Tài liệu Xây dựng atlat mưa cực hạn cho tỉnh thừa thiên huế dựa trên phân tích tầng suất mưa vùng và suy luận bayesian

ii TÓM TẮT LUẬN VĂN XÂY DỰNG ATLAT MƢA CỰC HẠN CHO TỈNH THỪA THIÊN HUẾ DỰA TRÊN PHÂN TÍCH TẦN SUẤT MƢA VÙNG VÀ SUY LUẬN BAYESIAN Học viên: Đỗ Thị Phƣơng Linh. Chuyên ngành: Xây dựng Công trình thủy Mã số: 60.58.02.02, Khóa: 31, Trƣờng Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt - Thừa Thiên Huế là một trong những tỉnh có lƣợng lớn nhất nƣớc, tạo điều kiện cho phát triển hồ chứa thủy lợi, nhà máy thủy điện. Việc thiết kế các công trình thƣờng chỉ dựa vào chuỗi số liệu quan sát hạn chế của các trạm đo mƣa để từ đó phân tích tần suất và ƣớc tính giá trị mƣa thiết kế cho công trình. Tuy nhiên, thời gian lặp lại của các giá trị thiết kế công trình thƣờng rất lớn (T=100, 200 hoặc trên 500 năm) nên việc ƣớc tính này thƣờng tiềm ẩn khả năng vƣợt quá giá trị thiết kế. Do đó tác giả thực hiện Đề tài: Xây dựng Atlat mưa cực hạn cho tỉnh Thừa Thiên Huế dựa trên phân tích tần suất mưa vùng và suy luận Bayesian. Trong nghiên cứu này tác giả đã áp dụng phƣơng pháp mƣa vùng. Tác giả sử dụng số liệu mƣa của 19 trạm đo mƣa trong vùng. Kết quả phân tích chỉ ra rằng cơ sở dữ liệu vùng nghiên cứu là đồng nhất và phân bố GEV phù hợp cho cho mô hình mƣa 1 ngày max và 7 ngày max, phân phối Gen. Logistic cho mô hình mƣa 3 ngày max và mƣa 5 ngày max. Tác giả đã xây dựng bản đồ mƣa cực trị (Atlat mƣa cực trị) giúp cho việc tra cứu các thông tin cần thiết nhanh, hữu ích, thời kỳ lặp lại lƣợng mƣa cực trị là 1000 năm, 500 năm, 200 năm, 100 năm. Từ khóa - Atlat mƣa ; suy luận Bayesian; tần suất mƣa vùng ; mƣa cực hạn; phân tích tần suất. BUILDING THE EXTREME RAIN ATLAT POR THUA THIEN HUE PROVINCE BASED ON THE REGIONAL RAINFALL FRQUENCY ANALYSIS AND BAYESIAN INFERENCE Abstract - Thua Thien Hue is one of the provinces with the highest rainfall in the country, facilitating the development of reservoirs and hydropower plants. The design of works is usually based only on the time series limited observation at the rain gauges to analyze the frequency and estimated value of the design rain. However, the return period of the design values is often very high (T = 100, 200 or over 500 years), so this estimate often implies the possibility of exceeding the design value. So the the author to carry out the Master thesis with tittle “Building the extreme rain Atlat for Thua Thien Hue province based on the regional rainfall iii frequency analysis and Bayesian inference”. This study uses a regional rainfall method for Thừa Thiên Huế province. I have used the observation data of 19 rain gauge stations in the area. The results show that the database of regional study is homogeneous and an extreme GEV distribution form is most suitable for the 1 day maximum rainfall model and 7 days maximum rainfall model, Gen. Logistic distribution form for the 3 days maximum rainfall model and 5 days maximum rainfall model to analyze the regional rainfall frequency. With this, the author has built up maps of extreme rainfall (extreme rainfall Atlat), which makes it possible to a quick and efficient to look up useful information, with return period of extreme rainfall 1,000, 500, 200, 100 years. Key words - rain Atlat; Bayesian inference; the regional rainfall frequency analysis; extreme rain; frequency analysis. iv MỤC LỤC MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 1. SỰ CẦN THIẾT PHẢI NGHIÊN CỨU ....................................................... 1 2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU ......................................................................... 5 3. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU .............................................. 5 4. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU................................................................. 5 5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI ......... 5 6. CẤU TRÚC LUẬN VĂN ............................................................................. 5 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ......................................... 7 1.1. Các nghiên cứu trong và ngoài nƣớc ......................................................... 7 1.1.1. Các nghiên cứu ngoài nước .............................................................................7 1.1.2. Các nghiên cứu trong nước ..............................................................................7 1.2. Điều kiện tự nhiên tỉnh Thừa Thiên Huế .................................................. 9 1.2.1. Vị trí địa lý........................................................................................................9 1.2.2. Đặc điểm địa hình tỉnh Thừa Thiên Huế ........................................................10 1.3. Đặc điểm khí hậu trên địa bàn tỉnh Thừa Thiên Huế.............................. 10 1.3.1. Đặc điểm mưa ................................................................................................10 1.3.2. Phân vùng khí hậu tỉnh Thừa Thiên Huế .......................................................12 1.3.3. Đặc điểm lũ trên các sông thuộc Thừa Thiên Huế.........................................15 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH TẦN SUẤT MƯA VÙNG VÀ SUY LUẬN BAYESIAN ..................................................................................18 2.1. Sàng lọc dữ liệu (Screening of data) ........................................................ 18 2.1.1.Phương pháp Mann-Kendall ............................................................................19 2.1.2.Phương pháp Hosking-Wallis ..........................................................................19 2.2. Định dạng vùng đồng nhất ....................................................................... 20 2.2.1. Vùng đồng nhất ...............................................................................................20 2.2.2. Xác định vùng đồng nhất.................................................................................20 2.2.3. Lựa chọn hàm phân phối cho phân tích tần suất mưa vùng ...........................21 v 2.2.4. Các dạng hàm phân phối trong phân tích thống kê ........................................22 2.3. Ƣớc lƣợng giá trị - phân tích tần suất mƣa vùng ...............................................24 2.3.1. Chỉ số mưa vùng ..............................................................................................24 2.3.2. Tổng quan về suy luận Bayesian .....................................................................25 2.3.3. Likelihood của mẫu số liệu quan trắc .............................................................26 CHƯƠNG 3: ÁP DỤNG PHÂN TÍCH TẦN SUẤT MƯA VÙNG NGHIÊN CỨU ..........................................................................................................................27 3.1. Hiện trạng các trạm khí tƣợng thủy văn................................................... 27 3.2. Đặc điểm của mƣa 1, 3, 5, 7 ngày max vùng nghiên cứu ........................ 29 3.2.1. Mưa 1 ngày max ..............................................................................................29 3.2.2. Mưa 3, 5, 7 ngày max ......................................................................................30 3.2.3. Các trận mưa gây nên lũ đặc biệt lớn .............................................................33 3.3. Dữ liệu mƣa phục vụ nghiên cứu ............................................................. 35 3.4. Phân tích kết quả tính toán cho vùng nghiên cứu .................................... 37 3.4.1. Kết quả sàng lọc dữ liệu..................................................................................37 3.4.2. Kết quả kiểm tra tính đồng nhất ......................................................................38 3.4.3. Lựa chọn hàm phân phối.................................................................................39 3.5. Phân tích tần suất mƣa vùng cho các mô hình mƣa ................................. 42 3.5.1. Cách thực hiện ................................................................................................42 3.5.2. Kết quả tính toán tần suất mưa vùng ..............................................................42 CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG ATLAT MƯA CỰC HẠN CHO TỈNH THỪA THIÊN HUẾ ............................................................................................................45 4.1. Mục đích xây dựng Atlat mƣa cực hạn .................................................... 45 4.2. Quy trình công nghệ xây dựng Atlat mƣa cực hạn .................................. 45 4.2.1. Thu thập số liệu, dữ liệu nền Gis ....................................................................45 4.2.2. Kiểm tra, chính lý và bổ sung dữ liệu .............................................................45 4.2.3. Biên tập bản đồ nền.........................................................................................46 4.2.4. Lựa chọn số liệu để xây dựng bản đồ Atlat mưa cực hạn ...............................46 4.2.5. Phân tích tần suất mưa vùng nghiên cứu (cơ sở lý thuyết trong chương 2 và vi tính toán trong chương 3). ........................................................................................47 4.2.6. Phân tích, lựa chọn phương pháp nội suy trong Arcgis .................................47 4.2.7. Ứng dụng GIS xây dựng bản đồ phân bố mưa 1, 3, 5, 7 ngày max ứng với các tần suất cho tỉnh Thừa Thiên Huế .............................................................................49 4.2.8. Biên tập Atlat mưa cực hạn tỉnh Thừa Thiên Huế ..........................................55 4.3. Ứng dụng bản đồ mƣa cực hạn đánh giá khả năng xả lũ công trình thủy điện Bình Điền ................................................................................................ 64 4.4. Ứng dụng bản đồ mƣa cực hạn phân tích, đánh giá tần suất của đợt mƣa gây nên lũ lịch sử năm 1999 trên địa bàn tỉnh Thừa Thiên Huế ..................... 66 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 68 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................... 69 PHỤ LỤC ................................................................................................................. 83 vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Lượng mưa (mm) và tỉ trọng (%) của mùa mưa và tổng lượng mưa tháng 10 và 11, so với tổng lượng mưa năm .......................................................................12 Bảng 2.1: Điều kiện đánh giá tính không phù hợp dựa trên chỉ số Di ứng với số lượng N trạm của vùng nghiên cứu ...........................................................................19 Bảng 3.1: Thống kê các trạm đo mưa trong vùng nghiên cứu..................................28 Bảng 3.2: Các trạm quan trắc lượng mưa sử dụng trong tính toán .........................35 Bảng 3.3: giá trị mưa trung bình và  Mann-Kendall ..............................................37 Bảng 3.4: Tính Di cho vùng nghiên cứu ...................................................................38 Bảng 3.5: Giá trị chỉ số đồng dạng Hi khu vực nghiên cứu ......................................39 Bảng 3.6: Giá trị tuyệt đối của ZDIST ........................................................................39 Bảng 3.7: Bảng lựa chọn hàm phân phối .................................................................41 Bảng 3.8: Giá trị mưa 1 ngày max ứng với tần suất 0.1%; 0.2%, 0.5%, 1% tương ứng với giá trị Maximum Likelihood ........................................................................42 Bảng 3.9: Giá trị mưa 3 ngày max ứng với 0.1%; 0.2%, 0.5%, 1% tương ứng với giá trị Maximum Likelihood ......................................................................................43 Bảng 3.10: Giá trị mưa 5 ngày max ứng với 0.1%; 0.2%, 0.5%, 1% tương ứng với giá trị Maximum Likelihood ......................................................................................43 Bảng 3.11: Giá trị mưa 7 ngày max ứng với 0.1%; 0.2%, 0.5%, 1% tương ứng với giá trị Maximum Likelihood ......................................................................................44 Bảng 4.1: Kết quả tính toán Q max ..........................................................................66 Bảng 4.2: Tổng lượng mưa từ ngày 1-5/11/1999......................................................66 viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Bản đồ phân vùng khí hậu tỉnh Thừa Thiên Huế ......................................15 Hình 3.1: Bản đồ trạm đo mưa vùng nghiên cứu......................................................29 Hình 3.2: Lượng mưa ngày lớn nhất năm trung bình nhiều năm .............................30 Hình 3.3: Lượng mưa ngày lớn nhất năm trong chuỗi quan trắc.............................30 Hình 3.4: Lượng mưa 3 ngày lớn nhất năm trung bình nhiều năm ..........................31 Hình 3.5: Lượng mưa 3 ngày lớn nhất năm trong chuỗi quan trắc..........................31 Hình 3.6: Lượng mưa 5 ngày lớn nhất năm trung bình nhiều năm ..........................31 Hình 3.7: Lượng mưa 5 ngày lớn nhất năm trong chuỗi quan trắc..........................32 Hình 3.8: Lượng mưa 7 ngày lớn nhất năm trung bình nhiều năm ..........................32 Hình 3.9: Lượng mưa 7 ngày lớn nhất năm trong chuỗi quan trắc..........................32 Hình 3.10: Tổng lượng mưa từ ngày 29/10-1/11 ......................................................33 Hình 3.11: Tổng lượng mưa từ ngày 1-6/11/1999 ....................................................34 Hình 3.12: Tổng lượng mưa từ ngày 24-27/11/2004 ................................................34 Hình 3.13: Tổng lượng mưa từ ngày 30/9-1/10/2006 ...............................................35 Hình 3.14: Bản đồ vị trí các trạm quan trắc sử dụng trong nghiên cứu ..................36 Hình 3.15: Đường tần suất mưa 1ngày max trạm khí tượng Huế với phân phối GEV ...................................................................................................................................40 Hình 3.16: Đường tần suất mưa 1ngày max trạm khí tượng Huế với phân phối Gen. Logistic ......................................................................................................................40 Hình 3.17: Đường tần suất mưa 1ngày max trạm khí tượng Huế với phân phối Gen.Norm ..................................................................................................................40 Hình 3.18: Đường tần suất mưa 3 ngày max trạm khí tượng Huế với phân phối GEV ...........................................................................................................................40 Hình 3.19: Đường tần suất mưa 3 ngày max trạm khí tượng Huế với phân phối Gen. Logistic ......................................................................................................................40 Hình 3.20: Đường tần suất mưa 7 ngày max trạm khí tượng Huế với phân phối GEV ...........................................................................................................................41 Hình 3.21: Đường tần suất mưa 7 ngày max trạm khí tượng Huế với phân phối Gen. Logistic ......................................................................................................................41 Hình 4.1: Bản đồ nền tỉnh Thừa Thiên Huế ..............................................................46 Hình 4.2: Bản đồ phân bố lượng mưa 1 ngày max, tần suất P= 0.1% tương ứng với giá trị maximum likelihood .......................................................................................49 ix Hình 4.3: Bản đồ phân bố lượng mưa 3 ngày max, tần suất P= 0.1% tương ứng với giá trị maximum likelihood .......................................................................................50 Hình 4.4: Bản đồ phân bố lượng mưa 5 ngày max, tần suất P= 0.1% tương ứng với giá trị maximum likelihood .......................................................................................50 Hình 4.5: Bản đồ phân bố lượng mưa 7 ngày max, tần suất P= 0.1% tương ứng với giá trị maximum likelihood .......................................................................................51 Hình 4.6: Bản đồ phân bố lượng mưa 1 ngày max, tần suất P= 0.1% phương pháp phân tích mưa vùng theo suy luận Bayesian và dạng phân phối GEV .....................53 Hình 4.7: Bản đồ phân bố lượng mưa 1 ngày max, tần suất P= 0.1% Phương pháp địa phương sử dụng suy luận Bayesian và dạng phân phối GEV .............................54 Hình 4.8: Bản đồ phân bố lượng mưa 1 ngày max tỉnh Thừa Thiên Huế (P=0.1%) ...................................................................................................................................56 Hình 4.9: Bản đồ phân bố lượng mưa 1 ngày max tỉnh Thừa Thiên Huế (P=0.2%) ...................................................................................................................................56 Hình 4.10: Bản đồ phân bố lượng mưa 1 ngày max tỉnh Thừa Thiên Huế (P=0.5%) ...................................................................................................................................57 Hình 4.11: Bản đồ phân bố lượng mưa 1 ngày max tỉnh Thừa Thiên Huế (P=1%) 57 Hình 4.12: Bản đồ phân bố lượng mưa 3 ngày max tỉnh Thừa Thiên Huế (P=0.1%) ...................................................................................................................................58 Hình 4.13: Bản đồ phân bố lượng mưa 3 ngày max tỉnh Thừa Thiên Huế (P=0.2%) ...................................................................................................................................58 Hình 4.14: Bản đồ phân bố lượng mưa 3 ngày max tỉnh Thừa Thiên Huế (P=0.5%) ...................................................................................................................................59 Hình 4.15: Bản đồ phân bố lượng mưa 3 ngày max tỉnh Thừa Thiên Huế (P=1%) 59 Hình 4.16: Bản đồ phân bố lượng mưa 5 ngày max tỉnh Thừa Thiên Huế (P=0.1%) ...................................................................................................................................60 Hình 4.17: Bản đồ phân bố lượng mưa 5 ngày max tỉnh Thừa Thiên Huế (P=0.2%) ...................................................................................................................................60 Hình 4.18: Bản đồ phân bố lượng mưa 5 ngày max tỉnh Thừa Thiên Huế (P=0.5%) ...................................................................................................................................61 Hình 4.19: Bản đồ phân bố lượng mưa 5 ngày max tỉnh Thừa Thiên Huế (P=1%) 61 Hình 4.20: Bản đồ phân bố lượng mưa 7 ngày max tỉnh Thừa Thiên Huế (P=0.1%) ...................................................................................................................................62 x Hình 4.21: Bản đồ phân bố lượng mưa 7 ngày max tỉnh Thừa Thiên Huế (P=0.2%) ...................................................................................................................................62 Hình 4.22: Bản đồ phân bố lượng mưa 7 ngày max tỉnh Thừa Thiên Huế (P=0.5%) ...................................................................................................................................63 Hình 4.23: Bản đồ phân bố lượng mưa 7 ngày max tỉnh Thừa Thiên Huế (P=1%) 63 xi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT RFA GIS GEV FABMC KTTV ODA AusAID Regional Frequency Analysis Geographic Information System Generalized extreme-value distribution Frequecy Analysis Bayesian MacKov Chain Monte Carlo Khí tƣợng thủy văn Official Development Assistance Australian Agency for International Development 1 MỞ ĐẦU 1. SỰ CẦN THIẾT PHẢI NGHIÊN CỨU Dựa trên các số liệu quan sát ở nhiều nơi trên thế giới, mƣa cực hạn (extreme rainfall) là yếu tố chủ yếu tạo ra các trận lũ có sức tàn phá nghiên trọng, đặc biệt đối với các công trình xây dựng nhƣ : hồ chứa, cầu cống và đô thị. Mƣa cực hạn là lƣợng mƣa có giá trị ngang bằng hoặc vƣợt quá giá trị tính toán trong thiết kế các công trình xây dựng. Trên thực tế, các kỹ sƣ chỉ dựa vào số liệu quan sát hạn chế của các trạm đo mƣa để từ đó phân tích tần suất và ƣớc tính giá trị mƣa thiết kế cho công trình. Tuy nhiên, thời gian lặp lại của các giá trị thiết kế công trình thƣờng rất lớn (T=100, 200 hoặc trên 500 năm) nên việc ƣớc tính này thƣờng không chắc chắn và tiềm ẩn khả năng vƣợt quá giá trị thiết kế. Điều này là rất nguy hiểm đến sự an toàn các công trình. Bên cạnh đó, dƣới tác động của biến đổi khí hậu toàn cầu, các nghiên cứu cho thấy trong tƣơng lai lƣợng mƣa ở một số vùng có tính đột biến cao và mang tính cực đoan [5]. Điều này càng làm gia tăng sự không chắc chắn về giá trị ƣớc tính mƣa thiết kế của các công trình. Để khắc phục hạn chế này, các nghiên cứu trên thế giới đã áp dụng phƣơng pháp phân tích tần suất mƣa vùng để làm lớn kích thƣớc mẫu số liệu đo của các trạm trong vùng đồng nhất và giảm sự không chắc chắn trong ƣớc tính giá trị mƣa cực hạn [6];[7];[8];[9];[10]. Ở Việt Nam, phƣơng pháp này chƣa áp dụng rộng rãi, hiện chỉ có hai nghiên cứu bƣớc đầu áp dụng cho các vùng nhƣ tỉnh Quảng Nam [2];[4] và tỉnh Gia Lai [3]. Từ những lập luận trên, tác giả nhận định phƣơng pháp này cũng có thể áp dụng cho tỉnh Thừa Thiên Huế, đây là nơi có lƣợng mƣa ngày lớn nhất nƣớc nhƣ tại trạm Bạch Mã và trạm Huế năm 1999. Bên cạnh đó, trên lƣu vực các hệ thống sông thuộc tỉnh Thừa Thiên Huế có rất nhiều các hồ chứa thủy lợi và thủy điện đã đi vào vận hành. Việc áp dụng phƣơng pháp phân tích mƣa vùng và xây dựng Atlat mƣa cực hạn cho toàn tỉnh là rất cần thiết trong công tác phòng chống lũ lụt trong thời gian đến. Do đó, tác giả đề xuất đề tài: Xây dựng Atlat mƣa cực hạn cho tỉnh Thừa Thiên Huế dựa trên phân tích tần suất mƣa vùng và suy luận Bayesian. Thừa Thiên Huế là một tỉnh ven biển thuộc duyên hải Trung Bộ, với dãy núi Trƣờng Sơn Bắc ở phía Tây, phía Nam tỉnh là dãy núi trung bình đâm ngang ra biển Bạch Mã – Hải Vân. Đặc trƣng chung về địa hình của dãy Trƣờng Sơn Bắc là sƣờn phía Tây thoải, thấp dần về phía sông Mêkông, còn sƣờn phía Đông khá dốc, bị chia cắt mạnh thành các dãy núi trung bình, núi thấp, gò đồi và tiếp nối là đồng bằng duyên hải, đầm phá, cồn đụn cát chắn bờ và biển Đông. Địa hình Thừa Thiên Huế kết hợp với gió mùa đông bắc, các nhiễu động thời tiết tạo thành chế độ mƣa tƣơng 2 đối phức tạp của Tỉnh. Mùa khô, các ngày không mƣa liên tục kéo dài; trong mùa mƣa, mƣa lớn trong thời đoạn ngắn thƣờng xuyên xảy ra. Hình 1: Bản đồ vị trí vùng nghiên cứu Mục tiêu của đề tài là xây dựng đƣợc bộ Altat mƣa cực hạn cho tỉnh Thừa Thiên Huế, trong đó sử dụng GIS để nội suy đẳng trị mƣa. Do đó tại các vùng tiếp giáp với các tỉnh lân cận nhƣ : Quảng Trị (phía Bắc), Đà Nẵng và Quảng Nam (phía Nam), riêng phía Tây giáp với Lào không có số liệu đo. Tác giả đƣa thêm các trạm đo mƣa tại các vùng lân cận này vào trong quá trình phân tích tần suất mƣa vùng. Vậy Vùng nghiên cứu đƣợc xem là tỉnh Thừa Thiên Huế và các vùng tiếp giáp với tỉnh Thừa Thiên Huế có trạm đo mƣa. 1: Thống kê các trạm đo mưa trong vùng nghiên cứu TT 1 2 3 4 5 6 7 8 Tên Trạm Nam Đông Huế A Lƣới Phong Bình Phong Mỹ Cổ Bi Tà Lƣơng Phú Ốc Địa Danh TT Huế TT Huế TT Huế TT Huế TT Huế TT Huế TT Huế TT Huế Kinh độ 107044’ 107034’ 107016’ 107020’ 107016’ 107026’ 107020’ 107028’ Vĩ độ 16010’ 16025’ 16014’ 16040’ 16031’ 16030’ 16018’ 16031’ Liệt tài liệu 1976-2015 1976-2015 1973-2015 2004-2016 2004-2013 1977-1999 1984-2015 1980-2015 3 TT 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Tên Trạm Bình Điền Thƣợng Nhật Kim Long Đỉnh Bạch (Bạch Mã 1) Chân Bạch (Bạch Mã 2) Truồi Lộc Trì Dƣơng Hòa Lộc Tiến Lăng Cô Ba Lòng Thạch Hãn Hiên Thành Mỹ Cẩm Lệ Bà nà Mã Mã Địa Danh TT Huế TT Huế TT Huế Kinh độ 107031’ 107041’ 107034’ Vĩ độ 16021’ 1607’ 16027’ Liệt tài liệu 1977-2015 1979-2015 1977-2015 TT Huế 107051’ 16012’ 2011-2015 TT Huế 107053’ 16014’ 2013-2015 TT Huế TT Huế TT Huế TT Huế TT Huế Quảng Trị Quảng Trị Quảng Nam Quảng Nam Đà Nẵng Đà Nẵng 107046’ 107054’ 107037’ 107054’ 10806’ 10701’ 107011’ 107°38' 107°49’ 108°12’ 107°59’ 16018’ 16016’ 16018’ 16024’ 16013’ 16038’ 16045’ 15°56' 15°45’ 15°58’ 15°58’ 2010-2015 1978-1989 1979-1999 2013 - 2015 1978-1990 1978-1990 1977-2015 1979-2015 1979-2015 1978-2015 1978-1995 Mƣa phân bố cũng rất không đồng đều theo không gian [2]: - - 3500-3800mm, riêng tại đỉnh Bạch Mã có lƣợng mƣa lớn hơn nhiều, với tổng mƣa năm trung bình có thể đạt đến 6000mm. -3000mm, nhỏ hơn lƣợng mƣa vùng núi. . Mƣa phân bố không - - - - gây ra lũ, lũ quét, sạt lở đất vùng núi và xói lở bờ sông. Điển hình là đợt mƣa lũ từ ngày 28/10-4/11/1983, tổng lƣợng mƣa đo đƣợc tại Huế là 1262mm, Nam Đông 1314mm, Cổ Bi 1169mm, Phú Ốc 1011mm. Cƣờng độ mƣa rất lớn, lƣợng mƣa ngày lớn nhất ở Huế đã là 549mm, ở Nam Đông 519mm, đợt mƣa này đã gây nên lũ 4 đặc biệt lớn trên sông; đợt mƣa đầu tháng XI/1999: mƣa toàn tỉnh phổ biến 15002300mm, mƣa tập trung chủ yếu vào ngày 02-04/XI/1999, đặc biệt tại Huế mƣa trong 1 giờ đạt 120mm, A Lƣới là 96mm; trong 24 giờ lƣợng mƣa tại Huế đạt 1422mm (từ 6h ngày 02 đến 6h ngày 03) và tại A Lƣới là 891mm (từ 11h ngày 01 đến 11h ngày 02). Đợt mƣa này đã gây nên lũ lịch sử cho vùng trung và hạ lƣu các sông thuộc Thừa Thiên Huế. Hình 2: Bản đồ phân bố mưa tỉnh TT-Huế (Nguồn: Nghiên cứu xây dựng cơ sở dữ liệu, bổ sung và biên soạn đặc điểm khí hậu thủy văn tỉnh Thừa Thiên Huế, 2013) Lƣợng mƣa (mm) 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 1979 1984 1989 Huế 1994 Phú Ốc 1999 2004 2009 Kim Long Hình 3: Quá trình tổng lượng mưa năm trạm Phú Ốc, Kim Long, Huế 2014 Thời gian 5 2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU - Nghiên cứu áp dụng phƣơng pháp phân tích tần suất mƣa vùng cho tỉnh Thừa Thiên Huế - Xây dựng Atlat mƣa cực hạn để làm luận cứ khoa học cho việc phòng chống lũ lụt và thiết kế công trình thủy. 3. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU - Đối tƣợng: Số liệu mƣa ngày các trạm khí tƣợng, trạm thủy văn và trạm đo mƣa nhân dân, trạm đo mƣa ODA (official development assitance) trong vùng nghiên cứu - Phạm vi nghiên cứu: Tiến hành thu thập và phân tích số liệu mƣa tất cả các trạm trên địa bàn tỉnh Thừa Thiên Huế và các trạm lân cận giáp ranh giới tỉnh. 4. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Phƣơng pháp thống kê, tổng hợp địa lý: sử dụng để xử lý, phân tích dữ liệu mƣa, thông tin về địa lý - Phƣơng pháp phân tích tần suất mƣa vùng: sử dụng để phân tích tần suất mƣa vùng cho mƣa 1 ngày max, 3 ngày max, 5 ngày max, 7 ngày max. - Phƣơng pháp hệ thống thông tin địa lý GIS: sử dụng để nội suy mƣa cực hạn, xây dựng bản đồ mƣa cực hạn tỉnh Thừa Thiên Huế 5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI + Ý nghĩa khoa học Đề tài ứng dụng phƣơng pháp phân tích tần suất mƣa vùng để ƣớc tính các giá trị mƣa ứng với các tần suất mƣa cực hạn với độ tin cậy cao, đây là hƣớng nghiên cứu mới nhằm cải thiện những hạn chế của phƣơng pháp truyền thống. Sản phẩm nghiên cứu có ý nghĩa khoa học trong công tác phòng chống lũ lụt trên địa bàn tỉnh Thừa Thiên Huế. + Ý nghĩa thực tiễn Đã đƣa ra đƣợc các bản đồ phân bố lƣợng mƣa ứng với các tần suất khác nhau. Sẽ tài liệu tham khảo cho các đơn vị quản lý nhà nƣớc, thiết kế công trình, dự báo khí tƣợng thủy văn và vận hành các hồ đập trên địa bàn tỉnh Thừa Thiên Huế. 6. CẤU TRÚC LUẬN VĂN Luận văn gồm phần Mở đầu, 04 chƣơng và phần kết luận và kiến nghị. Mở đầu Chƣơng 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết phân tích tần suất mƣa vùng và suy luận Bayesian 6 Chƣơng 3: Áp dụng phân tích tần suất mƣa vùng cho tỉnh Thừa Thiên Huế Chƣơng 4: Xây dựng Atlat mƣa cực hạn cho tỉnh Thừa Thiên Huế 7 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Các nghiên cứu trong và ngoài nƣớc Mƣa cực hạn đƣợc coi là mối nguy hiểm tự nhiên đối với con ngƣời, đặc biệt trong bối cảnh điều kiện thời tiết ngày càng khắc nghiệt. Mƣa cực hạn sẽ thƣờng xuyên xảy ra gây nên các hiện tƣợng thiên tai nguy hiểm nhƣ lũ lụt, ngập úng, trƣợt lở đất….uy hiếp đến sự an toàn của ngƣời dân, các công trình xây dựng, môi trƣờng và kinh tế. Nhìn chung, các nƣớc trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng đã sớm nghiên cứu về mƣa và xây dựng thành bản đồ mƣa tƣơng đối nhiều nhƣ bản đồ mƣa trung bình năm, mƣa trung bình tháng, bản đồ dự báo mƣa ngày…. tuy nhiên việc xây dựng bản đồ mƣa cực hạn (Atlat) chƣa nhiều. 1.1.1. Các nghiên cứu ngoài nước Trên thế giới, việc nghiên cứu về xu hƣớng biến đổi cũng nhƣ tần suất xảy ra các giá trị cực hạn của môi trƣờng nhƣ: lũ lụt, hạn hán, mƣa, bão…đã đƣợc quan tâm và nghiên cứu rất nhiều. Vì đó là cơ sở cho việc xây dựng các phƣơng án ứng phó khẩn cấp, thiết kế công trình, quản lý - vận hành hồ chứa nƣớc… và đặc biệt là việc tính toán các chi phí liên quan đến bảo hiểm. Việc ƣớc tính tần suất thƣờng rất khó khăn vì các sự kiện cực hạn rất hiếm xảy ra, chu kì lặp lại lớn (T>100 năm), trong khi dữ liệu quan trắc thƣờng không đủ dài cho việc phân tích và tính toán tần suất (thƣờng thì các liệt quan trắc <50 năm). Cùng với sự phát triển của khoa học máy tính, phƣơng pháp phân tích tần suất vùng (RFA) đã đƣợc (Hosking, J. and J. Wallis, 1997) phát triển và nghiên cứu sử dụng rộng rãi trong ngành khí tƣợng và thủy văn của các nƣớc Châu Âu để phân tích các giá trị cực hạn khí hậu nhƣ: lũ, mƣa, hạn hán, bão….. Đặc biệt là sử dụng để phân tích tần suất lũ và mƣa cực hạn. Một số nghiên cứu phân tích về mƣa cực trị có thể tóm lƣợc: Năm 2003, H.J. Fowler và C.G. Kilsby đã phân tích tần suất mƣa cực hạn cho Vƣơng Quốc Anh với chuỗi số liệu từ 1961 đến 2000. Năm 2007, J.R.Wallis, M.G.Schaefer, B.L.Barker và G.H.Taylor đã sử dụng phƣơng pháp phân tích tần suất mƣa vùng để xây dựng bản đồ mƣa 24 giờ và 2 giờ lớn nhất cho bang Washington. Năm 2011, Cosmo S.Ngongondo, Chong-Yu Xu, Lena M.Tallaksen, Berhanu Alemaw và Bias Chirwa đã phân tích tần suất mƣa cực đại ứng với các mô hình mƣa 1, 3, 5, 7 ngày lớn nhất cho khu vực phía nam Malawi 1.1.2. Các nghiên cứu trong nước Ở nƣớc ta, nhìn chung nghiên cứu về xu thế biến đổi của lƣợng mƣa ngày cực đại, cũng nhƣ tần suất các hiện tƣợng khí hậu cực đoan còn rất mới mẻ. Những 8 năm gần đây, có một số các dự án đƣợc tài trợ bởi các tổ chức phi lợi nhuận ngoài nƣớc nhằm nghiên cứu khí hậu cực đoan ở nƣớc ta trong điều kiện biến đổi khí hậu, nhằm đánh giá xu thế biến động của các yếu tố cực trị khí hậu để đƣa ra các kế hoạch ứng phó, trong đó lƣợng mƣa cực trị luôn là yếu tố đƣợc quan tâm. Các nghiên cứu có thể kể đến: Năm 2012, dự án nghiên cứu “Dự tính khí hậu tƣơng lai với độ phân giải cao cho Việt Nam” đƣợc chính phủ Ôt-xtrây-li-a tài trợ, do Tổ chức Nghiên cứu Khoa học và Công nghiệp Liên bang Ôt-xtrây-li-a (CSIRO) chủ trì, phối hợp với Viện Khoa học Khí tƣợng Thủy văn và Môi trƣờng - Bộ Tài nguyên và Môi trƣờng và Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội thực hiện. Thứ trƣởng Bộ Tài nguyên và Môi trƣờng Trần Hồng Hà đã ký giới thiệu Báo cáo tóm tắt kết quả Dự án Dự tính khí hậu tƣơng lai với độ phân giải cao cho Việt Nam để các cơ quan nghiên cứu, các Bộ, ngành và địa phƣơng tham khảo trong việc định hƣớng ứng phó với biến đổi khí hậu. Năm 2014, dự án “Ứng dụng mô hình hệ thống Trái đất của Na Uy xây dựng kịch bản biến đổi khí hậu, nghiên cứu hệ thống gió mùa và các hiện tƣợng khí hậu cực đoan”, cho biết dự tính "Lƣợng mƣa ngày cực đại toàn quốc ở giai đoạn cuối thế kỷ 21 có thể tăng đến trên 37% (kịch bản RCP4.5) đến 45% (kịch bản RCP8.5)". Ngô Đức Thành, Phan Văn Tân (2013), sử dụng phƣơng pháp kiểm nghiệm phi tham số Mann-Kendall và phƣơng pháp ƣớc lƣợng xu thế của Sen đánh giá xu thế biến đổi của 7 yếu tố khí tƣợng trên lãnh thổ Việt Nam cho giai đoạn 19612007. Kết quả cho thấy lƣợng mƣa giảm ở phía Bắc vĩ tuyến 17 và tăng lên ở phía Nam. Từ chuỗi số liệu lƣợng mƣa ngày của các trạm (Vũ Thị Hằng, Chu Thị Hƣờng, Phan Văn Tân, 2009) đã thành lập chuỗi phƣơng trình hồi qui tuyến tính một biến lƣợng mƣa cực đại cho từng tháng. Từ đó đã nhận định xu thế biến đổi lƣợng mƣa cực đại của các vùng trên cả nƣớc trong các giai đoạn. Nghiên cứu này cho thấy trong thời kỳ 1961-2007, lƣợng mƣa ngày cực đại tăng ở hầu hết mọi vùng khí hậu, ngoại trừ vùng B3 (vùng đồng bằng Bắc Bộ). Đánh giá tần suất sự kiện mƣa cực đại tại Hải Phòng và Nha Trang (Phạm Hải An, Vũ Duy Vĩnh, Trần Đình Lân) đã dùng số liệu lƣợng mƣa ngày tại trạm Phủ Liễn (1978-2007, Hải Phòng) và tại trạm Nha Trang (1979-2008, Khánh Hòa), và dùng phƣơng pháp Mann-Kendall để phân tích xu thế mƣa cực đại và sử dụng phân phối cực đại Gumbell để phân tích trị số lƣợng mƣa cực đại với các chu kỳ lặp lại cho trƣớc. 9 Nguyễn Vĩnh Long, Nguyễn Chí Công (2015) đã sử dụng phƣơng pháp phân tích tần suất mƣa vùng trên cơ sở suy luận Bayesian, thuật toán MCMC xây dựng bản đồ mƣa cực hạn cho tỉnh Quảng Nam; Lê Minh Vỹ (2016) dựa trên chỉ số mƣa vùng để xây dựng bản đồ mƣa cực hạn cho tỉnh tỉnh Gia Lai. Kết quả cho thấy việc sử dụng phƣơng pháp phân tích tần suất mƣa vùng đã khắc phục đƣợc hạn chế về số lƣợng mẫu thống kê, tăng độ tin cậy của giá trị ƣớc tính trong vùng ngoại suy, xây dựng đƣợc bản đồ mƣa phù hợp với xu thế phân bố mƣa trên địa bàn tỉnh Quảng Nam. Tóm lại, Ở Việt Nam các nghiên cứu về xu hƣớng biến đổi lƣợng mƣa cho tƣơng lai tƣơng đối hoàn chỉnh. Tuy nhiên, các nghiên cứu về tần suất mƣa cực hạn vẫn còn chƣa phổ biến. Hiện nay có 2 phƣơng pháp suy luận: (01) Phƣơng pháp suy luận tần suất (truyền thống) - hiện nay đang đƣợc áp dụng trong tính toán và đại diện là Phần mềm FFC 2008 của Trung tâm Khoa học công nghệ cửa sông ven biển và hải đảo. (02) Phƣơng pháp suy luận Bayesian -Đây là phƣơng pháp suy luận dựa trên định lý Bayes - Hiện vẫn chƣa đƣợc nghiên cứu nhiều ở Việt Nam và đại diện là phần mềm FAMBC của TS. Nguyễn Chí Công. Tuy nhiên, vì mật độ trạm quan trắc khí tƣợng thủy văn của nƣớc ta còn rất thƣa, phân bố không đồng đều, số liệu quan trắc thƣờng không đảm bảo cho việc phân tích tần suất. Để khắc phục cho tình trạng đó, việc áp dụng phƣơng pháp phân tích tần suất vùng (RFA) đã đƣợc phát triển và sử dụng rộng rãi trong ngành khí tƣợng - thuỷ văn ở các nƣớc Châu Âu có thể sẽ là giải pháp. Phƣơng pháp này có thể tổng hợp dữ liệu quan trắc của những trạm “tƣơng tự” - là một cách tiếp cận có thể ƣớc lƣợng các giá trị cực trị cho những khu vực không có trạm quan trắc hoặc những nơi có dữ liệu quan trắc ngắn. Phƣơng pháp phân tích tần suất dựa trên cách tiếp cận vùng hiện còn rất mới và chƣa đƣợc nghiên cứu nhiều ở nƣớc ta. 1.2. Điều kiện tự nhiên tỉnh Thừa Thiên Huế 1.2.1. Vị trí địa lý Thừa Thiên Huế là một tỉnh thuộc duyên hải miền trung Việt Nam bao gồm phần đất liền và phần lãnh hải thuộc thềm lục địa Biển Đông. Phần đất liền Thừa Thiên Huế có tọa độ địa lý nhƣ sau: Điểm cực bắc: 16044'30'' vĩ bắc và 107023'48'' kinh đông tại thôn Giáp Tây, xã Điền Hƣơng, huyện Phong Điền. Điểm cực nam: 15059'30'' vĩ bắc và 107041'52'' kinh đông ở đỉnh núi cực nam, xã Thƣợng Nhật, huyện Nam Đông. Điểm cực tây: 16022'45'' vĩ bắc và 107000'56'' kinh đông tại bản Paré, xã Hồng Thủy, huyện A Lƣới. 10 Điểm cực đông: 16013'18'' vĩ bắc và 108012'57'' kinh đông tại bờ phía đông đảo Sơn Chà, thị trấn Lăng Cô, huyện Phú Lộc. 1.2.2. Đặc điểm địa hình tỉnh Thừa Thiên Huế Thừa Thiên Huế với dãy núi Trƣờng Sơn Bắc ở phía Tây, phía Nam tỉnh là dãy núi trung bình đâm ngang ra biển Bạch Mã – Hải Vân. Đặc trƣng chung về địa hình của dãy Trƣờng Sơn Bắc là sƣờn phía Tây thoải, thấp dần về phía sông Mêkông, còn sƣờn phía Đông khá dốc, bị chia cắt mạnh thành các dãy núi trung bình, núi thấp, gò đồi và tiếp nối là đồng bằng duyên hải, đầm phá, cồn đụn cát chắn bờ và biển Đông, trong đó khoảng 75% tổng diện tích là núi đồi, 24,9% diện tích là đồng bằng duyên hải, đầm phá và cồn đụn cát nội đồng và chắn bờ. Địa hình Thừa Thiên Huế đƣợc chia thành các loại: - Địa hình khu vực núi trung bình - Địa hình khu vực núi thấp và gò đồi - Địa hình khu vực đồng bằng duyên hải - Địa hình khu vực đầm phá và biển ven bờ Địa hình Thừa Thiên Huế kết hợp với gió mùa đông bắc, các nhiễu động thời tiết tạo thành chế độ mƣa tƣơng đối phức tạp của Tỉnh. Mùa khô, các ngày không mƣa liên tục kéo dài; trong mùa mƣa, mƣa lớn trong thời đoạn ngắn thƣờng xuyên xảy ra. 1.3. Đặc điểm khí hậu trên địa bàn tỉnh Thừa Thiên Huế 1.3.1. Đặc điểm mưa Thừa Thiên Huế là một trong những tỉnh có lƣợng mƣa lớn nhất nƣớc ta. Lƣợng mƣa trung bình năm phổ biến từ 2100-3800mm. Mƣa tại Thừa Thiên Huế không những phân bố không đồng đều theo thời gian do tác động của các hoàn lƣu khí quyển chuyển quy mô hành tinh mà còn phân bố rất không đồng đều theo không gian dƣới tác dụng của địa hình. a. Mưa phân bố không đồng đều theo không gian Vùng ven biển phía bắc do địa hình thấp thƣờng khô và nóng; còn mùa đông khi hoà hình ven biển thấp Ngƣợc lại vùng núi thƣờng có độ dốc lớn và cao dần về phía tây, thuận lợi cho việc đón gió mùa đông khiến khôn -