Quảng Nam là một tỉnh duyên hải Miền Trung phía Bắc giáp tỉnh Thừa Thiên Huế và Đà Nẵng ; phía Tây giáp với nước bạn Lào; phía Nam giáp với tỉnh Quảng Ngãi, Kon Tum và phía Đông giáp biển Đông. Hàng năm, tình hình mưa lũ diễn biến rất phức tạp với lượng mưa phân bố không đều và mưa tập trung tại một số huyện như: Trà My, Đông Giang và Tây Giang (Hình a). Hình thái gây mưa lớn thường do khối không khí lạnh từ phía Bắc và áp thấp từ biển Đông kết hợp với địa hình núi cao đã tạo nên những trận mưa lớn gây lũ trên toàn lưu vực sông của tỉnh Quảng Nam 8.Từ những luận cứ trên, đã đặt ra nhiều câu hỏi cho các đơn vị quản lý lưu vực sông và các nhà thiết kế trong lĩnh vực xây dựng công trình thủy trên địa bàn tỉnh Quảng Nam rằng: Liệu trong tương lai có xuất hiện những trận mưa cực hạn (extreme rainfall ) với lượng mưa lớn hơn nhiều so với các số liệu đã quan trắc hay không? Phương pháp phân tích tần suất truyền thống dựa trên suy luận tần suất liệu có ước tính được giá trị cực hạn này chưa và độ tin cậy là bao nhiêu? Nếu các trận lũ được tạo ra từ các trận mưa này thì liệu các hồ đập có đảm bảo an toàn hay không? Trong khi lưu lượng lũ thiết kế của các công trình dựa trên kết quả tính tần suất từ một mô hình mưa bất lợi của một hoặc một số trạm đo mưa đại diện. Theo nguyên lý xác suất thống kê và phương pháp suy luận truyền thống (suy luận tần suất) thì với kích thước mẫu số liệu quan trắc có hạn của một trạm đo (khu vực miền Trung, số liệu mưa ngày dứơi 40 năm) là khó có thể ước tính được các giá trị mưa ứng với các tần suất cực hạn như: 0,1% ; 0,5%; 1,0%... Để giải quyết vấn đề trên, hiện nay có một phương pháp mới trong phân tích tần suất 1224 đó là phương pháp phân tích tần suất mưa vùng để làm lớn kích thước mẫu số liệu của các trạm đo trong vùng nghiên cứu thông qua chỉ số mưa vùng (index rainfall) và dựa trên suy luận Bayesian, thuật toán Markov chain Monte Carlo để ước tính các tần suất cực hạn với độ tin cậy cao. Đây chính là động lực giúp tác giả thực hiện đề tài : Nghiên cứu tần suất mưa vùng và xây dựng bản đồ mưa cho tỉnh Quảng Nam.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGUYỄN VĨNH LONG NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH TẦN SUẤT MƯA VÙNG VÀ XÂY DỰNG BẢN ĐỒ MƯA CHO TỈNH QUẢNG NAM LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT - ĐÀ NẴNG, 2015 - BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGUYỄN VĨNH LONG NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH TẦN SUẤT MƯA VÙNG VÀ XÂY DỰNG BẢN ĐỒ MƯA CHO TỈNH QUẢNG NAM Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình thuỷ Mã số: 60.58.0202 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Chí Cơng - ĐÀ NẴNG, 2015 - LỜI CAM ĐOAN Tôi 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 Nguyễn Vĩnh Long MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Sự cần thiết phải nghiên cứu Mục đích nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Cấu trúc luận văn CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 CÁC NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 1.1.1 Các nghiên cứu nước 1.1.2 Các nghiên cứu nước 1.2 ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN TỈNH QUẢNG NAM 1.2.1 Vị trí địa lý 1.2.2 Đặc điểm địa hình 1.3 ĐẶC ĐIỂM KHÍ HẬU TRÊN ĐỊA BÀN TỈNH QUẢNG NAM 10 1.3.1 Đặc điểm mưa 10 1.3.2 Đặc điểm lũ lưu vực 11 1.3.3 Phân vùng khí hậu tỉnh Quảng Nam 13 1.4 HIỆN TRẠNG CÁC TRẠM KHÍ TƯỢNG THUỶ VĂN 15 1.4.1 Mạng lưới trạm quan trắc mưa tỉnh Quảng Nam 15 1.4.2 Đánh giá chất lượng liệu mưa 18 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH TẦN SUẤT MƯA VÙNG 20 2.1 SÀNG LỌC SỐ LIỆU 21 2.1.1 Mục đích 21 2.1.2 Phương pháp - Chỉ số đánh giá tính khơng phù hợp (Di) 21 2.2 ĐỊNH DẠNG VÙNG ĐỒNG NHẤT 22 2.2.1 Vùng đồng 22 2.2.2 Xác định vùng đồng 23 2.2.3 Lựa chọn hàm phân phối cho phân tích tần suất mưa vùng 24 2.2.4 Các dạng hàm phân phối phân tích thống kê 25 2.3 ƯỚC LƯỢNG GIÁ TRỊ - PHÂN TÍCH TẦN SUẤT MƯA VÙNG 28 2.3.1 Chỉ số mưa vùng 28 2.3.2 Tổng quan suy luận Bayesian 29 2.3.3 Likelihood mẫu số liệu quan trắc 29 CHƯƠNG 3: ÁP DỤNG PHÂN TÍCH TẦN SUẤT MƯA VÙNG CHO TỈNH QUẢNG NAM 31 3.1 BIẾN ĐỔI MƯA 1, 3, 5, NGÀY LỚN NHẤT TỈNH QUẢNG NAM 31 3.1.1 Lượng mưa ngày max trung bình 31 3.1.2 Lượng mưa ngày lớn tuyệt đối 31 3.1.3 Đặc điểm mưa thời khoảng 3, 5, ngày max 32 3.2 DỮ LIỆU MƯA PHỤC VỤ NGHIÊN CỨU 33 3.3 ÁP DỤNG PHÂN TÍCH TẦN SUẤT MƯA VÙNG CHO TỈNH QUẢNG NAM 38 3.3.1 Xác định tính khơng phù hợp (Di) 38 3.3.2 Kiểm tra tính đồng lượng mưa cực trị 39 3.3.3 Lựa chọn hàm phân phối xác suất 39 3.3.4 Phân tích tần suất mưa vùng cho mơ hình mưa 44 CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG GIS XÂY DỰNG BẢN ĐỒ PHÂN BỐ MƯA CỰC TRỊ CHO TỈNH QUẢNG NAM 55 4.1 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NỘI SUY SỐ LIỆU MƯA TRONG GIS [10] 55 4.2 MỤC ĐÍCH XÂY DỰNG BẢN ĐỒ PHÂN BỐ LƯỢNG MƯA CỰC TRỊ 56 4.3 LỰA CHỌN SỐ LIỆU SỬ DỤNG ĐỂ THÀNH LẬP BẢN ĐỒ MƯA 57 4.4 ỨNG DỤNG GIS XÂY DỰNG BẢN ĐỒ PHÂN BỐ MƯA 1, 3, VÀ NGÀY MAX ỨNG VỚI CÁC TẦN SUẤT CHO TỈNH QUẢNG NAM 57 4.5 SO SÁNH KẾT QUẢ BẢN ĐỒ MƯA NỘI SUY THEO PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN THỐNG VÀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MƯA VÙNG 71 4.6 ỨNG DỤNG KẾT QUẢ PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ LẠI TẦN SUẤT MƯA NĂM 1999 TRÊN LƯU VỰC HỒ PHÚ NINH 78 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 81 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI (Bản sao) PHỤ LỤC 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 bảng Tên bảng Trang 1.1 Danh mục trạm thuỷ văn địa bàn tỉnh Quảng Nam 17 1.2 Danh mục trạm khí tượng địa bàn tỉnh Quảng Nam 17 1.3 Danh mục trạm đo mưa địa bàn tỉnh Quảng Nam 17 1.4 Danh sách trạm đo mưa tự động 18 2.1 Điều kiên đánh giá tính khơng phù hợp dự số Di ứng với số lượng N trạm vùng nghiên cứu 22 3.1 Lượng mưa ngày lớn trạm 32 3.2 33 3.3 Các trạm quan trắc lượng mưa sử dụng tính tốn Lượng mưa ngày max trạm vùng nghiên cứu 3.4 Kết tính tốn Di cho khu vực nghiên cứu 38 3.5 Giá trị số đồng dạng Hi 39 3.6 Giá trị tuyệt đối ZDIST Giá trị mưa ngày max ứng với 1,5%;1,0%;0,5%, tương ứng với giá trị Maximum Likelihood Giá trị mưa ngày max ứng với 1,5%;1,0%;0,5%, tương ứng với giá trị Maximum Likelihood Giá trị mưa ngày max ứng với 1,5%;1,0%;0,5%, tương ứng với giá trị Maximum Likelihood Giá trị mưa ngày max ứng với 1,5%;1,0%;0,5%, tương ứng với giá trị Maximum Likelihood 39 3.7 3.8 3.9 3.10 35 46 47 47 48 3.11 Lượng mưa ngày max ứng với độ tin cậy 5%, ML, 95% 48 3.12 Lượng mưa ngày max ứng với độ tin cậy 5%, ML, 95% 49 4.1 Lượng mưa ngày max trạm Tam Kỳ, Phước Sơn Trà My, Trà Bồng Châu Ổ ứng với tần suất độ tin cậy tương ứng 79 4.2 Lượng mưa quan trắc trạm Xuân Bình Phú Ninh từ ngày 1-7/12/1999 79 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Số hiệu hình vẽ 1.1 Tên hình vẽ Bản đồ địa hình khu vực nghiên cứu Trang 1.4 Các khu vực xảy lũ quét lãnh thổ Việt Nam giai đoạn 1953-2010 Bản đồ ngập lụt tỉnh ứng với mức BĐ3 - trạm Ái Nghĩa Câu Lâu Bản đồ Phân vùng khí hậu tỉnh Quảng Nam 3.1 Bản đồ vị trí trạm quan trắc mưa sử dụng 34 3.2 Biểu đồ hệ số L-moment mơ hình mưa ngày max 40 3.3 Biểu đồ hệ số L-moment mơ hình mưa ngày max 40 3.4 Biểu đồ hệ số L-moment mơ hình mưa ngày max 41 3.5 Biểu đồ hệ số L-moment mơ hình mưa ngày max 41 1.2 1.3 10 12 14 3.12 Đường tần suất mưa 1ngày max trạm Hiên với phân phối Normal Đường tần suất mưa 1ngày max trạm Hiên với phân phối GEV Đường tần suất mưa 1ngày max trạm Hiên với phân phối Pearson III Đường tần suất mưa 3ngày max trạm Hiên với hàm phân phối GLO Đường tần suất mưa 3ngày max trạm Hiên với hàm phân phối GEV Dạng đường cong tần suất hàm cực trị tổng quát - GEV Đường tần suất mưa ngày max trạm Hiên 3.13 Đường tần suất mưa ngày max trạm Thành Mỹ 45 3.14 Đường tần suất mưa ngày max trạm Hội Khách 45 3.15 Đường tần suất mưa ngày max trạm Ái Nghĩa 46 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.16 3.17 Hướng chiếu số liệu mưa cực trị theo trục Đơng Bắc (hướng gió) Biểu đồ độ tin cậy (5% 95%) lượng mưa ngày max (P=1%) tỉnh Quảng Nam 42 42 43 43 43 44 45 50 51 Số hiệu hình vẽ 3.18 3.19 3.20 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 4.13 Tên hình vẽ Biểu đồ độ tin cậy (5% 95%) lượng mưa ngày max (P=1%) tỉnh Quảng Nam Biểu đồ độ tin cậy (5% 95%) lượng mưa ngày max (P=1%) tỉnh Quảng Nam Biểu đồ độ tin cậy (5% 95%) lượng mưa ngày max (P=1%) tỉnh Quảng Nam Bản đồ phân bố lượng mưa ngày max tỉnh Quảng Nam (P=1,0%), ứng với độ tin cậy 5% Bản đồ phân bố lượng mưa ngày max tỉnh Quảng Nam (P=1,0%) Bản đồ phân bố lượng mưa ngày max tỉnh Quảng Nam (P=1,0%), ứng với độ tin cậy 95% Bản đồ phân bố lượng mưa ngày max tỉnh Quảng Nam (P=1,0%), ứng với độ tin cậy 5% Bản đồ phân bố lượng mưa ngày max tỉnh Quảng Nam (P=1,0%) Bản đồ phân bố lượng mưa ngày max tỉnh Quảng Nam (P=1,0%), ứng với độ tin cậy 95% Bản đồ phân bố lượng mưa ngày max tỉnh Quảng Nam (P=1,0%), ứng với độ tin cậy 5% Bản đồ phân bố lượng mưa ngày max tỉnh Quảng Nam (P=1,0%) Bản đồ phân bố lượng mưa ngày max tỉnh Quảng Nam (P=1,0%), ứng với độ tin cậy 95% Bản đồ phân bố lượng mưa ngày max tỉnh Quảng Nam (P=1,0%), ứng với độ tin cậy 5% Bản đồ phân bố lượng mưa ngày max tỉnh Quảng Nam (P=1,0% Bản đồ phân bố lượng mưa ngày max tỉnh Quảng Nam (P=1,0%), ứng với độ tin cậy 95% Bản đồ phân bố lượng mưa ngày max khu vưc Tây Băc tỉnh Quảng Nam (P=1,0%), ứng với độ tin cậy 95% Trang 52 53 54 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 Hình 6d: Đường tần suất mưa ngày max trạm Giao Thủy Hình 7d: Đường tần suất mưa ngày max trạm Hội An Hình 8d: Đường tần suất mưa ngày max trạm Hiệp Đức Hình 9d: Đường tần suất mưa ngày max trạm Nơng Sơn Hình 10d: Đường tần suất mưa ngày max trạm Phước Sơn Hình 11d: Đường tần suất mưa ngày max trạm Tam Kỳ Hình 12d: Đường tần suất mưa ngày max trạm Tiên Phước Hình 13d: Đường tần suất mưa ngày max trạm Trà My Hình 14d: Đường tần suất mưa ngày max trạm Thăng Bình Hình 15d: Đường tần suất mưa ngày max trạm Thạch Bàn Hình 16d: Đường tần suất mưa ngày max trạm Vĩnh Trinh Hình 17d: Đường tần suất mưa ngày max trạm Bà Nà Hình 18d: Đường tần suất mưa ngày max trạm Cẩm Lệ Hình 19d: Đường tần suất mưa ngày max trạm Tà Lương Hình 20d: Đường tần suất mưa ngày max trạm Thượng Nhật Hình 21d: Đường tần suất mưa ngày max trạm Sơn Hà Hình 22d: Đường tần suất mưa ngày max trạm Trà Bồng Hình 23d: Đường tần suất mưa 7NgM trạm Châu Ổ Hình 24d: Đường tần suất mưa ngày max trạm Sơn Tây Hình 25d: Đường tần suất mưa ngày max trạm Đăk Glei ––––––––––––––––––––– Phụ lục 3: Bản đồ phân bố lượng mưa 1, 3, ngày max ứng với tần suất 1,5% 0,5% Lượng mưa Lượng mưa Lượng mưa Lượng mưa Lượng mưa Lượng mưa Lượng mưa Lượng mưa