Chương 1 GIỚI THIỆU 1.1 Lý do chọn đề tài Sạt lở đất là một trong những thảm họa thiên nhiên phổ biến trên thế giới, gây ra thiệt hại lớn về môi trường, tài sản, kinh tế và con người [1, 2]. Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) là một trong ba đồng bằng châu thổ lớn nhất thế giới [3], được hình thành từ hơn 6.000 năm trước do sự bồi lắng của phù sa từ sông Mekong và dòng bùn cát ven biển. Là một đồng bằng non trẻ, ĐBSCL có cấu trúc nền địa chất yếu, rất dễ bị tổn thương vì vậy bất kỳ một sự tác động từ tự nhiên hay con người đều gây ảnh hưởng lớn đến nền đất nơi đây [4, 5]. Hiện tượng sạt lở bờ sông và xói lở bờ biển đang diễn ra nghiêm trọng tại ĐBSCL, lan rộng và phức tạp hơn theo thời gian.TS Trần Đình Hòa: “vấn đề sạt lở đất trên hệ thống sông, kênh và bờ biển ở ĐBSCL là xu thế không thể đảo ngược”.
Trong 10 năm qua, hiện tượng này ngày càng tăng không chỉ về số lượng mà còn cả về mức độ thiệt hại. Theo dữ liệu thống kê của Ban chỉ đạo quốc gia về phòng chống thiên tai - Việt Nam, đến tháng 9 năm 2023, đã có 558 địa điểm sạt lở bờ sông trong khu vực, dẫn đến tổng chiều dài bờ sông bị ảnh hưởng và mất mát lên đến hơn 740 km. Trong số đó có 81 điểm sạt lở nguy hiểm và 137 điểm sạt lở có nguy cơ cao, gây thiệt hại cho hơn 200 căn nhà, tài sản của cư dân và hạ tầng trị giá hàng nghìn tỷ đồng (VND). Chỉ tính riêng thành phố Cần Thơ, là 1 trong 13 tỉnh thành ở khu vực ĐBSCL, trong 9 tháng đầu năm 2023 đã có hơn 30 vụ sạt lở diễn ra nhấn chìm hoàn toàn, làm sụp đổ một phần và hư hỏng nhiều căn nhà.976 mét chiều dài bờ sông bị ảnh hưởng và sạt lở [6].
Sạt lở đất gây ra hậu quả nghiêm trọng đối với môi trường và đời sống người dân. Mất đất, xâm nhập mặn, hư hỏng hoặc phá hủy cơ sở hạ tầng như đường giao thông, hệ thống thoát nước, các cơ sở dân sinh khác, cùng với nguy cơ mất mát về tính mạng và tài sản là những tác động trực tiếp của sạt lở đất ở ĐBSCL. Tình trạng này ảnh hưởng nặng nề đến sản xuất và đời sống của người dân trong khu vực. Tại cuộc họp vào ngày 12/08/2023, Thủ tướng Phạm Minh Chính đã bày tỏ quan ngại về tình hình sạt lở ở ĐBSCL và kêu gọi các nhà khoa học đóng góp ý kiến gợi ý các nhà quản lý để giải quyết vấn đề này.
Thủ tướng nhấn mạnh: “Nhiệm vụ bảo đảm tính mạng, tài sản của nhân dân và các công trình của Nhà nước, bảo đảm sinh kế của nhân dân phải thuận thiên, phát triển nhưng phải bền vững là những vấn đề lớn đặt ra cho vùng ĐBSCL”. Bên cạnh, tại hội thảo về đánh giá tình hình thiên tai khu vực Tây Nguyên, ĐBSCL và lãnh thổ Việt Nam do Viện Hàn Lâm Khoa học và Công Nghệ Việt Nam, Bộ Khoa học và Công Nghệ tổ chức tại Hà Nội ngày 29/08/2023, GS. Trần Đình Hoà nhấn mạnh cần có các giải pháp và công nghệ mới trong phòng chống sạt lở nhằm chủ động dự báo, cảnh báo, thích ứng với vấn đề sạt lở trên hệ thống sông, kênh và bảo vệ các khu vực bờ biển trọng yếu để quản lý và kiểm soát rủi ro thiên tai. Cũng 1 tại hội thảo này, Thứ trưởng Bộ Khoa Học và Công Nghệ Nguyễn Hoàng Giang đã đồng tình với ý kiến của các nhà khoa học là : ”Tai biến địa chất ngày càng trầm trọng và phức tạp, ảnh hưởng lớn đến kinh tế và an sinh xã hội, Vì vậy, cần có các nghiên cứu chuyên sâu, toàn diện, bao quát, liên tục và liên ngành”.
Nguyên nhân chính của sạt lở đất bao gồm lượng mưa lớn, biến động mực nước ngầm, dịch chuyển dòng sông, thiếu trầm tích và khai thác cát quá mức [7-10]. Bên cạnh đó, quá trình đô thị hóa nhanh chóng ở ĐBSCL cũng làm tăng mật độ nhà cửa và đường sá dọc theo bờ sông, tác động đến ứng suất và chuyển vị nền đất ven bờ. Đánh giá nguyên nhân và tìm giải pháp hiệu quả là cần thiết để ngăn ngừa và giảm thiểu thiệt hại do sạt lở đất gây ra. Nhiều nghiên cứu đã sử dụng các cách tiếp cận khác nhau để giải quyết vấn đề sạt lở như sử dụng ảnh vệ tinh và hệ thống thông tin địa lý (GIS) để theo dõi sự thay đổi hình dạng bờ sông và xây dựng bản đồ nguy cơ trượt lở đất [8, 11-13], giám sát bằng hệ thống cảm biến GPS [14], xây dựng mô hình số, mô hình toán học để đánh giá tác động của các yếu tố như dòng chảy và mực nước sông [15-17].
Công nghệ mạng cảm biến và Internet-of-Things (IoT) đã được sử dụng để thiết lập hệ thống giám sát trượt lở đất, giúp phát hiện và cảnh báo sớm, giảm thiểu rủi ro và thiệt hại [18-20]. Mặc dù vấn đề sạt lở bờ sông ở ĐBSCL đã được nghiên cứu và ghi nhận từ lâu, vẫn chưa có nghiên cứu cụ thể nào đánh giá áp lực ngang của đất trong khối trượt dưới tác dụng của tải trọng và chuyển vị ngang của khối đất gây ra sạt lở. Việc thiếu các nghiên cứu chi tiết về áp lực này dẫn đến khoảng trống trong việc hiểu rõ cơ chế gây sạt lở, từ đó làm hạn chế hiệu quả của các biện pháp phòng chống. Đề tài nghiên cứu "Mô hình tự động đánh giá và hỗ trợ cảnh báo tác động của tải trọng ngoài đến sạt lở bờ sông ở ĐBSCL" được thực hiện nhằm đáp ứng nhu cầu cấp thiết về một hệ thống giám sát và hỗ trợ cảnh báo sớm hiệu quả.
Bằng cách ứng dụng công nghệ cảm biến và IoT, mô hình này sẽ cho phép theo dõi liên tục sự dịch chuyển của khối đất ven sông dưới tác động của tải trọng ngoài, từ đó xây dựng mô hình dự báo về nguy cơ sạt lở phục vụ cảnh báo sớm. Phát triển mô hình tự động này là bước tiến quan trọng trong việc áp dụng công nghệ tiên tiến vào quản lý thiên tai, đồng thời mở ra hướng nghiên cứu mới trong việc đánh giá và dự báo sạt lở trên nền đất yếu ven bờ sông. Điều này rất có ý nghĩa đối với ĐBSCL, không chỉ giúp giảm thiểu thiệt hại về tài sản và con người mà còn tăng cường khả năng ứng phó của cộng đồng trước thiên tai, góp phần vào sự phát triển bền vững và an toàn cho các cộng đồng ven sông, ven biển.2 Mục tiêu nghiên cứu 1.1 Mục tiêu tổng quát Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống quan trắc tự động dựa trên công nghệ IoT trong việc giám sát sự dịch chuyển của khối đất ven bờ sông dưới tác động của tải trọng ngoài và xây dựng mô hình dự đoán về nguy cơ sạt lở dựa trên dữ liệu thu thập phục vụ cho cảnh báo sớm.2 Mục tiêu cụ thể Mục tiêu 1: Hiểu rõ cơ chế gây sạt lở bờ sông dưới tác động của tải trọng ngoài. Mục tiêu 2: Xây dựng và triển khai mô hình tự động hóa dựa trên công nghệ IoT để thu thập và phân tích dữ liệu theo thời gian thực về sự thay đổi áp lực ngang và sự dịch chuyển của khối đất ven bờ dưới tác động của tải trọng.
Mục tiêu 3: Đề xuất mô hình mạng nơ-ron LSTM dự đoán về nguy cơ sạt lở dựa trên dữ liệu của hệ thống cảm biến thu thập được để cảnh báo.3 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu chính của đề tài này là hiện tượng sạt ở bờ sông trên nền đất mềm yếu ở ĐBSCL. Ngoài ra còn có các đối tượng nghiên cứu liên quan khác như: cơ chế trượt lở đất ven bờ, thiết kế hệ thống quan trắc dựa trên công nghệ IoT, xây dựng mô hình dự báo dựa trên dữ liệu quan trắc ghi nhận được.4 Vấn đề nghiên cứu Các vấn đề nghiên cứu chính của đề tài này là: Vấn đề nghiên cứu 1: Tình hình thực hiện các nghiên cứu về hệ thống tự động giám sát địa kỹ thuật dựa trên IoT về các sườn dốc vùng đồi núi không ổn định để cảnh báo sớm sạt lở đất hiện nay có phù hợp với yêu cầu thực tiễn tại khu vực ĐBSCL đặt ra hay không? Những điểm chưa đáp ứng được là gì? Vấn đề nghiên cứu 2: Cần phải phát triển mô hình tự động đánh giá và hỗ trợ cảnh báo tác động của tải trọng ngoài đến sạt lở bờ sông với nguyên lý như thế nào để có thể đáp ứng được yêu cầu đặt ra? 1.5 Phạm vi nghiên cứu Tình trạng sạt lở bờ sông ở khu vực ĐBSCL nói chung và trên địa bàn thành phố Cần Thơ nói riêng đang diễn biến rất phức tạp. Phát triển đô thị là một trong số bảy nguyên nhân cơ bản gây ra hiện tượng sạt lở được các chuyên gia chỉ ra trong Tuyển tập kết quả nghiên cứu của dự án Rise & Fall đã báo cáo ở hội nghị tổng kết tại Trường Đại học Cần Thơ vào năm 2019. Hiện nay, nhu cầu đô thị hóa đã thúc đẩy việc xây dựng công trình ven sông, đặc biệt ở khu vực ven đô của thành phố Cần Thơ gia tăng về số lượng và qui mô công trình ngày càng lớn.
Do đó, phạm vi nghiên cứu chính của luận án được giới hạn với điều kiện địa chất mềm yếu thuộc khu vực ĐBSCL. Cụ thể, các thí nghiệm thực địa được thực hiện trên nền đất yếu ven bờ sông Rạch Cái Sâu, phường Phú Thứ, quận Cái Răng, thành phố Cần Thơ để kiểm tra nguyên lý hoạt động của hệ thống đo đạc và đánh giá dữ liệu ghi nhận được giới hạn ở mô hình thực địa có độ sâu đáy kênh đào là 2,5m tính từ mặt đất tự nhiên.6 Nội dung nghiên cứu Để giải quyết các mục tiêu đã đề ra, luận án bao gồm những nội dung nghiên cứu chính như sau: 3 Nội dung 1: Tổng quan về các cơ chế sạt lở bờ sông, các mô hình quan trắc sạt lở hiện có để đánh giá được tính khả dụng của mô hình đối với điều kiện địa chất của ĐBSCL; Nội dung 2: Xây dựng mô hình khảo sát xác định mối quan hệ của tải trọng ngoài với ứng suất đứng, ứng suất ngang và ứng suất cắt trong đất ven bờ. Xác định ngưỡng cảnh báo phá hoại mái dốc bờ sông dựa trên kết quả khảo sát của mô hình; Nội dung 3: Thiết kế hệ thống đo đạc dựa trên công nghệ IoT; Nội dung 4: Hiệu chuẩn cảm biến áp lực đất trong phòng.