Công Nghệ Thông Tin - Khoa học tự nhiên - Kỹ thuật Kỷ niệm 55 năm thành lập Đại học Thủy lợi 480 NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP HỒI QUY ĐA BIẾ N XÂY DỰNG BẢN ĐỒ PHÂN BỐ MƯA THEO KHÔNG GIAN VÀ ĐỘ CAO Ngô Lê An Bộ môn Thuỷ văn và Tài nguyên nước, Trường Đại học Thủy lợ i. Email: nlan@wru.edu.vn 1. TỔNG QUAN Mưa có sự phân bố mạnh mẽ theo không gian, trong khi mạng lưới quan trắc mưa thường thưa, ít đảm bảo tính đại biểu. Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu về việc ước tính mưa theo không gian, mở đầu là Alfred H. Thiessen vào năm 1911 [3] đã đưa ra cách tính toán phân bố mưa theo không gian bằng cách chia các vùng đất thành các đa giác. Phương pháp này có ưu điểm tính toán nhanh nhưng độ chính xác phụ thuộc vào phân bố vị trí các trạm quan trắc và nó không xé́ t được ảnh hưởng của yếu tố địa hình. Hay và nnk, 1998 [4] đã sử dụng phương pháp hồi quy tuyến tính cho các thông số độ cao, độ dốc, hướng núi… để tính toán mưa. C. Brundon và J.McClatchey [2] đã có một nghiên cứ́u tính toán lượng mưa dựa theo độ cao bằng phương pháp Hồi quy đa biến. Nghiên cứu được thực hiện ở một vùng trung du nước Anh kết quả tì m ra được phương trình bậc nhất môt tả quan hệ giữa lượng mưa với độ cao : P=b0+b1*H+e (mm) với H là độ cao (m).Gần đây nhất là nghiên cứu của hai nhà nghiên cứu: Myoung-Jin Um và Hyeseon Yun [1] đã tìm được mối liên hệ giữa tám biến đị̣a hình để nội suy ra lượng mưa trung bình năm ở đảo Jeru Hàn Quốc bằng phương pháp hồi quy đa biến. Nghiên cứu cho rằng chỉ tồn tại tối đa được 4 yế́u tố địa hình ảnh hưởng trực tiếp tới lượng mưa qua 2 mô hình tính. Mô hình 1: Có thể tính lượng mưa năm từ: Độ cao, vĩ độ, góc và khoảng cách tới biển. Mô hình 2: Độ cao, góc, khoảng cách tới biển, khoảng cách tới tiêu điểm của hình elip (xác định trên bản đồ). Từ những nghiên cứu trên có thể thấy rằng có mối quan hệ giữa lượng mưa với những biến mô tả vị trí trong không gian và độ cao của nó. Mối quan hệ gi ữa các biến cũng thay đổi cùng với sự thay đổi của lượng mưa năm. Mục tiêu nghiên cứu: xây dựng tính toán mưa theo không gian và độ cao theo phương pháp hồi quy đa biến. Phạm vi nghiên cứu : lượng mưa năm của vùng mưa Tây Bắc và Đông Bắc. Đây là khu vực có mật độ trạm đo dày, các trạm đo được phân bố trên nhiều độ cao khác nhau nên phù hợp. 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU: Báo cáo sử dụng các phương pháp sau: - Phương pháp kế thừa: kế thừa các nghiên cứu trước đây - Phương pháp thống kê: hồi quy đa biến phân tích quan hệ giữa mưa năm theo không gian và độ cao. - Phương pháp Viễn thám và Hệ thông tin địa lý: xây dựng bản đồ mưa theo không gian. 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨ U 3.1. Xây dựng phương trình Phương trình hồi quy đa biến tổng quát có dạng : Y=a0 + a1.x1 + a2.x2 + a3.x3 +….an.xn Với - Y : Lượng mưa năm (mm) - a0, a1, …, an : Hệ số phương trình - x1, x2 ...., xn : Giá trị các biến độc lập Trong nghiên cứu này, Y là lượng mưa năm ở các trạm đo. Toạ độ TX(m), TY(m) theo hệ quy chiếu UTM84 và độ cao Z(m) tương ứng của trạm đo được sử dụng như các biến độc lập. Các hệ số và các biến trong phương trình hồi quy được kiểm định theo các chỉ tiêu F và chỉ tiêu Student. Phương trình đa biến đảm bảo các chỉ tiêu F, t có độ hệ số tương quan toàn cục xấp xỉ 0,8 trở lên sẽ được coi là đạt yêu cầu. Các trạm đo mưa sử dụng trong nghiên cứu được trình bày ở bảng 1 cùng với số liệu mưa các năm gần đây. Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2014. ISBN: 978-604-82-1388-6 481 Trong phân tính hồi quy đa biến, các ảnh hưởng của từng biến độc lập tới biến phụ thuộc cũng cần xem xét. Đồng thời nhằ m khuếch đại ảnh hưởng cá c biến đã chọn ở trên đến lượng mưa để có thể ước tính đượ c giá trị mưa chính xá c, nghiên cứu sử dụng thêm các giá trị biến độc lậ p: Tx2, Ty2, Z2 , Tx*Ty, Ty*Z. Bảng 2 cho thấy, nếu sử dụng toàn bộ 32 trạm đo mưa xây dựng phương trình hồi quy tính toán cho toàn vùng Đông Bắc và Tây Bắc sẽ không đảm bảo yêu cầu do hệ số R2 thấp. Nếu xây dựng phương trình hồi quy cho từng vùng Tây Bắc và Đông Bắc sẽ cho kết quả hệ số tương quan rất tốt. Bảng 1. Các trạm đo mưa sử dụng trong nghiên cứu TT Trạm Tx (m) Ty (m) Z (m) X2011 (mm) X2012 (mm) X2013 (mm) 1 Điện Biên 293000 2368000 547 1355 1854 1819 2 Hoà Bình 532951 2301890 110 1752 1978 1736 3 Mường Tè 254753 2486432 368 1970 2668 2458 4 Quỳnh Nhai 350144 2415085 174 1520 1699 1756 5 Mộc châu 462300 2306200 832 1567 1691 1685 6 Mù Cang Chải 402100 2419100 1347 1160 1898 1802 7 Sình Hồ 320000 2473000 1526 2273 2930 2761 8 Sơn La 386000 236000
Kỷ niệm 55 năm thành lập Đại học Thủy lợi NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP HỒI QUY ĐA BIẾN XÂY DỰNG BẢN ĐỒ PHÂN BỐ MƯA THEO KHÔNG GIAN VÀ ĐỘ CAO Ngô Lê An Bộ môn Thuỷ văn Tài nguyên nước, Trường Đại học Thủy lợi Email: nlan@wru.edu.vn TỔNG QUAN Mục tiêu nghiên cứu: xây dựng tính tốn mưa theo khơng gian độ cao theo phương Mưa có phân bố mạnh mẽ theo không pháp hồi quy đa biến gian, mạng lưới quan trắc mưa thường thưa, đảm bảo tính đại biểu Trên Phạm vi nghiên cứu: lượng mưa năm giới có nhiều nghiên cứu việc ước vùng mưa Tây Bắc Đông Bắc Đây khu tính mưa theo khơng gian, mở đầu Alfred vực có mật độ trạm đo dày, trạm đo H Thiessen vào năm 1911 [3] đưa phân bố nhiều độ cao khác nên phù cách tính tốn phân bố mưa theo không hợp gian cách chia vùng đất thành đa giác Phương pháp có ưu điểm PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU: tính tốn nhanh độ xác phụ thuộc vào phân bố vị trí trạm quan trắc Báo cáo sử dụng phương pháp sau: khơng xé́t ảnh hưởng yếu - Phương pháp kế thừa: kế thừa tố địa hình Hay nnk, 1998 [4] sử dụng nghiên cứu trước phương pháp hồi quy tuyến tính cho - Phương pháp thống kê: hồi quy đa biến thông số độ cao, độ dốc, hướng núi… để tính phân tích quan hệ mưa năm theo khơng tốn mưa C Brundon J.McClatchey [2] gian độ cao có nghiên cứ́u tính tốn lượng - Phương pháp Viễn thám Hệ thông tin mưa dựa theo độ cao phương pháp địa lý: xây dựng đồ mưa theo không gian Hồi quy đa biến Nghiên cứu thực một vùng trung du nước Anh kết KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU tìm phương trình bậc mơt tả quan hệ lượng mưa với độ cao: 3.1 Xây dựng phương trình P=b0+b1*H+e (mm) với H độ cao (m).Gần nghiên cứu hai nhà nghiên Phương trình hồi quy đa biến tổng quát có cứu: Myoung-Jin Um Hyeseon Yun [1] dạng: tìm mối liên hệ tám biến đị̣a hình để nội suy lượng mưa trung bình năm Y=a0 + a1.x1 + a2.x2 + a3.x3 +….an.xn đảo Jeru Hàn Quốc phương pháp hồi quy đa biến Nghiên cứu cho tồn Với - Y : Lượng mưa năm (mm) tối đa ́́u tớ địa hình ảnh hưởng trực - a0, a1, …, an : Hệ sớ phương trình tiếp tới lượng mưa qua mơ hình tính Mơ - x1, x2 , xn : Giá trị biến độc lập hình 1: Có thể tính lượng mưa năm từ: Độ cao, vĩ độ, góc khoảng cách tới biển Mơ hình 2: Trong nghiên cứu này, Y lượng mưa Độ cao, góc, khoảng cách tới biển, khoảng cách năm trạm đo Toạ độ TX(m), TY(m) theo tới tiêu điểm hình elip (xác định hệ quy chiếu UTM84 độ cao Z(m) tương đồ) ứng trạm đo sử dụng biến độc lập Từ nghiên cứu thấy có mối quan hệ lượng mưa với Các hệ số biến phương trình biến mơ tả vị trí khơng gian độ cao hồi quy kiểm định theo tiêu F Mối quan hệ biến thay tiêu Student Phương trình đa biến đảm đổi với thay đổi lượng mưa năm bảo tiêu F, t có độ hệ số tương quan toàn cục xấp xỉ 0,8 trở lên coi đạt yêu cầu Các trạm đo mưa sử dụng nghiên cứu trình bày bảng với số liệu mưa năm gần 480 Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2014 ISBN: 978-604-82-1388-6 Trong phân tính hồi quy đa biến, ảnh Bảng cho thấy, sử dụng toàn 32 hưởng biến độc lập tới biến phụ trạm đo mưa xây dựng phương trình hồi quy thuộc cần xem xét Đồng thời nhằm tính tốn cho tồn vùng Đơng Bắc Tây Bắc khuếch đại ảnh hưởng các biến chọn không đảm bảo yêu cầu hệ số R2 thấp đến lượng mưa để có thể ước tính được Nếu xây dựng phương trình hồi quy cho giá trị mưa chính xác, nghiên cứu sử dụng vùng Tây Bắc Đông Bắc cho kết hệ thêm các giá trị biến độc lập: Tx2, Ty2, Z2, số tương quan tốt Tx*Ty, Ty*Z Bảng Các trạm đo mưa sử dụng nghiên cứu TT Trạm Tx (m) Ty (m) Z (m) X2011 (mm) X2012 (mm) X2013 (mm) 293000 2368000 547 1355 1854 1819 Điện Biên 532951 2301890 110 1752 1978 1736 254753 2486432 368 1970 2668 2458 Hồ Bình 350144 2415085 174 1520 1699 1756 462300 2306200 832 1567 1691 1685 Mường Tè 402100 2419100 1347 1160 1898 1802 320000 2473000 1526 2273 2930 2761 Quỳnh Nhai 386000 2360000 633 1092 1480 1546 343900 2480600 860 1580 2620 2648 Mộc châu 389000 2321000 344 1068 1258 1220 426000 2328000 285 1069 1282 1295 Mù Cang Chải 379700 2470800 1735 2321 2430 2714 391998 2488550 179 1660 1571 1563 Sình Hồ 445091 2473510 178 1966 1643 1749 487932 2399626 46 2141 2028 1494 Sơn La 426000 2492000 976 1546 1528 1597 588500 2324900 10 1836 1813 1934 Tam Đường 553001 2339419 14 1788 1822 1789 522393 2412551 31 1435 1933 1649 10 Sông Mã 496579 2523225 151 1865 2473 2315 487500 2487200 459 3171 4651 5605 11 Yên Châu 683000 2416000 306 1200 1323 1598 651000 2461900 170 1130 1437 1408 12 SaPa 640000 2379000 50 1362 1721 2064 627000 2506200 225 1114 1653 1225 13 Lào Cai 568500 2539400 198 837 1213 1306 655800 2526400 530 1455 2005 1649 14 Vĩnh Yên 584500 2448500 144 1152 1250 1699 565700 2422500 120 1128 1426 1972 15 Yên Bái 586300 2388000 32 1412 1557 2572 508700 2439300 40 1388 1870 1858 16 Bắc Hà 527900 2450000 45 1494 1842 1612 17 Láng 18 Sơn Tây 19 Tuyên Quang 20 Hà Giang 21 Bắc Quang 22 Lạng Sơn 23 Thất Khê 24 Hữu Lũng 25 Cao Bằng 26 Bảo Lạc 27 Trùng Khánh 28 Bắc Cạn 29 Định Hóa 30 Thái Nguyên 31 Hàm Yên 32 Chiêm Hóa Báo cáo xây dựng phương trình hồi quy ĐB 2012 0.98 Đạt đa biến cho năm 2011, 2012, 2013 theo trường hợp: ĐB 2013 0.97 Đạt 1) Sử dụng tất 32 trạm đo mưa Vì vậy, báo cáo xây dựng phương trình 2) Sử dụng 18 trạm mưa tính cho hồi quy cho vùng mưa để từ xây vùng mưa Tây Bắc (TB) 14 trạm mưa dựng đồ phân bố mưa năm cho tồn lại tính cho vùng mưa Đông Bắc (ĐB) vùng núi phía Bắc Việt Nam Bảng Tương quan đa biến lượng mưa Kết tính toán lượng mưa năm cho tất năm trạm trình bày hình Vùng Năm Hệ số R2 Kết luận Cả ĐB+TB 2011 0.42 Không đạt Cả ĐB+TB 2012 0.31 Không đạt Cả ĐB+TB 2013 0.28 Không đạt 2011 0.77 TB 2012 0.87 Đạt TB 2013 0.88 Đạt TB 2011 0.97 Đạt ĐB Đạt 481 Kỷ niệm 55 năm thành lập Đại học Thủy lợi Hình 4: Bản đồ phân bố mưa năm 2013 miền Bắc – Việt Nam Hình 1: Lượng mưa năm thực đo mô ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ trạm miền Bắc Kết phân tích cho thấy, lượng mưa 3.2 Xây dựng đồ phân bố mưa năm khu vực miền Bắc Việt Nam năm có mối quan hệ toạ độ vị trí độ Sử dụng phần mềm hệ thông tin địa lý cao Báo cáo nghiên cứu xây dựng ArcGIS để xây dựng đồ mưa với số liệu địa hình lấy từ đồ DEM 90m SRTM đồ phân bố mưa năm lưu vực sông Hồng Hình 2: Bản đồ phân bố mưa năm 2011 miền Bắc Việt Nam dựa mối quan hệ – phương pháp hồi qui đa biến cho ba năm Việt Nam 2011, 2012 2013 Hệ số tương quan Hình 3: Bản đồ phân bố mưa năm 2012 miền Bắc – ba năm cao thể quan hệ Việt Nam rõ ràng Bản đồ phân bố mưa cho ba năm xây dựng dựa phần mềm GIS cho hình ảnh dễ nhìn, trực quan Kết nghiên cứu dừng ba năm gần 2011, 2012, 2013 cho lượng mưa năm Các biến đưa vào xem xét toạ độ độ cao điểm đo mưa Tuy nhiên thời đoạn phân tích mưa năm nên số yếu tố gây mưa hình thời tiết gây mưa, hướng gió mang ẩm… khơng có ảnh hưởng đáng kể đến kết KẾT LUẬN Bài báo đưa cách tính tốn nội suy mưa theo khơng gian có xét đến ảnh hưởng địa hình Kết nghiên cứu dừng lại vùng phía Bắc Việt Nam, phân chia thành khu vực Tây Bắc Đông Bắc cho lượng mưa năm Để kết nghiên cứu có độ tin cậy cao nữa, báo cần tìm hiểu phân tích thêm nhiều lưu vực khác, thời đoạn khác nhiều thời gian khác TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Myoung-Jin Uma, Hyeseon Yun.b, Chang- Sam Jeong, Jun-Haeng Heo 2011 Factor analysis and multiple regression between topography and precipitation on Jeju Island, Korea Journal of Hydrology - 410 (2011) 189-203 482 Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2014 ISBN: 978-604-82-1388-6 [2] C Brunsdon, J Mcclatchey Band, D.J [3] Thiessen, A H 1911 Precipitation Unwin Spatial variations in the verage average for large areas Monthly Weather rainfall-altitude relatinonship in Great Rev., 39, 1082–1084 Britain: An approach using geographically weighted regression 2011 International [4] Hay, L., Viger, R & McCabe, G 1998 Journal of Climatology- Int.J.Climatol.21: Precipitation interpolation in mountainous 455-466, 2011 regions using multiple linear regression Proceedings of the HeadWater 98 Conference, Mean/Merano, Italy, April 1998 IAHS publication No 248, pp 33–38 483