Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ứng dụng mô hình hoá không gian trong phân vùng nguy cơ phục vụ cảnh báo lũ lưu vực sông Lam

Chia sẻ: Trần Văn Gan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

33
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Kết quả nghiên cứu của luận án đã giúp hoàn thiện cơ sở khoa học và chứng minh tính hiệu quả, tính tin cậy của phương pháp mô hình hoá không gian trong phân vùng nguy cơ lũ nói chung và phân vùng nguy cơ lũ lưu vực sông Lam nói riêng. Trong luận án có sử dụng một nhân tố mới là chiều dài sườn dốc tương đối (phân cấp chiều dài sườn dốc).

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ứng dụng mô hình hoá không gian trong phân vùng nguy cơ phục vụ cảnh báo lũ lưu vực sông Lam

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOt TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT ĐẶNG TUYẾT MINH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH HOÁ KHÔNG GIAN TRONG PHÂN VÙNG NGUY CƠ PHỤC VỤ CẢNH BÁO LŨ LƯU VỰC SÔNG LAM Ngành : Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ Mã số : 9520503 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2019
2 Công trình được hoàn thành tại: Bộ môn Trắc địa mỏ, Khoa Trắc địa - Bản đồ và Quản lý đất đai, Trường Đại học Mỏ - Địa chất Cơ-Điện, trường Đại học Mỏ-Địa chất. Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Anh Nghĩa 1. TS Vũ Anh Tuân 2. PGS.TS Phạm Công Khải Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Văn Trung Phản biện 2: TS Lê Quốc Hưng Phản biện 3: TS Đinh Xuân Vinh Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Trường họp tại Trường Đại học Mỏ - Địa chất Vào hồi…..giờ…..ngày….tháng… năm 2019 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc Gia Việt Nam - Thư viện Trường Đại học Mỏ - Địa chấtr
3 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Việt Nam là một trong mười nước chịu tác động mạnh mẽ nhất của biến đổi khí hậu toàn cầu. Nhiều hiện tượng khí hậu cực đoan đã và đang tác động đến sinh kế của người dân Việt Nam, trong đó, lũ lụt là thảm hoạ thiên nhiên gây tổn thất lớn về của cải và sinh mạng. Sông Lam là con sông lớn, nơi thường xuyên xẩy ra các trận lũ lụt lớn. Mọi nghiên cứu để hệ thống hoá, phân vùng làm rõ đặc điểm, tính chất, quy luật lũ lụt trên Sông Lam là rất cần thiết nhằm góp phần giảm thiểu các tác động tiêu cực của lũ lụt đối với cuộc sống và lao động của cư dân trong lưu vực. So với các phương pháp truyền thống, mô hình hoá không gian dựa trên nguyên tắc tiếp cận hệ thống là công cụ hiệu quả và tin cậy trong phân vùng nguy cơ phục vụ cảnh báo lũ nói chung và lưu vực Sông Lam nói riêng. Với các luận giải trên, đề tài “Nghiên cứu ứng dụng mô hình hoá không gian trong phân vùng nguy cơ phục vụ cảnh báo lũ lưu vực sông Lam” được lựa chọn xuất phát từ nhu cầu thực tế và có ý nghĩa thực tế. Về mặt khoa học, nghiên cứu này góp phần thiết thực đẩy mạnh ứng dụng công nghệ trong phân tích không gian trên lưu vực sông Lam, một lưu vực sông xuyên biên giới, phục vụ quản lý tài nguyên và môi trường mang tính liên quốc gia. 2. Mục tiêu, nhiệm vụ nghiên cứu 2.1. Mục tiêu nghiên cứu của luận án Xác lập cơ sở khoa học xây dựng mô hình phân vùng nguy cơ lũ trên lưu vực sông Lam phục vụ cảnh báo lũ trên lưu vực góp phần giảm thiểu tác động tiêu cực của lũ. 2.2. Nhiệm vụ nghiên cứu của luận án - Nghiên cứu tổng quan về ứng dụng phương pháp mô hình hoá không gian trong phân vùng nguy cơ lũ. - Nghiên cứu cơ sở khoa học và phương pháp luận về mô hình hoá, trên cơ sở đó xây dựng mô hình phù hợp với đề tài và khu vực nghiên cứu. - Nghiên cứu ứng dụng phân tích không gian để xây dựng và tính toán chỉ số của các nhân tố liên quan đến lũ như chỉ số liên quan đến lớp phủ bề mặt, thổ nhưỡng, lượng mưa, mật độ lưới sông, độ dốc, chiều dài sườn dốc tương đối... - Ứng dụng mô hình hoá không gian xây dựng bản đồ phân vùng nguy cơ, mô hình cảnh báo lũ lưu vực sông Lam.
4 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3.1. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận án là mô hình hoá không gian phục vụ phân vùng nguy cơ lũ nói chung và lưu vực sông Lam nói riêng 3.2. Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu giới hạn phạm vi không gian là lưu vực sông Lam. 4. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp phân tích và tổng hợp: Sử dụng phương pháp phân tích nguyên nhân hình thành để đánh giá, xác định các nhân tố ảnh hưởng đến lũ trên lưu vực. Phân tích các nguồn tài liệu: tạp chí, báo cáo khoa học, sách, báo, giáo trình của các tác giả trong và ngoài nước theo cấu trúc logic về lũ và phân vùng nguy cơ lũ. Liên kết các thông tin đã thu thập được, từ đó bổ sung thêm tài liệu nếu thiếu hoặc sai lệch đồng thời lựa chọn, sắp xếp và tổng hợp tài liệu. - Phương pháp kế thừa: áp dụng có chọn lọc các sản phẩm, kết quả khoa học và công nghệ hiện đại trong nước và trên thế giới. - Phương pháp thống kê: phân tích các mối tương quan giữa các đặc trưng khí tượng – thuỷ văn và tương quan giữa các yếu tố khí hậu, yếu tố địa hình với lũ. Tiến hành khảo sát nguy cơ lũ trên khu vực nghiên cứu trong một số năm gần đây để phát hiện các quy luật và đặc điểm của đối tượng nghiên cứu, từ đó so sánh với kết quả nghiên cứu. - Phương pháp GIS: ứng dụng công nghệ GIS để thành lập bản đồ các nhân tố ảnh hưởng đến lũ, so sánh kết quả nghiên cứu với thực tế tại thời điểm xảy ra lũ trong một số năm gầy đây. - Phương pháp mô hình hoá: phân tích các ưu, nhược điểm của các mô hình và sử dụng mô hình suy nghiệm để phân vùng nguy cơ lũ. - Phương pháp chuyên gia: sử dụng trí tuệ, ý kiến đánh giá của các chuyên gia về thuỷ văn, thuỷ lực tài nguyên nước trong quá trình đề xuất giả thuyết nghiên cứu, củng cố các luận cứ, đánh giá kết quả của phân vùng nguy cơ lũ được thực hiện qua các buổi hội thảo, bảo vệ chuyên đề, phiếu xin ý kiến đóng góp của các chuyên gia. 5. Các luận điểm bảo vệ Luận điểm 1: ứng dụng phương pháp phân tích thứ bậc (AHP) cho phép nâng cao độ chính xác, độ tin cậy khi xây dựng mô hình phân vùng nguy cơ lũ trên lưu vực sông Lam. Luận điểm 2: chiều dài sườn dốc tương đối là tham số quan trọng trong xây dựng mô hình phân vùng nguy cơ lũ.
5 6. Những điểm mới của luận án - Bổ sung phương pháp luận trong lựa chọn mô hình hoá không gian trong phân vùng nguy cơ lũ và khẳng định ứng dụng phương pháp phân tích thứ bậc (AHP) cho phép nâng cao độ chính xác, độ tin cậy khi xây dựng mô hình phân vùng nguy cơ lũ trên lưu vực sông Lam - Khẳng định chiều dài sườn dốc tương đối là yếu tố ảnh hưởng đến lũ, góp phần nâng cao mức độ chi tiết và độ tin cậy của mô hình không gian phân vùng nguy cơ lũ. 7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 7.1. Ý nghĩa khoa học: Kết quả nghiên cứu của luận án đã giúp hoàn thiện cơ sở khoa học và chứng minh tính hiệu quả, tính tin cậy của phương pháp mô hình hoá không gian trong phân vùng nguy cơ lũ nói chung và phân vùng nguy cơ lũ lưu vực sông Lam nói riêng. 7.2. Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của đề tài có thể được ứng dụng để phân vùng nguy cơ lũ cho lưu vực sông Lam nói riêng và cho các lưu vực có đặc điểm điều kiện tự nhiên và thuỷ văn tương tự như lưu vực sông Lam. 8. Cơ sở tài liệu Luận án được thực hiện trên cơ sở nguồn tài liệu bao gồm bản đồ địa hình lưu vực sông Lam, bản đồ hiện trạng sử dụng đất lưu vực sông Lam, bản đồ địa giới hành chính lưu vực sông Lam, bản đồ hình thái lưu vực sông Lam, bản đồ vị trí các trạm thuỷ văn trên lưu vực sông Lam, số liệu lượng mưa trung bình năm tại một số vị trí trên lưu vực sông Lam giai đoạn 1961 đến 2017. Đồng thời, luận án cũng tham khảo nhiều đề tài, dự án, báo cáo khoa học về phân vùng nguy cơ lũ của các tác giả trong và ngoài nước. 9. Cấu trúc của luận án Luận án bao gồm 3 chương cùng với phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo.
6 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Nội dung chương này trình bày tổng quan các nghiên cứu ứng dụng mô hình hoá không gian trong phân vùng nguy cơ lũ trên thế giới, việt nam và cụ thể trên lưu vực sông Lam. Ngoài ra, các phương pháp mô hình hoá trong phân vùng nguy cơ lũ được phân tích nhằm đánh giá ưu nhược điểm của từng mô hình, từ đó rút ra được định hướng và phương pháp nghiên cứu của luận án, góp phần quan trọng vào việc xây dựng cơ sở khoa học cho phương pháp mô hình hóa phân vùng nguy cơ lũ của luận án. 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu phân vùng nguy cơ lũ trên thế giới Để phân vùng nguy cơ lũ, trên thế giới có nhiều phương pháp đã và đang được nghiên cứu, giới thiệu và ứng dụng. Bên cạnh các phương pháp phổ biến như: sử dụng dữ liệu viễn thám và GIS [74], [75], [76], [90], [126], sử dụng chỉ số độ ẩm ướt địa hình (TWI) [104]…phương pháp mô hình hoá đã được nghiên cứu ứng dụng trên nhiều khu vực địa lý khác nhau trên thế giới [53], [64], [68], [79],… Các mô hình phân vùng nguy cơ lũ có thể chia làm làm ba nhóm: mô hình thuỷ văn, thuỷ lực; mô hình thống kê và mô hình suy nghiệm. Việc kết hợp mô hình thuỷ lực hoặc mô hình thuỷ văn và công nghệ GIS trong phân vùng nguy cơ lũ là phương pháp phổ biến được các nhà thuỷ văn học trên thế giới thực hiện từ những năm cuối thế kỷ 20 và ngày càng phát triển. Nhiều mô hình thuỷ lực đã được sử dụng để mô phỏng phân vùng lũ như: MIKE, HECRAS, INFOWORK, ISISS… Một phương pháp nữa cũng thường được tiếp cận khi phân vùng nguy cơ lũ là sử dụng mô hình thống kê và phổ biến hơn cả là phân tích thống kê đa biến. Với mô hình này, dữ liệu đầu vào sẽ lấy tại các khu vực đã xảy ra lũ hoặc chiết tách từ các loại bản đồ chuyên đề hoặc ảnh viễn thám. Tuy nhiên, việc chuẩn bị dữ liệu đầy đủ để thực hiện mô hình thống kê không phải dễ dàng do đòi hỏi số liệu chi tiết trong thời gian dài. Vì vậy, nghiên cứu theo phương pháp này thường gặp hạn chế do thiếu dữ liệu. Ngoài việc sử dụng mô hình thuỷ văn, thủy lực và dữ liệu viễn thám, mô hình thống kê, phương pháp phân tích đa tiêu chí cũng được ứng dụng trong phân vùng nguy cơ lũ. Phương pháp này linh hoạt trong
7 việc chọn số lượng tham số đầu vào. Các tham số này có thể là dữ liệu thuỷ văn, số liệu địa hình, hoặc số liệu về kinh tế xã hội tuỳ thuộc vào khu vực nghiên cứu. 1.2 Tổng quan các nghiên cứu trong phân vùng nguy cơ lũ ở Việt Nam Ở Việt Nam, các nghiên cứu phân vùng nguy cơ lũ, ngoài việc sử dụng phương pháp phân tích nhân tố chính, phương pháp viễn thám và GIS để xác định những vùng có tiềm năng lũ và mức độ của từng vùng thì phương pháp mô hình hoá cũng đang được các nhà khoa học quan tâm và đi sâu vào nghiên cứu. Mô hình thuỷ văn, thuỷ lực, công nghệ GIS sẽ được áp dụng để biên tập cơ sở dữ liệu cho mô hình HEC-RAS tính toán, mô phỏng hoạt động của lũ theo độ sâu mặt nước, diện tích ngập... Các nghiên cứu theo phương pháp này chủ yếu cũng tập trung phần nhiều vào lũ quét, lũ ống. Phương pháp phân tích thứ bậc AHP cũng được các nhà khoa học trong nước quan tâm những năm gần đây. Cùng với mục tiêu phát triển cấu trúc thứ bậc các yếu tố ảnh hưởng đến lũ lụt thông qua thuật toán Analytic Hierarchy Process (AHP) tiến hành phân tích và xác định trọng số các nhân tố ảnh hưởng theo từng cấp độ tới lũ lụt, các tác giả đã xây dựng được bản đồ phân vùng nguy cơ lũ lụt cho khu vực nghiên cứu theo mức độ xảy ra lũ lụt ứng với khu vực cụ thể các cấp độ từ thấp đến cao. Hai nghiên cứu điển hình là của Trần Thị Phượng và cộng sự năm 2015 [20] và Lê Hoàng Tú và cộng sự năm 2013 [26]. 1.3 Tình hình nghiên cứu phân vùng nguy cơ lũ trên lưu vực sông Lam Đã có một số công bố về phân vùng nguy cơ lũ ở lưu vực sông Lam, tuy nhiên đối tượng chính của các nghiên cứu này lại ít tập trung vào lũ lụt. Trong ba nhóm tác giả nghiên cứu phân vùng nguy cơ lũ, hai nhóm công bố kết quả phân vùng nguy cơ lũ quét và lũ ống, nhóm còn lại nghiên cứu phân vùng nguy cơ lũ lớn. Với đối tượng là lũ quét, mặc dù đã sử dụng các yếu tố địa hình nhưng tác giả chỉ tập trung vào một khu vực nhỏ mà không xét trên toàn lưu vực. Trong khi đó, phân vùng lũ lớn được thực hiện trên toàn lưu vực nhưng nhân tố ảnh hưởng chủ yếu là dữ liệu thuỷ văn, thuỷ lực mà không quan tâm đến nguyên nhân sinh lũ do địa hình gây ra. Như vậy, với đối tượng và khu vực nghiên cứu khác nhau, dữ liệu sử dụng trong cả ba đề tài đều không tận dụng được hết để thực hiện các nghiên cứu phân vùng nguy cơ lũ lụt trên toàn bộ lưu vực sông Lam.
8 1.4 Phương pháp mô hình hoá trong phân vùng nguy cơ lũ, đánh giá ưu, nhược điểm và hiệu quả ứng dụng của chúng Luận án đã tiến hành phân tích các phương pháp mô hình hóa không gian được sử dụng trong phân vùng nguy cơ lũ với các loại mô hình như: mô hình tất đinh, mô hình suy nghiệm, mô hình thống kê. Các phương pháp mô hình hóa được phân tích ưu, nhược điểm trong điều kiện cụ thể với lưu vực sông Lam nhằm đưa ra những cơ sở để lựa chọn định hướng và phương pháp nghiên cứu của luận án. 1.5 Định hướng và phương pháp nghiên cứu của luận án Dựa vào ưu nhược điểm của từng mô hình, mô hình sử dụng trong phân vùng nguy cơ lũ trong điều kiện cụ thể của luận án này được đánh giá đánh giá dựa vào 4 tiêu chí: dễ dàng thực hiện trên GIS, dễ điều chỉnh (có tính mở), diện tích của khu vực nghiên cứu và khả năng thu thập dữ liệu. Các tiêu chí trên được lượng hóa để dễ dàng so sánh các tiêu chí với nhau, thuận lợi cho việc lựa chọn chứ không nhằm so sánh đánh giá hơn/kém của các phương pháp. Bảng 1.4 Các tiêu chí đánh giá mô hình và điểm số tương ứng Diện tích Thu Dễ dàng thực Tính Loại mô hình khu vực thập dữ hiện trên GIS mở nghiên cứu liệu Điểm tối đa 5 5 5 5 Mô hình tất định 5 1 2 2 Mô hình suy nghiệm 5 5 5 5 Mô hình thống kê 5 4 5 2 Như vậy, điểm số tính được cho mô hình suy nghiệm phù hợp với các ưu điểm: dễ hiểu và chính xác cao trong việc xác định trọng số, không hạn chế số lượng các tham số đầu vào, có thể được tính toán trên GIS và dễ điều chỉnh. Do đó, lựa chọn mô hình suy nghiệm trong phân vùng nguy cơ lũ là phương pháp thích hợp có thể áp dụng trong điều kiện Việt Nam với những lưu vực sông lớn, tỷ lệ nhỏ và dữ liệu không thu thập được đầy đủ. 1.6 Tổng kết chương 1 1. Phân vùng lũ là một trong những bài toán quan trọng mà các nhà nghiên cứu về môi trường rất quan tâm. Đây là bài toán yêu cầu phân
9 tích không gian phức tạp, yêu cầu phải đánh giá rất nhiều các chỉ tiêu khác nhau. Thực tế, có nhiều phương pháp đã và đang được sử dụng để phân vùng nguy cơ lũ như phương pháp sử dụng bản đồ, phương pháp chuyên gia…nhưng phương pháp mô hình hoá không gian đang chiếm ưu thế về độ chính xác cũng như mức độ chi tiết, cụ thể. 2. Tùy thuộc vào cách tiếp cận, qui mô chọn mẫu, hàm giả định, phương pháp đánh giá vai trò của các yếu tố ảnh hưởng, phương pháp phân tích, kỹ thuật sử dụng và dữ liệu đầu vào mà phương pháp mô hình hoá trong xây dựng mô hình phân vùng nguy cơ lũ có thể sử dụng ba mô hình: mô hình tất định, mô hình suy nghiệm và mô hình thống kê. 3. Với các tiêu chí lựa chọn mô hình trong phân vùng nguy cơ lũ: dễ dàng thực hiện trên GIS, tính mở, diện tích nghiên cứu và khả năng thu thập dữ liệu thì mô hình suy nghiệm đáp ứng được được hầu hết các yêu cầu đó. 4. Hầu hết các phương pháp đều sử dụng dữ liệu đầu vào là số liệu thuỷ lực, thuỷ văn và địa hình. Tuy nhiên, các nghiên cứu đều chưa đưa tiêu chí chiều dài sườn dốc tương đối khi tính toán mô hình. 5. Nghiên cứu về phân vùng lũ ở Việt Nam đã bắt đầu từ những năm cuối của thế kỷ 20, tuy nhiên chủ yếu tập trung về lũ quét và tại một số khu vực địa lý điển hình. Lưu vực sông Lam đã nghiên cứu phân vùng lũ nhưng tập trung chủ yếu về lũ quét, lũ ống và lũ lớn. Vì vậy, kết quả của các đề tài này chưa thể áp dụng cho nghiên cứu phân vùng lũ lụt trên lưu vực sông Lam. CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP AHP TRONG PHÂN VÙNG NGUY CƠ LŨ TRÊN LƯU VỰC 2.1 Cơ sở khoa học của phương pháp AHP 2.1.1 Giới thiệu phương pháp AHP Analytic Hierarchy Process (AHP) - Phương pháp phân tích thứ bậc được nhà khoa học Mỹ Saaty, T.L. trường Đại học Pittsburgh (Mỹ) đề xuất vào những năm 1980 [109], [110] và đã được nghiên cứu mở rộng, bổ sung cho đến nay. Đây là một công cụ hiệu quả giúp đưa ra
10 các quyết định phức tạp nhờ có khả năng hỗ trợ người ra quyết định thiết lập các ưu tiên và đưa ra kết luận tối ưu 2.1.2 Nguyên tắc AHP Dựa trên so sánh cặp, AHP có thể được mô tả với 3 nguyên tắc chính [47]: - Phân tích vấn đề ra quyết định (thiết lập thứ bậc) - Đánh giá so sánh các thành phần (so sánh cặp giữa các yếu tố) - Tổng hợp các mức độ ưu tiên (xác định các ma trận trọng số) 2.2 Quá trình thực hiện thuật toán AHP Phương pháp AHP được thực hiện theo các bước: Bước 1: xác định mục tiêu Bước 2: xây dựng mô hình thứ bậc đa tầng Bước 3: thành lập ma trận so sánh theo cặp Bước 4: tính trọng số từng tiêu chí và tỷ số nhất quán Bước 5: kiểm tra tỷ số nhất quán Bước 6: phân tích và đánh giá 2.3 Thực tiễn sử dụng AHP trong phân vùng nguy cơ lũ Theo đúng qui trình thực hiện bài toán AHP, phân vùng nguy cơ lũ được thực hiện theo các bước chính (sơ đồ hình 2.4) 2.3.1 Xác định mục tiêu Các yếu tố đầu vào được xác định bao gồm: Nhóm 1: yếu tố tự nhiên, bao gồm độ dốc, thực phủ, mạng lưới thuỷ văn, lượng mưa, thổ nhưỡng, độ sâu mực nước ngầm, chiều dài sườn dốc tương đối… Nhóm 2: yếu tố về kinh tế, xã hội bao gồm sử dụng đất, phân bố dân cư… Nhóm 3: yếu tố về cơ sở hạ tầng, bao gồm công trình phòng chống lũ, khoảng cách từ nơi lũ lụt đến kênh thoát nước chính… 2.3.2 Xây dựng mô hình thứ bậc đa tầng Thông thường, mô hình thứ bậc đa tầng cho phân vùng lũ nên để 4 cấp như hình 2.5, trong đó cấp 1 thể hiện mục tiêu phân vùng nguy cơ lũ, cấp 2 thể hiện các tiêu chí chính bao gồm: tự nhiên, kinh tế - xã hội và cơ sở hạ tầng, cấp 3 thể hiện các tiêu chí thành phần để chi tiết hoá các tiêu chí chính như: độ dốc, thực phủ, lượng mưa, sử dụng đất…và cấp cuối cùng thể hiện các giá trị nguy cơ
11 2.3.3 Thành lập ma trận so sánh theo cặp Lượng mưa Xác định mục tiêu Thông số địa hình (Độ dốc, độ phân cắt ngang, độ phân cắt sâu…) Xác định tiêu chí đánh giá Thổ nhưỡng/ lớp vỏ Flood phong hoá Lớp phủ thực vật Thu thập dữ liệu Chiều dài sườn dốc … Chuẩn hoá dữ liệu Xây dựng mô hình thứ bậc đa tầng Thành lập ma trận so sánh cặp GIS AHP Tính trọng số từng tiêu chí Tính tỷ số nhất quán và kiểm tra Lập bản đồ phân vùng Hình 2.4 Qui trình tích hợp AHP và GIS thành lập bản đồ phân vùng lũ [7] Hệ số của ma trận so sánh được tính từ điểm so sánh cặp của các tiêu chí ảnh hưởng, các giá trị chỉ số và các loại chỉ tiêu thông qua phiếu điều tra lấy ý kiến của chuyên gia và chính quyền địa phương đại diện các lĩnh vực như môi trường, tài nguyên nước, xã hội học. 2.3.4 Tính trọng số từng tiêu chí và chỉ số nhất quán Để tính các trọng số liên quan đến các thành phần có thể áp dụng phương pháp vectơ riêng hoặc phương pháp chuẩn hoá ma trận. Nếu trọng số của yếu tố nào càng lớn thì yếu tố đó sẽ ảnh hưởng đến nguy cơ xảy ra lũ nhiều nhất.
10 Mục tiêu: Phân vùng nguy cơ lũ Tự nhiên Kinh tế - Xã hội Cơ sở hạ tầng Độ dốc Thực Lượng Thổ Hệ thống Sử dụng Mật độ Giao thông, C.T phòng phủ mưa nhưỡng sông đất dân cư chất lượng chống lũ đường Giá trị Giá trị ……. Giá trị nguy cơ 1 nguy cơ 2 nguy cơ n 1 n Hình 2.5 Cấu trúc thứ bậc đa tầng trong phân vùng nguy cơ lũ
11 2.3.5. Kiểm tra tỷ số nhất quán Quá trình kiểm tra tỷ số nhất quán khi thực hiện bài toán AHP trong phân vùng lũ được đánh giá là chính xác, nhất quán nếu giá trị CR nhỏ hơn hoặc bằng 0.1. 2.3.6 Phân tích đánh giá kết quả Cuối cùng, cơ sở phân vùng nguy cơ lũ sẽ được tổng quát thành phương trình tính điểm số nguy cơ theo điểm phân cấp của từng yếu tố, các yếu tố này được chọn thuộc nhóm địa hình, kinh tế, xã hội hoặc cơ sở hạ tầng. Y = w1*X1 + w2*X2 + …….+ wn*Xn trong đó Y: điểm số nguy cơ Xi: điểm phân cấp của yếu tố i wi: trọng số của yếu tố i 2.4 Phân tích, lựa chọn các yếu tố trong mô hình phân vùng nguy cơ lũ 2.4.1 Lượng mưa và cường độ mưa Lượng mưa càng lớn thì dòng chảy càng mạnh và cường độ lũ càng cao. Như vậy, lượng mưa, cường độ và thời gian mưa đều là các tác nhân ảnh hưởng trực tiếp đến nguy cơ lũ. Tuy nhiên, do cường độ mưa khó thu thập, các nghiên cứu cho thấy mối liên quan giữa cường độ mưa và lũ không nhiều, vì vậy, trong điều kiện hiện nay, nghiên cứu này tạm thời chưa tính đến yếu tố cường độ mưa. 2.4.2 Độ dốc, độ cao và độ nhám địa hình Độ dốc đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát dòng chảy mặt, xác định tốc độ dòng chảy, thời gian nước chảy và khả năng thấm nước [87], [103] tức là ảnh hưởng đến khả năng lũ. Độ dốc lớn làm tốc độ dòng chảy tăng, gây ra khả năng thấm thấp (vì theo định luật Becnulli, áp suất tĩnh sẽ giảm đi) và do đó làm nguy cơ lũ tăng cao hơn. Độ cao đóng vai trò chính trong việc kiểm soát hướng của dòng chảy tràn và độ sâu của mực nước [65]. Độ nhám địa hình là yếu tố đầu vào cần thiết cho quá trình mô phỏng lũ. Độ nhám giảm dẫn đến vận tốc dòng chảy tăng và khả năng thấm giảm, do đó nguy cơ lũ tăng. 2.4.3 Mật độ lưới sông (mật độ phân cắt ngang), dòng chảy và sự tích tụ dòng chảy Mật độ lưới sông là một cách mô tả hình thái của lưu vực được biết đến để kiểm soát sự hình thành dòng chảy của sông và có thể ảnh
12 hưởng đáng kể đến tình hình dòng chảy lũ [97]. Sự tích tụ dòng chảy phụ thuộc vào mạng lưới sông suối. Nếu mạng lưới sông suối càng dày đặc thì khả năng tích tụ dòng chảy lũ càng cao vì vậy khả năng xảy ra lũ lụt sẽ tăng. 2.4.4 Khoảng cách đến mặt nước tự nhiên, khoảng cách đến hệ thống thoát nước, khoảng cách đến ngã ba sông Khoảng cách đến mặt nước tự nhiên có ảnh hưởng đến phạm vi và qui mô của lũ trong khu vực nghiên cứu. Theo nghiên cứu [65], hầu hết các vùng gần mặt nước như sông, suối, hồ, ao…là các vùng có nguy cơ lũ cao nhất. Bên cạnh đó, khoảng cách từ mạng lưới thoát nước cũng có vai trò quan trọng với khu vực lũ lụt. Do lượng nước mưa nhiều, dòng chảy lớn nên các khu vực gần hệ thống thoát nước bị ảnh hưởng nhiều nhất, do đó có nguy cơ lũ cao nhất. 2.4.5 Thổ nhưỡng, cấu trúc đất, tỷ lệ thấm Khả năng giữ nước của đất có ảnh hưởng lớn trong việc điều tiết dòng chảy mặt. Độ thấm của tầng thổ nhưỡng ảnh hưởng trực tiếp đến nguy cơ lũ lụt [23] và được coi là một tham số ảnh hướng đến lũ. Nhân tố này ảnh hưởng đến dòng chảy, sự xói mòn đất, sự tích trữ nước ngầm. Tỷ lệ thấm phụ thuộc vào các yếu tố bên ngoài, đặc tính của các loại đất [122] và số ngày mưa. 2.4.6. Sử dụng đất, lớp phủ và lớp phủ thực vật Sự thay đổi của sử dụng đất và lớp phủ đã làm thay đổi đặc tính của lũ, dòng chảy mặt và đỉnh lũ [84], [113]. Thực tế trong khai thác sử dụng đất do tác động của con người, mỗi loại hình sử dụng đất sẽ có khả năng điều tiết nước khác nhau. Giống như thổ nhưỡng, thảm thực vật cũng giữ lại một lượng nước khá lớn góp phần điều tiết dòng chảy lũ và dòng chảy mặt cho lưu vực. Bản chất điều tiết dòng chảy của thảm thực vật là cùng với cấu trúc thổ nhưỡng giữ lại một phần nước mưa, sau đó cung cấp một cách từ từ cho dòng chảy. 2.4.7 Các yếu tố khác Mực nước ngầm là tiêu chí cần xem xét khi nghiên cứu nguy cơ lũ vì yếu tố này thể hiện độ sâu từ mặt đất đến mặt nước ngầm và ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng thấm của đất. Địa chất, địa mạo của khu vực có nguy cơ lũ cũng là một tiêu chí quan trọng vì yếu tố này có thể làm giảm bớt cường độ của các trận lũ.
13 Địa hình với các loại đá không thấm nước thì dòng chảy mặt sẽ tăng, khả năng thoát lũ nhanh do đó nguy cơ lũ giảm. Hệ thống giao thông được xem là một trong lớp phủ không hấp thụ nước làm cho khả năng thấm giảm đi và tăng lưu lượng dòng chảy sự tăng trưởng dân số dẫn đến tích lũy tài sản, cơ sở hạ tầng và các hoạt động kinh tế tăng theo, do đó cản trở quá trình thấm tự nhiên, tăng khả năng xảy ra lũ lụt. 2.5 Phân tích ảnh hưởng của chiều dài sườn dốc đến nguy cơ lũ 2.5.1 Khái niệm Chiều dài sườn dốc là khoảng cách từ điểm bắt nguồn dòng chảy mặt đến vị trí tập trung nước hoặc điểm mà tại đó dòng chảy mặt chảy vào hệ thống sông suối [130]. Như vậy, chiều dài này chính bằng quãng đường tính từ đường phân thuỷ đến đường tụ thuỷ. Đường phân thuỷ (đường phân nước mặt) nối liền các điểm cao nhất của địa hình trên mặt đất, chia mặt đất thành hai hướng sườn dốc. Khi nước mưa rơi xuống sẽ chảy về hai phía đối nhau tới hai lưu vực khác nhau và tập trung tại đường tụ thuỷ. Với địa hình đồi núi, độ dốc khác nhau thì giá trị chiều dài sườn dốc cũng khác nhau. 2.5.2 Cơ sở lý thuyết lựa chọn yếu tố chiều dài sườn dốc tương đối trong nghiên cứu phân vùng nguy cơ lũ Thực tế, do nước tích tụ dần trong quá trình di chuyển dọc theo sườn từ cao xuống thấp và lũ thường chỉ xảy ra ở khu vực sườn thấp (ví dụ chân sườn), vì vậy chiều dài sườn dốc là yếu tố ảnh hưởng tới lũ cũng như khả năng có lũ. Theo Begarello và Ferro, chiều dài sườn dốc tăng làm cho lưu lượng và tốc độ dòng chảy cũng tăng [54], [82]. Chiều dài dốc càng dài thì khối lượng nước chảy, tốc độ dòng chảy và lực quán tính càng tăng. Nghĩa là, càng xa đường phân thuỷ, động năng dòng chảy càng lớn, tốc độ dòng chảy tăng lên dẫn đến nguy cơ lũ tăng. Ngoài ra, chiều dài sườn dốc sẽ ảnh hưởng đến lưu lượng dòng chảy. Khi chiều dài sườn dốc tăng thì diện tích nghiêng của dốc được mở rộng, do đó khối lượng nước tích luỹ trên mặt sẽ tăng khi khoảng cách từ đường phân thuỷ càng dài [129]. 2.6 Nhận xét về phương pháp AHP trong phân vùng nguy cơ lũ Phương pháp AHP có nhiều ưu điểm so với các phương pháp ra quyết định đa mục tiêu khác
14 - AHP là một phương pháp nổi tiếng trong việc xác định các trọng số này với độ chính xác cao [106], [107], [108]. Vì vậy, AHP có thể kết hợp với các phương pháp khác dễ dàng để tận dụng được lợi thế của mỗi phương pháp trong giải quyết vấn đề. - AHP có thể kiểm tra tính nhất quán trong cách đánh giá của người ra quyết định nên có thể xác định và nâng cao độ chính xác của việc đánh giá - Quá trình tính toán AHP trở nên dễ dàng hơn, kể cả số lượng tiêu chí lớn, do có thể thực hiện các phép tính trong Exel hoặc đặc biệt là sử dụng phần mềm tính online. - Tích hợp bài toán AHP vector riêng vào phần mềm ArcGIS. Việc xây dựng thành công công cụ tính toán AHP trên ArcGIS đã tránh được sai số cộng dồn thực hiện qua nhiều bước và tiết kiệm được thời gian tính toán, hạn chế được sai số khi tính bằng tay. 2.7 Tổng kết chương 2 1. Phân vùng lũ là bài toán yêu cầu phân tích không gian phức tạp, yêu cầu phải đánh giá rất nhiều các chỉ tiêu khác nhau bao gồm: tự nhiên, kinh tế - xã hội, cơ sở hạ tầng. Đây là các tiêu chí góp phần hình thành nguy cơ lũ. Sử dụng phương pháp AHP đã tận dụng được ưu điểm, lợi thế của nó để xác định yếu tố ảnh hưởng lớn nhất và định lượng được mức độ ảnh hưởng của các yếu tố khác. 2. Độ chính xác của quá trình phân tích, đánh giá sẽ phụ thuộc vào nội dung, tính toàn diện, đặc trưng của phiếu điều tra cũng như sự am hiểu chuyên sâu của chuyên gia về lĩnh vực nghiên cứu. Vậy để tính toán trọng số theo AHP đạt kết quả tốt thì nên chọn các tiêu chí ảnh hưởng đến lũ ít nhưng rõ ràng mang tính định lượng cao trong quá trình thu thập ý kiến chuyên gia. 3. Các tác nhân sinh lũ bao gồm mưa với cường độ tới hạn để có thể tạo thành dòng chảy vượt mức bình thường và cấu trúc mặt đệm. Luận án phân tích vai trò của các yếu tố là cấu trúc mặt đệm ảnh hưởng đến nguy cơ lũ bao gồm: lượng mưa, độ dốc, độ cao, địa hình, sử dụng đất và thực phủ, thổ nhưỡng, mật độ lưới sông và tích tụ dòng chảy, địa chất và địa mạo, mực nước ngầm, mật độ dân số, độ ẩm nguyên thuỷ, hệ thống giao thông và chiều dài sườn dốc tương đối.
15 4. Yếu tố mới là một trong những nguyên nhân chính tăng khả năng sinh lũ được đề cập trong nghiên cứu là chiều dài sườn dốc tương đối. Yếu tố này ảnh hưởng đến khối lượng nước chảy, khả năng tích tụ nước, lưu lượng dòng chảy và tốc độ dòng chảy, do đó sẽ tác động đến nguy cơ lũ. Chương 3 ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP AHP XÂY DỰNG MÔ HÌNH PHÂN VÙNG NGUY CƠ LŨ TRÊN LƯU VỰC SÔNG LAM Trước khi đi sâu vào nội dung chính là ứng dụng phương pháp AHP để xây dựng mô hình phân vùng nguy cơ lũ trên lưu vực sông Lam, luận án đã tiến hành phân tích đặc điểm điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội lưu vực sông Lam và mạng lưới quan trắc, điều kiện khí tượng thủy văn trong lưu vực để đưa ra các nhận xét làm tiền đề cho việc lựa chọn các tham số tham gia vào mô hình (ở các phần từ 3.1 đến 3.3). 3.1 Đặc điểm điều kiện tự nhiên và kinh tế - xã hội lưu vực sông Lam 3.2 Mạng lưới quan trắc và điều kiện khí tượng thủy văn 3.3 Nhận xét Lũ trên lưu vực sông Lam chủ yếu do mưa lớn trên diện rộng kéo dài quyết định. Ngoài điều kiện địa hình, lượng mưa, độ dốc, thổ nhưỡng, thực vật… thì điều kiện cơ sở hạ tầng và những tác động bất lợi do hoạt động kinh tế-xã hội của con người cũng là những nhân tố quan trọng, góp phần làm tăng thêm lũ trên lưu vực sông. 3.4 Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến lũ lụt ở lưu vực sông Lam Trong nghiên cứu này, dựa vào đặc điểm tự nhiên, kinh tế, xã hội của lưu vực sông Lam, tham khảo đề tài nghiên cứu [9], tác giả đã chọn sáu yếu tố có ảnh hưởng đến phân vùng nguy cơ lũ. Đây là các yếu tố có ảnh hưởng lớn nhất tới lũ trong lưu vực đồng thời không gặp nhiều cản trở khi thu thập dữ liệu cũng như không có nhiều khó khăn khi tính toán theo phương pháp AHP. - Lượng mưa: đặc trưng cho khả năng tập trung nước - Độ dốc: đặc trưng cho tốc độ tập trung dòng chảy - Mật độ lưới sông: đặc trung cho khả năng tập trung dòng chảy - Chiều dài sườn dốc tương đối: đặc trưng cho khả năng tập trung nước và tốc độ dòng chảy - Thổ nhưỡng: đặc trung cho khả năng thấm, tốc độ dòng chảy
16 - Lớp phủ: đặc trưng cho khả năng ngăn cản nước và thấm nước 3.5 Xây dựng bảng phân cấp các yếu tố ảnh hưởng đến lũ lụt lưu vực sông Lam Bảng phân cấp được xây dựng căn cứ vào mối quan hệ giữa mức độ lũ với đặc điểm của các yếu tố để cho điểm từng tiêu chí ảnh hưởng đến lũ theo 5 cấp độ từ rất thấp, thấp, trung bình, cao và rất cao (tương ứng với số điểm từ 1 đến 9). Khoảng chênh lệch giữa các cấp nguy cơ phụ thuộc vào cấp độ chia, giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của nhân tố ảnh hưởng của khu vực nghiên cứu được tính theo công thức [77]: l = (c- b)/k trong đó l: giá trị khoảng chênh lệch giữa hai cấp liên tiếp c: giá trị cao nhất b: giá trị thấp nhất k: số lượng lớp phân cấp Kết quả xây dựng bảng phân cấp các yếu tố ảnh hưởng như sau: Bảng 3.1 Phân cấp lượng mưa STT Lượng mưa (mm) Điểm Mức độ nguy cơ 1 < 1200 1 Rất thấp 2 1200 - 1600 3 Thấp 3 1600 - 2000 5 Trung bình 4 2000 - 2400 7 Cao 5 > 2400 9 Rất cao Phân cấp độ dốc trong luận án được chia giống như cách phân cấp trong nghiên cứu [2] và trong quy hoạch sản cuất nông nghiệp, để đánh giá khả năng sử dụng đất một cách thuận tiện và phù hợp với điều kiện địa hình. Bảng 3.2 là kết quả phân cấp độ dốc. Bảng 3.2 Phân cấp độ dốc STT Độ dốc (độ) Điểm số Mức độ nguy cơ 1 > 25° 1 Rất thấp 2 15° - 25° 3 Thấp 3 8° - 15° 5 Trung bình 4 3° - 8° 7 Cao 5 < 3° 9 Rất cao
17 Với nguồn gốc hình thành khác nhau, khả năng thấm của các loại đất được chia thành các nhóm với độ thấm khác nhau. Từ đó, tiến hành phân cấp thổ nhưỡng theo mức độ tác động của nó đến nguy cơ lũ và đánh giá bằng điểm số tương ứng như trong bảng 3.3. Bảng 3.3 Phân cấp thổ nhưỡng STT Các loại đất Điểm số Mức độ nguy cơ 1 C, Cc 1 Rất thấp 2 A, Ha, Hq, Hs 3 Thấp 3 Fk, Fp,Fv, Nt, B, Ba, Bq, Fa, Fj, 5 Trung bình Fq, P, Pb, Pf, Py, R, Rdv, Rk 4 D, Fl, Fs, SM, Sj1Mi, Sj2Mi, M, 7 Cao Mi, Mm, Mn, Pg, Pj 5 E, Nu 9 Rất cao Dựa vào đặc điểm của các loại lớp phủ, loại rừng, khả năng giữ nước và bảo vệ đất của từng loại, tiến hành phân cấp các loại hình sử dụng đất trên lưu vực sông Lam theo mức độ tác động của nó đến nguy cơ xảy ra lũ lụt từ rất thấp đến rất cao với điểm số tương ứng từ 1 đến 9 như bảng 3.4. Mức độ ảnh hưởng đến nguy cơ lũ càng cao khi khả năng giữ nước, bảo vệ đất của các loại hình sử dụng đất càng thấp. Bảng 3.4 Phân cấp lớp phủ Điểm Mức độ STT Lớp phủ số nguy cơ 1 Rừng lá rộng thường xanh giàu, nghèo, 1 Rất thấp trung bình 2 Rừng lá rộng thường xanh phục hồi, rừng 3 Thấp tre nứa, rừng hỗn giao tre nứa, rừng trồng 3 Đất dân cư, đất khác 5 Tr. bình 4 Cây bụi, đất nông nghiệp, đất trống 7 Cao 5 Đất mặt nước, đất ngập nước 9 Rất cao Lưu vực sông Lam, với địa hình phức tạp và có độ dốc lớn nên mật độ lưới sông ở đó cũng khá phức tạp. Mật độ lưới sông lưu vực
18 sông Lam trung bình 0.60 km/km2, phát triển không đều. Bảng 3.5 phân cấp mật độ lưới sông theo mức độ nguy cơ lũ và điểm số tương ứng theo năm cấp, trong đó nơi nào có mật độ lưới sông dày thì gán mức độ nguy cơ cao tương ứng với điểm cao nhất và mật độ giảm dần thì khả năng nguy cơ lũ cũng giảm. Bảng 3.5 Phân cấp mật độ lưới sông STT Mật độ lưới sông (km/km2) Điểm số Mức độ nguy cơ 1 D < 0,5 1 Rất thấp 2 D = 0,5 – 1,0 3 Thấp 3 D = 1,0 – 1,5 5 Trung bình 4 D = 1,5 – 2,0 7 Cao 5 D > 2,0 9 Rất cao Nếu coi chiều dài của một sườn dốc là 100% thì mức độ nguy cơ tại một vị trí sẽ tính theo khoảng cách từ đường phân thuỷ đến vị trí đó và được phân cấp như bảng 3.6. Theo đó, khoảng cách gần đường phân thuỷ nhất được gán mức độ nguy cơ thấp nhất tương ứng với điểm thấp nhất và mức độ nguy cơ sẽ tăng lên khi khoảng cách đó tăng. Bảng 3.6 Phân cấp chiều dài sườn dốc tương đối STT Chiều dài sườn tương đối Điểm số Mức độ nguy cơ 1 < 20% 1 Rất thấp 2 20% - 40% 3 Thấp 3 40% - 60% 5 Trung bình 4 60% - 80% 7 Cao 5 80% - 100% 9 Rất cao 3.6 Tính trọng số cho các yếu tố ảnh hưởng đến lũ Trọng số (5 yếu Trọng số (6 yếu Yếu tố ảnh hưởng tố ảnh hưởng) tố ảnh hưởng) Lượng mưa 0,495 0,450 Độ dốc 0,276 0,255 Mật độ lưới sông 0,082 0,077 Thổ nhưỡng 0,071 0,068 Lớp phủ 0,077 0,073 Chiều dài sườn dốc tương đối 0,077