Nghiên cứu địa mạo phục vụ giảm thiểu tai biến thiên nhiên vùng ven biển Hạ Long – Cẩm Phả tỉnh Quảng Ninh

rọng của nước [kg/m3]; g là trị số gia tốc trọng trường [9.81 m/s2]; D là bề dày biểu kiến (bề dày thẳng đứng) của đất [m]; Dw là chiều sâu mực nước ngầm [m]; là góc ma sát trong của đất [o]. Các nghiên cứu gần đây của Sidle và nnk (1985), Dietrich và nnk. (1986), Montgomery và Dietrich (1988, 1989, 1992, 1994), Carrera và nnk. (1991)Sidle (1992), Dietrich và nnk. (1992, 1993), Wu và Sidle (1995), Pack (1995) đã chứng minh rằng trượt lở xảy ra chủ yếu do các yếu tố độ dốc địa hình quá lớn, sự hội tụ của các dòng nước ngầm gần mặt đất, sự tăng độ bão hòa của đất dẫn đến giảm áp lực lỗ rỗng và giảm lực kháng cắt của đất. Montgomery và Dietrich (1988, 1989, 1992, 1994) còn chỉ ra rằng phần lớn các trượt lở đều bắt nguồn từ những sườn dốc có bề mặt lõm hội tụ ở chân dốc. Việc ứng dụng trực tiếp phương trình lý thuyết nói trên vào đánh giá ổn định mái dốc trên một diện tích nghiên cứu lớn là không khả thi vì các lý do sau: - Có quá nhiều thông số cần phải xác định và điều này rất tốn kém khi nghiên cứu trên diện tích lớn - Phần lớn các thông số trong phương trình nói trên có giá trị thay đổi theo thời gian và không gian, nghĩa là giá trị của chúng có tính không bất định (uncertainty); có thể dễ dàng nhận thấy điều này khi trong thực tế cùng tại một vị trí lấy mẫu, giá trị Cs xác định tại lần lấy mẫu này lại khác với giá trị của nó tại lần lấy mẫu khác; điều đó có nghĩa rằng thay vì sử dụng một giá trị cố đinh của một thông số, người ta thường sử dụng một khoảng giá trị (cận trên và cận dưới) để đặc trưng cho thông số đó. Trên cơ sở ứng dụng các kết quả nghiên cứu nói trên, các tác giả của mô hình SINMAP đã biến đổi phương trình lý thuyết (1) có tính đến tính không bất định của các thông số và đã đưa ra công thức sau để đánh giá độ ổn định sườn dốc (2) trong đó - SI là chỉ số ổn định sườn dốc (sườn dốc được xem như ổn định nếu SI ≥ 1, trái lại nó sẽ được xem như có khả năng trượt lở) - C là tổng hợp các lực dính kết của đất và đới rễ cây tương ứng với chiều dày thẳng góc với lớp đất - θ là góc nghiêng mái dốc - R là lượng bổ cập nước ngầm hiệu dụng tính trên một đơn vị diện tích bề mặt - T là hệ số truyền dẫn nước của đất - r = ρw/ρs là tỷ số giữa tỷ trọng của nước và của đất - là góc ma sát trong của đất - a là diện tích thu gom nước đơn vị tính trên một đơn vị chiều dài đường bình độ địa hình (hình 3.2) Cơ sở lý thuyết và các phương trình, công thức dẫn giải được chứng minh và trình bày cụ thể trong hướng dẫn sử dụng của mô hình. Toàn bộ phần mềm và hướng dẫn sử dụng của mô hình có thể tải xuống từ Internet tại địa chỉ của trường đại học Utah của Hoa Kỳ. Một ưu điểm nổi trội của mô hình này là việc tích hợp toàn diện vào phần mềm GIS ARCVIEW được sử dụng rất rộng rãi ở trong nước và trên thế giới. Chính nhờ việc tích hợp này nên một số thông số của phương trình (2) được hoàn toàn tính toán một cách tự động nhờ các module có sẵn trong phần mềm GIS hay trong mô hình, ví dụ các đại lượng a và θ có thể tính được từ mô hình số địa hình (DEM). Như vậy, thay bằng phải sử dụng tới 8 thông số như ở phương trình lý thuyết, người sử dụng SINMAP chỉ cần có 6 thông số, trong đó 3 thông số g, ρw, ρs là hầu như bất định đối với mỗi loại đất hay đối tượng địa chất được nghiên cứu. Đối với ba thông số có tính bất định còn lại, T/R, C và , người sử dụng SINMAP cần phải xác định các khoảng giá trị (tức là các giá trị cận trên và cận dưới) đặc trưng cho từng loại đất hay đối tượng địa chất được nghiên cứu. Ưu điểm thứ hai của mô hình SINMAP là cho phép phân tích và đánh giá trượt lở trên cơ sở phân chia toàn bộ diện tích nghiên cứu ra thành nhiều vùng hiệu chỉnh (calibration region), mỗi vùng bao gồm một hay nhiều loại đất/vỏ phong hóa có các đặc trưng gần giống nhau. Ví dụ nhóm các thành tạo trầm tích lục nguyên có thể gộp thành một vùng hiệu chỉnh, nhóm các thành tạo lục nguyên – phun trào thành một vùng, nhóm các đá xâm nhập axit thành một vùng v.v. Việc phân nhóm các vùng hiệu chỉnh là phụ thuộc vào quyết định của người sử dụng, nhưng phải đảm bảo tính tương đối đồng nhất của các đối tượng trong một nhóm. Hình 3.2. Diễn giải định nghĩa điện tích thu gom nước đơn vị Ưu điểm thứ ba của mô hình SINMAP là cho phép cân chỉnh (calibration) mô hình dựa trên các kết quả quan trắc thực tế các điểm trượt lở và hiệu chỉnh các giá trị của các thông số đặc trưng cho từng loại đất/vỏ phong hóa mà trên đó các điểm trượt lở xảy ra. Sau khi thực hiện các tính toán, mô hình sẽ đưa ra một số bản đồ, hình vẽ và biểu bảng trợ giúp việc phân tích và đánh giá kết quả chỉ số ổn định sườn dốc. Một trong số đó là biểu đồ sườn dốc-diện phân bố (Slope-Area Plot Chart) (hình 3.3.), trên đó thể hiện vị trí các điểm trượt lở trong tương quan với các đới chưa bão hòa – có thể bão hòa – bão hòa và với các khả năng (xác xuất) xảy ra trượt lở. Khi thay đổi các giá trị gán cho các thông số của phương trình (2), vị trí của các điểm trượt lở sẽ thay đổi trong tương quan với các đới nói trên. Điều này giúp cho người sử dụng SINMAP đối sánh được với kết quả điều tra thực địa (ví dụ một điểm trượt lở xảy ra sau một trận mưa lớn thì nó phải nằm trong đới bão hòa), và như vậy đánh giá được kết quả tính toán của mô hình. Hình 3.3: Biểu đồ sườn dốc – diện phân bố (Slope - Area Plot Chart) mô tả các điểm trượt lở (chấm tròn màu đen) nằm trong đới không bão hòa của đất 3.2.2. Quy trình thành lập bản đồ phân vùng nguy cơ trượt lở khu vực Hạ Long – Cẩm Phả Bản đồ địa hình Bản đồ địa chất Bản đồ vỏ phong hóa Bản đồ địamạo Kết quả phân tích mẫu cơ lý vỏ phong hóa Số liệu lượng mưa và bốc hơi thực vật ET DEM Bản đồ phân vùng cân chỉnh θ(Bản đồ độ dốc); a (Bản đồ diện tích thu gom nước) Thông số g, ρw, ρs Thông số T/R, C và Chạy mô hình SINMAP Biểu đồ sườn dốc – diện phân bố Phân tích kết quả tính toán, đối chiếu với trượt lở trên thực tế Nếu chưa đạt Nếu đạt BẢN ĐỒ PHÂN VÙNG TRƯỢT LỞ Hiệu chỉnh các thông số Hình 3.4: Sơ đồ quy trình đánh giá độ ổn định sườn dốc bằng SINMAP Để chạy được mô hình cần phải có các số liệu sau đây: Mô hình số địa hình, độ phân giải 10m. Bản đồ địa chất Bản đồ hay sơ đồ hiện trạng sử dụng đất Bản đồ hay sơ đồ phân loại thành phần cơ giới đất Bản đồ hay sơ đồ vỏ phong hóa, trong đó thông tin cần thiết nhất là chiều dày vỏ phong hóa Bản đồ hay sơ đồ địa mạo, thành lập trên nguyên tắc nguồn gốc hình thái Tài liệu về khảo sát trượt lở tại thực đia: sơ đồ vị trí các điểm trượt lở Tài liệu về các đặc tính địa kỹ thuật/địa chất công trình của từng loại đất đá/vỏ phong hóa có trong vùng nghiên cứu. Số liệu khí hậu (lượng mưa và bốc hơi) quan trắc dài hạn (ít nhất 15 năm, phải đảm bảo bao gồm cả thời điểm đã xảy ra các điểm trượt lở khảo sát được tại thực địa) 3.2.3.Ứng dụng mô hình vào thành lập bản đồ phân vùng nguy cơ trượt lở. Bước 1:Tạo Dem Mô hình số địa hình (hình 3.5)(DEM) và bản đồ độ dốc địa hình là hai trong những dữ liệu đầu vào rất cần cho nhiều nghiên cứu chuyên sâu, ví dụ như để trợ giúp thành lập bản đồ chiều sâu mực nước ngầm, bề dày vỏ phong hóa trong bản đồ vỏ phong hóa, phân vùng tiềm năng trượt lở. Trên cơ sở bản đồ địa hình tỷ lệ 1:50.000 được số hóa ở dạng véc tơ (nghĩa là các đường đồng mức địa hình và các điểm độ cao được số hóa và gán thuộc tính độ cao). Để tạo Dem đạt độ chính xác cao, đường đồng mức được rã thành file điểm sau đó tổng hợp với file điểm độ cao để tạo Dem Bước 2: a.Tạo bản đồ phân vùng cân chỉnh Các vùng hiệu chỉnh được thành lập trên cơ sở diện phân bố của các nhóm thành tạo địa chất có thành phần thạch học (và như vậy thành phần vật chất của vỏ phong hóa của chúng) tương đối giống nhau. Việc phân vùng tiềm năng trượt lở được tiến hành trên 4 vùng khác nhau là: -Trầm tích lục nguyên của các hệ tầng Hòn Gai (T3n-r hg), Bãi Cháy (P2 bc), và Hà Cối (J1-2 hc) - Trầm tích lục nguyên của hệ tầng Tiêu Giao (N2 tg), trầm tích carbonate của hệ tầng Bắc Sơn (C-P bs) - Trầm tích bở rời (không bao gồm bùn tướng vũng vịnh ở đới triều) Đệ Tứ Q - Các lớp bùn tướng vũng vịnh ở đới triều có tuổi Đệ Tứ Q. Dựa vào đặc tính cơ lý của các mẫu phân tích lấy trên các thành tạo địa chất này ta có bản đồ phân vùng hiệu chỉnh.(Hình 3.6) b. Xác định góc nghiêng mái dốc (Lập bản đồ độ dốc); Diện tích thu gom nước tính trên một đơn vị chiều dài (Lập bản đồ diện tích thu gom nước) Bản đồ độ dốc (hình3.7) và bản đồ diện tích thu gom nước (hình 3.8 )được nội suy trực tiếp từ Dem . Bước 3. Gán định các giá trị cho các thông số của mô hình a. Các thông số g, ρw, ρs Đây là các thông số ít thay đổi nhất đối với mỗi loại đất/vỏ phong hóa, đặc biệt là g, ρw. Giá trị gán cho các thông số này dựa trên trị số trung bình tính cho kết quả phân tích của các mẫu lấy trên vỏ phong hóa của từng thành hệ địa chất trong từng nhóm đá. Giá trị của các thông số như sau: g = 9.81 (m/s2); ρw = 1000 (kg/m3); ρs = 1982 (kg/m3) b. Các thông số T/R, C và Đây là nhóm các thông số chứa tính bất định cao, nghĩa là thậm chí đối với một thực thể địa chất và thậm chí ngay tại một vị trí lấy mẫu thì giá trị của các thông số này không phải là cố định mà thay đổi nằm trong một phạm vi nào đó. Bởi vậy, mô hình SINMAP yêu cầu phải xác định khoảng giá trị (giá trị cận trên và cận dưới), thay vì chỉ đưa ra một giá trị cụ thể, phản ánh một cách đại diện nhất cho từng vùng hiệu chỉnh (nhóm các thành tạo địa chất). Khoảng giá trị của đối với mỗi vùng hiệu chỉnh về cơ bản được xác định theo các giá trị nhỏ nhất và lớn nhất của kết quả phân tích mẫu lấy trên vỏ phong hóa của đá gốc (thành tạo địa chất) đã được nhóm gộp vào vùng hiệu chỉnh đó. Trong bước hiệu chỉnh mô hỉnh khoảng giá trị này được điều chỉnh mở rộng dần (có tham khảo các số liệu đã công bố) để đạt được kết quả tính toán tốt nhất của mô hình. Bảng 3.2 phần phụ lục liệt kê khoảng giá trị của đã sử dụng đối với từng nhóm đá khác nhau. Tổng hợp các lực dính kết của đất và đới rễ cây được tính theo công thức C = (Cr + Cs)/(hρsg) (3) Trong đó giá trị Cr phụ thuộc vào từng loại đất và lớp phủ thực vật phát triển trên đó, được tra theo bảng 3.1. Khoảng giá trị được tính bằng Cr ± 0.5Cr. Các thông tin về loại đất và lớp phủ thực vất được lấy từ sơ đồ phân loại thành phần cơ giới đất và bản đồ hiện trạng sử dụng đất tỷ lệ 1:50.000. Giá trị Cs được xác định theo kết quả phân tích mẫu tương tự như đối với . Khoảng giá trị của C đối với từng nhóm đá (vùng hiệu chỉnh) khác nhau được liệt kê ở bảng 3.4. Bảng 3.1. Giá trị lực dính kết đới rễ cây đối với từng loại đất và lớp phủ thực vật Rừng Trảng cỏ, cây bụi Cây nông nghiệp Đất bỏ hoang Đường, thành phố, lát bê tông Cát 208.8 0.092 0.092 0.035 0.059 Bùn cát 61.2 0.127 0.13 0.057 0.066 Cát bùn 65.92 0.208 0.2 0.095 0.083 Silt loam 13.32 0.238 0.24 0.105 0.109 Bột 6.84 0.269 0.27 0.116 0.112 Bùn 5.58 0.331 0.33 0.135 0.115 Sandy clay loam 4.32 0.255 0.26 0.147 0.093 Silt clay loam 2.3 0.32 0.32 0.195 0.117 Clay loam 1.51 0.367 0.37 0.207 0.143 Cát sét 1.19 0.34 0.34 0.241 0.12 Bột sét 0.9 0.388 0.39 0.249 0.163 Sét 0.6 0.394 0.39 0.271 0.151 Ghi chú: trích dẫn và tổng hợp từ USDA (1983) và Raymond (1995). Bảng 3.2. Giá trị hệ số dòng chảy mặt đối với từng loại đất, góc dốc địa hình và lớp phủ thực vật Land Slope Sand Loamy Sandy Silt Silt loam Sandy Silty Clay Sandy Silt Clay use Sand loam loam Clay Clay loam clay Clay loam loam Forest <0,5 0,03 0,07 0,1 0,13 0,17 0,2 0,23 0,27 0,3 0,33 0,4 0,4 0,5.5 0,12 0,13 0,15 0,17 0,19 0,2 0,25 0,28 0,32 0,36 0,4 0,5 5_10 0,17 0,19 0,21 0,23 0,25 0,3 0,29 0,32 0,35 0,39 0,4 0,5 >10 0,23 0,27 0,3 0,33 0,37 0,4 0,43 0,47 0,5 0,53 0,6 0,6 Grass <0,5 0,03 0,07 0,1 0,13 0,17 0,2 0,23 0,27 0,3 0,33 0,4 0,4 0,5.5 0,07 0,09 0,12 0,15 0,18 0,2 0,24 0,28 0,32 0,36 0,4 0,5 5_10 0,15 0,15 0,16 0,18 0,2 0,2 0,27 0,31 0,36 0,42 0,5 0,6 >10 0,2 0,21 0,22 0,24 0,26 0,3 0,33 0,37 0,42 0,47 0,5 0,6 Crop <0,5 0,23 0,27 0,3 0,33 0,37 0,4 0,43 0,47 0,5 0,53 0,6 0,6 0,5.5 0,27 0,31 0,34 0,37 0,41 0,4 0,47 0,51 0,54 0,57 0,6 0,6 5_10 0,33 0,37 0,4 0,43 0,47 0,5 0,53 0,57 0,6 0,63 0,7 0,7 >10 0,45 0,49 0,52 0,55 0,59 0,6 0,65 0,69 0,72 0,75 0,8 0,8 Bare soil <0,5 0,33 0,37 0,4 0,43 0,47 0,5 0,53 0,57 0,6 0,63 0,7 0,7 0,5.5 0,37 0,41 0,44 0,47 0,51 0,5 0,57 0,61 0,64 0,67 0,7 0,7 5_10 0,43 0,47 0,5 0,53 0,57 0,6 0,63 0,67 0,7 0,73 0,8 0,8 >10 0,55 0,59 0,62 0,65 0,69 0,7 0,75 0,79 0,72 0,85 0,9 0,9 Imper- <0,5 0,32 0,35 0,37 0,39 0,42 0,4 0,46 0,49 0,51 0,53 0,6 0,6 vious 0,5.5 0,35 0,37 0,38 0,4 0,42 0,5 0,47 0,5 0,52 0,55 0,6 0,6 5_10 0,4 0,41 0,41 0,42 0,44 0,5 0,49 0,52 0,55 0,59 0,6 0,7 >10 0,44 0,44 0,45 0,47 0,48 0,5 0,53 0,56 0,59 0,63 0,7 0,7 Ghi chú: - đối với loại lớp phủ không thấm nước (đường xá, đo thị, mặt lát bê tông v.v) thì Ksr = 0.3 + 0.7 * Ksr grass Thông số T/R phụ thuộc vào độ dốc địa hình, thành phần hạt và vật chất của vỏ phong hóa, lớp phủ thực vật, lượng mưa và bốc hơi và được gán các giá trị cụ thể như sau - hệ số truyền dẫn nước của đất T = K.h với K là hệ số truyền dẫn thủy lực được tính theo bảng 3.3.; h = D.cosθ là bề dày thực của vỏ phong hóa, D là bề dày biểu kiến (số liệu lấy từ bản đồ vỏ phong hóa), và θ là góc dốc địa hình (số liệu lấy từ mô hình số địa hình DEM). Bảng 3.3. Giá trị hệ số truyền dẫn thủy lực cho các loại đất và lớp phủ khác nhau Forest Grass Crop Bare soil Impervious Sand 208.8 0.092 0.092 0.035 0.059 Loamy sand 61.2 0.127 0.13 0.057 0.066 Sandy loam 65.92 0.208 0.2 0.095 0.083 Silt loam 13.32 0.238 0.24 0.105 0.109 Silt 6.84 0.269 0.27 0.116 0.112 Loam 5.58 0.331 0.33 0.135 0.115 Sandy clay loam 4.32 0.255 0.26 0.147 0.093 Silt clay loam 2.3 0.32 0.32 0.195 0.117 Clay loam 1.51 0.367 0.37 0.207 0.143 Sandy clay 1.19 0.34 0.34 0.241 0.12 Silt clay 0.9 0.388 0.39 0.249 0.163 Clay 0.6 0.394 0.39 0.271 0.151 Ghi chú: trích dẫn và tổng hợp từ Chow (1964), Wang và nnk. (1997), Liu và nnk. (2003) - Lượng bổ cập nước ngầm hiệu dụng tính trên một đơn vị diện tích bề mặt, R, được tính theo công thức R = (I – ET).Ksr với Ksr là hệ số dòng chảy mặt được tính theo bảng 3.2, I là cường độ mưa, ET là cường độ bốc hơi. - Trích dẫn và tổng hợp từ Chow (1964), Driessen và nnk (1991), Wang và nnk. (1997), De Smedt và nnk. (2000) I- Cường độ mưa, ET-Cường độ bốc hơi thực vật. Đối với khu vực Hạ Long-Cẩm Phả, các giá trị cận trên cận dưới của I và ET được xác định theo lượng mưa và bốc hơi với chu kỳ 5 năm (cận dưới) và 10 năm (cận trên). Với các giá trị nêu trên có thể tính được khoảng giá trị T/R sử dụng trong mô hình SINMAP và giá trị cụ thể của nó gán cho từng vùng đã phân chia cho vùng Hạ Long – Cẩm Phả liệt kê ở bảng 3.4. Bảng 3.4: Bảng giá trị T/R, C và ở klhu vực nghiên cứu Bước 4: Chạy SINMAP Muốn chạy SINMAP trước hết cần phải nhập các thông số g, ρw, ρs đã được xác định ở phần trên Sử dụng bản đồ phân vùng hiệu chỉnh đã được nhập đầy đủ các thông số T/R, C và Một lớp chuyên đề điểm trượt đất được thêm vào nghiên cứu Sinmap để có thể đánh giá điều kiện nơi xảy ra trượt đất. Các lỗ hổng trong dữ liệu độ cao số được xác định như là các yếu tố hay tập hợp các giá trị lưới được bao quanh bởi địa hình cao hơn mà theo thuật ngữ của DEM thì không có khả năng thoát nước.Những lỗ hổng này thường hiếm thấy trên địa hình tự nhiên và thường được cho là các dấu ấn phát sinh do sự rời rạc và các lỗi của Dem. Chúng được loại trừ bằng phương pháp phủ lấp. Phương pháp này sẽ nâng độ cao của từng ô lưới có lỗ hổng lên bằng độ cao của điểm thấp nhất trong chu vi lỗ hổng. DEM lấp lỗ hổng sau đó được dùng để tính toán các bản đồ thành phần. Việc tính toán độ dốc và hướng dòng chảy trong SINMAP được dựa trên phương pháp đa hướng Dinf , trong đó hướng dòng chảy có giá trị từ 0 đến 2π , tính theo chiều ngược chiều kim đồng hồ. - Bản đồ chỉ số ổn định sườn dốc. Bản đồ chỉ số ổn định sườn dốc chạy theo bản đồ phân vùng hiệu chỉnh địa chất (hình 3.9) cho ra kết quả chưa thật sát với thực tế. Bản đồ chưa chỉ ra được nguy cơ trượt lở trên những khu vực khai thác than . Có những biến đổi tạo nên địa hình nhân sinh ban đầu chưa ảnh hưởng tới quá trình địa mạo phát sinh nguy cơ tai biến. Theo thời gian, quá trình biến đổi vật liệu sẽ tích luỹ các nguy cơ tiềm ẩn tai biến - điển hình là các bãi thải rắn từ hoạt động khai thác than. Vật liệu lấy ra từ trong lòng đất ở trong trạng thái không ổn định khi đổ trên bề mặt địa hình, vật chất sẽ biến đổi dẫn tới sự cân bằng về mặt lý-hoá của môi trường tự nhiên trên bề mặt trái đất. Theo thời gian vật liệu thô tiếp tục bị phá huỷ cơ học, đặc biệt là ở các lớp phía trên; đá rắn chắc trở nên mềm bở. Do vật liệu có độ lỗ hổng lớn, các tác nhân phong hoá có thể tác động tới lớp cuối cùng. Đặc biệt, quá trình phong hoá ở đới nước ngầm lưu thông - nơi tiếp giáp giữa bề mặt nguyên thuỷ và khối vật liệu mới sẽ xảy ra mạnh nhất. Các vật liệu thải từ khai thác lộ thiên phần lớn được lấy ra từ các lớp trầm tích nằm không sâu từ bề mặt địa hình hiện đại, trong đó có một bộ phận không nhỏ các thành tạo là vỏ phong hóa. Đó là các vật liệu đã có sự cân bằng hoá học tương đối với môi trường bề mặt. Về mặt vật lý, trong loại vật liệu này đã có sự tham gia đáng kể của cấp hạt sét. Trái lại, các vật liệu từ khai thác hầm lò thường có màu xám đen do mức độ oxy hoá kém. Các vật liệu lấy từ sâu trong lòng đất khi đổ trên bề mặt phải có sự thay đổi cho phù hợp với môi trường mới. Quá trình phong hóa cơ học, hóa học sẽ dần phá hủy các mảnh vụn rắn chắc thành các mảnh có kích thước nhỏ hơn, hình thành các khoáng vật sét và dẫn tới các đặc trưng môi trường khác so với khi mới được đổ ra. Đặc điểm chung của các vật liệu này là có sự liên kết với nhau rất yếu. Khi được đổ thành đống cao, chúng sẽ tạo nên một bề mặt sườn có độ dốc tự nhiên phù hợp với đặc trưng của vật liệu. Tuy nhiên, đây là các sườn chưa ổn định và khá nhạy cảm với các tác động bên ngoài. Các vật liệu có thể tham gia vào dòng chảy lũ từ quá trình trượt lở, ngoài nguồn phá hủy trực tiếp từ các vỏ phong hóa, còn có một nguồn quan trọng khác là các tầng vật liệu tích tụ bởi các sản phẩm của các quá trình thành tạo địa hình trước đó. Nếu chỉ đánh giá vật liệu theo đặc trưng thạch học sẽ bị bỏ qua nguồn vật liệu quan trọng này, trong khi trên bản đồ địa mạo, chúng lại được khoanh vẽ thành một đơn vị địa hình riêng là “bề mặt tích tụ sườn tích”. Và như thế, bên cạnh việc đánh giá các đặc trưng về thành phần thạch học của mỗi loại đá đối với nguy cơ trượt lở, tác giả còn lựa chọn phương án tích hợp giữa lớp thông tin về các đơn vị địa mạo được phân chia theo nguồn gốc phát sinh với lớp thông tin về thạch học để xác định các ổ vật liệu kiểu như vậy. Dựa vào bản đồ địa mạo được phân chia theo nguồn gốc phát sinh, bản đồ vùng hiệu chỉnh được chia lại thêm vùng 5 (địa hình tự nhiên nhân sinh) liên quan đến khu vực khai thác than mỏ than Hà Tu, mỏ than Cọc 6. Bảng 3.5: Bảng giá trị T/R, C và ở klhu vực khai thác than Vùng hiệu chỉnh T/R min T/R max Cmin Cmax PHImin PHImax Khu vực khai thác than 246 1681 0.01 0.012 15.4 30.5 Từ bản đồ phân vùng hiệu chỉnh mới, ta có bản đồ chỉ số ổn định sườn dốc mới.( Hình 3.10) Bảng 3.6: Khu vực có nguy cơ trượt lở cao Vùng trượt Diện tích (m2) Khu vực 1 2028163.086 P.Cẩm Đông, Cẩm Tây, Cẩm Sơn. 2 1578709.060 Chủ yếu ở phường Hà Phong. 3 1392894.903 Chủ yếu ở phường Cẩm Sơn 4 1215884.324 Chủ yếu ở phường Cẩm Phú Kết quả đánh giá cho thấy, nguy cơ xảy ra trượt lở, cao nhất tập trung vào hai khu vực khu vực khai thác than Hà Tu-Hà Lầm và Đèo Nai-Cọc 6-Mông Dương- Núi Béo. Ngoài ra còn có một số vị trí khác như ở khu vực phường Quang Hanh và xã Cộng Hòa nhưng với diện phân bố không đáng kể. Nguy cơ trượt lở cao ở đây, một mặt liên quan đến đặc điểm kết cấu kém của vật liệu, bề dày và độ dốc lớn của các bãi thải, còn lại, các vị trí khác thì trùng với nơi có điều kiện thuận lợi về đặc điểm thạch học và các đặc trưng hình thái. Ví dụ ở khu vực phường Quang Hanh, vị trí trượt lở cao trùng với nơi địa hình có độ dốc lớn (>250), bị chia cắt mạnh (chia cắt ngang trên 500m/km2, chia cắt sâu là trên 200m), các sườn, một mặt phát trên đá của hệ tầng Hòn Gai có chứa than, mặt khác lại trùng với hướng cắm của đá gốc, đồng thời lại trùng với một đới đứt gãy kéo dài từ Hà Tu đến Cọc 6. Các khu vực còn lại nhìn chung khá ổn định, nguy cơ trượt lở không lớn. 3.3. Đánh giá nguy cơ lũ bùn đá khu vực Hạ Long – Cẩm Phả Đặc điểm và cơ chế của trượt lở và lũ bùn đá Dòng lũ bùn đá thường được hình thành ở những suối có nhiều yếu tố tạo nên các đập chắn tạm thời. Các đập chắn này thường được hình thành bởi các khối trượt đất lớn trực tiếp từ hai sườn phía bên cạnh, cũng có thể là sự dồn ứ vật liệu gồm các khối đá lớn, các thân gỗ bị phá hủy từ phần trên của thung lũng đưa xuống. Sự phá vỡ các đập chắn này bởi sự quá tải sẽ dẫn tới hình thành dòng lũ bùn đá, các đê hay gờ chắn này thường được hình thành ở những chỗ bị thắt hẹp hay ở những nơi ngoặt đột ngột của thung lũng và tại những nơi có nhiều vết trượt lở từ hai sườn. Việc xác định khả năng hình thành các thung lũng với sự xen kẽ giữa những đoạn mở rộng và thu hẹp sẽ là cơ sở cho việc đánh giá nguy cơ lũ bùn đá. Các kết quả nghiên cứu trước đây đã cho thấy, các khe suối cắt vuông góc với hướng cắm của các tập đất đá có độ bền vững khác nhau sẽ thuận lợi cho việc hình thành các thung lũng kiểu này, kiểu thung lũng xuyên thủng hay còn gọi là dạng ống chỉ. Các vật liệu cung cấp cho dòng chảy để tạo thành dòng lũ bùn đá thường là các ổ vật liệu xốp rời, liên quan với địa hình tích tụ ở vùng trước núi như coluvi, proluvi, deluvi,... và các vật liệu từ các vỏ phong hóa trên các đá mẹ khác nhau. Những khối đất đá lớn nằm trên các bề mặt địa hình nghiêng thoải dưới chân các sườn vách dốc đứng là một hình ảnh khá phổ biến trên các vùng núi ở Việt Nam. Chúng là sản phẩm đổ lở từ các khối núi cấu tạo bởi đá rắn chắc. Sản phẩm này hay nằm trên bề mặt nghiêng thoải cấu tạo bởi đá có độ bền vững kém hơn. Các khe xói cắt vào bề mặt nghiêng thoải này khi có trắc diện dọc và ngang dốc rất dễ phát sinh các khối trượt lở trên tầng đá vụn bở có tỉ trọng lớn nằm trên, tạo nguồn vật liệu cho lũ bùn đá. Lũ quét- bùn đá xảy ra luôn đi kèm với hiện tượng trượt đất và mưa to kéo dài trong vài ngày. Trên cơ sở lý luận và thực tế, các nhà nghiên cứu đều khẳng định rằng không có trượt lở đất thì không có lũ bùn đá. Vào giữa hay cuối mùa mưa, khi lớp đất đá ở hai bên sườn thung lũng đã bị thấm quá nhiều nước và gần như đạt tới trạng bão hoà, chúng không còn độ kết dính hay mất cân bằng về trọng lực. Trong điều kiện có độ dốc phù hợp, chúng có thể tạo ra những khối trượt hay dòng bùn đá lớn. Hoặc theo cách khác, dọc thung lũng xuất hiện nhiều các khối trượt đưa vật liệu xuống lòng dẫn của sông, suối, tạo thành các đập chắn tạm thời. Khi mưa to kéo dài, trong điều kiện đáy thung lũng sông, suối dốc, lượng nước tập trung nhanh và tích luỹ đủ năng lượng để phá vỡ các đập chắn, đó là lúc lũ quét- bùn đá xuất hiện. Trên đường đi, dòng cuồng lưu này càng gặp nhiều vật cản thì chúng càng trở nên dữ tợn và nguy hiểm do năng lượng liên tục được tích luỹ mỗi khi dòng chảy bị chặn lại. Mặc dù không có trượt đất thì không có lũ bùn đá, song xét trên quan điểm địa mạo thì trượt lở đất chỉ là điều kiện cần, để có lũ bùn đá thì cần phải có một thung lũng có trắc diện dọc và ngang đủ dốc. Khi lũ bùn đá xảy ra, trong lúc hoạt động chúng đều để lại dấu ấn của mình trên địa hình. Tiêu biểu cho các dấu hiệu để nhận biết sự hiện diện của lũ bùn đá trong quá khứ chính là các sản phẩm tích tụ của chúng sau khi đã ngừng hoạt động. Đó chính là những khối tích tụ trầm tích hỗn độn đặc trưng, gọi là lũ tích. Chúng hợp thành nón phóng vật, vạt gấu sườn tích và lớp phủ lũ tích ở các sông suối và các dòng chảy tạm thời, ở các đồng bằng trước núi, các thung lũng giữa núi… Việc phân tích và đánh giá các điều kiện địa hình tại những khu vực đã từng xảy ra lũ bùn đá có ý nghĩa rất quan trọng cho việc dự báo chúng. Các thông tin về trắc lượng hình thái, đặc điểm thạch học, đá gốc, đặc điểm mưa... ở những nơi đã từng xảy ra lũ bùn đá sẽ là chìa khoá cho kiệc tìm kiếm và xác định các khu vực tiềm ẩn loại tai biến này trong tương lai. Các đặc trưng địa mạo có quan hệ mật thiết với sự phân bố vật liệu, đặc biệt là các vật liệu vụn bở và sự phá vỡ trạng thái cân bằng tương đối - yếu tố tiên quyết của trượt lở đất và lũ bùn đá. Đánh giá nguy cơ lũ bùn đá Sau khi đánh giá được nguy cơ trượt lở, kết quả này sẽ được tích hợp với các lưu vực sông suối để đánh giá nguy cơ phát sinh lũ bùn đá.. Như đã đề cập đến trong phần cơ chế lũ bùn đá trong chương 1, trong khu vực nghiên cứu lũ bùn đá xảy ra dưới hai dạng, dạng tuôn chảy và dạng vỡ dòng. Đối với dạng tuôn chảy chủ yếu liên quan đến nguy cơ trượt lở và dòng bùn đá trong lưu vực, độ dốc và hình dáng của lưu vực. Đối với loại lũ quét vỡ dòng, nó phụ thuộc vào cấu trúc của thung lũng sông suối, đó là dạng thung lũng xuyên thủng có nhiều đọan thắt hẹp, mở rộng xen kẽ nhau. Để đánh giá khả năng xuất hiện lũ bùn đá do trượt lở ở mỗi lưu vực, kết quả nghiên cứu về nguy cơ trượt lở tích hợp với các lớp thông tin về đặc điểm lưu vực và lượng mưa để xác định những khu vực có nguy cơ phát sinh lũ bùn đá. Tiến hành thống kê diện tích có nguy cơ trượt lở ở các mức độ khác nhau theo từng lưu vực đã được phân chia. Nguy cơ phát sinh lũ bùn đá được đánh giá dựa trên tỷ lệ phần trăm diện tích giữa các cấp nguy cơ khác nhau trong mỗi lưu vực, trong đó có sự ưu tiên trọng số tăng dần theo cấp nguy cơ. Trong khu vực nghiên cứu, dựa vào bản đồ thủy văn của khu vực, sơ đồ phân chia lưu vực đã được thành lập (hình 3.12). Đây là cơ sở quan trọng để đánh giá trượt lở đất trong từng lưu vực. Xác định khả năng xảy ra lũ bùn đá. Đối với những lưu vực có nguy cơ trượt lở càng cao, khả năng đưa vật liệu xuống tham gia vào dòng lũ càng lớn. Chính vì vậy cần xem xét khă năng trượt lở trong từng lưu vực từ đó đưa ra một lớp thông tin về nguy cơ trượt lở đối với từng lưu vực (hình 3.13). Khu vực Hạ Long – Cẩm Phả là khu vực có mạng lưới sông suối không phải dày đặc tuy nhiên trên các sườn hình thành nhiều khe rãnh xâm thực. Chính ví vậy chia ra các lưu vực khác nhau là công việc không dễ dàng. Khu vực được chia thành 46 lưu vực khác nhau, nhìn chung là đồng nhất về diện tích. Về mạng lưới sông suối đã có những tổng kết nhất định về mặt lý thuyết và thực tiễn rằng, nếu lấy theo thang điểm 5 thì mạng sông suối dạng nan quạt có hệ số tập trung nước cao nhất từ 3 đến 5. Mạng hình nhánh cây có hệ số tập trung nước từ 1,8 đến 3. Mạng hình lông chim có hệ số tập trung nước thấp nhất. Vì vậy mạng lưới sông suối có dạng nan quạt, nhánh cây là mạng dễ phát sinh lũ quét tập trung. Diện tích lưu vực hứng mưa càng lớn, lòng sông suối chính càng ngắn thì dòng lũ và vận tốc lũ càng lớn. Lòng sông càng dài (như lưu vực dạng lá dài) ít có khả năng phát sinh lũ bùn đá. Độ lớn của lưu vực có ảnh hưởng đến tính chất và quy mô của lũ bùn đá. Hiện trạng lũ bùn đá ở Quảng Ninh cho thấy chúng thường xuất hiện trên các khe suối nhỏ trên các sườn bãi thải. Nếu quy ước các suối thượng nguồn là phụ lưu bậc I, thì thực tế cho thấy lũ bùn đá thường xuất hiện ở các suối bậc I, II, III, và ít khi xuống đến bậc IV. Độ dốc lòng có ý nghĩa quyết định tới việc hình thành các dòng bùn đá và lũ quét dọc các sông. Độ dốc lòng càng cao thì vận tốc dòng chảy càng lớn, khả năng lôi cuốn bùn đá càng mạnh. Độ dốc trung bình của các lưu vực càng lớn nguy cơ trượt lở càng mạnh và độ tập trung nước càng nhanh. (Hình 14) Dạng lũ bùn đá xảy ra theo cơ chế vỡ dòng hết sức nguy hiểm do liên tục có sự tích lũy năng lượng khối nước và bùn đá. Loại lũ này thường xảy ra trên các sông suối dạng xyên thủng hoặc có nghiều đoạn gấp khúc đột ngột. Trong khu vực nghiên cứu trận lũ bùn đá xảy ra ở thung lũng Khe Dè là một ví dụ điển hình. Thông thường, sự hình thành thung lũng có dạng như thế này đều gắn với mối quan hệ giữa phương của cấu trúc địa chất và hướng của thung lũng sông. Khi dòng chảy cắt vuông góc với phương cấu trúc địa chất và cắt qua nhiều tập đá có độ bền vững khác nhau, tại chỗ cắt qua đá gốc rắn chắc sẽ là nơi thung lũng bị thắt hẹp, ở những vị trí cắt qua cá đá kém bền vững, thung lũng sông thường mở rộng do ở đây quá trình phong hóa và xâm thực bờ diễn ra mạnh hơn. Để xác định các thung lũng xuyên thủng, tìm chúng thông qua mối quan giữa phương cấu trúc địa chất và hướng cuả các thung lũng sông suối trong vùng.( Hình 3.15) Việc đánh giá này dựa vào sự tích hợp của các lớp thông tin về dòng chảy, hướng sườn và phương cấu trúc đất đá. Từ đó đánh giá trọng số cho các thung lũng sông này đối với nguy cơ phát sinh lũ bùn đá (bảng 3.7). Bảng 3.7: Điểm trọng số đánh giá cho mối quan hệ giữa hướng của dòng chảy với phương của cấu trúc địa chất đối với nguy cơ phát lũ bùn đá Phương dòng chảy với hướng cấu trúc đất đá Đánh giá trọng số < 250 1 250 – 500 2 500 - 700 3 700 - 850 4 850 - 900 5 Kết quả đánh giá cho thấy, nguy cơ xảy ra trượt lở, lũ bùn đá cao nhất tập trung vào hai khu vực khu vực khai thác than Hà Tu-Hà Lầm và Đèo Nai-Cọc 6-Mông Dương- Núi Béo. Ngoài ra còn có một số vị trí khác như ở khu vực phường Quang Hanh, ở phía tây, tây bắc Bằng Tẩy và xã Cộng Hòa nhưng với diện phân bố không đáng kể. Nguy cơ trượt lở cao ở đây, một mặt liên quan đến đặc điểm kết cấu kém của vật liệu, bề dày và độ dốc lớn của các bãi thải, còn lại, các vị trí khác thì trùng với nơi có điều kiện thuận lợi về đặc điểm thạch học và các đặc trưng hình thái. Ví dụ ở khu vực phường Quang Hanh, vị trí trượt lở cao trùng với nơi địa hình có độ dốc lớn (>250), bị chia cắt mạnh (chia cắt ngang trên 500m/km2, chia cắt sâu là trên 200m), các sườn, một mặt phát trên đá của hệ tầng Hòn Gai có chứa than, mặt khác lại trùng với hướng cắm của đá gốc, đồng thời lại trùng với một đới đứt gãy kéo dài từ Hà Tu đến Cọc 6. Các khu vực còn lại nhìn chung khá ổn định, nguy cơ trượt lở không lớn. Những nơi có khả năng phát sinh tai biến lũ quét- bùn đá cao hầu hết tập trung ở những lưu vực sông suối nhỏ bắt nguồn từ các bãi thải từ hoạt động khai thác than có nguy cơ trượt lở cao. Theo cách đánh giá ngẫu nhiên này, các lưu vực suối Lộ Phong, Khe Dè rơi vào các vị trí có nguy cơ cao nhất. Đây là những điểm đã được khảo sát thực địa và là những vị trí có sự tập trung vật liệu bở rời lớn ở phần thượng nguồn, thung lũng sông có nhiều đoạn gấp khúc hoặc bị thắt hẹp đột ngột, làm tăng khả năng nghẽn tắc, đồng thời có độ dốc và mật độ chia cắt ngang lớn. Phía đông bắc huyện Cẩm Phả, nơi có mật độ chia cắt ngang khá cao, nhưng các sườn khá ổn định do phát triển chủ yếu trên các đá rắn chắc của hệ tầng Hà Cối. Trong khu vực này, nguy cơ phát sinh trượt lở, lũ bùn đá chỉ ở mức thấp và rất thấp. Khu vực giữa Cẩm Phả và Hạ Long là khu vực có nguy cơ trượt lở khá cao, nhưng do mạng lưới sông suối không phát triển, bởi vậy nguy cơ xảy ra lũ bùn đá ở đây là rất thấp. Những khu vực ven biển là nơi có địa hình bằng phẳng, không có khả năng phát sinh trượt lở, lũ bùn đá, nhưng do nằm ở phần hạ lưu các sông suối rất ngắn có nguy cơ phát sinh tai biến ở phần đầu nguồn, bởi vậy vẫn có nguy cơ chịu ảnh hưởng gián tiếp của loại hình tai biến này. Điều này thể hiện rất rõ ở phần hạ lưu Khe Dè trong trận lũ bùn đá năm 2006. Một số vị trí cụ thể có nguy cơ phát sinh tai biến trượt lở, lũ bùn đá được trình bày trong bảng 3.8 dưới đây. Lưu vực Vị trí Nguy cơ chịu ảnh hưởng và phát sinh trực tiếp Rất thấp Thấp TB Mạnh Rất mạnh Khe Dè 744852,2328370 x Suối Lộ Phong 720612,2321687 x x Mỏ than Đèo Nai 740000,2325000 x Như vậy, những kết quả đánh giá khách quan phản ánh khá chính xác hiện trạng qua quá trình khảo sát thực tế. Điều này khẳng định tính xác thực của kết quả đánh giá cho toàn bộ khu vực nghiên cứu. 3.4. Đánh giá tai biến xói lở - bồi tụ bờ biển khu vực Hạ Long – Cẩm Phả trên cơ sở nghiên cứu biến động đường bờ. 3.4.1.Cơ sở dữ liệu phục vụ đánh giá biến đổi địa hình 3.4.1.1. Dữ liệu ảnh Dữ liệu ảnh để thực hiện luận văn là ảnh vệ tinh Landsat của 2 thế hệ bộ cảm biến TM và ETM+. Nguồn dữ liệu này một phần được thu thập miễn phí từ website Global Land Cover Facility, University of Maryland, một phần được thu thập từ các đề tài khác. Các file có định dạng TIF đã được nắn chỉnh theo phép chiếu WGS-84 toàn cầu. Độ phân giải ảnh là 28,5m, riêng ảnh Landsat ETM+ có thêm kênh đơn sắc (kênh 8) với độ phân giải là 14,25m. 3.4.1.2. Dữ liệu bản đồ: Bản đồ địa hình được thu thập dưới dạng bản đồ số, tỷ lệ 1:50.000, hệ tọa độ UTM, phép chiếu WGS-84 của Bộ Tài nguyên Môi trường. Bản đồ nền gồm 5 lớp cơ bản sử dụng cho để tài gồm: Ranh giới huyện, ranh giới xã, sông lớn dạng vùng, kênh rạch nhỏ dạng đường và đường giao thông. Bản đồ nền được sử dụng để nắn chỉnh hình học ảnh và làm cơ sở phân tích kết quả biến động đường bờ. 3.4.2. Quy trình và phương pháp thực hiện Có nhiều phương pháp tách đường bờ khác nhau từ ảnh viễn thám như phương phác của ZHANG Zhaohui và các cộng sự (năm 2003), Winarso và các cộng sự (năm 2001), A.A. Alesheikh và các cộng sự năm (2006)... Cắt và nắn chỉnh hình học ảnh band 5 < ngưỡng b2/b4 > 1 AND b2/b5 > 1 TM and ETM+ ảnh 3: ảnh 1 x ảnh 2 ảnh 1 ảnh 2 ảnh 4 Lọc đối tượng Vector hóa Bản đồ đường bờ Trong luận văn này tác giả đã thử nghiệm phương pháp của A. A Alesheikh và các cộng sự (2006). Đây là phương pháp cho độ chính xác cao và khá đơn giản. Theo sự đánh giá của tác giả thì phương pháp này có độ chính xác là 1.3 pixel (pixel size = 30m). Các kênh ảnh được sử dụng để thành lập bản đồ biến động là: b2, b4 và b5. Quy trình xử lý ảnh tạo bản đồ biến động được thực hiện qua các bước sau Hình 3.17: Sơ đồ quy trình thành lập bản đồ đường bờ Bước 1: Cắt và nắn chỉnh hình học ảnh Ảnh TM và ETM+ sau khi được down về vẫn là những ảnh đơn sắc được tách riêng theo từng kênh. Để đỡ phải cắt và ghép nhiều kênh ảnh riêng lẻ, tác giả tổ hợp các kênh ảnh của cùng một năm lại để nắn và cắt một lần. Ảnh được tổ hợp trên 3 kênh chủ yếu: 5,4,2; Ngoài ra, tác giả tổ hợp cả 3 kênh: 5,4,3 là kênh màu tự nhiên để tiện cho việc so sánh. Tạo ranh giới vùng nghiên cứu từ bản đồ nền, cắt và nắn chỉnh hình học ảnh. Khu vực nghiên cứu được cắt theo lệnh Resize neu kData (Spatial/ Spectral) Mặc dù việc nắn chỉnh hình học đã được nhà cung cấp ảnh nắn chỉnh theo phép chiếu toàn cầu WGS-84. Nhưng đối với mỗi khu vực nghiên cứu cụ thể sẽ có hệ tọa độ và phép chiếu riêng. Vì vậy chúng ta phải nắn chỉnh sao cho phù hợp với bản đồ nền của vùng nghiên cứu. Khi nắn chỉnh hình học phải tuân thủ đúng nguyên tắc chọn điểm khống chế là chọn các địa vật cố định thể hiện trên bản đồ và thấy rõ trên ảnh như ngã ba, ngã tư đường giao thông, đập nước, sân bay, cầu… Các điểm khống chế được phân bố đều trên toàn ảnh. Có 2 phương pháp nắn chỉnh ảnh đó là nắn chỉnh ảnh theo ảnh (image to image) và nắn chỉnh ảnh theo bản đồ (image to map). Trước tiên ta thực hiện theo phương pháp nắn chỉnh theo bản đồ với ảnh thứ nhất. Sau đó ảnh còn lại được thực hiện theo phương pháp nắn chỉnh ảnh theo ảnh. Dựa vào bản đồ nền, 2 lớp có thể chọn để làm cơ sở đặt điểm khống chế là lớp giao thông và lớp kênh rạch nhỏ dạng đường. Lớp giao thông là đáng tin cậy hơn vì đường giao thông là địa vật ít thay đổi. Nhưng do ảnh viễn thám có độ phân giải 30m. Đây lại là vùng có đường giao thông nhỏ nên không thể thấy nơi giao nhau giữa các đường giao thông. Còn lại là lớp kênh rạch nhỏ dạng đường. Trong lớp này để tránh sai số sinh viên chọn điểm giao nhau giữa các con kênh có dạng thẳng. Đó là những con kênh nhân tạo ít thay đổi. Yêu cầu sai số của nắn chỉnh hình học là <= 0.5 Phép nắn chỉnh hình học được thực hiện theo bản đồ cho ảnh năm 2001: Map à Registration à Select GCPs: Image to Map. Phương pháp nắn được chọn là đa thức Polynomial, với phép tái chia mẫu Nearest Neighbor nhằm hạn chế tối đa sự thay đổi giá trị phản xạ phổ ban đầu của các phần tử ảnh. Các ảnh còn lại được nắn chỉnh theo ảnh năm 2001 (Image to Image). Hình 3.18: Ảnh được nắn theo hệ tộ độ VN-2000 Bước 2: Phân loại kênh ảnh b5 Kênh ảnh b5 biểu thị sự tương phản rất mạnh giữa đất và nước. Vì vậy nó được sử dụng để tách vùng nước qua một ngưỡng giá trị cấp độ xám. Ngưỡng giá trị để tạo ảnh nhị phân cho kênh b5 với từng ảnh là khác nhau. Ta dựa vào hitogram của từng ảnh để xác định ngưỡng giá trị sao cho phù hợp. Vùng nước là vùng có giá trị gần giá trị 0. Kết quả của việc phân loại b5 tạo ra 1 ảnh gọi là: ảnh 1.Vùng nước được gán giá trị là 0. Vùng bờ được gán giá trị là 1. Khảo sát Histogram cho thấy ngưỡng giá trị của b5 của năm 1991 là 8-90 và năm 2001 là 12-211. Sử dụng các giá trị này theo phương pháp phân lọai Cây quyết định (Decision Tree) với b5(1991) = 20 và b5(2001) =30 nhằm tách vùng đất và nước thành các giá trị tương ứng là 1 và 0. Ảnh 1 thể hiện trên hình 3.19 là kết quả phân loại. (Hình 3.38: Ảnh phân loại b5 (ảnh 1)) Hình 3.19: Ảnh phân loại b5 (ảnh 1) Bước 3: Lập ảnh tỷ số b2/b5, b2/b4 tạo ảnh 2 Các kênh ảnh b4 và b5 được kết hợp với b2 tạo ảnh tỷ số. Ảnh tỷ số của b2 chia b5 được dùng để tách đường bờ cho vùng bờ không có thực vật. Ảnh tỷ số của b2 chia b4 được dùng để tách đường bờ cho vùng bờ có thực vật. Và giá trị ngưỡng để tạo ảnh nhị phân cho 2 ảnh tỷ số này là 1. Vùng nước là vùng có giá trị > = 1 được gán giá trị là 0. Vùng đất là vùng có giá trị < 1 được gán giá trị là 1 Sử dụng công cụ Band Math để thực hiện phép chia ảnh tỷ số b2/b4 và b2/b5. Sau đó ta dùng phép toán quan hệ “AND” để thiết lập quan hệ cho 2 ảnh tỷ số đã phân loại ở trên, kết quả này tạo ra 1 ảnh gọi là: ảnh 2. Phép toán quan hệ AND được giải thích như sau: B2/b5(binary) b2/b4(binary) ảnh 2 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 Vùng nước ở tỷ số (b2/b5) bị gán nhầm giá trị là 1, sẽ kết hợp với giá trị đúng của ảnh tỷ số (b2/b4) là 0 sẽ cho ra giá trị đúng là 0. Tương tự 1 số pixel vùng nước ở ảnh b2/b4 bị gán nhầm giá trị 1 kết hợp với giá trị 0 của ảnh b2/b5 sẽ cho giá trị đúng là 0. Cuối cùng ta được ảnh có giá trị đúng là ảnh 2.( Hình 3.20) Hình 3.20: Kết quả quan hệ “AND” của ảnh nhị phân b2/b4 và b2/b5đã phân loại (ảnh 2) Bước 4: Nhân ảnh Tiếp theo ta sẽ nhân ảnh 1 và ảnh 2 để tạo ra ảnh 3. Bước này nhằm xác định lại giá trị đúng cho các pixel là đất bị gán nhầm là nước và ngược lại. Bước này cũng dùng công cụ Band Math. Thực hiện đơn giản tương tự như ở bước 3. Kết quả là ảnh 3. Do ảnh thực hiện là ảnh quá khứ không có các số liệu thực địa song hành vào thời điểm bay chụp ảnh vệ tinh, do đó việc đánh giá độ chính xác phân loại sẽ được tiến hành bằng cách so sánh trực quan với ảnh tổ hợp màu RGB (Red Green Blue) 543.. Bước 5: Lọc bỏ đối tượng Trước khi vector hóa để tách lấy đường bờ phải loại bỏ đi những vùng nhỏ. Trong luận văn này sinh viên chỉ xét đến bờ sông và bờ biển. Vì vậy những vùng nhỏ có thể là đụn cát, cánh đồng bị ngập nước, vuông tôm, ao, hoặc các con kênh, rạnh nhỏ sẽ bị loại bỏ. Để thực hiện việc này ta dùng công cụ Sieve Classes. Trước khi tiến hành lọc đối tượng ta gán lại giá trị ảnh 3. Vùng nước được gán giá trị 1. Và vùng đất gán giá trị 0. Sau đó tiến hành theo các bước sau: Từ menu chính của ENVI: Classification à Post Classification à Sieve Classes. Sau đó thực hiện các tùy chọn xử lý ảnh cho cả 3 năm. Kết thúc bước 4 tạo ra 1 ảnh gọi là: ảnh 4. Ảnh 4 là ảnh cuối cùng sẽ được sử dụng để chuyển sang vector tạo bản đồ đường. (Hình 3.21) Hình 3.21: So sánh kết quả trước và sau khi lọc đối tượng năm 1991 Bước 6: Vector hóa Ảnh 4 sẽ được chuyển sang vector từ lệnh Raster to Vector từ menu lệnh của ENVI. Ảnh các năm được thực hiện tương tự các bước trên. Cuối cùng chồng lớp đường bờ của các năm thành lập bản đồ biến động. Dùng công cụ Raster to vector của ENVI: Vector à Raster to Vector. Sau đó chọn giá trị đường bao. Bước này tạo ra đường bờ dạng vector với dữ liệu file .evf. Tiếp theo export file .evf sang .shp. Kết thúc bước này ta được bản đồ đường bờ Sau đó chồng các lớp đường bờ của các năm lên nhau tạo bản đồ biến động đường bờ từ năm 1991 đến năm 2007 (hình3.22; hình 3.23) 3.4.3. Đánh giá biến động 3.4.3.1. Hiện trạng biến đổi Vùng nghiên cứu có 3 mặt được bao bọc bằng các vịnh biển là vịnh Cuốc Bê, vịnh Hạ Long-Bãi Tử Long và sông Cửa Ông (còn gọi là vịnh Cửa Ông). Đường bờ vịnh biển chiếm tới 3/4 chu vi của vùng-khoảng 2222 km. Trên cơ sở phân tích các điều kiện động lực hiện đại, nhân sinh và qua phân tích ảnh viễn thám nhiều thời kỳ cho giai đoạn 1991 đến 2007 cho thấy toàn bộ đường bờ biển trong khu vực nghiên cứu không có xói lở, chỉ có bồi tụ và được phân ra các đoạn như sau: Trên cơ sở chồng ghép đường bờ các năm 1991, năm 2001, năm 2007, tích hợp các lớp thông tin mô tả hiện trạng sử dụng đất khu vực Hạ Long - Cẩm Phả, tác giả đã thu được những kết quả sau: Từ kết quả so sánh, tính toán cho thấy, địa hình bờ biển khu vực Hạ Long - Cẩm Phả sau 16 năm đã có nhiều biến đổi. Nhiều khu vực bờ biển biến động mạnh như phường Quang Hanh, Cẩm Thạch, Cẩm Thủy, Cẩm Trung, Cẩm Thành, Cẩm Bình, Cẩm Đông, Cẩm Sơn, Cẩm Phú, Cẩm Thịnh, Hồng Hà, Hồng Hải, Hà Tu. Tổng diện tích biến động từ năm 1991 đến năm 2001 là: 9,663662 Km2. Bảng 3.9: Hiện trạng biến đổi đường bờ một số khu vực giai đoạn 1991 - 2001 Khu vực Khoảng cách bồi Tốc độ bồi Max Min Max Min Phường Hồng Hải 407m 40m 40,7m/năm 4m/năm Phường Hồng Hà 519m 52m 51,9m/năm 5,2m/năm Phường Cẩm Sơn 530m 50.97m 53m/năm 5.097m/năm Phường Cẩm Phú 448m 20.3m 44.8m/năm 2.03m/năm Phường Cẩm Đông 500m 100m 50m/năm 10m/năm Hình 3.24: Khu vực biến động theo xu hướng mở rộng đường bờ lớn nhất của khu vực Hạ Long – Cẩm Phả từ năm 1991 đến năm 2001 (khu vực gần moong khai thác than Cọc 6). Hình 3.25: Khu vực mở rộng đường bờ thuộc các phường Bạch Đằng, Hồng Hà Hồng Hải, Hà Tu từ năm 1991 đến năm 2001 (khu vực gần moong khai thác than Hà Tu). Tổng diện tích biến động từ 2001 đến năm 2007 là 7,842706.2700 Km2 Hình 3.26: Đường bờ thuộc phường Cẩm Sơn, Cẩm Phú, Cẩm Thạch, Cẩm Thủy biến đổi rất mạnh Bảng 3.10: Hiện trạng biến đổi đường bờ một số khu vực giai đoạn 2001 - 2007 Khu vực Khoảng cách bồi Tốc độ bồi Max Min Max Min Phường Cẩm Thạch 693m 336m 115.5m/năm 56m/năm Phường Cẩm Thủy 764m 611m 127.3m/năm 101.83m/năm Phường Cẩm Phú 672m 305m 112m/năm 50.83m/năm Phường Cẩm Sơn 540m 132m 90m/năm 22m/năm Khu vực phường Yết Kiêu, Cao Xanh, Hà Khánh giai đoạn 1991 – 2001 ( tổng diện tích biến động là 0.066670 Km2) biến động rất ít nhưng giai đoạn 2001 đến 2007 biến động rất nhiều (tổng diện tích biến động là 1.865402 Km2). Hình 3.27: Đường bờ được mở rộng do san lấp ở khu vực phường Yết Kiêu, Cao Xanh, Hà Khánh Như vậy, tốc độ biến đổi đường bờ theo hướng mở rộng ngày càng phát triển nhanh. Từ năm 2001 đến năm 2007 chỉ cách nhau 6 năm nhưng tốc độ mở rộng đường bờ bằng 81,16% so với tốc độ mở rộng đường bờ từ năm 1991 đến năm 2001 (khoảng thời gian thay đổi 60%) 3.4.3.2. Luận giải. Từ các kết quả tính toán cho thấy, trong giai đoạn 1991 - 2007 bờ biển khu vực Hạ Long - Cẩm Phả đều có xu hướng bồi tụ, có rất ít các điểm bị xói lở và hầu hết tốc độ xói lở đều rất thấp. Mức độ biến động đường bờ của hai giai đoạn 1991-2001 và 2001 - 2007 có sự chênh lệch rất đáng kể. Như vậy, phải có điều gì đó thay đổi có tính đột biến liên quan đến khả năng cung cấp vật liệu cho vùng bờ hay chế độ động lực biển hoặc có cả hai. Xét về điều kiện tự nhiên, rõ ràng không có những biến đổi lớn để dẫn đến hiện trạng như vậy. Mặt khác, các điều kiện tự nhiên về cấu trúc địa chất, thành phần thạch học đã được trình bày trong chương 2, rõ ràng không thuận lợi cho sự vận chuyển vật liệu ra biển. Còn chế độ động lực bờ, mặc dù trong điều kiện yên tĩnh và lặng sóng, nhưng do biên độ triều quá lớn, dòng chảy vào pha triều rút rất mạnh, nên khả năng để tích tụ mở rộng bờ là rất hạn chế. Trên thực tế, kết quả khảo sát tại những khu vực có tốc độ bồi tụ lớn như ở khu vực phường Cẩm Thạch, Cẩm Thủy, Bạch Đằng, Hồng Hà, Hồng Hải, Hà Tu cho thấy bãi biển ở đây được mở rộng đều do việc san lấp mặt bằng cho các khu dân cư mới .Một số khu vực, đường bờ dịch chuyển về phía biển là do hoạt động đắp đầm nuôi Từ đó có thể nhận định rằng, nguyên nhân chính gây ra sự thay đổi đáng kể đường bờ biển trong giai đoạn gần đây chủ yếu là do các hoạt động nhân sinh, bao gồm các hoạt động như san lấp mặt bằng, đắp đập nuôi trồng thủy sản, khai thác khoáng sản, đổ thải v.v... đang phát triển rất mạnh với quy mô ngày càng lớn. Trong khi đó, các bãi thải của một số mỏ trong khu vực nghiên cứu như bãi thải ở Nam Lộ Phong, bãi thải Bắc Núi Béo, bãi thải Đông Cao Sơn... được đổ cao như núi ở ngay gần bờ biển hoặc ở thượng nguồn các lưu vực sông, suối nhỏ. Chúng được cấu tạo bởi các vật liệu vụn bở, có độ gắn kết kém, rất dễ bị xói mòn vào mùa mưa. Có rất nhiều các suối bắt nguồn từ bãi thải, các suối lớn phải kể đến suối Lộ Phong (bắt nguồn từ các bãi thải của mỏ Hà Tu-Hà Lầm), Khe Dè (bắt nguồn từ các bãi thải của mỏ than Đèo Nai-Cọc6)... Các suối đều ngắn, dốc và đổ trực tiếp ra biển. Bởi vậy, mỗi khi vào mùa mưa, đặc biệt khi có mưa với cường độ cao dễ xảy ran guy cơ trượt lở, lũ bùn đá, một lượng vật liệu lớn từ các bãi thải bị đưa ra biển. 3.5. Bản đồ phân vùng tai biến Từ các kết quả phân tích, đánh giá, kết hợp với các yếu tố về địa chất, địa mạo, bước đầu khóa luận tiến hành phân chia khu vực nghiên cứu thành các vùng có nguy cơ chịu ảnh hưởng của tai biến trượt lở, lũ bùn đá, xói lở - bồi tụ bờ biển ở mức độ khác nhau, phục vụ cho công tác quy hoạch và quản lý tai biến thiên nhiên. Vùng I phân bố ở toàn bộ phần phía Bắc của khu vực nghiên cứu gồm phía Nam của huyện Cẩm Phả và toàn bộ khu vực Hạ Long. Trong khu vực này là toàn bộ phần khai thác than chính của khu vực Hạ Long – Cẩm Phả. Địa hình chủ yếu phát triển trên vùng chứa than của hệ tầng Hòn Gai T3 n-r hg1. Đây là khu vực chịu ảnh hưởng mạnh của tai biến trượt lở, lũ bùn đá. Vùng I được chia thành 4 phụ vùng. Phụ vùng I1 và I2 là 2 vùng khai thác than của Hạ Long - Cẩm Phả, trong đó, phụ vùng I1 nằm toàn bộ ở phần phía Nam của Cẩm Phả với một vài mỏ khai thác than chính như mỏ than Mông Dương- Núi Béo- Cọc 6, với lượng bãi thải lớn có thể đưa rất nhiều vật liệu xuống vịnh Bái Tử Long. Khu vực này là khu vực chịu ảnh hưởng và phát sinh lũ bùn đá trực tiếp, có thể nói là một trong 2 khu vực cao nhất toàn bộ vùng I. Phụ vùng này được chia thành các tiểu phụ vùng, gồm tiểu phụ vùng I1a là vùng trung tâm khai thác của mỏ than với nguy cơ phát sinh trượt lở, dòng bùn đá rất mạnh do lượng bãi thải có bề dày rất lớn và tiểu phụ vùng I2b là khu vực bãi thải có sường thoải hơn phân bố từ phần rìa của vùng khai thác vào đến khu vực trung tâm khu khai thác, là vùng phát sinh và chịu ảnh hưởng trực tiếp của lũ bùn đá. Cùng tính chất như vậy, phụ vùng I2 nằm ở vị trí trung tâm của Tp Hạ Long, gồm các mỏ than Hà Tu và Hà Lầm, là nơi có nguy cơ trượt lở, lũ bùn đá rất mạnh. Phụ vùng I2 cũng được chia làm các cấp nhỏ hơn là tiểu phụ vùng I2a và I2b có tính chất giống như tiểu phụ vùng I1a và I1b. Phụ vùng I3 nằm ở phía bắc Quang Hanh, giữa 2 phụ vùng I1 và I2, là nơi phát sinh tai biến trung bình. Đây là khu vực cũng nằm trên đá của hệ tầng chứa than Hòn Gai nhưng hiện tại khu vực này hoạt động khai thác than chưa mạnh. Tuy nhiên, đây vẫn là khu vực có nguy cơ trượt lở khá cao do những tác nhân tự nhiên. Phụ vùng I4 là khu vực nằm trên dải đồng bằng ở sát bờ biển của Vịnh Hạ Long, được chia làm 4 tiểu phụ vùng. Ngoài tiểu phụ vùng I4c là khu vực địa hình karst, còn lại là nơi tập trung dân cư với ảnh hưởng gián tiếp của nguy cơ trượt lở, lũ bùn đá. Tiểu phụ vùng I4a là khu vực có nguy cơ chịu ảnh hưởng tai biến mạnh phía Nam Cửa Lục, I4b là khu vực ảnh hưởng mạnh tai biến ở Nam Hà Tu. Còn lại I4d chịu ảnh hưởng tai biến mạnh ở khu vực Cẩm Phả - Mông Dương. Vùng II là khu vực hầu như chỉ có nguy cơ trượt lở, lũ bùn đá phát sinh tự nhiên. Đây là khu vực nằm ở phía bắc của Cẩm Phả, không có sự tác động của việc khai thác than. Vùng III là khu vực chỉ có nguy cơ xói lở - bồi tụ ở phía nam Cẩm Phả và ở sát bờ biển của Vịnh Hạ Long. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ + Dải ven bờ Hạ Long – Cẩm Phả bao gồm cả khu di sản thiên nhiên thế giới vịnh Hạ Long, là nơi có nguồn tài nguyên thiên nhiên phong phú, đa dạng. Song các hoạt động kinh tế ở đây, cụ thể là quá trình đô thị hóa và khai thác than đã và đang ảnh hưởng đến địa hình và môi trường khu vực ven bờ. + Bờ biển khu vực Hạ Long – Cẩm Phả trong những thập niên gần đây có nhiều biến đổi, chủ yếu là xu hướng bồi tụ. Những nơi có biến động mạnh là khu vực phường Yết Kiêu, Cao Xanh, Hà Khánh, Bạch Đằng, Hồng Hà Hồng Hải, Hà Tu, và thị xã Cẩm Phả với tốc độ chóng mặt. Các khu vực này thực chất là nơi san lấp biển mở rộng mặt bằng xây dựng. Xu thế bồi tụ cũng diễn ra tại một số cửa sông, suối mà thực chất là bắt nguồn từ khu vực đồ thải khai thác than. +Nguy cơ trượt lở, lũ bùn đã xảy ra chủ yếu ở khu vực khai thác than không những gây nguy hiểm cho các khu vực dân cư mà còn cung cấp một nguồn vật liệu to lớn làm suy thoái môi trường vịnh Hạ Long khu vực Hạ Long – Cẩm Phả. + Phương pháp địa mạo cho phép đánh giá các quá trình xói lở - bồi tụ trên cơ sở chỉ ra những nguyên nhân chính nhằm ngăn chặn sự suy thoái môi trường và tiến tới phát triển bền vững. + Cần có những biện pháp cụ thể nhằm giảm bớt nguồn vật liệu từ hoạt động đổ thải và san lấp mặt bằng xuống vịnh trên cơ sở phòng chống nguy cơ trượt lở, lũ bùn đá. Cần phải hạ thấp độ cao của các bậc đổ thải, trồng cỏ trên sườn các bãi thải đã ngừng hoạt động hoặc xây các đập kiên cố có độ cao phù hợp ở chân các bãi thải. Cảnh báo hoặc di dời các hộ dân nằm trong khu vực có nguy cơ chịu ảnh hưởng mạnh bởi tai biến. Cần xây dựng các hồ lắng và đập tràn lớn trước khi cho nguồn thải từ bãi thải đổ vào vịnh.