Các phương pháp thống kê trong thủy văn

Các phương pháp thống kê trong thủy vănCác phương pháp thống kê trong thủy vănCác phương pháp thống kê trong thủy vănCác phương pháp thống kê trong thủy vănCác phương pháp thống kê trong thủy vănCác phương pháp thống kê trong thủy vănCác phương pháp thống kê trong thủy vănCác phương pháp thống kê trong thủy vănCác phương pháp thống kê trong thủy vănCác phương pháp thống kê trong thủy vănCác phương pháp thống kê trong thủy văn

Lời tựa Việc sử dụng rộng rãi phơng pháp lý thuyết xác suất thuỷ văn khởi đầu vào năm 30 kỷ XX Những nghiên cứu tích cực lĩnh vực đợc triển khai mạnh năm sau chiến tranh Việc sử dụng phơng pháp thống kê thuỷ văn mở rộng cách đáng kể Tuy nhiên, kết nghiên cứu vấn đề đợc trình bày báo riêng biệt chuyên khảo hẹp không phù hợp với nhà thuỷ văn thực hành Các công trình trình bày cách có hệ thống việc áp dụng phơng pháp thống kê thuỷ văn bỏ ngỏ Tập thể tác giả mong muốn khắc phục khiếm khuyết tiếp tục phát triểnviệc áp dụng phơng pháp thống kê thuỷ văn học Khi soạn thảo sách tác giả có xu hớng trình bày tài liệu cách đơn giản trực quan nhất, bỏ qua cấu trúc toán học phức tạp cá vấn đề thống kê chuyên dụng Cho nên chủ yếu ý vào việc giải thích ý nghĩa vật lý thủ thuật thống kê với lợng thông tin hoàn toàn không đầy đủ xác Khuôn khổ bó hẹp sách phải bỏ qua việc trình bày chi tiết lý thuyết hàm ngẫu nhiên gồm việc sử dụng hàm tơng quan quan hệ, hàm tự tơng quan, hàm phổ phổ kép, đồng pha lệch pha dao động tuần hoàn Trong sách không xét phơng pháp thống kê dự báo dao động nhiều năm đặc trng thuỷ văn phân tích độ ổn định theo thời gian dẫn độ xác hàm phổ hàm tơng quan có quan hệ trực tiếp tới việc đánh giá độ tin cậy sơ đồ dự báo, đợc thực việc sử dụng phép thống kê Vì lẽ không đa vào sách phụ lục bảng hiệu chỉnh đợc sử dụng tính toán Việc soạn sách có nhiều khó khăn nên tránh khỏi nhiều thiếu sót Thực tiễn sử dụng phê bình nghiêm túc khắc phục thiếu sót đó, tác giả sẵn sàng tiếp nhận trân trọng cảm ơn Các tác giả cảm ơn GS GAG Svanhidze lời giá trị qua trình phản biện soát thảo Mở đầu Các luận điểm chung Các phơng pháp thống kê nghiên cứu thuỷ văn đợc ứng dụng giải nhiều toán nhiều đờng để đánh giá định lợng khía cạnh khác tợng thuỷ văn Phát biểu xuất phát từ chất đa nhân tố trình thuỷ văn Thực ngời ta biét cách rộng rãi nhiều tợng thuỷ văn kết tác động số lớn nhân tố, mức độ ảnh hởng nhân tố lê hình thành tựơng xét tính cách trọn vẹn điều Mô tả toán học tợng tơng tự phng pháp thống kê Thí dụ, xét lu lợng cực đại nớc, giá trị xác định trực tiếp kích thớc thành phần quan trọng công trình thuỷ Dòng chảy cực đại đợc hình thành dới tác động nhân tố khí tợng đặc điểm mặt đệm Các nhân tố khí tợng bao gồm ma, lớp phủ tuyết, phân bố củ chúng theo diện tích bồn thu nớc, cờng độ thời đoạn ma cấp nớc lớp phủ tuyết Cũng ảnh hởng tới dòng chảy cực đại sông ngòi độ ẩm trớc lu vựcmà lại đợc xác định tổ hợp yếu tố khí tợng điều kiện địa lý tự nhiên khác: ma, bốc từ bề mặt lu vực, tính chất thuỷ lý lớp thổ nhỡng nhiều yếu tố khác Các nhân tố địa lý tự nhiên bao gồm kích thớc dạng bồn thu nớc, cấu trúc mạng lới thuỷ văn, độ dốc sông ngòi lu vực, điều kiện địa chất thuỷ đại chất bồn thu nớc, có mặt điền trũng, ao hồ, đầm lầy, rừng, hồ chứa v.v Làm sáng tỏ quy luật đặc trng cho tợng đợc hình thành nh hệ mối quan hệ đa nhân tố phơng pháp thống kê áp dụng phơng pháp thống kê thuỷ văn có vài đặc điểm chi phối đặc thù tợng xét thuỷ văn Đặc điểm thứ hành trangcủa nhà thuỷ văn thơng có thông tin mà thờng tăng lên đợc Khi quan trọng vấn đề ớc lợng thống kê tham số lựa chọn phân phối để tăng nhân tạo lợng thông tin (dẫn dãy thuỷ văn ngắn thời đoạn nhiều năm), lựa chọn mô hình toán tơng đối phù hợp thở mãn tốt số liệu thực nghiệm Thực vậy, thờng trớc đợc hàm phân bố mô tả đặc trng thuỷ văn hay Khi thông tin bổ sungvề dạng đờng cong phân bố, số liệu quan trắc , tất nhiên ngắn, cha có Nên lựa chọn đờng cong phân bố thờng đợc thực xuất phát từ vài quan niệm chung, thí dụ điều kiện biên cần thoả mãn sơ đồ đợc tiếp nhận Mức độ tơng ứng tài liệu thực nghiệm với đờng cong phân bố đợc lựa chọn sử dụng (đờng đảm bảo) sau đợc kiểm tra cách so sánh đờng cong phân bố lý thuyết với thực nghiệm Trong nhiều trờng hợp số liệu quan trắc dòng chảy thờng trùng lặp với số đờng phân bố giải tích Trong trừng hợp nh lựa chọn đờng cong phân bố khác trở thành nhiệm vụ không xác định tất nhiên dẫn đến nhiều kết tính toán khác Sau xác định qui luật phân bố mà mô tả tợng thuỷ văn ta quan tâm, xuất nhiệm vụ đánh giá tham số phân bố tổng hợp theo tập mẫu đến lợt lại đợc thực với mức độ xác phụ thuộc vào dạng đờng cong phân bố lợng thông tin thực tính toán tham số lựa chọn phân bố Do đánh giá lựa chọn tham số phân bố đợc thực thờng xuyên với sai số kia, xác định tính toán thuỷ văn nhiệm vụ quan trọng bậc Bài toán thờng bị phức tạp hoá diện bất đối xứng chuỗi thuỷ văn mối quan hệ nội dãy Đối với trờng hợp phép giải tích lý thuyết ớc lợng tập mẫu tất nhiên cha có Lời giải gần vấn đề nhiều trờng hợp nhận đợc sở phơng pháp Monte-Carlo - phơng pháp thực nghiệm thống kê.1 Đặc điểm thứ hai việc áp dụng phơng pháp thống kê thuỷ văn chỗ dãy quan trắc dòng chảy sông ngòi số trờng hợp không đồng thời gian lẫn không gian Điều làm phức tạp việc mô tả thống kê tập hợp đại lợng thuỷ văn Cho nên, trớc tính toán thống kê thờng cần phải chọn lọc cách kỹ lỡng thông tin ban đầu từ quan điểm đồng mặt vật lý thống kê Không tính đến điều dẫn tới kết luận không xác Để minh hoạ điều có ví dụ sau Giả sử xét dòng chảy cực đaị sông ngòi, số năm xác định xây dựng hồ chứa để thực điều tiết mùa dòng chảy sông ngòi Trong trờng hợp hoàn toàn tất nhiên phân bố dòng chảy cực đại trớc sau xây dựng hồ chứa khác trộn hai phân bố vào nhóm đợc Thờng khó xác định trớc nguyên nhân phá vỡ trạng thái đồng chuỗi quan trắc Trong trờng hợp nh đặc biệt cần thiết phải tính tới việc Lần phơng pháp Monte - Carlo đợc trình bày nhà toán học Mỹ Dj Neyman S Ulam Ngày phơng pháp thờng đợc gọi phơng pháp thực nghiệm thống kê sử dụng tiêu chuẩn thống kê đồng với việc phân tích vật lý kỹ lỡng chuỗi quan trắc nghiên cứu Đặc điểm thứ ba việc ứng dụng phơng pháp thống kê thuỷ văn liên quan tới có mặt quan hệ nội thành phần chuỗi, phá vỡ tính ngẫu nhiên mẫu, kết lợng thông tin độc lập giảm , tính bất ổn định ớc lợng thống kê tăng đồng thời thay đổi cấu trúc chuỗi thuỷ văn Những vấn đề có ý nghĩa đặc biệt quan trọng điều tiết dòng chảy sông ngòi tính chất nhóm năm nhiều nớc phần nhiều đợc xác định quan hệ nội chuỗi Các đặc điểm nêu việc mô tả thống kê tợng thuỷ văn đợc phản ánh phần tơng ứng sách Ngoài luận điểm có tính nguyên tắc chung nêu, sách xét tới thủ thuật cụ thể sử dụng đờng cong phân bố lới xác suất áp dụng thuỷ văn , phơng pháp kéo dài chuỗi quan trắc ngắn thời kỳ nhiều năm, phơng pháp phân tích tính đồng quan hệ ngẫu nhiên chuỗi thuỷ văn với việc sử dụng khái niệm cuả lý thuyết hàm ngẫu nhiên Xét đến phơng pháp thực nghiệm thống kê (phơng pháp Monte - Carlo) ứng dụng giải vài toán thuỷ văn Giải nhiều toán thuỷ văn thống kê không thực đợc không sử dụng máy tính điện tử Thực vậy, khó thể tởng tợng dẫn chuỗi ngắn thời kỳ nhiều nămvới việc sử dụng vài tơng tự sở toán học phơng pháp tuyến tính bôi mà không sử dụng máy tính điện tử Việc sử dụng rộng rãi phơng pháp thực nghiệm thống kê phân tích nhóm năm nhiều nớc nớc, sử dụng nhiều phơng pháp lý thuyết hàm ngẫu nhiên để mô tả nh dao động dòng chảy nhiều năm sông ngòi (tính toán hàm tự tơng quan tơng quan quan hệ, tính hàm phổ phổ quan hệ tính toán đồng phân sai phân pha dao động tuần hoàn) ý nghĩa thiếu maý tính điện tử Việc tự động hoá tổng hợp hệ thống lựa chọn, kiểm tra, xử lý, bảo tồn khái quát thông tin thuỷ văn đợc thực ngày Tổng cục KTTV đồi hỏi việc áp dụng rộng rãi phơng pháp thống kê nh phơng tiện đại kỹ thuật tính toán - máy tính điện tử Tuy nhiên diều u chủ yếu tự động hoá tổng hợp đo đạc thuỷ văn Thiết lập quỹ liệu thuỷ văn phơng tiện kỹ thuật mang thông tin mở khả to lớn giải toán thuỷ văn khác theo lãnh thổ rộng lớn, lãnh thổ Liên bang Xô viết, sở sử dụng máy tính phơng pháp thống kê đại Có thể tin việc kết hợp máy tính có tốc độ cao với phơng pháp phân tích thống kê đại dẫn tới sơ đồ tính toán dự báo dòng chảy sông ngòi chất lợng cao Khi trình bày nhiều chơng, sách sử dụng rộng rãi kết tính toán thực máy tính Tuy nhiên, trình bày có hệ thống sở áp dụng máy tính nghiên cứu thuỷ văn thiếu nằm khuôn khổ nội dung sách Hiện có nhiều tài liệu phổ biến theo lý thuyết xác suất toán học thống kê, xem xét cách trình tự sở toán học thuật toán sử dụng giải baì toán thuỷ văn nêu Tuy nhiên sử dụng phép toán đợc xử lý rộng rãi lý thuyết xác suất nghiên cứu tính toán thuỷ văn khả áp dụng xa trọn vẹn, chí cha chuẩn xác Trong trờng hợp việc làm sáng tỏ đặc điểm xuất áp dụng lý thuyết xác suất vào thuỷ văn việc hình thành thủ thuật phân tích thống kê thực tiễn có ý nghĩa quan trọng Tiến tới mục đích để khai thác tốt tài liệu sách dẫn nhiều thủ thuật thu đợc từ hoạt động khoa học thực tế đợc thành lập theo tài liệu quan trắc Tất nhiên, thủ thuật hoàn toàn cha mở hết chất vấn đề xem xét, minh hoạ cho tài liệu trình bày Các vấn đề lý thuyết thống kê toán học không đợc trình bày chi tiết mà sử dụng kết cần thiết cho áp dụng thực tiễn Để khai thác sâu khía cạnh toán học vấn đề xét cần tham khảo thêm sách phổ cập khác Trong sách trình bày phơng pháp thống kê thờng hay sử dụng thuỷ văn phơng pháp (theo ý tác giả) thờng xuyên sử dụng tính toán dự báo thuỷ văn Một vài nét ngắn gọn phát triển phân tích thống kê tài liệu thuỷ văn Sử dụng thuật toán xử lý thống kê tài liệu quan trắc thuỷ văn liên quan tới việc hoàn thành việc khái quát đầu tiên, có nghĩa mặt lịch sử tơng ứng tới giai đoạn phát triển thuỷ văn học Khi để đặc trng đại lợng thuỷ văn có tham số chuỗi thống kê : giá trị trung bình, độ lệch quân phơng ma trận khác Trong giai đoạn này, dễ thấy mô tả thống kê đầy đủ đờng cong đảm bảo trạng thái mực nớc (lu lợng nớc) năm Ngời ta sử dụng phân tích tơng quan Khởi đầu cho việc sử dụng rộng rãi phép toán xác suất thống kê toán học liên quan tới xuất công trình A Hazen[152-153], lần sử dụng lý thuyết xác suất để nghiên cứu qui luật thống kê dao động nhiều năm dòng chảy sông ngòi A Hazen tiếp nhận đờng cong Gauxơ để mô tả phân bố thống kê chuỗi dòng chảy sông ngòi có tính chất đối xứng, chạy từ - đến đợc đặc trng hai tham số: giá trị trung bình đại lợng biến đổi độ lệch quân phơng (hoặc hệ số biến đổi) Để xác định suất đảm bảo thực nghiệm Hazen sử dụng công thức P= m 0,5 , n với n - số thành viên chuỗi; m- số thứ tự thành viên chuỗi phân bố theo trật tự giảm (hoặc tăng) dần Các công trình Hazen đặt móng cho việc xây dựng lới xác suất, cho phép làm thẳng đờng cong đảm bảovà đẽ dàng cho việc ngoại suy A Hazen dựng lới làm thẳng hoàn toàn đờng cong phân bố chuẩn (đờng cong Gauxơ) Giai đoạn quan trọng việc sử dụng thủ thuật thống kê thuỷ văn công trình A Phoster [149-151] Đ L Xocolovski [131-132] A Phoster xác định chuỗi dòng chảy thờng không đối xứng giới thiệu áp dụng cho việc xây dựng đờng cong đảm bảo dòng chảy đờng cong bất đối xứng Piêcson III Ngoài ra, đờng cong với giá trị xác định tham số không mang giá trị âm, hẳn so với phân bố chuẩn tính tơng ứng với chất tợng xét Đối với khả sử dụng thực tiễn rộng rãi đờng cong Piecson III, Phoster thiết lập bảng giá trị hàm cho phép theo tham số xác định (giá trị trung bình, hệ số biến đổi hệ số bất đối xứng ) dựng đờng cong Bảng Phoster đợc S I Rpkin[117] hiệu đính đợc sử dụng tốt tính toán thuỷ văn Liên Xô Tiếp theo bảng đợc mở rộng GGI giá trị cao hệ số bất đối xứng (tới Cs = 5,2) 10 Việc nhà thuỷ văn sử dụng rộng rãi phép toán lý thuyết xác suất thống kê toán học Liên Xô lúc xuất công trình Đ.L Xocolovski [132], trình bày sơ đồ tính toán Phoster với đờng cong Piecson III Đồng thời Xocolovski đa thành phần hoàn toàn cấu trúc Phoster, cách xác định đại lợng hệ số biến đổi theo công thức thực nghiệm sông ngòi số liệu đo đạc thuỷ văn trực tiếp Vào thời điểm xuất công trình Xocolovski có đề xuất Cotrerin để xác định chuẩn dòng chảy sông ngòi cha đợc nghiên cứu Nh vậy, xuất khả dựng đờng cong đảm bảo dòng chảy chí sông ngòi hoàn toàn cha nghiên cứu thuỷ văn Đối với việc cần nhận vài tỷ lệ tiêu chuẩn đại lợng hệ số biến đổi (Cv) hệ số bất đối xứng (Cs) Tính cần thiết cách giải nh đợc xác định tình đại lợng hệ số bất đối xứng (Cs) theo chuỗi dòng chảy ngắn có đợc xác định không xác áp dụng với việc tính toán đại lợng dòng chảy năm có suất đảm bảo khác tỷ lệ đợc đề xuất hai lần (Cs = 2Cv), tơng ứng với giới hạn dới đại lợng ngẫu nhiên xét Tiếp sau, Xocolovski [131] phổ biến nghiên cứu tính ứng dụng đờng cong Piecson III để tính toán lu lợng cực đại suất đảm bảo khác Lúc đầu việc áp dụng rộng rãi đờng cong Piecson III có ý đến mong muốn loại bỏ nhợc điểm nó nhận giá trị âm với giá trị suất đảm bảo lớn mà hệ số bất đối xứng chuỗi ngẫu nhiên nhỏ hai lần giá trị hệ số biến đổi (Cs[...]... sử dụng phơng pháp lý thuyết xác suất và thống kê toán học trong thuỷ văn Phơng pháp lý thuyết xác suất và thống kê toán học sử dụng trong các lĩnh vực khác nhau của thuỷ văn học Tuy nhiên sử dụng rộng rãi nhất các phơng pháp này trong tính toán và dự báo các đặc trng của dòng chảy sông ngòi Khi thiết kế các dự án điều tiết dòng chảy , khi thi công và vận hành các thuỷ công trình, hệ thống tới tiêu,... để chọn các chỉ tiêu khách quan phân bố mạng lới đài trạm thuỷ văn, để đánh giá độ chính xác của việc xác định các đại lợng thuỷ văn Cơ sở thống kê trong các nghiên cứu này đợc coi là các hàm tơng quan không gian Sự trình bày tốt nhất các vấn đề này có trong chuyên khảo của G.A Alecxayev [9] 21 Chơng 1 Các thông tin ban đầu từ lý thuyết xác suất và thống kê toán học 1.1 Các luận điểm xuất phát trong. .. khác nhau sẽ xét trong chơng 2 Nhận làm các tham số mô tả các qui luật thống kê của chuỗi các đặc trng thuỷ văn và các đờng cong phân bố giải tích tơng ứng ngời ta sử dụng giá trị trung bình (trung bình số học, trung vị và mod), mức độ phân tán (độ lệch quân phơng hoặc độ lệch tuyệt đối), các chỉ số bất đối xứng, độ nhọn và v.v Các tham số này của các tập thống kê đợc trình bày trong các bài tiếp theo... thuỷ văn và v.v ) Một cách thể hiện đầy đủ hơn và đồng thời tiện lợi hơn có thể thực hiện đợc trên cơ sở sử dụng các phơng pháp thống kê toán học, là khoa học phân tích định lợng các hiện tợng đại chúng đồng thời tính đến cả tính chất đặc thù của chúng Xét một vài ví dụ minh hoạ các thủ thuật sử dụng khi xử lý thống kê số liệu thuỷ văn và đồng thời dẫn một số khái niệm và định nghĩa thống kê Trong. .. (mặt, ngầm) v.v 2.2 Các phơng pháp khái quát số liệu thống kê đơn giản nhất Kết quả quan trắc và đo đạc thuỷ văn có thể thể hiện bằng bảng, đồ thị hoặc dạng giải tích Nhiều thủ thuật có thể tìm thấy trong các Niên giám thuỷ văn , trong các chuyên khảo Tài nguyên nớc mặt Liên bang Xô viết và các ấn phẩm khác trong đó trình bày các số liệu về thành phần của chế độ nớc sông ngòi với các mức khái quát chúng... ảnh hởng của các giới hạn lên tham số phân bố ( x, Cv, Cs ) và hệ số tơng quan giữa các thành viên trong chuỗi Sự tập trung lớn trong các tài liệu thuỷ văn dành cho việc giải thích cơ sở sử dụng các sơ đồ thống kê khác nhau ( cụ thể là đờng cong Piecson III và phân bố gamma ba tham số ) để đánh giá các đặc trng khí tợng thuỷ văn độ lặp hiếm, có nghĩa là trong vùng ngoại suy Bản chất của các nghiên cứu... về sự trộn ớc lợng mẫu các tham số chỗi thống kê các đặc trng thuỷ văn Trong các công trình G.G Svanhide [120, 129] và Khomerika [141] đa ra phơng án mô hình hoá chuỗi thuỷ văn có tính đến phân phối trong năm của dòng chảy Nó dựa trên phơng pháp chọn hai lần: lợng nớc trong năm và đờng quá trình quan trắc thực (lát cắt) Khi đó tính đến cả các quan hệ ngẫu nhiên giữa dòng chảy các thời kỳ khác nhau Ngày... chảy với các nhân tố chi phối nó Hớng thứ hai dựa trên việc sử dụng đồng thời các qui luật nhân quả và thống kê đặc trng cho dòng chảy sông ngòi và và các nhân tố xác định nó Con đờng thứ ba gắn liền với sử dụng trực tiếp các qui luật thống kê thể hiện trong chuỗi các đại lợng thuỷ văn 22 Sơ đồ dự báo dựa trên việc sử dụng các qui luật nhân quả (hớng thứ nhất), với sự phát triển của thuỷ văn hiện đại... ứng dụng các phơng pháp lý thuyết xác suất trong thuỷ văn là yêu cầu nguyên tắc đồng nhất các đại lợng thuỷ văn trong một tập Cụ thể (áp dụng cho các đặc trng dòng chảy sông ngòi) điều này biểu hiện trớc hết ở chỗ chọn các đại lợng dòng chảy đồng nhất căn nguyên (lu lợng) vào trong một tập Chỉ tiêu đồng nhất có thể là tính phụ thuộc của đại lợng dòng chảy đang xét trong một pha chu kỳ thay đổi trong năm... cong phân bố lý thuyết trong thực tế tính toán thuỷ văn nhận thấy rằng mô tả thống kê tơng tự các số liệu thuỷ văn xuất phát từ giả thuyết thiếu một qui luật nào đó trong liệt đại lợng ngẫu nhiên đợc nghiên cứu Tuy nhiên, trờng phái này là không thật chặt chẽ, vì trong công trình của P.A Ephimovits đã chứng tỏ sự hiện diện của quan hệ tơng quan trong chuỗi tại các tập thống kê đại lợng dòng chảy năm