TAÏ P CHÍ PHAÙ T TRIEÅ N KH&CN ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP NỘI SUY KRIGING KHẢO SÁT SỰ PHÂN BỐ TẦNG ĐẤT YẾU TUỔI HOLOCENE Ở KHU VỰC NỘI THÀNH THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

- TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 10, SỐ 02 - 2007 ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP NỘI SUY KRIGING KHẢO SÁT SỰ PHÂN BỐ TẦNG ĐẤT YẾU TUỔI HOLOCENE Ở KHU VỰC NỘI THÀNH THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Phan Thị San Hà(1), Lê Minh Sơn(2) (1) Trường Đại học Bách khoa, ĐHQG-HCM (2) Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM (Bài nhận ngày 10 tháng 04 năm 2006) TĨM TẮT: Tầng đất yếu tuổi Holocene ở thành phố Hồ Chí Minh là một đối tượng địa chất luơn nhận được sự quan tâm đặc biệt của các nhà địa chất.
- Việc nhận biết quy luật phân bố theo diện và theo chiều sâu của đối tượng này sẽ giúp ích cho các nhà quản lý, quy hoạch đơ thị, các nhà đầu tư.
- Ngồi việc dựa vào kinh nghiệm của các chuyên gia thì việc dùng các mơ hình tốn (cụ thể là phương pháp nội suy Kriging) để xác định quy luật phân bố trong khơng gian của đối tượng địa chất đang được phát triển mạnh mẽ trên thế giới.
- Tuy nhiên, cho đến nay, các phương pháp này vẫn chưa được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực địa chất cơng trình ở Việt Nam.
- Nhằm giới thiệu khả năng ứng dụng của phương pháp nội suy Kriging, bài báo trình bày kết quả nhận được khi sử dụng phương pháp này để khảo sát quy luật phân bố của tầng đất yếu tuổi Holocene ở khu vực nội thành thành phố Hồ Chí Minh.
- Bên cạnh đĩ, kết quả nội suy cũng được so sánh với các kết quả đã cĩ trước đây và các kết quả khảo sát trực tiếp tại hiện trường, qua đĩ đánh giá độ tin cậy của kết quả nội suy.
- 1.MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Trong quá trình khảo sát địa chất cơng trình, đặc điểm phân bố của tầng đất yếu (thể hiện qua hai thơng số: độ sâu xuất hiện và chiều dày) là vấn đề luơn được các nhà địa chất quan tâm.
- Để khảo sát sự phân bố của các lớp đất, các nhà địa chất cần cĩ dữ liệu ở dạng bề mặt liên tục, trong khi đĩ, dữ liệu khảo sát địa chất cơng trình (ĐCCT) lại là dạng dữ liệu phân bố rời rạc trong khơng gian (theo diện và theo chiều sâu).
- Việc chuyển đổi từ dạng dữ liệu rời rạc sang dạng dữ liệu liên tục thường được thực hiện theo hai khuynh hướng: a) dựa vào kinh nghiệm, kiến thức của các chuyên gia.
- hoặc b) dựa vào các mơ hình tốn của các phương pháp nội suy.
- Khuynh hướng a) chỉ thích hợp khi số lượng dữ liệu cịn ít, được phân bố đều trong khơng gian.
- Trong khi đĩ, khuynh hướng b) mà đặc biệt là phương pháp nội suy Kriging, chỉ dựa vào mối quan hệ giữa sự biến động của dữ liệu và vị trí của chúng trong khơng gian để xây dựng các bề mặt phân bố của dữ liệu.
- Do vậy, kết quả nhận được từ phương pháp nội suy Kriging giảm bớt ý kiến chủ quan của các chuyên gia, đồng thời tăng tính khách quan của kết quả nội suy.
- Đề tài nghiên cứu: “Ứng dụng phương pháp nội suy Kriging khảo sát sự phân bố của tầng đất yếu tuổi Holocene, khu vực nội thành thành phố Hồ Chí Minh” được thực hiện nhằm đánh giá khả năng ứng dụng phương pháp nội suy Kriging trong cơng tác khảo sát ĐCCT nĩi chung và trong việc khảo sát sự phân bố tầng đất yếu tuổi Holocene ở thành phố Hồ Chí Minh (TPHCM) nĩi riêng.
- Trang 43 Science & Technology Development, Vol 10, No PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Phương pháp nội suy Kriging khảo sát mối quan hệ giữa sự biến động của dữ liệu theo vị trí của chúng trong khơng gian, từ đĩ rút ra mơ hình tốn phản ánh mối quan hệ này.
- Nhờ vào mơ hình tốn, các nhà nghiên cứu cĩ thể dự báo được giá trị của dữ liệu nội suy ở những vị trí chưa cĩ số liệu khảo sát thực tế.
- Để cĩ thể sử dụng phương pháp nội suy Kriging, các dữ liệu khảo sát cần phải cĩ tọa độ địa lý tương ứng.
- Cơng tác nghiên cứu sự phân bố của tầng đất yếu ở khu vực nội thành TPHCM được tiến hành qua các bước sau.
- Thu thập tọa độ các hố khoan.
- Xác định độ sâu xuất hiện, chiều dày của tầng đất yếu.
- Tiến hành nội suy bằng phương pháp Kriging.
- Đánh giá độ tin cậy của kết quả nội suy.
- Quy trình thực hiện nĩi trên được minh họa bằng lưu đồ sau: DỮ LIỆU DỮ LIỆU TỌA ĐỘ THUỘC TÍNH NỘI SUY KRIGING ĐÁNH GIÁ 0.898 Kết quả Hình 1.Lưu đồ phương pháp nội suy Kriging 2.1.Thu thập dữ liệu tọa độ các hố khoan Tổng hợp từ các báo cáo khảo sát, cĩ 247 hố khoan đã thu thập được [2].
- Tọa độ của 247 hố khoan này được xác định bằng dụng cụ GPS cầm tay (Garmin 12XL) với độ chính xác về tọa độ là 5 ~ 15 m.
- Để phục vụ cho cơng tác nội suy trong địa chất cơng trình, độ chính xác 5 m về tọa độ địa lý là chấp nhận được.
- Vị trí của 247 hố khoan khảo sát ĐCCT được thể hiện trên Hình 2.
- Sơ đồ vị trí các điểm dữ liệu Cao độ đáy lớp của tầng đất yếu được xác định thơng qua cao độ mặt đất, độ sâu xuất hiện và chiều dày của tầng đất yếu.
- Cao độ mặt đất tại vị trí hố khoan được rút ra từ mơ hình số độ cao (Digital Elevation Model – viết tắt là DEM).
- Mơ hình DEM được xây dựng bằng phần mềm ILWIS 3.2 dựa trên bản đồ địa hình do Phịng thí nghiệm Viễn thám và GIS thuộc Trung tâm khoa học tự nhiên và cơng nghệ quốc gia cung cấp.
- Hình 3 thể hiện mơ hình DEM của TPHCM.
- Mơ hình DEM của TPHCM 2.2.Xác định độ sâu xuất hiện, chiều dày của tầng đất yếu Độ sâu xuất hiện và chiều dày của tầng đất yếu được rút ra từ các báo cáo khảo sát địa chất do Bộ mơn Địa kỹ thuật, Khoa Địa chất – Dầu khí, Trường Đại học Bách khoa TPHCM thực hiện trong khoảng thời gian từ năm 1996 đến 2004.
- Trang 45 Science & Technology Development, Vol 10, No Phương pháp nội suy Kriging Các bước tiến hành nội suy bằng Kriging như sau.
- Khảo sát các đặc trưng thống kê của tập dữ liệu, đặc biệt chú ý đến tính phân bố chuẩn của dữ liệu.
- Nếu dữ liệu khơng cĩ phân bố chuẩn thì phải chuyển dạng dữ liệu để thỏa mãn yêu cầu này.
- Biểu đồ semi-variogram phản ánh mối quan hệ giữa sự biến thiên của dữ liệu với khoảng cách giữa các điểm này.
- Lựa chọn mơ hình semi-variogram thích hợp với tập dữ liệu.
- Quy luật quan hệ của sự biến động của dữ liệu với khoảng cách giữa chúng được xấp xỉ bằng một trong các hàm số đã được xác định trước (hàm Spherical, Circular, Gaussian, Exponential, Power.
- Tiến hành nội suy theo mơ hình semi-variogram đã chọn.
- 2.4.Đánh giá độ tin cậy của kết quả nội suy Độ tin cậy của kết quả nội suy cần được đánh giá thơng qua các phương pháp.
- So sánh bản đồ nội suy với các bản đồ đã được thành lập trước đĩ.
- So sánh kết quả nội suy với kết quả khảo sát trực tiếp tại hiện trường.
- 3.KẾT QUẢ 3.1.Khảo sát đặc trưng thống kê của tập dữ liệu 247 hố khoan khảo sát được chia thành hai nhĩm: các hố khoan cĩ phát hiện tầng đất yếu (108 hố khoan) và các hố khoan khơng phát hiện được tầng đất yếu (139 hố khoan).
- Tại các hố khoan khơng cĩ phát hiện tầng đất yếu, chiều dày tầng đất yếu được xem như là bằng 0 (zero) khi đưa vào nội suy.
- Tuy nhiên, việc đưa 139 điểm dữ liệu cĩ cùng một giá trị 0 vào trong quá trình nội suy sẽ làm cho dữ liệu khơng thỏa mãn yêu cầu dữ liệu cần cĩ phân bố chuẩn.
- Đặc trưng thống kê của dữ liệu bao gồm tất cả các hố khoan SE Skewne No.
- Mean ess s Histogram of Chiều dày bùn 6 m Normal Normal - 95% CI 14 Mean Mean 17.71 StDev 6.698 StDev 6.698 N 71 99 12 N 71 AD 1.156 95 P-Value 1.5 Thuộc nhĩm 2 Trang 48 TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 10, SỐ 02 - 2007 Từ biểu đồ semi-variogram (Hình 8a), mơ hình semi-variogram được chọn là hàm Spherical với các thơng số như sau: Nugget = 0.026125.
- a) Biểu đồ semi-variogram.
- b) Kết quả nội suy IK Bản đồ nội suy IK cho biết, một vị trí bất kỳ trong khu vực nghiên cứu sẽ nhận giá trị nội suy từ kết quả nội suy của nhĩm 1 hay của nhĩm 2.
- 3.3.Nội suy Ordinary Kriging (OK) Từ biểu đồ semi-variogram của nhĩm 1 và nhĩm 2 (Hình 9a và 9b), mơ hình semi- variogram được chọn cho hai nhĩm là hàm Circular với các thơng số như sau: nhĩm 1: Nugget = 0.75.
- a) b) Hình 9.Biểu đồ semi-variogram OK của: a) nhĩm 1 và b) nhĩm 2 3.4.Tổng hợp kết quả nội suy của nhĩm 1 và nhĩm 2 Dựa vào mơ hình semi-variogram đã được chọn cho hai nhĩm dữ liệu ở bước 3.3, kết quả nội suy từ hai mơ hình này được tổng hợp lại thành một bản đồ nội suy cho tồn vùng (Hình 10).
- a) Sơ đồ kết quả nội suy và b) Sơ đồ sai số nội suy 4.
- ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ NỘI SUY 4.1.So sánh với sơ đồ đẳng chiều dày tầng đất yếu do Liên đồn ĐCTV-ĐCCT miền Nam thành lập năm 1988 Để thuận tiện cho việc đối chiếu kết quả nội suy, các bản đồ được quy ước gọi tên như sau: Bản đồ 1: Sơ đồ đẳng chiều dày tầng đất yếu do Liên đồn địa chất thủy văn – địa chất cơng trình miền Nam thành lập năm 1988 (Hình 11).
- K h o ân g c o ù Hình 11.Sơ đồ đẳng bề dày tầng đất yếu (do Liên đồn ĐCTV-ĐCCT miền Nam thành lập năm 1988) Trang 50 TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 10, SỐ 02 - 2007 Bản đồ 2: Bản đồ kết quả nội suy OK.
- Một vài nhận xét khi so sánh Bản đồ 1 với Bản đồ 2.
- Khu vực khơng tồn tại lớp bùn của cả hai bản đồ khá phù hợp.
- Cả hai bản đồ đều cho thấy sự phức tạp của diện phân bố các đơn nguyên ĐCCT ở khu vực quận 8 và khu vực quận Bình Thạnh.
- Theo Bản đồ 1, tại khu vực quận Bình Tân (huyện Bình Chánh cũ) khơng tồn tại lớp bùn.
- Trong khi đĩ, trên Bản đồ 2 vẫn xuất hiện một lớp bùn dày 2 ~ 5 m (ở phía Bắc) và 10 ~ 15 m (ở phía Nam.
- Tại quận 9, khu vực dọc sơng Sài Gịn, Bản đồ 1 cho thấy chiều dày lớp bùn từ 10 ~ 15 m, nhưng ở Bản đồ 2, chiều dày lớp bùn chỉ từ 2 ~ 5 m.
- Khu vực này cần được kiểm chứng lại khi cĩ hố khoan thực tế.
- Khu vực bán đảo Thủ Thiêm, cả hai bản đồ đều cho kết quả chiều dày lớp bùn trên 15 m.
- 4.2.So sánh với kết quả thực tế Kết quả nội suy cùng với sai số nội suy được so sánh với kết quả khảo sát trực tiếp (từ cơng tác khoan, thí nghiệm CPT…) để đánh giá độ tin cậy của mơ hình nội suy.
- Bảng 7 so sánh giữa kết quả khảo sát trực tiếp và kết quả nội suy.
- Một số nhận xét được rút ra từ bảng so sánh kết quả nêu trên.
- Cơng trình #1, #2 và #4 cĩ kết quả nội suy khá phù hợp với kết quả khảo sát thực tế.
- Cơng trình #3 nằm ngay trên ranh giới tiếp giáp của ba vùng nội suy m.
- Do vậy, nếu bổ sung điểm này vào mơ hình nội suy thì ranh giới của ba vùng nội suy sẽ được điều chỉnh hợp lý hơn.
- Cơng trình #4 cĩ sự chênh lệch giữa kết quả nội suy và kết quả thực tế là khá lớn (2.5 m).
- Tuy nhiên, độ chênh lệch này vẫn nằm trong phạm vi của sai số nội suy (5.2 m.
- Cơng trình #5 cĩ sự chênh lệch quá lớn giữa kết quả nội suy và kết quả thực tế, trong khi đĩ, sai số nội suy lại thấp, chứng tỏ kết quả nội suy là đáng tin cậy.
- Nghịch lý này cho thấy chiều dày lớp bùn tăng cao ở đây mang tính cục bộ.
- Để xác định chính xác khu vực phân bố của lớp bùn này, cần phải bố trí thêm nhiều hố khoan khảo sát hơn cho khu vực xung quanh cơng trình #5.
- Bảng 7: So sánh kết quả khảo sát trực tiếp với kết quả nội suy TỌA ĐỘ (m) CHIỀU CHIỀU STT CƠNG TRÌNH DÀY DÀY X Y THỰC TẾ NỘI SUY 1 Nhà số 490B Nguyễn Thị Minh Khai Khơng cĩ Khơng cĩ Q.1 2 Khu dân cư cụm III, Cát Lái, Q m 3.2 ± 1.5 m 3 Trung tâm thương mại và dịch vụ vui m m chơi giải trí quận 8, Q.8 Trang 51 Science & Technology Development, Vol 10, No Chung cư Nguyễn Văn Cừ, Bình m m Chánh 5 Chung cư tái định cư phường Linh m 3.7 ± 1.4 m Đơng, Thủ Đức 5.KẾT LUẬN 1) Kết quả nội suy phụ thuộc vào các thơng số như: số lượng dữ liệu.
- chất lượng dữ liệu.
- sự phân bố của dữ liệu trong khu vực nghiên cứu.
- Hiện nay, các hố khoan khảo sát thường tập trung thành từng cụm, phân bố khơng đều trên tồn khu vực, do vậy, kết quả nội suy cịn hạn chế ở những khu vực cĩ ít (hoặc chưa cĩ) hố khoan khảo sát, đặc biệt là ở khu vực ngoại thành.
- 2) Kết quả dự đốn khu vực khơng cĩ bùn cho thấy khu vực này trùng khớp với khu vực bị bĩc mịn của sơ đồ cổ địa lý đã được thành lập trước đây.
- 3) Phương pháp nội suy Ordinary Kriging khơng chỉ cung cấp kết quả nội suy mà cịn kèm theo kết quả sai số nội suy.
- Nhờ đĩ, cĩ thể đánh giá được độ tin cậy của kết quả nội suy.
- Theo lý thuyết, khoảng cách phân bố hố khoan hợp lý là của Range ([4], [6.
- do vậy, khoảng cách phân bố hố khoan hợp lý ở TPHCM sẽ là m) cho khu vực của nhĩm 1 và m) cho khu vực của nhĩm 2.
- Căn cứ vào khoảng cách phân bố hố khoan này, các nhà quy hoạch sẽ xác định được những khu vực cần bố trí thêm hố khoan khảo sát và những khu vực khơng cần phải bố trí thêm hố khoan.
- 5) Mặc dù kết quả nội suy chưa đạt độ chính xác cao nhưng cũng giúp cho các nhà quản lý, các nhà quy hoạch cĩ một cái nhìn tổng quát về sự phân bố của tầng đất yếu trong khu vực nghiên cứu.
- 6) Kết quả nội suy sẽ được cập nhật dễ dàng mỗi khi cĩ thêm số liệu mới.
- Qua đĩ, độ chính xác của kết quả nội suy sẽ được cải thiện theo thời gian.
- 7) Phương pháp nội suy Kriging cĩ thể được áp dụng để dự đốn các thơng số địa kỹ thuật trong khơng gian hai chiều (theo diện hoặc theo độ sâu).
- Để cĩ thể đánh giá quy luật biến đổi của các thơng số trong khơng gian ba chiều (cả theo diện và theo độ sâu), cần phải sử dụng cơng cụ nội suy Kriging 3D trong các phần mềm chuyên dụng.
- Bộ mơn Địa kỹ thuật, Khoa Địa chất – Dầu khí, Đại học Bách khoa TPHCM, Tài liệu khảo sát địa chất cơng trình (từ năm .
- Bản đồ địa chất cơng trình thành phố Hồ Chí Minh, tỉ lệ