luận án tiến sĩ kĩ thuật môi trường đề tài 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

Nguyễn Quang MinhĐÁNH 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

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

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

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

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

1.1 Tổng quan về tai biến môi trường tự nhiên 5

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

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

2.2.1 Phương pháp phân tích ảnh viễn thám và GIS 27

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

CHƯƠNG 3

HIỆN TRẠNG VÀ XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU TAI BIẾN MÔI TRƯỜNG

3.1 Hiện trạng tai biến môi trường tự nhiên tại khu vực nghiên cứu 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

3.3 Xây dựng cơ sở dữ liệu tai biến môi trường tự nhiên tại khu vực huyện Bảo

3.3.2 Cơ sở dữ liệu các vị trí xảy ra tai biến 65

3.3.5 Cơ sở dữ liệu các yếu tố khí tượng - thủy văn 85

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

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

4.1.2.2 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

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

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

4.3.2.2 Các giải pháp thực hiện nhằm giảm thiểu tác động do tai biến gây ra .132

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 2.7 Một số mô hình mô phỏng các dạng tai biến 50

Bảng 3.1 Các thành phần môi trường và yếu tố ảnh hưởng liên quan đến nguy

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 3.5 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 Bayes100

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

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

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

Bảng 4.18 Bảng thống kê kết quả phân bậc nguy cơ xảy ra tai biến môi trường

DANH MỤC HÌNH VẼ

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

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

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

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

Hình 3.5 Lũ quét cao 2m tại suối Pèng tháng 8/2017 làm 9 người chết trên Nhà

Hình 3.6 Sơ đồ tổng hợp các vị trí xảy ra tai biến 68

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 3.15 Sơ đồ nhóm đá theo địa chất công trình 80

Hình 3.17 Sơ đồ phân bố và mật độ đứt gãy và lineament của khu vực nghiên

Hình 3.18 Sơ đồ đỉnh gia tốc nền cực đại (PGA, cm/s2) và phân vùng đỉnh gia

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

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

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

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

Hình 4.3 Sơ đồ dự báo (a) và phân bậc nguy cơ (b) tai biến theo phương pháp

Hình 4.4 Sơ đồ dự báo (a) và phân bậc nguy cơ (b) tai biến sử dụng hàm hồi

Hình 4.5 Sơ đồ dự báo (a) và phân bậc nguy cơ (b) xảy ra tai biến theo mô hình

Hình 4.6 Sơ đồ dự báo (a) và phân bậc nguy cơ (b) xảy ra tai biến theo phương

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

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

Hình 4.17 Xác xuất xảy ra dòng lũ (a) và năng lượng dòng lũ tại khu vực

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

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)

Hình 4.24 Hiện trạng phân bố trường học (a), mạng lưới giao thông chính (b)

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

CÁC TỪ VIẾT TẮT

AHP Đánh giá thứ bậc Analytic Hierarchy Process

ANN Mạng nơron nhân tạo Artificial Neural Network

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 biến trọng lực ở quy mô vùng

Flow path assessment ofgravitational 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

AdministrationNDVI Chỉ số thực vật khác nhau Normalized Difference

VegetationIndex

LR Mô hình hồi quy logic Logistic Regression

SMCE Đánh giá đa chỉ tiêu không gian Spatial Multi-Criteria Evaluation

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

QĐ-TTg Quyết định của Thủ tướng

UNESCO Tổ chức Giáo dục, Khoa học

và Văn hóa Liên Hợp Quốc United Nations Educational,Scientific and

Cultural Organization

VC Kích thước

Vapnik-Chervonenkis

Vapnik- ChervonenkisVIF Hệ số phóng đại phương sai Variance Inflation Factor

WoE Trọng số bằng chứng Weight of Evidence

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết

Hiện nay, tai biến môi trường tự nhiên nói chung, đặc biệt là các hiện tượngtrượt lở, lũ quét liên tục xảy ra tại các nước trên Thế giới và Việt Nam Việc nghiêncứu đánh giá, dự báo nguy cơ tai biến môi trường tự nhiên có ý nghĩa rất thiết thực vàquan trọng để phòng ngừa, đối phó và đề ra các biện pháp quản lý nhằm giảm thiểu tácđộng xấu đến con người Trên thế giới và ở Việt Nam, nhiều nhà khoa học đã sử dụngcác phương pháp khác nhau để đánh giá nguy cơ tai biến môi trường, từ thực tiễn nàytác giả lựa phương pháp nghiên cứu sử dụng các mô hình địa không gian, khu vựcnghiên cứu thuộc tỉnh Lào Cai là khu vực điển hình, có tiềm năng xảy ra tai biến môitrường 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 côngnghiệp, thương mại, khai thác khoáng sản… Mật độ dân cư đang dần thay đổi với xuhướng 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 vụphát 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 nghiêncứu, đặc biệt trong bối cảnh biến đổi khí hậu với những biểu hiện diễn ra hết sức phứctạp 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 thànhphố Lào Cai sử dụng các mô hình tính toán địa không gian và đề xuất các giải phápgiảm 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 vựcnghiên cứu

+ Phân tích các dạng tai biến biến môi trường tự nhiên phổ biến tại khu vực, tậptrung 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 tại khu vực nghiên cứuhuyện 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, tậptrung 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 phươngpháp 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 môphỏng 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 tínhtoán định lượng cho việc khoanh vùng nguy cơ xảy ra tai biến môi trường đối với 02dạng 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 rấtcao 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 chomục đích dự báo nguy cơ xảy ra tai biến trượt lở tại khu vực nghiên cứu

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 lượngmưa, độ dốc địa hình và độ ẩm đất; yếu tố thảm phủ thực vật đóng vai trò ít quan trọnghơn 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 vựcnghiên 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 nguồnthông tin miễn phí, có khả năng sử dụng tối ưu, đặc biệt với các khu vực có độ che phủkém, địa hình phân cắt mạnh, khó khăn trong quá trình khảo sát như tại vùng nghiêncứu 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 đểnhận diện sự thay đổi của lớp thảm phủ Kết quả thực nghiệm phân tích sự thay đổicủa 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 cáctai 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 giáđịnh lượng về tai biến môi trường thông qua các mô hình toán thống kê đa biến và cácphương pháp phân tích dữ liệu lớn, làm rõ các các yếu tố gây tai biến và là cơ sở khoahọc 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 biếnmôi trường, cung cấp cho các nhà quản lý trong lĩnh vực môi trường hệ phương phápxác định các yếu tố gây tai biến môi trường tự nhiên có liên quan.

- 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 thuộcphạm 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 xáccao trên nền bản đồ địa hình tỷ lệ 1:10.000 Ngoài ra, kết quả khảo sát của các đề tàinghiên 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 vàMôi trường ban hành năm 2010 cùng các bản đồ nền tỷ lệ 1:10.000 đến đơn vị cấp xãcho toàn bộ diện tích nghiên cứu

- Bản đồ địa chất 1:200.000 tờ Bắc Quang và tờ Lào Cai- Kim Bình, kết hợp vớikết 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 và128/45 (path/row), chụp trong các năm 2000, 2005, 2010, 2015 và 2020 có độ phủ

mây <10%

Nguồn số liệu sử dụng trong luận án bao gồm từ các đề tài/dự án đã thực hiện tạikhu vực nghiên cứu từ Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam; Viện Khoahọc Địa chất và Khoáng sản… kết hợp với các kết quả khảo sát thực tế và phân tíchảnh vệ tinh đa thời gian của nghiên cứu sinh Ngoài ra luận án sử dụng các nguồn cơ

sở dữ liệu khảo sát về các điều kiện môi trường hàng năm của tỉnh

8 Cấu trúc của Luận án

Ngoài phần Mở đầu, Kết luận, danh mục tài liệu tham khảo và phụ lục, luận ánđược trình bày trong 4 chương:

Chương 1: Tổng quan chung

Chương 2: Cơ sở lý luận và phương pháp nghiên cứu

Chương 3: Hiện trạng và xây dựng cơ sở dữ liệu tai biến môi trường tự nhiên tạikhu vực nghiên cứu

Chương 4 Áp dụng mô hình địa không gian đánh giá nguy cơ tai biến môi trường

tự nhiên tại khu vực nghiên cứu

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 HợpQuốc[1]: Tai biến là biến cố, hoặc hiện tượng tự nhiên hay một hoạt động của conngười có tiềm năng gây ra thiệt hại, có thể gây thương vong hoặc thiệt hại về conngười, hủy hoại tài sản, đổ vỡ về kinh tế và xã hội hoặc suy thoái môi trường Biến cốnày có một xác suất xuất hiện trong một thời gian xác định, trong một khu vực xácđịnh 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, tínhmạng con người, tài sản kinh tế, tài sản văn hóa- xã hội của một bộ phận cộng đồngloài 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- xãhội 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 thiênnhiên, trong xã hội, có tiềm năng gây hại, gây nguy hiểm đe dọa đối với an toàn sứckhỏe, tính mạng con người, tài sản kinh tế, tài sản văn hóa- xã hội của một bộ phậncộng đồng loài người, hoặc có nguy cơ đe dọa, thậm chí phá vỡ tính ổn định, an toànmột bộ phận, cho đến toàn cục mang tính hệ thống môi trường tự nhiên, môi trườngvăn hóa xã hội và môi trường nhân sinh[4]

Tai biến môi trường là những quá trình gây hại vận hành trong hệ thống môitrường, 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].

Tai biến môi trường tự nhiên là sự phá vỡ nghiêm trọng chức năng của mộtcộng đồng hoặc xã hội gây ra những thiệt hại sâu rộng về người, vật chất, kinh tế hoặcmôi trường vượt quá khả năng của cộng đồng hoặc xã hội bị tác động để đối phó vớinăng lức của chính họ.

Tai biến được hiểu như một xác suất: khả năng mà một điều gì đó có thể xảy ra

trong tương lai Thời điểm, địa điểm và mức độ thì không chắc chắn, nhưng hoàn toàn

có thể xác định được những khu vực có nguy cơ xảy ra tai biến hơn so với những khuvực khác

Xác suất xảy ra tai biến môi trường tự nhiên xảy ra trong khoảng thời gian xác định: thường là một năm Xác suất hàng năm là khả năng một biến cố có thể sẽ xuất

hiện vào năm kế tiếp Nếu không có giới hạn này, giá trị xác suất trở nên vô nghĩa

Xảy ra trong một khu vực nhất định: lũ lụt thường xảy ra trên những khu vực

đồng bằng cửa sông, trượt lở đất thường có ở trên những sườn dốc Những đặc trưngcủa cụ thể của khu vực cũng đồng thời xác định các điều kiện của tai biến

Cường độ hay quy mô tai biến: Để có thể gây ra thương vong hay thiệt hại, tai

biến cần phải đạt đến một cường độ hay quy mô xác định Cường độ có thể được diễnđạt như là năng lượng được giải phóng ra từ một trận động đất hay phun trào núi lửa,hay bằng thể tích của khối nước trong một trận lũ, hoặc bằng kích thước và tốc độtrượt của một khối trượt lở

Một sự cực đoạn trong hệ thống của Trái đất (thạch quyển, thủy quyển, sinhquyển và khí quyển) khác biệt về căn bản so với các điều kiện thường, dẫn đến cái chếthoặc làm tổn thương cho con người và phá hủy hoặc gây thiệt hại về ‘tài sản’ như cáctòa nhà, hệ thống truyền thông, đất nông nghiệp, rừng và môi trường tự nhiên.[8],[9]

Trong thực tế, tổng thể các lĩnh vực liên quan đến tai biến là rất rộng lớn, chưa

có một tài liệu nào có thể đề cập đến nó một cách trọn vẹn, các tai biến điển hình nhưphân loại của[10] thành ba nhóm riêng biệt như sau:

Bảng 1.1 Phân loại các tai biến

A Những tai biến tự nhiên (những hoạt động địa chất và sinh học)

1 Địa chất Động đất, phun trào núi lửa, trượt lở đất, tuyết lở

2 Không khí Lốc xoáy, vòi rồng, mưa đá, băng và tuyết

3 Thủy văn Lũ sông, lũ ven biển, hạn hán, xói lở bờ sông

B Những tai biến do các hoạt động kỹ thuật (tai nạn là chủ yếu)

1 Tai nạn giao thong Rơi máy bay, đâm tàu hỏa, chìm tàu

2 Thiệt hại về công nghiệp Các vụ nổ và hỏa hoạn, phát tán chất độc hoặc

vật liệu phóng xạ

3 Những công trìnhcông cộng và

thiết bị không antoàn

Sập đổ, hỏa hoạn

4 Những vật liệu nguy

hiểm

Kho tàng, giao thông, sử dụng sai mục đích

C Tai biến do bối cảnh (thay đổi toàn cầu)

1 Biến đổi khí hậu Mực nước biển dâng, thay đổi tần suất của những biến cố cực đoan.

2 Tàn phá môi trường Phá rừng, hoang mạc hóa, mất mát nguồn tài

nguyên thiên nhiên

3 Áp lực đất đai Đô thị hóa với tốc độ cao, sự tập trung các

phương tiện thiết yếu

4 Siêu tai biến Những biến đổi thảm khốc trên Trái đất, tác động của những vật thể ở gần Trái đất.

Kết quả tổng hợp các dạng tai biến tự nhiên xuất hiện thường xuyên và có gâythiệt hại lớn nhất về người và của tại vùng nghiên cứu là hiện tượng trượt lở và lũ quét/

lũ bùn đá Do vậy, luận văn sẽ chủ yếu tập trung vào các dạng tai biến chính này

1.1.1.2 Hiện tượng trượt lở

Theo Quy định về dự báo, cảnh báo và truyền tin thiên tai do Thủ tướng Chínhphủ ban hành ngày 13/01/2020 thì trượt lở hay thường gọi là sạt lở đất là hiện tượngđất, đá bị sạt, trượt, lở do tác động của mưa, lũ hoặc dòng chảy [121] Trong đó, hiệntượng trượt lở có thể hiểu là dạng chuyển động khối ở các vùng đất dốc mà nguyênnhân là khi trọng lực của các khối đất đá thắng sức kháng cắt của chúng Do vậy, trượt

lở có thể hiểu là quá trình sắp xếp lại của môi trường và là một trong những nhân tố tai

biến tự nhiên luôn tiềm ẩn trong các khu vực có năng lượng địa hình lớn, khu vực có

độ dốc lớn Chuyển động khối liên quan đến rất nhiều yếu tố của tự nhiên như: điềukiện địa chất, đứt gãy, động đất, lượng mưa, nước ngầm, độ dốc, địa hình, tính chất cơ

lý của đất đá lớp bề mặt phủ… Mặc dù tác dụng của trọng lực là yếu tố chính gây ratrượt lở đất, còn có các yếu tố chi phối khác tác động đến trạng thái ổn định của độ dốc

ban đầu Sự thay đổi trạng thái ổn định của độ dốc có thể do một số yếu tố gây nênmột cách đơn lẻ hay kết hợp,trong đó, có yếu tố tác động của con người Thôngthường, các yếu tố tiên quyết tạo nên các điều kiện dưới bề mặt mà làm cho khu vực

đất dốc dễ bị trượt lở, trong khi trượt lở đất thực tế thường đi hỏi một kích hoạt trước

khi bị tách ra, trước hết đó là do lượng mưa tập trung với cường độ cao, hoặc do động đất

1.1.1.3 Hiện tượng lũ quét/lũ bùn đá

Cũng theo Quy đinh về dự báo, cảnh báo và truyền tin thiên tai, lũ quét là hiệntượng dòng lũ xảy ra bất ngờ trên sườn dốc và trên các sông suối nhỏ miền núi, dòngchảy xiết, thường kèm theo bùn đá, lũ lên nhanh, xuống nhanh, có sức tàn phá lớn,[121]

Hiện tượng lũ quét/lũ bùn đá xuất hiện là kết quả của sự tập trung nhanh chóng

một lượng nước mưa dông ở một vùng đồi núi, tốc độ lũ và sự đổ vỡ do lũ gây nên sựnguy hiểm của lũ Lũ ống, lũ quét là một loại lũ lớn, xảy ra bất ngờ, duy trì trong mộtthời gian ngắn (lên nhanh và xuống nhanh) và có sức tàn phá lớn [11] Lũ ống, lũ quét

là loại lũ có tốc độ rất lớn (quét), xảy ra bất thần (thường xuất hiện vào ban đêm; nơixảy ra có khi mưa lũ bé- lũ ống ) trên một diện tích nhỏ hay lớn, duy trì trong mộtthời gian ngắn hay dài (tùy từng trận mưa lũ), mang nhiều bùn cát, có sức tàn phá lớn[12]

1.1.2 Tổng quan về tình hình tai biến môi trường tự nhiên

1.1.2.1 Tình hình tai biến môi rường tự nhiên trên thế giới

Trong những năm gần đây trước tác động của biến đổi khí hậu toàn cầu, hiệntượng lũ xảy ra rất nhanh, có sức tàn phá lớn, thường gọi chung là lũ quét (flash flood)được chú ý nhiều ở vùng nhiệt đới, trong đó có Việt Nam Lũ quét là một dạng thiêntai đặc thù xảy ra chủ yếu ở vùng núi và có thể ở trung du trên các lưu vực nhỏ hoặcrất nhỏ Về độ lớn, loại lũ này thường là các trận lũ lớn hoặc đặc biệt lớn được hìnhthành từ mưa với cường độ lớn, xảy ra trong thời gian ngắn, gây lũ mặt tập trung cao

và rất nhanh cuốn theo bùn, đá, thực vật có sức tàn phá rất mạnh Sự hình thành lũ quét

có liên quan mật thiết với đặc tính mưa, điều kiện khí hậu, đặc điểm địa hình, các hoạtđộng của con người cũng như điều kiện tiêu thoát lũ của lưu vực.

Lũ quét xảy ra ở hầu khắp các nước trên thế giới đặc biệt là các lưu vực sôngsuối miền núi thuộc vùng nhiệt đới, cận nhiệt đới Những vùng này được đặc trưngbằng mùa hè khô nóng, mưa rào lớn, mưa do bão và xoáy thuận nhiệt đới, gió mùa,đồng thời các lưu vực bị khai thác mạnh mẽ do hoạt động sống của con người dưới sức

ép của gia tăng dân số, phát triển kinh tế Nguy cơ thiên tai lũ quét ở các lưu vực nhỏ

và khu đông dân cư ngày càng trầm trọng hơn, xảy ra thường xuyên hơn, thiệt hại ngàymột tăng

Ở châu Âu, lũ quét thường xảy ra ở miền Nam nước Pháp, Bắc Italy, Áo, vùngnúi Carpat ở châu Âu Những vùng có nguy cơ lũ quét lớn nhất ở Mỹ thuộc bangCalifornia, các lưu vực sông ở núi Saint-Gabrient và dọc dãy Rocky Lũ quét xảy ra

ở nhiều vùng Nam Mỹ như Mexico, Colombia, Ecuado, Peru, Chile

Do điều kiện địa hình, châu Á bị ảnh hưởng nặng nề nhất về lũ quét Thiệt hại

do lũ lụt, trong đó có lũ quét ở các nước châu Á ước tính trên 5 tỷ đô la Mỹ trong năm

1981 và ngày càng tăng Đồng thời, phạm vi và tổn thất do lũ càng tăng nhanh Nhiềutrung tâm dân cư, kinh tế ở châu Á bị đe dọa ngày càng trầm trọng hơn Những thayđổi chủ yếu trong sử dụng nguồn nước và nguồn đất đã tác động rõ rệt đến môi trường,trước hết là tới chế độ thuỷ văn ở lưu vực sông Xu hướng này làm tăng rõ rệt tần sốxuất hiện lũ, lũ quét

Với những thiệt hại nặng nề do thiên tai gây ra, các nước trên thế giới đã ápdụng nhiều thành quả mới của khoa học và công nghệ, trong đó tận dụng tối đa khảnăng của các công cụ địa không gian như phân tích ảnh viễn thám và công nghệ GIS

để phân tích, đánh giá và phân vùng nguy cơ xảy ra tai biến Việc kết hợp các côngnghệ đo đạc, phân tích ảnh hiện đại với các phương pháp toán thống kê, phân tích dữliệu lớn và mô hình dự báo số trị đã làm gia tăng sức mạnh của các công cụ địa khônggiản cho việc dự báo, giám sát và cảnh báo các tai biến thiên nhiên

Tại Nhật Bản, Pháp, Đức đã xây dựng hệ thống quan trắc tự động được bố trírộng khắp lãnh thổ với số lượng khá lớn, thông qua mạng kết hợp vô tuyến và hữutuyến, bảo đảm việc cung cấp số liệu cho việc dự báo khí tượng thủy văn và cảnh báo

các hiện tượng thời tiết nguy hiểm Italy tuy diện tích đất liền và biển tương tự ViệtNam, nhưng có tới hơn 3.500 trạm đo tự động với khoảng 16.000 cảm biến (lượng

mưa, gió, nhiệt độ, độ ẩm ), 220 trung tâm điều khiển và thu nhận số liệu phục vụ dựbáo thời tiết và cảnh báo thiên tai.[13].

Tại Thái Lan đã xây dựng hệ thống báo động lũ quét cho một số khu vực gồmcác trạm đo mưa tự động lắp đặt từ thượng nguồn và cả ở hạ lưu Phần mềm chuyêndụng tự động phân tích các bộ số liệu và cơ quan phụ trách sẽ ra thông báo cuối cùng

về nguy cơ xảy ra lũ quét, kết nối mạng lưới truyền tin: internet, điện thoại di động vệtinh Do đó, người dân vùng hạ lưu sông thường xuyên nhận được tin từ 30-120 phúttrước khi lũ đổ về, các trận lụt lớn năm 2004, 2005 hầu như không gây thiệt hại vềngười

Theo thông báo tại Ngày Quốc tế về Giảm thiêu rủi ro thiên tai (InternationalDay for Disaster Risk Reduction) vào ngày 13/10/2020, trung bình trong thập kỷ quavới số lượng khoảng 60.000 người chết do thiên tai, con số này chiếm 0,1% số ngườichết trên toàn cầu Trận động đất ở Ấn Độ Dương và sóng thần năm 2004, bão Nargis

ở Myanmar năm 2008, động đất ở Port-au-Prince, Haiti năm 2010, đã đẩy số ngườichết lên 200.000, chiếm 0,4% số người chết trong năm

1.1.2.2 Tình hình tai biến môi trường tại Việt Nam

Tại Việt Nam, thiên tai ngày càng khốc liệt, dị thường, tính trái quy luật ngàycàng gia tăng và ở mức độ ngày càng lớn, liên tục, đặc biệt là những trận mưa lớn kéodài Theo số liệu của Viện Khoa học Khí tượng, Thủy văn và Môi trường năm 2012,trên địa bàn tỉnh Lào Cai đã xảy ra 6 trận lũ quét lớn vào các thời điểm như: 12/5,26/6, 25/7, 13/8, từ 31/8-8/9, 17-18/10 và thống kê thiệt hại của Sở Nông nghiệp vàPhát triển nông thôn tỉnh Lào Cai cho thấy về người và tài sản như sau: Về người: chết

14 người, mất tích 3 người; nhà cửa của dân: 27 nhà dân bị sập đổ; 3.193 nhà bị hưhỏng; Sáu tháng đầu năm 2013 trên địa bàn tỉnh Lào Cai thiệt hại về thiên tai được SởNông nghiệp và Phát triển nông thôn tỉnh Lào Cai thống kê với tổng thiệt hại về kinh

tế ước 374 tỷ đồng Trong đó đáng chú ý là thiệt hại về người: chết: 05 người (01 BắcHà; 04 người Bảo Yên, trong đó 03 người chết do lốc, 02 người chết do lũ), Mất tích:

01 người (Bảo Yên- do lũ), bị thương: 62 người (Bảo Thắng 1; Bảo Yên 19; Bắc Hà