Nghiên cứu đánh giá tác dụng của rừng ngập mặn tới vận chuyển bùn cát ven bờ

LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu, thực luận văn Thạc sĩ với đề tài “Nghiên cứu đánh giá tác dụng rừng ngập mặn tới vận chuyển bùn cát ven bờ” tác giả hoàn thành theo nội dung đề cương nghiên cứu, Hội đồng Khoa học Đào tạo Khoa kỹ thuật Biển phê duyệt Luận văn thực với mục đích đánh giá tác dụng rừng ngập mặn tới vận chuyển bùn cát ven bờ, sở kết nghiên cứu chế độ thủy, động lực từ mơ hình tốn chế độ thủy, động lực thực tế dải ngập mặn ven bờ khu vực Bàng La – Đại Hợp, thành phố Hải Phòng Để có kết ngày hơm nay, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Nghiêm Tiến Lam Khoa Kỹ thuật biển - Trường Đại học Thủy lợi tận tình hướng dẫn, bảo đóng góp ý kiến quý báu suốt trình thực luận văn Xin chân thành cảm ơn giúp đỡ nhiệt tình, hỗ trợ mặt chuyên môn kinh nghiệm thầy cô giáo khoa Kỹ thuật biển Xin chân thành cảm ơn đồng nghiệp quan; Phòng Đào tạo Đại học sau đại học; tập thể lớp cao học 19BB - Trường Đại học Thuỷ lợi tồn thể gia đình bạn bè động viên, khích lệ, tạo điều kiện thuận lợi mặt để tác giả hoàn thành luận văn Trong trình thực luận văn, thời gian kiến thức cịn hạn chế nên chắn khơng thể tránh khỏi sai sót Vì vậy, tác giả mong nhận đóng góp ý kiến thầy cơ, đồng nghiệp để giúp tác giả hoàn thiện mặt kiến thức học tập nghiên cứu Xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2015 Tác giả Trương Cơng Định CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN CAM KẾT Kính gửi: Ban Giám hiệu trường Đại học Thuỷ lợi; Phòng Đào tạo ĐH Sau ĐH trường Đại học Thuỷ lợi Tên là: Trương Công Định Học viên cao học lớp: 19BB Chuyên ngành: Xây dựng cơng trình biển Mã học viên: 118605845007 Theo Quyết định số 1775/QĐ-ĐHTL, Hiệu trưởng trường Đại học Thuỷ Lợi, việc giao đề tài luận văn cán hướng dẫn cho học viên cao học khoá 19 đợt năm 2011 Ngày 19 tháng 12 năm 2012, nhận đề tài: “Nghiên cứu đánh giá tác dụng rừng ngập mặn tới vận chuyển bùn cát ven bờ” hướng dẫn PGS.TS Nghiêm Tiến Lam Tôi xin cam đoan luận văn kết nghiên cứu riêng tôi, không chép Nội dung luận văn có tham khảo sử dụng tài liệu, thông tin đăng tải tài liệu trang web theo danh mục tài liệu tham khảo luận văn Hà Nội, ngày tháng năm 2015 Người làm đơn Trương Công Định MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục đích đề tài 3 Nhiệm vụ phương pháp nghiên cứu Kết đạt Nội dung luận văn CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU 1.1 Vị trí địa lý đặc điểm địa hình 1.1.1 Vị trí địa lý 1.1.2 Đặc điểm địa hình 1.2 Đặc điểm khí hậu, khí tượng 1.2.2 Chế độ mưa 10 1.2.3 Gió 12 1.3 Đặc điểm thủy hải văn 14 1.3.1 Thủy triều 14 1.3.2 Chế độ sóng 15 1.4 Các hoạt động kinh tế - xã hội 18 1.4.1 Dân sinh 18 1.4.2 Kinh tế 21 CHƯƠNG II HIỆN TRẠNG RỪNG NGẬP MẶN TẠI KHU VỰC BÀNG LA – ĐẠI HỢP 25 2.1 Phân bố diện tích rừng ngập mặn Việt Nam 25 2.2 Hiện trạng rừng ngập mặn khu vực Bàng La – Đại Hợp 28 2.3 Kết luận chương 31 CHƯƠNG III NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ THỦY ĐỘNG LỰC VÀ DIỄN BIẾN HÌNH THÁI KHU VỰC BÃI BIỂN BÀNG LA-ĐẠI HỢP 32 3.1 Tổng quan mơ hình Delft-3D 32 3.1.1 Giới thiệu chung mơ hình Delft-3D 32 3.1.2 Hệ phương trình 34 3.2 Thiết lập mơ hình thủy lực mơ hình sóng 38 3.3 Hiệu chỉnh kiểm định mơ hình 41 3.3.1 Hiệu chỉnh kiểm định mơ hình thủy lực 42 3.3.2 Hiệu chỉnh kiểm định mơ hình sóng 44 3.3 Tính tốn phân tích chiều cao sóng qua rừng ngập mặn 55 3.4 Mô kịch tính 60 3.5 Ảnh hưởng rừng ngập mặn tới chế độ vận chuyển bùn cát: 67 3.6 Kết luận chương 75 CHƯƠNG IV PHÂN TÍCH CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN KHẢ NĂNG GIẢM SÓNG VÀ VẬN CHUYỂN BÙN CÁT TẠI KHU RỪNG NGẬP MẶN TẠI BỜ BIỂN BÀNG LA- ĐẠI HỢP 77 4.1 Các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu giảm sóng rừng ngập mặn 77 4.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới vận chuyển bùn cát khu vực rừng ngập mặn Bàng La- Đại Hợp 79 CHƯƠNG V ĐỀ XUẤT CÁC BIỆN PHÁP NHẰM QUẢN LÝ VÀ PHÁT TRIỂN DIỆN TÍCH KHU RỪNG NGẬP MẶN TẠI BỜ BIỂN BÀNG LAĐẠI HỢP 82 5.1 Các vấn đề quy hoạch phát triển rừng ngập mặn 83 5.2 Những hạn chế công tác quản lý 86 5.3 Các giải pháp công tác quy hoạch quản lý rừng ngập mặn khu vực ven biển thành phố Hải Phòng: 88 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 90 Kết đạt luận văn 90 Tồn kiến nghị 91 TÀI LIỆU THAM KHẢO 93 PHỤ LỤC 95 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1-1 Bản đồ khu vực Đồ Sơn - Kiến Thụy [17] Hình 1-2 Vị trí khu vực nghiên cứu Bàng La - Đại Hợp [5] .6 Hình 1-3 Bản đồ khu vực bồi tụ cửa sông Văn Úc [14] Hình 1-4 Nhiệt độ trung bình tháng năm Hịn Dáu .10 Hình 1-5 Tổng lượng mưa trung bình tháng nhiều năm (1994-2013) Hòn Dáu 11 Hình 1-6 Độ ẩm tương đối khơng khí đo Hịn Dáu 12 Hình 1-7 Hoa gió trung bình nhiều năm (từ 1990-2012) Hịn Dáu [7] .13 Hình 1-8 Mực nước thủy triều Hòn Dáu tháng [16] .15 Hình 1-9 Hoa sóng trung bình năm (1956-1985) Hịn Dáu 16 Hình 2-1 Bản đồ phân bố rừng ngập mặn Việt Nam [12] 25 Hình 2-2 Các phận ngập mặn điển hình [4] 27 Hình 2-3 Chu trình trao đổi chất hệ sinh thái rừng ngập mặn [26] 28 Hình 2-4 Cây ngập mặn ven biển Đồ Sơn - Hải Phòng 29 Hình 2-5 Dải rừng ngập mặn ven biển Bàng La - Đại Hợp 30 Hình 3-1 Lưới tính khu vực Bàng La .39 Hình 3-2 Địa hình Delft-3D 40 Hình 3-3 Các biên tính toán Delft-3D 40 Hình 3-4 Vị trí trạm kiểm tra trạm KTTV Hịn Dáu 42 Hình 3-5 Đường q trình mực nước thực đo tính tốn Hịn Dáu 43 Hình 3-6 Đường q trình mực nước thực đo tính tốn Hịn Dáu 44 Hình 3-7 Miền tính tốn Bàng La - Đại Hợp 52 Hình 3-8 Lưới tính điều kiện địa hình khu vực Bàng La- Đại Hợp 52 Hình 3-9 Lưới tính biến đổi địa hình đáy 55 Hình 3-7 Vị trí mặt cắt tính tốn 60 Hình 3-8 Trường sóng khu vực Bàng La-Đại Hợp vào mùa đơng .63 Hình 3-9 Trường sóng khu vực Bàng La - Đại Hợp mùa hè 66 Hình 3-10 Sự biến đổi chiều cao sóng theo kịch trường hợp 67 Hình 3-11 Diễn biến xói lở khu vực Bàng La – Đại Hợp năm 68 Hình 3-12 Lượng vận chuyển bùn cát tổng cộng qua mặt cắt năm 69 Hình 3-13.Biến đổi lượng bùn cát vị trí mặt cắt mùa đơng 70 Hình 3-14.Biến đổi lượng bùn cát vị trí mặt cắt mùa đơng 70 Hình 3-15.Biến đổi lượng bùn cát vị trí mặt cắt mùa đơng 71 Hình 3-16.Biến đổi lượng bùn cát vị trí mặt cắt mùa đơng 71 Hình 3-17.Biến đổi lượng bùn cát vị trí mặt cắt mùa hè 72 Hình 3-18.Biến đổi lượng bùn cát vị trí mặt cắt mùa hè 73 Hình 3-19.Biến đổi lượng bùn cát vị trí mặt cắt mùa hè 73 Hình 3-20 Diễn biến bồi tụ mặt cắt mùa hè 74 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1-1 Tần suất gió trung bình nhiều năm (1990-2012) Hịn Dáu 13 Bảng 1-2 Tần suất (%) sóng trung bình nhiều năm Hịn Dáu (1956-1985) 17 Bảng 1-3 Số lượng tàu thuyền đánh bắt cá ven bờ khơi Đồ Sơn 21 Bảng 3-1 Kết đánh giá sai số mơ hình 44 Bảng 3-2 Số liệu đầu vào mơ hình 53 Bảng 3-3 Kết tính tốn chiều cao sóng mặt cắt .53 Bảng 3-4 Năng lượng sóng trạm Bạch Long Vỹ (1960-2009) 56 Bảng 3-5 Các kịch tính tốn trường hợp .57 Bảng 3-6 Các kịch tính toán trường hợp .58 Bảng 3-7 Các mặt cắt tính tốn đại diện 59 Bảng 4-1 Các loại trầm tích RNM khu vực Bàng La – Đại Hợp 79 Bảng 4-2 Tốc độ bồi tụ bùn cát theo năm khu vực Bàng La – Đại Hợp 80 Bảng 5-1 Phân bố diện tích đất rừng ngập nước ven biển [20] 84 DANH MỤC VIẾT TẮT RNM: IUCN: Bộ NN &PTNT: Bộ TNMT: UBND: Rừng ngập mặn Tổ chức bảo tồn Thiên nhiên giới Bộ Nông nghiệp Phát triển Nông thôn Bộ Tài nguyên Môi trường Ủy ban nhân dân MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Rừng ngập mặn hệ sinh thái quan trọng có suất cao tự nhiên, rừng ngập mặn nơi nuôi dưỡng, cư ngụ cung cấp thức ăn cho nhiều loài động thực vật ven biển Bên cạnh đó, rừng ngập mặn cịn có vai trị ổn định bờ biển, bảo vệ đê điều chắn chống lại gió bão thiên tai khác Ngoài giá trị to lớn việc bảo vệ vùng cửa sông ven biển, bảo vệ sở hạ tầng, rừng ngập mặn cịn có tác dụng giữ đất phù sa, mở rộng diện tích canh tác, giảm sóng qua giảm tượng xói lở bờ biển Qua số trận động đất sóng thần Indonesia, Banglades, Ấn Độ cho thấy hiệu giảm sóng khu vực có rừng ngập mặn sinh sống phía trước bãi biển: Indonesia tâm sóng thần gần với đảo Simeuleu, nhiên số người thiệt mạng thấp diện khu rừng ngập mặn với mật độ dày đặc, phía đơng nam Ấn Độ thiệt hại kinh tế người vùng có rừng ngập mặn rậm rạp Trước đây, Việt Nam đánh giá quốc gia có diện tích rừng ngập mặn lớn, nhiên theo kết nghiên cứu, đánh giá nhà khoa học diện tích rừng ngập mặn Việt Nam bị suy giảm nghiêm trọng từ 408.000 (năm 1943) xuống 209.000 (năm 2006), khoảng 155.000 (năm 2013) có xu hướng tiếp tục giảm xuống [13] Rừng ngập mặn Việt Nam bị suy giảm nhiều nguyên nhân khách quan chủ quan: chịu sức ép từ nhu cầu sử dụng đất đai ven biển vào mục đích phát triển du lịch, phát triển kinh tế người dân lấy gỗ củi 10.3.4 Lập bảng phân bố tần suất lý thuyết (Bảng 2) đường tần suất Lập bảng tần suất lý thuyết phân bố Pearson III với giá trị thiết kế cột (4) hàm =a+GAMMAINV(1-P,c,1/b), ví dụ J16: =$I$8+GAMMAINV(1-0.01*I16,$I$10,1/$I$9) Đường tần suất vẽ quan hệ cột (3) cột (4) bảng Hình 15 ĐƯỜNG TẦN SUẤT PEARSON III DỊNG CHẢY NĂM TRẠM ABC 600 550 500 Lưu lượng, Q (m³/s) 450 400 350 300 250 200 150 99.90 99.00 98.00 95.00 90.00 80.00 75.00 70.00 60.00 50.00 40.00 30.00 25.00 20.00 10.00 5.00 2.00 1.00 0.10 100 Tần suất vượt, P (%) Hình 12: Đường tần suất phân bố Pearson III vẽ MS Excel 10.4 Chú ý Giá trị CV tính theo phương pháp moments thường có giá trị thiên nhỏ Theo kinh nghiệm, giá trị cận khoảng sai số cho phép CV + δCV thường cho đường tần suất phù hợp với điểm kinh nghiệm Trong đó, δCV sai số ước lượng CV theo phương pháp moments: δ CV = CV + 2CV2 + CS2 − 2CV CS 2n (326) Phân bố xác suất log Pearson loại III thường ứng dụng thuỷ văn, dùng để vẽ đường tần suất cho chuỗi mực nước Để vẽ đường tần suất log Pearson loại III, chuỗi số liệu cần phải biến đổi log trước, sau tiến hành tính tốn tham số thống kê phân bố Pearson loại III Giá trị đường tần suất cuối chuyển đổi ngược lại hàm mũ Giả sử chuỗi tính tốn Y, tiến hành chuyển đổi tính 81 toán với chuỗi số liệu yi=LN(xi) theo phân bố Pearson loại III, cuối giá trị đường tần suất chuyển đổi lại yp = EXP(xp) 11 Phụ lục 4: TÍNH TỐN TẦN SUẤT THEO PHÂN BỐ GUMBEL 11.1 Giới thiệu Phân bố xác suất Gumbel (hay gọi phân bố xác suất cực trị loại I (EV1 - Extreme Value type I), phân bố xác suất Fisher-Tippett loại I phân bố xác suất log-Weibull) thường dùng để mơ hình hố thống kê đại lượng cực trị dòng chảy lũ, dòng chảy kiệt, vận tốc gió lớn thiên tai động đất Đường tần suất theo phân bố Gumbel vẽ MS Excel phần mềm phân tích tần suất FFC (http://coastal.wru.edu.vn/index.asp?lang=vn&page=ffc2008) 11.1.1 Hàm mật độ xác suất Hàm mật độ xác suất biểu thị xác suất xuất giá trị đại lượng ngẫu nhiên X với giá trị x cụ thể theo luật phân bố xác suất Gumbel (327): ⎧ ⎡ ⎛ x − a ⎞⎤ ⎡ ⎛ x − a ⎞⎤ ⎫ f ( x ) = exp ⎢ − ⎜ ⎟ ⎥ exp ⎨− exp ⎢ − ⎜ ⎟⎥ ⎬ b ⎣ ⎝ b ⎠⎦ ⎣ ⎝ b ⎠⎦ ⎭ ⎩ (327) với a thông số vị trí, b > thơng số tỷ lệ 11.1.2 Hàm phân bố tần suất luỹ tích Hàm phân bố tần suất luỹ tích biểu thị xác suất xuất giá trị đại lượng ngẫu nhiên X nhỏ giá trị x cụ thể đó: F ( x ) = P { X ≤ x} = x ⎧ ⎫ ⎡ ⎛ x − a ⎞⎤ ∫ f ( x ) dx = exp ⎨⎩-exp ⎢⎣− ⎝⎜ b ⎠⎟⎥⎦ ⎭⎬ (328) −∞ Trong thực tế ngành thuỷ lợi thường dùng tần suất vượt P (thường gọi tắt tần suất) xác suất xuất giá trị đại lượng ngẫu nhiên X lớn giá trị x cụ thể ∞ P = P { X ≥ x} = ∫ f ( x ) dx = − P { X ≤ x} = − F ( x ) (329) x 11.1.3 Liên hệ với phân bố thống kê khác Phân bố xác suất Gumbel gọi phân bố xác suất cực trị loại I (EV1), trường hợp đặc biệt phân bố cực trị tổng quát (GEV) với thông số hình dạng c = Phân bố Gumbel với thơng số vị trí a = thơng số tỷ lệ b =1 gọi phân bố cực trị chuẩn 82 Hàm phân bố xác suất Gumbel gọi phân bố xác suất log-Weibull tiệm cận với phân bố Weibull c lớn Nếu X biến tuân theo phân bố Gumbel G(0,1) Y biến tuân theo phân bố Weibull W(b,c) X ~ -c·ln(Y/b) Nếu X biến tuân theo phân bố Gumbel G(a,b) Y biến tuân theo phân bố hàm mũ E(b) X = a – ln(Y) Nếu X1 biến tuân theo phân bố Gumbel G(a1,b), X2 biến tuân theo phân bố Gumbel G(a2,b) hiệu Y = X1 - X2 biến tuân theo phân bố logistic L(0,b) Biến X tuân theo phân bố Gumbel G(0,1) có liên hệ với biến Y tuân theo phân bố Pareto P(a,c) theo Y ~ a{1-exp[-exp(-X)]}1/c có liên hệ với biến Z tuân theo hàm luỹ thừa chuẩn theo Z ~ exp[-exp(-X/c)] 11.1.4 Xác định thông số theo phương pháp moments Quan hệ thông số phân bố với đặc trưng thống kê sau x = a + 0.57721 ⋅ b CV = πb x (330) (331) CS = 1.139547 (332) b = 0.779 ⋅ x ⋅ CV (333) a = x (1 − 0.450 ⋅ CV ) (334) Do 11.1.5 Giá trị hàm phân bố lý thuyết Tuyến tính hố phương trình (328) cách lấy logarith vế (328) sau ⎡ ⎛ x − a ⎞⎤ ln F ( x ) = −exp ⎢ − ⎜ ⎟⎥ ⎣ ⎝ b ⎠⎦ (335) Nhân vế (335) với -1 logarithm hoá vế lần thứ ⎛ x−a⎞ ln ⎡⎣ − ln F ( x ) ⎤⎦ = − ⎜ ⎟ ⎝ b ⎠ (336) Cuối nhận x = a − b ⋅ ln ⎡⎣ − ln F ( x ) ⎤⎦ (337) (337) quan hệ tuyến tính x ln[-lnF(x)], dựa vào giá trị quan sát x tần suất kinh nghiệm để xác định hệ số a, b tương quan tuyến tính 83 Nếu biểu thị qua tần suất vượt giá trị xp hàm phân bố lý thuyết ứng với tần suất P xP = a − b ⋅ ln ⎡⎣ − ln (1 − P ) ⎤⎦ (338) 11.2 Tính tốn hàm phân bố Gumbel MS Excel Từ quan hệ tuyến tính (338), thơng số phân bố Gumbell xác định phương pháp tương quan x ln[-ln(1-P)], với b hệ số góc quan hệ tương quan a giao điểm đường thẳng tương quan cắt trục tung Việc xác định hệ số hồi quy quan hệ tương quan tiến hành MS Excel cho chuỗi số liệu X gồm có N số (x1, x2, …, xN) với bước sau: Bảng 8: Bảng tần suất kinh nghiệm Thứ hạng Chuỗi số giảm dần xi ↓ Tần suất kinh nghiệm Pi = i/(N+1) Giảm biến ln(-ln(1-Pi)) (1) (2) (3) (4) x1 P1 = 1/(N+1) ln(-ln(1-P1)) x2 P2 = 2/(N+1) ln(-ln(1-P2)) … … … … i xi Pi = i/(N+1) ln(-ln(1-Pi)) … … … … N xN PN = N/(N+1) ln(-ln(1-PN)) 11.2.1 Lập bảng phân bố tần suất thực nghiệm (Bảng 1) Sắp xếp chuỗi số liệu xi theo thứ tự giảm dần điền vào cột bảng tính tốn Trong Excel, chọn cột số liệu từ hàng đến hàng N, sau chọn trình đơn Data → Sort Chọn cột định xếp Sort by hướng xếp Descending, sau bấm nút OK Cột thứ hạng i giá trị chuỗi số liệu xi theo thứ tự nhỏ dần Để điền cột tự động Excel, nhập số vào hàng chọn đó, sau chọn trình đơn Edit → Fill → Series Chọn Series in hướng điền Columns, chọn loại chuỗi Type Linear, Step value 1, Stop value giá trị N, sau bấm nút OK Tính tần suất kinh nghiệm Pi = i/(N+1) cột 84 Tính tốn LN(-LN(1-Pi)) cột 11.2.2 Tính đăc trưng thống kê chuỗi số theo phương pháp moments: Tính tốn đặc trưng thống kê Giá trị độ dài chuỗi N = COUNT(X) với đối số X chuỗi số liệu nhập vào Giá trị trung bình chuỗi số x =AVERAGE(X) Hệ số phân tán CV = STDEV(X)/ x Hệ số thiên lệch CS = SKEW(X) 11.2.3 Tính đăc trưng thống kê chuỗi số theo phương pháp đồ thị: Có thể xác định thơng số theo phương pháp đồ thị theo cách Cách 1: Vẽ đường hồi quy Vẽ đồ thị quan hệ cột cột Chọn cột cột 4, chọn trình đơn Insert → Chart Chọn loại đồ thị XY (Scatter), chọn Chart sub-type chấm điểm theo mặc định Chú ý sửa lại tên cột để cột giá trị trục hoành cột giá trị trục tung đường quan hệ Xác định thông số quan hệ Chọn điểm quan hệ đồ thị vừa vẽ, chọn trình đơn Chart → Add Trendline Chọn dạng quan hệ Trend/Regression type Linear, Đánh dấu mục Display equation on chart Display R-squared value on chart Options, cuối bấm phím OK Thơng số tỷ lệ b đảo dấu độ dốc đường tương quan so với trục hồnh Giá trị thơng số vị trí a tung độ đường thẳng tương quan cắt trục tung Các thông số hệ số tương quan xem phương trình hồi quy Cách 2: Sử dụng hàm MS Excel (không cần vẽ đường hồi quy): Thơng số tỷ lệ b tính theo công thức b = -1*SLOPE(cột_2,cột_4) Thông số vị trí a tính theo cơng thức a = INTERCEPT(cột_2,cột_4) Hệ số tương quan tính theo cơng thức R = CORREL(cột_2,cột_4) 11.2.4 Lập bảng phân bố tần suất lý thuyết (Bảng 2) Cột (1): Thứ tự giá trị tính tốn bảng Cột (2): Cho tần suất cần tính tốn (tần suất vượt) P Cột (3): Thời kỳ lặp lại tính theo năm, xác định theo công thức T = 1/P Cột (4): Giá trị thiết kế tương ứng với tần suất cột (2) tính tốn theo phân bố Gumbel (338) 85 11.2.5 Vẽ đường tần suất Vẽ đồ thị điểm (XY Scatter) quan hệ P giá trị quan trắc cột (4) (2) bảng phân bố tần suất thực nghiệm (Bảng 1) dạng điểm chấm Bổ sung thêm đồ thị (XY Scatter) quan hệ P giá trị thiết kế cột (3) (4) bảng phân bố tần suất lý thuyết (Bảng 2) dạng đường nối liền nét 11.3 Ví dụ tính tốn Xác định thơng số vẽ đường tần suất theo phân bố Gumbel cho chuỗi số liệu vận tốc gió lớn hàng năm xếp giảm dần cột (2) Bảng 1, Hình 13 Hình 13: Bảng tính tần suất theo phân bố Gumbel 11.3.1 Tính thơng số thống kê theo phương pháp moments Ô C7: Độ dài chuỗi số (N) =COUNT(B16:B30) 86 Ô C8: Trị trung bình ( x ) =AVERAGE(B16:B30) Ơ C9: Hệ số phân tán tính theo phương pháp moments (CV) =STDEV(B16:B30)/C8 Ơ C10: Hệ số thiên lệch tính theo phương pháp moments (CS) =SKEW(B16:B30) Ơ C11: Thơng số tỷ lệ tính theo phương pháp moments (b) =C9*C8*0.7796968 10 Ơ C12: Thơng số tỷ lệ tính theo phương pháp moments (a) =C8*(1-C9*0.45) 11.3.2 Tính bảng tần suất kinh nghiệm Tính tần suất kinh nghiệm Pi = i/(N+1) cột 3, ví dụ C16: =100*A16/($C$7+1) Tính tốn LN(-LN(1-Pi)) cột 4, ví dụ D16: =LN(-LN(1-0.01*C16)) 11.3.3 Tính thông số thống kê theo phương pháp đồ thị Ô H7: Hệ số tương quan đường hồi quy (R) =CORREL(D16:D30,B16:B30) Ơ H8: Trị số trung bình =C8 Ơ H11: Thơng số tỷ lệ tính theo phương pháp đồ thị (b) =-SLOPE(B16:B30,D16:D30) Ơ H12: Thơng số tỷ lệ tính theo phương pháp đồ thị (a) =INTERCEPT(B16:B30,D16:D30) Ơ H9: Hệ số phân tán tính theo phương pháp đồ thị (CV) =H11/(H8*0.7796968) Ô H10: Hệ số thiên lệch phân bố lý thuyết (CS) =1.139547 10 Vẽ đồ thị điểm (XY Scatter) quan hệ X Y cột (4) (2) Bảng Tạo đường hồi quy, phương trình hồi quy hệ số tương quan quan hệ Kiểm tra lại thông số phân bố Gumbel theo công thức (337) 11.3.4 Lập bảng phân bố tần suất lý thuyết (Bảng 2) đường tần suất Lập bảng tần suất lý thuyết phân bố Gumbel với ciá trị thiết kế cột (4) tính theo (338), ví dụ I16: =$H$12-$H$11*LN(-LN(1-0.01*H16)) Đường tần suất vẽ quan hệ cột (3) cột (4) bảng Hình 15 87 Xác định thông số phân bố Gumbel 50 ⎧ ⎡ ⎛ x − a ⎞⎤ ⎫ F ( x ) = P { X ≤ x} = exp ⎨-exp ⎢ − ⎜ ⎟⎥ ⎬ ⎣ ⎝ b ⎠⎦ ⎭ ⎩ 45 40 V (m/s) 35 30 25 20 y = -7.4213x + 25.194 15 R = 0.9519 10 -3 -2 -1 ln(-ln(1-P)) Hình 14: Đường thẳng hồi quy ĐƯỜNG TẦN SUẤT GUMBEL CỦA VẬN TỐC GIÓ LỚN NHẤT TRẠM ABC 60 40 30 20 10 90.00 95.00 99.00 80.00 70.00 60.00 50.00 33.33 20.00 10.00 6.67 5.00 4.00 3.33 2.50 2.00 1.67 1.00 1.05 1.11 1.18 1.25 1.33 1.43 Vận tốc gió, Vmax (m/s) 50 Tần suất vượt, P (%) Hình 15: Đường tần suất phân bố Gumbel vẽ MS Excel 88 12 Phụ lục 5: TÍNH TỐN TẦN SUẤT THEO PHÂN BỐ WEIBULL 12.1 Giới thiệu Phân bố xác suất Weibull (hay gọi phân bố xác suất Rosin-Rammler) dạng thường dùng để mô tả thống kê xuất đại lượng cực trị khí tượng, thuỷ văn dự báo thời tiết dòng chảy lũ, sóng, gió lớn Ngồi phân bố hay dùng phân tích xác suất sống sót phá huỷ lý thuyết độ tin cậy, dùng lý thuyết cực trị; biểu diễn thời gian sản xuất phân phối công nghiệp; phân tán tín hiệu radar suy giảm tín hiệu liên lạc không dây Đường tần suất theo phân bố Weibull vẽ MS Excel phần mềm phân tích tần suất FFC (http://coastal.wru.edu.vn/index.asp?lang=vn&page=ffc2008) 12.1.1 Hàm mật độ xác suất Hàm mật độ xác suất biểu thị xác suất xuất giá trị đại lượng ngẫu nhiên X với giá trị x cụ thể theo luật phân bố xác suất Weibull (339): c⎛ x−a⎞ f ( x) = ⎜ ⎟ b⎝ b ⎠ c −1 ⎡ ⎛ x − a ⎞c ⎤ exp ⎢ − ⎜ ⎟ ⎥ ⎣⎢ ⎝ b ⎠ ⎦⎥ (339) với a thông số vị trí, b > thơng số tỷ lệ, c > thơng số hình dạng 12.1.2 Hàm phân bố tần suất luỹ tích Hàm phân bố tần suất luỹ tích biểu thị xác suất xuất giá trị đại lượng ngẫu nhiên X nhỏ giá trị x cụ thể đó: F ( x ) = P { X ≤ x} = x ∫ −∞ ⎡ ⎛ x − a ⎞c ⎤ f ( x ) dx = − exp ⎢ − ⎜ ⎟ ⎥ ⎢⎣ ⎝ b ⎠ ⎥⎦ (340) Trong thực tế ngành thuỷ lợi thường dùng tần suất vượt P (thường gọi tắt tần suất) xác suất xuất giá trị đại lượng ngẫu nhiên X lớn giá trị x cụ thể ∞ P = P { X ≥ x} = ∫ f ( x ) dx = − P { X ≤ x} = − F ( x ) (341) x 12.1.3 Liên hệ với phân bố thống kê khác Hàm phân bố xác suất Weibull hàm ngược phân bố xác suất cực trị tổng quát (GEV) với thông số vị trí a – b, thơng số tỷ lệ b/c thơng số hình dạng 1/c (Hosking, 1986) Trong trường hợp thơng số hình dạng c = 1, phân bố Weibull trở thành phân bố hàm mũ với trị bình qn b Trong trường hợp thơng số hình dạng c = 2, phân bố Weibull trở thành phân bố Rayleigh 89 Biến X tuân theo hàm phân bố xác suất Weibull W(b,c) có liên hệ với biến Y tuân theo hàm phân bố cực trị chuẩn G(0,1) (phân bố Gumbel với a = b = 1) theo Y ~ -c·ln(X/b) 12.1.4 Xác định thông số theo phương pháp moments Quan hệ thông số phân bố với đặc trưng thống kê sau CV = ⎛ 1⎞ x = a + b iΓ ⎜ + ⎟ ⎝ c⎠ (342) b ⎛ 2⎞ ⎛ 1⎞ Γ ⎜1 + ⎟ − Γ ⎜1 + ⎟ x ⎝ c⎠ ⎝ c⎠ (343) ⎛ 1⎞ ⎛ 1⎞ ⎛ 2⎞ ⎛ 3⎞ 2Γ3 ⎜ + ⎟ − 3Γ ⎜1 + ⎟ Γ ⎜1 + ⎟ + Γ ⎜ + ⎟ ⎝ c⎠ ⎝ c⎠ ⎝ c⎠ ⎝ c⎠ CS = ⎞⎤ ⎡ ⎛ 2⎞ 2⎛ ⎢Γ ⎜1 + c ⎟ − Γ ⎜1 + c ⎟ ⎥ ⎠ ⎝ ⎠⎦ ⎣ ⎝ (344) Để xác định thông số phân bố xác suất dựa vào đặc trưng thống kê theo phương pháp moments, giải phương trình (344) để xác định thơng số hình dạng c Tiếp theo, thơng số tỷ lệ b xác định từ (343) Cuối xác định thơng số vị trí a từ (342) 12.1.5 Giá trị hàm phân bố lý thuyết Tuyến tính hố phương trình (340) cách lấy logarith vế (340) sau ⎛ x−a⎞ ln ⎡⎣1 − F ( x ) ⎤⎦ = − ⎜ ⎟ ⎝ b ⎠ c (345) Nhân vế (345) với -1 logarithm hoá vế lần thứ ⎛ x−a⎞ ln − ln ⎡⎣1 − F ( x ) ⎤⎦ = c ln ⎜ ⎟ ⎝ b ⎠ (346) ln ( x − a ) = ln − ln ⎡⎣1 − F ( x ) ⎤⎦ + ln b c (347) { } Cuối nhận { } (347) quan hệ tuyến tính ln(x-a) ln{-ln[1-F(x)]}, dựa vào giá trị quan sát x tần suất kinh nghiệm để xác định hệ số b, c tương quan tuyến tính Nếu biểu thị qua tần suất vượt ln ( x − a ) = ln {− ln P} + ln b c (348) Giá trị x ứng với tần suất vượt P tính dựa vào (348) 90 Nếu biểu thị qua tần suất vượt giá trị xp hàm phân bố lý thuyết ứng với tần suất P ⎧1 ⎫ x p = a + exp ⎨ ln [ − ln P ] + ln b ⎬ ⎩c ⎭ (349) 12.2 Tính tốn hàm phân bố Weibull MS Excel Từ quan hệ tuyến tính (348), thơng số phân bố Weibull xác định phương pháp tương quan ln(x - a) ln(-lnP), với 1/c hệ số góc quan hệ tương quan lnb giao điểm đường thẳng tương quan cắt trục tung Việc xác định hệ số hồi quy quan hệ tiến hành MS Excel cho chuỗi số liệu X gồm có N số (x1, x2, …, xN) với bước sau: Bảng 9: Bảng tần suất kinh nghiệm Thứ hạng Chuỗi số giảm dần xi ↓ Tần suất kinh nghiệm Pi = i/(N+1) Giảm biến LN(-LN(Pi)) Giảm biến LN(xi – a) (1) (2) (3) (4) (5) x1 P1 = 1/(N+1) LN(-LN(P1)) LN(x1 – a) x2 P2 = 2/(N+1) LN(-LN(P2)) LN(x2 – a) … … … … … i xi Pi = i/(N+1) LN(-LN(Pi)) LN(xi – a) … … … … … N xN PN = N/(N+1) LN(-LN(PN)) LN(xN – a) 12.2.1 Lập bảng phân bố tần suất thực nghiệm (Bảng 1) Sắp xếp chuỗi số liệu xi theo thứ tự giảm dần điền vào cột (2) bảng tính tốn Trong Excel, chọn cột số liệu từ hàng đến hàng N, sau chọn trình đơn Data → Sort Chọn cột định xếp Sort by hướng xếp Descending, sau bấm nút OK Cột thứ hạng i giá trị chuỗi số liệu xi theo thứ tự nhỏ dần Để điền cột tự động Excel, nhập số vào hàng chọn đó, sau chọn trình đơn Edit → Fill → Series Chọn Series in hướng điền Columns, chọn loại chuỗi Type Linear, Step value 1, Stop value giá trị N, sau bấm nút OK Tính tần suất kinh nghiệm Pi = i/(N+1) cột (3) 91 Giả thiết giá trị thơng số vị trí a = Tính tốn LN(-LN(Pi)) cột (4) Tính tốn LN(xi – a) cột (5) 12.2.2 Tính đăc trưng thống kê chuỗi số theo phương pháp moments: Tính tốn đặc trưng thống kê Giá trị độ dài chuỗi N = COUNT(X) với đối số X chuỗi số liệu nhập vào 10 Giá trị trung bình chuỗi số x =AVERAGE(X) 11 Hệ số phân tán CV = STDEV(X)/ x 12 Hệ số thiên lệch CS = SKEW(X) 12.2.3 Tính đăc trưng thống kê chuỗi số theo phương pháp đồ thị: Có thể xác định thơng số theo phương pháp đồ thị theo cách Cách 1: Vẽ đường hồi quy Vẽ đồ thị quan hệ cột (4) cột (5) Chọn cột (4) cột (5), chọn trình đơn Insert → Chart Chọn loại đồ thị XY (Scatter), chọn Chart sub-type chấm điểm theo mặc định Xác định thông số quan hệ Chọn điểm quan hệ đồ thị vừa vẽ, chọn trình đơn Chart → Add Trendline Chọn dạng quan hệ Trend/Regression type Linear, Đánh dấu mục Display equation on chart Display R-squared value on chart Options, cuối bấm phím OK Thơng số hình dạng c nghịch đảo độ dốc đường tương quan so với trục hoành Giá trị logarithm thông số tỷ lệ lnb tung độ đường thẳng tương quan cắt trục tung Các thông số hệ số tương quan nhận từ phương trình hồi quy Cách 2: Sử dụng hàm MS Excel (không cần vẽ đường hồi quy): Thơng số hình dạng c tính theo cơng thức c = 1/SLOPE(cột_5,cột_4) Thơng số tỷ lệ b tính theo công thức b = EXP(INTERCEPT(cột_5,cột_4)) Hệ số tương quan tính theo cơng thức R = CORREL(cột_5,cột_4) Cho thơng số vị trí a giá trị khác để nhận hệ số tương quan R lớn Cũng xác định thơng số a cách tự động bạn cài đặt Solver kèm theo Excel sau: Chọn trình đơn Tools → Solver Chọn Set Target Cell chứa biểu thức tính R By Changing Cells ô chứa thông số vị trí a Chọn loại tốn Max Equal To Bấm Solve để Excel tự động tìm giá trị a cho R lớn Từ thơng số a, b c vừa tính, tính lại đặc trưng thống kê theo cơng thức (342), (343) (344) 12.2.4 Lập bảng phân bố tần suất lý thuyết (Bảng 2) Cột (1): Thứ tự giá trị tính tốn bảng 92 10 Cột (2): Cho tần suất cần tính tốn (tần suất vượt) P 11 Cột (3): Thời kỳ lặp lại tính theo năm, xác định theo cơng thức T = 1/P 12 Cột (4): Giá trị thiết kế tương ứng với tần suất cột (2) tính tốn theo phân bố Weibull (349) 12.2.5 Vẽ đường tần suất Vẽ đồ thị điểm (XY Scatter) quan hệ P giá trị quan trắc cột (3) (2) bảng phân bố tần suất thực nghiệm (Bảng 1) dạng điểm chấm Bổ sung thêm đồ thị (XY Scatter) quan hệ P giá trị thiết kế cột (3) (4) bảng phân bố tần suất lý thuyết (Bảng 2) dạng đường nối liền nét 12.3 Ví dụ tính tốn Xác định thông số vẽ đường tần suất theo phân bố Weibull cho chuỗi số liệu vận tốc gió lớn hàng năm xếp giảm dần cột (2) Bảng 1, Hình 13 Các bước tính tốn thơng số vẽ đường tần suất theo phân bố Weibull sau 12.3.1 Tính thơng số thống kê theo phương pháp moments 11 Ô C7: Độ dài chuỗi số (N) =COUNT(B16:B30) 12 Ô C8: Trị trung bình ( x ) =AVERAGE(B16:B30) 13 Ơ C9: Hệ số phân tán tính theo phương pháp moments (CV) =STDEV(B16:B30)/C8 14 Ơ C10: Hệ số thiên lệch tính theo phương pháp moments (CS) =SKEW(B16:B30) 12.3.2 Tính bảng tần suất kinh nghiệm Tính tần suất kinh nghiệm Pi = i/(N+1) cột 3, ví dụ C16: =100*A16/($C$7+1) Tính tốn LN(-LN(Pi)) cột 4, ví dụ D16: =LN(-LN(0.01*C16)) Tính tốn LN(V-a) cột 5, ví dụ E16: =LN(B16-$I$10) 12.3.3 Tính thơng số thống kê theo phương pháp đồ thị 11 Ô H7: Hệ số tương quan đường hồi quy (R) =CORREL(D16:D30,E16:E30) 12 Ô H8: Thơng số hình dạng (c) =1/SLOPE(E16:E30,D16:D30) 13 Ơ H9: Thơng số tỷ lệ (b) =EXP(INTERCEPT(E16:E30,D16:D30)) 14 Vẽ đồ thị điểm (XY Scatter) quan hệ X Y cột (4) (5) Bảng Tạo đường hồi quy, phương trình hồi quy hệ số tương quan quan hệ Kiểm tra lại thông số phân bố Weibull theo công thức (348) 93 Hình 16: Bảng tính tần suất theo phân bố Weibull 12.3.4 Lập bảng phân bố tần suất lý thuyết (Bảng 2) đường tần suất Lập bảng tần suất lý thuyết phân bố Weibull với ciá trị thiết kế cột (4) tính theo (349), ví dụ ô J16: =$I$10+EXP(LN(-LN(0.01*I16))/$I$8+LN($I$9)) Đường tần suất vẽ quan hệ cột (3) cột (4) bảng Hình 15 94 Xác định thơng số phân bố Weibull ⎡ ⎛ x − a ⎞c ⎤ F ( x ) = P { X ≤ x} = − exp ⎢ − ⎜ ⎟ ⎥ ⎣⎢ ⎝ b ⎠ ⎦⎥ 4.5 Ln(V-a) y = 0.2626x + 3.465 R = 0.954 3.5 2.5 -4 -3 -2 -1 Ln(-Ln(P)) Hình 17: Đường thẳng hồi quy ĐƯỜNG TẦN SUẤT WEIBULL CỦA TỐC ĐỘ GIÓ LỚN NHẤT TRẠM ABC 50 45 35 30 25 20 15 90.00 95.00 99.00 80.00 70.00 60.00 50.00 33.33 20.00 10.00 6.67 5.00 4.00 3.33 2.50 2.00 1.67 10 1.00 1.05 1.11 1.18 1.25 1.33 1.43 Vận tốc gió, Vmax (m/s) 40 Tần suất vượt, P (%) Hình 18: Đường tần suất phân bố Weibull vẽ MS Excel 95 ... - Nghiên cứu, đánh giá tác động rừng ngập mặn tới dòng chảy tác dụng rừng ngập mặn tới vận chuyển bùn cát ven bờ khu vực; - Đề xuất giải pháp quy hoạch, quản lý, nhằm bảo vệ tăng diện tích rừng. .. lực, chế độ vận chuyển bùn cát khu vực nhằm đánh giá ảnh hưởng rừng ngập mặn tới hiệu giảm sóng, vận chuyển bùn cát bên rừng; - Đề xuất biện pháp quản lý nhằm tăng diện tích rừng ngập mặn khu vực... năm 2012, nhận đề tài: ? ?Nghiên cứu đánh giá tác dụng rừng ngập mặn tới vận chuyển bùn cát ven bờ? ?? hướng dẫn PGS.TS Nghiêm Tiến Lam Tôi xin cam đoan luận văn kết nghiên cứu riêng tôi, không chép