Các ngọn lửa cao ngất đã thiêu hủy toàn bộ nhiều thị trấn tại Victoria, khiến dân chúng nơi đây lũ lượt dùng xe hốt hoảng tháo chạy trong khi số người thiệt mạng lên đến 108 hôm Thứ Hai
Trang 1ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HỒ CHÍ MINH KHOA KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT MÁY TÍNH
NGÀNH HỆ THỐNG THÔNG TIN QUẢN LÝ
-MÔN PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
ĐÁNH GIÁ RỦI RO TỪ THIÊN NHIÊN
BẰNG XÁC SUẤT ĐẦY ĐỦ
Giáo viên: TS Nguyễn Văn Minh Mẫn Học viên: Phạm Ngọc Khoa – 7141138
Phạm Hoàng Minh - 7141139 Nguyễn Hoàng Anh - 714113
Tp Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 05 năm 2015
Trang 2Mục lục
1 Vấn đề về thảm họa thiên nhiên 2
1.1 Bão Galveston - 8/9/1900 2
1.2 Trận lũ kinh hoàng tháng 8/1971 2
1.3 Cháy rừng ở Victoria 2009 3
1.4 Trận động đất sóng thần Tohoku 2011 3
1.5 Một số thảm hoạ tự nhiên khác trong năm 2005 để lại hậu quả nặng nề cho cuộc sống của con người 4 2 Định lý xác suất đầy đủ (Total Probability Theorem) 4
2.1 Hệ đầy đủ các biến cố 4
2.2 Công thức xác suất đầy đủ 5
3 Ứng dụng của định lý xác suất đầy đủ trong việc đánh giá rủi ro 6
4 Kết luận: 9
5 Tài liệu tham khảo: 10
Trang 31 Vấn đề về thảm họa thiên nhiên
1.1 Bão Galveston - 8/9/1900
Cơn bão Galveston đổ bộ vào Galveston - hòn đảo được mệnh danh là “Viên ngọc của Texas” ngày 8/9/1900 Đây đã từng là trung tâm buôn bán bông và là thành phố rộng nhất của
Texas Tuy nhiên cơn bão cấp 4 với tốc độ gió 135 dặm/giờ đã đổ bộ vào buổi sáng sớm quét sạch các toà nhà dưới sức mạnh của sóng cao tới 15 foot ước tính khoảng 8.000 người đã thiệt mạng Mặc dù sau đó thành phố đã được xây dựng lại thành công, nhưng nó không bao giờ lấy
lại được sự thịnh vượng được ví như “New York của miền Nam” trước đó.
1.2 Trận lũ kinh hoàng tháng 8/1971
Cơn lũ vào tháng 8/1971 đã làm vỡ đê Sông Hồng và 100.000 người đã bị thiệt mạng Đây là cơn
lũ lớn nhất trong vòng 250 năm nay ở miền Bắc, và số tổn thất nhân mạng vượt quá sức tưởng tượng so với tổn thất chừng 1000 người trong các cơn lũ lịch sử vào năm 1999 ở miền Trung và năm 2000 ở miền Nam
Trận lũ năm 1971 được liệt kê trong danh sách các trận lụt lớn nhất thế kỷ 20 của Cơ quan Quản trị Hải dương và Khí tượng Hoa Kỳ (“Top Global Weather, Water and Climate Events of the 20th Century”, U S National Oceanic & Atmospheric Administration). Lũ lịch sử năm 1971 đứng hàng nhì sau trận lụt năm 1931 ở sông Dương Tử làm thiệt mạng gần 3 triệu 700.000 nguời ở Trung Hoa
Ảnh hưởng dòng nước lạnh La Nina đã gây nên những trận mưa to liên tục vào mùa bão năm
đó Một cơn bão từ miền nam Trung hoa gần Hồng Kông mang đến những trận mưa to trên các Sông Thao, Sông Lô và Sông Đà.
Nuớc lũ từ các sông này đã hợp lại gây nên cơn lũ lịch sử của đồng bằng Sông Hồng Mực nước Sông Hồng ngày 20 tháng 8 lên đến 14,13 m ở Hà Nội Mực nước ở Hà Nội này cao hơn mực nước báo động cấp III đến 2,63 m Mực nước Sông Hồng đo được 18,17 m ở Việt Trì (cao hơn 2,32 m mức báo động cấp III) và 16,29 m ở Sơn Tây (1,89 m cao hơn mức báo động cấp III) Đồng thời mực nước ở các Sông Cầu, Sông Lô, Sông Thái Bình lên cao hơn bao giờ hết.
Trang 41.3 Cháy rừng ở Victoria 2009
Các vụ cháy rừng đã lan ra khắp tiểu bang Victoria, vùng Ðông Nam Úc hôm Thứ Bảy ngày
7 tháng 2, 2009 Các ngọn lửa cao ngất đã thiêu hủy toàn bộ nhiều thị trấn tại Victoria, khiến dân chúng nơi đây lũ lượt dùng xe hốt hoảng tháo chạy trong khi số người thiệt mạng lên đến 108 hôm Thứ Hai 9 tháng 2, giờ địa phương, đánh dấu thiên tai hỏa hoạn gây thiệt hại nhân mạng lớn nhất từ trước đến nay tại quốc gia này Chỉ ngày kế tiếp, con số thiệt mạng đã tăng lên 173 người
và thiêu hủy khoảng 750 căn nhà trong lúc nhiệt độ cao và gió với cường độ rất mạnh đã cùng nhau tạo thành biển lửa khủng khiếp
Vụ cháy bụi rậm này là thảm họa thiên nhiên tệ hại nhất ở Úc trong 110 năm Vụ cháy dữ dội nhất gần đây tại Úc, đã xảy ra hồi năm 1983, làm 75 người chết và hơn 3.000 ngôi nhà bị thiêu rụi tại các tiểu bang Victoria và South Australia Ngoài ra trước đó có 71 người chết và 650 căn nhà bị phá hủy trong trận cháy năm 1939 Cháy rừng thường xuyên xảy ra trong Mùa Hè ở Úc
1.4 Trận động đất sóng thần Tohoku 2011
Trận động đất tại Tohoku ngày 11 tháng 3 năm 2011 có cường độ cao nhất trong lịch sử Nhật Bản, với mức 9,0 trong thang độ lớn mô men (Mw) Theo các nhà địa chất học, đây là trận động đất khủng khiếp thứ tư trong lịch sử loài người kể từ năm 1900.
Trận động đất khiến 15.854 người thiệt mạng, 9.677 người bị thương và 3.155 người mất tích tại
18 tỉnh của Nhật Bản và hơn 125.000 công trình nhà ở bị hư hại hoặc phá hủy hoàn toàn Trận động đất và sóng thần đã gây ra nhiều thiệt hại nghiêm trọng tại quốc gia này, bao gồm những hư hỏng nặng nề về đường bộ và đường sắt cũng như gây cháy nổ tại nhiều khu vực, kèm theo một con đập bị vỡ. Khoảng 4,4 triệu hộ gia đình rơi vào tình trạng mất điện và 1,5 triệu hộ bị mất nước. Nhiều nhà máy phát điện đã ngưng hoạt động, và ít nhất 3 vụ nổ lò phản ứng do rò rỉ khí hydro đã xảy ra tại nhà chứa các lò phản ứng khi hệ thống làm mát bị hỏng hoàn toàn Ngày 18 tháng 3, ông Yukiya Amano, người đứng đầu Cơ quan Nguyên tử Quốc tế đã cho biết cuộc khủng hoảng này "cực kì nghiêm trọng" Mọi cư dân trong phạm vi bán kính 20 km từ nhà máy điện hạt nhân Fukushima I và 10 km từ nhà máy điện hạt nhân Fukushima II đã phải sơ tán Ngoài ra, chính quyềnHoa Kỳ khuyến cáo công dân của họ phải di tản cách các nhà máy điện
80 km
Trang 51.5 Một số thảm hoạ tự nhiên khác trong năm 2005 để lại hậu quả nặng nề cho cuộc sống của con người
- Một trận động đất nghiêm trọng 8.7 độ richter tấn công Indonesia ngày 28 tháng 3 cướp đi sinh mạng của hơn 1.600 người.
- Cơn bão Katrina, cơn bão đã tấn công vịnh bờ biển vào cuối tháng 8 cướp đi sinh mạng của hơn 1.200 người
- Cơn bão Stan, cơn bão đã gây ra các trận lũ lụt ở các quốc gia dọc vùng Nam Mỹ theo con số thống kê đã cướp đi sinh mạng của 1.153 người khi nó tràn vào đất liền ngày 4 tháng 10.
Cơn bão Katrina, cơn bão ước tính đã gây ra thiệt hại khoảng 200 tỷ đô la vì sự tàn phá, là thảm hoạ thiên nhiên gây tổn thất vật chất lớn nhất xảy ra trong năm nay Cơn bão Katrina cũng là thảm hoạ thiên nhiên gây thiệt hại nặng nề nhất trong lịch sử nước Mỹ.
Tất cả các con số thống kê này đã làm lu mờ rất nhiều sự so sánh với những cái chết hàng năm
do chiến tranh, nạn đói kém và sự lây lan của dịch bệnh gây ra.
2 Định lý xác suất đầy đủ (Total Probability Theorem)
2.1 Hệ đầy đủ các biến cố
Hệ các biến cố {B 1 , B 2 , … , B n } được gọi là đầy đủ nếu thỏa mãn đồng thời hai điều kiện:
B 1 , B 2 , … , B n là các biến cố xung khắc từng đôi một, nghĩa là B i ∩ B j = với mọii≠ j
Ω = B 1 ∪ B 2 ∪ ∪ B n
Hệ {B, B }là một hệ đầy đủ, trong đó B là một biến cố bất kỳ.
Ví dụ:
Có một hộp đựng 3 viên bi màu: xanh, đỏ và vàng Chọn ngẫu nhiên một viên bi Gọi A, B, C là biến cố chọn được viên bi màu xanh, đỏ, vàng tương ứng thì A, B, C là hệ đầy đủ và xung khắc từng đôi
Trang 62.2 Công thức xác suất đầy đủ
Giả sử {B 1 , B 2 , … , B n } là hệ đầy đủ các biến cố với P(B i) > 0với mọi i = 1, 2, … , n Khi đó với
bất kỳ biến cố A, ta có
P(A) = P(A|B 1 )P(B 1 ) + P(A|B 2 )P(B 2 ) + … + P(A|B n )P(B n )
Hay
P(A) =∑
i=1
n
¿¿
Ví dụ 1:
Có 3 hộp giống nhau Hộp thứ nhất đựng 10 sản phẩm, trong đó có 6 chính phẩm, hộp thứ hai đựng 15 sản phẩm, trong đó có 10 chính phẩm, hộp thứ ba đựng 20 sản phẩm, trong đó có 15 chính phẩm Lấy ngẫu nhiên một hộp và từ đó lấy ngẫu nhiên một sản phẩm Tìm xác suất để lấy được chính phẩm
Lời giải:
Ký hiệu B k là biến cố: “Sản phẩm lấy ra thuộc hộp thứ k”, k = 1, 2, 3 và A là biến cố: “Lấy được
chính phẩm”
Khi đó {B 1 , B 2 , B 3} là hệ đầy đủ các biến cố và
P(B 1 ) = 13,P(B 2 ) = 13,P(B 3 ) = 13
P(A|B 1 ) = 106
P(A|B 2 ) = 1015
P(A|B 3 ) = 1520
Theo công thức xác suất đầy đủ
P(A) = P(A|B 1 )P(B 1 ) + P(A|B 2 )P(B 2 ) + P(A|B 3 )P(B 3 )
Thay vào ta thu được
Trang 7P(A) = 121180
Vậy xác suất để lấy được chính phẩm là 121180
Ví dụ 2:
Một xí nghiệp có 2 phân xưởng với các tỉ lệ phế phẩm tương ứng là 1% và 2% Biết phân xưởng
I sản xuất 40% còn phân xưởng II sản xuất 60% sản phẩm Tìm xác suất để từ kho của xí nghiệp chọn ngẫu nhiên được 1 phế phẩm
Lời giải:
▪ Ký hiệu B k là biến cố: “Lấy được 1 sản phẩm của phân xưởng thứ k”, vớik = 1,2
▪ Alà biến cố: “Lấy được 1 phế phẩm”
▪ Khi đó {B 1 , B 2 }là hệ đầy đủ các biến cố
▪ Ta có:
P(B 1 ) = 40 % , P(B 2 )=60%
P(A|B 1 ) = 1%, P(A|B 2 ) = 2%
▪ Theo công thức xác suất đầy đủ:
P(A) = P(A|B 1 )P(B 1 ) + P(A|B 2 )P(B 2 )
Thay vào ta thu được
P(A) = 1,6%
Vậy xác suất để lấy được phế phẩm là 1,6%.
3 Ứng dụng của định lý xác suất đầy đủ trong việc đánh giá rủi ro
Ta có công thức xác suất đầy đủ:P(A)=∑
i=1
n
P(A|B i¿P (Bi)¿
- Với A là biến cố bất kỳ và B1, B2,…, Bn lập thành hệ đầy đủ các biến cố và P(Bi) > 0
- Trong đó: P(A|Bi) là khả năng xảy ra của sự kiện A đi kèm với sự xuất hiện của sự kiện Bi; và P(Bi) là khả năng xảy ra của sự kiện Bi
Trang 8Biến đổi công thức xác suất đầy đủ thành dạng liên tục của các biến ngẫu nhiên, ta có:
P(A)=∫
−∞
∞
P( A∨B)dP(B) Công thức PBEE (Performance-based earthquake engineering)
Hiệu suất của động đất
Công thức PBEE có thể được sử dụng để đánh giá khả năng xuất hiện của bất kỳ EDP như sau:
P(EDP<edp)=∫
0
∞
P(EDP<edp|ℑ=ℑ¿dP (ℑ)¿
Tương tự, xác suất hàng năm của một tham số vượt quá edp như sau:
P(EDP>edp)=∫
0
∞
[1−P(EDP<edp|ℑ=ℑ)¿|dv(ℑ)
dIM |dIM¿
Trong đó,
▪ IM (Intensity Measures): cường độ - một thước đo của cường độ chuyển động của mặt đất
▪ EDP (Engineering Demand Parameters): thông số kỹ thuật - các trận địa chấn cần được đặc trưng bởi hạn chế của các biện pháp ứng phó được gọi là EDP
▪ DM (Damage Measures): đo lường thiệt hại
Đây là hai công thức được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật tính xác suất về động đất
Cường độ động đất
▪ Cường độ của một trận động đất là thước đo mức độ thiệt hại gây ra bởi một trận động đất tại một nơi nhất định
▪ Không có dụng cụ hay cơ sở toán học để đo cường độ trận động đất
▪ Mỗi mức độ được đưa ra với một giá trị cường độ dao động từ không thiệt hại đến thiệt hại lớn nhất
Modified Mercalli Intensity hoặc MMI (còn gọi là “thang Mercalli (hiệu chỉnh)” ): là quy mô của cường độ chuyển động, với giá trị số nguyên từ 1 đến 12
Trang 9Intensity Shaking Description/Damage
I Không cảm nhận
được Không nhận ra rung động nào.
II Yếu Có thể cảm nhận được khi đang nằm nghỉ hoặc ở trên tòa nhà
cao tầng
III Nhẹ Có thể cảm nhận được nếu đang ở trong nhà; ngược lại, sẽ
không thấy gì nếu đang ở bên ngoài
IV Tương đối Một số đồ vật nhỏ như chén bát có thể bị dịch chuyển
V Khá mạnh Phần lớn mọi người đều có thể cảm nhận được ngay cả khi đang
ngủ Cửa bị đóng sập lại, bình hoa bị rơi vỡ
VI Mạnh Mọi người dễ dàng cảm nhận được, việc đi lại gặp khó khăn, đồ
vật hư hỏng, nhà cửa với kết cấu yếu dễ dàng bị hư hại
VII Rất mạnh Trở ngại trong việc di chuyển, thậm chí ngay cả khi đang trong
xe hơi, rất nguy hiểm đối với nhà cửa
VIII Có sức phá hoại Phá hủy các ngôi nhà có nền yếu và một số công trình cầu cống
IX Uy hiếp Khá nguy hiểm đối với nhà cao tầng, phá hủy các công trình
đường ống dưới lòng đất
X Mạnh dữ dội Phần lớn nhà cửa đều bị phá hủy, có thể có hiện tượng sạt lở
đất
XI Cực kỳ mạnh Hầu hết công trình xây dựng trên lẫn dưới mặt đất đều bị hư
hỏng nặng
XII Thảm họa Gần như mọi thứ đều bị phá hủy, địa mạo bị biến dạng, mọi thứ
bị hất tung lên
Ứng dụng MMI
I P[max MMI in 100 years = I]
6 7 8
0.3 0.1 0.03
Trang 109 10 11 12
0.01 0.003 0.001 0.0003
- Độ nguy hiểm của địa chấn tại Boston đã được đánh giá theo sự thay đổi của MMI tính trong khoảng thời gian 100 năm
- Tổng giá trị xác suất này sẽ không tiến đến 1 vì không tính vào các xác suất có giá trị MMI nhỏ hơn 6 Giá trị MMI nhỏ hơn 6 không đặt ra mối đe doạ đáng kể nên không được tính vào
4 Kết luận:
Dự báo và phòng chống các tai hoạ thiên nhiên, nhất là đối với động đất, không chỉ là trách nhiệm của các nhà địa chấn và các chuyên gia của nhiều ngành kỹ thuật có liên quan, mà còn là vấn đề được cả xã hội quan tâm Các nhà khoa học và các chuyên gia kỹ thuật đã tốn rất nhiều công sức và trí tuệ, đặc biệt là ở Mỹ, Nhật Bản, Trung Quốc và Liên Xô, cho hoạt động nghiên cứu dự báo động đất, nhưng đến nay vấn đề cấp bách và phức tạp này vẫn chưa giải quyết được
Dự báo động đất có nghĩa là phải trả lời được: Động đất xảy ra tại đâu? Mạnh đến cỡ nào? Và khi nào? Trong 3 câu hỏi đó, câu hỏi thứ ba là quan trọng nhất và cũng khó trả lời nhất Hai câu hỏi đầu đã được giải quyết có hiệu quả nhờ các bản đồ phân vùng động đất và phân vùng vi địa chấn Các bản đồ đó cho chúng ta biết nơi đâu (chưa cho biết được toạ độ chính xác!) và cường
độ bao nhiêu, nếu động đất xảy ra Cho đến nay chỉ có một dự báo thành công mỹ mãn ở Trung Quốc, cụ thể là trận động đất xảy ra vào ngày 4-2-1975 tại thành phố Hải Thành, tỉnh Liêu Ninh
đã được báo trước 5 giờ 30 phút Nhờ đó dù động đất rất mạnh (M = 7,3) phá huỷ hàng trăm toà nhà và nhà máy, nhưng thiệt hại nhân mạng rất ít Thực ra, các nhà địa chấn đã có các dự báo đúng đối với một số trận động đất khác nữa, nhưng chưa đạt được mức chính xác như trường hợp vừa kể Để đưa ra các dự báo về các trận động đất sẽ xảy ra các nhà địa chấn phải căn cứ vào một tập hợp các dấu hiệu đặc trưng của môi trường địa chất, kể cả sự thay đổi bất thường trong hành vi của động vật trước khi có động đất Chúng ta có thể liệt kê các dấu hiệu quan trọng và đáng tin cậy như dưới đây:
- Sự xuất hiện các chấn động yếu trước khi có động đất mạnh
- Sự dịch chuyển nhanh của vỏ trái đất, được xác định nhờ mạng trắc địa và đo đạc từ vệ tinh
- Sự thay đổi tốc độ truyền sóng động đất: trước khi động đất mạnh xảy ra tỉ số giữa tốc độ sóng
Trang 11dọc và tốc độ sóng ngang có sự biến đổi.
- Sự thay đổi của từ trường trái đất và độ dẫn điện của đất đá
- Sự thay đổi lượng và thành phần của các loại khí, đặc biệt là rađon và clo, thoát ra trước khi xảy ra động đất
- Sự thay đổi mực nước trong giếng và lỗ khoan Mực nước dưới đất thường dâng lên hoặc sụt xuống là dấu hiệu thể hiện rất rõ trước khi xảy ra trận động đất ở Hải Thành, Liêu Ninh, Trung quốc
Trong khi chưa có thể dự báo chính xác từng trận động đất, thì phân vùng động đất được coi là
cơ sở để đưa ra các giải pháp phòng chống động đất Dựa trên kết quả nghiên cứu các trận động đất xảy ra trong quá khứ, các điều kiện địa chất của một vùng, các nhà địa chấn thành lập bản đồ phân vùng động đất Trên bản đồ phân vùng địa chấn vạch ra các đới phát sinh động đất, vạch ra các vùng, các dãi có khả năng bị động đất có cường độ từ cấp VII trở lên (theo thang động đất MSK – 64) Bản đồ phân vùng động đất cho một lãnh thổ, một khu vực là một căn cứ quan trọng
để thiết lập qui hoạch xây dựng các công trình trên mặt đất và áp dụng các biện pháp kỹ thuật phòng chống động đất
5 Tài liệu tham khảo:
Evaluation of natural and man-made risks (Total Probability Theorem)
http://www.donre.hochiminhcity.gov.vn
http://khoahoc.tv/doisong/moi-truong/tham-hoa/552_tham-hoa-thien-nhien-se-ngay-cang-tro-nen-pho-bien-hon.aspx