CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ SỐ LIỆU
2.1. Phương pháp nghiên cứu
2.1.1. Khái niệm cửa sông
Theo Pitchard (1963) [8], cửa sông đƣợc định nghĩa là: "Cửa sông là một thủy vực ven biển nửa kín có liên hệ trực tiếp với nước biển khơi và tại đây, nước biển bị pha loãng đáng kể với nước ngọt từ các khu vực thu nước trên đất liền". Ngoài ra, trên cơ sở khoa học về hình thái và động lực học cửa sông, các nhà khoa học đã định nghĩa cửa sông như sau: “Cửa sông là vực nước ven bờ nửa kín có cửa thông với biển và trong đó nước biển xáo trộn với nước sông từ trong lục địa đổ ra”.
Khu vực cửa sông ven biển từ xưa đến nay thường là nơi tập trung đông dân cư và các hoạt động kinh tế - xã hội tại đây luôn diễn ra sôi động và liên tục. Trên thế giới các rất nhiều thành phố lớn phát triển tại khu vực cửa sông ven biển nhƣ Singapore, New York, Sydney… Cửa sông là vùng địa lý tự nhiên phức tạp, chịu tác động tổng hợp của các yếu tố động lực sông và các yếu tố động lực biển. Những yếu tố này tác động đáng kể đến quá trình bồi lấp và xói lờ vùng cửa sông. Mức độ và khả năng ảnh hưởng của các yếu tố này đến từng cửa sông là khác nhau do đặc điểm địa hình, khí hậu và vị trí của mỗi cửa sông. Trong nhiều năm, chỉnh trị cửa sông đã có những thành công nhưng cũng có những trường hợp không đạt được mục tiêu đặt ra gây lãng phí tiền bạc và công sức. Do đó, trên thế giới nói chung và trong nước nói riêng, việc nghiên cứu và nắm bắt đƣợc quy luật biến đổi và vận động của các yếu tố tự nhiên và môi trường khu vực cửa sông ven biển từ lâu đã luôn thu hút sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học và sự đầu tƣ cửa các nhà quản lý.
Hiện nay, các phương pháp được áp dụng để nghiên cứu diễn biến hình thái cửa sông đã được phát triển rất nhiều theo các hướng khác nhau tùy thuộc vào mục tiêu nghiên cứu, quy mô và cách tiếp cận. Theo Dane Kristopher (2012) [9], các hướng tiếp cận này có thể đƣợc chia thành 4 loại :
- Hướng tiếp cận giải tích
- Hướng tiếp cận xây dựng công thức kinh nghiệm – bán kinh nghiệm - Hướng tiếp cận phân tích thống kê
- Hướng tiếp cận mô hình mô phỏng
2.1.2. Mô hình nhận thức
Mục tiêu của luận văn là xây dựng một mô hình nhận thức (conceptual model – trong một số nghiên cứu đƣợc dịch thành mô hình khái niệm) diễn biến hình thái cửa sông Đà Diễn, Phú Yên. Đây là nghiên cứu cơ sở để xây dựng mô hình toán mô phỏng chế độ thủy thạch động khu vực này theo các thời đoạn ngắn và dài hạn. Mô hình nhận thức là kết quả của quá trình nghiên cứu, phân tích các vận động, thay đổi thực tế của cửa sông trong một khoảng thời gian đủ dài. Mô hình nhận thức cần phải có khả năng diễn tả đơn giản hóa diễn biến hình thái của cửa sông theo thời gian. Nếu mô hình nhận thức không thể diễn tả đƣợc đầy đủ các diễn biến xảy ra tại khu vực nghiên cứu hoặc mức độ đơn giản hóa của mô hình không đƣợc tốt, việc mô phỏng các quá trình của cửa sông sẽ không thể hoàn thành đƣợc. Vì vậy việc xây dựng mô hình nhận thức của nghiên cứu là rất quan trọng.
Theo Robinson (2008) [10], mô hình nhận thức là mô hình "không sử dụng phần mềm" phục vụ diễn tả cho mô hình mô phỏng bằng máy tính (đã, đang hoặc sẽ đƣợc phát triển) những đặc trƣng về mục tiêu, số liệu đầu vào, đầu ra, kịch bản giả định và đảm bảo sự đơn giản hóa cho mô hình mô phỏng. Nhƣ vậy, mô hình nhận thức là một quá trình lặp (Hình 8). Nếu mô hình mô phỏng (đƣợc xây dựng dựa trên mô hình nhận thức) bị lỗi, mô hình nhận thức cần đƣợc chỉnh sửa và hoàn thiện. Vòng lặp sẽ kết thúc khi mô hình mô phỏng đƣợc hoàn thiện (diễn tả đúng hoặc gần đúng hiện tƣợng).
Hình 8. Quy trình của mô hình nhận thức (Robinson, 2011) [11]
Việc xây dựng và phát triển một mô hình nhận thức cần đƣợc dựa trên nền tảng là xác định mục tiêu của việc xây dựng mô hình nhận thức đó. Việc mục tiêu của mô hỡnh khụng rừ ràng thường dẫn đến mức độ đơn giản húa của mụ hỡnh sẽ kộm đi. Số liệu đầu vào cho mô hình là những yếu tố cơ bản thể hiện mục tiêu của mô hình. Kết quả đầu ra của mô hình sẽ là số liệu thể hiện mức độ hoàn thành mục tiêu đó. Nội dung của mô hình sẽ phụ thuộc vào phạm vi và mức độ chi tiết của mô hình. Mô hình nhận thức cần phải có khả năng nhận số liệu đầu vào và cung cấp kết quả đầu ra.
Việc xây dựng mô hình với mức độ đơn giản hóa phù hợp với mục tiêu của mô hình là rất khó. Rất nhiều yếu tố có thể cùng đóng một vai trò tác động đến hiện tƣợng và giữa chúng cũng có sự tương tác lẫn nhau. Vì vậy, việc đưa tất cả các yếu tố vào mô hình nhận thức dường như là cần thiết. Tuy nhiên, điều này sẽ khiến cho mô hình nhận thức trở nên phức tạp và rất khó để có thể mô phỏng. Theo Thomas và Charpentier (2005) [12], mô hình đơn giản sẽ có thể phát triển nhanh hơn, linh hoạt hơn, yêu cầu ít dữ liệu hơn, mô hình chạy nhanh hơn và kết quả dễ giải thích hơn. Tùy vào mục tiêu của mô hình mà độ phức tạp sẽ càng tăng. Vậy để phát triển mô hình, một số yếu tố cần đƣợc loại bỏ, kể cả khi yếu tố đó có tác động đến hiện tƣợng nghiên cứu.
Trong khuôn khổ của luận văn, phương pháp phân tích hồi quy đa biến từng bước logistic (Logistic Stepwise Regression Analysis) sẽ được áp dụng để phục vụ nghiên cứu và xây dựng mô hình nhận thức về diễn biến hình thái cửa sông cho thời đoạn từ năm 1988 đến 2009. Từ 2009 trở đi, hệ thống hồ Ba Hạ đƣợc đƣa vào hoạt động khiến cho diễn biến cửa sông phần nào bị thay đổi. Với thời đoạn 7 năm, số liệu đƣa vào mô hình không đủ tính thống kê để có thể sử dụng và đƣa ra đƣợc kết quả đáng tin cậy.
2.1.3. Phương pháp phân tích hồi quy từng bước logistic 2.1.3.1. Phương pháp phân tích hồi quy đa biến logistic
Ứng dụng của phân tích hồi quy đa biến logistic rất phổ biến trong khoa học xã hội và nghiên cứu y tế, tuy nhiên vẫn còn rất hạn chế trong nghiên cứu khoa học trái đất. Một số nghiên cứu trong nghành khoa học trái đất sử dụng phân tích hồi quy logistic có thể kể đến nhƣ Xác định xác suất phát hiện các hóa chất liên quan đến các nguồn bùn cát, nước mặt và nước ngầm (William A. Battaglin và Donald A. Goolsby,
1997)[13], Dự báo khả năng xảy lũ quét, sạt lở đất và vỡ đê (Michael G. Rupert và cộng sự, 2003) [14] và Đánh giá khả năng thay đổi của hệ thống kế hoạch ổn định sông (Brian P. Bledsoe and Chester C. Watson, 2001) [15].
Theo Helsel và Hirsch (2002) [16], công thức cơ bản của phân tích hồi quy đa biến logistic đƣợc trình bày nhƣ sau:
(
) (1)
Trong đó:
y là biến phụ thuộc đã đƣợc đƣa về hệ nhị phân (0 hoặc 1) xn là biến độc lập
p là xác suất (hay rủi ro) xuất hiện của biến y βn là các hệ số
Phương pháp phân tích hồi quy đa biến logistic sẽ đưa mối quan hệ giữa biến phụ thuộc với các biến độc lập đƣợc đƣa vào phân tích. Theo Shiremura (1976) [17], các đặc trƣng của một cửa sông có thể đƣợc sử dụng để phân tích trong mô hình thống kế bao gồm: (1) Diện tích mặt cắt cửa sông A, (2) Độ rộng cửa sông B và (3) Hướng của cửa sông ϴ. Trong khuôn khổ của luận văn, đặc trƣng hình thái cửa sông đƣợc tập trung nghiên cứu là diễn biến độ rộng của cửa sông Đà Diễn. Đây cũng chính là biến phụ thuộc (y) trong công thức. Các biến độc lập chính là các yếu tố có ảnh hưởng, tác động đến diễn biến thay đổi độ rộng của cửa sông. Từ đó, mối quan hệ và mức độ ảnh hưởng của từng yếu tố đối với độ rộng cửa sông. Do rộng cửa sông được đo đạc từ nguồn dữ liệu ảnh viễn thám với độ phân giải khoảng 15 – 30m, dẫn đến sai số của biến phụ thuộc khá đáng kể. Việc đƣa biến phụ thuộc về dạng nhị phân sẽ giảm thiểu mức độ sai số của biến này và đưa ra được kết quả tương quan đáng tin cậy cho nghiên cứu. Phương pháp tính toán các biến và đưa biến phụ thuộc về hệ nhị phân sẽ được trình bày trong phần số liệu.
2.1.3.2. Phương pháp phân tích hồi quy đa biến từng bước
Thông thường, lý thuyết và kinh nghiệm chỉ có thể đưa ra định hướng lựa chọn các biến có thể đƣa vào mô hình. Trong khi đó, các biến độc lập trong mô hình hồi quy
cuối cùng là tập con của các biến đã đƣa vào mô hình ban đầu sao cho đảm bảo 2 mục tiêu:
- Mô hình hồi quy phải hoàn thiện và thực tế nhất có thể
- Các biến đƣa vào mô hình càng ít càng tốt để đảm tính đơn giản hóa của mô hình
Ngoài ra, việc đƣa vào quá nhiều các biến độc lập sẽ làm gia tăng tính phức tạp của mô hình cũng nhƣ khả năng thu thập các số liệu cần có. Mục tiêu của việc sử dụng phương pháp phân tích hồi quy đa biến từng bước (Multiple Stepwise Regression Analysis) là để lựa chọn ra các biến độc lập để đƣa vào phân tích sao cho đảm bảo tính phù hợp và đơn giản cho mô hình.
Trong phân tích thống kê, phân tích hồi quy đa biến từng bước là phương pháp dùng để lọc ra các mô hình hồi quy sao cho việc lựa chọn các biến tiên đoán đƣợc diễn ra tự động. Phương pháp là sự kết hợp của hai phương pháp [18]:
- Lựa chọn tiến lên (Step up): Phương pháp bắt đầu với không có biến nào trong mô hình, sau đó đƣa dần từng biến vào trong mô hình và kiểm tra tính phù hợp về mặt thống kê của việc đƣa thêm biến vào có thể đƣợc cải thiện hay không.
Công đoạn lặp thêm vào và kiểm tra sẽ dừng lại khi mô hình không thể cải thiện thêm đƣợc cách đáng kể khi đƣa thêm biến vào nữa.
- Lựa chọn lùi xuống (Step down): Phương pháp bắt đầu với tất cả các biến đưa vào mô hình, sau đó tiến hành loại bỏ dần các biến và kiểm tra tính phù hợp về mặt thống kê của việc loại biến đó có giảm đi không đáng kể hay không. Công đoạn lặp loại bỏ và kiểm tra sẽ dừng lại khi mô hình bị giảm đi tính phù hợp một cách đáng kể khiến cho không thể loại thêm biến nữa.
Phương pháp phân tích hồi quy đa biến từng bước sẽ bắt đầu bằng phương pháp tiến lên để kiểm tra mức độ cải thiện của tính phù hợp của mô hình. Sau đó, ở mỗi bước thêm biến vào và kiểm tra, phương pháp lùi xuống được áp dụng để kiểm tra trong tất cả các biến đã thêm vào trong bước đó có biến nào khi loại bỏ mức ý nghĩa giảm đáng kể không (biến quan trọng). Nếu một biến không quan trọng đƣợc tìm thấy, biến đó sẽ đƣợc loại bỏ khỏi mô hình.
Đối với mục tiêu của luận văn và đặc điểm tự nhiên của cửa sông Đà Diễn, phương pháp phân tích hổi quy đa biến logistic kết hợp với phương pháp phân tích hồi quy từng bước được áp dụng để lựa chọn các biến độc lập phù hợp đưa vào mô hình và xây dựng mối quan hệ, đánh giá mức độ ảnh hưởng của các biến độc lập đó đến biến phụ thuộc – độ rộng cửa sông.
Các biến độc lập đƣợc lựa chọn trong luận văn là các biến đặc trƣng cho các yếu tố tự nhiên ảnh hưởng đến quá trình biến động hình thái khu vực một cửa sông.
Trong đó, ba yếu tố tự nhiên điển hình là yếu tố sông, yếu tố sóng biển và yếu tố thủy triều. Mỗi yếu tố trên lại có các đặc trƣng riêng biệt, do đó, mỗi đặc trƣng của từng yếu tố đều đƣợc xem xét nhƣ một biến độc lập của mô hình nhận thức (chi tiết trong mục 2.2.2).