Báo cáo Mô hình hóa môi trường: Tổng quan về mô hình hóa các bước thiết lập và phát triển mô hình trình bày tổng quan về mô hình hóa và ý nghĩa; các bước thiết lập và phát triển mô hình; lý thuyết về lựa chọn, hiệu chỉnh và kiểm định mô hình. Để nắm vững nội dung chi tiết mời các bạn cùng tham khảo tài liệu.
Trang 1Gi ng viên hả ướng d n ẫ Sinh viên th c hi nự ệ
Hu nh Vỳ ương Thu Minh Nhóm sinh viên QLMTA2
Báo cáo mô hình hóa môi tr ườ ng
Trang 4x lý môi trử ường, vi c quan tr c d báo di n bi n môi trệ ắ ự ễ ế ường mang t m quanầ
tr ng cho các quy t đ nh gi i quy t v n đ Tuy nhiên, vi c đo đ c, quan tr cọ ế ị ả ế ấ ề ệ ạ ắ môi trường r t t n kém kinh phí và công s c c a con ngấ ố ứ ủ ười. Nh m gi m thi uằ ả ể các khó khăn này, các nhà khoa h c đã và đang ti p t c phát tri n các ng d ngọ ế ụ ể ứ ụ các nguyên lý v t lý và toán h c vào th c ti n đ mô ph ng các di n bi n th cậ ọ ự ễ ể ỏ ễ ế ự
t trong t nhiên và đ a ra các d báo c n thi t. ế ự ư ự ầ ế
Vi c mô ph ng môi trệ ỏ ường cũng đang giúp con ngườ ại t o d ng các m t hìnhự ộ
nh ho c s v t thu nh ho c t ng t , b t ch c theo th c t đ mô t s
ki n cũng nh t o ra các k ch b n bi n đ i lệ ư ạ ị ả ế ổ ượng và ch t theo không gian vàấ
th i gian nh m tiên đoán kh năng lây truy n ch t ô nhi m ho c kh năng h iờ ằ ả ề ấ ễ ặ ả ồ
ph c ch t lụ ấ ượng tài nguyên. Môn h c mô hình hóa môi trọ ường được hình thành
t c s này. ừ ơ ở
2. Các đ nh nghĩa và phân lo i mô hình ị ạ
2.1. Khái ni m mô hìnhệ
Mô hình là m t c u trúc mô t hình nh đã độ ấ ả ả ượ ốc t i gi n hóa theo đ c đi mả ặ ể
ho c di n bi n c a m t đ i tặ ễ ế ủ ộ ố ượng, m t hi n tộ ệ ượng, m t khái ni m ho c m tộ ệ ặ ộ
h th ng (TS. Lê Anh Tu n, 2008).ệ ố ấ
Mô hình có th là m t hình nh ho c m t v t th để ộ ả ặ ộ ậ ể ược thu nh ho c phóngỏ ặ
đ i,ho c ch làm g n b ng m t phạ ặ ỉ ọ ằ ộ ương trình toán h c, m t công th c v t lý,ọ ộ ứ ậ
m tph n m m tin h c đ mô t m t hi n tr ng th c t mang tính đi n hìnhộ ầ ề ọ ể ả ộ ệ ạ ự ế ể ( TS. Lê Anh Tu n, 2008).ấ
Mô hình là m t đ i tộ ố ượng c th (v t ch t ho c phụ ể ậ ấ ặ ương trình toán h c), m t họ ộ ệ
Báo cáo mô hình hóa môi tr ườ ng
Trang 5trước khi ch t o hàng lo t (hình 1.1).ế ạ ạ
Hình 1.1. Mô hình xe h i th nghi m s d ng năng l ơ ử ệ ử ụ ượ ng m t tr i ặ ờ
Ví d 1.2:ụ Mô hình Vòng tu n hoàn nầ ướ s t n t i và v n đ ng c ac ự ồ ạ ậ ộ ủ nướ trên c
m t đ t, trong lòng trong đ t và trong b u khí quy n c a trái đ t.ặ ấ ấ ầ ể ủ ấ
Hình 1.2 Mô hình vòng tu n hoàn nầ ước trên trái đ t.ấ
2.2 Phân lo i mô hìnhạ
a. Phân lo i mô hìnhạ
Mô hình khái ni m ( Mô hình nh n th c) Conceptual modelling: Trệ ậ ứ ước khi ti nế
Báo cáo mô hình hóa môi tr ườ ng
Trang 66
hành t o m t mô hình, ph i t duy đạ ộ ả ư ược có bao nhiêu thành ph n và cách th cầ ứ liên h và nh hệ ả ưởng l n nhau nh th nào. K t qu c a mô hình khái ni m làẫ ư ế ế ả ủ ệ
l u đ ho c s đ ư ồ ặ ơ ồ
Mô hình gi i tích ( Mô hình s ): Là nh ng thu t toán quan h gi a nh ng bi nả ố ữ ậ ệ ữ ữ ế
s ( variables ) và thông s ( parameters ) c a mô hình Ph n quan tr ng c t lõiố ố ủ → ầ ọ ố
Mô hình tương t : Khi m t quá trình mu n nghiên c u quá ph c t p Có th sự ộ ố ứ ứ ạ → ể ử
d ng m t quá trình khác thay th (công th c toán h c gi ng nhau) Mô hìnhụ ộ ế ứ ọ ố →
tương t Suy k t qu t mô hình tự→ ế ả ừ ương t cho mô hình mu n nghiên c u.ự ố ứ
MÔ HÌNH TOÁN
Trang 88
Mô hình cung c p s thông tin v li u đ u vào, đ u ra và m t ph n trong ti nấ ố ề ệ ầ ầ ộ ầ ế trình x lý c a h th ng.ử ủ ệ ố
3. u và nhƯ ược đi m các lo i mô hìnhể ạ
TÊN MÔ HÌNH ƯU ĐI MỂ NHƯỢC ĐI MỂ
Mô hình khái
ni mệ
(Mô hình nh nậ
th c )ứ
Được hình thành dù ngườ ạ i t o
ra nó ch a hi u h t t t c cácư ể ế ấ ả
Mô hình khái ni m là m tệ ộ khái quát nhân t o và phiạ
v t lý qua các t i gi n nênậ ố ả
có th không đ a ra h tể ư ế
nh ng quan h tữ ệ ương tác
gi a các đ i tữ ố ượng
Nh ng ngữ ười thi u kinhế nghi m có th t o ra cácệ ể ạ
gi thi t phi th c t ho cả ế ự ế ặ quá đ n gi n.ơ ả
Mô hình khái ni m mangệ tính t ng quá nên đôi khi bổ ỏ sót các phương án v n hành.ậ
Báo cáo mô hình hóa môi tr ườ ng
Trang 99
Mô hình khái ni m là m t côngệ ộ
c kĩ thu t cho các l p trình viênụ ậ ậ
hi u v n đ ph i gi i quy t màể ấ ề ả ả ế không c n ph i làm t chuyên giaầ ả ộ môi trường
Mô hình khái ni m t o thu nệ ạ ậ
l i cho vi c di n gi i trongợ ệ ễ ả thuy t minh, bi u b ng, đ th ế ể ả ồ ị
Có th t o ra m t giao ti p v iể ạ ộ ế ớ
c s d li u và h th ng thôngơ ở ữ ệ ệ ố tin đ a lý (GIS).ị
Mô hình khái quát thườ ngkhông th th hi n cáchể ể ệ
đi u ch nh sai s ho cề ỉ ố ặ ngo i suy trong trạ ường h pợ thi u d li u.ế ữ ệ
Khi c n b sung mô hìnhầ ổ
ho c tái c u trúc mô hình cóặ ấ
th t o ra m t tình tr ngể ạ ộ ạ quá gò bó thông s ố
Mô hình không có l p trình, t iậ ố thi u để ượ ỗc l i
trong cách s d ng.ử ụ
Các thông s và bi n s dố ế ố ễ
b thay đ i.ị ổ
Là mô hình ph c t p v iứ ạ ớ các chu i thu t toán.ỗ ậ
Mô hình Toán
Dùng các ngôn ng l p trình đữ ậ ể miêu t m i quan h toán h cả ố ệ ọ
m t cách d dàng.ộ ễ
Có th d dàng thay đ i s li uể ễ ổ ố ệ hay thông s c a mô hình v iố ủ ớ nhi u k ch b n khác nhau theo ýề ị ả
mu n.ố
Các tính năng tiêu chu n hóaẩ
thường c n thi t cho mô hình.ầ ế
Chu k phát tri n ng n h n.ỳ ể ắ ơ
Có th đ c để ọ ược nhi u mã khácề nhau
H tr nhi u trong vi c xácỗ ợ ề ệ minh mô hình toán h c.ọ
Đòi h i kh i lỏ ố ượng công
Đòi h i nâng c p b sung.ỏ ấ ổ
Mô hình V t Lýậ Là công c chu n xác đ dụ ẩ ể ự
đoán nh ng hi n tữ ệ ượng V t lý.ậ
Kích thước nh , đo đ c dỏ ạ ễ dàng
Khó mô ph ng t t c cácỏ ấ ả
Báo cáo mô hình hóa môi tr ườ ng
Trang 1010
hi n tệ ượng theo t l chínhỉ ệ xác
Khó mô ph ng các đi uỏ ề
ki n biên m t cách chínhệ ộ xác
Mô hình toán: Đ d đoán ho c mô ph ng m t cách thể ự ặ ỏ ộ ường xuyên nh ng gì m t ữ ộ
h th ng th gi i th c s làm trong tệ ố ế ớ ự ẽ ương lai nh ng l i t n kém, không th c t ư ạ ố ự ế
ho c không th th nghi m tr c ti p v i h th ng, ví d nh : thi t k lò ph n ặ ể ử ệ ự ế ớ ệ ố ụ ư ế ế ả
ng h t nhân, s tuy t ch ng c a các loài,…Mô hình toán còn đ c áp d ng
trong nhi u trề ường h p khi ph i liên t c thay đ i k ch b n đ đ a ra k t qu ợ ả ụ ổ ị ả ể ư ế ả
tương ng. ứ
Báo cáo mô hình hóa môi tr ườ ng
Trang 1111
5. KHÁI NI M VÀ Ý NGHĨA C A MÔ HÌNH HÓA MÔI TRỆ Ủ ƯỜNG
5.1. Khái ni m mô hình hóaệ
Mô hình hóa môi trường là ngành khoa h c mô ph ng hi n tọ ỏ ệ ượng lan truy n ch tề ấ
ô nhi m và các d báo thay đ i môi trễ ự ổ ường theo không gian và th i gian. ( TS. Lêờ Anh Tu n, 2008).ấ
Mô hình hóa môi trường là ngành khoa h c cung c p các công c d ng hìnhọ ấ ụ ở ạ
nh, s đ , bi u đ , ph n m m, hay sa bàn, đ chuy n các hi u bi t t các đo
đ c th c t c a m t khu v c nghiên c u thành các lý gi i c n thi t cho nh c uạ ự ế ủ ộ ự ứ ả ầ ế ư ầ thông tin và tiên đoán di n bi n c a môi trễ ế ủ ường – sinh thái
Mô hình môi trường là m t mô t đ n gi n cho các quan h ph c t p v môiộ ả ơ ả ệ ứ ạ ề
trường sinh thái ngoài th c t nh ng v n có th cho các k t qu chính xác ở ự ế ư ẫ ể ế ả ở
m c đ ch p nh n đứ ộ ấ ậ ược
M t mô hình môi trộ ường ph i cung c p m t đ i lả ấ ộ ạ ượng d li u th hi n theo sữ ệ ể ệ ự thay đ i th i gian qua:ổ ờ
(i) s quan sát (observation);ự(ii) s phân tích (analysis);ự(iii) s tiên đoán (prediction).ự
M t mô hình môi trộ ường có th là m t giao ti p gi a d li u và t o quy t đ nh.ể ộ ế ữ ữ ệ ạ ế ị
Mô hình t o ra các thông tin t d li u quan tr c và c i ti n ki n th c giúp choạ ừ ữ ệ ắ ả ế ế ứ
vi c ra quy t đ nh liên quan đ n vi c quy ho ch, thi t k , v n hành và qu n lý.ệ ế ị ế ệ ạ ế ế ậ ả
M t mô hình môi trộ ường thường k t h p các đ nh lu t và phế ợ ị ậ ương trình sau
• Đ nh lu t v t lý (nh đ nh lu t Darcy, đ nh lu t b o toàn kh i lị ậ ậ ư ị ậ ị ậ ả ố ượng, )
• Phương trình toán h c quan h (nh phọ ệ ư ương trình Penmen v b c thoát h i,ề ố ơ
phương trình cân b ng nằ ước)
• Các quan h th c nghi m (nh các công th c kinh nghi m, )ệ ự ệ ư ứ ệ
( TS. Lê Anh Tu n,2008).ấ
Báo cáo mô hình hóa môi tr ườ ng
Trang 12Mô t đ n gi n cho các quan h ph c t p v môi trả ơ ả ệ ứ ạ ề ường sinh thái ngoài th cở ự
t nh ng v n có th cho các k t qu chính xác m c đ ch p nh n đế ư ẫ ể ế ả ở ứ ộ ấ ậ ược
Cung c p m t đ i lấ ộ ạ ượng d li u th hi n theo s thay đ i th i gian qua: s quanữ ệ ể ệ ự ổ ờ ự sát, s phân tích và s tiên đoán.ự ự
Mô hình t o ra các thông tin t d li u quan tr c và c i ti n ki n th c giúp choạ ừ ữ ệ ắ ả ế ế ứ
vi c ra quy t đ nh liên quan đ n vi c quy ho ch, thi t k , v n hành và qu n lý.ệ ế ị ế ệ ạ ế ế ậ ả
6. MÔ HÌNH HI N TỆ ƯỢNG T NHIÊNỰ
6.1 S hình thành bãoự
Bão ch hình thành khu v c đ i dỉ ở ự ạ ương nhi t đ i m áp, n i nhi t đ nệ ớ ấ ơ ệ ộ ước ít
nh t là 26 đ C. Chính không khí m áp, m và gió h i t g n xích đ o là “nhiênấ ộ ấ ẩ ộ ụ ầ ạ
li u” đ bão ho t đ ng. M t c n bão hình thành bao gi cũng xu t hi n nh ngệ ể ạ ộ ộ ơ ờ ấ ệ ữ
c n m a dông và nh ng tr n gió l c r t m nh do s chênh l ch áp su t khôngơ ư ữ ậ ố ấ ạ ự ệ ấ khí gi a áp cao l nh gi a nh ng đám mây m a và b u không khí nóng xungữ ạ ữ ữ ư ầ quanh. Và khi hai c n m a dông g p nhau nh ng lu ng gió khí luân chuy n lênơ ư ặ ữ ồ ể
xu ng không ng ng làm khí l nh b đ y xu ng th p và khí nóng b đ y lên cao.ố ừ ạ ị ẩ ố ấ ị ẩ
Báo cáo mô hình hóa môi tr ườ ng
Trang 1313
Nước càng nóng, quy trình này càng nhanh và gió tăng t c. Khi đó, t ng trênố ở ầ
c a l p đ i l u, lu ng khí m ủ ớ ố ư ồ ẩ ướt này to ra và b t đ u xoay theo quán tính hìnhả ắ ầ thành t chi u quay c a trái đ t, B c bán c u là chi u ngừ ề ủ ấ ở ắ ầ ề ượ ạ ủc l i c a kim
đ ng h , còn Nam bán c u là cùng chi u v i kim đ ng h Khi l c xoay đồ ồ ở ầ ề ớ ồ ồ ự ủ
l n thì m t c n bão s hình thành.ớ ộ ơ ẽ
6.2 Mô hình khái ni m s hình thành bãoệ ự
MÔ HÌNH KHÁI NI M HÌNH THÀNH BÃOỆ
6.3 Mô hình toán hình thành bão
Hi n nay nệ ước bi n dâng nhìn nh n nh quá trình tể ậ ư ương tác t ng h p n ngổ ợ ườ i
ta tính toán nước bi n dâng theo v n t c gió , m c nể ậ ố ư ước bi n n n có th là m cể ề ể ự
nước trung bình nhi u năm đ i v i bi n có th y tri u ho c phi th y tri u Bàiề ố ớ ể ủ ề ặ ủ ề toán nước bi n dâng để ược xem trong đi u ki n khí tề ệ ượng th y văn có các tácủ
đ ng đ ng th i c a gió, áp su t khí quy n, th y tri u và l u lộ ồ ờ ủ ấ ể ủ ề ư ượng sông ngòi
Báo cáo mô hình hóa môi tr ườ ng
Hình Thành xoáy,
l c,giông ố
S hoà l n ự ộ khí quy n ể
Hình thành
m a ư
Hình thành gió m nh ạ
Đ m ộ ẩ
Nhi t đ ệ ộ
Trang 14u 1 ( )
h
dz z v h
v 1 ( )U(z), V(z) các thành ph n v n t c bi n đ i theo đ sâu theo hầ ậ ố ế ổ ộ ướng x, y
tương ngứ
dao đ ng m t nộ ặ ước so v i m t nớ ặ ước trung bình
h đ sâu k t m c nộ ể ừ ự ước trung bình
Pa áp su t không khíấ
s y
Y X X
Y X
b
x, các thành ph n ng su t ma sát t i đáy theo tr c x , tầ ứ ấ ạ ụ ương ngứ
K h s ma sát đáyệ ố
sin 2
f tham s coriolicố
vĩ đ đ a líộ ị
v n t c góc quay c a trái đ tậ ố ủ ấ
Thông tin ra là k t qu d báo bão thông qua các thông s t c đ gió, m c nế ả ự ố ố ộ ự ướ c
bi n dâng, áp su t không khí đ xác đ nh hình thành bão.ể ấ ể ị
Báo cáo mô hình hóa môi tr ườ ng
Trang 1515
CH ƯƠ NG 2
MÔ HÌNH
1.Các đ c tr ng c b n c a mô hìnhặ ư ơ ả ủ
M t cách t ng quát, t t c mô hình ph i có ba thành t chínhộ ổ ấ ả ả ố
+ Thông tin vào: bao g m các d ng c s d li u đ a vào đ mô hình xồ ạ ơ ở ữ ệ ư ể ử lý
+ Ti n trình x lý thông tin: bao g m quá trình ti p nh n d li u vào,ế ử ồ ế ậ ữ ệ tính toán, phân tích, đánh giá và xu t d li u.ấ ữ ệ
+ Thông tin ra: th hi n d ng đ th , bi u b ng, báo cáo đánh giá k tể ệ ở ạ ồ ị ể ả ế
qu ả
Hình 1. Ba thành t c a m t mô hìnhố ủ ộ
M t mô hình có các đ c tr ng c b n sauộ ặ ư ơ ả
+ Mô hình c n đầ ượ ốc t i gi n v i m t s gi đ nh đ t ra.ả ớ ộ ố ả ị ặ
+ Đi u ki n biên ho c đi u ki n ban đ u c n đ nh danh.ề ệ ặ ề ệ ầ ầ ị
+ M c đ kh năng ng d ng c a mô hình có th xác l p đứ ộ ả ứ ụ ủ ể ậ ược
(T.S Lê Anh Tu n,2008)ấ 2.Các bước xây d ng và ki m đ nh mô hìnhự ể ị
2.1. Thu th p và phân tích s li u ậ ố ệ
Báo cáo mô hình hóa môi tr ườ ng
Thông tin vào
Ti n trình x lí ế ử thông tin Thông tin ra
Trang 1616
Xác đ nh lo i s li u (m c nị ạ ố ệ ự ước, l u lư ượng, thông s ch t lố ấ ượng nước,…) c nầ thu th p t h th ng th c;ậ ừ ệ ố ự
Xác đ nh bị ước th i gian: gi , trung bình ngày,…;ờ ờ
Xác đ nh đ dài c a chu i s li u (mô ph ng vài gi /ngày/tháng/năm hay hàngị ộ ủ ỗ ố ệ ỏ ờ
ch c năm (mô hình khí h u));ụ ậ
Xác đ nh th i đi m thu th p/đo đ c s li u;ị ờ ể ậ ạ ố ệ
Đánh giá m c đ tin c y, đánh giá kh năng xu t hi n l i c a s li u thu th pứ ộ ậ ả ấ ệ ạ ủ ố ệ ậ
T t c các mô hình mu n v n hành thì c n ph i có ngu n d li u ban đ u vàấ ả ố ậ ầ ả ồ ữ ệ ầ các đi u ki n c n thi t.ề ệ ầ ế
2.3 Mô hình khái ni mệ
Mô hình khái ni m là m t d ng ý tệ ộ ạ ưởng hoá nh m t i gi n nh ng y u t ph cằ ố ả ữ ế ố ứ
t p ngoài th c t d ng m t l u đ ho c s đ Trong mô hình khái ni m ph iạ ự ế ở ạ ộ ư ồ ặ ơ ồ ệ ả
b t đ u t các d li u nh p và, các di n bi n bên trong mô hình và các thông tinắ ầ ừ ữ ệ ậ ễ ế
xu t ra t mô hình. M t hình khái ni m ph i th hi n tính đ n gi n đ t o choấ ừ ộ ệ ả ể ệ ơ ả ể ạ
nh ng ngữ ười không ph i là chuyên gia v mô hình có th hi u m c tiêu c a bàiả ề ể ể ụ ủ toán mô hình
2.4 Mô hình gi i tích (ho c mô hình s ) ả ặ ố
Mô hình gi i tích (ho c mô hình s ) th c ch t là m t lo t các thu t toán đả ặ ố ự ấ ộ ạ ậ ượ c
vi t đ gi i quy t các quan h gi a các thông s và bi n s trong mô hình vàế ể ả ế ệ ữ ố ế ố cho ra k t qu dế ả ướ ại d ng s ho c đ th Đây là ph n c t lõi, quan tr ng nh t vàố ặ ồ ị ầ ố ọ ấ
là ph n ph c t p nh t trong ti n trình th c hi n mô hình hóa.ầ ứ ạ ấ ế ự ệ
2.5 Hi u ch nhệ ỉ
Báo cáo mô hình hóa môi tr ườ ng
Trang 172.6 Ki m nghi m mô hình ể ệ
Ki m nghi m mô hình là bể ệ ước ti p sau công vi c hi u ch nh mô hình nh mế ệ ệ ỉ ằ
ki m tra các thông s mô hình đ a ra có phù h p v i các di n bi n c a th c tể ố ư ợ ớ ễ ế ủ ự ế hay không
D BÁO / T I U Ự Ố Ư
HOÁ
Trang 1818 Các bước xây d ng và ki m đ nh mô hìnhự ể ị
Báo cáo mô hình hóa môi tr ườ ng
Trang 19+ Thi t k và phân tích h th ng s n xu t;ế ế ệ ố ả ấ
+ Đánh giá yêu c u c a H/W và S/W cho m t h th ng máy tính;ầ ủ ộ ệ ố
+ Đánh giá m t h th ng hay chi n thu t quân s m i;ộ ệ ố ế ậ ự ớ
+ Xác đ nh chính sách đ t hàng cho m t h th ng hàng hóa t n kho;ị ặ ộ ệ ố ồ
+ Thi t k h th ng thông tin liên l c và phế ế ệ ố ạ ương th c nh n tin cho hứ ắ ệ
k m t c u trúc, thi t b ho c s đ , trình t nào đó, th c hay tr u tỳ ộ ấ ế ị ặ ơ ồ ự ự ừ ượng, đượ c
g n v i bắ ớ ước th i gian nh t đ nh, liên h gi a lờ ấ ị ệ ữ ượng vào (nguyên nhân, năng
lượng, thông tin) v i lớ ượng ra (h qu , ph n ng, năng lệ ả ả ứ ượng)
H th ng th y văn (hydrological system) là các quá trình thu văn (chu trình thuệ ố ủ ỷ ỷ văn) trên m t vùng không gian nh t đ nh và đó là các h th ng th c. Ta có thộ ấ ị ệ ố ự ể coi tu n hoàn thu văn nh m t h th ng v i các thành ph n là nầ ỷ ư ộ ệ ố ớ ầ ước, b c h i,ố ơ dòng ch y và các pha khác nhau c a chu trình. Các thành ph n này l i có th t pả ủ ầ ạ ể ậ
h p thành các h th ng con c a chu trình l n. Đ phân tích h th ng toàn c c taợ ệ ố ủ ớ ể ệ ố ụ
ti n hành x lý, phân tích riêng r các h th ng con đ n gi n h n và t ng h pế ử ẽ ệ ố ơ ả ơ ổ ợ các k t qu d a trên m i quan h qua l i gi a chúng.ế ả ự ố ệ ạ ữ