ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI:TÌM HIỂU VỀ MÔ HÌNH HÓA CHẤT LƯỢNG NƯỚC

Trang GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng LỜI CẢM ƠN Trong trình thực đồ án tốt nghiệp em xin cảm ơn hƣớng dẫn nhiệt tình thầy giáo Phạm Phú Song Tồn giảng viên chun ngành mơi trƣờng khoa cơng nghệ hóa học Cảm ơn thầy cô khoa Công nghệ hóa học, trƣờng cao đẳng Cơng Nghệ, thành phố Đà Nẵng tận tình dậy suốt trình học tập Mặc dù cố gắn nhƣng q trình thực đồ án cịn nhiều bỡ ngỡ, chƣa có nhiều kinh nghiệm nên khơng tránh khỏi sai sót Vì vậy, em mong nhận đƣợc góp ý thầy, giáo Em xin chân thành cảm ơn! Đà Nẵng tháng 06 năm 2011 Sinh viên thực Đồn Ngọc Tùng Đề tài: Tìm hiểu mơ hình hóa chất lượng nước Trang GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng MỤC LỤC PHẦN I MỞ ĐẦU PHẦN II TỔNG QUAN VỀ MƠ HÌNH HĨA MƠI TRƢỜNG CHƢƠNG CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1 Các định nghĩa khái niệm 1.1.1 Định nghĩa mơ hình 1.1.2 Mục tiêu thành lập mơ hình: 1.1.3 Đặc trƣng mơ hình: 1.2 Mơ hình mơi trƣờng 12 CHƢƠNG PHÂN LOẠI VÀ TIẾN TRÌNH MƠ HÌNH 13 2.1 Phân loại mơ hình 13 2.1.1 Mục đích phân loại mơ hình 13 2.1.2 Các nhóm mơ hình 13 2.2 Tiến trình vận hành mơ hình 14 2.2.1 Thu thập liệu 15 2.2.2 Mơ hình khái niệm 15 2.2.3 Mô hình giải tích mơ hình số 16 2.2.4 Hiệu chỉnh mơ hình 16 2.2.5 Kiểm nghiệm mơ hình 17 2.2.6 Tiên đoán tối ƣu 17 2.3 Tiêu chuẩn chọn lựa mơ hình 18 2.3.1 Khái niệm 18 2.3.2 Mơ hình "tốt nhất" 19 2.3.3 Chọn mơ hình theo cấu trúc giá trị vào/ra 19 2.3.4 Chọn mơ hình theo vấn đề thực tế 20 2.3.5 Đánh giá lại việc chọn lựa 22 CHƢƠNG HIỆU CHỈNH CÁC THƠNG SỐ MƠ HÌNH 23 3.1 Khái quát vấn đề 23 Đề tài: Tìm hiểu mơ hình hóa chất lượng nước Trang GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng 3.2 Các bƣớc tiến trình hiệu chỉnh 25 3.2.1 Bƣớc xác định thông tin quan trọng 26 3.2.2 Bƣớc chọn tiêu chuẩn mô hình 26 3.2.3 Bƣớc hiệu chỉnh mơ hình 27 CHƢƠNG THỂ HIỆN MƠ HÌNH 29 4.1 Kiểm nghiệm định trị mơ hình 29 4.2 Nghiên cứu kiểm nghiệm 29 4.2.1 Mục tiêu 29 4.2.2 Hàm mục tiêu 30 4.2.3 Các trị số thống kê dùng cho kiểm nghiệm 30 4.3 Vấn đề kiểm nghiệm mơ hình 35 4.3.1 Các vấn đề thƣờng gặp 35 4.3.2 Hậu kiểm việc phê chuẩn kiểm nghiệm mô hình 36 CHƢƠNG ỨNG DỤNG MƠ HÌNH HĨA MƠI TRƢỜNG 37 5.1 Sơ đồ phát triển ứng dụng mơ hình 37 5.2 Xu phát triển mơ hình hóa mơi trƣờng theo quy mơ khơng gian 37 PHẦN III MƠ HÌNH HĨA CHẤT LƢỢNG NƢỚC VÀ ỨNG DỤNG MƠ HÌNH HĨA CHẤT LƢỢNG NƢỚC 39 CHƢƠNG CHẤT LƢỢNG NƢỚC VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG NGUỒN NƢỚC 39 6.1 Nguồn nuớc phân loại nguồn nƣớc 39 6.1.1 Sự hình thành chất lƣợng thành phần tính chất nguồn nƣớc 39 6.1.2 Phân loại nguồn nƣớc 42 6.2 Chất lƣợng nguồn nƣớc đánh giá chất lƣợng nguồn nƣớc 42 6.2.1 Chất lƣợng nguồn nƣớc 42 6.2.2 Đánh giá chất lƣợng nguồn nƣớc 43 6.3 Các nguồn gây ô nhiễm môi trƣờng nƣớc 49 6.3.1 Nƣớc thải sinh hoạt từ khu dân cƣ 49 6.3.2 Nƣớc thải công nghiệp 51 Đề tài: Tìm hiểu mơ hình hóa chất lượng nước Trang GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng 6.3.3 Nƣớc mƣa chảy tràn 52 6.3.4 Các hoạt động từ tàu thuyền 52 6.3.5 Các nguyên nhân khác 52 CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA MƠ HÌNH CHẤT LƢỢNG NƢỚC 53 7.1 Các phƣơng trình 53 7.2 Hệ số khuếch tán rối 54 7.3 Sự chuyển hoá chất dòng chảy 58 7.3.1 Chu trình nitơ nguồn nƣớc trình nitrat hóa 58 7.3.2 Sự phân hủy chất hữu 61 7.3.3 Cân oxy dòng chảy 64 CHƢƠNG THIẾT LẬP MƠ HÌNH CHẤT LƢỢNG NƢỚC, MƠ HÌNH DO&BOD 67 8.1 Các bƣớc thực xây dựng mơ hình chất lƣợng nƣớc 67 8.1.1 Bƣớc đầu 67 8.1.2 Bƣớc 67 8.2 Lựa chọn mơ hình chất lƣợng nƣớc 68 8.2.1 Lựa chọn mơ hình 68 8.2.2 Sự phát triển lý thuyết vấn đề 70 8.3 Các phƣơng pháp số tính tốn lan truyền chất nhiễm dịng chảy 70 8.3.1 Các phƣơng pháp số nghiên cứu mơ hình thủy lực 70 8.3.2 Phƣơng pháp số giải toán lan truyền chất 72 8.4 Các mơ hình BOD & D (DO) dòng chảy 73 8.4.1 Phƣơng trình 73 8.4.2 Phƣơng trình cổ điển Streeter-Phelps 74 8.4.3 Các nghiên cứu phát triển sở phƣơng trình Streeter-Phelps 75 CHƢƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH LAN TRUYỀN VÀ CHUYỂN HĨA CÁC CHẤT Ơ NHIỄM TRONG DÒNG CHẢY 79 Đề tài: Tìm hiểu mơ hình hóa chất lượng nước Trang GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng 9.1 Phƣơng trình lan truyền chất dịng chảy 79 9.2 Tính tốn lan truyền chất nhiễm dịng chảy sơng 81 9.2.1 Các phƣơng trình tốn mơ hình 82 9.2.2.Tính tốn lan truyền chất dịng chảy 83 9.3 Trình tự thiết lập mơ hình chất lƣợng nƣớc 86 CHƢƠNG 10 GIỚI THIỆU CÁC PHẦN MỀM MÔ PHỎNG CHẤT LƢỢNG NGUỒN NƢỚC MƠ HÌNH QUAL 2K 88 10.1 Mơ hình HSPF (Hydrological Simulation Program Fortran (USEPA) (1984) 88 10.2 Mơ hình SWMM (Storm Water Management Model ) 89 10.3 Mơ hình WAPS (USEPA) 93 10.4 Hệ thống MIKE 96 10.5 Mơ hình WQRRS (Water quality for River ) 98 10.6 Mơ hình QUAL2K (QUAL2E) 99 10.6.1 Giới thiệu 99 10.6.2 Sự chia đoạn tính chất thủy lực 100 Đề tài: Tìm hiểu mơ hình hóa chất lượng nước Trang GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng PHẦN I MỞ ĐẦU Hiện nay, ô nhiễm môi trƣờng vấn đề báo động song hành với phát triển kinh tế xã hội, đặc biệt quốc gia phát triển Tại nhiều nơi, chất lƣợng nƣớc, đất, khơng khí suy giảm nhanh chóng vƣợt qua khả tự làm tự nhiên Là sinh viên ngành công nghệ kỹ thuật môi trƣờng, em mong ƣớc đƣợc góp chút sức lực làm cho môi trƣờng sống ngày sạch, hạn chế đƣợc mức độ ô nhiễm, hành tinh ngày xanh đẹp Qua năm học tập nghiên cứu Trƣờng cao đẳng Công nghệ Đà Nẵng, em đƣợc thầy, cô truyền đạt cho kiến thức lý thuyết thực hành, để chúng em áp dụng kiến thức vào thực tế làm quen công việc độc lập ngƣời kỹ sƣ tƣơng lai, lý mà em đƣợc nhận đề tài tốt nghiệp thực tế là: "Tìm hiểu mơ hình hóa chất lƣợng nƣớc" Mục tiêu đề tài: Tìm hiểu mơ hình hóa chất lƣợng mơi trƣờng nƣớc Mơ hình hóa mơi trƣờng nói chung mơ hình hóa chất lƣợng môi trƣờng nƣớc  Nhiệm vụ: Thu thập thơng tin từ giáo trình, sách báo mạng internet nguồn khác Nghiên cứu mơ hình hóa mơi trƣờng sâu vào mơ hình xác định chất lƣợng nƣớc  Ý nghĩa thực tế vấn đề liên quan: Việc ứng dụng mơ hình hóa vào lĩnh vực môi trƣờng ý nghĩa Nghiên cứu đề tài giúp em hiểu sâu phƣơng pháp đánh giá dự đoán xu hƣớng ô nhiễm môi trƣờng Bên cạnh đề tài liên quan đến số lĩnh vực khác nhƣ: biến đổi khí hậu tồn cầu, mơ hình hóa chất lƣợng khơng khí… Đề tài: Tìm hiểu mơ hình hóa chất lượng nước Trang GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng PHẦN II TỔNG QUAN VỀ MƠ HÌNH HĨA MƠI TRƢỜNG CHƢƠNG CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1 Các định nghĩa khái niệm 1.1.1 Định nghĩa mơ hình • Mơ hình cấu trúc mơ tả hình ảnh đƣợc tối giản hóa theo đặc điểm diễn biến đối tƣợng, tƣợng, khái niệm hệ thống • Mơ hình hình ảnh vật thể đƣợc thu nhỏ phóng đại, làm gọn phƣơng trình tốn học, công thức vật lý, phần mềm tin học để mô tả trạng thực tế mang tính điển hình • Mơ hình hố khoa học cách mô phỏng, giản lƣợc thông số thực tế nhƣng diễn tả đƣợc tính chất thành phần mơ hình Mơ hình khơng hồn tồn vật thể thực nhƣng giúp cho hiểu rõ hệ thống thực tế • Mơ hình hóa mơi trƣờng ngành khoa học mô tƣợng lan truyền chất ô nhiễm dự báo thay đổi môi trƣờng theo không gian thời gian Ví dụ 1.1: Để thể thay đổi lƣợng nƣớc hồ chứa ngƣời ta đƣa hình ảnh nhƣ hình 1.2 Biết kích thƣớc hình học hồ chứa, lƣu lƣợng vào, lƣu lƣợng ra, xác định dao động mực nƣớc hồ Hình 1.1 Mơ hình thể thay đổi khối lƣợng nƣớc hồ chứa Ví dụ : Nhà khoa học Meadown cộng (1972) tìm đƣợc mối quan hệ gia tăng dân số, việc sản xuất lƣơng thực, sản xuất công nghiệp, nguồn tài Đề tài: Tìm hiểu mơ hình hóa chất lượng nước Trang GVHD: Phạm Phú Song Tồn SVTH: Đồn Ngọc Tùng ngun mức độ nhiễm có quan hệ với Nhóm nghiên cứu đƣa mơ hình dự báo giới nhƣ hình 1.3 Hình 1.2 Mơ hình dự báo tình hình giới đến năm 2100 1.1.2 Mục tiêu thành lập mơ hình Diễn biến mơ trƣờng phức tạp thực tế liên quan đến nhiều lĩnh vực khoa học khác (hình 1.3) Do nhu cầu hiểu rõ chất tự nhiên việc thực tế, nhà khoa học tìm cách đơn giản hóa nhƣng vấn đề phức tạp mức làm đƣợc nhƣng không xa rời thực tế để có sở giải thuật tìm hƣớng vấn đề tính tốn khả xảy tƣơng lai Hình 1.3 Đƣờng chất gây nhiễm vịng tuần hồn nƣớc Đề tài: Tìm hiểu mơ hình hóa chất lượng nước Trang GVHD: Phạm Phú Song Tồn SVTH: Đồn Ngọc Tùng Có mục tiêu thực mơ hình: • Tạo sở lý luận: - Mơ hình giúp ta dễ diễn tả hình ảnh kiện hệ thống; - Mơ hình mang tính đại diện đặc điểm thể; - Mơ hình giúp ta sở đánh giá tính biến động cách logic có tác động bên ngồi vào từ • Tiết kiệm chi phí nhân lực: - Mơ hình giúp ta thêm số liệu cần thiết; - Mơ hình giúp giảm chi phí lấy mẫu; - Mơ hình đƣợc thử nghiệm với thay đổi theo ý muốn 1.1.3 Đặc trƣng mơ hình Một cách tổng qt, tất mơ hình phải có thành tố nhƣ hình 1.5: Hình 1.4 Ba thành tố mơ hình • Thơng tin vào: bao gồm dạng sở liệu đƣa vào để mơ hình xử lý • Tiến trình xử lý thơng tin: bao gồm q trình tiếp nhận liệu vào, tính tốn, phân tích, đánh giá xuất liệu • Thơng tin ra: thể dạng đồ thị, biểu bảng, báo cáo đánh giá kết Trong điều kiện chƣa thể giải tồn tốn phức tạp tự nhiên, ngƣời ta chia tƣợng thực tế thành mảng đề tài khác phần chia đƣợc xem nhƣ tốn riêng rẽ có mơ hình tƣơng ứng Ví dụ chia diễn biến dịng chảy q trình chu trình nƣớc thành đề tài nhỏ nhƣ hình 1.6 Đề tài: Tìm hiểu mơ hình hóa chất lượng nước Trang 10 GVHD: Phạm Phú Song Tồn SVTH: Đồn Ngọc Tùng Hình 1.5: Chia vấn đề lớn thành vấn đề riêng rẽ Một mô hình cần thể đặc trƣng sau: - Mơ hình cần đƣợc tối giản với số giả định đặt - Điều kiện biên điều kiện ban đầu cần định danh; - Mức độ khả ứng dụng mơ hình xác lập đƣợc Mơ hình thƣờng áp dụng theo kiểu khung khái quát theo ngành khoa học tính tốn, mang tên 3A, viết tắt từ chữ Application (ứng dụng), Algorithm (thuật toán), Architecture (kiến trúc) theo hình vẽ 1.7 sau: Đề tài: Tìm hiểu mơ hình hóa chất lượng nước Trang 11 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng Hình 1.6: Khái qt mơ hình theo khoa học tính tốn Ba phần mơ hình là: Ứng dụng mơ hình (Application of a model): Mục tiêu việc sử dụng mơ hình việc ứng dụng Xác định phạm vi ứng dụng nói lên tầm quan trọng mơ hình thực tiễn Ví dụ ứng dụng mơ hình giúp ta xác định thơng tin có đạm ammona chuyển thành đạm nitrogen khơng khí, có bao nhiều lƣợng nƣớc chảy tràn mặt đất sau trận mƣa bão Nói cách khác, ứng dụng mơ hình giúp ta trả lời câu hỏi: Đây ta muốn mô phỏng, ta làm việc mô cách nào? Thuật tốn mơ hình (Algorithm of a model): Thuật tốn mơ hình cho ta biết cách tiếp cận kỹ thuật tính tốn hay phƣơng pháp tính, liên quan đến phƣơng trình, thơng số mà muốn đƣa vào chƣơng trình máy tính Kiến trúc mơ hình (Architecture of a model): Kiến trúc hay cấu trúc mơ hình xác định kiểu hình mà mơ hình sử dụng, loại máy tính nào, chƣơng trình đƣợc sử dụng thơng tin để xử lý Việc áp dụng mơ hình tốn học giúp giải khó khăn thực tế nhƣ: Đề tài: Tìm hiểu mơ hình hóa chất lượng nước Trang 12 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đồn Ngọc Tùng • Sự kiện xảy q nhanh (nhƣ phản ứng phân tử hóa học); • Sự kiện xảy chậm (nhƣ phát triển động học dân số quần thể); • Các thực nghiệm đắt tiền làm phịng thí nghiệm (nhƣ mơ hình hầm gió); • Các thực nghiệm nguy hiểm (thực nghiệm vụ nổ nguyên tử) 1.2 Mô hình mơi trƣờng - Mơ hình hóa mơi trƣờng ngành khoa học cung cấp công cụ dạng hình ảnh, sơ đồ, biểu đồ, phần mềm, hay sa bàn, … để chuyển hiểu biết từ đo đạc thực tế khu vực nghiên cứu thành lý giải cần thiết cho nhu cầu thông tin tiên đốn diễn biến mơi trƣờng – sinh thái - Mơ hình mơi trƣờng mơ tả đơn giản cho quan hệ phức tạp môi trƣờng sinh thái ngồi thực tế nhƣng cho kết xác mức độ chấp nhận đƣợc - Một mơ hình mơi trƣờng phải cung cấp đại lƣợng liệu thể theo thay đổi thời gian qua: + Sự quan sát (observation); + Sự phân tích (analysis); + Sự tiên đốn (prediction) - Một mơ hình mơi trƣờng giao tiếp liệu tạo định Mơ hình tạo thơng tin từ liệu quan trắc cải tiến kiến thức giúp cho việc định liên quan đến việc quy hoạch, thiết kế, vận hành quản lý - Một mơ hình môi trƣờng thƣờng kết hợp định luật phƣơng trình sau: • Định luật vật lý (nhƣ định luật Darcy, định luật bảo tồn khối lƣợng, …) • Phƣơng trình tốn học quan hệ (nhƣ phƣơng trình Penmen bốc hơi, phƣơng trình cân nƣớc) • Các quan hệ thực nghiệm (nhƣ công thức kinh nghiệm, …) Đề tài: Tìm hiểu mơ hình hóa chất lượng nước Trang 13 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đồn Ngọc Tùng CHƢƠNG PHÂN LOẠI VÀ TIẾN TRÌNH MƠ HÌNH 2.1 Phân loại mơ hình 2.1.1 Mục đích phân loại mơ hình Có nhiều cách phân loại mơ hình mơi trƣờng, việc phân loại dựa vào đặc điểm tính tốn, cách mơ phỏng, phƣơng pháp vận hành, phép so sánh dựa vào giả định Việc phân loại mơ hình nhằm: - Thể ý tƣởng kiểu mơ đƣợc sử dụng - Trình bày phƣơng pháp mức độ toán học ứng dụng - Biểu dạng xuất kết mơ hình - Đề xuất loại liệu cần đƣa vào để có thơng tin - Định danh thành phần hệ thống cần mơ 2.1.2 Các nhóm mơ hình Một mơ hình có tên gọi khác nhau, tùy theo tác giả, nhƣ là: - Mơ hình vật lý (physical model) - Mơ hình tốn học (mathematical model) - Mơ hình số (numerical model) - Mơ hình giải tích (analysis model) - Mơ hình xác định (deterministic model) - Mơ hình khái niệm (conceptual model) - Mơ hình ngẫu nhiên (stochatic model) - Mơ hình tham số (parametric model) - Mơ hình ổn định (steady-state model) - Mơ hình bất ổn định (unsteady-state model) - Mơ hình dựa vào giả định sinh hóa (biochemical assumption model) - Mơ hình đánh giá tác động (impact assessment model) Đề tài: Tìm hiểu mơ hình hóa chất lượng nước Trang 14 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng - Mơ hình dự báo (forecast model) - v.v… Một mơ hình phân loại theo quy mơ ứng dụng: • Theo khơng gian (spatial): vùng nhỏ hay khu vực lớn • Theo thời gian (temporal): ngắn hạn hay dài hạn • Theo giá trị mơ hình (model validity): cho giới hạn độ xác mơ hình • Theo giá trị liệu (data validity): tùy theo mức độ quy mô thu thập liệu (ví dụ lấy mẫu theo điểm đo cục bộ, hay lấy nhiều mẫu khu vực lớn) 2.2 Tiến trình vận hành mơ hình Tất phần mềm mơ hình thƣờng đƣợc vận hành thử nghiệm theo tiến trình tổng quát nhƣ hình 2.1 sau: Hình 2.1 Tiến trình mơ hình Đề tài: Tìm hiểu mơ hình hóa chất lượng nước Trang 15 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng 2.2.1 Thu thập liệu Tất mơ hình muốn vận hành đƣợc phải có nguồn liệu ban đầu điều kiện cần thiết (điều kiện biên điều kiện ban đầu) Các liệu thƣờng bao gồm số liệu địa hình (cao độ, độ dốc,…) , kích thƣớc lƣu vực cần tính tốn (chiều dài, chiều rộng, diện tích,…) , diễn biến khí tƣợng (mƣa, bốc hơi, xạ, vận tốc hƣớng gió,…), nguồn nhiễm (nhà máy, khu dân cƣ, ruộng vƣờn, hầm mỏ, khu công nghiệp…), biến số môi trƣờng (pH, nhiệt độ, độ mặn, độ đục, nhu cầu oxy sinh hóa, chất phú dƣỡng, vi khuẩn,…), thông số liên quan, … tƣơng ứng với chuỗi thời gian xuất không gian xuất phát 2.2.2 Mơ hình khái niệm Mơ hình khái niệm dạng ý tƣởng hoá nhằm tối giản yếu tố phức tạp thực tế dạng lƣu đồ sơ đồ Trong mũi tên đƣợc sử dụng để mối quan hệ chiều hƣớng diễn biến Các lời ghi bên hình ảnh để thuyết minh thêm tính chất vật q trình thơng số mơ hình Hình 2.6 ví dụ mơ hình khái niệm Beater (1989) để diễn tả chuyển vận nƣớc mơ hình quan hệ mƣa – dịng chảy Trong mơ hình khái niệm phải liệu nhập vào, diễn biến bên mơ hình thơng tin xuất từ mơ hình Một hình khái niệm phải thể tính đơn giản để tạo cho ngƣời khơng phải chun gia mơ hình hiểu mục tiêu tốn mơ hình Một số ƣu điểm, mạnh tính hữu hiệu mơ hình khái niệm: • Mơ hình khái niệm đƣợc hình thành ngƣời tạo chƣa hiểu hết tất tƣợng phức tạp thực tế • Có thể đơn giản hóa tính bất thơng số thành tính đồng • Có thể giảm thiểu đƣợc số liệu u cầu • Dễ dàng cho ngƣời xem hiểu cách thu thập số liệu, thơng tin sử dụng cách nhanh chóng tốn Đề tài: Tìm hiểu mơ hình hóa chất lượng nước Trang 16 GVHD: Phạm Phú Song Tồn SVTH: Đồn Ngọc Tùng • Mơ hình khái niệm cơng cụ kỹ thuật cho lập trình viên hiểu vấn đề phải giải mà không cần phải chun gia mơi trƣờng • Mơ hình khái niệm tạo thuận lợi cho việc diễn giải thuyết minh, biểu bảng, đề thị Hình 2.2 Mơ hình khái niệm diễn tả quan hệ mƣa – dòng chảy (Beater, 1989) 2.2.3 Mơ hình giải tích mơ hình số Một tốn mơ hình thƣờng đƣợc biểu thị diện thông số biến số Thông số (parameter) hệ số gia trọng, khơng có thứ ngun Biến số (variable) đại lƣợng vật lý có ý nghĩa, thƣờng có thứ nguyên Mơ hình giải tích (hoặc mơ hình số) thực chất loạt thuật toán đƣợc viết để giải quan hệ thông số biến số mơ hình cho kết dƣới dạng số đồ thị Đây phần cốt lõi, quan trọng phần phức tạp tiến trình thực mơ hình hóa 2.2.4 Hiệu chỉnh mơ hình Hiệu chỉnh (calibration) tiến trình mà thơng số biến số mơ hình đƣợc điều chỉnh để kết mơ hình phù hợp với thực tế quan sát Đề tài: Tìm hiểu mơ hình hóa chất lượng nước Trang 17 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng đƣợc Do phát triển mơ hình, phải tối giản tƣợng vật lý tự nhiên để thuận lợi cho ngƣời làm thuật toán Điều khiến số liệu nhập vào mơ hình có giá trị khơng hồn tồn chắn kết sai biệt với thực tế Hiệu chỉnh công việc nhằm rút ngắn khoảng cách sai biệt cách đƣa thông số điều chỉnh gọi thơng số mơ hình (model parameters) 2.2.5 Kiểm nghiệm mơ hình Kiểm nghiệm mơ hình bƣớc tiếp sau cơng việc Hiệu chỉnh mơ hình nhằm kiểm tra thơng số mơ hình đƣa có phù hợp với diễn biến thực tế hay khơng Ví dụ khảo sát diễn biến quan hệ mƣa – dòng chảy nhiều năm, ngƣời ta cắt chuỗi số liệu quan trắc thành đoạn: đoạn số liệu dài ban đầu dùng để chạy mơ hình Hiệu chỉnh mơ hình Đoạn số liệu thứ hai sau ngắn dùng làm kiểm nghiệm kết mơ hình cho đoạn trƣớc (hình 2.7) Hình 2.3 Minh họa việc phân đoạn chuỗi số liệu theo thời gian để Hiệu chỉnh thử nghiệm chạy mơ hình 2.2.6 Tiên đốn tối ƣu Thơng thƣờng mơ hình đƣợc sử dụng cho mục tiêu tiên đoán diễn biến biến số tƣơng lai tối ƣu hóa việc chọn lựa Trong tiên đốn, nhƣ mơ hình khí hậu mơ hình lan truyền nhiễm, thuật tốn ngoại suy (extrapolation) đƣợc sử dụng để kéo dài kết Đề tài: Tìm hiểu mơ hình hóa chất lượng nước Trang 18 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đồn Ngọc Tùng đầu Trong tốn lựa chọn tối ƣu, giá trị cực trị đầu đƣợc chọn cho định 2.3 Tiêu chuẩn chọn lựa mơ hình 2.3.1 Khái niệm Trong suốt vài thập niên qua, nhiều mơ hình khác đƣợc phát triển giới Thơng thƣờng mơ hình thƣờng mạnh riêng nhƣợc điểm định Khó có mơ hình chuẩn mực cho tất trƣờng hợp thực tế Điều thƣờng gây bối rối cho ngƣời sử dụng phải lựa chọn mơ hình phù hợp cho Khái niệm mơ hình tốt thƣờng đƣợc hiểu cách tƣơng đối Về ngun tắc, mơ hình phức tạp, liệu nhập vào nhiều kết thể mơ hình cao (hình 2.8) Hình 2.4 Biểu đồ minh họa quan hệ độ phức tạp mơ hình, mức địi hỏi liệu khả thể kết tiên đốn mơ hình (Grayson and Bloschl, 2000) Đề tài: Tìm hiểu mơ hình hóa chất lượng nước Trang 19 GVHD: Phạm Phú Song Tồn SVTH: Đồn Ngọc Tùng 2.3.2 Mơ hình "tốt nhất" • Các phƣơng pháp mục tiêu tổng thể để chọn mơ hình “tốt nhất” thật chƣa đƣợc phát triển, việc chọn mơ hình phần “nghệ thuật” ngƣời nghiên cứu mơ hình (Woolhiser and Brakensiek, 1982) • Mơ hình “tốt nhất” tùy thuộc vào cách hiểu tiêu chuẩn “tốt nhất” Điều tùy thuộc vào mức xác yêu cầu khoảng thời gian quan trắc, ví dụ thời đoạn lấy mẫu nƣớc theo giờ, ngày, tháng mùa Mặc khác, chuẩn “tốt nhất” tùy theo mức độ dày mặt kích thƣớc khơng gian mẫu Khoảng cách nhỏ mức xác cao • Theo tác giả Woolhiser Brakensiek (1982) việc chọn mơ hình “tốt nhất” tùy thuộc vào độ lớn kích thƣớc tự nhiên toán phức tạp thay đổi biến số Do vậy, đặc điểm mô hình phải tƣơng thích với u cầu tốn 2.3.3 Chọn mơ hình theo cấu trúc giá trị vào/ra Nhiều nhà nghiên cứu mơ hình đề xuất việc chọn lựa mơ hình phải dựa vào cấu trúc mơ hình giá trị liệu đầu vào đầu Các lựa chọn bao gồm: • Sự khái qt hóa tiến trình chủ yếu: Mơ hình phải phản ánh “ý tƣởng” theo thực tế liên quan đến tiến trình (Popov, 1968) Sơ đồ khái quát phải thể đƣợc phận cấu thành mơ hình diễn biến theo tiến trình mang tính lý thuyết khơng đơn kết nối đơn giản • Mức độ xác cho việc tiên đốn, dự báo: độ xác việc tiên đốn kết đầu quan trọng Mơ hình phải đƣợc kiểm nghiệm phƣơng cách cho sai số thống kê yếu tố không chắn mơ hình đạt đƣợc chất lƣợng định Mơ hình phải tối thiểu hóa xu hƣớng biến sai số phải xem nhỏ tính tốn khác Điều thể tính xác liệu nhập vào Tuy nhiên, mức xác liệu Đề tài: Tìm hiểu mơ hình hóa chất lượng nước Trang 20 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng nhập vào quan trọng mức xác dự báo mơ hình tạo (Hillel, 1986) • Tính đơn giản mơ hình: Mơ hình cần đƣợc tối giản nhằm giảm bớt biến số thông số để mô tả tiến trình Càng thơng số để điều chỉnh dễ cho ngƣời sử dụng Mơ hình cần tạo dễ dàng cho việc nhập liệu, hiểu rõ biến số kết giải thích đƣợc Mơ hình nên tránh thơ kệch, rƣờm rà, làm việc xử lý trở nên khó khăn, phức tạp sai số lớn (Tim, 1995) • Xem xét việc thành lập thông số: Đây xem xét quan trọng việc phát triển mơ hình khái niệm sử dụng thơng số đƣợc thành lập kỹ thuật tối ƣu hóa Nếu giá trị tối ƣu thơng số có độ nhạy cao theo thời kỳ ghi nhận, thơng số có biến động lớn lƣu vực tƣơng tự, mơ hình có nhiều khả thiếu thực Việc xem xét thành lập thông số hàm ý nhà nghiên cứu mơ hình khác nên dựa theo việc xem xét giá trị thông số từ việc quan trắc thực tế từ việc thực hành hiệu chỉnh 2.3.4 Chọn mơ hình theo vấn đề thực tế Việc chọn lựa mơ hình theo vấn đề thực tế cần đƣợc cân nhắc trƣờng hợp: • Điều kiện tự nhiên mơ hình: mơ hình phải đáp ứng vấn đề thực tế phải giải Ví dụ nhƣ đầu mong muốn lƣu lƣợng đỉnh, nồng độ chất nhiễm, v.v theo bƣớc tính giờ, ngày, tuần, … cho mục đích thiết kế vận hành Đây xem xét quan trọng bao gồm câu hỏi cho tiến trình chủ yếu thể mơ hình điều kiện để mơ hình có giá trị • Chọn mơ hình trọn gói mơ hình theo u cầu: Mơ hình trọn gói (là mơ hình đƣợc thiết kế cho tổng thể trƣờng hợp) thƣờng dễ sử dụng nhƣng thiếu tính mềm dẻo bị hạn chế sử dụng Loại mơ hình trọn gói thƣờng đƣợc sử dụng gặp tình có số tình dự kiến ban đầu mà ngƣời phát triển mơ hình nghĩ Đề tài: Tìm hiểu mơ hình hóa chất lượng nước