Tổng quan nghiên cứu

Tai biến trượt lở đất là một trong những hiểm họa địa chất nghiêm trọng nhất tại các vùng núi phía Bắc Việt Nam, gây thiệt hại ước tính hàng triệu đô la mỗi năm và đe dọa trực tiếp đến tính mạng con người cùng hạ tầng huyết mạch. Tuyến Quốc lộ 6 có tổng chiều dài 504 km nối thủ đô Hà Nội với các tỉnh Tây Bắc, trong đó đoạn chạy qua tỉnh Hòa Bình giữ vị trí chiến lược về kinh tế, văn hóa và quốc phòng. Tuy nhiên, khu vực này thường xuyên đối mặt với các đợt trượt lở quy mô lớn. Các sự kiện thảm khốc trong quá khứ đã minh chứng mức độ tàn phá khốc liệt: vụ sạt trượt tháng 2 năm 2012 tại xã Đồng Bảng cướp đi sinh mạng của 2 người, và đỉnh điểm là trận sạt lở lịch sử ngày 12 tháng 10 năm 2017 tại xã Phú Cường (huyện Tân Lạc) đã vùi lấp hoàn toàn 4 hộ gia đình, gây tử vong cho 18 người.

Khu vực nghiên cứu trải dài qua 30 xã, phường, thị trấn dọc tuyến Quốc lộ 6 thuộc tỉnh Hòa Bình, nơi có địa hình núi cao chia cắt phức tạp với 44,8% diện tích là đồi núi hiểm trở và đỉnh cao nhất lên tới 1.449 m. Lượng mưa trung bình năm dao động từ 1.200 mm đến 1.858 mm, trong đó mùa mưa tập trung từ tháng 5 đến tháng 10 chiếm tới 85% đến 90% tổng lượng mưa cả năm. Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là ứng dụng công nghệ Hệ thống Thông tin Địa lý (GIS) kết hợp quy trình phân tích thứ bậc (AHP) nhằm lượng hóa và thành lập bản đồ nhạy cảm trượt lở đất dọc hành lang Quốc lộ 6. Ý nghĩa thực tiễn của công trình giúp tối ưu hóa 100% công tác khoanh vùng nguy cơ, hỗ trợ giảm thiểu từ 30% đến 50% thiệt hại kinh tế do gián đoạn giao thông và bảo vệ an toàn sinh mạng cho hơn 832.000 người dân trên địa bàn toàn tỉnh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng vững chắc của lý thuyết phân loại chuyển động trượt lở của Varnes năm 1978, phân định các hình thức trượt đất đá theo kiểu dịch chuyển (rơi, lật, trượt xoay, trượt phẳng, chảy tràn và trượt hỗn hợp) và đặc tính vật liệu. Đồng thời, mô hình toán học ra quyết định đa tiêu chí AHP của Thomas L. Saaty năm 1980 được sử dụng làm cơ sở định lượng trọng số cho các biến số môi trường phức tạp. Hệ thống các khái niệm cốt lõi bao gồm: Trượt lở đất (sự dịch chuyển khối đất đá dưới tác động của trọng lực khi lực gây trượt thắng sức kháng cắt), Hệ thống thông tin địa lý (GIS - công cụ xử lý, phân tích dữ liệu không gian và thuộc tính), Chỉ số nhạy cảm trượt lở (LSI theo mô hình của Patrono năm 1995), Mô hình số độ cao (DEM) và Tỷ số nhất quán (CR).

Mô hình tính toán chỉ số LSI tích hợp 9 lớp nhân tố tác động không gian, trong đó mỗi yếu tố thành phần được chuẩn hóa thành 5 cấp độ ảnh hưởng (từ cấp 1 - không ảnh hưởng đến cấp 5 - ảnh hưởng rất mạnh). Trọng số giữa các yếu tố được kiểm soát chặt chẽ thông qua ma trận so sánh cặp với điều kiện tỷ số nhất quán CR phải đạt giá trị nhỏ hơn 10% (CR < 0,10) nhằm loại bỏ mọi sự chệch hướng phi logic trong đánh giá chuyên gia.

Phương pháp nghiên cứu

Về cỡ mẫu và phương pháp chọn mẫu, nghiên cứu đã tiến hành điều tra toàn diện trên toàn bộ dải không gian hành lang của 30 xã, phường, thị trấn bọc quanh Quốc lộ 6. Tổng cộng 194 vị trí trượt lở đất đá thực tế đã được kiểm kê, định vị tọa độ và đo đạc quy mô thông qua khảo sát thực địa kết hợp đối chiếu với 68 vị trí giải đoán từ ảnh hàng không và mô hình lập thể số. Trong số 194 vị trí thực địa, có 176 điểm trượt hỗn hợp, 11 điểm trượt kiểu rơi đổ lật, 5 điểm trượt xoay, 1 điểm trượt tịnh tiến và 1 điểm trượt dạng dòng. Về quy mô, mẫu nghiên cứu bao gồm 81 điểm trượt nhỏ, 86 điểm trượt trung bình và 27 điểm trượt lớn.

Nguồn dữ liệu thứ cấp gồm có mô hình DEM độ phân giải không gian 30 m trích xuất từ dữ liệu ASTER của USGS, bản đồ địa hình tỉnh Hòa Bình tỷ lệ 1:50.000, bản đồ hiện trạng sử dụng đất năm 2016 tỷ lệ 1:50.000, bản đồ thổ nhưỡng tỷ lệ 1:100.000, bản đồ địa chất tỷ lệ 1:200.000 và chuỗi dữ liệu lượng mưa phân bố từ 1.200 mm đến 1.858 mm. Phương pháp phân tích được lựa chọn là tích hợp AHP vào không gian GIS trên phần mềm ArcMap 10.3. Lý do lựa chọn phương pháp này xuất phát từ khả năng lượng hóa mối quan hệ phi tuyến giữa các yếu tố tự nhiên - nhân sinh, giảm thiểu tính chủ quan bằng kiểm định tỷ số CR, đồng thời cho phép phân tích dữ liệu đa tầng trên mô hình raster với diện tích lớn một cách chuẩn xác. Timeline nghiên cứu được thực hiện xuyên suốt với đợt khảo sát thực địa trọng điểm vào tháng 11 năm 2017 và hoàn thiện nghiệm thu cơ sở dữ liệu vào năm 2018.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng quá trình hình thành trượt lở dọc Quốc lộ 6 tại Hòa Bình chịu sự chi phối tổng hợp của 9 nhân tố môi trường với những phát hiện mang tính quy luật rõ nét:

Thứ nhất, độ dốc địa hình là nhân tố quyết định lớn nhất tới độ ổn định sườn dốc. Toàn bộ khu vực có dải độ dốc dao động từ 0 độ đến 89 độ. Kết quả phân tích không gian cho thấy hơn 65% tổng số điểm sạt lở tập trung tại các sườn dốc có góc nghiêng lớn hơn 25 độ, đặc biệt là các cung vách dốc hiểm trở thuộc đoạn đèo Thung Khe.

Thứ hai, khoảng cách đến mạng lưới giao thông tạo ra sự xáo trộn cơ học cực kỳ nghiêm trọng. Các phân tích vùng đệm chỉ ra rằng vùng đệm từ 0 đến 100 m quanh trục Quốc lộ 6 tập trung hơn 70% tổng số các điểm trượt lở ghi nhận được. Hiện tượng bạt chân mái taluy khi nâng cấp đường kết hợp độ rung động liên tục của phương tiện vận tải nặng đã làm suy giảm đột ngột hệ số an toàn mái dốc.

Thứ ba, sự kết hợp giữa lượng mưa lớn và cấu trúc thạch học kém bền vững là động lực kích hoạt trực tiếp các khối trượt khổng lồ. Lượng mưa tập trung đỉnh điểm có thể đạt 680 mm trong một tháng, gây bão hòa nước trên các phức hệ đá biến chất và trầm tích giàu alumosilicat. Khảo sát ghi nhận thể tích khối trượt trung bình lên tới 37.850 m3 tại xã Đồng Bảng (huyện Mai Châu) và 5.511 m3 tại xã Phú Cường (huyện Tân Lạc).

Thứ tư, bản đồ nhạy cảm trượt lở đất (LSI) dọc tuyến đường đã lượng hóa lãnh thổ thành 5 cấp độ nguy cơ: Rất thấp, Thấp, Trung bình, Cao và Rất cao. Trong đó, các khu vực thuộc cấp nguy cơ Cao và Rất cao chiếm tỷ lệ hơn 27% diện tích hành lang, tập trung dày đặc tại các huyện Mai Châu, Tân Lạc và Kỳ Sơn.

Nhân tố tác động Nhóm/Khoảng giá trị nguy cơ cao Tỷ lệ đóng góp / Phân bố điểm trượt
Độ dốc sườn Trên 25 độ đến 89 độ Chiếm hơn 65% tổng số điểm trượt lở
Khoảng cách giao thông Vùng đệm 0 - 100 m Tập trung hơn 70% các điểm trượt
Lượng mưa năm 1.535 mm - 1.858 mm Chiếm 85% - 90% lượng mưa tập trung mùa lũ
Thạch học Trầm tích alumosilicat & đá biến chất Tỷ lệ bở rời, phong hóa sâu, nứt nẻ cao
Sử dụng đất Đất cằn cỗi, nương rẫy, bạt taluy Mất tầng phủ thực vật bảo vệ mặt đất

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi dẫn đến các hiện tượng trượt lở khốc liệt xuất phát từ sự tương tác giữa yếu tố nội sinh và ngoại sinh. Về mặt nội sinh, cấu trúc địa chất bị chia cắt bởi hệ thống đứt gãy kiến tạo phương Tây Bắc - Đông Nam kết hợp thành phần đá mẹ phong hóa tạo tầng phủ bở rời có sức kháng cắt thấp. Về mặt ngoại sinh, lượng mưa mùa hè chiếm 85% đến 90% lượng mưa cả năm thấm sâu vào lòng đất tạo áp lực nước lỗ rỗng và dòng ngầm thủy động. Kết quả này hoàn toàn tương thích và nhất quán với các công trình nghiên cứu của Bùi Tiến Diệu năm 2012 và các báo cáo khảo sát tai biến khu vực hồ thủy điện Hòa Bình - Sơn La của Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, nơi ghi nhận tỷ lệ vùng có nguy cơ trượt lở cao và rất cao chiếm lần lượt là 24% và 3%.

Để trình bày một cách trực quan và khoa học, dữ liệu nghiên cứu đã được cấu trúc hóa dưới dạng ma trận trọng số AHP, bảng thống kê mật độ trượt lở theo từng lớp biến số, biểu đồ hình tròn thể hiện cơ cấu tỷ lệ 5 cấp nhạy cảm LSI, và biểu đồ cột so sánh diện tích nguy cơ trượt lở phân bổ theo từng đơn vị hành chính cấp xã. Bản đồ tổng hợp tích hợp trên ArcMap 10.3 cung cấp bức tranh toàn diện giúp các kỹ sư quy hoạch nhận diện chính xác các tọa độ nguy hiểm. Ý nghĩa học thuật của phát hiện này khẳng định tính ưu việt của việc kết hợp mô hình phân tích không gian với dữ liệu viễn thám trong quản lý tai biến thiên nhiên.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả phân vùng nhạy cảm trượt lở đất, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp chiến lược có tính hành động cao:

  1. Thi công gia cố công trình kỹ thuật mái dốc taluy: Tiến hành xây dựng hệ thống tường chắn bê tông cốt thép, cọc neo thép chịu lực kết hợp đào rãnh thoát nước ngầm và nước mặt bậc thang tại các điểm đen sạt trượt từ chân đèo Thung Khe đến huyện Mai Châu. Mục tiêu đặt ra là gia cố 100% các vị trí ta luy xung yếu, giúp giảm 80% nguy cơ sụt lở mái dốc dọc tuyến. Kế hoạch thực hiện trong giai đoạn 2019 - 2022 do Tổng cục Đường bộ Việt Nam và Sở Giao thông Vận tải tỉnh Hòa Bình trực tiếp chủ trì.
  2. Quy hoạch và phân vùng quản lý hành lang an toàn giao thông: Thiết lập và cắm mốc chỉ giới an toàn nghiêm ngặt với bán kính bảo vệ từ 50 m đến 100 m tính từ mép đường Quốc lộ 6. Nghiêm cấm hoàn toàn hoạt động đào bạt chân sườn đồi, san lấp mặt bằng trái phép phục vụ xây dựng nhà ở hay nương rẫy tại các sườn dốc trên 25 độ. Mục tiêu loại bỏ 100% các vụ sạt lở do nhân tai. Kế hoạch thực hiện định kỳ trong giai đoạn 2019 - 2025 do UBND tỉnh Hòa Bình và Sở Tài nguyên và Môi trường chỉ đạo.
  3. Ứng dụng công nghệ quan trắc tự động và cảnh báo sớm: Lắp đặt mạng lưới trạm đo mưa tự động kết hợp cảm biến đo độ ẩm đất tại các điểm có nguy cơ sạt lở rất cao ở Tân Lạc và Mai Châu. Áp dụng thuật toán ngưỡng mưa tích lũy để phát đi thông điệp cảnh báo sớm trước từ 6 đến 12 giờ cho người dân khi lượng mưa ngày vượt ngưỡng 128 mm. Kế hoạch triển khai trong giai đoạn 2020 - 2023 dưới sự vận hành của Ban Chỉ huy Phòng chống thiên tai và Tìm kiếm cứu nạn tỉnh Hòa Bình.
  4. Nâng cao năng lực truyền thông và kỹ năng ứng phó cộng đồng: Triển khai các khóa đào tạo, diễn tập kỹ năng phòng chống tai biến cho 100% ban quản lý thôn bản thuộc 30 xã, phường dọc tuyến Quốc lộ 6. Mục tiêu nâng cao nhận thức và năng lực sơ tán an toàn cho trên 85% hộ dân sinh sống tại các khu vực sườn dốc nguy hiểm. Hoạt động được tổ chức định kỳ hàng năm vào tháng 4 và tháng 5 trước khi bước vào mùa mưa lũ do chính quyền địa phương phối hợp với các tổ chức chính trị - xã hội thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang lại giá trị thực tiễn và học thuật to lớn cho 4 nhóm đối tượng trọng tâm sau:

  1. Cơ quan quản lý nhà nước và chính quyền địa phương: Bao gồm UBND tỉnh Hòa Bình, Sở Tài nguyên và Môi trường, Sở Giao thông Vận tải và UBND các huyện Lương Sơn, Cao Phong, Tân Lạc, Mai Châu, thành phố Hòa Bình. Sử dụng dữ liệu bản đồ phân vùng nhạy cảm làm căn cứ khoa học pháp lý để xây dựng quy hoạch tổng thể kinh tế - xã hội, cấp phép dự án xây dựng và phân bổ ngân sách dự phòng thiên tai giai đoạn 2020 - 2030.
  2. Các doanh nghiệp tư vấn thiết kế và nhà thầu xây dựng công trình giao thông: Các đơn vị thi công hạ tầng đường bộ, cầu đường và các dự án thủy điện vùng Tây Bắc có thể khai thác số liệu thể tích khối trượt từ 5.511 m3 đến 37.850 m3 để thiết kế kết cấu chống trượt, tính toán tải trọng tường kè và lựa chọn giải pháp móng taluy tối ưu nhất.
  3. Các nhà khoa học, nghiên cứu sinh và giảng viên đại học: Các chuyên gia hoạt động trong lĩnh vực Địa mạo, Quản lý Môi trường, Địa kỹ thuật và Bản đồ viễn thám có thể sử dụng công trình này như một tài liệu tham khảo chuẩn mực về phương pháp luận kết hợp AHP đa tiêu chí với mô hình hóa không gian GIS.
  4. Học viên cao học và sinh viên các khối ngành Khoa học Trái đất: Tài liệu cung cấp quy trình thực hành chi tiết từng bước từ thu thập dữ liệu DEM 30 m, chuẩn hóa 9 lớp bản đồ chuyên đề, tính toán tỷ số nhất quán CR trên ma trận Saaty cho đến xuất bản bản đồ chỉ số LSI hoàn chỉnh trên phần mềm ArcMap 10.3.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao Quốc lộ 6 đoạn qua tỉnh Hòa Bình lại có nguy cơ trượt lở đất đặc biệt cao? Khu vực này có sự kết hợp bất lợi giữa địa hình núi cao hiểm trở với 44,8% diện tích sườn dốc lớn, cấu trúc thạch học biến chất phong hóa mạnh và lượng mưa tập trung rất lớn từ 1.200 mm đến 1.858 mm/năm. Hoạt động xẻ taluy mở đường Quốc lộ 6 làm mất cân bằng sườn dốc, tạo nên hơn 70% điểm trượt lở nằm trong phạm vi 100 m quanh đường.

Phương pháp AHP kết hợp với GIS đem lại ưu thế vượt trội gì so với phương pháp truyền thống? Sự kết hợp này cho phép định lượng hóa 9 biến số phức tạp thông qua ma trận so sánh cặp, kiểm soát sai số chủ quan bằng tỷ số nhất quán CR dưới 10% (0,10). Công nghệ GIS trên ArcMap 10.3 xử lý đồng bộ dữ liệu không gian raster phân giải 30 m, giúp phân vùng chi tiết và thành lập bản đồ nhạy cảm LSI với độ chính xác cao.

Những nhân tố nào giữ vai trò quan trọng nhất trong việc phát sinh trượt lở đất tại khu vực nghiên cứu? Trong 9 nhân tố được đánh giá, độ dốc sườn giữ vai trò quan trọng hàng đầu (chiếm hơn 65% điểm trượt trên sườn dốc trên 25 độ), kế tiếp là thành phần thạch học kém bền vững và khoảng cách đến đường giao thông (vùng đệm 0 - 100 m). Lượng mưa cực đoan trên 100 mm/tháng đóng vai trò là tác nhân kích hoạt trực tiếp các khối trượt lớn.

Chỉ số nhạy cảm trượt lở đất (LSI) được phân chia thành các cấp độ nào trong luận văn? Chỉ số LSI được tính toán dựa trên tổng tích chập trọng số của 9 yếu tố thành phần theo công thức Patrono năm 1995. Kết quả phân chia lãnh thổ 30 xã, phường thành 5 cấp độ nguy cơ rõ rệt: Rất thấp, Thấp, Trung bình, Cao và Rất cao, trong đó các vùng nguy cơ Cao và Rất cao chiếm hơn 27% diện tích hành lang.

Giải pháp kỹ thuật nào được khuyến nghị ưu tiên hàng đầu để bảo vệ an toàn tuyến đường? Luận văn đề xuất ưu tiên xây dựng tường chắn bê tông cốt thép, cắm cọc neo bề mặt taluy kết hợp hệ thống tiêu thoát nước ngầm tại các sườn dốc xung yếu có thể tích trượt lớn từ 5.511 m3 đến 37.850 m3. Song song đó, lắp đặt trạm đo mưa tự động để cảnh báo trước 6 đến 12 giờ khi lượng mưa đạt ngưỡng nguy hiểm.

Kết luận

  • Luận văn đã ứng dụng thành công công nghệ GIS tích hợp phương pháp phân tích thứ bậc AHP để đánh giá toàn diện nguy cơ trượt lở đất dọc Quốc lộ 6 trên địa bàn tỉnh Hòa Bình.
  • Đã kiểm kê và số hóa 194 vị trí trượt lở đất đá thực địa, xác định 9 nhân tố tác động chính với độ dốc sườn và hành lang đệm giao thông 0 - 100 m là các yếu tố chi phối mạnh mẽ nhất.
  • Lượng hóa chính xác chỉ số nhạy cảm LSI và thành lập bản đồ phân vùng nguy cơ 5 cấp độ cho toàn bộ 30 xã, phường, thị trấn dọc tuyến đường với tỷ số kiểm định nhất quán CR đạt chuẩn dưới 10%.
  • Đóng góp hệ thống 4 nhóm giải pháp kỹ thuật, quy hoạch, công nghệ cảnh báo sớm và truyền thông cộng đồng mang tính thực thi cao nhằm giảm thiểu thiệt hại do thiên tai.
  • Đặt ra lộ trình triển khai cụ thể giai đoạn 2019 - 2025 giúp các nhà quản lý hạ tầng giao thông và chính quyền địa phương chủ động phòng chống thảm họa thiên tai bền vững.

Hãy khai thác và ứng dụng ngay cơ sở dữ liệu và bản đồ nhạy cảm trượt lở đất từ luận văn để tối ưu hóa công tác quy hoạch hạ tầng, bảo vệ an toàn giao thông và thúc đẩy phát triển kinh tế - xã hội bền vững cho toàn vùng Tây Bắc!