MÔ HÌNH TOÁN THỦY VĂN

MƠ HÌNH TỐN THỦY VĂN Nguyễn Hữu Khải -Nguyễn Thanh Sơn NXB Đại học Quốc gia Hà Nội 2003 Từ khố: Tần suất, Chuẩn dịng chảy năm, Dịng chảy lũ, mặt dệm, dao động dòng chảy năm, phân phối dòng chảy năm, dòng chảy lũ, cường độ tới hạn, vi phân, dịng chảy kiệt, tài ngun nước, mơi trường, mơ hình, tất định, ngẫu nhiên, phương pháp, Monte -Carlo Tài liệu Thư viện điện tử Đại học Khoa học Tự nhiên sử dụng cho mục đích học tập nghiên cứu cá nhân Nghiêm cấm hình thức chép, in ấn phục vụ mục đích khác khơng chấp thuận nhà xuất tác giả ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN HỮU KHẢI NGUYỄN THANH SƠN MƠ HÌNH TỐN THUỶ VĂN NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI MỤC LỤC MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU Chương PHÂN TÍCH HỆ THỐNG VÀ MƠ HÌNH TỐN THUỶ VĂN 1.1 KHÁI NIỆM VỀ PHÂN TÍCH HỆ THỐNG VÀ MƠ HÌNH TỐN THỦY VĂN 1.1.1 Khái niệm phân tích hệ thống (Systematical analysis) 1.1.2 Khái niệm mô hình tốn thủy văn 1.2 PHÂN LOẠI MƠ HÌNH TỐN THỦY VĂN 14 1.2.1 Mơ hình tất định (Deterministic model) 15 1.2.2 Mơ hình ngẫu nhiên(Stochastic model) 18 1.3 SƠ LƯỢC QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN MƠ HÌNH TỐN THỦY VĂN 23 Chương MƠ HÌNH TẤT ĐỊNH 26 2.1 NGUYÊN TẮC CẤU TRÚC MÔ HÌNH TẤT ĐỊNH 26 2.1.1 Nguyên tắc mô 26 2.1.2 Cấu trúc mơ hình tất định 28 2.2 NHỮNG NGUYÊN LÝ CHUNG TRONG VIỆC XÂY DỰNG MƠ HÌNH " HỘP ĐEN 30 2.2.1 Một số cấu trúc mơ hình tuyến tính 33 2.2.2 Hàm ảnh hưởng Biểu thức tốn học lớp mơ hình tuyến tính 38 2.3 NGUN LÝ XÂY DỰNG MƠ HÌNH "QUAN NIỆM" DÒNG CHẢY 41 2.3.1 Xây dựng cấu trúc mơ hình 42 2.3.2 Xác định thơng số mơ hình 44 2.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH THƠNG SỐ MƠ HÌNH 47 2.4.1 Các tiêu chuẩn đánh giá mơ hình 48 2.4.2 Lựa chọn thông số tối ưu 49 2.5 GIỚI THIỆU CÁC MƠ HÌNH TẤT ĐỊNH THƠNG DỤNG 50 2.5.1 Mơ hình Kalinhin - Miliukốp - Nash 50 2.5.2 Mơ hình TANK 53 2.5.3 Mơ hình SSARR 67 2.5.4 Mơ hình diễn tốn châu thổ 75 2.5.5 Một số kết ứng dụng mô hình tất định Việt Nam 79 Chương MƠ HÌNH NGẪU NHIÊN 80 3.1 CẤU TRÚC NGUYÊN TẮC CỦA MƠ HÌNH NGẪU NHIÊN 80 3.1.1 Ngun tắc mô 80 3.1.2 Cấu trúc mơ hình ngẫu nhiên 94 3.2 CÁC LOẠI MƠ HÌNH NGẪU NHIÊN 98 3.2.1 Mơ hình ngẫu nhiên độc lập thời gian 98 3.2.2 Mơ hình ngẫu nhiên tương quan 106 3.3 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ 120 3.3.1 Tiêu chuẩn đánh giá mơ hình 120 3.3.2 Phương pháp xác định thơng số mơ hình 124 3.3.3 Phương pháp tạo chuỗi mơ hình hố 134 3.4 MỘT SỐ MƠ HÌNH NGẪU NHIÊN THƠNG DỤNG HIỆN NAY 139 3.4.1 Mơ hình tự hồi quy trung bình trượt ARIMA (AUTOREGRESIVE INTERGRATED MOVING AVERAGE MODEL) 139 3.4.2 Mơ hình MARKOV (MARKOV MODEL) 153 3.4.3 Mơ hình động lực thống kê Aliôkhin (Statistic dynamical model) 164 3.4.4 Mơ hình THORMAT-FIERING 166 Chương ỨNG DỤNG CỦA MƠ HÌNH TỐN THUỶ VĂN 168 4.1 ỨNG DỤNG TRONG TÍNH TỐN THUỶ VĂN 168 4.1.1 Sử lý quản lý số liệu thủy văn 168 4.1.2 Dự báo tính tốn thủy văn 169 4.2 ỨNG DỤNG TRONG TÍNH TỐN THUỶ LỢI 176 4.2.1 Đánh giá đặc trưng thống kê 176 4.2.2 Quy hoạch điều hành hệ thống nguồn nước 178 4.3 BÀI TẬP ỨNG DỤNG 179 4.3.1 Bài tập số 1: ỨNG DỤNG MƠ HÌNH SSARR 179 4.3.2 Bài tập số 2: ỨNG DỤNG MƠ HÌNH ARIMA 189 LỜI NĨI ĐẦU Mơ hình tốn thuỷ văn ngày phát triển, ứng dụng rộng rãi thực tế bắt đầu đưa vào chương trình giảng dạy học tập bặc đại học Tuy nhiên chưa có giáo trình thức đầy đủ vấn đề Để đáp ứng yêu cầu nghiên cứu học tập sinh viên ngành thuỷ văn tài nguyên nước, giáo trình khẩn trương biên soạn Các tác giả cố gắng tập hợp hệ thống hoá nghiên cứu gần vấn đề Tài liệu cần thiết cho sinh viên học viên cao học ngành thuỷ văn, Khoa Khí tượng-Thuỷ văn Hải dương học, đồng thời tài liệu tham khảo bổ ích cho sinh viên học viên cao học ngành có liên quan Cuốn sách giảng viên giảng dạy nghiên cứu nhiều lĩnh vực mơ hình tốn thuỷ văn biên soạn Các tác giả chân thành cảm ơn bạn đồng nghiệp đóng góp quý báu cho nội dung sách Cảm ơn Khoa Khí tương-Thuỷ văn Hải dương học, Trường Đại học Khoa học tự nhiên, Đai học Quố gia Hà nội tạo điều kiện thuận lợi cho việc xuất tài liệu Đây giáo trình biên soạn lần đầu tiên, nên cịn có khiếm khuyết thiếu sót, mong đóng góp bạn đọc Các tác giả Chương PHÂN TÍCH HỆ THỐNG VÀ MƠ HÌNH TỐN THUỶ VĂN 1.1 KHÁI NIỆM VỀ PHÂN TÍCH HỆ THỐNG VÀ MƠ HÌNH TỐN THỦY VĂN Ngày hiểu biết người trình thuỷ văn tiến bước dài Con người hiểu biết sâu sắc q trình hình thành dịng chảy, chế tác động từ thiết lập mơ hình mơ chúng Tuy nhiên thực tế tượng thuỷ văn vô phức tạp , hiểu phần không đầy đủ chúng thiếu lý thuyết hồn chỉnh để mơ tả tất trình xẩy tự nhiên Vì lẽ thuỷ văn sử dụng khái niệm hệ thống,cho phép mô tả tượng thuỷ văn cách đơn giản 1.1.1 Khái niệm phân tích hệ thống (Systematical analysis) 1.1.1.1 Hệ thống(System) Hệ thống hiểu tập hợp thành phần có quan hệ liên thông với để tạo thành tổng thể Theo Dooge (1964) hệ thống cấu trúc, thiết bị sơ đồ, trình tự đó, thực hay trừu tượng, gắn với bước thời gian định, liên hệ lượng vào(nguyên nhân, lượng, thông tin) với lượmg ra(hệ quả, phản ứng, lượng) hình 1.1 I(t) Lượng vào Hệ thống Q(t) (System) Lượng (Input) (Output) Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống Hệ thống thuỷ văn (Hydrologic system) trình thuỷ văn (chu trình thuỷ văn) vùng khơng gian định hệ thống thực Ta coi tuần hồn thuỷ văn hệ thống với thành phần nước, bốc hơi, dòng chảy pha khác chu trình Các thành phần lại tập hợp thành hệ thống chu trình lớn Để phân tích hệ thống tồn cục ta tiến hành xử lý, phân tích riêng rẽ hệ thống đơn giản tổng hợp kết dựa mối quan hệ qua lại chúng Trong hình 1.2 tuần hoàn thuỷ văn toàn cầu miêu tả hệ thống Các đường đứt quãng chia hệ thống thành hệ thống con: Hệ thống nước khí bao gồm trình mưa rơi , bốc ngăn giữ cối bốc thoát sinh vật, hệ thống nước mặt đất với q trình chảy sườn dốc, dịng chảy mặt, q trình chảy dịng sát mặt, dịng ngầm q trình chảy sơng đổ biển, hệ thống nước đất bao gồm trình thấm, bổ sung nước ngầm, dòng sát mặt dòng ngầm Các trình thuỷ văn, theo định nghĩa Dooge khơng bó hẹp số lượng dịng chảy mà tập hợp trình vật lý, hố học sinh học dịng chảy sơng ngịi Các q trình hay nhiều biến vào, phản ứng hệ thống tạo nhiều trình Mưa rơi Bốc Nước khí Ngăn giữ Σ Bốc Nước mặt Chảy sườn dốc Dịng chảy mặt Dịng chảy trực tiếp vào sơng đại dương Thấm Dòng chảy sát mặt Σ Trở lại kho nước ngầm Dịng chảy ngầm Nước sát mặt Hình 1.2 Sơ đồ hệ thống thủy văn toàn cầu Trong hầu hết toán thực hành xét số q trình tuần hồn thủy văn thời gian phạm vi không gian nhỏ bé trái đất Để nghiên cứu toán này, người ta dùng khái niệm hẹp hơn, thích hợp khái niệm ” thể tích kiểm tra ” Đó khái niệm dùng học chất lỏng biểu thị không gian ba chiều, có chất lỏng chảy qua nguyên lý khối lượng, lượng động lượng áp dụng cho Thể tích kiểm tra cung cấp cho khung để áp dụng định luật bảo toàn khối lượng, lượng định luật II Niutơn, từ rút phương trình động lực dùng thực hành Trong q trình suy diễn ta khơng cần biết mơ hình xác dịng chất lỏng bên thể tích kiểm tra, mà cần biết tính chất chất lỏng mặt kiểm tra, tức biên giới thể tích kiểm tra xét Chất lỏng bên thể tích kiểm tra coi khối mà xét đến tác dụng lực ngồi, ví dụ trọng lực, ta coi khối chất lỏng điểm khơng gian tập trung khối lượng chất lỏng Tương tự, hệ thống thủy văn định nghĩa cấu trúc hay thể tích khơng gian bao quanh mặt biên Cấu trúc tiếp nhận yếu tố đầu vào (Input) qua mặt biên mưa theo phương thẳng đứng, dòng chảy theo phương ngang, thao tác phân tích yếu tố bên biến đổi chúng thành yếu tố đầu (Output) mặt biên bên Có thể hiếu cấu trúc hệ thống (hay thể tích khơng gian) tồn đường đi, phương thức khác để qua nước xuyên suốt qua hệ thống từ điểm vào điểm Biên hệ thống mặt liên tục, xác định không gian chiều bao quanh cấu trúc hay thể tích xét Một đối tượng nghiên cứu vào hệ thống yếu tố đầu vào, tác động qua lại với cấu trúc yếu tố khác, rời khỏi hệ thống thành yếu tố đầu Nhiều q trình vật lý, hố học sinh học khác bên cấu trúc tác động lên đối tượng 1.1.1.2 Phân tích hệ thống Phân tích hệ thống tìm hiểu cấu trúc vận hành hệ thống, xác lập mơ hình mô tả chúng Người ta tiến hành thiết lập phương trình mơ hình tượng thủy văn theo bước tương tự học chất lỏng Tuy nhiên, việc áp dụng định luật vật lý mang tính xấp xỉ gần nhiều hệ thống nhiều hơn, phức tạp hơn, bao hàm nhiều yếu tố cần xét Mặt khác phần lớn hệ thống thủy văn mang tính ngẫu nhiên yếu tố vào hệ thống mưa, tượng có tính biến động lớn tính ngẫu nhiên cao Cũng vậy, phân tích thống kê giữ vai trò quan trọng Ví dụ ta biểu thị q trình mưa rào dòng chảy lưu vực hệ thống thủy văn (hình 1.3) Lượng mưa yếu tố đầu vào phân bố không gian mặt phẳng phía Lưu vực diện tích tập trung nước sông Biên hệ thống dựng xung quanh lưu vực cách chiếu thẳng đứng đường phân nước tới hai mặt nằm ngang taị đỉnh đáy Yếu tố đầu dòng nước tập trung không gian cửa lưu vực Lượng bốc dòng sát mặt coi yếu tố đầu thường nhỏ so với dòng chảy sinh trận mưa nên bỏ qua Nước rơi I(t) Đường phân nước lưu vực Bề mặt lưu vực Biên hệ thống Dịng chảy sơng Q(t) Hình 1.3 : Minh hoạ lưu vực hệ thống thủy văn Cấu trúc hệ thống tập hợp đường dòng chảy mặt đất bao gồm dòng nhánh, dòng cuối hồ nhập thành dịng chảy mặt cắt cửa Cấu trúc hệ thống chịu ảnh hưởng đặc tính lưu vực địa hình, địa chất, thổ nhưỡng, đặc trưng hình thái lưu vực sông Nếu khảo sát thật chi tiết bề mặt tầng đất lưu vực ta thấy số lượng đường di chuyển dịng chảy vô lớn Dọc theo đường bất kỳ, hình dạng, độ nhám, độ dốc bề mặt thay đổi liên tục từ vị trí sang vị trí khác, đồng thời thay đổi theo thời gian Mặt khác mưa biến đổi ngẫu nhiên theo không gian thời gian Do phức tạp ta khơng thể mơ tả số q trình thủy văn định luật vật lý xác Sử dụng khái niệm hệ thống người ta tập trung xây dựng mơ hình liên hệ yếu tố đầu vào sản phẩm đầu miêu tả cách xác chi tiết hệ thống Sự miêu tả xác khơng mang ý nghĩa thực tiễn khơng thực vượt khả hiểu biết Tuy nhiên hiểu biết hệ thống vật lý giúp ích nhiều việc thiết lập mơ hình cách đắn kiểm chứng độ xác 1.1.2 Khái niệm mơ hình tốn thủy văn 1.1.2.1 Mơ hình tốn học hệ thủy văn Mục tiêu phân tích hệ thống nghiên cứu vận hành hệ thống dự toán kết đầu Mơ hình hệ thống thủy văn phản ánh gần hệ thống thủy văn có thật Các yếu tố đầu vào sản phẩm đầu biến lượng thủy văn đo Mơ hình hệ thống thủy văn mơ hình vật lý, tương tự hay tốn học Mơ hình vật lý bao gồm mơ hình tỉ lệ tức mơ hình biểu thị hệ thống thật dạng thu nhỏ mơ hình thủy lực đập tràn Mơ hình tương tự mơ hình vật lý khác có tính chất tương tự mơ hình ngun thể, chẳng hạn số mơ hình điện thủy lực Mơ hình tốn học miêu tả hệ thống dạng tốn học Mơ hình tốn học tập hợp phương trình tốn học, mệnh đề logic thể quan hệ biến thơng số mơ hình để mơ hệ thống tự nhiên (Reepgaard) hay nói cách khác mơ hình tốn học hệ thống biến đổi đầu vào (hình dạng, điều kiện biên, lực v.v ) thành đầu (tốc dộ chảy, mực nước, áp suất v.v ) (Novak) Chúng ta biểu thị đầu vào đầu hệ thống hàm thời gian, thứ tự I(t) Q(t) , t biến thời gian khoảng thời gian T xét Hệ thống thực phép biến đổi, biến yếu tố đầu vào I(t) thành đầu Q(t) theo phương trình : Q = ΩI(t) (1.1) Phương trình gọi phương trình biến đổi hệ thống Ω hàm truyền (Propogation function) yếu tố đầu vào đầu Đôi người ta gọi hàm ảnh hưởng hay hàm phản ứng Nếu mối liên hệ biểu thị phương trình đại số Ω tốn tử đại số Ví dụ có : Q(t)=C.I(t) (1.2) C số hàm truyền toán tử: Ω= Q(t ) I (t ) (1.3) Nếu phép biến đổi mô tả phương trình vi phân hàm truyền tốn tử vi phân Ví dụ kho nước tuyến tính lượng trữ S liên hệ với lưu lượng Q qua phương trình : S = KQ (1.4) K số Từ tính liên tục dịng chảy ta có lượng biến thiên lượng trữ đơn vị thời gian dS/dt hiệu lượng vào I(t) lượng Q(t) : 10 19 317010 463220 335 271 481 262 50 20 341080 485750 343 278 190 390 100 21 378650 518380 353 288 30 320 13 22 397810 545920 366 297 70 176 630 23 401400 568440 380 309 203 70 24 389380 562910 397 327 230 662 20 25 374260 549410 410 340 140 40 380 26 357450 537020 418 353 120 700 206 27 344180 527650 424 367 650 28 317730 508990 427 377 310 29 284780 460740 430 381 310 40 30 254430 420530 429 384 10 930 180 31 234540 370180 429 387 190 198 32 206010 378620 429 390 0 20 33 202560 330420 429 391 120 34 201360 312300 429 390 680 70 Các bước thực (1).Công nghệ dự báo: ∗Chương trình SSARR tổ chức linh hoạt bao gồm chương trình kiểm sốt tồn hoạt động chương trình con, tạo chương trình thống tổ chức theo khối (hình 4.1) ∗Tạo file số liệu phục vụ cho tính tốn dự báo -File số liệu bao gồm phần: Phần bảng quan hệ tham số phần số liệu thủy văn (bảng 4, 3) 181 +Các tham số tham khảo từ lưu vực tương tự để có tham số sơ ban đầu đưa vào tính tốn Sau chúng điều chỉnh q trình chạy mơ hình +Số liệu đưa vào sau phần tham số - File số liệu tổ chức dạng bìa - Các số liệu nhập trực tiếp vào máy, lưu giữ tạm thời Chương trình nhập số liệu Trao đổi người máy (Input data) (Interractive Drive) Chương trình tổng hợp dịng chảy File tính tốn từ mưa lưu vực (Work file) (Watershed Model) Chương trình diễn tốn File trình tự chạy đoạn sông hồ chứa (Bulk file) (River and Reservoir model) Chương trình kết suất kết File vẽ đồ thị (Output Reports) (Drawer file) Hình 4.1 Sơ đồ cơng nghệ mơ hình SSARR, ∗Xây dựng sơ đồ hình thái lưu vực diễn tốn: - Sơ đồ hình thái lưu vực diễn tốn gồm dịng song song (hình 4,2) - Theo sơ đồ bên phải: PA 670 651 650 182 +Bên phải sơ đồ dòng chảy thực đo diễn tốn dịng sơng +Bên trái sơ đồ dịng chảy tổng hợp từ mưa diễn tốn đoạn sông tương ứng - Theo sơ đồ bên trái: +Dòng chảy tổng hợp từ mưa cho khu Pakse-Kratie (KG PA-KR) +Lưu lượng Pakse (PA) diễn tốn qua đoạn sơng (650) cộng với kết dòng chảy khu PA-KR, để dòng chảy tạ Kratie (KR) +Diễn toán từ Kratie hạ lưu (HL), Thông qua quan hệ biến lưu lượng diễn toán (HL1), (HL) mực nước trạm vào thời điểm dự báo để tính mực nước Tân Châu (TC) Châu Đốc (CD) dự báo +Lưu lượng thực đo Pakse (TDPA) diễn tốn qua đoạn sơng (651) điểm truyền (670) Sau lấy lưu lượng thực đo Kratie (TDKR) trừ điểm truyền (670) để 183 dòng gia nhập “thực đo” khu Pakse-Kratie Kết dùng để so sánh với kết KGPA-KR từ mưa, nhằm điều chỉnh tham số cho KGPA-KR +Diễn toán lưu lượng thực đo Kratie (TDKR) hạ lưu (HL1), sau thơng qua quan hệ ba lưu lượng diễn toán mực nước trạm vào thời điểm dự báo để suy mực nước Tân châu (TC1) Châu đốc (CD1) 850 851 HL CĐ HL1 TC CĐ1 TC1 Hình 4.2: Sơ đồ hình thái lưu vực sông Mêkông Kết đem so sánh với kết sơ đồ tính để điều chỉnh tồn tham số cho đoạn sông ∗ Xác định tham số: - Các tham số xác định theo phương pháp thử sai cho lưu vực phận, cho kết tính tốn phù hợp với tài liệu thực đo - Việc điều chỉnh tham số tiến hành có lưu ý đến mức độ ảnh hưởng tham số đến kết tính tốn +Tham số trọng số trạm mưa WI ảnh hưởng đến mức độ đóng góp trạm thứ i cho lưu vực 184 +Liên hệ SMI-ROP: liên hệ thông số quan trọng nhất, ảnh hưởng đến lượng chảy tập trung đường q trình tính tốn Khi ROP tăng lưu lượng đỉnh thể tích lũ tăng lên +Liên hệ RGS-RS: ảnh hưởng trực tiếp đến đỉnh thời gian tập trung nước +Chỉ số bốc thoát ETI: làm thay đổi lượng dịng chảy khơng lớn +Liên hệ BII-BFP: làm thay đổi dòng chảy ngầm, đường lũ xuống, khơng ảnh hưởng đến thể tích +Số lần trữ nước N thời gian trữ nước TS: ảnh hưởng lớn đến dạng đường q trình tính Khi N TS dịng chảy mặt lớn đường lệch bên phải đỉnh lũ giảm +Thời gian trữ nước ngầm TSBII: làm phần dòng chảy ngầm thay đổi, ảnh hưởng đến phần rút nước Trong tham số mơ hình lưu vực, ba thơng số WI, SMI-ROP TS nhạy cảm +Số lần trữ nước đoạn sông N:ảnh hưởng đến đỉnh thời gian tập trung nước, N lớn đỉnh giảm +Hệ số trữ nước đoạn sông KTS lớn đường trình lệch bên phải Khi điều chỉnh mơ hình điều chỉnh quan hệ SMI-ROP, Sau điều chỉnh trọng số WI để lượng lũ phù hợp Cuối điều chỉnh N TS để trình tương ứng - Kết có tham số sau: + Mơ hình lưu vực khu Pakse-Kratie + Bốc thoát hơI EIT + Quan hệ BII-BFP 185 + Thơng số diễn tốn dịng chảy: • Mặt: N = 3, TS = 24h • Sát mặt: N = 3, TS = 52h • Ngầm: N = 2, TS = 500h + Thời gian trữ nước ngầm TSBII = 50h + Hệ số tỷ trọng trạm mưa WI = 1,5 (trung bình trạm) + Giá trị BII ban đầu: 0,80 cm/ngày + Giá trị SMI ban đầu: 35 cm + Đoan sông diễn tốn Paksê- Kratie • Số lần trữ nước N=4 • Hệ số đường cong (TS=KTS/an ): 0,33 • KTS= 600 + Đoạn Kratie- Tên chân • N=5 • n=-0,20 • KTS=5 Với thông số đỉnh xuất Chân Đốc sớm hay muộn Tân Chân 2-3 ngày * Kiểm định mơ hình: - Kiểm địmh số liệu phụ thuộc: + Kết mơ dịng chảy cho năm số liệu phụ thuộc 1964,1973, 1984, 1986, 1991 tương đối khả quan Sai số trung bình cấp mực nước 3,5m Tân 186 Châu 13cm, Châu Đốc 14,9cm Đỉnh lũ lớn năm Tân Châu sai 9,5cm, thời gian suất đỉnh sai 0-2 ngày, (hình 4.3) + Nếu lấy sai số cho phép 15cm kết mơ Tân Châu đạt 67%, Châu Đốc đạt 74% Điều xét trạm mưa thượng lưu sông Srepok Kết theo tiêu chất lượng S đưa bảng 4.4 σ + Bằng thông số xác định trên, tiến hành dự báo kiểm tra cho năm 1994, 1995, 1997 + Kết cho thấy định tính đường q trình tính thực đo có tương đồng Song số trận lũ năm 1995 đường tính tốn thiên lớn, năm 1994 đỉnh đường có lệch pha Đó chưa xét lượng nhập khu Kratie-Tân Châu + Về định lượng sai số trung bình mực nước 3,5 m Tân Châu 12,4cm, Châu Đốc 13cm Đỉnh lũ lớn Tân Châu sai 10cm, thời gian xuất đỉnh sai 0-2 ngày Tại Châu đốc sai 15cm, đỉnh sai 0-3 ngày,(Hình 4.4) - Kiểm tra số liệu độc lập, +Kiểm tra theo tiêu S đưa bảng 4.5 σ - Nhận xét: Trong dự báo tác nghiệp cần phân tích điều kiện KTTV lưu vực, cập nhập trạng thái lưu vực, tham số sai số để hiệu chỉnh kịp thời nâng cao chất lượng dự báo 187 Bảng 4.4: Kết đánh giá mô hình theo số liệu phụ thuộc Tỷ số S/σ Năm Trạm Tân Châu Nhận xét Trạm Châu Đốc 1964 0,34 Tốt 1978 0,337 0,32 Tốt 1984 0,234 0,14 Tốt 1986 0,23 0,22 Tốt 1991 0,159 0,184 Tốt Hình 4.3: So sánh trình dự báo thực tế 188 Hình 4.4: Kết dự báo Bảng 4.5: Kết dự báo kiểm tra số liệu độc lập Tỷ số S/σ Năm Nhận xét Trạm Tân Châu Trạm Châu Đốc 1994 0,24 0,24 Tốt 1995 0,54 0,554 Đạt 1997 0,43 0,456 Tốt 4.3.2 Bài tập số 2: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH ARIMA Cho số liệu dịng chảy tháng trạm Kontum, Trung Nghĩa Yaly sông Sê San (bảng 4) Yêu cầu dự báo dòng chảy tháng đến hồ chứa Yaly 2; Các bước giải: - Chỉ thực theo ARIMA cho trạm Kontum, sau quan hệ hồi quy Kontum Yaly tính dịng chảy Yaly Với trạm Trung nghĩa tiến hành tương tự 189 Bảng 4.5: Số liệu dòng chảy tháng trạm Kontum, Trung nghĩa,Yaly Năm-tháng Kontum Tr.nghĩa Yaly Năm-tháng Kontum Tr.nghĩa Yaly 1994-1 61,1 48,6 135 57,0 104 277 45,6 37 112 102 166 394 37,4 30,2 84,5 124 208 455 40,3 37,7 97,8 10 172 190 424 48,9 47,1 127 11 227 202 498 59,2 81 196 12 148 108 327 161 348 630 1996-1 64,4 58,3 186 170 383 722 52,3 44,5 142 345 602 963 37,2 36 118 10 142 231 494 40 42 105 11 89,4 127 258 58,9 60,3 152 12 72,2 87,9 287 64 75,4 229 1995-1 53,1 59,9 140 101 195 352 46,1 44,2 116 144 334 533 35,6 34,4 102 290 432 714 30,1 29,8 81,3 10 215 277 617 31,8 39,7 101 11 414 416 917 36,3 53,8 123 12 235 210 484 Công nghệ: gồm bước: * Định dạng mơ hình: -Trước hết để định dạng mơ hình cần đưa chuỗi dạng dừng phép biến đổi 190 +Logarit hoá Ln(x), Sau logarit hóa, vẽ lại đường q trình thấy chúng cịn có tính chu kỳ(hình 4.6) +Sai phân với bước trễ tháng (D(1)) với bước trễ 12 tháng D(12) Vẽ lại đường trình sau biến đổi (hình3.3,chương 3) thấy chúng có dạng cưa khơng có quy luật Chuỗi chứng tỏ chuỗi dừng + Phân tích hàm tự tương quan (TTQ) tự tương quan riêng (TTQR) chuỗi biến đổi thấy chúng có dạng gần tắt dần Như chọn mơ hình hỗn hợp ARIMA (p,d,q) (pS, dS, qS) để mơ chuỗi + Phân tích hàm TTQ TTQR (hình 3.4,chương 3) thấy chúng có bước nhảy sau bước trễ tháng 12 tháng Như chúng hàm ARIMA (1,1,1) (1,1,1) tức có bậc thơng số sau: +Bậc tự hồi quy tháng: p =1 +Bậc sai phân tháng: d =1 +Bậc trung bình trượt tháng: q =1 Hình 4.6: Quá trình lưu lượng tháng trạm Kontum sau log hoá +Bậc tự hồi quy mùa: pS=1 + Bậc sai phân mùa: dS=1 191 + Bậc trung bình trượt mùa: qS=1 * Xác định thông số: Bằng phương pháp tối ưu hóa Quasi-Newtơn xác định thơng số cho trạm Kontum sau(bảng 4.6): Bảng 4.6: Các thơng số mơ hình ARIMA cho trạm Kontum sơng Se san Mơ hình ARIMA(1,1,1)(1,1,1) Trạm Kontum Sơng Sê san Các bước biến đổi: Ln(x),D(1),D(12) Số quan trắc 407 Tổng bình phương Tổng bình phương sai số ban đầu sai số cuối 168,05 66,487 Sai số quân phương 0,16359 Các thông số(p,pS: Tự hồi quy; q,qS: Trung bình trượt) Thơng số Giá trị thơng số Sai số p(1) q(1) pS(1) qS(1) 0,13416 0,68941 0,1497 0,8056 0,08933 0,06819 0,05823 0,03329 * Kiểm định mơ hình: Việc kiểm định mơ hình thực theo tiêu sau: - Phân tích sai số: +Phân tích hàm TTQ TTQR sai số(hình 4.6) thấy bước quan hệ có hệ số TTQ TTQR nhỏ, nhỏ độ lệch chuẩn chúng, chứng tỏ chuỗi thực dừng +Phân tích phân bố sai số (hình 3.6,chương 3) thấy chúng có dạng gần chuẩn - Kiểm định ý nghĩa thông số: thấy tiêu thống kê t lớn nhiều tα tra từ bảng Student với nước ý nghĩa α số bậc tự n- = 403; tα = 192 tP(1)= 16,3529 ; tPS(1)= 21,2547 tq(1)= 35,2131 ; tqS(1)= 32,1632 -Kiểm định tương quan thông số cho thấy (bảng 4.7) Hình 4.6: Hàm TTQ sai số trạm Kontum Bảng 4.7: Tương quan thông số Thông số p(1) q(1) pS(1) qS(1) p(1) 0,6852 0,0297 0,1394 q(1) 0,6852 0,0183 0,0278 pS(1) 0,0287 0,0183 0,6352 qS(1) 0,1394 0,0278 0,6352 Như chứng tỏ có biểu dư thừa thơng số Phân tích thêm thấy giá trị thơng số P(1) PS(1) có độ tin cậy q(1) qS(1) giá trị thông số nhỏ sai số chuẩn lớn Do loại bỏ hai thơng số P(1) PS(1), tức có mơ hình ARIMA (0,1,1)(0,1,1) -Phân tích tổng bình phương sai số để dễ so sánh chọn lại mơ hình ARIMA (0,1,1)(0,1,1) cho kết bảng 4.8 193 Bảng 4.8: Kết tính tốn thơng số trạm Kontum sơng Senan Mơ hình ARIMA(0,1,1)(0,1,1) Trạm Kontum Sông Sê san Các bước biến đổi: Ln(x),D(1),D(12) Số quan trắc Tổng bình phương Tổng bình phương sai số ban đầu sai số cuối 48,309 20,527 179 q(1) Sai số quân phương 0,11663 Q(1) Giá tri thông số 0,62558 0,75977 Sai số 0,07346 0,04077 So sánh hai mơ hình ARIMA (1,1,1)(1,1,1) ARIMA (0,1,1)(0,1,1) thấy chúng khơng có khác biệt lớn tổng bình phương sai số Theo ngun tắc chọn mơ hình chọn ARIMA (0,1,1)(0,1,1) làm mơ hình dự báo, tức có mơ hình Zt= 0,59526et-1+ 0,85216et-12 * Dự báo: Để dự báo phải chuyển dạng nguyên thủy - Trước hết đưa dạng y= lnQ + Ta có: Zt = (yt- yt-1)- (yt-12-yt-12-1) Trong đó: e t −1 = y t −1 − y 't −1 lµ sai sè dù b¸o tr − íc1 th¸ ng e t −12 = y t −12 − y t −12−1 lµ sai sè dù b¸o tr − íc12 th¸ ng Vậy có: y t = y t −1 − y t −12 − y t −13 − 0,59526 e t −1 + 0,85216 e t −12 - Chuyển dạng nguyên thủy: Q t = e yt - Theo biểu thức dự báo kiểm tra cho năm phụ thuộc, tức năm đưa vào để xác định thông số mơ hình 194 Bảng 4.9: Kết dự báo Q tháng Yaly theo ARIMA TT Năm-tháng Qtđo Qdự báo TT Năm-tháng Qtđo Qdự báo 1994-1 135 136,6 19 277 235,2 2 112 101,0 20 394 460,6 3 84,5 86,6 21 455 442,5 4 97,8 80,2 22 10 424 452,7 5 127 118,6 23 11 498 280,5 6 196 167,0 24 12 327 199,2 7 630 237,2 25 1996-1 186 134,1 8 722 464,7 26 142 99,2 9 963 447,0 27 118 85,1 10 10 494 456,8 28 105 78,7 11 11 258 283,1 29 152 116,4 12 12 287 201,4 30 229 164,1 13 1995-1 140 135,3 31 352 233,2 14 116 100,1 32 533 456,7 15 102 85,8 33 714 438,7 16 81,3 79,5 34 10 617 448,6 17 101 117,5 35 11 917 277,9 18 123 165,6 36 12 484 197,4 Kết đưa bảng 4.9 * Đánh giá chất lượng dự báo: + Tỷ số s = 0,50 σ + Mức bảo đảm: P = 83,3% + Nhận xét: Phương án thuộc loại tốt * Từ trạm Kontum suy dòng chảy dự báo cho tuyến đập Yaly theo phương trình hồi quy tuyến tính: QYaly= 2,447 QKontum + 52,698 với hệ số tương quan R= 0,9385 195