Đang tải... (xem toàn văn)
Để khắc phục hạn chế trong phương pháp phân tích tần suất mưa truyền thống các nghiên cứu trên thế giới đã áp dụng phương pháp phân tích tần suất mưa vùng để làm lớn kích thước mẫu số liệu đo của các trạm trong vùng đồng nhất và giảm sự không chắc chắn trong ước tính giá trị mưa cực hạn Ở Việt Nam phương pháp này chưa áp dụng rộng rãi hiện chỉ có hai nghiên cứu bước đầu áp dụng cho các vùng như tỉnh Quảng Nam và tỉnh Gia Lai Việc áp dung phương pháp phân tích mưa vùng và xây dựng Atlat mưa cực hạn cho toàn tỉnh là rất cần thiết trong công tác phòng chống lũ lụt trong thời gian đến Do đó tác giả đề xuất đề tài Xây dựng Atlat mưa cực hạn cho tỉnh Quảng Ngãi dựa trên phân tích tần suất mưa vùng và suy luận Bayesian Đề tài tiếp cận theo một phương pháp mới trong phân tích tần suất mưa nhằm cải thiện những hạn chế của phương pháp truyền thống để từ đó ước tính được các giá trị mưa ứng với các tần suất cực hạn với độ tin cậy cao Kết quả thực hiện làm tài liệu tham khảo và kiểm chứng cho các đơn vị quản lý nhà nước thiết kế công trình dự báo khí tượng thủy văn và vận hành các hồ đập trên địa bàn tỉnh Quảng Ngãi
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - HỌ VÀ TÊN TÁC GIẢ LUẬN VĂN: VÕ ĐOÀN TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN: XÂY DỰNG ATLAT MƯA CỰC HẠN CHO TỈNH QUẢNG NGÃI DỰA TRÊN PHÂN TÍCH TẦN SUẤT MƯA VÙNG VÀ SUY LUẬN BAYESIAN Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình thủy Mã số: LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Nguyễn Chí Cơng Đà Nẵng – Năm 2017 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu sử dụng luận văn trung thực kết tính tốn luận văn chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận văn Võ Đoàn MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1.Các nghiên cứu nước 1.1.1 Các nghiên cứu nước 1.1.2 Các nghiên cứu nước 1.2 Điều kiện tự nhiên tỉnh Quảng Ngãi 1.2.1 Vị trí địa lý 1.2.2 Đặc điểm địa hình 1.3 Đặc điểm khí hậu địa bàn tỉnh Quảng Ngãi 1.3.1 Phân vùng khí hậu tỉnh Quảng Ngãi 1.3.2 Đặc điểm mưa 1.4.Hiện trạng trạm khí tượng thủy văn tỉnh Quảng Ngãi 13 1.4.1 Mạng lưới trạm quan trắc mưa tỉnh Quảng Ngãi .13 1.4.2 Đánh giá chất lượng liệu mưa 14 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH TẦN SUẤT MƯA VÙNG 15 2.1 Sàng lọc số liệu 15 2.1.1 Mục đích 15 2.1.2 Phương pháp – Chỉ số đánh giá tính khơng phù hợp (Di) 16 2.2 Định dạng vùng đồng 16 2.2.1 Định nghĩa vùng đồng 16 2.2.2 Xác định vùng đồng 17 2.2.3 Lựa chọn hàm phân phối cho phân tích tần suất mưa vùng 18 2.2.4 Các dạng hàm phân phối phân tích thống kê 18 2.3 Ước lượng giá trị- phân tích tần suất mưa vùng 21 2.3.1 Chỉ số mưa vùng 21 2.3.2 Tổng quan suy luận Bayesian 21 2.3.3 Likelihood mẫu số liệu quan trắc mưa 22 CHƯƠNG 3: ÁP DỤNG PHÂN TÍCH TẦN SUẤT MƯA VÙNG CHO TỈNH QUẢNG NGÃI 23 3.1 Biến đổi mưa 1,3,5,7 ngày lớn tỉnh Quảng Ngãi 23 3.1.1 Lượng mưa ngày max trung bình 23 3.1.2 Lượng mưa ngày lớn tuyệt đối 23 3.1.3 Đặc điểm lượng mưa thời đoạn 1,3,5,7 ngày max 23 3.2 Dữ liệu mưa phục vụ nghiên cứu 24 3.3 Áp dụng phân tích tần suất mưa vùng cho tỉnh Quảng Ngãi 26 3.3.1 Xác định tính khơng phù hợp (Di) cho vùng nghiên cứu 26 3.3.2 Kiểm tra tính đồng lượng mưa cực trị cho vùng nghiên cứu 28 3.3.3 Lựa chọn hàm phân phối xác suất 28 3.3.4 Phân tích tần suất mưa vùng cho mơ hình mưa 33 CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG GIS XÂY DỰNG ATLAT MƯA CỰC HẠN CHO TỈNH QUẢNG NGÃI 38 4.1 Tổng quan phương pháp nội suy số liệu mưa GIS 38 4.2 Mục đích xây dựng Atlat mưa cực hạn 39 4.3 Lựa chọn số liệu sử dụng để thành lập Atlat mưa cực hạn 39 4.4 Ứng dụng GIS xây dựng Atlat mưa cực hạn cho tỉnh Quảng Ngãi 39 4.5 So sánh kết đồ mưa nội suy theo phương pháp địa phương phương pháp phân tích mưa vùng 40 4.6 Ứng dụng đồ lượng mưa đánh giá khả xả lũ cơng trình hồ chứa nước Nước Trong 44 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 46 XÂY DỰNG ATLAT MƯA CỰC HẠN CHO TỈNH QUẢNG NGÃI DỰA TRÊN PHÂN TÍCH TẦN SUẤT MƯA VÙNG VÀ SUY LUẬN BAYESIAN Học viên: Võ Đồn Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình thuỷ Mã số: ……Khóa: K31 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt - Để khắc phục hạn chế phương pháp phân tích tần suất mưa truyền thống, nghiên cứu giới áp dụng phương pháp phân tích tần suất mưa vùng để làm lớn kích thước mẫu số liệu đo trạm vùng đồng giảm không chắn ước tính giá trị mưa cực hạn Ở Việt Nam, phương pháp chưa áp dụng rộng rãi, có hai nghiên cứu bước đầu áp dụng cho vùng tỉnh Quảng Nam tỉnh Gia Lai Việc áp dung phương pháp phân tích mưa vùng xây dựng Atlat mưa cực hạn cho toàn tỉnh cần thiết cơng tác phịng chống lũ lụt thời gian đến Do đó, tác giả đề xuất đề tài: Xây dựng Atlat mưa cực hạn cho tỉnh Quảng Ngãi dựa phân tích tần suất mưa vùng suy luận Bayesian Đề tài tiếp cận theo phương pháp phân tích tần suất mưa, nhằm cải thiện hạn chế phương pháp truyền thống để từ ước tính giá trị mưa ứng với tần suất cực hạn với độ tin cậy cao Kết thực làm tài liệu tham khảo kiểm chứng cho đơn vị quản lý nhà nước, thiết kế cơng trình, dự báo khí tượng thủy văn vận hành hồ đập địa bàn tỉnh Quảng Ngãi BUILD A WINDY MAP FOR THE QUANG NGAI PROVINCE BASED ON FISHERIES FREQUENCY ANALYSIS AND BAYESIAN DISCUSSION Abstract - In order to overcome the limitations of traditional rainfall frequency analysis, international studies have applied the regional rainfall frequency analysis method to scale up the sample size of stations in the homogeneous region and Reduce uncertainty in extreme rainfall estimate In Vietnam, this method has not been widely applied, only two studies initially applied to regions such as Quang Nam province and Gia Lai province Applying the method of regional rainfall analysis and the extreme rainfall in the province is essential for flood prevention in the coming time Therefore, the author proposes the topic: Extreme rainfall mapping for Quang Ngai based on regional rainfall frequency analysis and Bayesian inference The project approached a new method for the analysis of the incidence of precipitation, in order to improve the limitations of traditional methods to estimate the value of precipitation values with extreme frequencies with high reliability Results of implementation as reference and verification documents for state management units, work design, hydro-meteorological forecasting and dam reservoir operation in Quang Ngai province DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT RFA Regional Frequency Analysis GIS Geographic Information System GEV Generalized extreme-value distribution FABMC Frequecy Analysis Bayesian MacKov Chain Monte Carlo KTTV Khí tượng thủy văn ODA Official Development Assistance AusAID Australian Agency for International Development DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu Tên bảng bảng 1.1 Trang Đặc trưng nhiệt độ trung bình năm khu vực nghiên cứu 1.2 Lượng mưa ngày lớn vị trí 10 1.3 Tần suất mưa năm số trạm 11 1.4 Lượng mưa mùa lũ, mùa kiệt tỷ lệ với lượng mưa năm 11 1.5 Thống kê trạm khí tượng, mưa vùng 2.1 13;14 Điều kiện đánh giá tính khơng phù hợp dựa số Di ứng với số lượng N trạm vùng nghiên cứu 16 3.1 Lượng mưa ngày lớn trạm 3.2 Các trạm quan trắc lượng mưa sử dụng tính tốn 24,25 3.3 Kết tính tốn Di cho khu vực nghiên cứu 26,27 3.4 Giá trị số đồng dạng Hi khu vực nghiên cứu 28 3.5 Giá trị tuyệt đối ZDIST 28 Kết ước tính lượng mưa ngày max 3.6 23 tương ứng thời gian lặp lại T=100 1000 năm cho trạm Trà Bồng 30 với ba dạng phân phối GEV, LN3 PE3 Kết ước tính lượng mưa ngày max 3.7 tương ứng thời gian lặp lại T=100 1000 năm cho trạm Trà Bồng 31 với ba dạng phân phối GEV, LN3 PE3 Kết ước tính lượng mưa ngày max 3.8 tương ứng thời gian lặp lại T=100 1000 năm cho trạm Trà Bồng 32 với ba dạng phân phối GEV, LN3 PE3 Giá trị mưa ngày max ứng với tần suất 2%; 3.9 1,5%;1,0%;0,5%; tương ứng với giá trị Maximum 34 Likelihood Giá trị mưa ngày max ứng với tần suất 2%; 3.10 1,5%;1,0%;0,5%; tương ứng với giá trị Maximum Likelihood 35 Giá trị mưa ngày max ứng với tần suất 2%; 3.11 1,5%;1,0%;0,5%; tương ứng với giá trị Maximum 36 Likelihood Giá trị mưa ngày max ứng với tần suất 2%; 3.12 1,5%;1,0%;0,5%; tương ứng với giá trị Maximum Likelihood 37 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Số hiệu hình vẽ 1.1 1.2 3.1 3.2, 3.3, 3.4 3.5, 3.6, 3.7 3.8, 3.9, 3.10 4.1 4.2 4.3 Tên hình vẽ Trang Bản đồ hành tỉnh Quảng Ngãi Bản đồ địa hình khu vực nghiên cứu Bản đồ vị trí trạm quan trắc mưa sử dụng nghiên cứu 26 Kết phân tích tần suất vùng ngày max cho trạm Trà Bồng với ba dạng phân phối GEV, LN3 PE3 Kết phân tích tần suất vùng ngày max cho trạm Ba Tơ với ba dạng phân phối GEV, LN3 PE3 Kết phân tích tần suất vùng ngày max cho trạm Ba Tơ với ba dạng phân phối GEV, LN3 PE3 Bản đồ mưa ngày max, P=1%, theo phương pháp vùng Sử dụng suy luận tần suất dạng phân phối LN3 Bản đồ mưa ngày max, P=1%, theo phương pháp địa phương-sử dụng suy luận Bayesian dạng phân phối LN3 Bản đồ vị trí Hồ Nước Trong 29 30 32 42 43 44 MỞ ĐẦU Sự cần thiết nghiên cứu Dựa số liệu quan sát nhiều nơi giới, mưa cực hạn (extreme rainfall) yếu tố chủ yếu tạo trận lũ có sức tàn phá nghiêm trọng, đặc biệt cơng trình xây dựng như: Hồ chứa, cầu cống thị Mưa cực hạn lượng mưa có giá trị ngang vượt giá trị tính tốn thiết kế cơng trình xây dựng Trên thực tế, kỹ sư dựa vào số liệu quan sát hạn chế trạm đo mưa để từ phân tích tần suất ước tính giá trị mưa thiết kế cho cơng trình Tuy nhiên, thời gian lặp lại giá trị thiết kế công trình thường lớn (T=100, 200 500 năm) nên việc ước tính thường khơng chắn tiềm ẩn khả vượt giá trị thiết kế Điều nguy hiểm đến an toàn cơng trình Bên cạnh đó, tác động biến đổi khí hậu tồn cầu, nghiên cứu cho thấy tương lai lượng mưa số vùng có tính đột biến cao mang tính cực đoan [4] Điều làm gia tăng không chắn giá trị ước tính mưa thiết kế cơng trình Để khắc phục hạn chế này, nghiên cứu giới áp dụng phương pháp phân tích tần suất mưa vùng để làm lớn kích thước mẫu số liệu đo trạm vùng đồng giảm không chắn ước tính giá trị mưa cực hạn [7];[8];[9][10] Ở Việt Nam, phương pháp chưa áp dụng rộng rãi, có hai nghiên cứu bước đầu áp dụng cho vùng tỉnh Quảng Nam [5];[6] tỉnh Gia Lai [3] Từ lập luận trên, tác giả nhận định phương pháp củng áp dụng cho tỉnh Quảng Ngãi, vùng có lượng mưa dồi dào, ngày lớn, tâm mưa tập trung tại: Ba Tơ ; Gía Vực Sơn Hà, lượng mưa thường gây lũ lớn hệ thống sông Bên cạnh đó, lưu vực hệ thống sơng thuộc tỉnh Quảng Ngãi có nhiều hồ chứa thủy lợi thủy điện vào vận hành Việc áp dung phương pháp phân tích mưa vùng xây dựng Atlat mưa cực hạn cho toàn tỉnh cần thiết cơng tác phịng chống lũ lụt thời gian đến Do đó, tác giả đề xuất đề tài: Xây dựng Atlat mưa cực hạn cho tỉnh Quảng Ngãi dựa phân tích tần suất mưa vùng suy luận Bayesian Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu áp dụng phương pháp phân tích tần suất mưa vùng cho tỉnh Quảng Ngãi - Xây dựng Altat mưa cực hạn để làm luận khoa học cho công tác quản lý, khai thác cơng trình thủy lợi, phịng chống thiên tai, thích ứng với biến đổi khí hậu 2 Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng: Số liệu mưa ngày trạm Khí tượng, trạm thủy văn trạm đo mưa nhân dân vùng nghiên cứu - Phạm vi nghiên cứu: Tiến hành thu thập phân tích số liệu mưa tất trạm địa bàn tỉnh Quảng Ngãi trạm lân cận giáp ranh giới tỉnh Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp thống kê, tổng hợp địa lý - Phương pháp phân tích tần suất mưa vùng - Phương pháp hệ thống thông tin địa lý GIS Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài - Ý nghĩa khoa học : Đề tài tiếp cận theo phương pháp phân tích tần suất mưa, nhằm cải thiện hạn chế phương pháp truyền thống để từ ước tính giá trị mưa ứng với tần suất cực hạn với độ tin cậy cao Làm sở khoa học cho quan quản lý nhà nước ngành, quan tư vấn thiết kế quan có liên quan tỉnh Quảng Ngãi việc quản lý, khai thác cơng trình thủy lợi, thiết kế cơng trình phịng chống thiên tai, thích ứng với biến đổi khí hậu - Ý nghĩa thực tiễn Kết nghiên cứu dự kiến làm tài liệu tham khảo kiểm chứng cho đơn vị quản lý nhà nước, thiết kế cơng trình, dự báo khí tượng thủy văn vận hành hồ đập địa bàn tỉnh Quảng Ngãi Cấu trúc luận văn Luận văn gồm phần Mở đầu, 04 chương phần kết luận kiến nghị 3 CHƯƠNG TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Các nghiên cứu nước Trong năm gần khí hậu có chiều hướng diễn biến phức tạp Những biến đổi bất thường khí hậu tác động đáng kể đến biến động yếu tố khí tượng, đặc biệt lượng mưa Dẫn đến biến đổi chu trình thủy văn tài nguyên nước hệ thống khí hậu, làm thay đổi giá trị trung bình cực trị khí hậu Gây ảnh hưởng xấu đến phát triển sinh vật tác động tiêu cực đến đời sống người Trong số thay đổi đó, xu hướng biến đổi lượng mưa, đặc biệt trận mưa lớn (mưa cực trị - extreme rainfall) có ý nghĩa đặc biệt quan trọng nguyên nhân gây nên tượng thiên tai lũ lụt, ngập úng, trượt lở đất, uy hiếp đến an toàn hồ đập 1.1.1 Các nghiên cứu nước Trên giới, việc nghiên cứu xu hướng biến đổi tần suất xảy giá trị cực hạn môi trường như: lũ lụt, hạn hán, mưa, bão quan tâm nghiên cứu nhiều Vì sở cho việc xây dựng phương án ứng phó khẩn cấp, thiết kế cơng trình, quản lý-vận hành hồ chứa nước, đặt biệt việc tính tốn chi phí liên quan đến bảo hiểm Việc ước tính tần suất thường khó khăn kiện cực hạn xảy ra, chu kỳ lặp lại lớn (T > 100 năm), liệu quan trắc thường khơng đủ dài cho việc phân tích tính tốn tần suất (thường liệt quan trắc < 50 năm) Cùng với phát triển khoa học máy tính, phương pháp phân tích tần suất vùng (RFA) (Hosking, J and J Wallis, 1997) phát triển nghiên cứu sử dụng rộng rãi ngành khí tượng-thuỷ văn nước Châu Âu để phân tích giá trị cực hạn khí hậu như: lũ, mưa, hạn hán, bão Đặt biệt sử dụng để phân tích tần suất lũ mưa cực hạn Một số nghiên cứu phân tích mưa cực trị tóm lược: Năm 2003, H J Fowler C G Kilsby [19] phân tích tần suất mưa cực hạn cho Vương Quốc Anh với chuỗi số liệu từ 1961 đến 2000 Năm 2007, J R.Wallis, M G Schaefer, B L Barker G H Taylor [31] sử dụng phương pháp phân tích tần suất mưa vùng để xây dựng đồ mưa 24 lớn cho bang Washington Năm 2011, Cosmo S Ngongondo, Chong-Yu Xu, Lena M Tallaksen, Berhanu Alemaw Bias Chirwa [16] phân tích tần suất mưa cực đại ứng với mơ hình mưa 1, 3, 5, ngày lớn cho khu vực phía nam Malawi sử dụng số mưa cách tiếp cận L-moments Năm 2013, Tamara Benabdesselam Hocine Amarchi [29] sử dụng tiếp cận vùng để tính lượng mưa ngày cực đại khu vực Đông Bắc Algeria vẽ đường đẳng trị mưa ngày max cho khu vực Năm 2013, Amina Shahzadi, Ahmad Saeed Akhter Betul Saf [11] phân tích mưa cực đại cho khu vực gió mùa Pakistan Năm 2013, Julie Carreau, Luc Neppel, Patrick Arnaud Philippe Cantet [22] phân tích tần suất mưa cực hạn cho miền nam nước Pháp so sánh cách tiếp cận phân tích tần suất mưa (1) SIGE: phương pháp tiếp cận dựa nội suy tuyến tính thơng số GEV ước tính trạm quan trắc (2) RFA: phương pháp phân tích tần suất vùng (xác định vùng đồng khu vực xung quanh trạm quan trắc để tăng kích thước mẫu thơng qua giá trị số vùng) (3) SHYPRE: phương pháp sử dụng máy đo mưa tự động, từ lượng mưa hàng ngẫu nhiên đo SHYPRE mơ thành chuỗi số liệu mưa, với số liệu thống kê tương tự số liệu quan trắc Năm 2013, Th Arti Devi Parthasarthi Choudhury [12] sử dụng phương pháp phân tích tần suất mưa vùng để phân tích tần suất cho mưa cực trị khu vực IV Ấn Độ Tóm lại, phương pháp tiếp cận theo phương pháp phân tích tần suất mưa vùng nước Châu Âu, Châu Mỹ phát triển cho thấy ưu điểm vượt trội nhằm giải khắc phục hạn chế số liệu thống kê từ làm sở cho việc xây dựng đồ mưa cực trị cho vùng nghiên cứu 1.1.2 Các nghiên cứu nước Ở nước ta, nhìn chung nghiên cứu xu biến đổi lượng mưa ngày cực đại, tần suất tượng khí hậu cực đoan cịn mẻ Những năm gần đây, có số dự án tài trợ tổ chức phi lợi nhuận nước nhằm nghiên cứu khí hậu cực đoan nước ta điều kiện biến đổi khí hậu, nhằm đánh giá xu biến động yếu tố cực trị khí hậu để đưa kế hoạch ứng phó, lượng mưa cực trị ln yếu tố quan tâm Các nghiên cứu kể đến: Năm 2012, dự án nghiên cứu “Dự tính khí hậu tương lai với độ phân giải cao cho Việt Nam” phủ Ơt-xtrây-li-a tài trợ, Tổ chức Nghiên cứu Khoa học Cơng nghiệp Liên bang Ơt-xtrây-li-a (CSIRO) chủ trì, phối hợp với Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn Môi trường - Bộ Tài nguyên Môi trường Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội thực Thứ trưởng Bộ Tài nguyên Môi trường Trần Hồng Hà ký giới thiệu Báo cáo tóm tắt kết Dự án Dự tính khí hậu tương lai với độ phân giải cao cho Việt Nam [1] để quan nghiên cứu, Bộ, ngành địa phương tham khảo việc định hướng ứng phó với biến đổi khí hậu Trong nhận định cho khu vực Miền trung vào kỷ 21 (2045-2065 cuối kỷ 21 (2045-2065) có “Lượng mưa năm biến đổi, cực trị mưa giảm có biến động với biên độ lớn” Năm 2014, dự án “Ứng dụng mơ hình hệ thống Trái đất Na Uy xây dựng kịch biến đổi khí hậu, nghiên cứu hệ thống gió mùa tượng khí hậu cực đoan” [9], cho biết dự tính "Lượng mưa ngày cực đại toàn quốc giai đoạn cuối kỷ 21 tăng đến 37% (kịch RCP4.5) đến 45% (kịch RCP8.5)" Ngô Đức Thành, Phan Văn Tân (2013) [8], sử dụng phương pháp kiểm nghiệm phi tham số Mann-Kendall phương pháp ước lượng xu Sen đánh giá xu biến đổi yếu tố khí tượng lãnh thổ Việt Nam cho giai đoạn 1961-2007 Kết cho thấy lượng mưa giảm phía Bắc vĩ tuyến 17 tăng lên phía Nam Từ chuỗi số liệu lượng mưa ngày trạm (Vũ Thị Hằng, Chu Thị Hường, Phan Văn Tân, 2009) [5] thành lập chuỗi phương trình hồi qui tuyến tính biến lượng mưa cực đại cho tháng Từ nhận định xu biến đổi lượng mưa cực đại vùng nước giai đoạn Nghiên cứu cho thấy thời kỳ 1961-2007, lượng mưa ngày cực đại tăng hầu hết vùng khí hậu, ngoại trừ vùng B3 (vùng đồng Bắc Bộ) Đánh giá tần suất kiện mưa cực đại Hải Phòng Nha Trang (Phạm Hải An, Vũ Duy Vĩnh, Trần Đình Lân) dùng số liệu lượng mưa ngày trạm Phủ Liễn (1978-2007, Hải Phòng) trạm Nha Trang (1979-2008, Khánh Hịa), dùng phương pháp Mann-Kendall để phân tích xu mưa cực đại sử dụng phân phối cực đại Gumbell để phân tích trị số lượng mưa cực đại với chu kỳ lặp lại cho trước Nguyễn Vĩnh Long, Nguyễn Chí Cơng (2015) [5] Lê Minh Vỹ sử dụng phương pháp phân tích tần suất mưa vùng sở suy luận Bayesian, thuật toán MCMC xây dựng đồ mưa cực hạn cho tỉnh Quảng Nam Gia Lai Kết cho thấy việc sử dụng phương pháp phân tích tần suất mưa vùng khắc phục hạn chế số lượng mẫu thống kê, tăng độ tin cậy giá trị ước tính vùng ngoại suy, xây dựng đồ mưa phù hợp với xu phân bố mưa địa bàn 02 tỉnh nói Tóm lại, Ở Việt Nam nghiên cứu xu hướng biến đổi lượng mưa cho tương lai tương đối hoàn chỉnh Tuy nhiên, nghiên cứu tần suất mưa cực trị cịn chưa phổ biến Hiện nay, có phương pháp suy luận: (01) Phương pháp suy luận tần suất (truyền thống) - áp dụng tính toán đại diện Phần mềm FFC 2008 Trung tâm Khoa học công nghệ cửa sông ven biển hải đảo (02) Phương pháp suy luận Bayesian - Đây phương pháp suy luận dựa định lý Bayes - Hiện chưa nghiên cứu nhiều Việt Nam đại diện phần mềm FAMBC TS Nguyễn Chí Cơng 6 Tuy nhiên, mật độ trạm quan trắc khí tượng thủy văn nước ta cịn thưa, phân bố khơng đồng đều, số liệu quan trắc thường khơng đảm bảo cho việc phân tích tần suất Để khắc phục cho tình trạng đó, việc áp dụng phương pháp phân tích tần suất vùng (RFA) phát triển sử dụng rộng rãi ngành khí tượng - thuỷ văn nước Châu Âu giải pháp Phương pháp tổng hợp liệu quan trắc trạm “tương tự” - cách tiếp cận ước lượng giá trị cực trị cho khu vực khơng có trạm quan trắc nơi có liệu quan trắc ngắn Phương pháp phân tích tần suất dựa cách tiếp cận vùng chưa nghiên cứu nhiều nước ta 1.2 Điều kiện tự nhiên tỉnh Quảng Ngãi 1.2.1 Vị trí địa lý Quảng Ngãi tỉnh thuộc vùng Duyên hải Nam Trung bộ, có tọa độ địa lý từ 14 32’00” đến 15025’00” vĩ độ Bắc 108016’00” đến 109004’00” Ranh giới tỉnh Quảng Ngãi với: - Phía Bắc giáp tỉnh Quảng Nam - Phía Nam giáp tỉnh Bình Định, Gia Lai - Phía Tây giáp tỉnh Kon Tum - Phía Đơng Biển Đơng Tỉnh nằm vùng kinh tế trọng điểm miền Trung nên kinh tế tỉnh đóng vai trị quan trọng phát triển kinh tế vùng Quảng Ngãi có bờ biển dài 130 km có nhiều cửa biển lớn Sa Kỳ, Cửa Đại, Mỹ Á, Sa Huỳnh… Đồng thời vùng biển Quảng Ngãi nơi tiếp giáp với hai dịng hải lưu nóng lạnh nên có lượng phù du phong phú, nguồn hải sản đa dạng, diện tích ngư trường tương đối lớn Vì Quảng Ngãi có điều kiện tương đối thuận lợi để phát triển thủy sản giao lưu tiêu thụ hàng hóa Hình 1.1 Bản đồ hành tỉnh Quảng Ngãi 1.2.2 Đặc điểm địa hình Quảng Ngãi nằm phía Đơng Trường Sơn, có dạng địa hình thấp dần từ Tây sang Đông phức tạp từ vùng núi xuống đồng bằng, địa hình hạ thấp đáng kể, hình thành hai bậc địa hình cao thấp nằm nhau, khơng có khu đệm chuyển tiếp Vùng Tây núi cao có cao độ từ 500÷1000 m, cịn đồng có cao độ từ 5÷15 m vùng cát ven biển có cao độ 2÷10 m Nhìn chung tồn tỉnh có dạng địa hình sau: 1.2.2.1 Vùng núi cao trung bình Vùng núi cao trung bình nằm phía Tây, chiếm khoảng 70% diện tích tự nhiên chạy dọc theo ranh giới Quảng Nam, Kon Tum Bình Định Đây sườn phía Đơng dãy Trường Sơn với cao độ trung bình từ 500 đến 700m, có đỉnh cao 1.000 m đỉnh Hịn Bà 1.146 m, vùng Sơn Hà, Trà Bồng có núi cao từ 1.400÷1.600 m Với dạng địa hình dãy núi chạy dài bao bọc phía Bắc, Tây Nam hình thành cánh cung bao bọc vùng đồng Quảng Ngãi Chính dạng địa hình thuận lợi đón gió mùa Đơng Bắc hình thái thời tiết từ biển Đông đưa vào làm cho lượng mưa vùng dồi dào, hình thành tâm mưa như: Ba Tơ, Trà Bồng, Gia Vực có lượng mưa từ 3.200÷4.000 mm/năm 1.2.2.2 Vùng đồng bằng Vùng đồng chạy dọc từ Bắc vào Nam tiến sát gần biển thuộc vùng đất nằm hạ lưu sông tỉnh Bề mặt không phẳng có nhiều gị đồi theo hướng dốc từ Tây sang Đơng với cao độ biến đổi từ 20÷10 m chiếm khoảng 20% diện tích tự nhiên Vùng có nhiều ưu trồng lương thực, thực phẩm cơng nghiệp ngắn ngày có giá trị hành hoá cao 1.2.2.3 Vùng cát ven biển Đây vùng bao gồm cồn cát, đụn cát phân bố thành dải hẹp, chạy dài ven biển với chiều rộng trung bình km chạy dọc từ đầu tỉnh (huyện Bình Sơn) đến cuối tỉnh (huyện Đức Phổ) có độ cao vùng đồng Vùng có khả canh tác thích hợp với mía, thuốc song chưa khai thác chưa có biện pháp giải nước tưới Hiện cồn cát sát biển trồng phi lao để ngăn gió cát trơi Hình 1.2 Bản đồ địa hình khu vực nghiên cứu 1.3 Đặc điểm khí hậu địa bàn tỉnh Quảng Ngãi 1.3.1 Phân vùng khí hậu tỉnh Quảng Ngãi Tỉnh Quảng Ngãi có nhiệt độ cao Nhiệt độ thay đổi rõ rệt theo độ cao địa hình, trung bình lên cao 100m, nhiệt độ giảm từ 0,5 - 0,6oC Vùng đồng ven biển, vùng đồi thung lũng thấp, hải đảo có nhiệt độ trung bình năm 25,5 - 26,5oC Vùng núi cao 500m có nhiệt độ trung bình năm 23,5 - 25; vùng núi cao 500 1.000m có nhiệt độ trung bình năm 21,0 - 23,5oC Như vậy, vùng núi cao 1.000m, nhiệt độ trung bình năm xuống 21oC Bảng 1.1: ĐẶC TRƯNG NHIỆT ĐỘ TRUNG BÌNH NĂM Ở CÁC KHU VỰC NGHIÊN CỨU Địa điểm Độ cao (m) Nhiệt độ trung bình năm (oC) Sơn Tây >500 23,4 Trà Bồng >100 25,2 Sơn Giang Minh Long Ba Tơ Quảng Ngãi Sa Huỳnh Lý Sơn 40 >100 52 25,4 25,3 25,3 25,8 26,0 26,5 Từ nghiên cứu chi vùng nghiên cứu thành vùng khí hậu sau: Vùng I - khí hậu núi cao núi vừa (độ cao 500m): Vùng có có nhiệt độ trung bình năm 23,2, tổng xạ năm 130 Kcal/cm²/năm 1.900 nắng/năm Vùng II - khí hậu núi thấp trung du (độ cao 500m): Có tổng nhiệt độ năm 25,5oC, tổng lượng xạ 130 - 140 Kcal/cm²/năm tổng số nắng từ 1.900 - 2.100 nắng/năm Vùng III - khí hậu đồng bằng, duyên hải đảo Lý Sơn: Có tổng nhiệt độ năm 25,5oC, tổng lượng xạ 140 Kcal/cm²/năm tổng số nắng 2.100 nắng/năm 1.3.2 Đặc điểm mưa a Sự thay đổi mưa năm theo khơng gian Với dạng địa hình dãy núi chạy dài bao bọc phía Bắc, Tây Nam hình thành cánh cung bao bọc vùng đồng Quảng Ngãi Chính dạng địa hình thuận lợi đón gió mùa Đơng Bắc hình thái thời tiết từ biển Đông đưa vào làm cho lượng mưa vùng dồi dào, hình thành tâm mưa như: Trà Bồng, Ba Tơ, Giá Vực, Sơn Giang, Minh Long từ 3200–3800mm, với tâm mưa Ba Tơ 10 Vùng mưa tỉnh nằm phía đơng dọc theo dải đồng ven biển, có tổng lượng mưa 1.650mm, có lượng mưa Sa Huỳnh với 1.114mm Những nơi lại lượng mưa từ 1.700 - 2.000mm Lượng mưa năm tập trung chủ yếu từ tháng đến 12, chiếm 70 - 80% tổng lượng mưa năm Mưa tập trung cao vào - tháng cuối năm nên dễ gây lũ lụt, ngập úng Bảng 1.2: LƯỢNG MƯA NGÀY LỚN NHẤT Ở CÁC VỊ TRÍ Đơn vị: mm X1 ngày max Trạm An Chỉ Ba Tơ Đức Phổ Giá Vực Mộ Đức Quảng Ngãi Sơn Giang Sơn Hà Trà Bồng Trà Khúc X1max 600 640 426 723 530 525 677 578 747 518 Ngày 19/XI/87 03/XII/99 24/XI/93 03/XII/86 29/IX/09 8/X/67 04/XII/99 03/XII/86 29/IX/09 29/IX/09 P% 0,93 0,72 1,69 0,70 1,01 1,54 1,00 1,02 1,22 1,58 X3 ngày max X3max 771 1695 709 1228 692 852 1598 924 1012 672 từ ngày 17/XI/87 03/XII/99 20/X/98 2/XII/86 27/IX/09 9/XI/64 03/XII/99 03/XII/99 14/XI/10 27/IX/09 đến ngày 19/XI/87 05/XII/99 22/X/98 4/XII/86 29/IX/09 11/XI/64 05/XII/99 05/XII/99 16/XI/10 29/IX/09 X5 ngày max P% 1,86 0,65 0,77 0,75 1,12 1,41 0,75 1,08 2,25 2,00 X5max 829 2000 743 1298 722 1008 1801 1011 1155 744 từ ngày 15/X/03 03/XII/99 19/X/98 30/XI/86 25/IX/09 7/XI/64 02/XII/99 02/XII/99 14/XI/10 03/XII/99 đến ngày 19/X/03 07/XII/99 23/X/98 4/XII/86 29/IX/09 11/IX/64 06/XII/99 06/XII/99 18/XI/10 07/XII/99 P% 2,14 0,64 0,76 1,50 1,21 0,89 0,77 1,63 2,37 2,69 b Sự thay đổi mưa năm theo thời gian Theo thời gian, biến động mưa năm vùng nghiên cứu lớn Hệ số biến sai Cv lượng mưa năm đạt từ 0,22 đến 0,43, nguyên nhân khu vực chịu ảnh hưởng trực tiếp bão nhiễu động thời tiết từ biển Đông làm cho lượng mưa hàng năm khơng ổn định Năm mưa nhiều gấp ÷ lần năm mưa ít, năm 1996, 1998 năm 1999 năm mưa nhiều khắp vùng nghiên cứu, năm 1999 đạt 5094,7 mm Giá Vực, 4216,7 mm Sơn Hà, 6520,5 mm Ba Tơ, 5916,8 mm Sơn Giang, Minh Long 6180,7 mm 3947,6 mm Quảng Ngãi Nhưng năm 1982 năm mưa với lượng mưa đo Giá Vực 1299 mm, Sơn Hà 2007,9 mm, Trà Bồng 2671,2 mm, Ba Tơ 1952,6 mm, Sơn Giang 1975,6mm 1373,9 mm Quảng Ngãi 11 Bảng 1.3: TẦN SUẤT MƯA NĂM Ở MỘT SỐ TRẠM Đơn vi: mm TT 10 Trạm An Chỉ Ba Tơ Đức Phổ Giá Vực Mộ Đức Quảng Ngãi Sơn Giang Sơn Hà Trà Bồng Trà Khúc Xo 2573 3635 2015 3368 2076 2545 3509 2969 3598 2408 Cv 0,246 0,263 0,425 0,308 0,320 0,235 0,255 0,218 0,267 0,280 Cs 0,349 0,755 0,000 0,196 0,449 0,395 0,730 0,500 0,289 0,544 75% 2129 2946 1464 2651 1607 2123 2863 2508 2927 1928 85% 1924 2680 1168 2297 1399 1932 2611 2309 2608 1723 Do địa hình nên vùng nghiên cứu xuất đỉnh mưa phụ vào tháng V tháng VI, thời kỳ gió mùa hạ hướng Tây Nam Đơng Nam thổi tới, phía Tây tỉnh lượng mưa rõ nét với lượng mưa trung bình tháng chiếm khoảng 4-7% lượng mưa năm, nhiên giá trị bình quân tháng V tháng VI không vượt giá trị bình quân tháng năm Như vậy, qua biến trình mưa vùng cho thấy chênh lệch tháng mưa nhiều tháng mưa khoảng 400 - 800 mm Tức tháng mưa nhiều có tổng lượng mưa gấp khoảng 1,5- 20 lần tháng mưa Sự phân phối mưa năm khơng đồng đều, điều không thuận lợi cho sản xuất nông nghiệp Bảng 1.4 LƯỢNG MƯA MÙA LŨ, MÙA KIỆT VÀ TỶ LỆ VỚI LƯỢNG MƯA NĂM Đơn vị: mm Trạm An Chỉ Ba Tơ Châu Ổ Cổ Lũy Đức Phổ Giá Vực Minh Long Mộ Đức Quảng Ngãi Sơn Giang Sơn Hà Sông Vệ Trà Bồng Trà Khúc X Năm 2.573 3.635 2.150 1.731 2.015 3.368 3.807 2.076 2.545 3.509 2.969 1.654 3.598 2.408 X Mùa mưa (IX-XII) 1.921 2.627 1.615 1.245 1.648 2.527 2.720 1.640 1.838 2.438 1.985 1.474 2.379 1.801 Tỷ lệ (%) 74,6 72,3 75,1 71,9 81,8 75,0 71,4 79,0 72,2 69,5 66,9 89,1 66,1 74,8 X Mùa khô (I-VIII) 652 1.008 535 486 367 841 1.088 436 707 1.071 983 181 1.219 608 Tỷ lệ (%) 25,4 27,7 24,9 28,1 18,2 25,0 28,6 21,0 27,8 30,5 33,1 10,9 33,9 25,2 12 Tổng lượng mưa nhiều năm trạm tỉnh biến động lên xuống không đồng thời gian Tuy nhiên năm gần tổng lượng mưa có xu tăng lên c Mùa mưa Với chế độ gió mùa, điều kiện xạ vị trí địa lý, đặc điểm địa hình tạo cho khí hậu Quảng Ngãi đặc điểm chủ yếu sau: - Chế độ gió mùa với dải Trường Sơn tạo tương phản sâu sắc mùa khơ mùa mưa tồn vùng nghiên cứu - Hoạt động gió mùa, tín phong Đơng Bắc nhiễu động thời tiết biển Đông với địa hình dãy Trường Sơn tạo mùa mưa phong phú tháng từ tháng IX đến tháng XII - Do xâm nhập sâu phía Nam gió mùa Đơng Bắc nên Quảng Ngãi tương đối lạnh tháng XII, I - Do hiệu ứng “phơn” dãy Trường Sơn gió mùa Tây Nam nên vùng nghiên cứu xuất thời kỳ nắng nóng khơ hạn suốt tháng mùa hạ d Các hình gây mưa lớn Việt Nam nói chung tỉnh Quảng Ngãi nói riêng chịu tác động hồn lưu khí khu vực gió mùa Đơng Nam Á, tức chịu tác động khối khơng khí xuất phát từ trung tâm khí áp hoạt động theo mùa trung tâm khí áp hoạt động quanh năm Về mùa đông (từ tháng IX năm trước đến tháng III năm sau), khơng khí lạnh từ trung tâm khí áp cao lạnh cực đới lục địa châu Á (Xibia) thổi tới vùng áp thấp lục địa châu Úc dạng đợt gió mùa Đơng Bắc mang khơng khí lạnh cực đới tràn xuống Trong q trình di chuyển xuống phía Nam khơng khí khơ lạnh cực đới bị biến tính mạnh, sưởi ấm ẩm Khi gió mùa Đông Bắc nhiệt độ giảm đột ngột, nhiệt độ trung bình ngày giảm trung bình từ 3-6°C, cá biệt có đợt giảm 10-12°C, đồng thời có gia tăng lượng mây mưa Vào cuối mùa hè (tháng VII-IX) cịn có khối khơng khí nóng, ẩm bất ổn định Nam Thái Bình Dương lên Đó luồng khơng khí tồn rìa Nam dải áp thấp xích đạo dải hội tụ nhiệt đới (vùng hội tụ tín phong Bắc bán cầu gió mùa mùa hè) Khi gió mùa hè Tây Nam cực thịnh (tháng VII-VIII) dải hội tụ nhiệt đới bị dịch chuyển lên phía Bắc (từ 20° vĩ Bắc trở lên) So với khơng khí đến từ vịnh Bengan, khơng khí xích đạo mát, ẩm nhiều nguồn cung cấp ẩm mùa hè Các nhiễu động khơng khí mùa hè hội tụ nhiệt đới, áp thấp nhiệt đới, bão thường mang lại thời tiết xấu, bất lợi, mang lại lượng mưa đáng kể thời kỳ Tham gia tranh chấp với gió mùa hè Tây Nam có tín phong Đơng Bắc phát sinh từ rìa phía Nam trung tâm áp cao cận nhiệt đới Thái Bình Dương Mỗi gió mùa hè Tây Nam suy yếu, lưỡi áp cao cận nhiệt đới lại lấn sâu phía Tây dạng gió 13 Đơng, Đơng Nam, mang theo khơng khí nhiệt đới biển vào đất liền, vào tháng VIII, IX mà gió mùa hè Tây Nam bị đẩy lùi phía Nam Nhờ thừa hưởng khơng khí nhiệt đới biển thời tiết trở nên mát mẻ, thường gây mưa rào dông vào khoảng nửa đêm sáng Đến lúc chuyển tiếp hè sang đông (tháng IX - XI) thường phát sinh tượng giao hội gió mùa Đơng Bắc với nhiễu động nhiệt đới (hội tụ nhiệt đới, áp thấp nhiệt đới, bão) hoạt động Trung Nam Biển Đơng gặp núi cao chắn gió có mưa lớn xảy lâu Từ dẫn liệu trên, rõ ràng khí hậu Việt Nam khí hậu lưu vực sơng tỉnh Quảng Ngãi chịu tác động phức tạp hoàn lưu khí khu vực gió mùa Đơng Nam Á Tuy nhiên khác vị trí địa lý, đặc điểm địa hình mà ảnh hưởng trung tâm khí áp tỉnh nằm phía Bắc phía Nam khơng hồn tồn giống Khí hậu miền Bắc thuộc khí hậu nhiệt đới gió mùa có mùa đơng lạnh hơn, khí hậu miền Nam mang tính chất khí hậu nhiệt đới gió mùa điển hình với nhiệt độ cao mùa mưa khác biệt mùa khô 1.4 Hiện trạng trạm khí tượng thủy văn 1.4.1 Mạng lưới trạm quan trắc mưa tỉnh Quảng Ngãi Trong khu vực nghiên cứu có 23 trạm đo mưa; địa bàn tỉnh 16 trạm, Quảng Nam 03 trạm, Bình Định 02 trạm Kon Tum có 02 trạm Lưới trạm liệt tài liệu trình bày Bảng 1.5 Bảng 1.5: THỐNG KÊ CÁC TRẠM ĐO KHÍ TƯỢNG, MƯA TRONG VÙNG Toạ độ TT Tên Trạm Liệt tài liệu Kinh độ Vĩ Độ Tam Kỳ 1979 - 2014 108°30' 15°31' Tiên Phước 1988 - 2013 108o18' 15o29' Trà My 1978 - 2011 108°13’ 15°20’ Lý Sơn 1986 - 2015 109°09' 15°23' Châu Ổ 1977 - 1993 1995 - 2015 108°46' 15°16' Trà Khúc 1977- 2015 108°47' 15°08' Quảng Ngãi 1980 - 2014 108°47' 15°08' Sông Vệ 1995 - 2015 108° 50' 15° 2' An Chỉ 1977- 2015 108°48' 14° 58' Cao độ trạm (m) 8,7 6,5 14 Toạ độ TT Tên Trạm Liệt tài liệu Kinh độ Vĩ Độ 10 Mộ Đức 1977 - 2015 108°53' 14° 58' 11 Đức Phổ 1977 - 2015 108° 57' 14° 48' 12 Sa Huỳnh 1980 - 2014 109°037' 14°72' 13 Ba Tơ 1977 - 2014 108°43' 14° 46' 14 Giá Vức 1977 - 2015 108° 33' 14° 42' 15 Minh Long 1977 - 1989 1991 - 2015 108° 42' 14° 55' 16 Sơn Hà 1977 - 2015 108°34' 15°05' 17 Sơn Giang 1977 - 2015 108°31' 15°08' 18 Sơn Tây 1997 - 2015 108°20' 14°56' 19 Trà Bồng 1977 - 2015 108°32' 15°15' 20 An Hòa 1990 - 2015 108o47' 15o03' 21 Hòa Nhơn 1990 - 2015 108o54' 14o34' 22 Đăk Glei 1992 - 2011 107°739' 15°093' 23 ComPlông 1994 - 2012 108°1333' 14°4667' Cao độ trạm (m) - Các trạm đo mưa chất lượng tài liệu tin cậy, trạm Tổng Cục Khí Tượng Thủy Văn thiết lập quản lý, tài liệu tương đối dài đưa vào tính tốn đặc trưng khí hậu vùng 1.4.2 Đánh giá chất lượng liệu mưa Các trạm đa phần thành lập sau ngày giải phóng hoạt động Tài liệu dùng để tính tốn có đến năm 2015 Các tài liệu khai thác từ Tổng cục Khí tượng-Thủy văn Quốc gia nên chất lượng đảm bảo yêu cầu phục vụ cho tính tốn 15 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH TẦN SUẤT MƯA VÙNG Phương pháp phân tích tần suất mưa vùng, phương pháp làm lớn kích thước mẫu số liệu trạm đo vùng nghiên cứu “đồng nhất” thông qua số mưa vùng (index rainfall) dựa suy luận Bayesian, thuật tốn Markov chain Monte Carlo để ước tính tần suất cực hạn với độ tin cậy cao Vùng đồng vùng mà đó: Các trạm quan trắc khác có biến số thay đổi tỷ lệ phân bố xác suất xấp xỉ Việc đánh giá xác “vùng đồng nhất” phải thơng qua kết kiểm tra số Hi test Hosking-Wallis Phương pháp phát triển theo cách tiếp cận L-Moment (là kỳ vọng kết hợp tuyến tính thống kê mẫu liệu) Được đề xuất Hosking Wallis (1997) [22] Với mẫu số liệu quan trắc xếp theo thứ tự tăng dần: X1n X2n Xnn hàm ước tính thống kê xác xuất trọng số br xác định,như sau: br n 1 N ( j 1)( j 2) ( j r ) (n 1)(n 2) (n r ) x j r 1 Và mẫu xác định tham số: l1 = b0; l3 = 6b2 - 6b1 + b0; l2 = 2b1-b0; l4 = 20b3 - 30b2 + 12b1 - b0 Thì hệ số thống kê tuyến tính sau: + Trung bình mẫu = l1 + Hệ số tỷ lệ (L-cv), t = l2 l1 j:n (2-1) (2-2) (2-3) + Độ xiên (L-Skewnes), t3 = l3 l2 + Độ nhọn (L-Kurtosis), t4 = l4 l2 + Độ lệch chuẩn = l4 Các bước thực phương pháp phân tích tần suất mưa vùng: Bước 1: Sàng lọc số liệu Bước 2: Xác định vùng đồng Bước 3: Chọn hàm phân phối xác suất cho vùng đồng Bước 4: Ước lượng giá trị phân phối xác suất cho trạm thông qua số mưa vùng 2.1 Sàng lọc số liệu 2.1.1 Mục đích Để xác định, sàng lọc mẫu số liệu có quy luật phân phối khác với quy luật phân phối mẫu khác nhóm nhằm hỗ trợ việc phân chia nhóm vùng đồng dạng 16 2.1.2 Phương pháp - Chỉ số đánh giá tính khơng phù hợp (Di) Trong vùng nghiên cứu, giả sử có N trạm quan trắc, Hosking Wallis (1997) [21] đề xuất biện pháp kết hợp tuyến tính L-moment (t, t3 t4) để xác định trạm hiển nhiên có quy luật phân phối khác với trạm khác cịn lại nhóm thơng qua việc đánh giá số D trạm thứ i: Di N (ui u )T A1 (ui u ) (2-4) Trong đó: + ui (t (i ) t3(i ) t4(i ) )T : Vector chuyển vị t, t3, t4 trạm thứ i Với: N + u N 1 u1 i 1 N + A (ui u )(ui u )T i 1 Tùy thuộc vào số lượng trạm nhóm mà số D trạm thứ i (D i) phải thỏa mãn: Di ( N 1) / Trong trường hợp số trạm N > 15, Di Bảng 2.1 Điều kiện đánh giá tính khơng phù hợp dựa số Di ứng với số lượng N trạm vùng nghiên cứu N Di N Di N Di 1.333 2.329 13 2.869 1.648 10 2.491 14 2.971 1.917 11 2.632 >15 2.140 12 2.757 2.2 Định dạng vùng đồng 2.2.1 Vùng đồng Một khu vực coi vùng đồng khu vực mà trạm quan trắc khác lại có biến số thay đổi tỷ lệ phân bố xác suất xấp xỉ Điều kiện áp dụng phương pháp phân tích tần suất mưa vùng: - Quan trắc trạm độc lập; số liệu quan trắc trạm vùng nối tiếp độc lập chuỗi liệu có phân phối giống - Sự phân bố biến thay đổi tỷ lệ (rescaled variable) trạm giống loại phân phối biến thay đổi tỷ lệ quy định cách xác Như điều kiện đảm bảo, bao hàm tồn vùng đồng 17 2.2.2 Xác định vùng đồng Dựa điều kiện trên, Hosking Wallis (1993,1997) đề xuất phương pháp kiểm tra thống kê cho việc xác định vùng đồng liệu Phương pháp kiểm tra có cấp độ khác tập trung thước đo (measure) phân tán (dispersion) bậc khác tỷ số L-moment mẫu [14;21] Thước đo phân tán L-Cv (2-5) Thước đo phân tán L-Cv L-Kurtosis không gian (L-Cs; LKurtosis) (2-6) Thước đo phân tán L-Cs L-Kurtosis không gian (L-Cs; LKurtosis) (2-7) Chỉ số đánh giá vùng đồng xác định Hk: ; k=1,2,3 (2-8) Trong đó: - v v giá trị trung bình độ lệch chuẩn tương ứng trọng số độ lệch chuẩn sinh từ (N=500 lần) mô Monte Carlo sử dụng phân phối Kappa bốn thông số - Vk: độ lệch chuẩn trọng số bình quân hệ số biến sai tuyến tính (tính theo 2-6; 2-7; 2-8) + n: Độ lớn chuỗi số liệu; + N: Số trạm quan trắc mưa N + t R ni t (i ) i 1 N n i 1 i (2-9) Vùng đồng liệu xác định: - Nếu H < 1: Vùng đồng nhất, áp dụng phương pháp phân tích tần suất mưa vùng - Nếu 1 Nếu biến ngẫu nhiên X có dạng phân phối này, ta ký hiệu X~(, 2), =0 =1 phân phối gọi phân phối chuẩn hóa a2 Phân phối Log-normal hai tham số (LN LN2): Hàm mật độ xác suất sau: f xi ; , xi 2 e ln xi 2 2 (2-13) Trong đó: - xi biến ngẫu nhiên, xi (0, +) - tham số vị trí hay giá trị trung bình mẫu, R - tham số tỷ lệ độ lệch chuẩn mẫu, > a3 Phân phối Exponential (EXP): với tham số (vị trí điểm cuối thấp phân bố), (tỷ lệ) , biến ngẫu nhiên xi xác định: xi < Hàm mật độ xác suất viết sau : f xi ; , 1 exp xi (2-14) a4 Phân phối Gumbel (GUMBEL): với tham số (vị trí), (tỷ lệ) , biến ngẫu nhiên xi xác định: - < xi < Hàm mật độ xác suất viết sau : f xi ; , 1 exp xi exp exp xi (2-15) b Các mơ hình phân phối xác suất tham số: b1 Phân phối Log-normal ba tham số (LOGNORM LN3): với tham số (vị trí), (tỷ lệ), (hình dạng), biến ngẫu nhiên xi xác định: ey y f xi ; , , 2 - Nếu > - xi + / - Nếu = - xi < - Nếu < + / xi < 1 log1 x i y xi , , (2-16) b2 Phân phối Generalized Logistic (GENLOGIS): với tham số (vị trí), (tỷ lệ), (hình dạng), biến ngẫu nhiên xi xác định: 20 - Nếu > - xi + / - Nếu = - xi < - Nếu < + / xi < 1e 1 y f xi ; , , 1 e y 1 log1 x i y xi , , (2-17) b3 Phân phối Generalized Pareto (GENPAR) : với tham số (vị trí), (tỷ lệ), (hình dạng), biến ngẫu nhiên xi xác định: - Nếu > xi + / f xi ; , , 1e 1 y - Nếu xi < 1 log1 x , i (2-18) y xi , b4 Phân phối Pearson type III (P3) : với tham số (vị trí), (tỷ lệ), (hình dạng) -Nếu 0, = 4/2 , = 0.5, = -2/ - Nếu > xi < hàm mật độ viết dạng: 1 xi e x / f xi ; , , i (2-19) - Nếu = 0, phân phối trở dạng phân phối Normal - Nếu < 0, - < xi hàm mật độ viết dạng: xi 1 e x / f xi ; , , i (2-20) b5 Phân phối cực trị tổng quát - GEV: với tham số (vị trí), (tỷ lệ), (hình dạng), biến ngẫu nhiên xi xác định: - Nếu > - xi + / - Nếu = - xi < , phân phối có dạng phân phối Gumbel - Nếu < + / xi < Hàm mật độ xác suất viết sau : f xi ; , , 1e 1 y e y 1 log1 xi , y x , i (2-21) 21 2.3 Ước lượng giá trị - phân tích tần suất mưa vùng 2.3.1 Chỉ số mưa vùng Giả sử rằng: Có N trạm quan trắc mưa X(mm) vùng đồng nhất; ni đại diện cho kích thước mẫu thứ i (i = 1, 2, , N); liệu quan trắc mẫu là: Xij với (j=1,2…,ni i=1,2…,N) mẫu có hàm phân phối F, thì: i - Chỉ số mưa vùng trạm thứ i - số tỷ lệ độc lập với trạm lấy giá trị trung bình lượng mưa trạm thứ i i X i nj ni X j 1 (2-22) ij - Khi đó, mẫu liệu mưa vùng xác định sau: X '(F ) X ij ( F ) (2-23) i Thông qua suy luận Bayesian để ước tính lượng mưa vùng x(F ) với kích thước mẫu kích thước mẫu liệu mưa vùng xác định theo công thức (2-23) Dựa vào mối quan hệ này, người ta phân bố lại lượng mưa ước tính làm tăng kích thước mẫu cho trạm vùng sau: X ( F ) i x( F ) (2-24) Vấn đề phải ước tính x(F ) Việc ước tính giá trị dựa suy luận Bayesian Ý nghĩa số mưa vùng: Khi vùng xem đồng nhất, sau phân tích tần suất vùng làm lớn kích thước mẫu trạm đo vùng cách phân phối giá trị vùng trạm thông qua số mưa vùng Vậy ý nghĩa số mưa vùng phân phối giá trị vùng trạm đo từ làm lớn kích thước mẫu trạm để phân tích tần suất có chắn 2.3.2 Tổng quan suy luận Bayesian a Nguyên lý suy luận Bayesian[3] Nếu gọi X’ tập hợp lượng mưa quan trắc vùng nghiên cứu tham biến phân phối thống kê (F) lựa chọn, suy luận Bayesian viết dạng sau: L( X ' / ) P( / X ' ) P (2-25) P( X ' ) 22 Trong đó: P X ' : Xác suất xảy biết X’, hay gọi xác suất hậu nghiệm (posterior probability) Đây x (F ) cơng thức (2-24) P(X’): Hằng số chuẩn hóa (normalising constant), không phụ thuộc vào kiện muốn biết P(): Xác suất tiên nghiệm (prior probability), khơng quan tâm đến thơng tin X’ Có thể giả định giá trị P() [0,1] L(X’) Likelihood mẫu liệu mưa vùng X’ b Quá trình thực suy luận Bayesian[3]: Bước Chọn dạng phân phối cho biến ngẫu nhiên mơ hình Bước Tích hợp phân phối vào hàm xác suất hậu nghiệm Bước Ước tính L(X’) Bước Sử dụng phương pháp Markov chain Monte Carlo để tối đa hóa hàm xác suất hậu nghiệm 2.3.3 Likelihood mẫu số liệu quan trắc Likelihood khả tập hợp giá trị tham số thu từ kết quan sát = xác suất kết quan sát từ giá trị tham số L(X’) = P(X’/) (2-26) - Likelihood mẫu liệu mưa vùng X’ viết dạng tổng quát sau: N L( X ' | ) f xi (2-27) i 1 Trong : f(xi) hàm mật độ phân bố xác suất lựa chọn Thông thường hàm mật độ xác suất có dạng hàm mũ e nên cần log (likelihood) để giảm bậc phương trình tốn học Do phương trình viết dạng : N logL( X ' | ) log f xi (2-28) i 1 Để giải phương trình (2-25) người ta dùng phương pháp Markov Chain Monte Calor (MCMC) để tìm xác suất hậu nghiệm P( / X ' ) 23 CHƯƠNG ÁP DỤNG PHÂN TÍCH TẦN SUẤT MƯA VÙNG CHO TỈNH QUẢNG NGÃI Mưa đặc trưng khí hậu nhất, có liên quan đến hoạt động xã hội, phát triển kinh tế, an ninh quốc phòng, sinh thái môi trường Trong yếu tố thống kê lượng mưa, mưa cực trị (1, 3, ngày lớn nhất) yếu tố quan tâm Đó đầu vào tính tốn quy hoạch thị, thiết kế cơng trình xây dựng, bảo vệ môi trường… 3.1 Biến đổi mưa 1,3,5,7 ngày lớn tỉnh Quảng Ngãi 3.1.1 Lượng mưa ngày max trung bình Qua số liệu thống kê lượng mưa ngày lớn tháng số trạm địa bàn tỉnh Quảng Ngãi, lượng mưa ngày đạt 100mm thường xuất vào tháng 9, 10, 11 12 Lượng mưa ngày lớn địa bàn tỉnh Quảng Ngãi phổ biến đạt giá trị 400-500mm vùng đồng từ 600-700mm vùng miền núi 3.1.2 Lượng mưa ngày lớn tuyệt đối Tại trạm Trà Bồng đạt đến 747,4mm xảy vào tháng năm 2009 Bảng 3.1: Lượng mưa ngày lớn trạm (đơn vị: mm) Trạm Lượng mưa An Chỉ Ba Tơ Đức Phổ Giá Vực Mộ Đức Quảng Ngãi Sơn Giang Sơn Hà Trà Bồng Trà Khúc 600 640 426 723 530 525 677 578 747 518 Thời gian xuất 19/XI/87 03/XII/99 24/XI/93 03/XII/86 29/IX/09 8/X/67 04/XII/99 03/XII/86 29/IX/09 29/IX/09 3.1.3 Đặc điểm mưa thời đoạn 1, 3, 5, ngày max Qua tính tốn thống kê tài liệu mưa thực đo trạm lân cận vùng nghiên cứu cho thấy thời gian mưa trận mưa lớn thường kéo dài từ đến ngày lượng mưa lớn trận từ đến ngày Lượng mưa lớn 24 thời đoạn 1, 3, 5, ngày liên tục thường tập trung vào tháng X tháng XI thời gian thường bị ảnh hưởng bão, áp thấp nhiệt đới đợt khơng khí lạnh Lượng mưa ngày đạt 700 mm ngày Lượng mưa ngày lớn đo đạt 747,4 mm ngày 29/IX/2009 đo trạm Trà Bồng, 533,0 mm Mộ Đức, 524,8 mm trạm Quảng Ngãi Ngày 3/XII/1986 gây mưa lớn Giá Vực 723,2 mm Trà Khúc 513mm, An 599,7mm ngày 19/XI/1987 Đặc biệt trận mưa lũ tháng XI tháng XII năm 1999 gây mưa lớn vùng nghiên cứu, lượng mưa ngày max đạt 677,2 mm Sơn Giang, 639,5 mm Ba Tơ Lượng mưa ngày max đợt mưa đạt 1694,8 mm Ba Tơ, 1598,4 mm Sơn Giang, 584,5 mm Quảng Ngãi đặc biệt lượng mưa ngày max đợt đạt từ 1200 – 2000 mm vị trí Ba Tơ, Giá Vực, Sơn Giang Cường độ mưa lớn nguyên nhân sinh lũ lụt xói mịn lưu vực Lượng mưa lớn thời đoạn 1, 3, ngày liên tục biến động lớn với hệ số Cv đạt từ 0,32 – 0,5 thông số thống kê 3.2 Dữ liệu mưa phục vụ nghiên cứu Trong nghiên cứu này, sử dụng số liệu mưa ngày 23 trạm quan trắc yếu tố mưa, có chuỗi quan trắc liên tục dài 15 năm, đó: có 16 trạm thuộc địa phận tỉnh Quảng Ngãi trạm thuộc khu vực giáp biên (03 trạm thuộc tỉnh Quảng Nam; 02 trạm thuộc tỉnh Kon Tum 02 trạm thuộc tỉnh Bình Định) Việc lựa chọn thêm trạm bên ngồi vùng nghiên cứu cần thiết cho việc tăng độ tin cậy số liệu nội suy vùng biên Vì mưa lớn thường xuất khu vực rộng lớn thông qua test Hosking-Wallis lựa chọn vùng đồng có nhiều trạm phát mạnh phương pháp phân tích tần suất mưa vùng Bảng 3.2 Các trạm quan trắc lượng mưa sử dụng tính tốn ID Tên trạm Tọa độ Kinh độ Vĩ độ Thời gian Chuỗi (năm) Tam Kỳ 108°47' 15°08' 1979 - 2014 36 Tiên Phước 108°47' 15°08' 1988 - 2013 26 Trà My 108° 50' 15° 2' 1978 - 2011 34 Lý Sơn 108°48' 14° 58' 1986 - 2015 Châu Ổ 108°53' 14° 58' 1977 - 1993 1995 - 2015 30 17 21 Trà Khúc 108° 57' 14° 48' 1977- 2015 39 Quảng Ngãi 109°037' 14°72' 1980 - 2014 35 Sông Vệ 108°43' 14° 46' 1995 - 2015 21 25 ID Tên trạm Tọa độ Kinh độ Vĩ độ Thời gian Chuỗi (năm) An Chỉ 108° 33' 14° 42' 1977- 2015 39 10 Mộ Đức 108° 42' 14° 55' 1977 - 2015 39 11 Đức Phổ 108°34' 15°05' 1977 - 2015 39 12 Sa Huỳnh 108°31' 15°08' 1980 - 2014 38 13 Ba Tơ 108°20' 14°56' 1977 - 2014 35 14 Giá Vức 108°32' 15°15' 1977 - 2015 15 Minh Long 108o47' 15o03' 1977 - 1989 1991 - 2015 39 13 25 16 Sơn Hà 108o54' 14o34' 1977 - 2015 39 17 Sơn Giang 107°739' 15°093' 1977 - 2015 39 18 Sơn Tây 108°1333' 14°4667' 1997 - 2015 19 19 Trà Bồng 108°47' 15°08' 1977 - 2015 39 20 An Hòa 108°47' 15°08' 1990 - 2015 26 21 Hòa Nhơn 108° 50' 15° 2' 1990 - 2015 26 22 Đăk Glei 108°48' 14° 58' 1992 - 2011 20 23 ComPlông 108°53' 14° 58' 1994 - 2012 19 26 Hình 3.1 Bản đồ vị trí trạm quan trắc mưa sử dụng nghiên cứu 3.3 Áp dụng phân tích tần suất mưa vùng cho tỉnh Quảng Ngãi Sử dụng code test "HOMTESTS", "HW.original" Hosking Wallis lập (1997) để xác định vùng đồng Dưới kết nhận sử dụng mẫu số liệu phân tích 3.3.1 Xác định tính khơng phù hợp (Di) cho vùng nghiên cứu ID Bảng 3.3 Kết tính tốn Di cho khu vực nghiên cứu Tên Trạm Di Ngày Ngày Max Ngày Max Max Ngày Max Tam Kỳ 1.69 0.456 0.29 0.956 Tiên Phước 0.987 Di > 2.18 1.43 Trà My 0.733 1.622 1.45 1.95 Lý Sơn 1.12 1.851 1.54 1.82 27 ID Tên Trạm Di Ngày Max Ngày Max Ngày Max Ngày Max Châu Ổ 2.16 1.46 1.48 0.764 Trà Khúc 0.708 0.583 0.655 0.501 Quảng Ngãi 0.213 0.684 0.888 0.755 Sông Vệ 0.8390 1.33 0.855 1.038 An Chỉ 1.096 0.489 0.144 0.128 10 Mộ Đức 1.13 0.285 0.847 0.815 11 Đức Phổ 1.167 1.45 1.55 2.74 12 Sa Huỳnh 0.0211 0.351 0.406 0.201 13 Ba Tơ 0.0909 0.666 0.948 0.848 14 Giá Vức 0.256 0.120 0.259 0.156 15 Minh Long 1.067 0.979 1.13 1.738 16 Sơn Hà 0.0102 0.035 0.092 0.098 17 Sơn Giang 0.169 1.76 1.059 1.037 18 Sơn Tây 1.75 2.00 0.432 0.364 19 Trà Bồng 0.801 0.773 0.138 0.819 20 An Hòa 1.059 1.37 2.48 Di > 21 Hòa Nhơn 1.491 1.19 Di > Di > 22 23 Đăk Glei 2.147 1.77 2.012 ComPlông 2.265 Di > 1.528 1.36 0.815 Nhận xét: Ta thấy, hầu hết tất Di< Riêng số trạm có Di> 3, như: trạm Tiên Phước, trạm Đăk Glei (mưa ngày max); trạm Hòa Nhơn (mưa ngày max); trạm An Hòa Hòa Nhơn (mưa ngày max) Kết luận: - Đối với mơ hình mưa ngày max: Tất trạm có Di< 3, sử dụng số liệu mưa 23 trạm để đưa vào phân tích tần suất mưa vùng - Đối với mơ hình mưa ngày max: 02 trạm Tiên Phước Đăk Glei có Di> 3, nên không sử sụng số liệu mưa 02 trạm này, sử dụng số liệu mưa 21 trạm cịn lại có Di< để phân tích tần suất mưa vùng - Đối với mơ hình mưa 05 ngày max: Trạm Hịa Nhơn (Bình Định) có Di> 3, nên không sử sụng số liệu mưa trạm này, sử dụng số liệu mưa 22 trạm cịn lại có Di< để phân tích tần suất mưa vùng 28 - Đối với mơ hình mưa ngày max: 02 trạm An Hịa Hịa Nhơn có Di> 3, nên không sử sụng số liệu mưa 02 trạm này, sử dụng số liệu mưa 21 trạm cịn lại có Di< để phân tích tần suất mưa vùng 3.3.2 Kiểm tra tính đồng lượng mưa cực trị cho vùng nghiên cứu Trình bày kết Hi nhận từ test Hosking-Wallis, với số lần mô N=500 cho 23 trạm Bảng 3.4 Giá trị số đồng dạng Hi khu vực nghiên cứu Mơ hình mưa H1 H2 H3 Ngày Max -1.539 1.162 0.646 Ngày Max -2.87 -0.78 -0.411 Ngày Max -2.65 0.19 0.716 Ngày Max -2.813 -0.494 1.25 Kết luận: Các kết cho thấy, số liệu mưa cực trị 1,3,5 ngày max 23 trạm vùng nghiên cứu đồng Vì vậy, đủ điều kiện để áp dụng phương pháp phân tích tần suất mưa vùng 3.3.3 Lựa chọn hàm phân phối xác suất Bảng 3.10 thể kết tính tốn giá trị ZDIST hàm phân phối tương ứng với mơ hình mưa cực trị thơng qua test Hosking-Wallis Bảng 3.5 Giá trị tuyệt đối ZDIST |ZDIST| GEN LOGISTIC (GLO) GEN EXTREME VALUE (GEV) GEN NORMAL (LN3) PEARSON TYPE III (PE3) GEN PARETO (GPA) max ngày max max ngày max 2.26 0.21 1.829 3.463 -0.42 -0.688 -1.51 -6.24 -2.57 -2.51 -2.97 -8.30 -1.39 -1.202 -1.61 -7.91 -0.434 0.139 -0.069 -7.96 Nhận xét: Các phân phối Cực trị tổng quát (GEV), Gen Normal, Pearson III cho kết | Z DIST | 1.64 mơ hình mưa ngày max, ngày max ngày max; riêng DIST | 1.64 ngày max có hàm phân phối GEN LOGISTIC (GLO) cho kết | Z (theo bảng 3.10) Các hàm phân phối phù hợp mặt thống kê tương ứng với kích thước mẫu nghiên cứu 29 Để chọn hàm phân phối phù hợp cho mơ hình mưa, ta tiến hành vẽ đường tần suất mưa cực trị cho trạm đo mưa quan sát phân bố điểm thống kê ước tính với đường lý luận tương ứng với hàm phân phối Hình 3.2, 3.3, 3.4 thể kết phân tích tần suất vùng cho trạm đo mưa Trà Bồng ứng với mơ hình mưa ngày max Các kết dựa code “BayesianMCMC_HW.r” [17] 3.2) GEV 3.3) LN3 3.4) PE3 Hình 3.2) GEV; 3.3) LN3 3.4) PE3 kết phân tích tần suất vùng ngày max cho trạm Trà Bồng với ba dạng phân phối Đường liền nét giá trị ước tính ML, hai đường đứt nét tương ứng giá trị ước tính với độ tin cậy 5% 95%, điểm chấm giá trị quan sát mưa ngày lớn vùng 30 Bảng 3.6 Kết ước tính lượng mưa ngày max tương ứng thời gian lặp lại T=100 1000 năm cho trạm Trà Bồng với ba dạng phân phối GEV, LN3 PE3, đơn vị tính (mm) Phân phối T (năm) GEV LN3 PE3 100 1000 589 752 623 823 669 927 586 755 617 814 653 881 585 755 617 814 654 883 So sánh ta thấy dạng phân phối GEV, LN3 PE3 có đường tần suất bám sát điểm kinh nghiệm Tuy nhiên, qua so sánh, khoảng cách hai đường đứt nét với độ tin cậy 5% 95%, cho ta chọn hàm LN3 có khoảng cách gần Tương tự, tiến hành phân tích tần suất mưa vùng cho trạm Ba Tơ cho mơ hình mưa ngày max với hàm phân phối Cực trị tổng quát (GEV), Gen Normal, Pearson III Tác giả nhận kết thể hình 3.5, 3.6, 3.7 (5 ngày max) 3.8, 3.9, 3.10 (7 ngày max) 3.5) GEV 3.6) LN3 3.7) PE3 31 Hình 3.5) GEV; 3.6) LN3 3.7) PE3 kết phân tích tần suất vùng ngày max cho trạm Ba Tơ với ba dạng phân phối Đường liền nét giá trị ước tính ML, hai đường đứt nét tương ứng giá trị ước tính với độ tin cậy 5% 95%, điểm chấm giá trị quan sát mưa ngày lớn vùng Bảng 3.7 Kết ước tính lượng mưa ngày max tương ứng thời gian lặp lại T=100 1000 năm cho trạm Ba Tơ cho ba dạng phân phối GEV, LN3 PE3,đơn vị tính (mm) Phân phối GEV LN3 PE3 T (năm) 100 1309 1000 1598 1362 1699 1443 1862 1284 1593 1344 1699 1416 1829 1309 1598 1362 1699 1443 1862 Qua kết phân phối cho thấy, dạng phân phối LN3 có đường đứt nét 5% bám sát điểm kinh nghiệm 02 dạng phân phối lại Để đơn giản, giảm khối lượng tính tốn, ta chọn hàm phân phối GEV để toán toán lựa chọn tần suất mưa cho ngày max 32 3.8) GEV 3.9) LN3 3.10) PE3 Hình 3.8) GEV; 3.9) LN3 3.10) PE3 kết phân tích tần suất vùng cho trạm Ba Tơ với ba dạng phân phối Đường liền nét giá trị ước tính ML, hai đường đứt nét tương ứng giá trị ước tính với độ tin cậy 5% 95%, điểm chấm giá trị quan sát mưa ngày lớn vùng Bảng 3.8 Kết ước tính lượng mưa ngày max tương ứng thời gian lặp lại T=100 1000 năm cho trạm Thành Mỹ cho ba dạng phân phối GEV, LN3 PE3, đơn vị tính (mm) Phân phối GEV LN3 PE3 T (năm) 100 1432 1000 1715 1481 1801 1559 1950 1389 1683 1452 1792 1527 1927 1389 1683 1452 1792 1527 1927 33 So sánh ta thấy dạng phân phối GEV, LN3 PE3 có đường tần suất bám sát điểm kinh nghiệm Tuy nhiên, qua so sánh, khoảng cách hai đường đứt nét với độ tin cậy 5% 95%, cho ta chọn hàm GEV có khoảng cách gần nhất, để toán toán lựa chọn tần suất mưa cho ngày max 3.3.4 Phân tích tần suất mưa vùng cho mơ hình mưa a Cách thức thực - Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng code “BayesianMCMC_HW.r” [17], để phân tích tần suất lấy kết - Các tần suất cực trị chọn tương ứng với tần suất: 0,50%; 1,00%; 1,50%; 2% (Theo QCVN 04-05: 2012/BNNPTNT) - Các kết tác giả xây dựng thành đồ mưa cực trị cho tỉnh Quảng Ngãi trình bày chương b Sơ đồ tính tốn Dữ liệu mưa dạng “.txt” BayesianMCMC_HW.r Kết phân tích c Kết phân tích tần suất mưa vùng Các kết phân tích tần suất mưa vùng thể chi tiết Phụ lục 2.1; 2.2, 2.3 2.4 Bảng 3.9, 3.10, 3.11 3.12 thể phân tích tần suất mưa vùng cho 23 trạm vùng nghiên cứu theo phân bố LN3, GLO GEV ứng với tần suất 2%; 1,5%; 1,0%; 0,5% tương ứng với giá trị Maximum Likelihood Tác giả sử dụng số liệu 23 trạm quan trắc mưa để xây dựng đồ mưa cực trị cho tỉnh Quảng Ngãi 34 Bảng 3.9 Giá trị mưa ngày max ứng với tần suất 2%; 1,5%;1,0%;0,5%; tương ứng với giá trị Maximum Likelihood ID Tram ngày max (mm) 2% 1,50% 1% 0,5% Tam Kỳ 501 537 573 628 Tiên Phước 563 604 645 706 Trà My 619 665 709 777 Lý Sơn 474 509 543 595 Châu Ổ 463 497 530 580 Trà Khúc 452 485 518 567 Quảng Ngãi 473 508 542 594 Sông Vệ 410 439 469 514 An Chỉ 447 480 512 561 10 Mộ Đức 398 426 455 499 11 Đức Phổ 413 443 473 518 12 Sa Huỳnh 397 426 454 497 13 Ba Tơ 571 612 654 716 14 Giá Vức 541 580 619 678 15 Minh Long 580 622 664 727 16 Sơn Hà 537 576 615 673 17 Sơn Giang 611 655 699 766 18 Sơn Tây 463 497 530 581 19 Trà Bồng 538 578 617 675 20 An Hòa 439 471 503 551 21 Hòa Nhơn 357 383 409 448 22 Đăk Glei 257 275 294 322 23 ComPlông 242 259 277 303 35 Bảng 3.10 Giá trị mưa ngày max ứng với 2%; 1,5%;1,0%;0,5% tương ứng với giá trị Maximum Likelihood ID Tram ngày max (mm) 2% 1,50% 1% 0,5% Tam Kỳ 822 875 926 1003 Trà My 1050 1117 1184 1281 Lý Sơn 729 776 822 890 Châu Ổ 783 833 882 955 Trà Khúc 698 743 787 852 Quảng Ngãi 728 775 821 889 Sông Vệ 690 735 778 842 An Chỉ 761 809 858 928 Mộ Đức 649 690 731 792 10 Đức Phổ 654 696 738 799 11 Sa Huỳnh 568 605 641 693 12 Ba Tơ 986 1049 1111 1203 13 Giá Vức 925 984 1043 1129 14 Minh Long 1068 1137 1204 1304 15 Sơn Hà 837 890 943 1021 16 Sơn Giang 1007 1072 1136 1229 17 Sơn Tây 792 843 893 966 18 Trà Bồng 935 995 1054 1141 19 An Hòa 958 1019 1080 1169 20 Hòa Nhơn 759 808 856 926 21 ComPlông 332 354 375 406 36 Bảng 3.11 Giá trị mưa ngày max ứng với %; 1,5%;1,0%;0,5%; tương ứng với giá trị Maximum Likelihood ID Tram ngày max (mm) 2% 1,50% 1% 0,5% 0,2% Tam Kỳ 972 1034 1093 1179 972 Tiên Phước 1115 1185 1254 1352 1115 Trà My 1286 1367 1446 1559 1286 Lý Sơn 858 912 965 1041 858 Châu ổ 935 994 1051 1134 935 Trà Khúc 840 893 944 1018 840 Quảng Ngãi 882 938 992 1069 882 Sông Vệ 828 880 931 1004 828 An Chỉ 901 958 1013 1093 901 10 Mộ Đức 771 820 867 935 771 11 Đức Phổ 761 809 856 923 761 12 Sa Huỳnh 680 723 765 825 680 13 Ba Tơ 1210 1287 1361 1468 1210 14 Giá Vực 1153 1226 1297 1398 1153 15 Minh Long 1292 1374 1453 1567 1292 16 Sơn Hà 979 1041 1101 1187 979 17 Sơn Giang 1209 1285 1359 1466 1209 18 Sơn Tây 934 993 1050 1132 934 19 Trà Bồng 1125 1197 1266 1365 1125 20 An Hòa 1444 1536 1624 1751 1444 21 Đăk Glei 452 481 509 549 452 22 ComPlông 409 435 460 496 409 23 Tam Kỳ 972 1034 1093 1179 972 24 Tiên Phước 1115 1185 1254 1352 1115 25 Trà My 1286 1367 1446 1559 1286 37 Bảng 3.12 Giá trị mưa ngày max ứng với %; 1,5%;1,0%;0,5% tương ứng với giá trị Maximum Likelihood ID Tram ngày max (mm) 2% 1,50% 1% 0,5% 0,2% Tam Kỳ 1095 1159 1219 1304 1095 Tiên Phước 1244 1316 1384 1481 1244 Trà My 1435 1518 1597 1709 1435 Lý Sơn 940 995 1046 1119 940 Châu ổ 1040 1100 1157 1238 1040 Trà Khúc 921 974 1025 1096 921 Quảng Ngãi 976 1033 1086 1162 976 Sông Vệ 918 971 1022 1093 918 An Chỉ 986 1043 1098 1174 986 10 Mộ Đức 848 897 943 1009 848 11 Đức Phổ 852 901 948 1014 852 12 Sa Huỳnh 752 796 837 895 752 13 Ba Tơ 1331 1408 1481 1584 1331 14 Giá Vực 1282 1356 1427 1526 1282 15 Minh Long 1394 1474 1551 1659 1394 16 Sơn Hà 1077 1139 1199 1282 1077 17 Sơn Giang 1337 1414 1488 1592 1337 18 Sơn Tây 1004 1062 1117 1195 1004 19 Trà Bồng 1246 1318 1387 1484 1246 20 Đăk Glei 512 542 570 610 512 21 ComPlông 458 484 510 545 458 38 CHƯƠNG ỨNG DỤNG GIS XÂY DỰNG ATLAT PHÂN BỐ MƯA CỰC TRỊ CHO TỈNH QUẢNG NGÃI 4.1 Tổng quan phương pháp nội suy số liệu mưa GIS [10] Trong nghiên cứu khí tượng thủy văn trước cơng cụ máy tính khoa học kỹ thuật cịn hạn chế việc xây dựng đồ đẳng trị lượng mưa đồ phân bố lượng mưa chủ yếu tiến hành theo phương pháp vẽ tính tốn thủ cơng Ngày khoa học kỹ thuật ngày phát triển việc xây dựng đồ phân bố lượng mưa thực với hỗ trợ đáng kể máy tính Trong đó, phát triển khoa học thống kê địa thống kê GIS đóng vai trị khơng nhỏ Các số liệu đo mưa nhìn chung số liệu dạng đơn lẻ, rời rạc thơng thường khu vực lớn người ta đặt vài trạm đo mưa Do việc xây dựng đồ phân bố lượng mưa từ tập hợp số liệu rời rạc trạm đo mưa phải dựa mơ hình thống kê tốn học Có nhiều phương pháp đề xuất để nội suy số liệu lượng mưa Phương pháp đơn giản gán giá trị cho vị trí chưa đo mưa số liệu trạm đo mưa gần nhất, phương pháp đa giác Thiessen Phương pháp vẽ đường bao xung quanh trạm đo mưa để tạo vùng ảnh hưởng có khoảng cách nửa khoảng cách hai trạm Năm 1972, Cơ quan dự báo thời tiết Quốc gia Mỹ phát triển phương pháp khác độ cao cột mưa ước tính trọng số trung bình giá trị xung quanh, trọng số tính theo nghịch đảo bình phương khoảng cách từ điểm cần nội suy (Bedient Huber, 1992) [13] Giống phương pháp đa giác Thiessen, phương pháp nội suy khoảng cách không xét đến nhân tố địa hình mà ảnh hưởng kết nội suy Phương pháp đường đẳng trị đưa nhằm tránh khiếm khuyết Ý tưởng sử dụng vị trí xác định ranh phạm vi cho trạm đo mưa, kiến thức yếu tố ảnh hưởng đến ranh giới phạm vi để vẽ đường đẳng trị lượng mưa Tổng lượng mưa vị trí khơng quan trắc tính cách nội suy phạm vi đường đẳng trị Giới hạn phương pháp địi hỏi phải có mạng lưới đo mưa lớn để vẽ đường đẳng trị cách xác Phương pháp địa thống kê dựa sở lý thuyết biến toàn cục (Journel Huijbregts, 1978 [23]; Goovaerts, 2000 [20]) ngày ưu chuộng cho người nội suy lợi dụng tương quan mặt không gian quan sát gần để dự đoán giá trị thuộc tính vị trí khơng lấy mẫu Hàng loạt tác giả (Tabios Salas, 1985 [30]; Phillips nnk, 1992 [26]) phương 39 pháp địa thống kê (kriging) đem lại kết ước tính lượng mưa xác phương pháp truyền thống khác Tuy nhiên phương pháp địa thống kê (kriging) yêu cầu trạm đo có đồng đều, tuân theo quy luật định Trong phương pháp trọng số (IDW) cho phép áp dụng với trạm đo phân bố ngẫu nhiên; nghiên cứu trước 32, 33 phương pháp IDW nội suy mưa phù hợp cho kết tốt so với phương pháp nội suy khác 4.2 Mục đích xây dựng Atlat mưa cực trị Quảng Ngãi tỉnh có hệ thống sơng ngịi, hệ thống cơng trình thủy lợi, phân bố tồn tỉnh; cơng trình thủy điện chủ yếu địa bàn huyện miền núi Trước hình biến đổi khí hậu diễn biến phức tạp, tượng thời tiết khó lường Việc xây dựng đồ phân bố lượng mưa cực trị đưa nhận định phân vùng có nguy cao thiên tai lũ lụt, lũ quét, sạt lở đất, an tồn cơng trình đặc biệt cơng trình hồ chứa nước Từ làm sở cho quy hoạch kinh tế xã hội, đồng thời đưa áp lực cần tăng cường lực thích ứng với thiên tai cho người dân khu vực đó, nhằm giảm thiểu thiệt hại thiên tai Hiện nay, mạng lưới quan trắc mưa thưa phân bố khơng đồng đều, việc ước tính lượng mưa ngày max ứng với tần suất toán lũ thiết kế, lũ kiểm tra cho cơng trình giao thơng, thủy lợi lấy theo trạm gần Với đồ dạng phân bố lượng mưa dạng raster, ta dễ dàng biết lượng mưa điểm Từ nâng cao độ xác ước lượng giá trị mưa cực trị vị trí vùng nghiên cứu 4.3 Lựa chọn số liệu để thành lập Atlat mưa Địa phận hành tỉnh Quảng Ngãi giới hạn từ tọa độ địa lý 14032’00” đến 15025’00” vĩ độ Bắc 108016’00” đến 109004’00” Quảng Ngãi có 121 hồ chứa thủy lợi, cấp cơng trình chủ yếu cấp 3,4 vài cơng trình cấp cấp Cho nên để kết sử dụng hiệu luận văn, tác giả tiến hành xuất bản đồ phân bố lượng mưa ứng với tần suất: 2%, 1,5%, 1,0% , 0,5% để dễ dàng nghiên cứu, sử dụng Các số liệu sử dụng để thành lập đồ phân bố lượng mưa cực trị số liệu mưa 1, 3, ngày max ứng với tần suất 2%, 1,5%, 1,0% , 0,5% Bảng số liệu số 3.9, 3.10, 3.11 3.12 4.4 Ứng dụng GIS xây dựng Atlat phân bố mưa 1, 3, 5, ngày max ứng với tần suất cho tỉnh Quảng Ngãi Do đặc thù phân bố không gian vùng khí hậu, lượng mưa có tính đồng diện rộng Do việc xây dựng đồ phân bố lượng mưa hồn tồn sử dụng phương pháp nội suy số liệu lượng mưa để thành lập 40 Trong nghiên cứu này, đồ phân bố lượng mưa thành lập dựa nguyên tắc nội suy biến đổi trung bình với trọng số tính theo khoảng cách ngược Phương pháp biểu diễn cơng thức tốn học sau: n Zp Z W i i 1 n i W i 1 (7) i Trong đó: Zp giá trị nội suy; Zi giá trị đo vị trí (xi, yi); n điểm lấy mẫu; Wi hàm trọng số: Wi dk (8) Với: d khoảng cách từ trạm có giá trị biết đến điểm cần nội suy; k hệ số mũ trọng số Bản đồ kết nội suy dạng raster với kích thước pixel lấy 50mx50m Bản đồ kết nội suy sau cắt bỏ phần khơng nằm diện tích nghiên cứu, để đạt đồ phân bố lượng mưa 1, 3, ngày max Kết đồ mưa 1, ,5 ngày max ứng với tần suất 2%, 1,5%, 1% 0,5% xem Phụ lục Từ đồ kết quả, ta thấy: Diện phân bố lượng mưa cực trị phù hợp với thực tế diễn địa bàn tỉnh (kinh nghiệm qua nhiều năm làm công tác phòng chống lụt bão Chi cục Thủy lợi Quảng Ngãi) 4.5 So sánh kết đồ mưa nội suy theo phương pháp địa phương phương pháp phân tích mưa vùng Để đánh giá lại kết nghiên cứu phương pháp phân tích tần suất mưa Tác giả sử dụng số liệu mưa ngày max để tiến hành thiết lập đồ mưa theo 02 phương pháp: (i) Phương pháp phân tích mưa vùng theo suy luận Bayesian dạng phân phối LN3 (hình 4.1) (ii) Phương pháp địa phương sử dụng suy luận Bayesian dạng phân phối LN3 (hình 4.2) Hình 4.1 hình 4.2 cho kết ước tính phân bố mưa ngày max tương ứng tần suất P=1% (thời gian lặp lại 100 năm) địa bàn tỉnh Quảng Ngãi với sở liệu mưa ngày max dạng phân phối LN3, khác phương pháp phân tích tần suất So sánh kết phương pháp nhận thấy: (i) Hình 4.1 cho thấy tâm mưa lớn khu vực Sơn Giang; khu vực Minh Long Ba Tơ, Trà Bồng có lượng mưa thấp (ii) Ngược lại, Hình 4.2 cho thấy tâm mưa lớn khu vực Minh Long; khu vực Ba Tơ, Sơn Giang Trà Bồng có lượng mưa thấp Vậy đâu quy luật phân bố mưa ngày max phù hợp? 41 Đánh giá chung khí hậu tỉnh Quảng Ngãi [4]: “Vùng núi cao trung bình nằm phía Tây, chiếm khoảng 70% diện tích tự nhiên chạy dọc theo ranh giới Quảng Nam, Kon Tum Bình Định Đây sườn phía Đơng dãy Trường Sơn với cao độ trung bình từ 500 đến 700m, có đỉnh cao 1.000 m đỉnh Hòn Bà 1.146 m, vùng Sơn Hà, Trà Bồng có núi cao từ 1.400÷1.600 m Với dạng địa hình dãy núi chạy dài bao bọc phía Bắc, Tây Nam hình thành cánh cung bao bọc vùng đồng Quảng Ngãi Chính dạng địa hình thuận lợi đón gió mùa Đơng Bắc hình thái thời tiết từ biển Đông đưa vào làm cho lượng mưa vùng dồi đào, hình thành tâm mưa như: Ba Tơ, Trà Bồng, Gia Vực, có lượng mưa từ 3.200÷4.000 mm/năm” Mặt khác, thực tế từ kết thông kê cho thấy lượng mưa ngày max vùng 425,5 ÷ 747,4 mm/ngày Như Trà Bồng lượng mưa ngày max đo vào ngày 29/IX/2009 747,4 mm/ngày, Giá Vực lượng mưa ngày max đo vào ngày 3/XII/1986 723,2 mm/ngày Ngày 4/XII/1999 Sơn Giang 677,2 mm/ngày Ba Tơ 639,5 mm/ngày xuất ngày 3/XII/1999; ngày – 4/XII/1999 vùng thượng nguồn sông Trà Khúc xuất mưa lớn nhiều năm trạm Sơn Giang, Ba Tơ Sơn Hà Dựa vào tài liệu đo mưa trạm, thấy rõ trận mưa lớn không xuất Minh Long Từ yếu tố khách quan thấy phương pháp phân tích mưa vùng có nhiều ưu điểm, kết ước tính phân bố lượng mưa ngày max ứng với tần suất 1% theo phương pháp phân tích mưa vùng (hình 4.2) cho kết phù hợp phương pháp địa phương (hình 4.1) 42 Hình 4.1 Bản đồ mưa ngày max, P=1%, theo phương pháp vùng - Sử dụng suy luận tần suất dạng phân phối LN3 43 Hình 4.2 Bản đồ mưa ngày max, P=1%, theo phương pháp địa phương-sử dụng suy luận Bayesian dạng phân phối LN3 Vậy có khác biệt kết này? Các nghiên cứu trước để ước tính giá trị ứng với tần suất 1% hay thời gian lặp lại 100 năm cần có mẫu số liệu thống kê quan sát đủ dài để đảm bảo chắn suy luận vùng ngoại suy, mẫu số liệu ngắn việc suy luận vùng ngoại suy phụ thuộc vào đường cong tăng trưởng mơ hình phân phối giá trị lớn 44 ghi nhận mẫu số liệu thống kê, định xu hướng dạng đường cong tăng trưởng Trên thực tế số liệu quan sát trạm hạn chế (thường < 35 năm), điều không đảm bảo chắn suy luận nêu hạn chế phương pháp phân tích tần suất theo trạm đo Thực kiểm chứng lượng mưa ngày max ghi nhận cho tất trạm địa bàn tỉnh Quảng Ngãi cho thấy lượng mưa ngày max đo trạm Trà Bồng vào năm 1999 lớn (X= 747,4 mm) chiều dài mẫu quan sát trạm 39 năm Điều dẫn đến không tin cậy ước tính tần suất 1% trạm Trà Bồng kết đồ phân bố mưa (hình 4.1) cho thấy lượng mưa ngày max lớn Minh Long Qua phân tích cho thấy kết sử dụng phương pháp phân tích vùng (hình 4.7) có nhiều ưu điểm, độ tin cậy cao phù hợp với xu phân bố mưa địa bàn tỉnh Quảng Ngãi 4.6 Ứng dụng đồ lượng mưa đánh giá khả xả lũ công trình Hồ chứa nước Nước Trong 4.6.1 Số liệu theo hồ sơ thiết kế duyệt Cơng trình thủy lợi Hồ chứa nước Nước Trong nằm địa bàn xã Sơn Bao, huyện Sơn Hà, tỉnh Quảng Ngãi Hình 4.3 Bản đồ vị trí Hồ Nước Trong 45 Cơng trình xây dựng hoàn thành cuối năm 2016, hoàn chỉnh thủ tục để bàn giao đưa vào sử dụng Một số thông số sau: + Dung tích tồn bộ: V= 289,5x106m3 + Cơng trình cấp II, tần suất thiết kế lũ P=0,5% + Chiều cao đập max: Hmax= 72,5m + Lưu lượng ứng với tần suất thiết kế lũ: Qtk0,5%= 7830,0m3/s + Diện tích lưu vực: Flv=460,0km2 4.6.2 Kết kiểm chứng Sử dụng đồ Raster (độ phân giải 50m x50m) phân bố lượng mưa cực trị ngày max tỉnh Quảng Ngãi để ước tính giá trị lượng mưa lưu vực Nước Trong kết HnP = 723 (mm) Thay vào cơng thức tính tốn lưu lượng đỉnh lũ Qmax theo công thức triết giảm module đỉnh lũ, ta Qmax = 6.828,81(m3/s) Như vậy, lưu lượng tính tốn kiểm chứng Qp0,5%