Luận án Tiến sĩ Vật lý: Nghiên cứu đánh giá rủi ro động đất khu vực đô thị thành phố Hà Nội

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:160

Thêm vào BST

Báo xấu

60
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài là hoàn thiện công cụ đánh giá rủi ro động đất đô thị ở Việt Nam trên cơ sở những tiến bộ mới về phương pháp luận và công cụ đánh giá rủi ro động đất trên thế giới, kết hợp với kế thừa các kết quả nghiên cứu trước đây; xây dựng một bức tranh toàn cảnh về mức độ rủi ro động đất đô thị thành phố Hà Nội trên cơ sở những cập nhật mới về phương pháp luận đánh giá rủi ro động đất và cơ sở dữ liệu. Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Vật lý: Nghiên cứu đánh giá rủi ro động đất khu vực đô thị thành phố Hà Nội

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- PHẠM THẾ TRUYỀN NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ RỦI RO ĐỘNG ĐẤT KHU VỰC ĐÔ THỊ THÀNH PHỐ HÀ NỘI LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ ĐỊA CẦU Hà Nội – 2020
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- PHẠM THẾ TRUYỀN NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ RỦI RO ĐỘNG ĐẤT KHU VỰC ĐÔ THỊ THÀNH PHỐ HÀ NỘI Chuyên ngành: Vật lý địa cầu Mã số: 9 44 01 11 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ ĐỊA CẦU NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS. NGUYỄN HỒNG PHƯƠNG 2. GS. TS. KUO-LIANG WEN HÀ NỘI - 2020
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu trình bày trong luận án là trung thực. Một số kết quả nghiên cứu đã được tôi công bố riêng hoặc đồng tác giả, phần còn lại chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án đã được ghi nhận và trích dẫn trong luận án này. Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Tác giả luận án Phạm Thế Truyền i
LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án, nghiên cứu sinh đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ nhiệt tình từ các thầy cô, bạn bè, đồng nghiệp và người thân. Trước tiên, nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. Nguyễn Hồng Phương, GS.TS. Kuo-Liang Wen (Trường đại học Trung tâm Trung ương Đài Bắc, Trung Quốc) – những người thầy trực tiếp hướng dẫn và chỉ bảo cho nghiên cứu sinh trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận án. Nghiên cứu sinh chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Viện Vật lý địa cầu, Ban lãnh đạo Học viện Khoa học và Công nghệ, Ban lãnh đạo Khoa các Khoa học Trái đất đã tạo điều kiện để nghiên cứu sinh hoàn thành chương trình học tập. Nghiên cứu sinh xin cảm ơn các Quý thầy/cô, các cán bộ phòng ban trong và ngoài cơ sở đào tạo đã hướng dẫn, đóng góp ý kiến trong quá trình thực hiện luận án. Nghiên cứu sinh xin cám ơn các đồng nghiệp, bạn bè và gia đình đã quan tâm giúp đỡ và chia sẻ với nghiên cứu sinh trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận án này. Phạm Thế Truyền ii
MỤC LỤC MỤC LỤC .................................................................................................................III DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT........................................... VI DANH MỤC CÁC BẢNG ....................................................................................VIII DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ........................................................................... IX MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU .......................................8 1.1. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU NGOÀI NƯỚC .............................................8 1.1.1. Nghiên cứu đánh giá độ nguy hiểm động đất.........................................8 1.1.2. Nghiên cứu đánh giá rủi ro động đất...................................................14 1.2. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC ..........................................18 1.2.1. Đánh giá độ nguy hiểm động đất .........................................................18 1.2.2. Đánh giá rủi ro động đất đô thị ở Việt Nam. .......................................26 1.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 ........................................................................................28 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP LUẬN, DỮ LIỆU VÀ CÔNG CỤ ĐÁNH GIÁ RỦI RO ĐỘNG ĐẤT ĐÔ THỊ .........................................................................30 2.1. ĐÁNH GIÁ ĐỘ NGUY HIỂM ĐỘNG ĐẤT .................................................................31 2.1.1. Đánh giá xác suất độ nguy hiểm động đất..........................................31 2.1.2. Đánh giá tất định độ nguy hiểm động đất ..........................................33 2.2. HIỆU CHỈNH GIÁ TRỊ KHUẾCH ĐẠI RUNG ĐỘNG NỀN............................................35 2.2.1. Hiệu chỉnh gián tiếp giá trị khuếch đại rung động nền .......................36 2.2.2. Hiệu chỉnh trực tiếp giá trị khuếch đại rung động nền .......................38 2.3.1. Cơ sở lý thuyết đánh giá thiệt hại nhà cửa do động đất ......................39 2.3.2. Cơ sở lý thuyết ước lượng thiệt hại về người do động đất ..................44 2.4. CƠ SỞ DỮ LIỆU ....................................................................................................51 2.4.1. Dữ liệu về địa chấn kiến tạo khu vực thành phố Hà Nội và lân cận ...51 2.4.2. Dữ liệu động đất ..................................................................................51 iii
2.4.3. Dữ liệu địa chất công trình, điểm đo địa chấn thăm dò và vi địa chấn khu vực Hà Nội ..............................................................................................52 2.4.4. Cơ sở dữ liệu GIS về nhà cửa và dân số ..............................................52 2.5. CÔNG CỤ ĐÁNH GIÁ RỦI RO ĐỘNG ĐẤT ĐÔ THỊ ...................................................59 2.5.1. Mô đun 1: Xác định vùng nghiên cứu ..................................................60 2.5.2. Mô đun 2: Đánh giá khả năng rung động nền .....................................61 2.5.2.1. Đánh giá khả năng rung động nền bằng phương pháp tất định.......64 2.5.2.2. Đánh giá khả năng rung động nền bằng phương pháp xác suất. .....66 2.5.3. Mô đun 3: Ước lượng tổn thất .............................................................67 2.6. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ...........................................................................................70 CHƯƠNG 3: ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤN KIẾN TẠO KHU VỰC THÀNH PHỐ HÀ NỘI VÀ LÂN CẬN ..................................................................................................72 3.1. CÁC ĐỚI ĐỨT GÃY HOẠT ĐỘNG .........................................................................72 3.2. TÍNH ĐỊA CHẤN KHU VỰC THÀNH PHỐ HÀ NỘI VÀ LÂN CẬN .............................75 3.2.1. Tính địa chấn khu vực miền Bắc Việt Nam và lân cận ........................75 3.2.2. Tính địa chấn khu vực đới đứt gãy Sông Hồng – Sông Chảy ..............81 3.3. KHẢO SÁT QUY LUẬT TỶ LỆ ĐỒNG DẠNG ĐỘNG ĐẤT KHU VỰC MIỀN BẮC VIỆT NAM VÀ LÂN CẬN. .....................................................................................................83 3.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ........................................................................................88 CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ ĐỘ NGUY HIỂM ĐỘNG ĐẤT CHO KHU VỰC THÀNH PHỐ HÀ NỘI .............................................................................................90 4.1. MÔ HÌNH NGUỒN CHẤN ĐỘNG ...........................................................................90 4.2. ƯỚC LƯỢNG CÁC THAM SỐ NGUY HIỂM ĐỘNG ĐẤT CHO CÁC VÙNG NGUỒN CHẤN ĐỘNG ...............................................................................................................92 4.3. MÔ HÌNH TẮT DẦN CHẤN ĐỘNG.........................................................................94 4.4. THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐỘ NGUY HIỂM ĐỘNG ĐẤT KHU VỰC THÀNH PHỐ HÀ NỘI 95 4.4.1. Đánh giá xác suất độ nguy hiểm động đất khu vực thành phố Hà Nội95 4.4.2. Đánh giá tất định độ nguy hiểm động đất khu vực thành phố Hà Nội 98 4.5. HIỆU CHỈNH GIÁ TRỊ KHUẾCH ĐẠI RUNG ĐỘNG NỀN ........................................102 4.5.1. Hiệu chỉnh trực tiếp giá trị khuếch đại rung động nền .....................103 iv
4.5.2. Hiệu chỉnh gián tiếp giá trị khuếch đại rung động nền .....................106 4.6. THẢO LUẬN KẾT QUẢ CHƯƠNG 4.....................................................................109 4.7. KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 ........................................................................................112 CHƯƠNG 5: ĐÁNH GIÁ RỦI RO ĐỘNG ĐẤT CHO KHU VỰC ĐÔ THỊ THÀNH PHỐ HÀ NỘI ...........................................................................................114 5.1. KẾT QUẢ ĐÁNH GIÁ THIỆT HẠI NHÀ CỬA TẠI KHU VỰC ĐÔ THỊ THÀNH PHỐ HÀ NỘI 114 5.1.1. Kết quả đánh thiệt hại nhà cửa bằng phương xác suất .....................114 5.1.2. Kết quả đánh giá thiệt hại nhà cửa bằng phương pháp tất định .......115 5.1.3. So sánh kết quả đánh giá thiệt hại nhà cửa nhận được từ hai phương pháp xác suất và tất định .............................................................................117 5.2. KẾT QUẢ ĐÁNH GIÁ THIỆT HẠI NGƯỜI RO ĐỘNG ĐẤT KHU VỰC ĐÔ THỊ THÀNH PHỐ HÀ NỘI .............................................................................................................120 5.3. THẢO LUẬN KẾT QUẢ CHƯƠNG 5 ......................................................................127 5.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 5 ........................................................................................129 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................131 1. KẾT LUẬN ........................................................................................................131 2. KIẾN NGHỊ VỀ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ...............................................133 TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................134 v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu/ Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt DEM Digital elevation model Mô hình số độ cao DSHA Deterministics seismic Đánh giá tất định độ nguy hazard assessment hiểm động đất ĐGSH Đứt gãy Sông Hồng ĐGSH-SC Đứt gãy Sông Hồng – Sông Chảy ĐNA Đông Nam Á EOS Earth Observatory of Trung tâm quan trắc Trái Singapore đất Singapore FEMA Federal Emergency Cơ quan Quản lý Khẩn Management Agency cấp Liên bang GEM Global earthquake model Mô hình động đất toàn cầu GIS Geographic information Hệ thống thông tin địa lý system GMPE Ground motion Phương trình tắt dần chấn prediction equation động GSHAP Global seismic hazard Chương trình đánh giá độ assessment program nguy hiểm động đất toàn cầu HAZUS Hazard risk assessment Chương trình đánh giá rủi and loss estimation ro động đất và ước lượng thiệt hại HAZUS-MH Multi-hazard risk Chương trình đánh giá rủi assessment and loss ro đa thiên tai và ước estimation lượng thiệt hại HLCD Hợp lý cực đại IDNR International Decade Thập kỷ quốc tế giảm nhẹ for Natural thiên tai Disaster Reduction ISC International Trung tâm địa chấn quốc Seismological Center tế NCS Nghiên cứu sinh NDSHA Neodeterministics Đánh giá tất định mới độ seismic hazard nguy hiểm động đất assessment vi
NEIC National Earthquake Trung tâm thông tin động Information Center đất quốc gia NHERP National Earthquake Chương trình quốc gia Hazards Reduction giảm nhẹ thiệt hại động Program đất PGA Peak ground acceleration Gia tốc nền cực đại PSHA Probabilistics seismic Đánh giá xác suất độ hazard assessment nguy hiểm động đất RADIUS Risk assessment tools for Công cụ phân tích đánh diagnosis of urban areas giá rủi ro động đất độ thị against seismic disasters RISK-EU European RISK-UE Dự án đánh giá rủi ro project động đất khu vực Châu âu SA Spectra Acceleration Gia tốc phổ nền SHARE Hợp nhất độ nguy hiểm Seismic Hazard địa chấn khu vực Châu âu Harmonization in Europe TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam UNDRO United Nations Disaster Văn phòng điều phối viên Relief Organization - cứu trợ thiên tai liên hợp United Nations Disaster quốc Relief Coordinator USGS US Geological Survey Cục khảo sát địa chất Hoa kỳ Vs30 Vận tốc sóng ngang trung bình trong lớp phủ có độ dày 30 m tính từ bề mặt vii
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2. 1. Phân loại nền theo Tiêu chuẩn Quốc gia Việt Nam về thiết kế kháng chấn cho các công trình xây dựng TCVN 9386:2012 [83] ............................. 37 Bảng 2. 2. Hệ số khuếch đại nền theo Tiêu chuẩn Quốc gia Việt Nam TCVN 9386:2012 về thiết kế kháng chấn cho các công trình xây dựng [83]. ........... 38 Bảng 2. 3. Thang phân cấp mức độ thương vong do động đất. ...................... 45 Bảng 2. 4. Các công thức mặc định tính phân bố dân cư nội thành thành phố Hà Nội. ............................................................................................................ 47 Bảng 2. 5. Phân loại nhà cửa theo kết cấu và chiều cao ................................. 53 Bảng 2. 6. Phân loại nhà cửa theo chức năng sử dụng ................................... 55 Bảng 4. 1. Tham số nguy hiểm động đất của các vùng nguồn chấn động khu vực thành phố Hà Nội và lân cận .................................................................... 93 Bảng 4. 2. Danh mục các kịch bản động đất ................................................. 100 Bảng 4. 3. Hệ số phổ gia tốc phản ứng ......................................................... 106 Bảng 5. 1. Kết quả uớc lượng thiệt hại về người ở bốn mức độ thương vong tại ba thời điểm trong ngày do kịch bản động đất Sông Hồng .......................... 126 viii
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1. 1. Bản đồ gia tốc nền cực đại (PGA) ứng với chu kỳ lặp lại 475 năm trên nền đá, phiên bản năm 2018 [36] ............................................................. 11 Hình 1. 2. Bản đồ gia tốc phổ nền lãnh thổ Hoa Kỳ chu kỳ ngắn 0.2s ứng với chu kỳ lặp lại 2500 năm trên nền đá loại B phiên bản 2018 [43] ................... 12 Hình 1. 3. Bản đồ gia tốc nền cực đại (PGA) ứng với chu kỳ lặp lại 2475 năm trên nền đá loại B [8]. ...................................................................................... 13 Hình 1. 4. Bản đồ phân bố giá trị thiệt hại trung bình hàng năm của công trình xây dựng trên đơn vị diện tích [52]. ................................................................ 16 Hình 1. 5. Bản đồ dự báo ước lượng thiệt hại hàng năm do động gây ra theo đơn vị hành chính trên toàn nước Mỹ [53] ..................................................... 17 Hình 1. 6. Bản đồ phân vùng động đất Việt Nam [66] ................................... 20 Hình 1. 7. Bản đồ phân vùng gia tốc nền cực đại lãnh thổ Việt Nam phiên bản năm 2004 [2]. .................................................................................................. 22 Hình 2. 1. Quy trình đánh giá rủi ro động đất đô thị áp dụng cho thành phố Hà Nội. .................................................................................................................. 31 Hình 2. 2. Quy trình đánh giá độ nguy hiểm động đất bằng phương pháp tất định theo [26,27] ............................................................................................. 34 Hình 2. 3. Sơ đồ quy trình hiệu chỉnh giá khuếch đại rung động nền ............ 36 Hình 2. 4. Quy trình hiệu chỉnh trực tiếp giá trị khuếch đại rung động nền trong đánh giá độ nguy hiểm động đất. .................................................................... 39 Hình 2. 5. Đường cong biểu thị các trạng thái phá huỷ nhẹ, trung bình, nặng và hoàn toàn [11]. ................................................................................................ 40 Hình 2. 6. Ví dụ về đồ thị khả năng chịu lực của một toà nhà [11]. ............... 43 Hình 2. 7. Xác định phản ứng cực đại của một toà nhà bằng các đồ thị khả năng chịu lực và đồ thị phổ tác động [11] ............................................................... 44 Hình 2. 8. Mô hình hoá thương vong bằng cây sự kiện [11]. ......................... 46 ix
Hình 2. 9. Bản đồ phân loại nhà cửa theo kết cấu tại 5 quận Hoàn kiếm, Ba Đình, Hai Bà Trưng, Đống Đa và Thanh Xuân. ............................................. 57 Hình 2. 10. Bản đồ phân loại nhà cửa theo mục đích sử dụng tại 5 quận Hoàn kiếm, Ba Đình, Hai Bà Trưng, Đống Đa và Thanh Xuân. .............................. 57 Hình 2. 11. Phân bố mật độ dân số theo Phường tại thành phố Hà Nội cập nhật đến năm 2019 [92]. ......................................................................................... 59 Hình 2. 12. Giao diện đồ họa thực hiện Mô đun xác định vùng nghiên cứu .. 61 Hình 2. 13. Sơ đồ đánh giá khả năng rung động nền theo phương pháp PSHA và DSHA ......................................................................................................... 63 Hình 2. 14. Cửa sổ chọn nguồn tuyến động đất kịch bản và phương trình tắt dần chấn động. ....................................................................................................... 65 Hình 2. 15. Cửa sổ cho phép chỉnh sửa các tham số của động đất lịch sử đã chọn. ................................................................................................................ 65 Hình 2. 16. Cửa sổ cho phép chỉnh sửa các tham số của nguồn tuyến. .......... 66 Hình 2. 17. Cửa sổ cho phép chỉnh sửa các tham số của nguồn điểm tuỳ ý. .. 66 Hình 2. 18. Sơ đồ quy trình đánh giá ước lượng thiệt hại nhà cửa và người.. 67 Hình 3. 1. Bản đồ các đới đứt gãy sinh chấn và chấn tâm động đất khu vực miền Bắc Việt Nam và lân cận. Danh mục động đất cập nhật từ 1903 - 2019. ....... 72 Hình 3. 2. Bản đồ chấn tâm các trận động đất ghi nhận được trên lãnh thổ và thềm lục địa Việt Nam thời kỳ 1903-2019: động đất có độ lớn từ M >=1.2 .. 78 Hình 3. 3. Bản đồ chấn tâm động đất ghi nhận được trên lãnh thổ và thềm lục địa Việt Nam thời kỳ 1903-2019: động đất có độ lớn từ M >=4.0 ................. 79 Hình 3. 4. Đồ thị biểu thị mối quan hệ giữa tần suất và độ lớn động đất khu vực miền Bắc Việt Nam và lân cận........................................................................ 79 Hình 3. 5. Đồ thị biểu thị mối quan hệ giữa tần suất và độ sâu động đất khu vực miền Bắc Việt Nam và lân cận........................................................................ 80 Hình 3. 6. Đồ thị biểu thị mối quan hệ giữa số động đất và thời gian khu vực miền Bắc Việt Nam và lân cận........................................................................ 80 x
Hình 3. 7. Đồ thị biểu thị mối quan hệ giữa độ lớn động đất và thời gian khu vực miền Bắc Việt Nam và lân cận................................................................. 81 Hình 3. 8. Bản đồ chấn tâm các trận động đất ghi nhận được khu vực Hà Nội và lân cận Việt Nam thời kỳ 1903-2019 ......................................................... 83 Hình 3. 9. Phân bố PS, L(T) của thời gian chờ T giữa các trận động đất có độ lớn m >log10S cho khu vực Miền Bắc, Việt Nam ứng với hai trường hợp tính địa chấn dài hạn (a) và ngắn hạn (b). .................................................................... 86 Hình 3. 10. Dữ liệu trên Hình 3.9 được vẽ lại với x = TS-bLdf và y=TαPS, L(T) cho trường hợp tính địa chấn dài hạn (a) và ngắn hạn (b). ............................. 87 Hình 4. 1. Bản đồ các vùng nguồn phát sinh động đất khu vực thành phố Hà Nội và lân cận. Các số trên bản đồ trùng với số thứ tự của các vùng nguồn trong bảng 4.1. .......................................................................................................... 92 Hình 4. 2. Bản đồ gia tốc phổ nền chu kỳ ngắn 0.3 giây khu vực thành phố Hà Nội ứng với chu kỳ lặp lại 475 năm, 975 năm, 2475 năm và 9975 năm. ....... 97 Hình 4. 3. Bản đồ gia tốc phổ nền chu kỳ dài 1.0 giây khu vực thành phố Hà Nội ứng với chu kỳ lặp lại 475 năm, 975 năm, 2475 năm và 9975 năm. ....... 98 Hình 4. 4. Chấn tâm các động đất kịch bản động đất. .................................. 100 Hình 4. 5. Phân bố giá trị rung động nền (PGA) tại khu vực nghiên cứu do động đất kịch bản Sông Hồng. ............................................................................... 102 Hình 4. 6. Sơ đồ phân bố giá trị Vs30 khu vực quận Hoàn Kiếm, Ba Đình, Hai Bà Trưng, Đống Đa và Thanh Xuân. ............................................................ 103 Hình 4. 7. Sơ đồ phân bố gia tốc phổ nền (SA) chu kỳ ngắn 0.3 giây có tính đến hiệu ứng nền ứng với chu kỳ lặp lại 475 năm. .............................................. 105 Hình 4. 8. Sơ đồ phân bố gia tốc phổ nền (SA) chu kỳ dài 1.0 giây có tính đến hiệu ứng nền ứng với chu kỳ lặp lại 475 năm. .............................................. 105 Hình 4. 9. Sơ đồ phân loại nền đất năm quận nội thành Hà Nội thành lập theo Tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 của Việt Nam. .............................................. 107 Hình 4. 10. Sơ đồ phân bố gia tốc phổ nền (SA) chu kỳ ngắn 0.3 giây có tính đến hiệu ứng nền theo kịch bản đứt gãy Sông Hồng. ................................... 108 xi
Hình 4. 11. Sơ đồ phân bố gia tốc phổ nền (SA) chu kỳ dài 1.0 giây có tính đến hiệu ứng nền theo kịch bản đứt gãy Sông Hồng. .......................................... 109 Hình 5. 1. Sơ đồ dự báo thiệt hại nhà cửa mức theo mực độ khác nhau theo phương pháp xác suất: a) mức nhẹ, b) mức trung bình, c) mức nặng, d) mức hoàn toàn. ...................................................................................................... 115 Hình 5. 2. Sơ đồ dự báo xác suất thiệt hại nhà cửa mức theo mực độ khác nhau theo phương pháp tất định: a) mức nhẹ, b) mức trung bình, c) mức nặng, d) mức hoàn toàn. .............................................................................................. 116 Hình 5. 3. Tỷ lệ diện tích nhà cửa bị thiệt hại so với tổng diện tích sử dụng (%) tại 5 quận nội thành Hà Nội ở bốn trạng thái phá hủy: a) Kết quả áp dụng phương pháp tất định (động đất kịch bản Sông Hồng); và b) Kết quả áp dụng phương pháp xác suất (bản đồ SA 1.0 giây và SA 0.3 giây ứng với chu kỳ lặp lại T=475 năm). ............................................................................................. 118 Hình 5. 4 Xác suất thiệt hại nhà cửa theo loại kết cấu (%) tại 5 quận nội thành Hà Nội ở bốn trạng thái phá hủy: a) Kết quả áp dụng phương pháp tất định (động đất kịch bản Sông Hồng); và b) Kết quả áp dụng phương pháp xác suất (bản đồ SA 1.0 giây và SA 0.3 giây ứng với chu kỳ lặp lại T=475 năm). ... 119 Hình 5. 5. Dự báo thiệt hại về người 5 quận Mức 1 tại ứng với kịch bản động đất Sông Hồng: a) 02h00; b) 14h00; c) 17h00 ............................................. 122 Hình 5. 6. Dự báo thiệt hại về người 5 quận Mức 2 tại ứng với kịch bản động đất Sông Hồng: a) 02h00; b) 14h00; c) 17h00 ............................................. 123 Hình 5. 7. Dự báo thiệt hại về người 5 quận Mức 3 tại ứng với kịch bản động đất Sông Hồng: a) 02h00; b) 14h00; c) 17h00 ............................................. 124 Hình 5. 8. Dự báo thiệt hại về người 5 quận Mức 4 tại ứng với kịch bản động đất Sông Hồng: a) 02h00; b) 14h00; c) 17h00 ............................................. 125 xii
MỞ ĐẦU Hà Nội, thủ đô của nước Việt Nam, là trung tâm chính trị, văn hóa, giáo dục và khoa học kỹ thuật của cả nước. Từ năm 2008, thành phố Hà Nội (Hà Nội) được mở rộng và trở thành thành phố có diện tích lớn nhất cả nước, đồng thời cũng là địa phương đứng thứ hai về dân số trong cả nước. Theo số liệu thống kê năm 2019, Hà Nội có diện tích 3.324,92 km², nằm trong 17 thủ đô lớn nhất thế giới, với hơn 8 triệu dân. Mật độ dân số trung bình của Hà Nội là 2.398 người/km2, cao gấp 8.2 lần so với mật độ trung bình của cả nước [1]. Bên cạnh mật độ dân số lớn, quá trình đô thị hóa của thủ đô cũng diễn ra rất nhanh trong những năm gần đây. Hà Nội dường như trở thành một đại công trường với hàng loạt các dự án phát triển cơ sở hạ tầng và xây dựng các khu đô thị. Xét về điều kiện tự nhiên, Hà Nội dễ bị tổn thương trước các tai biến thiên nhiên. Một trong những hiểm họa thiên nhiên có khả năng đe dọa Hà Nội là động đất. Theo kết quả nghiên cứu của các nhà địa chấn cho thấy Hà Nội nằm trên đới đứt gãy Sông Hồng, Sông Chảy, Sông Lô và nằm trong vùng động đất cấp VIII trên bản đồ phân vùng động đất toàn lãnh thổ Việt Nam trên nền loại B [2–4]. Hơn nữa, Hà Nội lại nằm trên vùng đất yếu, do đó nếu rung động địa chấn tác động đến khu vực thành phố Hà Nội sẽ được khuếch đại lên do hiệu ứng nền địa phương, gây ra những thiệt hại về nhà cửa và người. Mặc dù Hà Nội nằm trong vùng chịu ảnh hưởng của động đất và có nguy cơ chịu thiệt hại do động đất gây ra đối với cộng đồng được đánh giá là khá cao [5–7], tuy nhiên, cho đến nay vấn đề đánh giá rủi ro động đất vẫn chưa được chính thức đặt ra trong khuôn khổ quản lý nhà nước về quy hoạch và kiến trúc của thành phố. Trong những năm gần đây phương pháp đánh giá độ nguy hiểm động đất và đánh giá rủi ro động đất trên thế giới đã có những bước phát triển vượt bậc. Trong đó có thể kể đến như: sau hàng loạt các thảm họa động đất xảy ra gần đây các phương trình tắt dần chấn động đất cũng được cập nhật và xây dựng mới phù hợp với các phân vùng kiến tạo điển hình là dự án NGA-WEST1, NGA-WEST2 và SHARE [8– 10]; các mô hình đánh giá và ước lượng thiệt hại nhà cửa và người cũng được cập nhật [11,12]. 1
Trên cơ sở những vấn đề đã nêu, nghiên cứu sinh lựa chọn đề tài “Nghiên cứu đánh giá rủi ro động đất khu vực đô thị thành phố Hà Nội”, nhằm nâng cao năng lực nghiên cứu chuyên sâu về chủ đề đánh giá rủi ro động đất đô thị. Trên cơ sở kế thừa các tài liệu từ các nghiên cứu trước đây, kết hợp với các dữ liệu mới được thu thập và cập nhật, đồng thời áp dụng những tiến bộ mới về phương pháp luận đánh giá rủi ro động đất trên thế giới và công nghệ tính toán hiện đại được thực hiện trên môi trường GIS để tiến hành thực hiện đánh giá rủi ro động đất cho khu vực nghiên cứu. Mục tiêu của luận án: Trong khuôn khổ luận án này, hai mục tiêu cụ thể được đặt ra như sau: -Hoàn thiện công cụ đánh giá rủi ro động đất đô thị ở Việt Nam trên cơ sở những tiến bộ mới về phương pháp luận và công cụ đánh giá rủi ro động đất trên thế giới, kết hợp với kế thừa các kết quả nghiên cứu trước đây. -Xây dựng một bức tranh toàn cảnh về mức độ rủi ro động đất đô thị thành phố Hà Nội trên cơ sở những cập nhật mới về phương pháp luận đánh giá rủi ro động đất và cơ sở dữ liệu. Nhiệm vụ của luận án: Để đạt được mục tiêu của Luận án, các nhiệm vụ cần được thực hiện gồm có: - Thu thập, cập nhật và chuẩn hóa dữ liệu về khuôn dạng GIS. Cụ thể, các số liệu về địa chấn-kiến tạo khu vực nghiên thành phố Hà Nội và lân cận, các số liệu địa chất công trình, các số liệu Vs30, nhà cửa và dân số từ các nghiên cứu và điều tra khảo sát. Đặc biệt trong đó, số liệu quan trắc động đất được thu thập từ mạng lưới quan trắc của Viện Vật lý địa cầu và kết hợp các nguồn số liệu từ các trung tâm dữ liệu quốc tế (ISC, USGS, NEIC…), cập nhật đến năm 2019. - Xây dựng, cập nhật và hoàn thiện công cụ đánh giá rủi ro động đất ở Việt Nam trên cơ sở những cập nhật mới về cơ sở phương pháp luận đánh giá rủi ro động đất trên thế giới. - Đánh giá độ nguy hiểm động đất và rủi ro động đất cho khu vực đô thị thành phố Hà Nội theo hai cách tiếp cận xác suất và tất định bằng công cụ đánh giá rủi ro động đất được hoàn thiện. 2
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của Luận án: Song song với các nhiệm vụ của luận án được đặt ra, các đối tượng và phạm vi nghiên cứu cũng được xác định bao gồm: Đối tượng nghiên cứu: - Đánh giá khả năng rung động nền. - Đánh giá thiệt hại nhà cửa và ước lượng thiệt hại người. Phạm vi nghiên cứu: - Phạm vi toàn thành phố Hà Nội: Đánh giá khả năng rung động nền do động đất. - Phạm vi 05 quận nội thành là Hoàn Kiếm, Ba Đình, Đống Đa, Hai Bà Trưng và Thanh Xuân: Đánh giá thiệt hại nhà cửa và ước lượng thiệt hại người do động đất. Những điểm mới của luận án: Trong quá trình thực hiện các nội dung nghiên cứu của Luận án, một số điểm mới được rút ra như sau: - Cập nhật và hoàn thiện công cụ đánh giá rủi ro động đất đô thị có chức năng của một Hệ thống hỗ trợ ra quyết định mang tên ArcRisk vận hành trên môi trường GIS. ArcRisk được xây dựng trên cơ sở kết hợp những ưu điểm của các phương pháp luận đang được sử dụng rộng rãi nhất trên Thế giới như HAZUS-MH, OpenQuake và những đổi mới cho phù hợp với các điều kiện áp dụng ở Việt Nam như việc áp dụng các phương trình tắt dần chấn động được kiểm nghiệm phù hợp theo số liệu gia tốc nền, sử dụng Tiêu chuẩn Việt Nam trong các công đoạn của quy trình thực hiện, số liệu và cấu trúc dân số theo kết quả điều tra dân số năm 2019. - Xây dựng tập bản đồ gia tốc phổ nền chu kỳ ngắn 0.3 giây và chu kỳ dài 1.0 giây khu vực thành phố Hà Nội ứng với chu kỳ lặp lại 475, 975, 2475 và 9975 năm. - Áp dụng kỹ thuật hiệu chỉnh trực tiếp khuếch đại rung động nền theo sơ đồ phân bố Vs30 phục vụ đánh giá rủi ro động đất. - Các kết quả đánh giá và ước lượng thiệt hại về nhà cửa và người tại năm quận đông dân nhất của thành phố Hà Nội được tiến hành đánh giá một cách toàn 3
diện theo hai cách tiếp cận được áp dụng phổ biến trên thế giới là xác suất và tất định đưa ra một bức tranh hiện thực về hiểm họa động đất đối với cộng đồng đô thị. Cơ sở tài liệu và phương pháp: Cơ sở tài liệu được kế thừa kết quả nghiên cứu từ các đề tài và công trình nghiên cứu trước đây, kết hợp với những cập nhật mới về số liệu quan trắc động đất của Viện Vật lý địa cầu, dữ liệu điều tra dân số được thực hiện năm 2019 của Tổng cục thống kê. Các phương pháp nghiên cứu và kỹ thuật sử dụng trong khuôn khổ luận án có thể được phân ra thành 3 nhóm phương pháp chính sau: a. Nhóm các phương pháp nghiên cứu địa chất-địa chấn b. Nhóm các phương pháp tin học tính toán-mô hình hoá c. Nhóm các phương pháp GIS Để áp dụng các nhóm phương pháp trên, các chương trình phần mềm máy tính chuyên dụng và các ngôn ngữ lập trình tính toán được sử dụng gồm có: Golden Surfer, ArcGIS, ArcRisk, Crisis2015 (R-Criss), Avenue, Matlab, Python. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án:  Ý nghĩa khoa học của luận án: Trong khuôn khổ thực hiện luận án đã tìm hiểu, xây dựng và cập nhật quy trình đánh giá rủi ro động đất đô thị ở Việt Nam trên môi trường GIS trên cơ sở những tiến bộ mới về trong quy trình đánh giá rủi ro động đất trên thế giới, kết hợp với sự hiệu chỉnh phù hợp với các điều kiện của Việt Nam. Các yếu tố mô hình tắt đần chấn động, hiệu chỉnh giá trị rung động nền theo Tiêu chuẩn phân loại nền của Việt Nam hoặc hiệu chỉnh trực tiếp theo giá trị Vs30, đồng thời các mô hình ước lượng thiệt hại nhà cửa và người mới cập nhật trên thế giới được xây dựng tích hợp trong công cụ tính toán ArcRisk không những phục vụ trong khuôn khổ nghiên cứu luận án này mà còn áp dụng cho các khu vực đô thị khác ở Việt Nam.  Ý nghĩa thực tiễn của luận án: 4
Kết quả xây dựng và cập nhật một số mô đun dựa trên các tiến bộ mới trên thế giới về đánh giá rủi ro động đất cho công cụ ArcRisk có ý nghĩa quan trọng trong nghiên cứu đánh giá rủi ro động đất ở Việt Nam. Các kết quả ước lượng thiệt hại về nhà cửa và người tại năm quận đông dân nhất của thành phố Hà Nội trình bày trong Luận án phản ánh bức tranh hiện thực về hiểm họa động đất đối với cộng đồng đô thị. Ngoài việc góp phần cảnh báo và nâng cao nhận thức của cộng đồng về mức độ nghiêm trọng của những tổn thất mà hiểm họa động đất có thể gây ra, các kết quả ước lượng thiệt hại sẽ là cơ sở để những người có thẩm quyền ra các quyết định đúng đắn nhằm: a) Có kế hoạch phòng tránh, ngăn ngừa và giảm thiểu những thiệt hại cho cộng đồng nếu có động đất xảy ra; b) Dự đoán trước bản chất và quy mô của các hoạt động ứng cứu tại hiện trường xảy ra động đất; c) Có kế hoạch cụ thể về việc khôi phục và xây dựng lại sau khi động đất xảy ra. Cấu trúc của luận án: Cấu trúc của luận án ngoài phần mở đầu và kết luận gồm 5 Chương, các nội dung chính của từng Chương được trình bày khái quát dưới đây. Chương 1 giới thiệu tổng quan về tình hình nghiên cứu đánh giá độ nguy hiểm động đất và rủi ro động đất trên thế giới và trong nước, nhằm cung cấp các thông tin về đối tượng nghiên cứu của luận án, quy trình tiến hành các nhiệm vụ nghiên cứu đánh giá độ nguy hiểm động đất và rủi ro động đất cho một khu vực nghiên cứu. Chương 2 giới thiệu chi tiết cơ sở phương pháp luận thực hiện đánh giá độ nguy hiểm động đất được tiến thành theo hai cách tiếp cận tất định và xác suất. Tiếp sau đó là giới thiệu việc hiệu chỉnh giá trị khuếch đại nền và phương pháp đánh giá rủi ro động đất đô thị. Trong Chương này cũng giới thiệu về nguồn dữ liệu sử dụng trong luận án và trình bày việc xây dựng và cập nhật các mô đun đánh giá khả năng rung động nền và đánh giá rủi ro động đất trong chương trình ArcRisk. 5
Chương 3 trình bày chi tiết các đặc điểm của tính địa chấn khu vực miền Bắc Việt Nam và lân cận, dựa trên các kết quả phân tích không gian và phân tích chuỗi thời gian về hoạt động động đất khu vực nghiên cứu. Chương 4 trình bày kết quả đánh giá độ nguy hiểm động đất đối với khu vực thành phố Hà Nội theo hai cách tiếp cận là xác suất và tất định. Trong đó, các kết quả đánh giá xác suất độ nguy hiểm động đất được thực hiện trên cơ sở các dữ liệu quan trắc động đất được cập nhật, áp dụng các phương trình tắt dần chấn động được kiểm nghiệm phù hợp với khu vực nghiên cứu và sử dụng công cụ tính toán đã được kiểm định. Các bản đồ PGA và SA được thành lập ứng với các chu kỳ lặp lại khác nhau phục vụ trực tiếp cho việc đánh giá rủi ro động đất. Bên cạnh các kết quả đánh giá xác suất độ nguy hiểm động đất, các kết quả đánh giá tất định độ nguy hiểm động đất từ kịch bản động đất hiện thực cũng được trình bày trong chương này. Các kịch bản động đất giả định được xây dựng trên đới đứt gãy Sông Hồng, đứt gãy Sông Chảy và đứt gãy Sông Lô theo các tiêu chí cụ thể để phục vụ đánh giá rủi ro động đất đô thị. Các bản đồ rung động nền được thành lập là dữ liệu đầu vào để đánh giá rủi ro động đất. Chương 5 trình bày kết quả nghiên cứu đánh giá định lượng thiệt hại nhà cửa và người theo phương pháp xác suất và tất định cho khu vực nghiên cứu bao gồm các quận Hoàn Kiếm, Ba Đình, Đống Đa, Hai Ba Trưng và Thanh Xuân. Các kết quả đánh giá thiệt hại nhà cửa và người được thực hiện theo phương pháp xác suất được đánh giá trên cơ sở giá trị phổ gia tốc rung động nền ứng với chu kỳ lặp lại 475 năm. Trong khi đó, các kết quả đánh giá thiệt hại nhà cửa được thực hiện dựa trên các động đất kịch bản xây dựng trên đới đứt gãy Sông Hồng, Sông Chảy và Sông Lô. Kết quả công bố liên quan đến luận án. Trong quá trình thực hiện luận án, NCS đã công bố được 01 bài báo trên tạp chí quốc tế uy tín (SCIE) và 05 bài báo trong tạp chí quốc gia. Các thông tin chi tiết về kết quả công bố được liệt kê dưới đây. 6