LỜI MỞ ĐẦU LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Hàng năm, nƣớc ta và một số nƣớc trên thế giới đã phải chịu rất nhiều các trận thiên tai làm ảnh hƣởng đến đời sống kinh tế - xã hội. Trong số đó, trƣợt đất là một loại thiên tai tác động rất lớn đến cuộc sống của con ngƣời và gây ra nhiều hậu quả nghiêm trọng [4]. Hiện tƣợng trƣợt lở đất đang diễn ra khắp mọi nơi trên toàn thế giới, thu hút rất nhiều sự quan tâm từ chính phủ của các nƣớc, cơ quan quản lý và các nhà khoa học bởi những tác động nghiêm trọng và có xu hƣớng tăng dần của nó. Có rất nhiều nguyên nhân gây ra sạt lở đất nhƣ tính chất của đất tại từng khu vực, độ ẩm đất, mực nƣớc ngầm và áp lực nƣớc lỗ trống trong lòng đất…Một nguyên nhân chủ yếu nữa không thể không kể đến đó là lƣợng mƣa.
Lƣợng mƣa tại mỗi khu vực là nhân tố ảnh hƣởng trực tiếp làm cho độ ẩm đất tăng cao, mực ngƣớc ngầm và áp lực nƣớc rỗng lớn dẫn đến trƣợt lở đất đá trên sƣờn đồi [7]. Để kiểm soát đƣợc lƣợng mƣa, tránh đƣợc thảm họa do trƣợt đất gây ra, đã có rất nhiều hệ thống đo mƣa và gửi dữ liệu về cho trung tâm cảnh báo sạt lở. Trong đó có một số hệ đo mƣa hiệu quả, chính xác, thêm vào đó là khả năng truyền phát thông tin về trung tâm cảnh báo sạt lở đất sử dụng mạng cảm biến không dây đã và đang đƣợc sử dụng tƣơng đối rộng rãi [1][5]. Nó cho phép con ngƣời giám sát đƣợc các thông số về lƣợng mƣa hay nhiều thông số khác về tính chất của đất, thời tiết và môi trƣờng một cách dễ dàng.
Các thông số nhƣ lƣợng mƣa sẽ đƣợc truyền về trung tâm, dựa vào các thuật toán khác nhau của ngành địa chất nhằm đƣa ra các thông tin cảnh báo sớm về sự sạt lở đất, giúp con ngƣời có thể hạn chế tối đa sự thiệt hại về ngƣời và của do trƣợt đất gây ra. Trên cơ sở thiết kế chế tạo hệ thống cảnh báo trƣợt lở đất, bộ môn Vi cơ điện tử, khoa Điện tử viễn thông, trƣờng ĐH Công Nghệ đã đƣa ra đề tài và cho phép học viên cao học Phạm Đức Huy thực hiện đề tài: “Nghiên cứu và xây dựng một số hệ đo mưa ứng dụng vào hệ thống cảnh báo trượt đất” MỤC TIÊU ĐỀ TÀI Với đề tài này, một số hệ đo mƣa khác nhau sẽ đƣợc giới thiệu. Sau đó đề tài tập trung nghiên cứu hệ đo mƣa WS-3000 có khả năng đo lƣợng mƣa chính xác và thêm cả các thông số nhƣ tốc độ gió, hƣớng gió. Dữ liệu đầu ra của hệ đo LUAN VAN CHAT LUONG download9 : add luanvanchat@agmail.com mƣa sẽ đọc đƣợc qua Modun Arduino Uno R3, truyền đi nhờ modun SIM900 bằng mạng GSM/GPRS, sau đó hiển thị các thông số đo đƣợc lên Webserver hoặc lên máy tính đặt tại các trạm cảnh báo.
Bên cạnh đó, do lƣợng mƣa ở các vùng khác nhau là không đồng đều nên cần triển khai rất nhiều các hệ đo mƣa ở những vị trí khác nhau. Hơn nữa, với mong muốn giảm bớt chi phí cho việc chế tạo một hệ đo mƣa, đề tài còn xây dựng thêm một hệ đo mƣa giá rẻ những cũng rất tiện lợi và dễ chế tạo, dễ sử dụng. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Đề tài này chủ yếu tập trung nghiên cứu hệ đo mƣa, đo các thông số nhƣ lƣợng mƣa, rồi gửi qua mạng không dây [11] về các trạm trung tâm. Việc sử dụng các thông số này nhƣ thế nào, giá trị đến bao nhiêu để đƣa ra tín hiệu cảnh báo phục thuộc vào tính chất đất tại từng vùng miền và do ngành địa chất quyết định.
Nhiêm vụ chính trong luận văn này là đo lƣợng mƣa thật chính xác và truyền thông thật nhanh, chuẩn, truyền đƣợc trong khoảng cách lớn. Đề tài nghiên cứu từ lý thuyết về hiện tƣợng trƣợt lở, lý thuyết về lƣơng mƣa và đo mƣa, lý thuyết về mạch ArduinoUno R3 lý thuyết về truyền thông không dây bằng Modun SIM900 và mạng truyền thông di động GSM/GPRS. Sau đó xây dựng một hệ thống từ đo đạc đến truyền thông và hiển thị dữ liệu. Trƣớc khi thiết kế, chúng ta sẽ đƣa ra một sơ đồ khối chức năng cho toàn hệ thống nhƣ sau: 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Đề tài xây dựng hệ đo lƣợng mƣa sử dụng cảm biến WS-3000, ngoài đo lƣợng mƣa cảm biến còn cho biết thêm thông số về tốc độ gió và hƣớng gió.
Mạch đo Arduino Uno R3 đƣợc sử dụng để đọc và xử lý tín hiệu từ đầu ra cảm biến. Nếu cảm biến đặt gần trạm trung tâm ta có thể hiển thị luôn đƣợc thông số đầu ra lên máy tính, còn đối với cảm biến đặt xa trung tâm ta sẽ truyền thông bằng modun SIM900. Để giảm chi phí và có thể triển khai hệ thống tại nhiều khu vực khác nhau, đề tài xây dựng thêm một hệ thống đo mƣa giá rẻ vừa tiện lợi, dễ sử dụng mà độ chính xác cũng không giảm đi nhiều so với cảm biến chuẩn. KẾT CẤU LUẬN VĂN Nội dụng luận văn gồm ba chƣơng: Chƣơng 1: Tổng quan về trƣợt đất, các hệ đo mƣa và hệ thống cảnh báo trƣợt đất Chƣơng 2: Hệ đo WS 3000 – mạch Arduino Uno R3–Modun GSM/GPRS – hiển thị lên máy tính hoặc Web Server.
Chƣơng 3: Xây dựng hệ đo mƣa giá rẻ. Chƣơng 4: Ứng dụng hệ đo mƣa vào hệ thống cảnh báo trƣợt đất. 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ TRƢỢT ĐẤT, CÁC HỆ ĐO MƢA VÀ HỆ THỐNG CẢNH BÁO TRƢỢT ĐẤT 1. Tổng quan về trƣợt đất.
Trƣợt lở đất đá là một dạng của tai biến địa chất, thực chất đó là quá trình dịch chuyển trọng lực các khối đất đá cấu tạo sƣờn dốc từ trên xuống phía dƣới chân sƣờn dốc do tác động của các nguyên nhân (trọng lƣợng bản thân khối đất đá trƣợt, tải trọng ngoài, áp lực thủy tĩnh, áp lực thuỷ động, lực địa chấn và một số lực khác) làm mất trạng thái cân bằng ứng suất trọng lực và biến đổi tính chất cơ lý của đất đá đến mức làm mất ổn định sƣờn dốc [2]. Lịch sử loài ngƣời đã chứng kiến và phải chịu nhiều tổn thất về của cải, cơ sở hạ tầng, nhân mạng do trƣợt lở đất đá trên sƣờn dốc với những khối trƣợt khổng lồ. Trên thế giới có nhiều quốc gia hay xuất hiện sạt lở đất nhƣ Ấn Độ, Philipin, Indonesia, Nhật Bản, Việt Nam… Năm 2005, ở Ấn Độ có vụ sạt lở đất kinh hoàng khiến 10 ngƣời thiệt mạng. Ở Việt Nam trƣợt đất cũng diễn ra khá nhiều ở các vùng miền núi phía Bắc nhƣ Lai Châu, Hà Giang, Sơn La, hoặc ở một số tỉnh Trung bộ nhƣ Hà Tĩnh, Đà Nẵng.
Trên thực tế, hàng năm ở nƣớc ta có rất nhiều những cơn bão lớn đổ bộ vào đất liền, sự thiệt hại về ngƣời và của do bão thì lại rất hạn chế, nhƣng cơn bão qua đi, nguyên nhân của nó để lại, gây ra lũ quét và sạt lở đất thì thiệt hại rất nhiều. Trong tháng 8 năm nay, tại Lai Châu có vụ sạt lở đất cực kỳ nghiêm trọng, đã có 6 ngƣời bị thiệt mạng, nhà cửa, làng mạc, bị vùi lấp, có tới hàng nghìn m3 đất đã sạt lở và rơi xuống lòng đƣờng làm tắc nghẽn giao thông, chia cắt giữa các khu vực trong địa bàn. Tại Đà Nẵng, khu vực đèo Hải Vân gần Ga Hải Vân cũng xuất hiện rất nhiều điểm sạt lở, một khối lƣợng lớn đất đá sạt lở nằm ngổn ngang trên đƣờng gây cản trở giao thông và hiện tƣợng này đang đe dọa trực tiếp tới đời sống nhân dân quanh khu vực. Mới đây nhất tại Nhật Bản cũng xảy ra một vụ sạt lở đất tại thành phố Hiroshima chôn vùi hàng trăm căn hộ, ƣớc tính có ít nhất 32 ngƣời thiệt mạng trong vụ thảm họa này.
12 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Hiện trƣờng vụ sạt lở đất tại quốc lộ 4D Lào Cai - SaPa Có nhiều nguyên nhân gây trƣợt lở đất nhƣ cấu trúc địa chất [8], đặc điểm địa hình của sƣờn dốc, quá trình phong hoá, tác động của nƣớc mƣa đặc biệt là lƣợng mƣa lớn và kéo dài, các hoạt động kinh tế, xây dựng của con ngƣời mà chủ yếu là cắt xén sƣờn dốc để làm đƣờng, nổ mìn, san gạt để xây dựng với sự suy giảm của lớp phủ thực vật,. Hình dƣới đây trình bày mặt cắt ngang của một mái đất đồng nhất đơn giản. Mặt cắt ngang một mái dốc Tất cả các mái dốc đều có xu hƣớng giảm độ dốc đến một dạng ổn định hơn, cuối cùng chuyển sang nằm ngang và trong bối cảnh này, mất ổn định đƣợc 13 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com quan niệm là khi có xu hƣớng di chuyển và phá hoại.
Các lực gây mất ổn định liên quan chủ yếu đến trọng lực và lực thấm trong khi sức chống phá hoại cơ bản là do hình dạng mái dốc kết hợp với độ bền kháng cắt của đất và đá tạo nên. Do có nguyên nhân nhƣ phân tích ở trên, hiện tƣợng trƣợt đất luôn diễn ra hàng ngày hàng giờ gây nguy hại, ảnh hƣởng tới con ngƣời và đời sống sản xuất. Các hệ thống đo mƣa hiện nay. Nƣớc mƣa có tác động rất lớn đến việc trƣợt lở đất đá [3].
Lƣợng mƣa lớn là nguyên nhân làm tăng lƣợng nƣớc tích tụ trong lòng đất, dẫn đến áp lực nƣớc lỗ rỗng trong lòng đất tăng theo, ảnh hƣởng lớn đến tính chất của đất, làm đất ẩm hơn, mềm hơn, trọng lƣợng lớn hơn và dễ gây sạt lở. Do đó lƣợng mƣa là một thông số không thể thiếu cho đầu vào của hệ thống cảnh báo trƣợt đất [6]. Để đáp ứng nhu cầu đo đạc lƣợng mƣa, trên thị trƣờng hiện nay có rất nhiều các thiết bị đo mƣa đƣợc sử dụng phổ biến. Vũ kế Thiết bị đo mƣa này còn đƣợc gọi là Vũ lƣợng kế.
Nó gồm 1 thùng hình trụ chứa nƣớc mƣa hứng đƣợc ngoài trời quang. Trong thùng có 1 phễu làm chỗ cho nƣớc mƣa chảy xuống thùng chứa, đồng thời ngăn bớt việc bốc hơi nƣớc. Hình ảnh vũ kế 14 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Sau mỗi trận mƣa, cứ đổ nƣớc vào bình có vạch chia độ để đo thể tích, lấy thể tích này chia cho diện tích miệng thùng chứa hình trụ ta sẽ ra đƣợc thông số lƣợng mƣa theo đơn vị mm.