Mô hình hóa môi trường

Đây là cuốn sách rất hữu ích trong nghành môi trường( công nghệ kỹ thuật môi trường, quản lý môi trường) nó giúp các bạn sinh viên khái quát hóa một cách hệ thống các môn học có trong nghành học môi trường

NỘI DUNG BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ

TSKH BÙI TÁ LONG

NỘI DUNG VÀ THỜI LƯỢNG

§ MÔ HÌNH, MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ HÌNH HÓA CÁC

QUÁ TRÌNH MÔI TRƯỜNG (4 TIẾT)

§ PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG CÁC MÔ

HÌNH TOÁN SINH THÁI (4 TIẾT)

§ MÔ HÌNH HÓA Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ (16 TIẾT)

§ MÔ HÌNH HÓA Ô NHIỄM NƯỚC (16 TIẾT)

§ XÂY DỰNG PHẦN MỀM TÍCH HỢP GIS, CSDL MÔI TRƯỜNG VÀ MÔ HÌNH TOÁN TRÊN VÍ DỤ CAP, ENVIMAP (5 TIẾT)

§ TÀI LIỆU THAM KHẢO

MỐI LIÊN HỆ GIỮA MÔN HỌC

VÀ CÁC MÔN HỌC KHÁC

MÔ HÌNH, MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ HÌNH HÓA CÁC QUÁ TRÌNH MÔI TRƯỜNG

Bùi Tá Long, Viện Môi trường và Tài nguyên

Mục ñích

§ Cơ sở lý luận và thực tiễn của phương pháp

mô hình hóa môi trường;

§ Biết cách ứng dụng cụ thể của mô hình trong công tác quản lý môi trường hiện nay;

§ Ứng dụng một số phần mềm tính tự ñộng

hóa tính toán ô nhiễm, quản lý môi trường.

Nội dung

§ Vai trò của mô hình môi trường

§ Mô hình hóa trong nghiên cứu sinh thái

§ Mô hình hóa chất lượng nước

§ Mô hình hóa chất lượng không khí

Phương pháp nghiên cứu

§ Xây dựng giản ñồ thông tin;

§ Nắm bắt các qui luật vật lý trong từng bài toán;

§ Các công cụ toán ñược sử dụng ñể tham số hóa các qui luật vật lý Một số kiến thức toán ñược

sử dụng trong mô hình hóa: phương trình vi

phân, ñiều kiện ban ñầu, ñiều kiện biên, phương pháp giải số, biểu diễn kết quả;

§ Công cụ tin học: các phần mềm;

§ Tài liệu tham khảo.

NỘI DUNG BÀI 1

nhiên và xã hội loài người.

không tách rời c a mô hình hóa nói chung

mô hình

Mô hình như một công cụ k t n i th

giới tự nhiên và xã hội loài người

§ Ngày nay hầu hết các ngành khoa học ñều sử

dụng “mô hình”, (“model”)

§ Mô hình không chỉ xuất hiện trong khoa học tự

nhiên mà còn xuất hiện trong khoa học xã hội

§ Với nhiều nhà nghiên cứu mô hình ñược hiểu là

các mô hình số phức tạp chạy trên máy tính, trong một số ngành khoa học khác mô hình ñược hiểu như một dạng mẫu tương tự

§ Tuy nhiên có rất nhiều thuật ngữ “mô hình” ñược

sử dụng rất khác nhau

Đ ểm ñược thống nhất cao về “model”

§ Ứng dụng của mô hình rất rộng,

chúng giúp cho quá trình thông

qua quyết ñịnh trong cuộc sống

hàng ngày;

§ Mô hình là một khái niệm cơ bản

của khoa học và ñóng vai trò c

biệt quan trọng trong khoa học

nghiệm rất khó tiến hành

Albert Einstein

“Make things

as simple as possible,

but not any simpler.”

Mô hình như một công cụ chính k t

n i tự nhiên và xã hội, Nico Stehr

§ “Thật dêN dàng veN một biểu ñôA

hơn là mô ta7 chính xác những

ñiều thực têR ñang diễn ra”

§ “Trong nghiên cứu khoa học, thu

thập thông tin về ñối tượng

nghiên cứu là chưa ñủ, cần thiết

phải tổng quát hóa dữ liệu ñược

thu thập thành các công thức”

Thuật ng “model” c ng c ñịnh

nghĩa theo nhiều cách khác nhau

§ Mô hình là một ñối tượng nho7, thường ñược xây dựng theo ty7 lêl, nó mô ta7

một vài ñối tượng thực tế trong tưl nhiên.

§ Mô hình là một mẫu thể hiện một sự vật còn chưa ñược xây dựng trên thực

tế, ñược xem như là kế hoạch (trên thực tế sẽ lớn hơn mẫu) và sẽ ñược xây dựng

§ Thuật ngữ “model” có thể là một mẫu ñược sử dụng ñể trắc nghiệm về ngữ

pháp “ hai mẫu câu có cấu trúc văn phạm tương phản nhau” (Noam

Chomsky)

§ Thuật ngữ “model”có thể ñược dùng như một kiểu mẫu thiết kêR của một ñối

tượng cụ thể Ví dụ có thể nói chiếc xe của anh ta là mẫu xe của năm ngoái.

§ Thuật ngữ “model” có thể ñược dùng cho ñối tượng là người tiêu biểu cho

một hay nhiều tiêu chí khác nhau

§ Thuật ngữ “model” có thể là người hay vật thể phục vụ cho họa sĩ hay người

tehr ñaN thêm vào mệnh ñêA sau

§ Mô hình là công cụ tốt

§ Mô hình toán học còn tốt hơn

Mẫu số chung nhất cho các mô hình:

chính là chức năng quan trọng nhất của

chúng – là sự giảm thiểu ñôl phức tạp của

phạm vi yêu cầu

§ Pierre Duhem, nhà vật lý người Pháp:

“mô hình trong khoa học chỉ là một công cụ ñê7 giải thích vêA lyR thuyết và có thê7 ñược loại bo7 một khi một lyR thuyết khác ñược phát triển”.

§ Campell, nhà vật lý người Anh:

“mô hình là một phần thiết yếu (của lyR

thuyết), không có nó lyR thuyết sẽ hoàn

toàn không có giaR trị”

ehr: 2 thuộc t nh cần quan t

§ Chất lượng mô hình

§ Kết quả ñịnh lượng ñược tạo ra từ mô

hình

§ Mô hình là công cụ giúp dự báo cũng như tính

toán trước những hậu quả có thế trong thực thi

các dự án kinh tế và phát triển xã hội

§ Dưl báo này ñược xây dựng trên những tri thức

vêA ñ c trưng của các quá trình xảy ra trong thiên nhiên, qui luật phát triển xaN hội vaA sưl ảnh hưởng lẫn nhau trong mối quan hêl tương hôN này.

Tóm lại

§ Mô hình hóa các quá trình và hiện tượng xảy ra trong xã hội và thiên nhiên ñược thừa nhận như một công cụ mạnh giúp hiểu biết sâu hơn bản chất của tự nhiên và giúp loài người nhận ñược thông tin quí giá về thế giới thực

§ Thông tin nhận ñược từ quá trình mô hình hóa tiếp tục thúc ñẩy sự phát triển các phương pháp mới giải quyết các bài toán khoa học cũng như làm cơ

sở thông qua các quyết ñịnh quản lý cụ thể

M h nh h a m i trường như một phần của m h nh h a tự nhi n – x ội

trường

hóa môi trường sinh thái

trường

sao cần m h nh m i trường ?

Quan ñiểm này ñòi hỏi mỗi quốc gia nhanh

chóng giải quyết các nhiệm vụ sau ñây:

› Xâydựng các phương pháp ñánh giá sự bền vững của các

hệ sinh thái;

› Nghiên cứu các quy luật biến ñổi theo thời gian của

chúng;

› Hoàn thành các phương pháp ñánh giá ñịnh lượng tác

ñộng lên môi trường các hoạt ñộng kinh tế - xã hội

(tiếp theo)

§ Để giải quyết tốt nhiệm vụ trên, cần thiết phải phát triển lý thuyết hệ thống và mô hình hóa, coi ñây là

công cụ chính ñể nghiên cứu môi trường

§ Vào năm 1997, Viện quốc tế về phân tích hệ thống ứng dụng (IIASA, Laxenbourg, Áo) ñã công bố danh mục các công trình nghiên cứu trong 25 năm (1955 – 1997) gồm hơn 50.000 công trình liên quan tới lý thuyết hệ thống và mô hình hóa môi trường

M h nh m i trường l g

§ Các mô hình môi trường (Environmental Models) ñược sư7 dụng ñê7 tái tạo lại các quá trình môi trường xảy ra trong một khoảng thời gian nào ñoR”.

§ Ngày nay loài người ñaN hiểu roN ràng rằng việc tiến hành những thiR nghiệm trực tiếp với sinh quyển của hành tinh là không thê7 Do vậy xây dựng mô hình là phương tiện quan trọng ñê7 nhận thông tin vêA tình trạng có thê7 của sinh quyển chịu những tác ñộng lớn tưA phía con người lên nó.

Cục bảo vệ môi trường Mỹ

§ Quá trình mô hình hóa có thê7 dựa trên những

nguyên lyR khác nhau, dựa trên cơ sở xem xét vaA

phân tích các mối liên hêl nhân – quả

§ Mô hình toán học của một ñối tượng bất kyA là sưl mô ta7 nó bằng các công cụ, phương pháp toán học

Nguyên lý của mô hình hóa

Các quá trình ñ c mô tả b ng các

bi u thức toán học

Rất nhiều biểu thức toán học các quá trình liên quan

tới mô phỏng môi trường sinh thái ñã tồn tại:

Các quá trình vật lý: các quá trình lan truyền, hấp thụ, sự

phụ thuộc nhiệt ñộ, bay hơi

Các quá trình hóa học: ô xy hóa, ion hóa,

Các quá trình sinh học: quang hợp, sự tăng trưởng, sự

lắng trầm tích, sự phân rã,

Kha7 năng của mô hình toán

§ Bằng các công cụ mang tính hình thức ñê7 giải phương trình vaA các bất phương trình hay bằng thuật toán

người nghiên cứu có thê7 dưl báo sưl thay ñổi hành vi của ñối tượng nghiên cứu

§ Xem các ñối tượng này thay ñổi như thêR nào khi các

ñiều kiện này hay ñiều kiện khác (ñược mô ta7 bởi các tham sôR của mô hình) thay ñổi

§ Quá trình này gọi là mô phỏng toán học

Công việc thiết lập mô hình toán học

các quá trình môi trường

§ Cần phải thu thập các dưN liệu ñầu vào cho mô

hình

§ Xác ñịnh trạng thái ban ñầu của môi trường cần

phải có một mạng lưới quốc têR thu thập vaA xư7 lyR

thông tin ban ñầu vêA tình trạng sinh quyển

urkovsky A.P và Pritsker A.A.B

§ Các hệ thống tự ñộng gắn với các mô hình mô

phỏng cho phép nâng cao hiệu quả của nghiên cứu

môi trường;

§ Vấn ñề trung tâm trong nghiên cứu môi trường là

khái niệm chất lượng môi trường Khái niệm này gắn

liền với sự thiết lập tải trọng môi trường cho phép

lên môi trường

§ Cần thiết phải nhận ñược các mô hình cho phép

ñánh giá thiệt hại của các hệ sinh thái dựa trên các

tiêu chuẩn ñược thiết lập

Phạm vi không gian – thời gian

§ Mức ñộ toàn cầu tiến hành khảo sát với kích thước toàn cầu có lưu ý ñến các

tác ñộng tổng hợp các yếu tố mà người khảo sát quan tâm, diễn ra trong một

khoảng thời gian từ vài tháng tới vài chục năm (ví dụ các mô hình thay ñổi khí hậu, ).

§ Mức ñộ vĩ mô - xem xét các ñối tượng và các quá trình trong không gian có

kích thước vài ngàn km, kích thước thời gian - từ một vài tháng tới một năm

(mô hình lan truyền vượt tuyến chất bẩn giữa các quốc gia hay các hành tinh

với nhau, mô hình này ñã ñược ñưa vào áp dụng tại Châu Âu và Bắc Mỹ,…).

§ Mức ñộ trung bình (mức ñộ vùng) - xem xét các quá trình trong không gian có

kích thước từ vài trăm m tới vài trăm km và thời gian từ vài giờ tới một vài tháng (các quá trình nhiễm bẩn khí quyển tại các thành phố công nghiệp, các tổ hợp công nghiệp, các tình huống tai biến khi có sự phát tỏa lớn của các chất bẩn

vào không khí là thuộc mức ñộ này).

§ Mức ñộ vi mô (mức ñộ ñịa phương) - xem xét các quá trình trên một diện tích từ

vài m tới một vài trăm m và thời gian từ vài phút ñến một vài chục phút (một bài toán sinh thái tiêu biểu ở ñây là tính cho một số ít các nguồn thải và xem xét chi tiết phân bố không gian của nồng ñộ tại một ñịa phương nào ñó)

Cấu trúc cơ bản của mô hình hóa

môi trường

Các thành phần trong quá trình

mô hình hóa môi trường sinh thái

§ Biến trạng thái (state variables), hàm ñiều khiển

(forcing function) và biến ngoại sinh (exogerous

variables), các phương trình toán học (mathematical equations), các tham số (parameters), các hằng số thông số (universal constants)

Ví dụ: Mô hình hóa hệ sinh

thái dưới nước

Các thành phần trong quá trình

mô hình hóa môi trường

Phân tích ñộ nhạy (sensitivity)

§ Xác ñịnh hiện ứng gây ra bởi sự thay ñổi

nhỏ của các tham số mô hình lên kết quả

(biến trạng thái) bằng phương pháp mô

phỏng số hay kỹ thuật toán học

§ Là sự cố gắng tìm kiếm sự phù hợp giữa dữ liệu tính

toán và dữ liệu thực ño bằng cách lựa chọn thay ñổi mộtvài thông số

§ Quá trình này có thể ñược thực hiện bằng các phép thử

ñúng sai, ho c bằng cách sử dụng phần mềm chuyên

dùng cho việc tìm kiếm sự thích hợp tốt nhất giữa các

giá trị quan sát và giá trị tính toán

Bước xác nhận (validation)

§ Kiểm tra mô hình dựa vào tập dữ liệu ñộc lập ñể theo dõi kết quả mô phỏng theo mô hình trùng khít với dữ liệu ño ñạc như thế nào;

§ Bước xác nhận cho phép ñánh giá mô

hình tốt hay không tốt khi có ñược các dữ liệu chuẩn

Bước xác nhận (validation)

§ Sự chấp nhận về m t khoa học cho phép sử dụng tiếp theo Quá trình này gồm:

§ (1) xác nhận các quá trình chính và nổi bật nhất

trong quá trình xây dựng mô hình;

§ (2)các quá trình ñược thực hiện ñúng các bước;

§ (3) mô hình trên thực tế ñã phản ánh ñúng các

hiện tượng ñược quan sát

Các bước c a quá trình

mô hình hóa môi trường

Các quá trình mô hình hóa

Ự

Xác ñịnh bài toán

data

data

Xác ñịnh bài toán

Các phần tử của mô hình hoá

§ Các yếu tố bên ngoài có ảnh hưởng ñến các biến trạng thái (ví

dụ như mưa, nắng, gió, nhiệt ñộ, áp suất, )

§ Các biến trạng thái: các dạng vật chất ứng với các ñiều kiện nhất ñịnh của các ñối tượng sinh thái

Trạng thái mà khi thời gian thay ñổi, nó vẫn giữ nguyên ñược gọi

là trạng thái bền vững (Steady state)

Mô hình „tốt“

Dựa trên tri thức về các biến trạng

thái và các quá trình cơ bản

Mô hình “tốt“

•Có tập hợp dữ liệu cho chương trình chạy

•Có tập dữ liệu ñể hiệu chỉnh

và kiểm tra mô hình

Mô hình „tốt“

Kiến thức sâu

Mô hình càng chi tiết

Tính không xác ñịnh thấp

Bước kiểm tra (verification)

i hay kh ng ?

Phân loại mơ hình

C c biến định hệ thống được lượng a b ng

c c phương tr nh vi phân phụ thuộc thời gian

Sử dụng ma trận trong các cơng th c tốn

Mơ hình hộp (Compartment models)

Mơ hình dự đốn (Stochastic models)

Được sử dụng như cơng cụ nghiên cứu Được sử dụng như cơng cụ quản lý

Mơ hình nghiên cứu (Research models)

Mơ hình quản lý (Management models)

Đặ đ ể ạ

§ Mô hình môi trường ñược sử dụng ñể trả lời cho câu hỏi này, nói cách khác mô hình môi trường ñược dùng

ñể dự báo

Mô hình quản lý và mô hình

kiểm soát

§ Khi chúng ta chọn các phương án tính toán khác nhau,

có nghĩa là chúng ta hình thành các kịch bản (cho mô

hình chạy) Trong số các kịch bản này ta chọn kịch bản

phù hợp với chính sách phát triển kinh tế - xã hội nhất Khi ñó mô hình ñược sử dụng như một mô hình quản lý

§ Chúng ta biến mô hình này thành mô hình kiểm soát khichúng ta muốn ñạt ñược mức ñộ nồng ñộ cho phép ở

một ngưỡng xác ñịnh nào ñó

Mong muốn và hiện thực

M nh l c c l i

Nghi n c u các hệ ph c tạp:

› Nhiều thông tin có thể ñược ghi nhận

› Thông tin có thể ñược hiển thị, ví dụ bằng ñồ thị

Khám phá các tính chất của hệ:

› Các thông tin ghi có thể ñược phân tích

› Việc phân tích thông tin có thể khám phá ra tính chất không thể phát

hiện khi khảo sát

› Phát hiện những thiết xót trong tri thức và ñưa ra các ưu tiên trong

nghiên cứu :

› Mô hình có thể tối ưu các phép ño ngoài hiện trường

› Quá trình lặp, mô hình và phép ño bổ sung cho nhau

› Kiểm tra các giả thiết khoa học

Giới hạn của mô hình

§ M hình không khi nào ch a tất cả các ñặc ñiểm của hệ thực Đây v n chỉ là mô hình !

§ Mô hình có thể có sai sót từ việc ñơn giản hóa,

sự cắt ñi nhiều thành phần của mô hình

Bùi Tá Long, Viện Môi trường và Tài nguyên

Tổng quan về bài giảng

M c ti

2 Nội dung

•Các nguyên lý, các bước xây dựng mô hình

toán trong nghiên cứu môi trường sinh thái

•Mô hình lý luận (conceptual model)

•Xây dựng mô hình toán sinh thái cụ thể

•Bài tập ứng dụng

q Đ l ớn của hêl: chiều dài, ñôl cao, hình thê7;

q Thời gian tồn tại (tuổi thọ);

q Kha7 năng phát triển (sinh sản, chết chóc);

q Sưl tổn thất ñối với hệ (như bệnh tật, thiên tại …)

q Tính năng ñộng của hêl: dáng ñiệu, tiệm cận

Công việc thiết lập các mối quan hêl ñoR gọi là mô hình hóa

§ Tìm ra phương pháp giải thích sưl biến ñổi trạng thái của hêl vaA sưl dẫn tới các trạng thái bền

vững.

Mô hình lý luận (Conceptual Model)

§ A và B là hai biến trạng thái,

guyên lý bảo toàn khối lượng

dt dB

§ Xét một hêl sinh thái S gồm các thành phần (biến trạng thái) Si Khi ñoR có thê7 biểu diễn dưới dạng 1 véctơ như sau:

S = 1, 2 , ,

N = 1: S ñược gọi là hêl một chiều.

N ≥ 2 : S ñược gọi là hêl nhiều chiều.

§ ng dịch chuyển vật chất tưA trạng thái này ñến trạng thái khác của hêl trong một ñơn vị thời gian ñược gọi là tốc ñôl dòng giữa 2

trạng thái. KyR hiệu J(i,j) là tốc ñôl dòng tưA

Cá (S5)

Mưa, gioR, nhiệt ñôl, bức xal, áp suất, không khiR

ChêR ñôl ñánh bắt cá vaA bô7 sung dinh

dưỡng

(3,5)

(2

§ Một hệ gồm n biến trong ñó có biến trạng thái, ngoại sinh và ñiều khiển, muốn xác ñịnh các tốc ñôl dòng J(i,j) trong ñó i,j là các trạng thái của hệ, ta phải làm thí nghiệm.

1

)1,1

K

S

K r

Xây dựng tốc ñộ dòng

§ Động vật nổi không hút dinh

dưỡng trực tiếp mà qua thực vật

nổi: J(1,3)=0;

§ Thực vật nổi không ăn ñộng vật

nổi nên J(3,2)=0;

§ Động vật nổi ăn thức qua sưl lọc

bởi thực vật nổi nên xem nó là

vật chu7, thực vật là vật mồi vaA

J(2,3)=aS2S3 trong ñoR a=Cg/V

với Cg là tốc ñôl lọc của mỗi cá

thê7; V: thê7 tích; S2/V: ñôl tập

trung thực vật trong 1 ñơn vị thê7

tích:

S S K

a X

G X

G

J ( 1 , 2 ) T ( T ) S ( S ). 1 1 1 2

+

=

M: tốc ñôl tăng trưởng cực ñại;

K1: là hêl sôR bán bão hòa giữa thực vật nổi vaA dinh dưỡng;

a1:hệ sôR kinh nghiệm;