Tiểu luận môn phương pháp nghiên cứu khoa học IMPACT OF DEMERSAL FISHERY AND EVIDENCE OF THE VOLTERA PRINCIPLE TO THE EXTREME IN THE ADRIATICE SEA

Mỗi quần thể có nhiều đặctrưng, nhưng xét về tính chất và số lượng, chúng ta có thể chia ra hai loại sau đây:  Những đặc trưng có liên quan đến tương quan số lượng và cấu trúc;  Những

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HỒ CHÍ MINH KHOA KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT MÁY TÍNH

NGÀNH HỆ THỐNG THÔNG TIN QUẢN LÝ

MÔN PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

THE EXTREME IN THE ADRIATICE SEA

Giáo viên hướng dẫn: TS NGUYỄN VĂN MINH MẪN

Học viên thực hiện : NGUYỄN HOÀNG ANH - 7141132

NGUYỄN QUANG VINH - 7140667

PHẠM ĐỨC LONG - 7140653

Tp Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 05 năm 2015

MỤC LỤC

Chương 1: MÔ HÌNH SCHAEFER 7

1.1 Khái niệm quẩn thể sinh học 7

1.2 Một số đặc trưng cơ bản của quần thể: 7

1.3 Tăng trưởng của quần thể: 10

Chương 2: MÔ HÌNH LOTKA- VOLTERA 14

2.1 Giới thiệu 14

2.2 Áp dụng 16

Chương 3: MÔ HÌNH GAUSE 18

3.1 Giới thiệu 18

3.2 Quản lý việc đánh bắt cá 20

Chương 4 : MÔ PHỎNG VỚI OPENMODELICA 22

4.1 Giới thiệu 22

4.2 Mô phỏng các mô hình 23

4.2.1 Mô hình Schaefer 23

4.2.2 Mô hình LOTKA- VOLTERA 25

TÀI LIỆU THAM KHẢO 28

Chương 1: MÔ HÌNH SCHAEFER

1.1 Khái niệm quẩn thể sinh học

Quần thể là một nhóm cá thể của một loài (hoặc đơn vị phân loại trong loài)định cư trong một không gian hay lãnh thổ nhất định Mỗi quần thể có nhiều đặctrưng, nhưng xét về tính chất và số lượng, chúng ta có thể chia ra hai loại sau đây:

 Những đặc trưng có liên quan đến tương quan số lượng và cấu trúc;

 Những đặc trưng biểu thị thuộc tính di truyền của quần thể như: mật độ,sinh sản và tử vong, thành phần tuổi, sự phân bố trong không gian vàkiểu sinh trưởng, sự dao động số lượng cá thể

1.2 Một số đặc trưng cơ bản của quần thể:

 Mật độ quần thể: Mật độ quần thể chỉ số lượng cá thể (hoặc thể tích,

trọng lượng, sinh khối ) của loài trên đơn vị diện tích hoặc thể tích nhấtđịnh (m2, m3, ha ) Ví dụ: (1) Quần thể cây Keo lá tràm (Acacia auriculiformis) trong một khoảnh rừng trồng có mật độ 2500 cây/ha, (2) mật độ quần thể Dầu rái (Dipterocarpus alatus) tronng một khoảnh rừng

tự nhiên hỗn loài là 105 cây/ha, (3) mật độ cá Mè hoa là 1500 con/ha…

Mật độ quần thể là một chỉ tiêu quan trọng được nhà lâm học sử dụng đểđánh giá:

 Sự phù hợp của môi trường sống đối với quần thể

 Vai trò của loài trong quần xã

 Mức độ ảnh hưởng của loài đến môi trường Tuy vậy,vai trò của loài có thể thay đổi tùy theo mật độ đượctính theo số cá thể hay sinh khối

và cái trong quần thể Đây là một đặc tính vốn có của bất kỳ quần thể

động vật nào Giới tính ở các quần thể động vật thay đổi tùy theo lứatuổi, tác động của các nhân tố môi trường (khí hậu) và phản ứng củaquần thể nhằm điều chỉnh mật độ qúa đông Theo quy luật, tỷ lệ giới tính

là 1:1, nhưng do những biến động về tuổi và môi trường sống nên tỷ lệgiới tính ở các quần thể có thay đổi khác nhau

 Tỷ lệ sinh đẻ: Tỷ lệ sinh đẻ biểu thị tỷ lệ gia tăng số lượng cá thể mới

của quần thể trong một đơn vị thời gian nhất định

Trong thực tế, người ta biểu thị tỷ lệ sinh đẻ của quần thể theo hai cáchkhác nhau

Một là, tỷ lệ sinh đẻ tuyệt đối (hoặc đơn giản là tỷ lệ sinh đẻ) được tínhbằng cách chia số lượng cá thể mới phát sinh (N) cho một đơn vị thờigian (t), nghĩa là N/t

Hai là, tỷ lệ sinh đẻ đặc trưng được xác định bằng cách chia số lượng cáthể mới phát sinh (N) trong một đơn vị thời gian (t) và trên đơn vị sốlượng quần thể (N), nghĩa là N/Nt

Cần nhận thấy rằng, tùy theo mục tiêu nghiên cứu, trị số N có thể là mật

độ của toàn bộ quần thể, hoặc chỉ là một bộ phận của quần thể có khảnăng sinh sản; ví dụ: tổng số cá thể cái ở tuổi sinh sản nào đó

 Tỷ lệ tử vong: Tỷ lệ tử vong biểu thị số cá thể của quần thể bị chết trong

một đơn vị thời gian nào đó, và có thể được tính theo ba cách khác nhau.Một là, tỷ lệ chết tuyệt đối - đó là số lượng cá thể bị chết (N ) trong đơn

vị thời gian nhất định (t), nghĩa là N/t

Hai là, tỷ lệ chết đặc trưng - đó là số lượng cá thể bị chết (N) trong mộtthời gian nhất định (t) so với số lượng của toàn bộ quần thể (N) hoặcmột bộ phận của quần thể, nghĩa là N/Nt

Ba là, tỷ lệ chết sinh thái - đó là số cá thể bị chết (N ) trong một điềukiện cụ thể của môi trường Chỉ tiêu tỷ lệ chết sinh thái thường không ổnđịnh mà thay đổi tùy theo điều kiện của nơi ở và trạng thái của quần thểloài

Nếu quần thể sống trong điều kiện môi trường lý tưởng thì tỷ lệ chết ítnhất, khả năng tăng trưởng và sinh sản lớn nhất Nói chung, khả năngsống sót của các cá thể phụ thuộc vào những nhân tố sinh thái ở mứcgiới hạn

 Cấu trúc tuổi của quần thể: Cấu trúc tuổi của quần thể biểu thị sự phân

bố số lượng cá thể theo các lứa tuổi từ nhỏ đến cao Đây là một đặctrưng quan trọng của quần thể, vì nó thuyết minh cho vai trò, sự tồn tại

và sự hưng thịnh của các quần thể loài khác nhau Những quần thể loàikhác nhau có thành phần tuổi khác nhau, còn trong một loài thì thànhphần tuổi phụ thuộc vào môi trường sống, tuổi thọ và thời kỳ trưởngthành của các cá thể

Hình 1: Các dạng tháp tuổi của quần thể

A: Phát triển, B: Ổn định, C: Giảm

Cấu trúc tuổi của các quần thể sinh vật có thể tồn tại ở ba dạng chủ yếu

là dạng phát triển, dạng ổn định và dạng giảm sút (Hình 1)

nhỏ luôn cao hơn số lượng cá thể của nhóm tuổi lớn, nghĩa là quần thểluôn có sự gia tăng thế hệ mới qua sinh sản

Dạng ổn định đặc trưng cho những quần thể mà các nhóm tuổi có sốlượng gần bằng nhau và ổn định

Dạng giảm đặc trưng cho những quần thể mà số lượng cá thể của cácnhóm tuổi nhỏ ít hơn số lượng cá thể của nhóm tuổi lớn, nghĩa là quầnthể có khuynh hướng giảm số lượng thế hệ mới

Trong môi trường tối ưu cho quần thể, cấu trúc của các nhóm tuổithường gần bằng nhau và ổn định Ngược lại, khi quần thể tăng trưởngchậm, hoặc gặp nhân tố giới hạn (ví dụ, môi trường bị ô nhiễm), thìnhóm tuổi trưởng thành chiếm ưu thế Hiện tượng này xảy ra là vì các cáthể trưởng thành có khả năng thích ứng với môi trường cao hơn so vớicác cá thể non trẻ

1.3 Tăng trưởng của quần thể:

Sự tăng trưởng số lượng của quần thể liên quan chặt chẻ với 3 chỉ số cơ bản: Mức sinh sản, mức tử vong và sự phân bố các nhóm tuổi của quần thể Mỗi chỉ số

có một ý nghĩa và giá trị riêng đối với sự tăng trưởng của quần thể

Sự tăng trưởng, trước hết phụ thuộc vào tỷ lệ sinh sản (b) và tỷ lệ tử vong (d) trong mối tương quan: r = b – d ở đây: r là hệ số hay “mức độ tăng trưởng riêng tứcthời” ủa quần thể, tức là số lượng gia tăng trên đơn vị thời gian và trên một cá thể

 Nếu r > 0 (b > d) quần thể phát triển (tăng số lượng),

 r = 0 (b = d) quần thể ổn định

 r < 0 (b < d) quần thể suy giảm số lượng

Từ các chỉ số này ta có thể viết:

(1)

Đây là phương trình vi phân thể hiện sự tăng trưởng số lượng số lượng củaquần thể trong điều kiện không có sự giới hạn của môi trường Lấy tích phân 2 vếcủa phương trình (1):

Nt=N o e rt

(2)

Với:

 Nt và N0 là số lượng của quần thể ở thời điểm tương ứng t và t0

 e – cơ số logarit tự nhiên

r = dN Ndt

rN = dN dt

Hình 2:Đường cong tăng trưởng

Trong thực tế, không có bất kỳ quần thể sinh vật nào có sự tăng trưởng sốlượng theo dạng đường cong J (tăng trưởng vô hạn) vì: r không phải là 1 hằng số(thay đổi theo điều kiện cụ thể của môi trường), điều kiện môi trường không phảilúc nào cũng lý tưởng - thoả mãn tối ưu các nhu cầu của quần thể Sự tăng trưởngcủa quần thể luôn luôn chịu sự chống đối của môi trường (các yếu tố vô sinh vàhữu sinh) Số lượng của quần thể càng tăng, sức chống đối càng mạnh

Do vậy, số lượng của quần thể chỉ đạt được giá trị tối đa mà môi trường chophép, hay nói cách khác, chỉ có thể tiệm cận với số lượng K (N<K) là số lượngnày cân bằng với dung tích môi trường (gồm thức ăn và các mối quan hệ hữu sinh

và vô sinh khác) Với giới hạn đó, số lượng cá thể của quần thể không thể tăng vôhạn mà tuân theo một quy luật mới, được thể hiện dưới dạng một phương trình sau:

Với:

 r - tốc độ tăng trưởng riêng tức thời; N - số lượng cá thể;

 K - số lượng tối đa quần thể có thể đạt được hay là tiệm cận trên;

 e - cơ số logarit tự nhiên

 a - hằng số tích phân xác định vị trí bắt đầu của đường cong trên trụctoạ độ;

Về mặt số lượng a = (K -N)/ N khi t = 0 Giá trị 1 - N/K chỉ ra các khả năng đốikháng của môi trường lên sự tăng trưởng số lượng của quần thể

Theo Schaefer đề xuất:

Trong phương trình (4) nếu N (t=0)=N0>0 ta được:

Khi e < r, cân bằng quần N* > 0 thì năng suất:

Năng suất bền vững tối đa khi tối ưu chỉ số đánh bắt e= r

2 thế vào phương trình(6) ta được:

Chương 2: MÔ HÌNH LOTKA- VOLTERA

.1 Giới thiệu

Mô hình Lotka–Volterra hay còn gọi là phương trình kẻ săn mồi và con mồihay gọi đơn giản là bài toán về kẻ săn mồi và con mồi là một dạng phương trình viphân do Alfred J Lotka đưa ra từ sự bổ sung, phát triển bởi Vito Volterra, phươngtrình này giải thích về sự cân bằng sinh thái trong hệ sinh thái giữa thú săn mồi vàcon mồi trong mối tương quan về dân số

Công thức của phương trình như sau:

dN/dt = aN – bNP

dP/dt = bNP – mP

Trong đó:

P: Số lượng săn mồi,

N: Số lượng con mồi,

t: đại lượng thời gian,

dN/dt, dP/dt: Chỉ số tăng trưởng của 2 loài,

a, b, m: hằng số dương mô tả dân số 2 loài

Từ phương trình này đi đến nhận định là: Dân số của loài săn mồi và con mồicùng biến đổi một cách tuần hoàn theo một chu kỳ và khi dân số của con mồi tănglên thì có giai đoạn tăng rất nhanh Giả sử có hai loài săn mồi, và loài bị săn Thức

ăn cho loài bị săn thì thừa thãi, nên dân số của con mồi (ký hiệu N), sẽ có xuhướng tăng lên, theo tốc độ tăng trưởng là hằng số a, nếu như chúng không bị sănbắt Ngược lại, dânsố của loài săn mồi (ký hiệu P) sẽ có xu hướng giảm đi theo tốc

độ giảm là hằng số b nếu như không bắt được loài kia làm mồi Khi có mồi thì dân

số của loài săn mồi tăng lên, với tốc độ tỷ lệ thuận với số mồi, còn ngược lại dân sốcủa loài bị săn lại giảm đi với tốc độ tỷ lệ thuận với số lượng của loài đi săn.

Phương trình này xuất hiện vào quãng năm 1925, về sự thay đổi mang tính tuầnhoàn của dân số các loài sinh vật trong một môi trường sinh thái nào đó, mà ở đó

có các con vật thuộc loại săn mồi và các con vật thuộc loại con mồi Ví dụ nhưtrong rừng có các con hổ săn bắt các con hươu, hay ở dưới biển có các con cá tothuộc loại săn mồi ăn các con cá nhỏ thuộc loại bị săn (cá lớn nuốt cá bé), hay ngaytrong một môi trường rất nhỏ cũng có thể có các con vi khuẩn thuộc loại săn mồi

ăn các con vi khuẩn thuộc loại bị săn

Một trong các xuất phát điểm của mô hình Lotka-Volterra chính là các quan sátcủa nhà sinh vật học người Italia tên là Umberto D’Aconna về việc trong khoảngthời gian chiến tranh thế giới lần thứ nhất, khi lượng đánh bắt cá ở cảng Fiume(thuộc Italia vào thời điểm đó, ngày nay thuộc Croatia) giảm đi, thì tỷ lệ cá thuộcloại thuộc nhóm cá săn mồi tăng lên đột biến so với những năm trước và sau đó.Nghĩa là khi quần thể người đạt giá trị tối đa, quần thể cá sẽ giảm dần và điều này

sẽ dẫn đến một sự giảm đột ngột trong dân số Số lượng kẻ săn mồi giảm đi chophép quần thể cá có thể phát triển trở lại, dẫn đến quần thể người sẽ tăng lên vàchu kỳ cứ thế lặp lại Những mức độ thực sự của sự tăng giảm này phụ thuộc vàonhững quỹ đạo nào được vạch ra Môi trường thay đổi có thể chuyển hệ sinh thái

từ một quỹ đạo sang một quỹ đạo khác nhưng độ dao động tại từng thời điểm sẽtiếp tục và không có khuynh hướng trở về một trạng thái cân bằng

D’Aconna cung cấp các số liệu quan sát cho Vito Volterra, và Volterra đãnghiên cứu đưa ra mô hình toán học nhằm giải thích Ngay sau đó, các mô hìnhsinh thái được nhà toán học người Mỹ tên là Alfred James Lotka nghiên cứu, dựatrên mô hình dân số của Votlterra và của những người đi trước như là PierreFrançois Verhulst Mô hình Lotaka-Volterra trở nên nổi tiếng ở lĩnh vực dân số

học trong sinh vật (population biology), các mô hình khác về tương tác dân số giữaloài đi săn và loài bị săn đều có thể coi là mở rộng của mô hình này Các mở rộng

đó có thể là thay thế một loài bị săn bằng nhiều loài bị săn (sẽ thành hệ phươngtrình có nhiều biến hơn), thêm điều kiện về chỗ trú ẩn cho con mồi, khả năng cáccon mồi bị tiêu diệt hoàn toàn, thay vì biến đổi dân số tuần hoàn thì có thể biến đổimột cách hỗn loạn hơn

.1 Áp dụng

Dựa vào hai cuộc tuần tra ở biển Adriatic giữa 1948-1949 và 1996-1998, trongsuốt 50 năm đã giảm ¾ toàn bộ cá trong danh mục, bao gồm các loài tuyệt chủng

từ một số vùng

Bảng so sánh số lượng đánh bắt trong 2 lần tuần tra tại biển Adriatic.

Bằng việc áp dụng mô hình Lotaka-Volterra đã giải thích được sự suy giảmlượng cá ở tầng 50-100m

Hệ phương trình (trong tự nhiên)

dN/dt = aN – bNP

dP/dt = bNP – mP (9)

Trong đó:

P: số lượng loài săn mồi,

N: số lượng loài con mồi,

Chương 3: MÔ HÌNH GAUSE

Yt =e [K1(1-a2)(1 – (e/r1)) + K2(1-a1)(1 – (e/r2))]/(1-a1a2)

Sản lượng bền vững tối đa dạt được khi:

A=K1(1-a2), B= K2(1-a1)

Hình trên cho thấy khi MSY đạt được khi cả hai quần thể vẫn tồn tại Nó cũngcho thấy rằng khi đánh bắt ngày càng tăng, tỷ số của trữ lượng cố định hai loàicạnh tranh thay đổi Điều này cũng tương tự như những gì Vrgoc quan sát đượcgiữa tỷ lệ củacho Bộ Cá đuối và Bộ Cá nhám (2 loài cạnh tranh): từ 59% với 51%trong các cuộc tuần tra biển Hvar so sánh với 32% với 68% trong cuộc tuần tratrên biển MEDTST Bộ Cá đuối từng là những đối thủ cạnh tranh cho Bộ Cá nhámtrong cuộc tuần gia trên biển Hva Sau 50 năm của việc đánh bắt bừa bãi với cường

độ lớn đã trở thành loài cạnh tranh yếu hơn trong cuộc tuần tra trên biển MEDTST

Bằng việc áp dụng mô hình Gause đã giải thích được sự suy giảm lượng cá ởtầng đáy

Điều này có thể thực hiện một cách nhanh chóng bằng việc tuyên bố của nghề

cá và vùng sinh thái của tất cả các nước giáp biển Adriatic và vì thế loại bỏ quyềntiếp cận mở cho ngư trường Trong thực tế, có kết quả ở trên trong ghi nhớ củaCroatia là đầu tiên cho tuyên bố vùng năm 2003 dựa trên luật liên hiệp quốc vềbiển, trong khi Slovenia và Ý theo sau

2 ) Khu vực đánh bắt nên được tạo ra đủ lớn và sẽ hành động vì nguồn cá3) Nhà khoa học nên được giao hững nhiệm vụ để quyết định mức độ đánh bắt(e) cho mỗi khu vực đánh bắt

Điều này có thề được thực hiện trong hai bước

a) Xác định nỗ lực đánh bắt cao nhất mà không nên dẫn đầu để đánh cạn nhữngloài ăn mồi Đưa ra những kiến thức hạn chế ở hiện tại của tương tác đa loàitrong các hệ sinh thái, một cách tiếp cận bảo thủ (một hình thức của nguyên tắcphòng ngừa) nên được thông qua

b) Tham gia vào tính toán dần các mô hình phức tạp hơn mà đại diện cho sựtương tác các loài trong hệ sinh thái, điều này cần thiết đề chọn lọc nỗ lực đánhbắt được phép

Khoảng thời gian chọn lọc nên lá 1 năm, thường 2 năm Để làm điều này , nhàkhoa học cần có data và những cái đến từ theo dõi kết quả Giám sát thường xuyên

hơn nên được tổ chức bởi mỗi quốc gia với sự hiện diện bắt buộc của các nhà khoahọc của các quốc gia có chung biên giới.

Chúng ta cần phải nhận thức rằng không ai hiện nay giải quyết vấn đề xác địnhcác nỗ lực đánh bắt tối ưu trên một quần thể đánh bắt trong một hệ sinh thái biển

Do sự phức tạp của hệ sinh thái biển, điều này khó có thể đạt được trong thập kỷtới Tuy nhiên, việc xác định an toàn chấp nhận được Ngay cả yêu cầu xem xétviệc số công việc có thể, nhiều hành động phối hợp của các nhà khoa học và một

sự thay đổi thái độ đối với nghề cá

Chương 4 : MÔ PHỎNG VỚI OPENMODELICA

.1 Giới thiệu

OPENMODELICA là một mô hình hóa và mô phỏng môi trường mã nguồn mởModelica dựa trên dự định để sử dụng trong công nghiệp và học thuật Phát triểnlâu dài của nó được hỗ trợ bởi một tổ chức phi lợi nhuận

Mục tiêu với các nỗ lực OpenModelica là tạo ra một mã nguồn mở Modelica

mô hình, biên dịch và mô phỏng môi trường toàn diện dựa trên các phần mềmmiễn phí được phân phối ở dạng mã nhị phân và mã nguồn cho nghiên cứu, giảngdạy và sử dụng công nghiệp