Đánh giá độ nguy hiểm và rủi ro sóng thần

I.3. HỆ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ĐỘ NGUY HIỂM ĐỘNG ĐẤT VÀ SÓNG THẦN Ở VÙNG VEN BIỂN VÀ HẢI

I.3.5. Đánh giá độ nguy hiểm và rủi ro sóng thần

I.3.5.1. Mô hình số trị hình thành và lan truyền sóng thần trên biển I.3.5.1.1. Mô hình số trị tạo thành sóng thần

Dựa trên các nghiên cứu lý thuyết về mô hình nguồn điểm và mô hình nguồn chữ nhật hữu hạn, sau khi đã xử lý một số điều kiện đặc biệt tác giả Okada (1985) đã xây dựng mô hình cặp nguồn cộng ứng động đất. Theo mô hình này thì một trận động đất được đặc trưng bởi các thông số mô tả vị trí và hướng đứt gẫy, cụ thể gồm tọa độ chấn tiêu, chiều dài đới đứt gẫy L, chiều rộng đới đứt gẫy W, độ sâu chấn tiêu động đất h, góc cắm δ , góc trượt λ, góc phương vị θ và độ dài trượt trung bình u0. Cường độ moment của động đất dùng trong mô hình nguồn được xác định (Titov và nnk, 1999):

0 W

0 u L

M =μ (I.52)

Với μ là độ cứng của vỏ Trái đất, có giá trị nằm trong khoảng từ 1 tới 6x1010 N/m2, phụ thuộc vào cấu trúc địa chất tại vị trí xảy ra động đất.

Có thể tính được độ sâu chấn tiêu, góc cắm, góc trượt và góc phương vị đứt gãy bằng cách phân tích moment tensor các sóng địa chấn để tính toán giá trị cường độ moment của nguồn động đất.

I.3.5.1.2. Mô hình lan truyền sóng thần

Mô hình lan truyền sóng thần (ST) dùng trong nghiên cứu này là mô hình do Titov và Gozales (1997) phát triển và được trình bày như sau:

Trên thực tế sóng thần là loại sóng khá dài với chu kỳ từ hàng chục phút tới vài giờ.

Theo tỉ lệ của độ dài sóng thần và độ sâu của biển ven cũng như đại dương thì có thể coi sóng thần là các sóng dài (gần đúng có thể ước lượng theo lý thuyết sóng Airy) (Yamazaki và nnk, 2006). Do đó hệ phương trình nước nông kinh điển đủ để mô phỏng sự lan truyền cũng như biến dạng của sóng thần do tác động của độ sâu. Hệ phương trình nước nông phi tuyến viết trên hệ toạ độ kinh vĩ dưới đây được sử dụng làm hệ phương trình xuất phát của mô hình:

Phương trình bảo toàn khối lượng:

( ) ( cos ) 0

cos

1 ⎥=

⎦

⎢ ⎤

⎣

⎡

∂ +∂

∂ + ∂

∂

∂

φ φ λ

φ

η ud vd

R

t (I.53)

Phương trình bảo toàn động lượng:

λ λ

φ λ

φ φ

λ

φ fv M

d R

g h

R g u

R v u R

u t

u + +

∂

= ∂

∂ + ∂

∂ + ∂

∂ + ∂

∂

∂

cos cos

cos (I.54)

φ φ

φ φ

λ

φ fu M

d R g h R g v R v v R

u t

v − +

∂

= ∂

∂ + ∂

∂ + ∂

∂ + ∂

∂

∂

cos (I.55)

Trong đó: λlà kinh độ; φ là vĩ độ; d(λ,φ,t) (=η λ,φ,t) ( )+h λ,φ là độ sâu tổng cộng;

(λ,φ,t)

η là dao động mực nước khỏi mặt nước tĩnh; h( )λ,φ là độ sâu nước khi yên tĩnh; u(λ,φ,t) và v(λ,φ,t) là các thành phần vận tốc dòng trung bình theo kinh hướng và vĩ hướng; g là gia tốc trọng trường; tham số Coriolis f =2ωsinφ và R là bán kính Trái đất. Các số hạng Mλ và Mφ là các thành phần ma sát đáy theo các phương kinh và vĩ tuyến.

Điều kiện ban đầu: nguồn xung dâng mực nước do động đất được xác định theo mô hình của Okada (1985), trong đó sự nâng hạ đột ngột của đáy biển do động đất gây ra được sử dụng để xác định dịch chuyển ban đầu của mặt nước.

Điều kiện biên: do vùng mô phỏng lan truyền sóng thần là vùng biển hữu hạn nên tồn tại các biên lỏng tưởng tượng nối giữa vùng nghiên cứu với vùng nước phía ngoài. Ở đây điều kiện phát xạ tự do của sóng dài được sử dụng:

=0

∂ + ∂

∂

∂

gh n t

η

η (I.56) Với n là gia số theo hướng vuông góc với biên lỏng.

Sơ đồ số sử dụng để giải hệ phương trình (I.53), (I.54) với các điều kiện biên (I.55) và điều kiện ban đầu là sai phân hiện theo thời gian và phương pháp thể tích hữu hạn được sử dụng kết hợp với sai phân đón gió và sai phân không gian.

Mô hình đã được kiểm nghiệm trong Dự án “Xây dựng bản đồ cảnh báo nguy cơ sóng thần” do Vũ Thanh Ca chủ trì (2008).

I.3.5.2. Tính toán và xây dựng bản đồ nguy hiểm sóng thần

Nhật Bản là một trong những quốc gia đi đầu trong lĩnh vực này. Từ năm 1951, Takahashi [166] lần đầu tiên đã đưa ra bản đồ nguy hiểm sóng thần (NHST) vùng bờ biển Thái Bình Dương của Nhật Bản. Bản đồ thành lập dựa trên độ cao sóng tổng cộng trên một diện tích xung quanh một vị trí quan sát trên bờ biển trong khoảng thời gian một năm. Wesnousky năm 1984 [176] đã tính được bản đồ xác suất độ NHST, tuy nhiên ông chưa tính đến ảnh hưởng của các nguồn xa.

Một cách khác đơn giản hiện đang được nhiều nước áp dụng là phương pháp Aida (1988). Ông tính độ NHST cho bờ biển Nhật Bản do 8 nguồn động đất gây ra và độ cao sóng của mỗi nguồn được xác định:

 Chương I. Đặc điểm tự nhiên, kinh tế xã hội, lịch sử n/c và hệ phương pháp n/c ... 51

ax( , ) 1, 2,...8

m zone

h r r zone=

Đối với mỗi nguồn, xác suất để từ đó biên độ sóng thần lớn hơn giá trị cho trước h0

trong khoảng thời gian T năm được tính bởi:

ax 0

0

ax 0

( , ), ( ) ( , , ,

0,

zone m

zone

m

p r T h r h

p r r h T

h h

⎧ ≥

= ⎨⎩ p (I.57) Với n nguồn, xác suất để từ đó biên độ ST lớn hơn giá trị cho trước h0 trong khoảng thời gian T năm được tính bởi:

0 0

1

( , , ) 1 n [1 ( , zone, , )]

zone

p r h T p r r h T

=

= − ∏ − (I.58)

Hình I-8. Phân bố độ cao sóng tại bờ biển do động đất M= 8.1 gây ra

Một trong 8 vùng nguồn ông tính cho vùng bờ biển Shikoku Nhật Bản là trận động đất giả thiết có magnitude 8.1 xảy ra trên đứt gãy có chiều dài 130 km, rộng 60 km và góc dốc 34o. Độ cao sóng tới 5m hoặc lớn hơn quan sát thấy ở nhiều vị trí (Hình I-8).

Bản đồ độ NHST trong thời gian 2000- 2010 được tính dựa trên xác xuất xảy ra trận động đất gây ST, M = 8.1, trong khoảng thời gian đó là 0.41. Xác xuất để sóng cập bờ có các độ cao bằng hoặc lớn hơn 0.5, 1, 2, 5, 7, 10 m là 0.41, 0.41, 0.41, 0.41, 0 và 0.

Giả sử một trận động đất khác, từ một đứt gãy khác, cũng cho giá trị xác suất với các mức độ cao sóng như trên là 0.22, 0.22, 0, 0, 0, và 0. làm như vậy cho 8 trận động đất khác nhau ông đã xây dựng bản đồ độ NHST cho vùng bờ biển Shikuko. Tuy nhiên chu kỳ lặp lại động đất dùng như trong đánh giá độ nguy hiểm động đất (NHDD) chưa được tính đến.

Năm 2006, Eric Gelst [113] đã đưa ra phương pháp tính độ NHST như Aida (1988) và có tính thêm phần tần suất lặp lại đối với các trận động đất gây sóng thần dựa trên quan hệ Gutenber – Richte. Phương pháp mới này được áp dụng rộng rãi khi tính bản đồ NHST ứng với các chu kỳ quan sát khác nhau.

I.3.5.3. Cơ sở lý thuyết tính độ rủi ro sóng thần

Thường người ta dựa vào những số liệu thiệt hại quan sát được của những trận sóng thần đã xảy ra để tính dự báo cho những trận động đất kịch bản. Trong báo cáo này chúng tôi xin trình bày lý thuyết đánh giá rủi ro sóng thần được xây dựng bởi các nhà khoa học Niu Zilân [85], [95], [96], [98], [99], [158].

I.3.5.3.1. Đánh giá thiệt hại về các công trình xây dựng

I.3.5.3.1.1. Số liệu hư hại công trình xây dựng thu thập ngoài thực địa

Số liệu thực tế về hư hại nhà, công trình xây dựng do động đất sóng thần gây nên là rất ít. Sau trận sóng thần xảy ra cách 240 km tới đảo Java, Indonessia, magnitude mô ment Mw 7.7, nhóm các nhà khoa học Viện Địa chất và Hạt nhân và NIWA, Niu Zilân cùng với các nhà khoa học Indonessia đã đến khu vực này để khảo sát và thu thập số liệu. Phần lớn các công trình xây dựng trong khu vực Pangandaran của Java có thể phân làm 4 loại: nhà gỗ, nhà gạch truyền thống, nhà gạch truyền thống có gia cố cột bê tông và nhà khung bê tông có tường trát. Mức độ thiệt hại của từng loại nhà phụ thuộc vào độ cao của cột nước quan sát được như sau:

• Kiểu 1

Nhà gỗ: cột gỗ và rầm gỗ có kích thước 100 mm x 100 mm với khoảng cách 3 m, cột gắn với sàn xi măng, tường là vật liệu nhẹ, một tầng; Với cả nhà ở và cửa hàng đều quan sát được mức độ hư hỏng như sau:

- < 1m nước (tính từ sàn nhà lên): hư hỏng nhẹ, vừa phải

- 1.5 đến 2m nước: 70% bị phá hủy, 30% hư hỏng vừa phải (có thể sửa chữa) - >2m nước: bị phá hủy hoàn toàn.

• Kiểu 2

Nhà gạch kiểu truyền thống: Nhà tường gạch không chắc chắn, thường yếu, tường gạch mỏng, sàn xi măng, một tầng, nhà và cửa hàng mức độ hư hại như sau:

- < 1m mước (tính từ sàn nhà lên): hư hỏng nhẹ, vừa phải

- 1.5 đến 2m nước: 70% bị phá hủy, 30% hư hỏng vừa phải (có thể sửa chữa)

- > 2m nước: phần lớn bị phá hủy hoàn toàn, một vài phần ngôi nhà còn sót lại nhưng không có khả năng sửa chữa.

• Kiểu 3

Nhà gạch kiểu truyền thống có gia cố cột bê tông: Cột chịu lực thô sơ, tường gạch một mỏng, thường được trát cả 2 mặt trong và ngoài nhà, sàn xi măng, một hoặc 2 tầng, loại nhà ở hoặc cửa hàng. Kích thước cột từ 100 mm x 100 mm với 4 thanh kim loại đường kính 3 mm tới 200 mm x 200 mm với 4 thanh xà đường kính 8 mm. Mức độ thiệt hại quan sát được như sau:

 Chương I. Đặc điểm tự nhiên, kinh tế xã hội, lịch sử n/c và hệ phương pháp n/c ... 53

- < 1m nước (tính từ sàn nhà lên): hư hỏng nhẹ

- 1.5 đến 2m nước: hư hỏng vừa phải (có thể sửa chữa)

- 3 - 4m nước: một vài hư hại nặng (khách sạn thủng 1 hoặc 2 bức tường) nhưng có thể sửa chữa.

• Kiểu 4

Nhà khung bê tông tường gạch: Xây dựng có thiết kế chắc chắn như nhà ở, khách sạn, cửa hàng thường 2 hoặc nhiều hơn hai tầng, tường gạch, thường được trát cả 2 mặt, cột bằng bê tông ít nhất có kích cỡ 200 mm x 200 mm, và ít nhất có thanh sắt đường kính 12 mm, sàn bê tông. Mức độ thiệt hại:

- < 1m nước không có hoặc hư hại rất nhẹ ở tầng 1

- 1.5 - 2m nước: hư hỏng nhẹ cho tới vừa phải ở tầng 1 (có thể sửa chữa)

- 3m - 4m nước: một vài hư hại nặng tại tầng 1 (khách sạn thủng 1 bức tường hoặc nhiều hơn) nhưng công trình vẫn đứng thẳng, có thể sửa chữa.

- Cao hơn các tầng nhưng không tới được chỗ ẩn náu của dân và - Khả năng thiệt hại cao nhất là rất thấp (5 – 10%).

I.3.5.3.1.2. Công thức đánh giá mức độ thiệt hại đối với công trình xây dựng Mức độ thiệt hại của các công trình xây dựng cấp thấp được đánh giá theo công thức [85]:

Dr = A * 10 exp (B/(MMI-C)) for MMI ≥ 7.0 (I.59) Dr = 10 exp (D* MMI + E) for MMI < 7.0 (I.60)

Hình I-9. Phân bố đánh giá tỷ lệ hư hại của công trình so với độ cao nước ngập. Ký hiệu ô vuông to là đối với nhà khung gỗ hoặc nhà gạch truyền thống. Hình tròn đặc, nhỏ hơn là cho nhà gạch có cột bê tông (1 tầng); Hình thoi, không phủ là cho nhà gạch

khung bê tông

Trong đó Dr là giá trị trung bình của phân bố, MMI là cường độ rung động, A, B, C và E là các hằng số. Trong thực tế Dr là hàm tổn thương hay phân bố thiệt hại được tính theo công thức:

s x

D r T

= T (I.61) Trong đó Ts là giá thành sửa chữa lại các hư hỏng và Tx là giá thành xây dựng lại công trình. Như vậy, mức độ thiệt hại được tính bằng tỷ số của giá thành sửa chữa chia cho giá thành xây dựng lại. Một cách tương đối có thể xem giá thành của toàn bộ công trình xây dựng được coi như tổng giá trị của 4 phần chính sau: móng và sàn công trình chiếm 15% (tổng giá công trình), tường chiếm 50%, mái và trần nhà là 15%, còn lại là vật liệu trang trí và dịch vụ khác là 20%. Vấn đề chịu lực rõ ràng là rất quan trọng. Có thể thấy rõ điều này ở nhà gạch kiểu truyền thống về cơ bản là bị tàn phá ở mực nước 2m nhưng khi có gia cố thêm cột bê tông thì hư hại giảm hẳn chỉ còn vào khoảng 1/3 (Hình I-9). Nhà nhiều tầng vẫn đứng vững và hư hại rất ít khi bị ngập nước.

I.3.5.3.2. Đánh giá thiệt hại về dân cư

Hình I-10. Độ cao địa hình của làng Pangandaran và độ cao ngập nước do sóng thần (so với mực nước biển) phụ thuộc vào khoảng cách tới bờ biển

 Chương I. Đặc điểm tự nhiên, kinh tế xã hội, lịch sử n/c và hệ phương pháp n/c ... 55

Số liệu về người bị thương, chết và mất tích trong trận sóng thần này được thu thập ở quận Ciamis. Bảng I-3 và Hình I-10 mô tả tương quan độ cao sóng thần tại các làng ở quận Ciamis và tổng số người bị thương, bị chết. Trong bảng là số người bị chết, bị thương và mất tích trong trận động đất sóng thần được thu thập 17 ngày sau khi xảy ra sóng thần. Tuy nhiên để xác định một cách chính xác tỷ lệ người chết và bị thương là rất khó bởi vì:

- Không xác định được những người này đứng ở vị trí nào khi sóng thần ập đến.

- Vị trí của phần lớn các ngôi nhà là không giống nhau.

- Độ cao sóng thần thay đổi rất nhanh từ vị trí này sang vị trí khác ở gần nhau.

Điều này có thể nhìn thấy rõ ở Hình I-10 mô tả liên quan giữa độ cao sóng thần và cao độ của một số điểm khảo sát so với mặt nước biển.

Để đơn giản giả sử rằng những người bị chết và bị thương đứng ở gần vị trí có công trình xây dựng bị phá hủy nặng. Dễ dàng thấy các làng đã được khảo sát nằm song song với đường bờ biển. Dựa vào giả thiết này và thời gian xảy ra sóng thần 4pm. Đưa đến một số giả định khác vào thời điểm 4 giờ chiều:

- Gia đình: một phụ nữ nấu cơm chiều, một trẻ em ở trong nhà.

- Cơ quan, nhà thờ: phần lớn cán bộ còn làm.

- Trường học: còn giáo viên, nhân viên.

- Khách sạn: nhân viên phần lớn đang ở dưới tầng 1.

- Nhà hàng: nhiều người đang uống bia, giải khát vì thời điểm đó đang là ngày nghỉ.

Như vậy có thể giả sử là cứ 3 người ở trong nhà thì có 1 người ngoài đường. Từ những giả thiết trên và số dân cư trong từng làng cùng những số liệu đã thu thập được, các nhà khoa học đã tính tỷ lệ chết và bị thương của dân cư phụ thuộc vào độ cao sóng thần (Bảng I-3).

Bảng I-3. Đánh giá tỷ lệ tổn thất dựa trên giả thiết những người bị nạn đứng gần các công trình bị hư hại nặng

TT Làng Dân số

Chết và

mất tích Bị

thương Tỷ lệ người

chết Tỷ lệ người bị

thương Độ cao nước

(m) 1 Ds.

Pangandaran

792 41 5 0.05 0.006 2.75

2 Ds. Pananjung 709 32 19 0.05 0.03 4.0 3 Ds. Wonoharjo 668 74 34 0.11 0.05 3.5 4 Ds. Cikembulan 322 52 5 0.16 0.02 3.5

5 Ds. Ciliang 312 18 106 0.06 0.34 2.3

6 CIAMIS

DISTRICT 4586 428 332 0.09 0.07 2.3

Từ số liệu thực tế này các nhà khoa học dựng biểu đồ biểu diễn tỷ lệ tổn thất về người phụ thuộc vào độ sâu nước ngập. Biểu đồ này cũng là cơ sở để đánh giá rủi ro cho các trận sóng thần kịch bản (Hình I-11).

Hình I-11. Đánh giá rủi ro về người theo tỷ lệ tổn thương dân số và độ sâu nước ngập

57

Chương II