Bài giảng MÔ HÌNH HÓA MÔI TRƯỜNG - Phần 2 pdf

§ Các biến trạng thái: các dạng vật chất ứng với các điều kiện nhất định của các đối tượng sinh thái Trạng thái mà khi thời gian thay đổi, nó vẫn giữ nguyên được gọi là trạng thái bền

Xác định bài toán

Các phần tử của mô hình hoá

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

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

§ Các biến trạng thái: các dạng vật chất ứng với các điều kiện nhất định của các đối tượng sinh thái

Trạng thái mà khi thời gian thay đổi, nó vẫn giữ nguyên được 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 để hiệu chỉnh

và kiểm tra mô hình

Bước kiểm tra (verification)

§ Mô hình có ổn định trong một thời gian

dài hay không ?

§ Mô hình có hoạt động như mong đợi

hay không ?

Phân loại mô hình

Các biến xác định hệ thống được lượng hóa bằng các phương trình vi phân phụ thuộc thời gian

Sử dụng ma trận trong các công thức toán

Mô hình hộp (Compartment models)

Mô hình ma trận

Giá trị dự đoán được tính toán chính xác

Giá trị dự đoán phụ thuộc vào phân bố xác suất

Mô hình tiền định (Deterministic

models)

Mô hình dự đoán (Stochastic models)

Được sử dụng như công cụ nghiên cứu

Được sử dụng như công cụ quản lý

Mô hình nghiên cứu (Research models)

Mô hình quản lý (Management models)

Đặc điểm Loại mô hình

Mô hình quản lý môi trường

có một số đặc điểm riêng

§ Bài toán quản lý có thể được phát biểu như sau: nếu một số biến ngoại sinh (hay hàm điều khiển) thay đổi thì điều này sẽ gây ảnh hưởng thế nào tới hệ sinh thái

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

để 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 đó mô hình được sử dụng như một mô hình quản lý

§ Chúng ta biến mô hình này thành mô hình kiểm soát khichúng ta muốn đạt được mức độ nồng độ cho phép ở

một ngưỡng xác định nào đó

Mong muốn và hiện thực

Mô hình cơ sở (Zeigler, 1976)

Chứa đầu vào – đầu ra đầy đủ

Mô hình là công cụ có lợi trong nghiên cứu môi trường

Nghiên cứu các hệ phức tạp:

› Nhiều thông tin có thể được ghi nhận

› Thông tin có thể được hiển thị, ví dụ bằng đồ thị

Khám phá các tính chất của hệ:

› Các thông tin ghi có thể được 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 đưa ra các ưu tiên trong

nghiên cứu :

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

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

Kiểm tra các giả thiết khoa học

Giới hạn của mô hình

§ Mô hình không khi nào chứa tất cả các đặc điểm của hệ thực Đây vẫn chỉ là mô hình !

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

sự cắt đi nhiều thành phần của mô hình

PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG CÁC

MÔ HÌNH TOÁN SINH THÁI

Bùi Tá Long, Viện Môi trường và Tài nguyên

Tổng quan về bài giảng

1 Mục tiêu

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 Độ lớn của hệ: chiều dài, độ cao, hình thể;

q Thời gian tồn tại (tuổi thọ);

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

q Sự tổn thất đối với hệ (như bệnh tật, thiên tại …)

q Tính năng động của hệ: dáng điệu, tiệm cận

Công việc thiết lập các mối quan hệ đó gọi là mô hình hóa

thái của hệ và sự dẫn tới các trạng thái bền

vững.

q Nghiên cứu sự thay đổi của hệ khi tốc độ tăng trưởng của quần thể thay đổi;

thành phần thay đổi;

Mô hình lý luận (Conceptual Model)

§ A và B là hai biến trạng thái,

Nguyên lý bảo toàn khối lượng

dt dB

§ Xét một hệ sinh thái S gồm các thành

phần (biến trạng thái) Si Khi đó có thể

biểu diễn dưới dạng 1 véctơ như sau:

S = 1, 2 , ,

N = 1: S được gọi là hệ một chiều.

N ³ 2 : S được gọi là hệ nhiều chiều.

§ Dòng dịch chuyển vật chất từ trạng thái này đến trạng thái khác của hệ trong một đơn vị thời gian được gọi là tốc độ dòng giữa 2

trạng thái. Ký hiệu J(i,j) là tốc độ dòng từ

§ Ngoài các thành phần, hệ còn có các biến ngoại sinh và biến điều khiển, ảnh hưởng đến các biến trạng thái.

Dinh dưỡng trong nước (S1)Thực vật nổi (S2)

Động vật nổi (S3)Động vật đáy (S4)

Cá (S5)

Mưa, gió, nhiệt độ, bức xạ, áp suất, không khí

Chế độ đánh bắt cá

J(3,5)

J(2,1)

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

S

K r

ø

öç

è

æ

-=

Xây dựng tốc độ dòng

§ Động vật nổi không hút dinh

dưỡng trực tiếp mà qua thực vật

nổi: J(1,3)=0;

§ Thực vật nổi không ăn động vật

nổi nên J(3,2)=0;

§ Động vật nổi ăn thức qua sự lọc

bởi thực vật nổi nên xem nó là

vật chủ, thực vật là vật mồi và

J(2,3)=aS2S3 trong đó a=Cg/V

với Cg là tốc độ lọc của mỗi cá

thể; V: thể tích; S2/V: độ tập

trung thực vật trong 1 đơn vị thể

S S K

a X

G X

G

1 1

2 1 1 1

).

( )

( )

2 , 1

(

+

=

M: tốc độ tăng trưởng cực đại;

K1: là hệ số bán bão hòa giữa thực vật nổi và dinh dưỡng;

a1:hệ số kinh nghiệm;

J(2,1) là tốc độ tái sinh dinh dưỡng qua thực vật nổi bài tiếtvà chết, nó phụ thuộc vào thời tiết và số lượng thực vật nổi, nên

J(3,1) là tốc độ tái sinh dinh dưỡng qua động vật

nổi , tức là do sự thối rữa của động vật nổi, và

phần dinh dưỡng qua thực vật đến với động vật

nổi, sau khi dùng không hết lại trở về với dinh

dưỡng.

3

2 2

2

2

2 23

3 3

K

a a

S K

û

ù ê

ë

é

+

+

a23 – là tỷ lệ biến năng lượng từ thực vật nổi qua

động vật nổi

i i

i

-= ) , (

1( ))

1,1

-V

S q v

qC

2( ))

2,2

-V

S q v

qC

3( ))

3,3

-Từ thực nghiệm ta có các công thức

§ Tốc độ biến đổi của một biến trạng thái i của hệ bằng tổng tất cả các hiệu quả thực sự của các dòng vật chất đối với biến đó trong một đơn vị thời gian

§ Nói một cách khác là bằng tổng tất cả các dòng vật chất đi vào trừ đi tổng tất cả các dòng vật chất

đi ra từ biến i trong 1 đơn vị thời gian.

1

1 J ( 1 , 1 ) J ( 1 , 2 ) r Q a Q Q

-2 1 2 2

2 12

2 J ( 1 , 2 ) J ( 2 , 2 ) r Q a Q Q

) 2 , 1 ( )

1 , 3 ( )

1 , 2 ( )

1 , 1 ( 21 31

1 , 2 ( )

2 , 1 ( )

2 , 2 ( 12

3 , 2 ( )

3 , 3 ( 23

3

dt

M X

G X

G S

K

S S

K

a

S

S S

K

K

a a

S K X

G

S V

S q v

T T

T

p T

)(

)(

)(

)(

1 1

2 1 1

1

3 2 2

2

2

2 23

3 3 31

2 21

1 1

1 1

+

-+

úû

ùê

è

æ

+

+

-++

-=

3 2 2

1 1

2 1 1

1 12

2 2

2

S K

S S K

a V

S q qC

s T

-+

+ -

=

ú û

ù ê

è

æ

+

+

+

-=

2 2

2

2 23

3 3 3

2 23

3 3

3

S K

K

a a

S K S

aS V

S q qC

F dt

gC gN

gC gN

gC gC

gN

gC/ ; 0.6 / ; 0.28 / ; 0.17 /88

K1 = 0.025 / Hệ số bán bão hòa dinh dưỡng

ngay mgC

K2 =3 / Hệ số bán bão hòa của thực vật nổi

ngay

K3 = 0.075/ Sự mục nát của động vật nổi

gC ngay

lit V

a = 0 13 / /

C ngay

M = 3 /

ngay ly

T T

P

T T

ù ê

ë

é -

=

S

S S

S S

S

I

X

I I

X

I X

§ Trạng thái không biến đổi theo thời gian được gọi là trạng thái bền vững (steady state) hay là trạng thái cân bằng (Equilibrium).