Tiểu luận môn phương pháp nghiên cứu khoa học đánh giá rủi ro từ thiên nhiên bằng xác suất đầy đủ

ĐẠI 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 Mục lục Vấn đề thảm họa thiên nhiên 1.1 Bão Galveston - 8/9/1900 Cơn bão Galveston đổ vào Galveston - đảo mệnh danh “Viên ngọc Texas” ngày 8/9/1900 Đây trung tâm buôn bán thành phố rộng Texas Tuy nhiên bão cấp với tốc độ gió 135 dặm/giờ đổ vào buổi sáng sớm quét nhà sức mạnh sóng cao tới 15 foot ước tính khoảng 8.000 người thiệt mạng Mặc dù sau thành phố xây dựng lại thành công, không lấy lại thịnh vượng ví “New York miền Nam” trước 1.2 Trận lũ kinh hoàng tháng 8/1971 Cơn lũ vào tháng 8/1971 làm vỡ đê Sông Hồng 100.000 người bị thiệt mạng Đây lũ lớn vòng 250 năm miền Bắc, số tổn thất nhân mạng vượt sức tưởng tượng so với tổn thất chừng 1000 người lũ lịch sử vào năm 1999 miền Trung năm 2000 miền Nam Trận lũ năm 1971 liệt kê danh sách trận lụt lớn kỷ 20 Cơ quan Quản trị Hải dương 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 sông Dương Tử làm thiệt mạng gần triệu 700.000 nguời Trung Hoa Ảnh hưởng dòng nước lạnh La Nina gây nên trận mưa to liên tục vào mùa bão năm Một bão từ miền nam Trung hoa gần Hồng Kông mang đến trận mưa to Sông Thao, Sông Lô Sông Đà Nuớc lũ từ sông hợp lại gây nên lũ lịch sử đồng Sông Hồng Mực nước Sông Hồng ngày 20 tháng lên đến 14,13 m Hà Nội Mực nước Hà Nội cao mực nước báo động cấp III đến 2,63 m Mực nước Sông Hồng đo 18,17 m Việt Trì (cao 2,32 m mức báo động cấp III) 16,29 m Sơn Tây (1,89 m cao mức báo động cấp III) Đồng thời mực nước Sông Cầu, Sông Lô, Sông Thái Bình lên cao hết 1.3 Cháy rừng Victoria 2009 Các vụ cháy rừng lan khắp tiểu bang Victoria, vùng Ðông Nam Úc hôm Thứ Bảy ngày tháng 2, 2009 Các lửa cao ngất thiêu hủy toàn nhiều thị trấn Victoria, khiến dân chúng nơi dùng xe hốt hoảng tháo chạy số người thiệt mạng lên đến 108 hôm Thứ Hai tháng 2, địa phương, đánh dấu thiên tai hỏa hoạn gây thiệt hại nhân mạng lớn từ trước đến quốc gia Chỉ ngày kế tiếp, số thiệt mạng tăng lên 173 người thiêu hủy khoảng 750 nhà lúc nhiệt độ cao gió với cường độ mạnh tạo thành biển lửa khủng khiếp Vụ cháy bụi rậm thảm họa thiên nhiên tệ hại Úc 110 năm Vụ cháy dội gần Úc, xảy hồi năm 1983, làm 75 người chết 3.000 nhà bị thiêu rụi tiểu bang Victoria South Australia Ngoài trước có 71 người chết 650 nhà bị phá hủy trận cháy năm 1939 Cháy rừng thường xuyên xảy Mùa Hè Úc 1.4 Trận động đất sóng thần Tohoku 2011 Trận động đất Tohoku ngày 11 tháng năm 2011 có cường độ cao lịch sử Nhật Bản, với mức 9,0 thang độ lớn mô men (Mw) Theo nhà địa chất học, trận động đất khủng khiếp thứ tư lịch sử loài người kể từ năm 1900 Trận động đất khiến 15.854 người thiệt mạng, 9.677 người bị thương 3.155 người tích 18 tỉnh Nhật Bản 125.000 công trình nhà bị hư hại phá hủy hoàn toàn Trận động đất sóng thần gây nhiều thiệt hại nghiêm trọng quốc gia này, bao gồm hư hỏng nặng nề đường đường sắt gây cháy nổ nhiều khu vực, kèm theo đập bị vỡ Khoảng 4,4 triệu hộ gia đình rơi vào tình trạng điện 1,5 triệu hộ bị nước Nhiều nhà máy phát điện ngưng hoạt động, vụ nổ lò phản ứng rò rỉ khí hydro xảy nhà chứa lò phản ứng hệ thống làm mát bị hỏng hoàn toàn Ngày 18 tháng 3, ông Yukiya Amano, người đứng đầu Cơ quan Nguyên tử Quốc tế cho biết khủng hoảng "cực kì nghiêm trọng" Mọi cư dân phạm vi bán kính 20 km từ nhà máy điện hạt nhân Fukushima I 10 km từ nhà máy điện hạt nhân Fukushima II phải sơ tán Ngoài ra, quyềnHoa Kỳ khuyến cáo công dân họ phải di tản cách nhà máy điện 80 km 1.5 Một số thảm hoạ tự nhiên khác năm 2005 để lại hậu nặng nề cho sống người - Một trận động đất nghiêm trọng 8.7 độ richter công Indonesia ngày 28 tháng cướp sinh mạng 1.600 người - Cơn bão Katrina, bão công vịnh bờ biển vào cuối tháng cướp sinh mạng 1.200 người - Cơn bão Stan, bão gây trận lũ lụt quốc gia dọc vùng Nam Mỹ theo số thống kê cướp sinh mạng 1.153 người tràn vào đất liền ngày tháng 10 Cơn bão Katrina, bão ước tính gây thiệt hại khoảng 200 tỷ đô la tàn phá, thảm hoạ thiên nhiên gây tổn thất vật chất lớn xảy năm Cơn bão Katrina thảm hoạ thiên nhiên gây thiệt hại nặng nề lịch sử nước Mỹ Tất số thống kê làm lu mờ nhiều so sánh với chết hàng năm chiến tranh, nạn đói lây lan dịch bệnh gây Định lý xác suất đầy đủ (Total Probability Theorem) 2.1 Hệ đầy đủ biến cố Hệ biến cố {B1, B2, … , Bn} gọi đầy đủ thỏa mãn đồng thời hai điều kiện: B1, B2, … , Bn biến cố xung khắc đôi một, nghĩa Bi Bj = ∅với mọii≠ j Ω = B1 B2 Bn Hệ {B,}là hệ đầy đủ, B biến cố Ví dụ: Có hộp đựng viên bi màu: xanh, đỏ vàng Chọn ngẫu nhiên viên bi Gọi A, B, C biến cố chọn viên bi màu xanh, đỏ, vàng tương ứng A, B, C hệ đầy đủ xung khắc đôi 2.2 Công thức xác suất đầy đủ Giả sử {B1, B2, … , Bn} hệ đầy đủ biến cố với P(Bi) > 0với i = 1, 2, … , n Khi với biến cố A, ta có P(A) = P(A|B1)P(B1) + P(A|B2)P(B2) + … + P(A|Bn)P(Bn) Hay P(A) = Ví dụ 1: Có hộp giống Hộp thứ đựng 10 sản phẩm, có phẩm, hộp thứ hai đựng 15 sản phẩm, có 10 phẩm, hộp thứ ba đựng 20 sản phẩm, có 15 phẩm Lấy ngẫu nhiên hộp từ lấy ngẫu nhiên sản phẩm Tìm xác suất để lấy phẩm Lời giải: Ký hiệu Bk biến cố: “Sản phẩm lấy thuộc hộp thứ k”, k = 1, 2, A biến cố: “Lấy phẩm” Khi {B1, B2, B3} hệ đầy đủ biến cố P(B1) = ,P(B2) = ,P(B3) = P(A|B1) = P(A|B2) = P(A|B3) = Theo công thức xác suất đầy đủ P(A) = P(A|B1)P(B1) + P(A|B2)P(B2) + P(A|B3)P(B3) Thay vào ta thu P(A) = Vậy xác suất để lấy phẩm Ví dụ 2: Một xí nghiệp có phân xưởng với tỉ lệ phế phẩm tương ứng 1% 2% Biết phân xưởng I sản xuất 40% phân xưởng II sản xuất 60% sản phẩm Tìm xác suất để từ kho xí nghiệp chọn ngẫu nhiên phế phẩm Lời giải: ▪ Ký hiệu Bklà biến cố: “Lấy sản phẩm phân xưởng thứ k”, vớik = 1,2 ▪ Alà biến cố: “Lấy phế phẩm” ▪ Khi {B1, B2}là hệ đầy đủ biến cố ▪ Ta có: P(B1) = , P(B2)= P(A|B1) = , P(A|B2) = ▪ Theo công thức xác suất đầy đủ: P(A) = P(A|B1)P(B1) + P(A|B2)P(B2) Thay vào ta thu P(A) = 1,6% Vậy xác suất để lấy phế phẩm 1,6% Ứng dụng định lý xác suất đầy đủ việc đánh giá rủi ro Ta có công thức xác suất đầy đủ: - Với A biến cố B1, B2,…, Bn lập thành hệ đầy đủ biến cố P(Bi) > Trong đó: P(A|Bi) khả xảy kiện A kèm với xuất kiện Bi; P(Bi) khả xảy kiện Bi Biến đổi công thức xác suất đầy đủ thành dạng liên tục biến ngẫu nhiên, ta có: Công thức PBEE (Performance-based earthquake engineering)  Hiệu suất động đất Công thức PBEE sử dụng để đánh giá khả xuất EDP sau: Tương tự, xác suất hàng năm tham số vượt edp sau: Trong đó, ▪ IM (Intensity Measures): cường độ - thước đo cường độ chuyển động mặt đất ▪ EDP (Engineering Demand Parameters): thông số kỹ thuật - trận địa chấn cần đặc trưng hạn chế biện pháp ứng phó gọi EDP ▪ DM (Damage Measures): đo lường thiệt hại Đây hai công thức sử dụng rộng rãi kỹ thuật tính xác suất động đất  Cường độ động đất Cường độ trận động đất thước đo mức độ thiệt hại gây trận động ▪ đất nơi định ▪ Không có dụng cụ hay sở toán học để đo cường độ trận động đất ▪ Mỗi mức độ đưa với giá trị cường độ dao động từ không thiệt hại đến thiệt hại lớn Modified Mercalli Intensity MMI (còn gọi “thang Mercalli (hiệu chỉnh)” ): quy mô cường độ chuyển động, với giá trị số nguyên từ đến 12 Intensity Shaking I II Không cảm nhận Yếu III Nhẹ Description/Damage Không nhận rung động Có thể cảm nhận nằm nghỉ tòa nhà cao tầng Có thể cảm nhận nhà; ngược lại, không thấy bên IV Tương đối Một số đồ vật nhỏ chén bát bị dịch chuyển V Khá mạnh VI Mạnh VII Rất mạnh VIII IX Có sức phá hoại Uy hiếp Phần lớn người cảm nhận ngủ Cửa bị đóng sập lại, bình hoa bị rơi vỡ Mọi người dễ dàng cảm nhận được, việc lại gặp khó khăn, đồ vật hư hỏng, nhà cửa với kết cấu yếu dễ dàng bị hư hại Trở ngại việc di chuyển, chí xe hơi, nguy hiểm nhà cửa Phá hủy nhà có yếu số công trình cầu cống Khá nguy hiểm nhà cao tầng, phá hủy công trình đường ống lòng đất Phần lớn nhà cửa bị phá hủy, có tượng sạt lở đất Hầu hết công trình xây dựng lẫn mặt đất bị hư hỏng nặng Gần thứ bị phá hủy, địa mạo bị biến dạng, thứ bị hất tung lên X Mạnh dội XI Cực kỳ mạnh XII Thảm họa  Ứng dụng MMI I P[max MMI in 100 years = I] 0.3 0.1 0.03 0.01 10 0.003 11 0.001 12 0.0003 - Độ nguy hiểm địa chấn Boston đánh giá theo thay đổi MMI tính khoảng thời gian 100 năm - Tổng giá trị xác suất không tiến đến không tính vào xác suất có giá trị MMI nhỏ Giá trị MMI nhỏ không đặt mối đe doạ đáng kể nên không tính vào Kết luận: Dự báo phòng chống tai hoạ thiên nhiên, động đất, không trách nhiệm nhà địa chấn chuyên gia nhiều ngành kỹ thuật có liên quan, mà vấn đề xã hội quan tâm Các nhà khoa học chuyên gia kỹ thuật tốn nhiều công sức trí tuệ, đặc biệt Mỹ, Nhật Bản, Trung Quốc Liên Xô, cho hoạt động nghiên cứu dự báo động đất, đến vấn đề cấp bách phức tạp chưa giải Dự báo động đất có nghĩa phải trả lời được: Động đất xảy đâu? Mạnh đến cỡ nào? Và nào? Trong câu hỏi đó, câu hỏi thứ ba quan trọng khó trả lời Hai câu hỏi đầu giải có hiệu nhờ đồ phân vùng động đất phân vùng vi địa chấn Các đồ cho biết nơi đâu (chưa cho biết toạ độ xác!) cường độ bao nhiêu, động đất xảy Cho đến có dự báo thành công mỹ mãn Trung Quốc, cụ thể trận động đất xảy vào ngày 4-2-1975 thành phố Hải Thành, tỉnh Liêu Ninh báo trước 30 phút Nhờ dù động đất mạnh (M = 7,3) phá huỷ hàng trăm nhà nhà máy, thiệt hại nhân mạng Thực ra, nhà địa chấn có dự báo số trận động đất khác nữa, chưa đạt mức xác trường hợp vừa kể Để đưa dự báo trận động đất xảy nhà địa chấn phải vào tập hợp dấu hiệu đặc trưng môi trường địa chất, kể thay đổi bất thường hành vi động vật trước có động đất Chúng ta liệt kê dấu hiệu quan trọng đáng tin cậy đây: - Sự xuất chấn động yếu trước có động đất mạnh - Sự dịch chuyển nhanh vỏ trái đất, xác định nhờ mạng trắc địa đo đạc từ vệ tinh - Sự thay đổi tốc độ truyền sóng động đất: trước động đất mạnh xảy tỉ số tốc độ sóng dọc tốc độ sóng ngang có biến đổi - Sự thay đổi từ trường trái đất độ dẫn điện đất đá - Sự thay đổi lượng thành phần loại khí, đặc biệt rađon clo, thoát trước xảy động đất - Sự thay đổi mực nước giếng lỗ khoan Mực nước đất thường dâng lên sụt xuống dấu hiệu thể rõ trước xảy trận động đất Hải Thành, Liêu Ninh, Trung quốc Trong chưa dự báo xác trận động đất, phân vùng động đất coi sở để đưa giải pháp phòng chống động đất Dựa kết nghiên cứu trận động đất xảy khứ, điều kiện địa chất vùng, nhà địa chấn thành lập đồ phân vùng động đất Trên đồ phân vùng địa chấn vạch đới phát sinh động đất, vạch vùng, dãi có khả bị động đất có cường độ từ cấp VII trở lên (theo thang động đất MSK – 64) Bản đồ phân vùng động đất cho lãnh thổ, khu vực quan trọng để thiết lập qui hoạch xây dựng công trình mặt đất áp dụng 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-nenpho-bien-hon.aspx [...]...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-nenpho-bien-hon.aspx ... thức xác suất đầy đủ: P(A) = P(A|B1)P(B1) + P(A|B2)P(B2) Thay vào ta thu P(A) = 1,6% Vậy xác suất để lấy phế phẩm 1,6% Ứng dụng định lý xác suất đầy đủ việc đánh giá rủi ro Ta có công thức xác suất. .. tranh, nạn đói lây lan dịch bệnh gây Định lý xác suất đầy đủ (Total Probability Theorem) 2.1 Hệ đầy đủ biến cố Hệ biến cố {B1, B2, … , Bn} gọi đầy đủ thỏa mãn đồng thời hai điều kiện: B1, B2,... suất đầy đủ: - Với A biến cố B1, B2,…, Bn lập thành hệ đầy đủ biến cố P(Bi) > Trong đó: P(A|Bi) khả xảy kiện A kèm với xuất kiện Bi; P(Bi) khả xảy kiện Bi Biến đổi công thức xác suất đầy đủ thành