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
Trang 1Kỷ 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 và Tài nguyên nước, Trường Đại học Thủy lợi 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 xé́t 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
tìm 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 giữa 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 CỨU 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
Trang 2Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2014 ISBN: 978-604-82-1388-6
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 nhằm
khuếch đại ảnh hưởng các biến đã chọn ở
trên đến lượng mưa để có thể ước tính được
giá trị mưa chính xác, nghiên cứu sử dụng
thêm các giá trị biến độc lập: 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)
Báo cáo xây dựng phương trình hồi quy
đa biến cho 3 năm 2011, 2012, 2013 theo 2
trường hợp:
1) Sử dụng tất cả 32 trạm đo mưa
2) Sử dụng 18 trạm mưa đầu tiên tính cho
vùng mưa Tây Bắc (TB) và 14 trạm mưa còn
lại tính cho vùng mưa Đông Bắc (ĐB)
Bảng 2 Tương quan đa biến lượng mưa
năm
Vùng Năm Hệ số R 2 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
TB 2011 0.77 Đạt
TB 2012 0.87 Đạt
TB 2013 0.88 Đạt
ĐB 2011 0.97 Đạt
ĐB 2012 0.98 Đạt
ĐB 2013 0.97 Đạt
Vì vậy, báo cáo sẽ xây dựng phương trình hồi quy cho từng vùng mưa để từ đó xây dựng bản đồ phân bố mưa năm cho toàn bộ vùng núi phía Bắc Việt Nam
Kết quả tính toán lượng mưa năm cho tất
cả các trạm được trình bày ở hình 1
Trang 3Kỷ niệm 55 năm thành lập Đại học Thủy lợi
các trạm miền Bắc
3.2 Xây dựng bản đồ phân bố mưa năm
khu vực miền Bắc Việt Nam
Sử dụng phần mềm hệ thông tin địa lý
ArcGIS để xây dựng bản đồ mưa với số liệu
địa hình được lấy từ bản đồ DEM 90m SRTM
– Việt Nam
– Việt Nam
– Việt Nam
4 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
Kết quả phân tích cho thấy, lượng mưa năm có mối quan hệ giữa toạ độ vị trí và độ cao Báo cáo đã nghiên cứu và xây dựng bản
đồ phân bố mưa năm trên lưu vực sông Hồng
ở Việt Nam dựa trên mối quan hệ này bằng phương pháp hồi qui đa biến cho ba năm
2011, 2012 và 2013 Hệ số tương quan trong
cả ba năm này đều cao thể hiện sự quan hệ
rõ ràng Bản đồ phân bố mưa cho ba năm được xây dựng dựa trên phần mềm GIS cho hình ảnh dễ nhìn, trực quan
Kết quả nghiên cứu mới chỉ dừng ở ba năm gần đây 2011, 2012, 2013 cho lượng mưa năm Các biến đưa vào xem xét mới chỉ là toạ
độ cao của các điểm đo mưa Tuy nhiên do thời đoạn phân tích là mưa năm nên một số yếu tố gây mưa như hình thế thời tiết gây mưa, hướng gió mang hơi ẩm… không có ảnh hưởng đáng kể đến kết quả
5 KẾT LUẬN
Bài báo đã đưa ra một cách tính toán nội suy mưa theo không gian có xét đến ảnh hưởng của địa hình Kết quả nghiên cứu mới chỉ dừng lại ở vùng phía Bắc Việt Nam, phân chia thành 2 khu vực Tây Bắc và Đông Bắc cho lượng mưa năm Để kết quả nghiên cứu
có độ tin cậy cao hơn nữa, bài báo cần tìm hiểu và phân tích thêm nhiều lưu vực khác, trong các thời đoạn khác nhau và trong nhiều thời gian khác nhau
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
Trang 4Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2014 ISBN: 978-604-82-1388-6
[2] C Brunsdon, J Mcclatchey Band, D.J
Unwin Spatial variations in the verage
rainfall-altitude relatinonship in Great
Britain: An approach using geographically
weighted regression 2011 International
Journal of Climatology- Int.J.Climatol.21:
455-466, 2011
[3] Thiessen, A H 1911 Precipitation average for large areas Monthly Weather Rev., 39, 1082–1084
[4] Hay, L., Viger, R & McCabe, G 1998 Precipitation interpolation in mountainous regions using multiple linear regression
Conference, Mean/Merano, Italy, April
1998 IAHS publication No 248, pp 33–38