Tổng quan nghiên cứu

Tai biến trượt lở đất là một trong những hiểm họa địa chất nghiêm trọng nhất toàn cầu, gây thiệt hại ước tính hàng tỷ USD mỗi năm cùng nhiều tổn thất về sinh mạng. Tại Việt Nam, địa hình đồi núi chiếm hơn ba phần tư diện tích lãnh thổ với khí hậu nhiệt đới gió mùa ẩm, khiến các tỉnh miền núi phía Bắc thường xuyên trở thành điểm nóng sạt lở. Trong đó, hành lang Quốc lộ 6 có tổng chiều dài 504 km nối liền thủ đô Hà Nội với các tỉnh Tây Bắc giữ vị trí chiến lược đặc biệt quan trọng về phát triển kinh tế, xã hội và quốc phòng. Tuy nhiên, tuyến đường huyết mạch này thường xuyên bị tê liệt bởi các đợt trượt lở quy mô lớn vào các năm 2007, 2008, 2010, 2012 và 2017. Những thảm kịch điển hình như vụ sạt lở tháng 2/2012 tại xã Đồng Bảng cướp đi sinh mạng 2 người và thảm họa kinh hoàng ngày 12/10/2017 tại xã Phú Cường, huyện Tân Lạc vùi lấp hoàn toàn 4 hộ gia đình khiến 18 người thiệt mạng đã đặt ra yêu cầu cấp bách về việc đánh giá nguy cơ sạt lở một cách khoa học và hệ thống.

Khu vực nghiên cứu trải dài qua 30 xã, phường, thị trấn nằm dọc Quốc lộ 6 trên địa bàn tỉnh Hòa Bình, nơi có địa hình chia cắt phức tạp với 44,8% diện tích là vùng núi cao (độ cao trung bình 600 - 700 m) và 55,2% diện tích là vùng núi thấp có độ dốc phổ biến 20 - 25 độ. Chế độ mưa tập trung từ tháng 5 đến tháng 10 chiếm tới 85 - 90% tổng lượng mưa cả năm (dao động từ 1.200 đến 1.858 mm/năm) tạo áp lực thủy động cực lớn lên các mái dốc phong hóa. Mục tiêu cụ thể của luận văn là ứng dụng công nghệ Hệ thống thông tin địa lý (GIS) kết hợp phương pháp phân tích thứ bậc (AHP) để xây dựng cơ sở dữ liệu số, lượng hóa mức độ ảnh hưởng của các nhân tố phát sinh và thành lập bản đồ phân vùng nhạy cảm trượt lở đất. Kết quả nghiên cứu mang lại giá trị thực tiễn to lớn khi cung cấp bộ bản đồ chuyên đề tỷ lệ 1:50.000 với độ phân giải không gian 30 m, giúp các cơ quan quản lý nâng cao độ chính xác dự báo không gian lên trên 85% và chủ động giảm thiểu 30 - 50% thiệt hại do tắc nghẽn giao thông và thiên tai sạt lở.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết phân loại trượt lở của Varnes (1978), phân chia các quá trình dịch chuyển khối sườn dốc theo cơ chế chuyển động (rơi đổ, trượt xoay, trượt tịnh tiến, dòng chảy và trượt hỗn hợp) cùng tính chất của vật liệu trượt (đá gốc, vật liệu vụn thô và đất mịn). Bên cạnh đó, luận văn áp dụng lý thuyết phân tích quyết định đa tiêu chuẩn thông qua Quy trình phân tích thứ bậc AHP do Thomas L. Saaty (1980) phát triển, cho phép cấu trúc hóa các biến số địa chất phức tạp thành hệ thống thứ bậc logic và xác định trọng số định lượng thông qua ma trận so sánh cặp.

Nghiên cứu vận hành trên mô hình tích hợp chỉ số nhạy cảm trượt lở đất LSI (Landslide Susceptibility Index) của Patrono (1995) trong môi trường phân tích không gian GIS. Mô hình này tổng hợp mối quan hệ tương hỗ giữa 5 khái niệm cốt lõi: Tai biến trượt lở đất (Landslide Hazard - hiện tượng mất cân bằng trọng lực của sườn dốc), Hệ thống thông tin địa lý (GIS - công cụ tích hợp, lưu trữ và xử lý đa lớp dữ liệu không gian), Mô hình số độ cao (DEM - biểu diễn bề mặt địa hình 3D liên tục), Chỉ số LSI (giá trị định lượng phản ánh xác suất xuất hiện sạt lở tại một vị trí cụ thể) và Tỷ số nhất quán (Consistency Ratio - CR, thước đo kiểm soát sai số logic của ma trận trọng số).

   ┌──────────────────────────────────────────────────────────┐
   │                  CƠ SỞ DỮ LIỆU ĐẦU VÀO                   │
   │  - Aster DEM 30m (Độ dốc, Hướng sườn)                     │
   │  - Bản đồ chuyên đề (Thạch học, Nhóm đất, Sử dụng đất)    │
   │  - Dữ liệu thủy văn, Khí tượng & Hạ tầng (Mưa, Đường,..) │
   └────────────────────────────┬─────────────────────────────┘
                                │
                                ▼
   ┌──────────────────────────────────────────────────────────┐
   │            XÂY DỰNG 9 LỚP BẢN ĐỒ MỨC ĐỘ ẢNH HƯỞNG        │
   │       (Phân cấp 5 mức độ ảnh hưởng: Cấp 1 đến Cấp 5)      │
   └────────────────────────────┬─────────────────────────────┘
                                │
                                ▼
   ┌──────────────────────────────────────────────────────────┐
   │               MÔ HÌNH PHÂN TÍCH THỨ BẬC (AHP)            │
   │  - Ma trận so sánh cặp Saaty 9x9 (CR < 10%, RI = 1,45)   │
   │  - Tính toán trọng số Wj cho từng nhân tố phát sinh      │
   └────────────────────────────┬─────────────────────────────┘
                                │
                                ▼
   ┌──────────────────────────────────────────────────────────┐
   │           TÍCH HỢP GIS & TÍNH TOÁN CHỈ SỐ LSI            │
   │            Công thức: LSI = Tổng (Wj * Xij)              │
   └────────────────────────────┬─────────────────────────────┘
                                │
                                ▼
   ┌──────────────────────────────────────────────────────────┐
   │       BẢN ĐỒ NGUY CƠ TRƯỢT LỞ ĐẤT DỌC QUỐC LỘ 6         │
   │  (5 cấp phân vùng: Rất thấp - Thấp - TB - Cao - Rất cao) │
   └──────────────────────────────────────────────────────────┘

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu sử dụng trong luận văn bao gồm: Mô hình số độ cao Aster DEM độ phân giải 30 m từ vệ tinh Terra do Cơ quan Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ (USGS) cung cấp; Bản đồ địa hình tỷ lệ 1:50.000; Bản đồ hiện trạng sử dụng đất tỉnh Hòa Bình năm 2016 tỷ lệ 1:50.000; Bản đồ phân bố thổ nhưỡng tỷ lệ 1:100.000; Bản đồ địa chất khoáng sản tỷ lệ 1:200.000; cùng số liệu lượng mưa chuỗi nhiều năm từ Viện Khí tượng Thủy văn Việt Nam.

Cỡ mẫu kiểm kê bao gồm 194 điểm trượt lở đất đá lịch sử được giải đoán qua ảnh hàng không và xác thực thực địa trên toàn địa bàn tỉnh Hòa Bình, kết hợp tập mẫu chuyên sâu gồm 30 xã, phường nằm trực tiếp dọc hành lang Quốc lộ 6. Phương pháp chọn mẫu tuyến hành lang kết hợp phân tầng ngẫu nhiên được áp dụng nhằm đảm bảo tính đại diện cho mọi dạng địa hình từ vùng bồi tụ thấp Lương Sơn đến các sườn núi dốc hiểm trở tại Thung Khe và Mai Châu.

Lý do lựa chọn tích hợp AHP vào phần mềm ArcGIS 10.3 là khả năng chuẩn hóa và xử lý đồng thời 9 yếu tố phát sinh trượt lở (độ dốc, hướng sườn, thạch học, loại đất, sử dụng đất, lượng mưa, khoảng cách đến đường giao thông, sông suối và đứt gãy kiến tạo). AHP giúp loại bỏ tính chủ quan nhờ kiểm định tỷ số nhất quán CR với ngưỡng chấp nhận dưới 10% (giá trị chỉ số ngẫu nhiên RI = 1,45 cho 9 chỉ tiêu so sánh). Toàn bộ quy trình số hóa, chồng lớp raster, khảo sát thực địa kiểm chứng và phân tích không gian được tiến hành xuyên suốt từ tháng 11/2017 đến giữa năm 2018.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích đa biến không gian trên nền tảng GIS kết hợp ma trận trọng số AHP đã đưa ra 4 phát hiện then chốt về quy luật trượt lở dọc Quốc lộ 6:

  • Độ dốc địa hình là yếu tố giữ trọng số cao nhất chi phối hiện tượng trượt lở: Giá trị độ dốc trong khu vực nghiên cứu dao động từ 0 đến 89 độ. Khoảng 72% tổng số điểm trượt lở tập trung trên các sườn dốc có góc nghiêng trên 25 độ, đặc biệt nghiêm trọng tại đoạn qua đèo Thung Khe với đỉnh cao 1.449 m so với mực nước biển.
  • Bán kính cự ly giao thông tác động trực tiếp đến độ ổn định sườn: Vùng đệm 0 - 100 m tính từ mép Quốc lộ 6 có mật độ điểm trượt lở cao gấp 3,8 lần so với khu vực cách xa trên 400 m. Hoạt động bạt sườn tạo taluy âm và dương khi xây dựng đường đã gây mất chân sườn tự nhiên, chiếm tới 58% các vụ sạt lở cơ học.
  • Thành phần thạch học và nhóm đất quyết định độ bền kháng cắt: Các khu vực cấu tạo bởi đá trầm tích alumosilicat, đá biến chất giàu sét và nhóm đất đỏ vàng trên đá biến chất (Ferralic Acrisols - FA) chiếm hơn 65% tổng số điểm trượt, do cấu trúc đất đá dễ bị bở rời và suy giảm liên kết khi ngậm nước bão hòa.
  • Phân hóa rõ rệt về không gian mức độ nguy cơ theo chỉ số LSI: Kết quả chồng lớp bản đồ chỉ ra vùng nguy cơ cao và rất cao chiếm tới 27% diện tích hành lang nghiên cứu. Các khối trượt có thể tích đặc biệt lớn tập trung tại huyện Tân Lạc (khối trượt trung bình 5.511 m3 tại Phú Cường) và huyện Mai Châu (khối trượt trung bình lên tới 37.850 m3 tại Đồng Bảng).
Nhân tố tác động Nhóm/Cấp độ nhạy cảm nhất Mật độ trượt lở tương đối Mức độ ảnh hưởng (MĐAH)
Độ dốc sườn Độ dốc > 25° đến 89° Chiếm 72% tổng số điểm sạt lở Cấp 5 (Rất mạnh)
Cự ly đến Quốc lộ 6 Khoảng cách 0 - 100 m Gấp 3,8 lần so với đới > 400 m Cấp 5 (Rất mạnh)
Cấu tạo thạch học Trầm tích alumosilicat & đá biến chất Chiếm trên 65% số điểm mất ổn định Cấp 4 (Mạnh)
Lượng mưa tích lũy Lượng mưa năm 1.635 - 1.858 mm Tập trung vào các đợt mưa > 100 mm/ngày Cấp 4 (Mạnh)
Hiện trạng sử dụng đất Đất nương rẫy, đồi núi cằn cỗi Cao hơn 4,2 lần so với rừng tự nhiên Cấp 4 (Mạnh)

Thảo luận kết quả

Cơ chế gây trượt lở dọc tuyến đường được xác định là quá trình tổng hòa giữa các yếu tố nội sinh và ngoại sinh. Địa hình núi cao chia cắt mạnh kết hợp với lớp vỏ phong hóa dày yếu ớt tạo nên môi trường tiềm ẩn rủi ro. Yếu tố kích hoạt trực tiếp là các trận mưa bão mùa hè có cường độ vượt 100 mm/ngày. Nước mưa ngấm sâu làm gia tăng tỷ trọng khối đất đá, sinh ra áp lực nước lỗ rỗng thủy tĩnh và dòng ngầm thủy động, làm tiêu tán sức kháng cắt của mái dốc. Khi lực gây trượt vượt quá giới hạn bền, khối trượt sẽ dịch chuyển tức thời dọc theo các mặt trượt phẳng hoặc trượt xoay.

Kết quả của luận văn hoàn toàn tương thích và làm sáng tỏ thêm các nghiên cứu tiền nhiệm của Mai Thành Tân và cộng sự (2015), vốn khẳng định xác suất trượt lở tại Mai Châu lên tới 96,1% theo chu kỳ lặp 3 năm của ngưỡng mưa ngày kết hợp lượng mưa tích lũy 10 ngày trước đó. Đồng thời, cấu trúc phân bố không gian cũng thống nhất với nghiên cứu của Phạm Văn Hùng (2015) khi các dải trượt lở có xu hướng chạy dọc theo các hệ thống đứt gãy kiến tạo phương Tây Bắc - Đông Nam.

Về mặt trực quan hóa học thuật, toàn bộ ma trận so sánh cặp 9 nhân tố với tỷ số CR đạt dưới 8,5% (đảm bảo độ tin cậy tuyệt đối) được thể hiện minh bạch qua bảng số liệu tổng hợp trọng số. Sự phân cấp nhạy cảm 5 mức độ được biểu diễn trực quan thông qua biểu đồ tròn tỷ lệ diện tích các cấp nguy cơ theo từng xã và biểu đồ cột so sánh thể tích khối trượt thực tế (từ 5.511 m3 đến 37.850 m3). Cách trình bày này giúp các nhà quy hoạch dễ dàng nhận diện các điểm nóng nguy hiểm dọc tuyến đường dài hơn 100 km qua địa bàn tỉnh.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả phân vùng nguy cơ bằng GIS, luận văn đề xuất 5 nhóm giải pháp tích hợp mang tính hành động cao:

  • Xây dựng và kiên cố hóa các công trình bảo vệ mái dốc: Tập trung thi công tường chắn bê tông cốt thép, cọc neo thép chịu lực sâu trong tầng đá gốc và lưới thép cường lực phủ bề mặt taluy tại 100% các đoạn đường có độ dốc trên 35 độ thuộc huyện Mai Châu và Tân Lạc, nhằm giảm 75% nguy cơ sạt lở đất đá lăn xuống lòng đường trong giai đoạn 2019 - 2023 do Sở Giao thông Vận tải tỉnh Hòa Bình chủ trì.
  • Nâng cấp hệ thống tiêu thoát nước bề mặt và nước ngầm: Thiết kế đồng bộ hệ thống rãnh đỉnh, rãnh phân thủy bậc thang trên mái dốc và khoan ép ống thoát nước ngầm sâu trong thân sườn dốc nhằm giải tỏa 100% áp lực thủy động trong các trận mưa trên 150 mm/ngày, hoàn thành duy tu trước tháng 4 hàng năm bởi Công ty Quản lý Đường bộ 222.
  • Rà soát và di dời dân cư khỏi vùng nguy cơ sạt lở rất cao: Ủy ban nhân dân tỉnh Hòa Bình cùng chính quyền các huyện Mai Châu, Tân Lạc, Cao Phong khẩn trương lập phương án tái định cư an toàn cho 100% các hộ dân (khoảng 40 hộ) sinh sống dưới chân các khối trượt tiềm năng lớn trong giai đoạn 2019 - 2022.
  • Ứng dụng hệ thống quan trắc và cảnh báo sớm tự động: Lắp đặt 10 trạm đo mưa tự động kết hợp cảm biến đo dịch chuyển sườn dốc tại các điểm nghẽn Thung Khe, Đồng Bảng, Phú Cường; cài đặt phần mềm cảnh báo SMS tự động đến 95% lực lượng cứu hộ và người tham gia giao thông trước 6 - 12 giờ khi lượng mưa 3 ngày vượt ngưỡng 128 mm, do Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Hòa Bình vận hành thử nghiệm trong 18 tháng.
  • Khôi phục thảm phủ sinh học bằng kỹ thuật nông - lâm kết hợp: Trồng cỏ vetiver giữ đất kết hợp trồng rừng phòng hộ đầu nguồn bằng các loài cây bản địa rễ sâu, hướng tới nâng độ che phủ thực vật lên trên 60% diện tích lưu vực sườn đồi ven Quốc lộ 6 giai đoạn 2019 - 2025 dưới sự chỉ đạo của Chi cục Kiểm lâm tỉnh Hòa Bình.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  • Cơ quan quản lý nhà nước và ban ngành quy hoạch địa phương: Sở Giao thông Vận tải, Sở Tài nguyên và Môi trường cùng Ban Chỉ huy Phòng chống thiên tai và Tìm kiếm cứu nạn tỉnh Hòa Bình có thể sử dụng trực tiếp bản đồ phân vùng nhạy cảm LSI tỷ lệ 1:50.000 để quy hoạch không gian sử dụng đất an toàn và phê duyệt hướng tuyến hạ tầng giao thông tránh các đới sạt lở nguy hiểm.
  • Các đơn vị tư vấn thiết kế, thi công và bảo trì công trình giao thông: Các kỹ sư công trình tận dụng số liệu phân tích thạch học, độ dốc và bán kính ảnh hưởng giao thông để tính toán hệ số an toàn taluy, lựa chọn giải pháp kè bê tông hoặc neo đất chịu lực tối ưu cho từng cung đường thực tế.
  • Các cơ sở giáo dục đại học, viện nghiên cứu và học viên cao học: Giảng viên và học viên chuyên ngành Quản lý tài nguyên, Bản đồ học, Địa chất công trình và Viễn thám có thể khai thác luận văn như tài liệu tham khảo mẫu mực về quy trình chuẩn hóa ma trận AHP kết hợp không gian GIS, từ đó mở rộng mô hình cho các tuyến quốc lộ miền núi khác như Quốc lộ 4D hay Quốc lộ 279.
  • Các tổ chức phi chính phủ và cơ quan tài trợ dự án biến đổi khí hậu: Các tổ chức phát triển quốc tế có thể dựa trên bản đồ phân vùng rủi ro để xác định các xã đặc biệt khó khăn dễ bị tổn thương, từ đó tài trợ xây dựng các mô hình sinh kế thích ứng và lắp đặt hệ thống cảnh báo sớm thiên tai dựa vào cộng đồng.

Câu hỏi thường gặp

Phương pháp tích hợp AHP vào GIS mang lại ưu điểm vượt trội gì so với các phương pháp đánh giá truyền thống?

Phương pháp AHP kết hợp GIS cho phép xử lý đồng bộ 9 lớp dữ liệu không gian định tính và định lượng trong một môi trường số hóa duy nhất. Việc tính toán trọng số qua ma trận so sánh cặp với tỷ số nhất quán CR dưới 10% giúp kiểm soát sai số chủ quan, nâng cao độ chính xác dự báo không gian lên trên 85% cho các điểm trượt lở dọc hành lang tuyến đường.

Tại sao độ dốc và khoảng cách đến đường giao thông lại có tác động mạnh mẽ nhất đến trượt lở đất?

Độ dốc địa hình trên 25 độ tạo ra lực trượt trọng trường lớn, trong khi quá trình xẻ núi mở đường trong phạm vi 0 - 100 m làm mất chân sườn tự nhiên và tạo độ dốc nhân tạo tới 45 độ. Sự kết hợp này làm giảm hệ số an toàn mái dốc xuống dưới 1,0, dẫn tới sạt lở nghiêm trọng khi gặp chấn động xe cộ hoặc mưa lớn.

Ngưỡng mưa tích lũy bao nhiêu sẽ kích hoạt tai biến sạt lở đất nghiêm trọng tại tỉnh Hòa Bình?

Theo các phân tích khí tượng và kiểm chứng thực địa, trượt lở đất thường bùng phát dữ dội khi lượng mưa ngày vượt 100 mm hoặc lượng mưa tích lũy 10 ngày trước đó vượt ngưỡng 128 mm trong các tháng 7 và 8. Nước mưa ngấm bão hòa làm gia tăng tải trọng khối trượt và sinh áp lực kẽ rỗng đẩy bật khối đất đá khỏi sườn núi.

Sự khác biệt về nguy cơ sạt lở giữa đoạn Quốc lộ 6 qua huyện Lương Sơn và qua huyện Mai Châu là gì?

Đoạn qua huyện Lương Sơn thuộc vùng đồi núi thấp có độ cao dưới 500 m và địa hình thoải nên mức độ nguy cơ sạt lở chỉ ở cấp Rất thấp đến Trung bình. Ngược lại, đoạn qua đèo Thung Khe đến huyện Mai Châu có độ cao trên 1.000 m với độ dốc lớn, tạo ra các khối sạt lở quy mô khổng lồ lên tới 37.850 m3.

Dữ liệu bản đồ nhạy cảm trượt lở đất trong luận văn có thể chuyển giao cho chính quyền cấp xã như thế nào?

Bản đồ phân vùng 5 cấp nguy cơ được xuất bản dưới dạng số hóa tương thích với các phần mềm MapInfo và ArcGIS, dễ dàng tích hợp vào hệ thống cơ sở dữ liệu địa chính của 30 xã, phường. Chính quyền địa phương có thể dùng bản đồ này để cắm biển cảnh báo thực địa và chủ động xây dựng phương án sơ tán dân cư khẩn cấp trước mỗi mùa mưa lũ.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công bộ cơ sở dữ liệu không gian tích hợp 9 yếu tố tác động đến quá trình phát sinh trượt lở đất dọc Quốc lộ 6 trên địa bàn tỉnh Hòa Bình bằng phần mềm ArcGIS 10.3 và mô hình Aster DEM 30 m.
  • Xác lập quy trình phân tích thứ bậc AHP đạt độ tin cậy khoa học cao với tỷ số nhất quán CR dưới 10%, chỉ rõ độ dốc, cự ly đường giao thông và thành phần thạch học là 3 nhân tố chi phối mạnh mẽ nhất.
  • Thành lập bản đồ phân vùng nhạy cảm trượt lở đất (LSI) gồm 5 cấp độ, khoanh định chính xác 27% diện tích hành lang nghiên cứu thuộc vùng nguy cơ cao và rất cao, tập trung tại huyện Tân Lạc và Mai Châu.
  • Đóng góp luận cứ khoa học thực tiễn vững chắc giúp giải thích cơ chế các vụ sạt lở thảm khốc trong lịch sử như vụ sạt lở Phú Cường năm 2017 khiến 18 người thiệt mạng và các khối trượt lớn tới 37.850 m3 tại Đồng Bảng.
  • Đề xuất hệ thống 5 nhóm giải pháp đồng bộ kết hợp giữa kỹ thuật công trình kè chắn, quy hoạch sắp xếp lại dân cư và vận hành trạm cảnh báo sớm công nghệ cao nhằm bảo vệ huyết mạch giao thông Tây Bắc.

Về lộ trình tiếp theo, các nghiên cứu tương lai cần tiếp tục tích hợp chuỗi ảnh vệ tinh viễn thám quang học và radar khẩu độ tổng hợp (InSAR) độ phân giải dưới 5 m, đồng thời ứng dụng các thuật toán máy học (Machine Learning) để tự động hóa dự báo sạt lở theo thời gian thực trong giai đoạn 2020 - 2025. Các cơ quan quản lý nhà nước và chính quyền tỉnh Hòa Bình cần nhanh chóng khai thác bộ dữ liệu số này để lồng ghép vào quy hoạch phát triển kinh tế - xã hội, chủ động bảo vệ tính mạng nhân dân và đảm bảo an toàn giao thông quốc gia.