu đã được áp dụng trong xác định cường độ các quá trình địa động lực ở nhiều nước cũng như ở Việt Nam. Hiện nay, trên thế giới thường sử dụng các phương pháp khác nhau như phương pháp quyết định, phương pháp thống kê, phương pháp chuyên gia để đánh giá tác động của các yếu tố tự nhiên - kỹ thuật đến MTðC. Trong đĩ, phương pháp quyết định là những biểu thức tốn học biểu diễn các mối quan hệ dạng hàm số trên cơ sở các điều kiện biên cho trước. Phương pháp này cho phép đánh giá tác động rất hiệu quả khi số lượng các biến số khơng nhiều. Nếu số lượng các biến số (yếu tố tác động hay ảnh hưởng) tăng lên, đồng thời các yếu tố đĩ lại chịu ảnh hưởng của nhiều tác động khác, thì sử dụng phương pháp thống kê, đặc biệt là mơ hình thống kê phân tích tương quan nhiều chiều thường áp dụng trong nghiên cứu các quá trình và hiện tượng địa chất động lực cơng trình. Phương pháp chuyên gia, được sử dụng phổ biến trong thời gian gần đây trong đánh giá định lượng cường độ hoạt động địa động lực. ðây là phương pháp gián tiếp sử dụng kỹ thuật tổng hợp dữ kiện, các yếu tố tác động, cường độ tác động và hệ số tầm quan trọng được xác định định lượng hoặc bán định lượng. Sau đĩ, cường độ của quá trình được đánh giá thơng qua các chỉ tiêu tích hợp của ma trận tính tốn. Tuy nhiên, phương pháp này địi hỏi phải cĩ số liệu quan 148 trắc thực tế, số liệu thí nghiệm, nghiên cứu đa dạng, phong phú và phụ thuộc nhiều vào trình độ, kinh nghiệm chuyên mơn của các chuyên gia. Việc sử dụng phương pháp chuyên gia để thiết lập một ma trận tính tốn tổng cường độ hoạt động địa động lực là hợp lý và cĩ ý nghĩa lớn về khoa học cũng như thực tiễn đối với hoạt động trượt đất đá, từ đĩ thể hiện rõ tương tác giữa các yếu tố trong hệ thống một cách đồng thời và định lượng, phục vụ dự báo nguy cơ phát sinh - phát triển hoạt động trượt đất đá vùng đồi núi. 2. Các phương pháp sử dụng dự báo dịch chuyển đất đá trọng lực vùng đồi núi 2.1 Phương pháp ma trận định lượng tính tốn cường độ hoạt động trượt đất đá vùng đồi núi ðể hiểu rõ bản chất của ma trận định lượng tính tốn cường độ hoạt động địa động lực khu vực, nhất thiết phải xem xét phương pháp ma trận mơi trường. Phương pháp này do Leopold đề xuất năm 1971, nhằm liệt kê đồng thời các tác động của hoạt động phát triển với liệt kê những nhân tố mơi trường cĩ thể bị tác động vào một ma trận. Các liệt kê này được biểu diễn dưới dạng hệ tọa độ với trục tung là các yếu tố mơi trường, trục hồnh là các hoạt động phát triển. Từ đĩ cho phép xem xét các mối quan hệ nhân - quả giữa các tác động một cách đồng thời. Cĩ 2 phương pháp được sử dụng phổ biến: Phương pháp ma trận đơn giản và phương pháp ma trận định lượng hoặc định cấp. Khác với ma trận đơn giản, ma trận định lượng khơng chỉ đánh dấu khả năng tác động trong các ơ (tác động hay yếu tố) mà cịn định lượng hĩa mức độ, loại và tầm quan trọng của tác động. Hạn chế của nĩ là tương tác giữa các tác động chưa được đề cập đến, chưa xét đến sự diễn biến của các tác động theo thời gian (thời gian vật lý), chưa phân biệt được tác động lâu dài hay tạm thời. Ngồi ra, việc xác định hệ số tầm quan trọng và mức độ tác động cịn mang tính chủ quan (chuyên gia). Song, hiện nay khơng cịn phương pháp nào tốt hơn nên vẫn được áp dụng rất phổ biến là vì phương pháp này đơn giản, khơng cần nhiều số liệu, cho phép phân tích tường minh tác động của nhiều hành động khác nhau lên cùng một đối tượng và thể hiện rõ mối quan hệ giữa hoạt động phát triển (nguyên nhân) với các nhân tố mơi trường. ðể khắc phục các nhược điểm đĩ, ở Canada đã đề xuất một ma trận cĩ thành phần tương tác (điều kiện) tương tự ma trận của Leopold, chỉ bổ sung một ma trận riêng (cả trục tung lẫn trục hồnh đều biểu thị các yếu tố mơi trường) cho các yếu tố mơi trường để xác định những nhân tố mơi trường cĩ tác động nhiều đến các yếu tố mơi trường khác, từ đĩ xác định tầm quan trọng của nĩ và tính ra được các tác động thứ cấp. Một số nơi khác cũng cĩ những cải tiến về định thứ bậc của các tác động theo 4 kiểu: ðịnh danh, định thứ tự, định khoảng và định tỷ lệ. Trong bài báo này, chúng tơi sử dụng cơng thức của phương pháp ma trận định lượng mơi trường để xây dựng thang phân cấp mức độ tác động của các yếu tố tự nhiên - kỹ thuật đối với quá trình trượt đất đá vùng đồi núi như sau [1, 2, 3]: ij 1 1 2 2 1 ............ n i j j n nj i K I M I M I M I M = = = + + +∑ (1) 149 Với: Ii là hệ số tầm quan trọng của yếu tố thứ i (hệ số tác động hay trọng số). Mij: Chỉ số mức độ ảnh hưởng hoặc cường độ tác động của yếu tố mơi trường thứ i cĩ cường độ tác động hay mức độ ảnh hưởng j. j: Mức độ ảnh hưởng hoặc cường độ tác động của yếu tố mơi trường thứ i. n: Số yếu tố mơi trường. K: Tổng giá trị hoạt động địa động lực các yếu tố mơi trường khu vực. Kmax: Tổng giá trị lớn nhất về hoạt động địa động lực các yếu tố mơi trường khu vực. KDDL = K/Kmax: Cường độ hoạt động địa động lực. ij 1 1 2 21 DDL ax 1 1 ax 2 2 ax ax ijmax 1 ........ ........ n i j j n nji n m jm jm n njm i i I M I M I M I MK K K I M I M I M I M = = + + + = = = + + + ∑ ∑ (2) 2.2. Phương pháp quá trình phân tích cấp bậc của Saaty Bảng 1. Thang tỷ lệ so sánh tầm quan trọng các yếu tố tác động của Saaty Yếu tố tác động (Lớp thành phần) Quan trọng bằng nhau Quan trọng hơn >>> Quan trọng hơn vừa Quan trọng hơn nhiều Quan trọng hơn rất nhiều Quan trọng cực kỳ Quan trọng bằng nhau 1 3 5 7 9 < < < Q u an t rọ n g th u a Quan trọng ít vừa 1/3 1 3 5 7 Quan trọng rất ít 1/5 1/3 1 3 5 Quan trọng rất vơ cùng ít 1/7 1/5 1/3 1 3 Quan trọng cực kỳ ít 1/9 1/7 1/5 1/3 1 Tổng 1.787 4.676 9.533 16.333 25.000 Phương pháp quá trình phân tích cấp bậc để tính tốn trọng số (hệ số tầm quan trọng) và phân cấp cường độ tác động của các yếu tố thành phần đã được nhà tốn học người Mỹ T.L. Saaty, và một số tác giả trên thế giới cũng như ở Việt Nam đã sử dụng để đánh giá định lượng cường độ của các quá trình. Lý thuyết này phân chia cường độ tác động (j) thành 5 cấp: 1, 3, 5, 7, 9 và đưa ra thang tỷ lệ so sánh tầm quan trọng của các 150 yếu tố tác động. Saaty đã dùng phương pháp chuyên gia để so sánh hơn các yếu tố tác động theo 5 cấp độ (1, 3, 5, 7, 9) và so sánh thua theo 5 cấp độ (1, 1/3, 1/5, 1/7, 1/9) trên một ma trận vuơng cấp n (n là số yếu tố tác động dùng để so sánh). Trong đĩ, Saaty qui định đường chéo chính của ma trận vuơng cĩ giá trị bằng 1. Ma trận này chỉ ra rằng nếu chỉ số quan trọng của yếu tố A so với B là n thì ngược lại tỉ số quan trọng của B so với A là 1/n. Dựa vào thang tỷ lệ sẽ xác lập được ma trận so sánh giữa các yếu tố tác động (Bảng1). Sau đĩ tính tốn trọng số cho từng lớp thành phần bằng cách sử dụng vector nguyên lý Eigen (cĩ thể tính tốn gần đúng vector nguyên lý Eigen bằng cách chia từng giá trị của mỗi cột cho tổng giá trị trong cột đĩ để thiết lập một ma trận mới, khi đĩ giá trị trung bình trên mỗi hàng của ma trận mới chính là trọng số của yếu tố tác động cĩ giá trị từ 0 đến 1) [4, 5]. 3. Xác định cường độ trượt đất đá đá vùng đồi núi Tây Thừa Thiên Huế bằng phương pháp tiếp cận đa chỉ tiêu ðể tiến hành đánh giá cường độ trượt đất đá vùng đồi núi bằng các phương pháp đa chỉ tiêu cần thực hiện một số thao tác sau: - Lựa chọn các yếu tố tự nhiên - kỹ thuật cĩ ảnh hưởng đến tai biến địa chất. - Xác định tầm quan trọng Ii. - ðịnh giá cường độ tác động Mij của từng yếu tố tự nhiên - kỹ thuật đã chọn. - Tính trọng số Wi các chỉ tiêu thành phần. - Xác định cường độ tác động tổng hợp KDDL của tất cả các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trượt đất đá vùng đồi núi bằng các phương pháp đa chỉ tiêu. 3.1. Lựa chọn các yếu tố tự nhiên - kỹ thuật và xác định tầm quan trọng Ii Các yếu tố tự nhiên - kỹ thuật được trình bày ở bảng 2. Bảng 2 được thành lập trên cơ sở quan trắc thực tế, kết quả nghiên cứu bản thân và tham khảo từ các chuyên gia được phân thành 5 cấp: Ii = 1 cho yếu tố rất ít quan trọng; Ii = 3 đối với yếu tố ít quan trọng; Ii = 5 với yếu tố quan trọng vừa; Ii = 7 khi yếu tố xem xét là quan trọng; Ii = 9 đối với yếu tố rất quan trọng [1, 2]. 3.2. ðịnh giá cường độ tác động Mij của từng yếu tố tự nhiên - kỹ thuật đã chọn Cường độ tác động của từng yếu tố tự nhiên - kỹ thuật theo kết quả đo đạc, quan trắc thực tế được phân chia theo 5 mức: Mij = 1 tác động rất yếu (rất bé, rất thấp, rất chậm...); Mij = 2 tác động yếu (bé, thấp, chậm...); Mij = 3 tác động trung bình (vừa); Mij = 4 tác động mạnh (cao, nhanh, lớn...); Mij = 5 tác động rất mạnh (rất cao, rất nhanh, rất lớn...). 151 3.3. Tính trọng số Wi các chỉ tiêu thành phần ðể xác định trọng số Wi các chỉ tiêu thành phần, trước hết cần lập bảng ma trận so sánh các chỉ tiêu (Bảng 3). Sau đĩ tính tốn trọng số cho từng lớp thành phần bằng cách sử dụng vector nguyên lý Eigen (cĩ thể tính tốn gần đúng vector nguyên lý Eigen bằng cách chia từng giá trị của mỗi cột cho tổng giá trị trong cột đĩ để thiết lập một ma trận mới, khi đĩ giá trị trung bình trên mỗi hàng của ma trận mới chính là trọng số của yếu tố tác động cĩ giá trị từ 0 đến 1) (Bảng 4). 3.4. Xác định cường độ tác động tổng hợp KDDL của tất cả các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trượt đất đá vùng đồi núi Trong nội dung bài báo này sẽ tiến hành xác định cường độ tác động tổng hợp KDDL của tất cả các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trượt đất đá vùng đồi núi theo hai phương pháp: Phương pháp ma trận định lượng và phương pháp quá trình phân tích cấp bậc của Saaty (Bảng 5) như đã trình bày ở trên và tiến hành phân cấp mức độ tác động theo 5 cấp như sau: KDDL< 0,20 rất yếu; KDDL= 0,21 – 0,40 yếu; KDDL= 0,41 – 0,60 trung bình; KDDL= 0,61 – 0,80 mạnh; KDDL> 0,80 rất mạnh. Bảng 2. Thang bậc hệ số tầm quan trọng Ii và cường độ tác động Mij của các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trượt đất đá đá trên sườn dốc vùng đồi núi nghiên cứu TT Các yếu tố Ký hiệu Hệ số Ii Cấp độ tác động Mij Giá trị Mij 1 Cường độ mưa mm/2-3 ngày A 9 I < 50 mm/2-3 ngày 1 I = 51 - 200 mm/2-3 ngày 2 I = 201 - 500 mm/2-3 ngày 3 I = 501 - 750 mm/2-3 ngày 4 I > 750 mm/2-3 ngày 5 2 Hệ số dịng chảy C α B 9 C α < 0,50 1 C α = 0,51 - 0,55 2 C α = 0,56 - 0,60 3 C α = 0,61 - 0,65 4 C α = 0,65* 5 152 3 ðộ sũng nước của đất đá G C 9 G < 0,25 (25%) 1 G = 0,26 - 0,50 2 G = 0,51 - 0,75 3 G = 0,76 - 1,00 4 G > 1,00* 5 4 Mức độ phong hố D 9 ðá tươi (IIB) 1 Phong hố nhẹ (IIA) 2 Phong hố vừa (IB) 3 Phong hố mạnh (IA2) 4 Phong hố hồn tồn (IA1) 5 5 Xây dựng cơng trình, đào bốc đất m3/km E 9 KL đất đá đào bốc (m3/1km) < 5000 1 KL đất đá đào bốc (m3/1km) = 5000 - 25000 2 KL đất đá đào bốc (m3/1km) = 25001 - 50000 3 KL đất đá đào bốc (m3/1km) = 50001 -150000 4 KL đất đá đào bốc (m3/1km) > 150.000 5 6 Bề dày vỏ phong hố, m G 7 < 1,0 1 1,0 - 5,0 2 5,1 - 10,0 3 10,1 - 20 4 > 20 5 7 Thế nằm của lớp đá H 7 ðá cấu tạo khối, đất đá phân lớp nằm ngang 1 ðá cĩ hướng cắm vào trong sườn dốc 2 ðất đá cĩ hướng dốc khơng rõ ràng 3 153 ðá cắm thuận dốc với gĩc cắm > gĩc sườn dốc 4 ðá cắm thuận dốc với gĩc cắm < gĩc sườn dốc 5 8 ðộ dốc sườn dốc α, độ I 7 α < 50 1 α = 5 - 150 2 α = 16 - 250 3 α = 26 - 350 4 α > 350 5 9 Xĩi lở bờ Ker, % K 7 Ker < 2,5 % 1 Ker = 2,5 - 10% 2 Ker = 11 - 20% 3 Ker = 21 - 30% 4 Ker > 30 % 5 10 Thành phần thạch học L 7 Magma, BC, TT cacbonat, lục nguyên thơ 1 BC, TT phân lớp phong hĩa nhẹ 2 ðá các loại, nứt nẻ phong hĩa vừa 3 ðá các loại bị phong hĩa 4 ðá phong hĩa thành đất 5 11 ðộ cao sườn dốc (mái dốc), m M 7 < 50 1 51 - 150 2 151 - 350 3 351 - 700 4 > 700 5 12 Áp lực thủy tĩnh N 5 20 % bề dày tầng phủ bị bảo hịa nước 1 21 - 40 % bề dày tầng phủ bị bảo hịa nước 2 41 - 60 % bề dày tầng phủ bị bảo hịa nước 3 154 61 - 80 % bề dày tầng phủ bị bảo hịa nước 4 > 80 % bề dày tầng phủ bị bảo hịa nước 5 13 Áp lực thủy động, KG/cm2 O 5 J < 0,1 1 J = 0,1 - 0,5 2 J = 0,51 - 0,9 3 J = 0,91 - 1,3 4 J = > 1,3 5 14 Lớp phủ thực vật, % P 5 Rừng kín cĩ tán che > 50% 1 Rừng hỗn giao tán che 50 - 30% 2 Rừng nghèo tán che 30 - 20% 3 Các loại cây cơng nghiệp 4 ðất trống, đồi trọc 5 15 Hoạt động động đất (cường độ động đất M - độ Richter) Q 5 M < 2 1 M = 2,0 - 3,5 2 M = 3,6 - 5,0 3 M = 5,1 - 6,5 4 M > 6,5 5 16 ðốt phá rừng Cc R 5 Cc < 0,10 1 Cc = 0,11 - 0,35 2 Cc = 0,36 - 0,50 3 Cc = 0,51 - 0,65 4 CC > 0,65 5 17 Nâng tân kiến tạo (mm/năm) S 3 < 0,05 1 0,05 - 1,5 2 1,6 - 2,5 3 2,6 - 3,5 4 > 3,5 5 155 18 Chia cắt sâu T 3 < 50 m 1 50 - 150 m 2 151 m - 350 m 3 351 m - 700 m 4 > 700 m 5 19 Phân cắt ngang De, km/km2 U 1 De < 0,25 1 De = 0,26 - 0,50 2 De = 0,51 - 0,75 3 De = 0,76 - 1,0 4 De > 1,0 5 4. Kết luận và kiến nghị - Kết quả nghiên cứu ở trên cho thấy cĩ thể sử dụng hai phương pháp tiếp cận đa chỉ tiêu để đánh giá cường độ hoạt động địa động lực ở vùng đồi núi đặc biệt vào mùa mưa và cho giá trị bằng số về cường độ hoạt động trượt đất đá đều nằm trong ngưỡng KDDL= 0,61 – 0,8 (mạnh) là chính xác so với thực tế mùa mưa lũ năm 1999. - Kết quả dự báo hoạt động dịch chuyển trọng lực đất đá từ mái dốc đường giao thơng bằng hai phương pháp cho kết quả gần giống nhau, do đĩ tác giả đề nghị chọn phương pháp ma trận định lượng trong dự báo trong dự báo tai biến địa chất này nhờ ưu thế đơn giản trong tính tốn. - Giá trị định lượng về cường độ trượt đất đá cao trong khu vực này (KDDL= 0,74 – 0,77) là phù hợp với thực tế khả năng xảy ra trượt đất đá khá lớn kéo theo hoạt động lũ bùn đá, lũ quét, sụt đất, đổ đá rất lớn và ồ ạt gây ách tắt giao thơng và ảnh hưởng đến đời sống của nhân dân trong phạm vi ảnh hưởng này vào mùa mưa lũ. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Nguyễn Thị Thanh Nhàn, Nguyễn Thanh, ðỗ Quang Thiên, Ứng dụng phương pháp tiếp cận đa chỉ tiêu trong đánh giá cường độ lũ bùn đá lãnh thổ đồi núi bị chia cắt mạnh Tây A Lưới, Tuyển tập báo cáo Hội nghị khoa học lần thứ 18 Trường ðại học Mỏ ðịa chất, Hà Nội, (2008), 62-69. [2]. Tạ ðức Thịnh, Nguyễn ðức Lý, ðề xuất tiêu chí và thang bậc đánh giá cường độ tác động tương hỗ của các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trượt lở đất đá trên sườn dốc miền núi, Tuyển tập báo cáo Hội nghị khoa học lần thứ 18 Trường ðại học Mỏ ðịa chất, Hà Nội, (2008), 124 -130. 156 [3]. ðỗ Quang Thiên, Nguyễn Thanh, ðề xuất một thang bậc và tiêu chí đánh giá về mức độ hoạt động thủy thạch động lực sơng Vu Gia - Thu Bồn, Tạp chí Khí Tượng Thủy Văn, số 542, Hà Nội, (2006), 37-43. [4]. ðỗ Quang Thiên, ðỗ Minh Tồn, Ma trận định lượng đánh giá cường độ hoạt động địa động lực đoạn hạ lưu Thu Bồn theo lý thuyết quá trình phân tích thứ bậc Saaty, Tạp chí Khoa học ðại học Huế, số 36, (2007), 105-115. [5]. Saaty T.L., Fundamentals of the Analytic Hierarchy Process, RWS Publications, 4922 Ellsworth Avenue, Pittsburgh, PA 15413, (2000). APPLYING THE THEORY OF APPROACHING METHOD IN MULTI - CRITERION TO APPRECIATING THE STRENGH OF LANDSLIDE OCCURRENCE AT WESTERN MOUNTAINOUS AREA OF THUA THIEN HUE PROVINCE Nguyen Thi Thanh Nhan, Nguyen Thanh College of Sciences, Hue University Ta Duc Thinh Science - Technology Department, Ministry of Education and Training SUMMARY In recent years, some countries in the world as well as Vietnam have applied the theory of approaching method in multi - criterion for quantitative appreciation of the effect of natural - technical factors to the research on the progresses and the phenomenon of geodynamic and of natural disasters, particularly the landslide occurrence on the mountainous area. The author tried this theory to assign parameters to factors affecting the progresses of landslide. After that, assessment and comparison of the results in strength of geodynamic - landslide on the mountainous area in our two methods of multi - criterion calculation in past time were done.