- 2 1Công thức Bernard: T p m
5) Nhận xét 5: Sự biến đổi của thông số lượng mưa ngày lớn nhất năm Hngàymax và thông số cường độ mưa thời đoạn tính toán lớn nhất năm a Tmax ở cùng một trạm không có sự
3.1.2. Xác định lượng mưa ngày tính toán Hn,p theo tần suất thiết kế p.
- Với chuỗi số liệu đo lượng mưa ngày lớn nhất từng năm Hngàymax kéo dài liên tục đến 30, 50 năm tới năm 2010 do Trung tâm khí tượng thủy văn Quốc Gia cung cấp (Bảng 2.1 chương 2), luận án nghiên cứu xác định lượng mưa ngày tính toán theo tần suất thiết kế Hn,p phù hợp với đặc điểm của chuỗi dữ liệu đo lượng mưa ngày ở các trạm đo mưa ở nước ta hiện nay chịu tác động của hiện tượng BĐKH. Bước đầu thiết lập giá trị lượng mưa ngày tính toán Hn,p cho 12 trạm khí tượng chọn nghiên cứu ở các vùng miền trên toàn quốc, khi có điều kiện sẽ mở rộng cho các trạm đo mưa còn lại.
- 71 -
- Việc xác định lượng mưa ngày tính toán theo tần suất Hn,p sử dụng phương pháp phân tích thống kê, nhưng vấn đề đặt ra ở đây là phải kiểm tra, bảo đảm sự chính xác, tin cậy của các kết quả tính toán.
- Việc tính toán Hn,p theo tần suất thực hiện theo sơ đồ ở Hình 3.1 sau đây.
Hình 3.1: Sơ đồ xác định lượng mưa ngày tính toán Hn,p bằng thống kê xác suất với chuỗi số liệu đo lượng mưa ngày ở các trạm đo mưa ở nước ta là liên tục
3.1.2.1. Vấn đề lấy mẫu thống kê.
+) Để xác định được lượng mưa ngày tính toán Hn,p ở tần suất p thì phải có mẫu thống kê lượng mưa ngày từ kết quả đo mưa ngoài thực tế tại các trạm đo mưa. Mẫu thống kê được chọn ở đây là: mỗi năm chọn một giá trị lượng mưa ngày lớn nhất năm (Hngàymax)i , với i là năm khảo sát đo mưa.
+) Trước khi đưa vào tính toán ngoài việc số liệu đo lượng mưa ngày phải được xử lý khử sai (sai số do chủ quan, nhầm lẫn, do thiết bị đo, . . . ) theo đúng các quy định trong quy trình chỉnh lý số liệu khí hậu, việc này do cơ quan cung cấp số liệu là Trung tâm khí tượng thủy văn Quốc Gia thực hiện, thì mẫu thống kê Hngàymax còn cần phải được kiểm định thỏa mãn các yêu cầu thống kê.
3.1.2.2. Kiểm định mẫu thống kê lượng mưa ngày lớn nhất năm Hngàymax: theo yêu cầu thì chuỗi số liệu mẫu thống kê (Hngàymax)i đưa vào tính toán tần suất để tìm ra Hn,p phải
Lấy mẫu và kiểm định mẫu thống kê lượng mưa ngày lớn nhất năm Hngàymax thu thập thực tế
Kiểm tra tính đại biểu:
./ Kiểm tra sai số lấy mẫu ./ Kiểm tra thời kỳ lấy mẫu Tính tần suất kinh nghiệm:
./ Công thức kỳ vọng
Xử lý mưa đặc biệt lớn
Tìm đường tần suất lý luận phù hợp:
./ Hàm phân bố Kritski – Menkel (K – M): dùng [57], [58] để hỗ trợ việc tính và vẽ đường tần suất lý luận
./ Tìm đường tần suất lý luận phù hợp theo phương pháp đường thích hợp Kiểm định sự phù hợp của đường tần suất lý luận với tài liệu thực đo:
- 72 -
đảm bảo được 3 tính chất là tính thuần nhất, tính độc lập và tính đại biểu của mẫu. Tuy nhiên với chuỗi thống kê Hngày
max
ở các trạm đo mưa ở nước ta là liên tục, không bị gián đoạn nên tính thuần nhất, tính độc lập luôn được thỏa mãn. Thật vậy:
+) Đối với tính thuần nhất của mẫu thống kê Hngàymax: để đảm bảo tính thuần nhất thì chuỗi số liệu thống kê phải có cùng nguyên nhân hình thành, cụ thể phải đảm bảo hai yêu cầu là có tính liên tục và có cùng nguyên nhân hình thành. Đối với chuỗi số liệu thống kê Hngàymax ở các trạm khí tượng ở nước ta luôn có.
Với tính liên tục: do thiết bị đo lượng mưa ngày đơn giản, chỉ là thùng đo mưa, nên việc đo lượng mưa ngày ở các trạm đo mưa ở nước ta không bị gián đoạn. Ví dụ như kiểm tra trong tất cả 12 trạm khí tượng chọn nghiên cứu ở Bảng 2.1 chương 2 thì chuỗi số liệu thống kê lượng mưa ngày lớn nhất năm Hngàymax đều liên tục, đầy đủ, không có năm nào bị gián đoạn.
Với tính chất cùng nguyên nhân hình thành: các trạm khí tượng, thủy văn, các trạm đo mưa đã được xây dựng ở nước ta từ khi thành lập đến nay đều có.
./ Vị trí, cao độ của các trạm là cố định trong suất thời kỳ đo mưa khảo sát.
./ Địa hình, không gian xung quanh các trạm, đặc biệt là các trạm khí tượng đều được bảo vệ không được xâm phạm trong một vùng giới hạn theo quy định của ngành khí tượng để đảm bảo nhà cửa, vật kiến trúc xung quanh không làm ảnh hưởng tới mưa và các yếu tố khí hậu khác trong khu vực thực hiện quan trắc. ./ Các máy móc, thiết bị đo mưa có cùng tiêu chuẩn chế tạo, khai thác, vận hành.
Do vậy chuỗi số liệu mẫu thống kê lượng mưa ngày lớn nhất năm Hngàymax đưa vào tính toán đảm bảo được tính thuần nhất.
+) Đối với tính độc lập (còn gọi là tính ngẫu nhiên) của mẫu thống kê lượng mưa ngày lớn nhất năm Hngàymax: lượng mưa ngày mang tính thời điểm, không mang tính tích lũy như lượng mưa năm. Mặt khác do cách chọn mẫu mỗi năm chỉ lấy một giá trị lượng mưa ngày lớn nhất năm. Do vậy các giá trị mẫu thống kê lượng mưa ngày lớn nhất năm trong chuỗi số liệu thống kê Hngàymax đưa vào tính toán là độc lập.
+) Như vậy, với điều kiện đo lượng mưa ngày liên tục tại các trạm đo mưa ở nước ta thì mẫu thống kê lượng mưa ngày lớn nhất năm Hngàymax đưa vào tính toán luôn đảm bảo được tính thuần nhất và tính độc lập, chỉ cần đi kiểm tra tính đại biểu.
+) Kiểm tra tính đại biểu của mẫu thống kê lượng mưa ngày lớn nhất năm Hngàymax: tính đại biểu của mẫu được kiểm tra theo hai điều kiện là đảm bảo sai số lấy mẫu và đảm bảo tính đại biểu của thời kỳ quan trắc đo đạc lấy mẫu.
- 73 -
Kiểm tra sai số lấy mẫu: chuỗi mẫu thống kê Hngàymax được coi là đủ dài nếu sai số lấy mẫu theo giá trị trung bìnhHngàymax và theo hệ số phân tán Cv nhỏ hơn trị
số cho phép: cp H Hngay ngay ' ' và Cv Cv cp ' ' (3.1)
Trong đó: [’Hngay]cp là sai số lấy mẫu cho phép của giá trị trung bình [’Cv]cp là sai số lấy mẫu cho phép của hệ số phân tán Cv
’Hngay là sai số tương đối của lượng mưa ngày lớn nhất năm trung bình: n Cv ngay H . 100 ' (%) (3.2)
’Cv là sai số tương đối của hệ số Cv của lượng mưa ngày lớn nhất
năm: ' 2 1 . 2 100 Cv n Cv (%) (3.3)
Cv là hệ số phân tán của chuỗi số liệu lượng mưa ngày lớn nhất năm, tính theo công thức (2.2) chương 2
n là tổng số mẫu trong chuỗi số liệu thống kê.
./ Sai số lẫy mẫu cho phép [’Hngày]cp và [’Cv]cp có thể tham khảo theo quy phạm thủy lợi QP.TL.C-6-77 [7]. Khi xác định thông số lượng mưa ngày tính toán Hn,p để sử dụng trong tính toán lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường kiến nghị sử dụng giới hạn sai số lẫy mẫu cho phép là: [’Hngày]cp = 10% và [’Cv]cp = 15%.
Bảng 3.1: Số năm quan trắc cần thiết để đảm bảo sai số lấy mẫu của chuỗi số liệu thống kê lượng mưa ngày lớn nhất năm tại 12 trạm khí tượng chọn nghiên cứu
TT Trạm, địa danh Thời kỳ quan trắc đo lượng mưa ngày Số năm đo thực tế, ntt (năm)
Số năm quan trắc cần thiết để bảo đảm sai số lấy mẫu, nyc
[’Hngày]cp =10% [’Cv]cp =15% nyc (năm) 1 Thị xã Mường Lay 1960 - 2010 51 11 25 25 2 TP. Tuyên Quang 1960 - 2010 51 14 25 25 3 TP. Lạng Sơn 1956 - 2010 55 10 24 24 4 Láng - TP.Hà Nội 1956 - 2010 55 18 26 26 5 Hà Đông - Hà Nội 1960 - 2010 51 30 29 30 6 TX.Sơn Tây - HN 1960 - 2010 51 29 29 29 7 TP. Vinh 1960 - 2010 51 18 26 26 8 TP. Đồng Hới 1956 - 2010 55 14 25 25 9 TP. Đà Nẵng 1980 - 2010 31 18 26 26 10 TP. Nha Trang 1980 - 2010 31 19 27 27 11 TP. Buôn Ma Thuột 1977 - 2010 34 18 26 26 12 TP. Cần Thơ 1980 - 2010 31 6 24 24
- 74 -
./ Kết quả tính sai số lấy mẫu cho chuỗi Hngàymax ở 12 trạm khí tượng như trong Bảng 3.1 trên. Nhận thấy, số năm đo đạc quan trắc lượng mưa ngày cần thiết để xác định lượng mưa ngày tính toán theo tần suất Hn,p ở nước ta cần tối thiểu từ nyc = 25 - 30 năm. Trong trường hợp mở rộng mức sai số lấy mẫu cho phép của hệ số phân tán Cv thì số năm quan trắc cần thiết có thể rút xuống chỉ cần nyc = 10 - 20 năm.
Kiểm tra tính đại biểu của thời kỳ quan trắc lấy mẫu Hngàymax:
./ Thời kỳ quan trắc đo đạc lấy mẫu thống kê lượng mưa ngày lớn nhất năm Hngàymax phải có được một số năm quan trắc lấy mẫu thuộc thời kỳ có Hngàymax lớn và một số năm quan trắc lấy mẫu thuộc thời kỳ có Hngàymax nhỏ liên tiếp nhau, có thể có thêm các năm quan trắc lấy mẫu thuộc thời kỳ có Hngàymax trung bình. Có như vậy thì quy luật thay đổi của lượng mưa ngày lớn nhất năm của thời kỳ quan trắc lấy mẫu mới có thể phản ánh gần đúng với quy luật chung về sự thay đổi lượng mưa ngày lớn nhất năm của tổng thể.
./ Đối với chuỗi số liệu mẫu thống kê lượng mưa ngày lớn nhất năm Hngàymax điều kiện này thường dễ dàng được thỏa mãn vì giá trị Hngàymax ở nước ta biến đổi mang tính chất chu kỳ. Theo kết quả nghiên cứu ở chương 2, với thời kỳ quan trắc của chuỗi số liệu mẫu thống kê Hngàymax ở 12 trạm khí tượng nghiên cứu từ năm 1960 - 2010 đều đạt được tối thiểu 1 chu kỳ biến đổi gồm trọn vẹn các thời kỳ lớn - nhỏ hoặc lớn-nhỏ-trung bình liên tiếp, có khi còn đạt được 2 hoặc >2 chu kỳ. Ngoài ra, ngay trong một chu kỳ lớn trên cũng có nhiều các chu kỳ nhỏ gồm các thời kỳ lớn -nhỏ - trung bình liên tiếp. Như vậy kết quả đạt được vượt quá yêu cầu kiểm định rất nhiều.
3.1.2.3. Tìm giá trị lượng mưa ngày tính toán Hn,p theo tần suất thiết kế p.
+) Sử dụng công thức kỳ vọng (3.4) để tính tần suất kinh nghiệm.
100. . 1 n k p (3.4)
Trong đó: k là số thứ tự trong liệt thứ tự số liệu thống kê Hngàymax đã sắp xếp theo thứ tự giá trị giảm dần
n là số lượng mẫu quan trắc trong liệt thứ tự số liệu.
+) Dùng hàm phân bố Gama ba tham số hay còn gọi là hàm Kritski-Menkel (K-M) để tính đường tần suất lý luận vì theo nghiên cứu ở chương 2, tỷ số Cs/Cv của chuỗi số liệu thống kê Hngàymax ở nước ta lớn nên sẽ phù hợp hơn với dạng phân bố này. Sử dụng phương pháp đường thích hợp để vẽ tìm đường tần suất lý luận phù hợp vì phương pháp này phù hợp hơn với dạng phân bố (K-M), các bước thực hiện như sau.
- 75 -
./ Bước 1: bằng phương pháp mô men, sử dụng các công thức (2.1), (2.2), (2.4) để ước tính giá trị các tham số thống kêX, Cv, Cs của chuỗi số liệu lượng mưa ngày lớn nhất năm Hngàymax.
./ Bước 2: tính và vẽ đường tần suất lý luận với các tham số thống kêX, Cv, Cs vừa tính ở bước 1.
./ Bước 3: kiểm tra, hiệu chỉnh. Khi đường tần suất lý luận vẽ ở bước 2 thấy chưa phù hợp với các điểm tần suất kinh nghiệm, cần hiệu chỉnh lại giá trị các tham sốX, Cv, Cs, thường trong phạm vi sai số tuyệt đối của nó (X Xtb), (Cv Cv), (Cs Cs) với n i i Xtb X X n 1 2 2. [ ] 1 , 2 1 . 2 v v Cv C n C , Cs 6.(1 6Cv2 5Cv4) n
và vẽ lại đường tần suất lý luận với các giá trịX, Cv, Cs vừa hiệu chỉnh. Cứ tiến hành thử dần như vậy cho đến khi tìm được đường tần suất lý luận phù hợp nhất với các điểm tần suất kinh nghiệm thì dừng lại. Đường tần suất lý luận phù hợp tìm được phải là một đường cong trơn, cong một chiều, không tồn tại những điểm gẫy và đi qua trung tâm các điểm tần suất kinh nghiệm.
./ Việc tính và vẽ ở bước 1, bước 2 trong luận án được hỗ trợ bởi phần mềm tính và vẽ đường tần suất FFC2008 [58], TSTV2002 [57].
+) Giá trị lượng mưa ngày tính toán Hn,p ở tần suất p tính theo công thức (3.5) sau.
XK K
Hn,p p. (3.5)
với:X là giá trị trung bình ứng với đường tần suất lý luận phù hợp tìm được của lượng mưa ngày lớn nhất năm
Kp là hệ số mô đuyn ở tần suất p của đường tần suất lý luận phù hợp tìm được, tra bảng toán học lập sẵn, phụ thuộc vào luật phân bố, hệ số Cv, Cs của đường tần suất lý luận phù hợp tìm được và tần suất p%, xem trong các tài liệu [3], [14], [15], [36], [45], . . . Bảng tra Kp này cũng được cập nhật trong [57], [58].
3.1.2.4. Xử lý khi gặp những trận mưa đặc biệt lớn.
+) Đây là vấn đề mới nảy sinh trong chuỗi số liệu đo lượng mưa ngày lớn nhất năm Hngàymax ở nước ta quan trắc đến thời điểm hiện nay, do ảnh hưởng của hiện tượng BĐKH nên trong những năm càng về gần đây có xuất hiện các giá trị lượng mưa ngày lớn đột biến (Hngàymax)*. Để bảo đảm kết quả tính toán xác định Hn,p theo tần suất là chính xác, khi gặp các giá trị (Hngàymax)* lớn đột biến trong chuỗi số liệu quan trắc lượng mưa ngày lớn nhất năm cần phải tiến hành xử lý mưa đặc biệt lớn.
- 76 -
+) Bảng 3.2 dưới đây là thống kê giá trị và thời điểm xuất hiện các giá trị (Hngàymax)* lớn đột biến trong chuỗi số liệu Hngày
max
quan trắc ở 12 trạm khí tượng, thời kỳ từ năm 1960-2010, như nghiên cứu đã chỉ ra của chương 2. Nhằm làm rõ hơn, trong bảng có so sánh các giá trị (Hngàymax)* lớn đột biến này với trị số Hngaymax 3. và nhận thấy chúng đều lớn hơn. Ở đây, là độ lệch chuẩn của chuỗi số liệu thống kê lượng mưa
ngày lớn nhất năm, n i ngay i ngay H H n 1 2 max max) ] [( . 1 1
. Như vậy, trừ ba trạm TX.Mường
Lay, TP.Nha Trang, TP.Cần Thơ, có đến 9/12 trạm khí tượng nghiên cứu phải xử lý mưa đặc biệt lớn theo trường hợp ở Hình 3.2, Hình 3.3 và công thức (3.6) dưới đây. Cũng nhìn vào Bảng 3.2 nhận thấy trong thời kỳ từ năm 1960 - 2010, các giá trị (Hngàymax)* lớn đột biến đều xảy ra vào những năm càng về gần đây.
Bảng 3.2: Giá trị và thời điểm xuất hiện lượng mưa ngày lớn đột biến (Hngàymax)* trong chuỗi số liệu từ năm 1960 – 2010 tại 12 trạm khí tượng chọn nghiên cứu
TT Trạm, địa danh Thời kỳ
quan trắc Hngàymax (mm) Độ lệch chuẩn (mm) Giá trị Hngàymax+3 (mm) Giá trị (Hngàymax)* (mm)
Thời điểm xuất hiện (Hngàymax)*
lớn đột biến Năm lịch sử biết được 1 Thị xã Mường Lay 1960 - 2010 133.11 43.93 264.89 - 0/ có 1960 2 TP. Tuyên Quang 1960 - 2010 123.11 46.78 263.46 316.0 17/ 7 / 2006 1960 3 TP. Lạng Sơn 1956 - 2010 105.95 32.84 204.48 215.2 26/ 9 / 2008 1956 4 Láng - TP.Hà Nội 1956 - 2010 137.1 58.95 313.96 394.9 347.0 10/ 11 / 1984, 31/ 10 / 2008 1956 5 Hà Đông - Hà Nội 1960 - 2010 137.55 75.65 364.51 514.2 31/ 10 / 2008 1960 6 TX.Sơn Tây - HN 1960 - 2010 145.79 78.73 381.97 508.0 14/ 7 / 1971 1960 7 TP. Vinh 1960 - 2010 232.15 99.82 531.62 596.7 11/ 10 / 1989 1960 8 TP. Đồng Hới 1956 - 2010 237.46 87.86 501.04 554.6 09/ 10 / 1995 1956 9 TP. Đà Nẵng 1980 - 2010 232.17 99.83 531.67 592.6 03/ 11 / 1999 1980 10 TP. Nha Trang 1980 - 2010 156.4 68.82 362.85 - 0/ có 1980