Khái niệm cực trị tốc độ gió ở đây được hiểu theo nghĩa là giá trị lớn nhất trong một khoảng thời gian quan trắc và phương pháp phân tích cực trị, được áp dụng để xác định các trị số tốc độ gió theo hướng thịnh hành ứng với chu kỳ lặp lại nào đó.
KHOA HỌC CƠNG NGHỆ KẾT QUẢ TÍNH TỐN GIÁ TRỊ CỰC TRỊ VÀ TÍNH BIẾN ĐỘNG CỦA YẾU TỐ GIĨ TẠI ĐẢO LÝ SƠN Kiều Xuân Tuyển Viện KHTL Miền Trung Tây Nguyên Phan Thị Tường Vi Cao đẳng Cơng nghệ Kinh tế Thủy lợi miền Trung Tóm tắt: Khái niệm cực trị tốc độ gió hiểu theo nghĩa giá trị lớn khoảng thời gian quan trắc phương pháp phân tích cực trị, áp dụng để xác định trị số tốc độ gió theo hướng thịnh hành ứng với chu kỳ lặp lại Trong thực tiễn kỹ thuật biển, chu kỳ lặp sử dụng nhiều nằm khoảng từ 50 năm đến 200 năm, nhiên với cơng trình có ý nghĩa kinh tế, xã hội lịch sử cao, người ta thường sử dụng chu kỳ lặp 500 năm, 1000 năm, chí 10000 năm Các trị số đặc trưng mang tính chất quy luật theo mùa giá trị cực trị tần suất hiếm, thông tin quan trọng công tác thiết kế cơng trình ven bờ biển, giúp ích nhiều cho định hướng phát triển kinh tế huyện đảo, quy hoạch khu neo đậu tầu thuyền tránh trú bão, phát triển điện gió báo trình bày kết tính tốn giá trị cực trị tính biến động yếu tố gió đảo Lý Sơn đề tài KC09.11/11-15 Từ khóa: đảo Lý Sơn, cực trị, yếu tố gió Summary: The concept of extreme wind velocity here is understood to mean that the maximum value for a period of observation and the analytical method, it is used to determine wind speed values in the direction of any return period In maritime technical practice, the most used return period range from 50 years to 200 years, however, with high economic, social and historical significance, it is commonly used 500 years, 1000 years, even 10,000 years Seasonal characteristic values as well as extreme frequency extremes, which are important for coastal design work, will greatly assist in determining the direction of play the economic development of the island district, the planning of anchor mooring areas to avoid storms, wind power development This paper presents results of calculation of extreme values and fluctuations of wind elements on Ly Son Island of National research project KC09.11 / 11-15 MỞ ĐẦU* Lý Sơn huyện đảo ven biển, có vị trí quan trọng Miền Trung, sở phục vụ phát triển kinh tế biển giữ vai trò đặc biệt quan trọng mặt quốc phòng – an ninh thiên tai, bên cạnh áp lực dân số, áp lực phát triển kinh tế xã hội Việc giữ ổn định đảo miền Trung đồng nghĩa với việc có biện pháp chủ động phòng tránh, giảm nhẹ tác động thiên tai Dưới tác động ngày rõ rệt BĐKH nước biển dâng đảo khu vực miền Trung phải gánh chịu nhiều áp lực Có thể nhận thấy nhằm nâng cao hiệu việc đề xuất giải pháp phòng tránh thiên tai việc đánh giá tác động yếu Ngày nhận bài: 8/10/2018 Ngày thông qua phản biện: 06/11/2018 Ngày duyệt đăng: 06/12/2018 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 51 - 2018 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ tố khí tượng thủy văn biển nói chung yếu tố gió nói riêng cần thiết Các kết nghiên cứu tính tốn cực trị tính biến động yếu tố gió phục vụ trực tiếp cho công tác quy hoạch, quản lý, khai thác phát triển bền vững đảo Lý Sơn tương lai PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Phạm vi số liệu dùng nghiên cứu Đảo Lý Sơn nằm phía Đơng Bắc tỉnh Quảng Ngãi, có tọa độ 15022’51” B 109007’03” Đ cách đất liền khoảng 28 km Huyện chia làm xã: An Vĩnh , An Hải An Bình có diện tích tự nhiên gần 9.97 km2, chiếm 0,19% diện tích Quảng Ngãi Nguồn số liệu sử dụng số liệu gió quan trắc theo Obs (4Obs/ngày) trạm Lý Sơn, thời gian thu thập từ 1985-2012 2.2 Phương pháp nghiên cứu a Phương pháp tính tần suất Gọi mij số lần xuất kiện đảm bảo điều kiện A B (trong tốn tính tần suất gió: A điều kiện hướng B điều kiện tốc độ) Khi tần suất xuất Pij nhóm ij tính sau: X ( m) max{V1 ,V2 , ,Vm }; X ( m) min{V1 , V2 , ,Vm } Vấn đề cần quan tâm ước lượng xác suất mà giá trị cực đại vượt ngưỡng đó, tức P{ X ( m ) x} tương tự, P{ X ( m ) x} Nếu quan trắc yếu tố khí tượng thủy văn độc lập phân bố riêng biệt theo hàm phân bố F ( x) P{Vi x} , phân bố xác cực đại cực tiểu biểu diễn bằng: P{ X ( m ) x} [ F ( x )] m P{X ( m) x} [1 F ( x)]m Theo lý thuyết cực trị với kích thước mẫu m đủ lớn, phân bố xác suất giá trị cực đại quy chuẩn Y ( m) ( X ( m) u m ) / bm , bm xấp xỉ ba dạng hàm tiệm cận sau: G1( y) exp(e y ) (hàm Gumbel) G2( y ) exp( y1 / k ), y 0, k Frechet) G3( y) exp(( y)1 / k ), y 0, k (hàm Weibull) Pi,j = mi,j/N dạng % Pi,j = mi,j/N.100% Và tương tự cho giá trị cực tiểu: Còn tần suất tích luỹ Fj đại lượng xác định bởi: H 1( y ) exp(e y ) j (hàm H 2( y) exp(( y)1 / k ), y 0, k F j pi P( xi b j ), ( j 1,2, , N ) H 3( y ) exp( y1 / k ), y 0, k Trong đó: N tổng số số liệu Những dạng khác tùy thuộc vào hình dạng hàm phân bố xác suất F(x) (phần phía phải cực đại phần phía trái cực tiểu Trong thực tế điều kiện mẫu (tính đồng nhất, độc lập, kích thước mẫu) ảnh hưởng tới độ xác xấp xỉ theo hàm tiệm cận Các phân bố cực trị tiệm cận chứa ba tham số: k tham số định dạng (shape parameter), u m tham số quy chuẩn (local parameter) bm tham số tỷ lệ (scale parameter) Nhiều i 1 b Phương pháp tính tốn cực trị tốc độ gió Từ chuỗi giá trị tốc độ gió cực đại năm thời kỳ quan trắc xác định giá trị tốc độ gió ứng với tần suất lặp lại khác Cơ sở lý thuyết phương pháp trình bày Ký hiệu Vi giá trị biến ngẫu nhiên V thời điểm i TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 51 - 2018 KHOA HỌC khi, thay ước lượng phân bố cực đại (hay cực tiểu), người ta thực toán ngược, xác định giá trị thiết kế (design value), tức giá (m ) trị x p cho P{ X (m) x (pm) } p (m ) Nói cách khác, x p phân vị p phân bố giá trị cực trị Ngồi ra, người ta chuyển mức xác suất giá trị thiết kế x p thành “chu kỳ lặp lại” (return period) T /(1 p ) Ở đây, T thể thời gian cần chờ ngưỡng x p bị vượt qua lần đầu tiên, hay thời CÔNG NGHỆ Một phương pháp phân tích xu thường xét đến phương pháp hồi qui Phương pháp hồi qui đề cập hồi qui tốc độ gió (giả sử gọi đại lượng x) thời gian t, tức biến đổi x theo t: x = f(t) Nếu f(t) hàm tuyến tính ta có xu biến đổi tuyến tính Để nghiên cứu xu biến đổi tuyến tính ta thành lập phương trình hồi qui: yaxb gian lặp lại trung bình hai kiện ngưỡng Hình 4.1 Trong phương trình hồi quy hệ số a có ý nghĩa tốc độ biến thiên tốc độ gió đơn vị thời gian Dấu hệ số a xác định xu tăng (khi a>0) giảm (khi a=32,7 >=12 0,03 0,03 Lặng gió 3,36 3,86 4,27 z4,42 8,66 9,69 9,74 9,94 9,05 4,30 3,23 3,30 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Bảng Tần suất gió Lý Sơn theo hướng cấp độ gió (Thời gian: 1985 - 2012) Hình thể biểu đồ tần suất gió Lý Sơn gần 30 năm gần (từ năm 1985 đến 2012) Tỷ trọng gió cấp đến cấp Lý Sơn chiếm khoảng gần 65% Tuy nhiên, gió với cường độ trung bình (cấp 4-5) đến mạnh (cấp 67) gây khó khăn cho hoạt động biển khu vực lớn chiếm khoảng 30%, tần suất lặng gió đạt 6,21% 100 Trạm Lý Sơn (1985-2012) Tần suất (%) 80 64.83 60 40 24.56 20 4.26 6.21 0.12 0.02 0.01 Cấp 8-9 Cấp 10-11 >= Cấp 12 Cấp 1-3 Cấp 4-5 Cấp 6-7 Lặng gió Cấp tốc độ gió (bơ pho) Hình Biểu đồ tần suất gió theo cấp Bơ-pho Lý Sơn tế người dân Lý Sơn Việc đánh bắt ngư dân phụ thuộc nhiều vào cường độ gió.Theo kết tính tốn tần suất gió cực đại ngày, vào mùa Đơng tần suất số ngày có gió từ cấp trở lên (có khả gây biển động) trung bình chiếm từ 30-50% số ngày tháng, cá biệt có tháng số ngày biển động chiếm đến 80-90% (thường vào tháng Đông, tháng XI đến tháng I năm sau) Khác với tháng mùa Đơng, tháng mùa Hè số ngày biển động ít, trung bình tháng có từ 2-4 ngày biển động có nhiều tháng khơng ghi nhận gió mạnh 10,8m/s (cấp 6) tháng 7, tháng Điều lý giải Lý Sơn điều kiện thuận lợi cho hoạt động đánh bắt hải sản thời kỳ mùa Hè tháng giao mùa (từ tháng hết tháng 8) Kết thống kê số ngày có tốc độ gió từ cấp trở lên trạm Lý Sơn 05 năm gần thể bảng Lý Sơn đảo nằm khơi tỉnh Quảng Ngãi đánh bắt hải sản nguồn kinh Bảng Thống kê số ngày có tốc độ gió từ cấp trở lên TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 51 - 2018 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ trạm Lý Sơn 05 năm gần Số ngày 2008 2009 2010 2011 2012 Trung bình I 14 14 25 14,2 II 22 8,4 III 18 10 8,8 IV 3,6 V 3,0 3.2 Kết tính tốn cực trị tốc độ gió đảo Lý Sơn Các đặc trưng tốc độ gió cực trị theo số hướng (hướng có khả gây gió mạnh) với xuất bảo đảm với chu kỳ lặp lại 5, 10 …150 200 tính tốn sở giá trị cực đại tốc độ gió theo năm ứng với hướng gió cần tính Lý Sơn Kết tính tốn cực trị tốc độ gió thể qua bảng hình ứng với chu kỳ lặp 50, 100 200 năm theo Tháng VI VII 0 0 1,6 0,6 VIII 0 1,4 IX 14 6 6,8 X 13 10 8,2 XI XII 13 13 20 10 23 28 14,8 11,6 tính tốn tốc độ gió Lý Sơn đạt 37 m/s (đầu cấp 13, theo thang gió Bơ pho), 40 m/s (cuối cấp 13) 44 m/s (cấp 14) Cũng theo tính tốn khu vực đảo Lý Sơn cường độ gió cấp 15 xuất ứng với chu kỳ lặp khoảng 400 năm (tốc độ đạt 47m/s, tương đương với đầu cấp 14) ứng với chu kỳ lặp 1000 năm cường độ gió Lý Sơn lên đến 51m/s (đầu cấp 16) Bảng Tốc độ gió cực đại đảo Lý Sơn ứng với chu kỳ lặp Chu kỳ lặp (năm) Yếu tố gió 10 20 30 50 75 100 150 200 400 1000 Vmax (m/s) 26 30 33 35 37 39 40 42 44 47 51 Cấp gió 10 11 12 12 13 13 13 14 14 15 16 Hình biểu diễn kết tính tốn cực trị tốc độ gió theo số hướng chủ đạo ứng với chu kỳ lặp lại khác Qua cho thấy, hướng Bắc (N), Tây Bắc (NW) hướng Tây (W) hướng có tốc độ gió cao Cực trị tốc độ gió theo hướng Đông Bắc (NE), Đông Nam (SE), Nam (S) Tây Nam (SW) mức trung bình Hình Cực trị tốc độ gió tính tốn Lý Sơn theo hướng ứng với chu kỳ lặp (5,10, …,1000 năm) TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 51 - 2018 KHOA HỌC 3.3 Xu biến động yếu tố gió Lý Sơn a Xu biến động tốc độ gió trung bình Qua thống kê tốc độ gió trung bình nửa thập kỷ (05 năm) Lý Sơn gần 30 năm (19852012) cho thấy, trước năm 2000 tộc độ gió trung Vtbinh (m/s) bình 05 năm khơng có biến đổi đáng kể, biên độ dao động nhỏ từ 0.1-0.3 m/s Tuy nhiên tốc độ gió trung bình thời đoạn 2001-2005 lại nhỏ so với thời kỳ khác, chênh lệch lên đến 1m/s (bảng 7) Bảng Tốc độ gió trung bình thời đoạn năm Lý Sơn Thời kỳ 1985-1990 1991-1995 1996-2000 2001-2005 4,5 4,3 4,2 3,5 b Xu biến đổi tốc độ gió cực đại Cùng với cực trị tốc độ gió việc đánh giá xu biến động tốc độ cực đại năm cực đại theo số hướng gió chủ đạo quan trọng Có thể trị số biến động tốc độ gió cực đại năm có xu giảm xét đến hướng mà quan tâm lại có xu tăng ngược lại Tùy thuộc vào mục đích cụ thể mà mức độ biến động tốc độ gió theo số hướng chủ đạo lại quan tâm Chính báo cáo ngồi đánh giá biến động tốc độ gió cực đại theo năm đánh giá xu biến đổi cực đại tốc độ gió theo số hướng có tần suất xuất cao mang tính chất đại diện mùa Kết tính tốn biến động tốc độ gió cực đại theo thời đoạn 10 năm toàn thời kỳ Lý Sơn có xu tăng giảm Bên cạnh nhận thấy khơng có quy luật liên quan đến mức độ biến động tốc độ gió cực đại qua thời đoạn năm 10 năm Chẳng hạn giai đoạn toàn thời kỳ có xu giảm mà đánh giá thời kỳ Xu biến động tốc độ gió cực đại Lý Sơn (1985-2012) 40 V_max (1985-1994) Linear (V _max (1985-1994)) per Mov Avg (V_max (1985-1994)) 35 30 y = -0.2857x + 591.36 25 20 15 10 1985 1991 1994 1997 2000 2003 2006 2009 2012 Các hình từ đến 10 thể biến động cực đại tốc độ gió Lý Sơn số hướng gió điển hình Nhận thấy xu giảm chung tốc độ gió cực đại tất hướng Tốc độ giảm dao động từ 0.15-0.25m.s/năm Xu biến động tốc độ gió cực đại Lý Sơn (hướng Bắc) Xu biến động tốc độ gió cực đại Lý Sơn (hướng Đông Bắc) 40 V_max (N) Linear (V_max (N)) V_max (NE) 35 Linear (V_max (NE)) 35 30 Tốc độ (m/s)) Tốc độ (m/s)) 1988 Hình Xu biến đổi tốc độ gió cực đại năm Lý Sơn (Tồn thời kỳ: 1985-2012) 40 y = -0.2425x + 500.16 25 20 15 10 30 25 y = -0.1596x + 332.26 20 15 10 1985 2006-2012 4,5 xu giảm theo Cụ thể, kết tính tốn hai giai đoạn 2001-2005 2006-2010 cho thấy xu giảm tốc độ gió cực đại năm tính cho tồn thời kỳ từ 20012010 xu lại có xu hướng tăng, với tốc độ tăng khoảng 0,4 m.s/năm Tốc độ (m/s)) Yếu tố gió CƠNG NGHỆ 1988 1991 1994 1997 2000 2003 2006 2009 2012 Hình Xu biến đổi tốc độ gió cực đại Lý Sơn, (hướng Bắc) 1985 1988 1991 1994 1997 2000 2003 2006 2009 2012 Hình Xu biến đổi tốc độ gió cực đại Lý Sơn, (hướng Đơng Bắc) TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 51 - 2018 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Xu biến động tốc độ gió cực đại Lý Sơn (hướng Tây Bắc) Xu biến động tốc độ gió cực đại Lý Sơn (hướng Đơng Nam) 40 40 V_max (NW) Linear (V _max (NW)) V_max (SE) y = -0.142x + 300.75 30 25 20 15 10 30 25 y = -0.1544x + 317.76 20 15 10 5 1985 1988 1991 1994 1997 2000 2003 2006 2009 2012 Hình Xu biến đổi tốc độ gió cực đại Lý Sơn, (hướng Tây Bắc) 1985 Xu biến động tốc độ gió cực đại Lý Sơn (hướng Tây Nam) 1991 1994 1997 2000 2003 2006 2009 2012 Xu biến động tốc độ gió cực đại Lý Sơn (hướng Tây) 40 V_max (SW) Linear (V _max (SW)) V_max (W) 35 35 30 30 Tốc độ (m/s)) Tốc độ (m/s)) 1988 Hình Xu biến đổi tốc độ gió cực đại Lý Sơn, (hướng Đông Nam) 40 25 y = -0.2583x + 524.09 20 15 10 25 Linear (V _max (W)) y = -0.2302x + 469.29 20 15 10 5 1985 1988 1991 1994 1997 2000 2003 2006 2009 2012 Hình Xu biến đổi tốc độ gió cực đại Lý Sơn, (hướng Tây Nam) KẾT LUẬN Hàng năm biên độ tốc độ gió trung bình tháng Lý Sơn dao động mạnh từ 2,5-7,5m/s Trong tháng mùa Đơng tốc độ gió trung bình phổ biến cấp 3-4 (3,4-7,9m/s), tháng hè tốc độ trung bình dao động mức thấp, từ 2,5-3,5m/s Cũng thời kỳ mùa Đơng hướng gió thịnh hành đơng bắc tây bắc với tần suất lặng gió Số ngày có gió từ cấp trở lên tháng mùa Đông chiếm từ 30-50% số ngày tháng, cá biệt có tháng số ngày biển động chiếm 90% Khác với tháng mùa Đông, tháng mùa Hè tần suất lặng gió lớn Hướng gió chủ đạo đơng nam sen kẽ hướng nam, tây nam tây bắc Trung bình tháng mùa hè có từ 2-4 ngày biển động có nhiều tháng khơng ghi nhận gió 1985 1988 1991 1994 1997 2000 2003 2006 2009 2012 Hình 10 Xu biến đổi tốc độ gió cực đại Lý Sơn, (hướng Tây) mạnh cấp Kết tính tốn cực trị tốc độ gió cho thấy với chu kỳ lặp 30 năm Lý Sơn có gió mạnh cấp 12 (35m/s), ứng với chu kỳ lặp 50 năm tốc độ gió có khả đạt 37m/s (cấp 13) đạt 47 m/s (tương đương đầu cấp 15, theo thang gió Bơ pho) với chu kỳ 400 năm Với chu kỳ khoảng 1000 năm, tốc độ gió Lý Sơn lên đến 51m/s (tương đương với cấp 16) Tốc độ gió trung bình theo thời đoạn Lý Sơn khơng có nhiều biến động mức độ tăng, giảm tuyến tính không đáng kể Nhận thấy xu giảm tốc độ gió cực đại thời đoạn 10 năm tồn thời kỳ, tính tốn cho nửa thập kỷ xu lại giảm Điều chứng tỏ khơng có quy luật tính chu kỳ liên quan đến mức độ biến động tốc độ gió cực đại khu vực nghiên cứu TÀI LIỆU THAM KHẢO Linear (V_max (SE)) 35 Tốc độ (m/s)) Tốc độ (m/s)) 35 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 51 - 2018 CHUYỂN GIAO CÔNG NGHỆ [1] Báo cáo tổng kết đề tài KC.09.15/11-15: “Nghiên cứu đánh giá biến động cực trị yếu tố KTTV biển, tác động chúng tới môi trường, phát triển KTXH đề xuất giải pháp phòng tránh cho đảo đông dân cư thuộc vùng biển Miền Trung (chủ yếu đảo Lý Sơn, đảo Phú Quý)” [2] Bộ Tài ngun Mơi trường, 2013: Chương trình mục tiêu quốc gia ứng phó với biến đổi khí hậu [3] Bộ Tài nguyên Môi trường, 2012: Kịch biến đổi khí hậu nước biển dâng cho Việt Nam [4] Nguyễn Văn Thắng, Nguyễn Trọng Hiệu nnk (2010) Biến đổi khí hậu tác động Việt Nam Nhà xuất khoa học kỹ thuật [5] Mai Văn Khiêm, Hoàng Đức Cường nnk (2013) Nghiên cứu biến đổi cực đoan khí hậu khu vực Nam Bộ thời kỳ 1961-2010 Tuyển tập báo cáo Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Mơi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XV [6] Nguyễn Xuân Hiển, Khương Văn Hải nnk (2013) Đánh giá rủi ro biến đổi khí hậu nước biển dâng tỉnh Bình Thuận Tuyển tập báo cáo Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Mơi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XV [7] Nguyễn Đức Ngữ (chủ biên), 2008: Biến đổi khí hậu Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 51 - 2018 ... thể biến động cực đại tốc độ gió Lý Sơn số hướng gió điển hình Nhận thấy xu giảm chung tốc độ gió cực đại tất hướng Tốc độ giảm dao động từ 0.15-0.25m.s/năm Xu biến động tốc độ gió cực đại Lý Sơn. .. Xu biến đổi tốc độ gió cực đại Lý Sơn, (hướng Tây Bắc) 1985 Xu biến động tốc độ gió cực đại Lý Sơn (hướng Tây Nam) 1991 1994 1997 2000 2003 2006 2009 2012 Xu biến động tốc độ gió cực đại Lý Sơn. .. tốn cực trị tốc độ gió đảo Lý Sơn Các đặc trưng tốc độ gió cực trị theo số hướng (hướng có khả gây gió mạnh) với xuất bảo đảm với chu kỳ lặp lại 5, 10 …150 200 tính tốn sở giá trị cực đại tốc