1. Trang Chủ
  2. Thạc sĩ - Tiến sĩ - Cao học
  3. Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật môi trường: Đánh giá nguy cơ tai biến môi trường tự nhiên tại khu vực huyện Bảo Thắng và thành phố Lào Cai, tỉnh Lào Cai sử dụng các mô hình địa không gian

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật môi trường: Đánh giá nguy cơ tai biến môi trường tự nhiên tại khu vực huyện Bảo Thắng và thành phố Lào Cai, tỉnh Lào Cai sử dụng các mô hình địa không gian

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật môi trường Đánh giá nguy cơ tai biến môi trường tự nhiên tại khu vực huyện Bảo Thắng và thành phố Lào Cai, tỉnh Lào Cai sử dụng các mô hình địa không gian trình bày các nội dung chính sau: Xác định được các yếu tố nguy cơ gây tai biến môi trường tự nhiên tại khu vực nghiên cứu; Phân tích các dạng tai biến biến môi trường tự nhiên phổ biến tại khu vực, tập trung vào hai dạng tai biến trượt lở và lũ quét/lũ bùn đá; Khoanh vùng nguy cơ xảy ra tai biến môi trường tự nhiên tạ

Thể loại Tài liệu miễn phí Thạc sĩ - Tiến sĩ - Cao học

Số trang 183

Ngày tạo 4/11/2023 9:34:24 AM +00:00

Loại tệp PDF

Kích thước 10.95 M

Tên tệp

Tải Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật môi trường: Đánh giá nguy... (.pdf)

Xem mẫu

  1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Nguyễn Quang Minh ĐÁNH GIÁ NGUY CƠ TAI BIẾN MÔI TRƯỜNG TỰ NHIÊN TẠI KHU VỰC HUYỆN BẢO THẮNG VÀ THÀNH PHỐ LÀO CAI, TỈNH LÀO CAI SỬ DỤNG CÁC MÔ HÌNH ĐỊA KHÔNG GIAN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Hà Nội, 2022
  2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Nguyễn Quang Minh ĐÁNH GIÁ NGUY CƠ TAI BIẾN MÔI TRƯỜNG TỰ NHIÊN TẠI KHU VỰC HUYỆN BẢO THẮNG VÀ THÀNH PHỐ LÀO CAI, TỈNH LÀO CAI SỬ DỤNG CÁC MÔ HÌNH ĐỊA KHÔNG GIAN Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường Mã sỗ: 09520320 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS. Nguyễn Quốc Phi 2. TS. Phan Đông Pha Hà Nội, 2022
  3. i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận án này là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong Luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội, ngày tháng năm 2022 Tác giả luận án Nguyễn Quang Minh
  4. ii LỜI CÁM ƠN Luận án được thực hiện tại Viện Địa chất và Địa vật lý biển, Khoa Công nghệ Môi trường, Học viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, dưới sự hướng dẫn khoa học của TS.GVC. Nguyễn Quốc Phi và TS.NCVC. Phan Đông Pha. Trong thời gian hoàn thành luận án, nghiên cứu sinh đã nhận được sự quan tâm, giúp đỡ và hướng dẫn nhiệt tình, chu đáo của TS.GVC. Nguyễn Quốc Phi và TS.NCVC. Phan Đông Pha. Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến những sự giúp đỡ đó. Nghiên cứu sinh cũng xin gửi lời cảm ơn tới Lãnh đạo Viện Địa chất và Địa vật lý Biển; Khoa Công nghệ Môi trường, Viện Công nghệ Môi trường, Học viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam; Trường Đại học Mỏ - Địa chất, đã động viên khuyến khích và tạo điều kiện để nghiên cứu sinh hoàn thành chương trình học tập. Nghiên cứu sinh cũng xin bày tỏ lòng biết ơn đến các quý thầy/cô ở cơ sở đào tạo của Khoa Công nghệ Môi trường, Viện Công nghệ Môi trường, Học viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam; Khoa Môi trường, Trường Đại học Mỏ - Địa chất đã giúp đỡ nghiên cứu sinh hoàn thành khoá học, đã chỉ bảo, giúp đỡ và đóng góp ý kiến bổ ích cho nghiên cứu sinh trong quá trình thực hiện luận án. Nghiên cứu sinh cũng xin bày tỏ lòng biết ơn đến các cán bộ Lãnh đạo và nhân dân địa phương thuộc huyện Bảo Thắng, thành phố Lào Cai; Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Lào Cai, đã giúp đỡ nghiên cứu sinh trong quá trình nghiên cứu, thu thập số liệu tại địa phương. Cuối cùng, nghiên cứu sinh cũng xin gửi lời cảm ơn tới bạn bè, đồng nghiệp và lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình đã quan tâm giúp đỡ, chia sẻ và động với nghiên cứu sinh trong suốt thời gian thực hiện luận án. Hà Nội, ngày tháng năm 2022 TÁC GIẢ LUẬN ÁN Nguyễn Quang Minh
  5. iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i LỜI CÁM ƠN ..........................................................................................................ii MỤC LỤC .......................................................................................................... iii DANH MỤC BẢNG BIỂU ..................................................................................vii DANH MỤC HÌNH VẼ ......................................................................................... ix CÁC TỪ VIẾT TẮT…………………………………………………………...xii MỞ ĐẦU ................................................................................................................. 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CHUNG ...................................................................................... 5 1.1. Tổng quan về tai biến môi trường tự nhiên .................................................. 5 1.1.1. Khái niệm chung về tai biến môi trường ................................................... 5 1.1.1.1. Tai biến môi trường ................................................................................ 5 1.1.1.2. Hiện tượng trượt lở ................................................................................. 7 1.1.1.3. Hiện tượng lũ quét/lũ bùn đá .............................................................................. 8 1.1.2. Tổng quan về tình hình tai biến môi trường tự nhiên .................................. 8 1.1.2.1. Tình hình tai biến môi rường tự nhiên trên thế giới ..................................... 8 1.1.2.2. Tình hình tai biến môi trường tại Việt Nam ................................................. 10 1.2. Tình hình nghiên cứu tai biến môi trường trên thế giới và tại Việt Nam ... 11 1.2.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới ............................................................... 11 1.2.2. Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam ......................................................... 14 1.3. Giới thiệu chung về vùng nghiên cứu ........................................................ 18 1.4. Tiểu kết chương 1 .............................................................................................. 19 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................... 21 2.1. Cơ sở lý luận ...................................................................................................... 21 2.1.1. Phương pháp tiếp cận trong nghiên cứu tai biến môi trường ................... 21 2.1.2. Sử dụng các mô hình địa không gian trong đánh giá tai biến môi trường 23 2.1.3. Cơ sở lựa chọn các phương pháp nghiên cứu ......................................... 24 2.2. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................. 27 2.2.1. Phương pháp phân tích ảnh viễn thám và GIS ........................................... 27 2.2.1.1. Dữ liệu ảnh viễn thám ........................................................................................ 27
  6. iv 2.2.1.2. Công nghệ GIS ………………………………………………………………………………………………30 2.2.2. Các phương pháp thống kê cặp và thống kê đa biến ................................. 31 2.2.2.1. Mô hình thống kê Bayes (Bayes Statistics) .................................................. 31 2.2.2.2. Mô hình Hệ số tin cậy (Centainty Factor) ............................................. 34 2.2.2.3. Mô hình hồi quy logistic (Logistic Regression - LR) ................................ 35 2.2.3. Các mô hình phân tích dữ liệu lớn (big data) ............................................. 37 2.2.3.1. Phân loại chung các phương pháp phân tích dữ liệu lớn .......................... 37 2.2.3.2. Mạng nơron nhân tạo (Artificial Neural Networks) .............................. 38 2.2.3.3. Mô hình vector hỗ trợ (Support Vector Machine- SVM) ......................... 40 2.2.3.4. Mô hình cây quyết định (Decision Tree - DT) ............................................ 43 2.2.4. Các phương pháp phân tích chỉ số và mô hình ........................................... 45 2.2.4.1. Phương pháp đánh giá đa chỉ tiêu không gian (SMCE) ............................ 45 2.2.4.2. Chỉ số nguy cơ lũ quét (Flash Flood Potential Index- FFPI) ................ 47 2.2.4.3. Mô hình Flow-R mô phỏng quá trình di chuyển của dòng lũ .................. 50 2.2.5. Phương pháp đánh giá độ tin cậy ................................................................. 53 2.3. Các phần mềm sử dụng trong luận án ............................................................ 56 2.4. Tiểu kết chương 2 .............................................................................................. 56 CHƯƠNG 3 HIỆN TRẠNG VÀ XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU TAI BIẾN MÔI TRƯỜNG TỰ NHIÊN TẠI KHU VỰC NGHIÊN CỨU ..................................................... 57 3.1 Hiện trạng tai biến môi trường tự nhiên tại khu vực nghiên cứu ................. 57 3.1.1. Hiện tượng trượt lở đất đá ............................................................................. 57 3.1.2 Hiện tượng lũ quét/lũ bùn đá ......................................................................... 58 3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến nguy cơ tai biến môi trường tại khu vực nghiên cứu ....................................................................................................................... 59 3.2.2 Đặc điểm địa hình - địa mạo..................................................................... 59 3.2.3 Đặc điểm địa chất ..................................................................................... 60 3.2.4 Đặc điểm khí tượng thủy văn ......................................................................... 62 3.2.5 Các hoạt động nhân sinh ................................................................................. 63 3.3. Xây dựng cơ sở dữ liệu tai biến môi trường tự nhiên tại khu vực huyện Bảo Thắng và TP. Lào Cai, tỉnh Lào Cai ....................................................................... 64 3.3.1. Cơ sở nguồn tài liệu ....................................................................................... 64
  7. v 3.3.2 Cơ sở dữ liệu các vị trí xảy ra tai biến .......................................................... 65 3.3.3 Cơ sở dữ liệu các yếu tố địa hình .................................................................. 69 3.3.3.1. Độ cao và độ dốc địa hình .................................................................... 69 3.3.3.2. Các chỉ số địa hình ...................................................................................... 73 3.3.4 Cơ sở dữ liệu các yếu tố địa chất ................................................................... 76 3.3.4.1. Đặc điểm thạch học .............................................................................. 76 3.3.4.2 Hệ thống đứt gãy và lineament ............................................................... 81 3.3.4.3 Đặc đểm địa mạo và điều kiện thổ nhưỡng .................................................... 83 3.3.5 Cơ sở dữ liệu các yếu tố khí tượng - thủy văn ............................................. 85 3.3.5.1. Lượng mưa và độ ẩm đất ................................................................................... 85 3.3.5.2. Hệ thống sông suối ................................................................................ 87 3.3.6 Cơ sở dữ liệu các hoạt động nhân sinh ......................................................... 87 3.3.6.1. Hiện trạng sử dụng đất ....................................................................................... 87 3.3.6.2. Hệ thống giao thông và sự phân bố dân cư ........................................... 91 3.4. Tiểu kết chương 3 .............................................................................................. 93 CHƯƠNG 4 ÁP DỤNG MÔ HÌNH ĐỊA KHÔNG GIAN ĐÁNH GIÁ NGUY CƠ TAI BIẾN MÔI TRƯỜNG TỰ NHIÊN TẠI KHU VỰC NGHIÊN CỨU ........................ 94 4.1. Đánh giá nguy cơ xảy ra tai biến môi trường tự nhiên khu vực huyện Bảo Thắng và TP. Lào Cai, tỉnh Lào Cai .................................................................. 94 4.1.1. Đánh giá nguy cơ xảy ra trượt lở .................................................................. 94 4.1.1.1. Kết quả phân tích sử dụng các mô hình thống kê ....................................... 94 4.1.1.2. Kết quả phân tích sử dụng các mô hình dữ liệu lớn (big data) .............. 103 4.1.1.3. Kết quả so sánh mức độ chính xác của các mô hình dự báo trượt lở .. 109 4.1.2 Đánh giá nguy cơ xảy ra lũ quét .................................................................. 110 4.1.2.1 Kết quả đánh giá nguy cơ xảy ra lũ quét ...................................................... 110 4.1.2.2 Kết quả mô phỏng lũ quét tại thung lũng Tả Phời ..................................... 115 4.2 Phân vùng dự báo nguy cơ tai biến môi trường tự nhiên tại khu vực nghiên cứu ..................................................................................................................... 122 4.3. Định hướng quy hoạch không gian hướng tới mục tiêu phòng tránh các tai biến môi trường tự nhiên tại khu vực nghiên cứu…………………………....125 4.3.1 Các tiêu chí phục vụ quy hoạch sử dụng đất .......................................... 125
  8. vi 4.3.1.1 Nhóm tiêu chí về kinh tế ................................................................................... 125 4.3.1.2 Nhóm tiêu chí về xã hội .................................................................................... 126 4.3.1.3 Nhóm tiêu chí về môi trường ........................................................................... 127 4.3.2 Đề xuất quy hoạch không gian nhằm phòng tránh và giảm nhẹ tai biến 130 4.3.2.1 Định hướng quy hoạch không gian nhằm phòng tránh nguy cơ xảy ra tai biến ..................................................................................................................... 130 4.3.2.2 Các giải pháp thực hiện nhằm giảm thiểu tác động do tai biến gây ra . 132 4.4. Tiểu kết chương 4 ............................................................................................ 135 KẾT LUẬN ..................................................................................................... 136 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ............................................... 139 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................. 141 PHỤ LỤC ........................................................................................................ 147
  9. vii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Phân loại các tai biến (Smith, 2001) .................................................... 77 Bảng 2.1. Khả năng ứng dụng các phương pháp phân tích tai biến .................... 25 Bảng 2.2. Một số dạng hàm kích hoạt phổ biến ................................................... 39 Bảng 2.3. Chỉ tiêu của Saaty so sánh cặp đôi các yếu tố ..................................... 46 Bảng 2.4. Đánh giá mức độ ảnh hưởng của các yếu tố ........................................ 46 Bảng 2.5. Giá trị RI ứng với từng số lượng chỉ tiêu n ......................................... 47 Bảng 2.6. Các phương pháp tính toán FFPI.......................................................... 50 Bảng 2.7. Một số mô hình mô phỏng các dạng tai biến ....................................... 50 Bảng 2.8. Ma trận sai số......................................................................................... 54 Bảng 3.1. Các thành phần môi trường và yếu tố ảnh hưởng liên quan đến nguy cơ xảy ra tai biến .................................................................................................... 65 Bảng 3.2. Phân bố độ cao địa hình tại khu vực nghiên cứu................................. 70 Bảng 3.3. Phân bố độ dốc địa hình tại khu vực nghiên cứu ................................ 71 Bảng 3.4. Phân bố hướng dốc địa hình ................................................................. 72 Bảng 3.5. Giá trị riêng (eigenvalue) của các thành phần chính ........................... 89 Bảng 3.6. Vectơ riêng (eigenvector) của các thành phần chính .......................... 90 Bảng 3.7. Bảng hiện trạng sử dụng đất năm 2020 ............................................... 91 Bảng 4.1. Kết quả tính toán trọng số cho độ dốc địa hình ................................... 95 Bảng 4.2. Kết quả tính toán trọng số cho yếu tố thạch học ................................. 96 Bảng 4.3. Kết quả tính toán trọng số cho mật độ đứt gãy và lineamnent ........... 97 Bảng 4.4. Kết quả tính toán trọng số theo chỉ số thực vật NDVI ........................ 98 Bảng 4.5. Ngưỡng phân bố nguy cơ tai biến tại khu vực nghiên cứu ................. 99 Bảng 4.6. Bảng phân bậc nguy cơ tai biến theo phương pháp thống kê Bayes 100 Bảng 4.7. Bảng phân bậc nguy cơ tai biến theo phương pháp hệ số tin cậy CF101 Bảng 4.8. Kết quả đánh giá tính độc lập thống kê của các thông số hàm hồi quy logic ....................................................................................................................... 101 Bảng 4.9. Bảng phân bậc nguy cơ tai biến sử dụng hàm hồi quy logic ............ 103 Bảng 4.10. Ngưỡng phân bố nguy cơ tai biến tại khu vực nghiên cứu theo các mô hình dữ liệu lớn .............................................................................................. 105 Bảng 4.11. Bảng phân bậc nguy cơ tai biến sử dụng mạng ANN ..................... 105
  10. viii Bảng 4.12. Bảng phân bậc nguy cơ tai biến sử dụng mô hình SVM ................ 106 Bảng 4.13. Bảng phân bậc nguy cơ tai biến sử dụng mô hình Cây quyết định 108 Bảng 4.14. Kết quả phân tích mức độ tin cậy của các phương pháp ................ 109 Bảng 4.15. Ma trận so sánh mức độ quan trọng của các yếu tố ........................ 113 Bảng 4.16. Ma trận chuẩn hoá và tính toán trọng số.......................................... 113 Bảng 4.17. Kết quả tính toán trọng số đánh giá mức độ ảnh hưởng trong từng yếu tố ..................................................................................................................... 114 Bảng 4.18. Bảng thống kê kết quả phân bậc nguy cơ xảy ra tai biến môi trường tự nhiên tại khu vực nghiên cứu .......................................................................... 123 Bảng 4.19. Các tiêu chí về kinh tế ....................................................................... 126 Bảng 4.20. Các tiêu chí về xã hội ........................................................................ 127 Bảng 4.21. Các tiêu chí về môi trường ............................................................... 127
  11. ix DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Bản đồ hành chính tỉnh Lào Cai ........................................................... 19 Hình 2.1. Sơ đồ nguyên tắc tiếp cận nghiên cứu thực hiện trong luận án .......... 21 Hình 2.2. Các bước trong phân tích tai biến môi trường ..................................... 22 Hình 2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến nguy cơ xảy ra tai biến .............................. 23 Hình 2.4. Các phương pháp nghiên cứu sử dụng trong luận án .......................... 26 Hình 2.5. Cấu trúc dữ liệu và hệ phương pháp phân tích sử dụng trong luận án27 Hình 2.6. Xây dựng bản đồ hiện trạng trượt lở bằng phương pháp viễn thám ... 28 Hình 2.7. Các bước xác định các vị trí xảy ra tai biến xuất hiện sau một trận bão . 29 Hình 2.8. Mô hình biểu diễn xác suất xuất hiện điểm trượt theo mô hình thống kê Bayes .................................................................................................................. 32 Hình 2.9. Mối quan hệ giữa hiện tượng trượt lở và độ dốc địa hình với một số dạng hàm kích hoạt logistic ................................................................................... 36 Hình 2.10. Mối quan hệ giữa hiện tượng trượt lở và độ dốc địa hình với một số dạng hàm kích hoạt logistic ................................................................................... 36 Hình 2.11. Cấu trúc một nơron .............................................................................. 39 Hình 2.12. Phân chia không gian dữ liệu thành các miền theo SVM: a) Các mặt phẳng phân chia không gian dữ liệu; b) Mặt phẳng tối ưu; c) Các vector hỗ trợ (support vectors) ..................................................................................................... 40 Hình 2.13. Siêu phẳng h phân chia dữ liệu huấn luyện thành 2 lớp + và - với khoảng cách biên lớn nhất. Các điểm gần h nhất là các vector hỗ trợ (support vectors được khoanh tròn) ..................................................................................... 41 Hình 2.14. Mô phỏng hiện tượng lũ quét, lũ bùn đá ............................................ 51 Hình 2.15. Các hướng phân tán của dòng lũ (flow direction) ............................. 52 Hình 3.1. Hình ảnh tham vấn người dân sống gần cầu Treo Cuống, xã Tả Phời58 Hình 3.2. Ảnh vệ tinh Landsat 8 OLI ngày 10/12/2019 tại khu vực nghiên cứu64 Hình 3.3. Sơ đồ tài liệu thực tế đến năm 2019 ..................................................... 66 Hình 3.4. Một số vị trí trượt lở dọc các tuyến đường chính tại khu vực nghiên cứu ........................................................................................................................... 67 Hình 3.5. Lũ quét cao 2m tại suối Pèng tháng 8/2017 làm 9 người chết trên Nhà máy Thủy điện 1 ..................................................................................................... 67
  12. x Hình 3.6. Sơ đồ tổng hợp các vị trí xảy ra tai biến............................................... 68 Hình 3.7. Nền địa hình khu vực nghiên cứu ......................................................... 69 Hình 3.8. Độ cao địa hình tại khu vực nghiên cứu ............................................... 70 Hình 3.9. Sơ đồ độ dốc địa hình tại khu vực nghiên cứu ..................................... 71 Hình 3.10. Sơ đồ hướng dốc địa hình của khu vực nghiên cứu .......................... 72 Hình 3.11. Độ cong địa hình theo phương ngang (plan curvatures) và độ cong địa hình theo phương đứng (profile curvatures) ................................................... 74 Hình 3.12. Một số chỉ số địa hình của khu vực nghiên cứu ................................ 75 Hình 3.13. Sơ đồ địa chất khu vực nghiên cứu..................................................... 78 Hình 3.14. Sơ đồ loại hình vỏ phong hoá ............................................................. 79 Hình 3.15. Sơ đồ nhóm đá theo địa chất công trình ............................................. 80 Hình 3.16. Sơ đồ địa chất thuỷ văn ....................................................................... 81 Hình 3.17. Sơ đồ phân bố và mật độ đứt gãy và lineament của khu vực nghiên cứu ........................................................................................................................... 82 Hình 3.18. Sơ đồ đỉnh gia tốc nền cực đại (PGA, cm/s2) và phân vùng đỉnh gia tốc nền tham chiếu (agR/g)...................................................................................... 83 Hình 3.19. Sơ đồ địa mạo tại khu vực nghiên cứu ............................................... 84 Hình 3.20. Sơ đồ loại hình đất tại khu vực nghiên cứu........................................ 85 Hình 3.21. Sơ đồ phân bố lượng mưa ngày lớn nhất (a) và độ ẩm đất (b) từ dữ liệu vệ tinh. ............................................................................................................. 86 Hình 3.22. Bản đồ mật độ sông suối ..................................................................... 87 Hình 3.23. Khu vực nghiên cứu trên ảnh Landsat 8 OLI (10/12/2019) và ảnh Sentinel 2 (04/6/2020) ............................................................................................ 88 Hình 3.24. Sơ đồ lớp phủ thực vật NDVI ............................................................. 89 Hình 3.25. Sơ đồ hiện trạng sử dụng đất năm 2010 (a) và 2020 (b) Kết quả phân tích hiện trạng sử dụng đất năm 2020 trong khu vực nghiên cứu được tổng hợp trong bảng sau:........................................................................................................ 90 Hình 3.26. bản đồ biến động hiện trạng sử dụng đất 2010-2020 ........................ 91 Hình 3.27. Sơ đồ mạng lưới giao thông (a) và mật độ giao thông (b) tại khu vực nghiên cứu ............................................................................................................... 92 Hình 3.28. Sơ đồ phân bố dân cư (a) và sơ đồ mật độ dân cư (b) tại khu vực nghiên cứu ............................................................................................................... 92
  13. xi Hình 4.1. Phương pháp phân bậc theo phân phối chuẩn ...................................... 98 Hình 4.2. Sơ đồ dự báo (a) và phân bậc nguy cơ (b) tai biến theo phương pháp hệ số tin cậy Bayes ................................................................................................. 99 Hình 4.3. Sơ đồ dự báo (a) và phân bậc nguy cơ (b) tai biến theo phương pháp hệ số tin cậy CF .................................................................................................... 100 Hình 4.4. Sơ đồ dự báo (a) và phân bậc nguy cơ (b) tai biến sử dụng hàm hồi quy logic ................................................................................................................ 103 Hình 4.5. Sơ đồ dự báo (a) và phân bậc nguy cơ (b) xảy ra tai biến theo mô hình mạng nơron nhân tạo ANN .................................................................................. 106 Hình 4.6. Sơ đồ dự báo (a) và phân bậc nguy cơ (b) xảy ra tai biến theo phương pháp vectơ hỗ trợ SVM ........................................................................................ 107 Hình 4.7. Một phần của sơ đồ cấu trúc cành cây của sử dụng thuật toán J4.8 . 108 Hình 4.8. Sơ đồ dự báo (a) và phân bậc nguy cơ (b) xảy ra tai biến theo mô hình cây quyết định DT ................................................................................................ 109 Hình 4.9. Sơ đồ xác định nguy cơ xảy ra lũ quét ............................................... 111 Hình 4.10. Sơ đồ nguy cơ xảy ra lũ quét/lũ bùn đá theo chỉ số mFFPI ............ 112 Hình 4.11. Sơ đồ nguy cơ xảy ra lũ quét/lũ bùn đá theo SMCE với lượng mưa trung bình năm (a) và với lượng mưa ngày lớn nhất (b) .................................... 114 Hình 4.12. Vị trí các khu vực đã xảy ra trượt lở và lũ quét ............................... 115 Hình 4.13. Ranh giới các tiểu lưu vực (màu đỏ) tại thung lũng Tả Phời .......... 116 Hình 4.14. Khoanh vùng các điểm khả năng xảy ra trượt lở và lũ quét ........... 117 Hình 4.15. Định dạng dữ liệu trước khi chạy mô phỏng trên mô hình Flow-R118 Hình 4.16. Các vị trí nguồn cung cấp vật liệu cho dòng lũ (a) và xác xuất di chuyển của dòng lũ (b) ......................................................................................... 119 Hình 4.17. Xác xuất xảy ra dòng lũ (a) và năng lượng dòng lũ tại khu vực thung lũng Tả Phời ............................................................................................... 119 Hình 4.18. Một vị trí xác suất xảy ra lũ .............................................................. 120 Hình 4.19. Một vị trí năng lượng xảy ra lũ ......................................................... 120 Hình 4.20. Các vị trí có nguy cơ chịu ảnh hưởng do lũ bùn đá gây ra. ............ 121 Hình 4.21. Sơ đồ phân bố nguy cơ xảy ra tai biến môi trường tại khu vực nghiên cứu ......................................................................................................................... 123
  14. xii Hình 4.22. Đề xuất các giải pháp quy hoạch không gian hướng tới mục tiêu phòng tránh các tai biến môi trường tự nhiên ..................................................... 125 Hình 4.23. Hiện trạng mạng lưới điện (a), mạng lưới đường giao thông phụ (b) và sự phân bố trạm y tế (c)................................................................................... 128 Hình 4.24. Hiện trạng phân bố trường học (a), mạng lưới giao thông chính (b) và sự phân bố nghĩa trang (c) .............................................................................. 129 Hình 4.25. Các khu vực phù hợp phân bố dân cư .............................................. 129 Hình 4.26. Bản đồ quy hoạch không gian khu vực nghiên cứu ........................ 130
  15. xiii CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Việt Tiếng Anh AHP Đánh giá thứ bậc Analytic Hierarchy Process ANN Mạng nơron nhân tạo Artificial Neural Network BSI Chỉ số đất trống Bare Soil Index CF Chỉ số tin cậy Certainty Factor CSDL Cơ sở dữ liệu Database DEM Mô hình số độ cao Digital Elevation Model ĐCCT Địa chất công trình ĐCTV Địa chất thủy văn ĐHQG Đại học Quốc Gia GEF Quỹ môi trường tòan cầu Global Environment Foundation GIS Hệ thống thông tin địa lý Geographic Information System GPS Hệ thống định vị toan cầu Global Position System FFPI Chỉ số nguy cơ lũ quét Flash Flood Potential Index Flow-R Phân tích hướng chảy của các tai Flow path assessment of biến trọng lực ở quy mô vùng gravitational hazards at a Regional scale KH&CN Khoa học và Công nghệ MBI Chỉ số cân bằng khối Mass Balance Index MCDA Đánh giá đa chỉ tiêu Multi Criteria Decision Analysis MTTN Môi trường tự nhiên NASA Cơ quan hàng không vũ trụ Mỹ National Aeronautics and Space Administration NDVI Chỉ số thực vật khác nhau Normalized Difference Vegetation Index LR Mô hình hồi quy logic Logistic Regression SMCE Đánh giá đa chỉ tiêu không gian Spatial Multi-Criteria Evaluation SVM Vector hỗ trợ Support Vector Machines SPI Chỉ số năng lượng dòng chảy Stream Power Index STI Chỉ số vận chuyển trầm tích Sediment Transport Index TBMTTN Tai biến môi trường tự nhiên TB-ĐN Tây bắc - Đông Nam TRI Chỉ số độ nhám địa hình Terrain Ruggedness Index TWI Chỉ số độ ẩm địa hình Terrain Wetness Index TPI Chỉ số vị trí địa hình Topographic Position Index TOF Hệ số dung sai Tolerance Factor QĐ-TTg Quyết định của Thủ tướng UNESCO Tổ chức Giáo dục, Khoa học và United Nations Educational, Văn hóa Liên Hợp Quốc Scientific and Cultural Organization VC Kích thước Vapnik- Vapnik- Chervonenkis Chervonenkis VIF Hệ số phóng đại phương sai Variance Inflation Factor WoE Trọng số bằng chứng Weight of Evidence
  16. 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết Hiện nay, tai biến môi trường tự nhiên nói chung, đặc biệt là các hiện tượng trượt lở, lũ quét liên tục xảy ra tại các nước trên Thế giới và Việt Nam. Việc nghiên cứu đánh giá, dự báo nguy cơ tai biến môi trường tự nhiên có ý nghĩa rất thiết thực và quan trọng để phòng ngừa, đối phó và đề ra các biện pháp quản lý nhằm giảm thiểu tác động xấu đến con người. Trên thế giới và ở Việt Nam, nhiều nhà khoa học đã sử dụng các phương pháp khác nhau để đánh giá nguy cơ tai biến môi trường, từ thực tiễn này tác giả lựa phương pháp nghiên cứu sử dụng các mô hình địa không gian, khu vực nghiên cứu thuộc tỉnh Lào Cai là khu vực điển hình, có tiềm năng xảy ra tai biến môi trường tự nhiên. Quá trình phát triển kinh tế năng động của Lào Cai đã cho phép tỉnh phát triển hệ thống các tuyến giao thông cùng hàng loạt các khu vực tập trung dân cư, khu công nghiệp, thương mại, khai thác khoáng sản…. Mật độ dân cư đang dần thay đổi với xu hướng tập trung dọc theo các tuyến đường giao thông, các khu công nghiệp, khu du lịch và các khu đô thị mới. Nghiên cứu sinh chọn đề tài nghiên cứu về “Đánh giá nguy cơ tai biến môi trường tự nhiên tại khu vực huyện Bảo Thắng và thành phố Lào Cai, tỉnh Lào Cai sử dụng các mô hình địa không gian”, kết quả nghiên cứu của đề tài là cơ sở khoa học cho công tác đánh giá tai biến môi trường tự nhiên, quy hoạch phục vụ phát triển bền vững kinh tế- xã hội của khu vực, qua đó đề xuất phương án ứng phó, thích nghi, chủ động phòng tránh đang là vấn đề đặt ra cấp thiết tại khu vực nghiên cứu, đặc biệt trong bối cảnh biến đổi khí hậu với những biểu hiện diễn ra hết sức phức tạp như hiện nay. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Mục tiêu chung: Nghiên cứu các tai biến môi trường tự nhiên tại khu vực huyện Bảo Thắng và thành phố Lào Cai sử dụng các mô hình tính toán địa không gian và đề xuất các giải pháp giảm thiểu tác động từ khu vực có nguy cơ. - Mục tiêu cụ thể: + Xác định được các yếu tố nguy cơ gây tai biến môi trường tự nhiên tại khu vực nghiên cứu. + Phân tích các dạng tai biến biến môi trường tự nhiên phổ biến tại khu vực, tập trung vào hai dạng tai biến trượt lở và lũ quét/lũ bùn đá.
  17. 2 + Khoanh vùng nguy cơ xảy ra tai biến môi trường tự nhiên tại khu vực nghiên cứu huyện Bảo Thắng và thành phố Lào Cai. + Nghiên cứu xây dựng các giải pháp phòng ngừa, giảm thiểu phù hợp với điều kiện kinh tế- xã hội tại khu vực. 3. Nội dung nghiên cứu. - Xây dựng cơ sở dữ liệu tai biến môi trường tự nhiên tại khu vực nghiên cứu, tập trung vào hai dạng tai biến trượt lở và lũ quét/lũ bùn đá. - Đánh giá các yếu tố nguy cơ và phân tích khả năng xảy ra tai biến dựa trên các mô hình tính toán địa không gian gồm các mô hình thống kê đa biến và các phương pháp khai phá dữ liệu dựa trên dữ liệu lớn (big data). - Phân vùng dự báo nguy cơ xảy ra tai biến môi trường tự nhiên và tiến hành mô phỏng chi tiết cho các tiểu lưu vực có nguy cơ cao. - Đề xuất các giải pháp giảm thiểu tai biến môi trường phù hợp với điều kiện kinh tế xã hội tại khu vực nghiên cứu. 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu. - Đối tượng nghiên cứu: Các dạng tai biến môi trường tự nhiên, tập trung vào các dạng tai biến chính tại vùng nghiên cứu gồm hiện tượng trượt lở, lũ quét/lũ bùn đá. - Phạm vi nghiên cứu: Gồm khu vực huyện Bảo Thắng và thành phố Lào Cai, tỉnh Lào Cai. 5. Những điểm mới của đề tài 1. Luận án đã sử dụng kết hợp các công cụ địa không gian và các phương pháp tính toán định lượng cho việc khoanh vùng nguy cơ xảy ra tai biến môi trường đối với 02 dạng tai biến chính trong vùng nghiên cứu là hiện tượng trượt lở và lũ quét/lũ bùn đá. Kết quả tính toán cho thấy mạng nơron nhân tạo (ANN) cho kết quả tối ưu nhất với độ chính xác đạt trên 91%, trong đó, riêng khu vực được đánh giá có nguy cơ tai biến rất cao chỉ chiếm 13,5% diện tích nhưng chiếm tới hơn 42% các điểm trượt lở đã biết. Các mô hình thống kê Bayes (WoE), hệ số tin cậy (CF), phương pháp vectơ hỗ trợ (SVM), mô hình cây quyết định (DT) và hàm hồi quy logic (LR) cũng đều cho độ chính xác đạt từ 75% trở lên cho thấy khả năng áp dụng hiệu quả các mô hình toán thống kê cho mục đích dự báo nguy cơ xảy ra tai biến trượt lở tại khu vực nghiên cứu.
  18. 3 2. Kết quả phân tích theo phương pháp đa tiêu chuẩn không gian (SMCE) cho thấy nguy cơ xảy ra lũ quét/lũ bùn đá tại vùng nghiên cứu chịu ảnh hưởng lớn nhất là lượng mưa, độ dốc địa hình và độ ẩm đất; yếu tố thảm phủ thực vật đóng vai trò ít quan trọng hơn. Mức độ tập trung dòng lũ tại từng lưu vực có thể được xác định thông qua chỉ số nguy cơ lũ quét (mFFPI); trong đó, xác suất di chuyển của dòng lũ và động năng của dòng chảy có thể được mô phỏng chỉ tiết sử dụng mô hình Flow-R với độ tin cậy cao. 3. Luận án đã khai thác tối đa nguồn dữ liệu mở (open data) nhằm xây dựng cơ sở dữ liệu và xác định các yếu tố ảnh hưởng đến tai biến môi trường tự nhiên tại khu vực nghiên cứu bao gồm nguồn tư liệu ảnh viễn thám đa thời gian, dữ liệu đo mưa vệ tinh, độ ẩm đất, dữ liệu thảm phủ, hiện trạng sử dụng đất qua các năm... Đây là các nguồn thông tin miễn phí, có khả năng sử dụng tối ưu, đặc biệt với các khu vực có độ che phủ kém, địa hình phân cắt mạnh, khó khăn trong quá trình khảo sát như tại vùng nghiên cứu. Cơ sở dữ liệu các vị trí trượt lở được bổ sung từ Nguồn dữ liệu ảnh Sentinel-2 A/B trước và sau thời điểm xảy ra các trận mưa bão lớn được chồng chập với nhau để nhận diện sự thay đổi của lớp thảm phủ. Kết quả thực nghiệm phân tích sự thay đổi của thảm phủ trên ảnh Sentinel-2 A/B cho thấy các giá trị ngưỡng xác định các vị trí trượt lở tốt nhất nằm trong khoảng 0,406÷0.763 đối với dNDVI theo chỉ số thực vật và 0,275÷0,549 đối với dBSI theo chỉ số đất trống. 6. Ý nghĩa khoa học của luận án * Ý nghĩa khoa học - Phát triển và hoàn thiện hệ phương pháp xử lý, phân tích tài liệu, xác định các yếu tố gây ra tai biến môi trường, trong đó tập trung vào việc đánh giá nguy cơ xảy ra các tai biến tự nhiên như hiện tượng trượt lở và lũ quét/lũ bùn đá. - Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao độ tin cậy của các phương pháp đánh giá định lượng về tai biến môi trường thông qua các mô hình toán thống kê đa biến và các phương pháp phân tích dữ liệu lớn, làm rõ các các yếu tố gây tai biến và là cơ sở khoa học và thực tiễn để đề xuất các giải pháp phòng ngừa, giảm thiểu. * Ý nghĩa thực tiễn - Nghiên cứu sẽ giúp hệ thống hóa các phương pháp định lượng nghiên cứu tai biến môi trường, cung cấp cho các nhà quản lý trong lĩnh vực môi trường hệ phương pháp xác định các yếu tố gây tai biến môi trường tự nhiên có liên quan.
  19. 4 - Kết quả nghiên cứu có thể phục vụ trực tiếp cho các dự án xây dựng, giao thông và các cơ quan quản lý, quy hoạch phát triển kinh tế- xã hội của các địa phương thuộc phạm vi nghiên cứu. 7. Cơ sở nguồn tài liệu - Tài liệu khảo sát thực địa liên tục từ năm 2016 đến 2019, với GPS độ chính xác cao trên nền bản đồ địa hình tỷ lệ 1:10.000. Ngoài ra, kết quả khảo sát của các đề tài nghiên cứu có liên quan trong diện tích nghiên cứu cũng được tham khảo. - Các bản đồ địa hình UTM tỉ lệ 1:50.000 khu vực nghiên cứu do Bộ Tài nguyên và Môi trường ban hành năm 2010 cùng các bản đồ nền tỷ lệ 1:10.000 đến đơn vị cấp xã cho toàn bộ diện tích nghiên cứu. - Bản đồ địa chất 1:200.000 tờ Bắc Quang và tờ Lào Cai- Kim Bình, kết hợp với kết quả đo vẽ địa chất tỷ lệ 1:50.000 của nhóm tờ Phố Lu- Bắc Than Uyên. - Ảnh vệ tinh Landsat 8 (OLI), Landsat 7 (ETM+), gồm các cảnh ảnh 128/44 và 128/45 (path/row), chụp trong các năm 2000, 2005, 2010, 2015 và 2020 có độ phủ mây
  20. 5 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CHUNG 1.1. Tổng quan về tai biến môi trường tự nhiên 1.1.1. Khái niệm chung về tai biến môi trường 1.1.1.1. Tai biến môi trường Theo định nghĩa của Chiến lược quốc tế về giảm thiểu thảm họa của Liên Hợp Quốc[1]: Tai biến là biến cố, hoặc hiện tượng tự nhiên hay một hoạt động của con người có tiềm năng gây ra thiệt hại, có thể gây thương vong hoặc thiệt hại về con người, hủy hoại tài sản, đổ vỡ về kinh tế và xã hội hoặc suy thoái môi trường. Biến cố này có một xác suất xuất hiện trong một thời gian xác định, trong một khu vực xác định với một cường độ xác định. Tai biến môi trường được định nghĩa là “Các biểu hiện về điều kiện, hoàn cảnh, hiện tượng, vụ việc hoặc quá trình, được xuất hiện, diễn biến trong thiên nhiên, trong xã hội… có tiềm năng gây hại, gây nguy hiểm, đe dọa đối với an toàn sức khỏe, tính mạng con người, tài sản kinh tế, tài sản văn hóa- xã hội của một bộ phận cộng đồng loài người hoặc có nguy cơ đe dọa, thậm chí phá vỡ tính ổn định, an toàn một bộ phận, cho đến toàn cục mang tính chất hệ thống môi trường tự nhiên, môi trường văn hóa- xã hội và môi trường nhân sinh”[2],[3]. Tai biến môi trường là biểu hiện về điều kiện, hoàn cảnh, hiện tượng, vụ việc hoặc quá trình, được xuất hiện, diễn biến trong thiên nhiên, trong xã hội, có tiềm năng gây hại, gây nguy hiểm đe dọa đối với an toàn sức khỏe, tính mạng con người, tài sản kinh tế, tài sản văn hóa- xã hội của một bộ phận cộng đồng loài người, hoặc có nguy cơ đe dọa, thậm chí phá vỡ tính ổn định, an toàn một bộ phận, cho đến toàn cục mang tính hệ thống môi trường tự nhiên, môi trường văn hóa xã hội và môi trường nhân sinh[4]. Tai biến môi trường là những quá trình gây hại vận hành trong hệ thống môi trường, đó là đặc tính vốn có, phản ánh tính chất nhiễu loạn, tính bất ổn định của bất kì hệ thống môi trường nào. Trong thực tế, các loại tai biến môi trường xảy ra vô cùng đa dạng, có nguyên nhân kết hợp cả từ các điều kiện tự nhiên và hoạt động của con người [5],[6],[7].
nguon tai.lieu . vn
Thạc sĩ - Tiến sĩ - Cao học Công nghệ thông tin Kinh tế - Thương mại Tài chính - Ngân hàng Kiến trúc - Xây dựng Điện-Điện tử-Viễn thông Cơ khí - Chế tạo máy Công nghệ - Môi trường Báo cáo khoa học Quản trị kinh doanh Khoa học xã hội Khoa học tự nhiên Nông - Lâm - Ngư Y khoa - Dược