MÔ HÌNH hóa môi TRƯỜNG

Mô hình hóa môi trường phục vụ cho tất cả các nhà khoa học, kỹ thuật, chính trị, xã hội, các nhà quản lý liên quan đến lĩnh vực môi trường và tài nguyên thiên nhiên. Đây là môn học được hình thành từ cơ sở mô phỏng môi trường, tạo dựng nhữn mô hình hay các hình ảnh thu nhỏ hoặc tương tự, bắt chước với thực tế để mô tả sự kiện cũng như tạo ra các biến đổi lượng chất theo không gian và thời gian nhằm tiên đoán khả năng lan truyền chất ô nhiễm, hoặc khả năng phục hồi của các tài nguyên

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN THIÊN NHIÊN

PHỤ LỤC

PHỤ LỤC 2

Báo cáo mô hình hóa môi trường

DANH SÁCH HÌNH

PHỤ LỤC 2

dự báo cần thiết

Việc mô phỏng môi trường cũng đang giúp con người tạo dựng các một hình ảnhhoặc sự vật thu nhỏ hoặc tương tự, bắt chước theo thực tế để mô tả sự kiện cũngnhư tạo ra các kịch bản biến đổi lượng và chất theo không gian và thời gian nhằmtiên đoán khả năng lây truyền chất ô nhiễm hoặc khả năng hồi phục chất lượng tàinguyên Môn học mô hình hóa môi trường được hình thành từ cơ sở này

2 Các định nghĩa và phân loại mô hình

2.1 Khái niệm mô hình

Mô hình là một cấu trúc mô tả hình ảnh đã được tối giản hóa theo đặc điểm hoặcdiễn biến của một đối tượng, một hiện tượng, một khái niệm hoặc một hệ thống(TS Lê Anh Tuấn, 2008)

Mô hình có thể là một hình ảnh hoặc một vật thể được thu nhỏ hoặc phóng đại,hoặcchỉ làm gọn bằng một phương trình toán học, một công thức vật lý, mộtphần mềmtin học để mô tả một hiện trạng thực tế mang tính điển hình ( TS Lê Anh Tuấn,2008)

Mô hình là một đối tượng cụ thể (vật chất hoặc phương trình toán học), một hệthống, hoặc một khái niệm (tư duy) thay thế một nguyên bản (ClaudeShannon,1948)

Báo cáo mô hình hóa môi trường

Ví dụ 1.1: Các nhà thiết kế tạo ra một mẫu xe hơi sử dụng năng lượng mặt trời thu

nhỏ để thử nghiệm khả năng hoạt động cũng như các tiện ích và an toàn trước khichế tạo hàng loạt (hình 1.1)

Hình 1.1 Mô hình xe hơi thử nghiệm sử dụng năng lượng mặt trời

Ví dụ 1.2: Mô hình Vòng tuần hoàn nước sự tồn tại và vận động của nước trên mặt đất, trong lòng trong đất và trong bầu khí quyển của trái đất

Hình 1.2 Mô hình vòng tuần hoàn nước trên trái đất

2.2 Phân loại mô hình

a Phân loại mô hình

Mô hình khái niệm ( Mô hình nhận thức)- Conceptual modelling: Trước khi tiếnhành tạo một mô hình, phải tư duy được có bao nhiêu thành phần và cách thức liên

hệ và ảnh hưởng lẫn nhau như thế nào Kết quả của mô hình khái niệm là lưu đồhoặc sơ đồ

Mô hình giải tích ( Mô hình số): Là những thuật toán quan hệ giữa những biến số( variables ) và thông số ( parameters ) của mô hình →Phần quan trọng cốt lõi vàcũng phức tạp nhất khi xây dựng mô hình

Mô hình toán– Numerical modelling: Dùng ngôn ngữ lập trình mô tả mối quan hệtoán học giữa các yếu tố trong hệ thống (các quá trình hóa học, vật lý và sinh học)được mô phỏng từ hệ thống thực Các mô hình toán thường sử dụng nhưMathCAD, MathLAB, Excel, Fortran, C, C ++ , Java…

b Phân loại mô hình toán

Báo cáo mô hình hóa môi trường

MÔ HÌNH ĐỘNG

MÔ HÌNH PHI TUYẾN TÍNH

MÔ HÌNH TOÁN

Mô hình hộp trắng - White box

Mô hình cung cấp số thông tin về liệu đầu vào, đầu ra và một bên trong hệ thống

Mô hình hộp đen - Black box

Mô hình chỉ cung cấp số thông tin về liệu đầu vào và đầu ra (only input and outputare known), cấu trúc bên trong chưa biết hoặc không biết do cấu trúc quá phức tạphoặc chưa biết (Internal dynamics are either too complex or unknown)

Mô hình hộp xám - Gray box

Mô hình cung cấp số thông tin về liệu đầu vào, đầu ra và một phần trong tiến trình

xử lý của hệ thống

3 Ưu và nhược điểm các loại mô hình

TÊN MÔ HÌNH ƯU ĐIỂM NHƯỢC ĐIỂM

Mô hình khái

niệm

(Mô hình nhận

thức )

- Được hình thành dù người tạo ra

nó chưa hiểu hết tất cả các hiệntượng phức tạp trong thực tế

- Có thể đơn giản hóa tính bất nhấtcủa các thông số thành tính đồngnhất

- Có thể giảm thiểu được số liệuyêu cầu

- Dễ dàng cho người xem hiểucách thu thập số liệu, thông tin sửdụng một cách

nhanh chóng và ít tốn kém

- Mô hình khái niệm là một công

cụ kĩ thuật cho các lập trình viênhiểu vấn đề phải giải quyết màkhông cần phải làmột chuyên giamôi trường

- Mô hình khái niệm tạo thuận lợicho việc diễn giải trong thuyếtminh, biểu bảng, đồ thị

- Có thể tạo ra một giao tiếp với

cơ sở dữ liệu và hệ thống thông tinđịa lý (GIS)

- Mô hình khái niệm là mộtkhái quát nhân tạo và phi vật

lý qua các tối giản nên có thểkhông đưa ra hết những quan

hệ tương tác giữa các đốitượng

- Những người thiếu kinhnghiệm có thể tạo ra các giảthiết phi thực tế hoặc quáđơn giản

- Mô hình khái niệm mangtính tổng quá nên đôi khi bỏsót các phương án vận hành

- Mô hình khái quát thườngkhông thể thể hiện cách điềuchỉnh sai số hoặc ngoại suytrong trường hợp thiếu dữliệu

- Khi cần bổ sung mô hìnhhoặc tái cấu trúc mô hình cóthể tạo ra một tình trạng quá

Báo cáo mô hình hóa môi trường

Mô hình Toán

-Dùng các ngôn ngữ lập trình đểmiêu tả mối quan hệ toán học mộtcách dễ dàng

- Có thể dễ dàng thay đổi số liệuhay thông số của mô hình vớinhiều kịch bản khác nhau theo ýmuốn

- Các tính năng tiêu chuẩn hóathường cần thiết cho mô hình

- Chu kỳ phát triển ngắn hơn

- Có thể đọc được nhiều mã khácnhau

- Hỗ trợ nhiều trong việc xác minh

mô hình toán học

- Đòi hỏi khối lượng côngviệc khổng lồ với các biến sốthay đổi theo thời gian vàkhông gian

- Giai đoạn kiểm tra lại khókhăn

- Tính di động bị hạn chế

- Chi phí phầm mềm cao

- Đòi hỏi nâng cấp bổ sung

Mô hình Vật Lý - Là công cụ chuẩn xác để dự

đoán những hiện tượng Vật lý

- Kích thước nhỏ, đo đạc dễ dàng

- Quan sát các hiện tượng tận mắt

dễ dàng định hướng nghiên cứu

- Tốn kém thời gian và tiềnbạc

- Chỉ được áp dụng khi hếtsức cần thiết khi nghiên cứuchi tiết để thiết kế công trình(cống, đập)

- Khó mô phỏng tất cả cáchiện tượng theo tỉ lệ chínhxác

- Khó mô phỏng các điềukiện biên một cách chínhxác

Mô hình Tương

Tự

- Có thể sử dụng số liệu, thông sốhay một quá trình khác thay thếrồi suy ra kết quả tương tự cho môhình

- Không sử dụng lập trình phứctạp

- Các mô hình phức tạp được thựchiện

nhanh chóng

- Kết quả không chính xác

- Không mô phỏng tất cảhiện tượng trong mô hìnhmột cách chính xác

- Tốn kém về tiền bạc

4 Các trường hợp cần sử dụng mô hình toán và mô hình vật lý

Mô hình vật lý: Khi những hiện tượng vật lý thực tế phức tạp và khó mô tả chínhxác bằng các công thức toán học Mô hình vật lý là công cụ chuẩn xác để dự đoánnhững hiện tượng vật lý Không cần phải tưởng tượng, chúng ta có thể quan sáttoàn bộ quá trình thông qua mô hình vật lý

Mô hình toán: Để dự đoán hoặc mô phỏng một cách thường xuyên những gì một hệthống thế giới thực sẽ làm trong tương lai nhưng lại tốn kém, không thực tế hoặc không thể thử nghiệm trực tiếp với hệ thống, ví dụ như: thiết kế lò phản ứng hạt nhân, sự tuyệt chủng của các loài,…Mô hình toán còn được áp dụng trong nhiều trường hợp khi phải liên tục thay đổi kịch bản để đưa ra kết quả tương ứng

5 KHÁI NIỆM VÀ Ý NGHĨA CỦA MÔ HÌNH HÓA MÔI TRƯỜNG

5.1 Khái niệm mô hình hóa

Mô hình hóa môi trường là ngành khoa học mô phỏng hiện tượng lan truyền chất ônhiễm và các dự báo thay đổi môi trường theo không gian và thời gian ( TS LêAnh Tuấn, 2008)

Mô hình hóa môi trường là ngành khoa học cung cấp các công cụ ở dạng hình ảnh,

sơ đồ, biểu đồ, phần mềm, hay sa bàn, để chuyển các hiểu biết từ các đo đạc thực

tế của một khu vực nghiên cứu thành các lý giải cần thiết cho như cầu thông tin vàtiên đoán diễn biến của môi trường – sinh thái

Mô hình môi trường là một mô tả đơn giản cho các quan hệ phức tạp về môi trườngsinh thái ở ngoài thực tế nhưng vẫn có thể cho các kết quả chính xác ở mức độ chấpnhận được

Một mô hình môi trường phải cung cấp một đại lượng dữ liệu thể hiện theo sự thayđổi thời gian qua:

(i) sự quan sát (observation);

(ii) sự phân tích (analysis);

(iii) sự tiên đoán (prediction)

Một mô hình môi trường có thể là một giao tiếp giữa dữ liệu và tạo quyết định Môhình tạo ra các thông tin từ dữ liệu quan trắc và cải tiến kiến thức giúp cho việc raquyết định liên quan đến việc quy hoạch, thiết kế, vận hành và quản lý

Báo cáo mô hình hóa môi trường

Một mô hình môi trường thường kết hợp các định luật và phương trình sau

• Định luật vật lý (như định luật Darcy, định luật bảo toàn khối lượng, )

• Phương trình toán học quan hệ (như phương trình Penmen về bốc thoát hơi,phương trình cân bằng nước)

• Các quan hệ thực nghiệm (như các công thức kinh nghiệm, )

( TS Lê Anh Tuấn,2008)

Ví dụ mô hình hóa môi trường

5.2 Ý nghĩa mô hình hóa môi trường

Cung cấp các công cụ ở dạng hình ảnh, sơ đồ, biểu đồ, phần mềm, hay la bàn, đểchuyển các hiểu biết từ các đo đạc thực tế của một khu vực nghiên cứu thành các lýgiải cần thiết cho như cầu thông tin và tiên đoán diễn biến của môi trường– sinhthái

Mô tả đơn giản cho các quan hệ phức tạp về môi trường sinh thái ở ngoài thực tếnhưng vẫn có thể cho các kết quả chính xác ở mức độ chấp nhận được

Cung cấp một đại lượng dữ liệu thể hiện theo sự thay đổi thời gian qua: sự quan sát,

sự phân tích và sự tiên đoán

Mô hình tạo ra các thông tin từ dữ liệu quan trắc và cải tiến kiến thức giúp cho việc

ra quyết định liên quan đến việc quy hoạch, thiết kế, vận hành và quản lý

6 MÔ HÌNH HIỆN TƯỢNG TỰ NHIÊN

6.1 Sự hình thành bão

Bão chỉ hình thành ở khu vực đại dương nhiệt đới ấm áp, nơi nhiệt độ nước ít nhất

là 26 độ C Chính không khí ấm áp, ẩm và gió hội tụ gần xích đạo là “nhiên liệu”

để bão hoạt động Một cơn bão hình thành bao giờ cũng xuất hiện những cơn mưadông và những trận gió lốc rất mạnh do sự chênh lệch áp suất không khí giữa ápcao lạnh giữa những đám mây mưa và bầu không khí nóng xung quanh Và khi haicơn mưa dông gặp nhau những luồng gió khí luân chuyển lên xuống không ngừnglàm khí lạnh bị đẩy xuống thấp và khí nóng bị đẩy lên cao Nước càng nóng, quytrình này càng nhanh và gió tăng tốc Khi đó, ở tầng trên của lớp đối lưu, luồng khí

ẩm ướt này toả ra và bắt đầu xoay theo quán tính hình thành từ chiều quay của tráiđất, ở Bắc bán cầu là chiều ngược lại của kim đồng hồ, còn ở Nam bán cầu là cùngchiều với kim đồng hồ Khi lực xoay đủ lớn thì một cơn bão sẽ hình thành

6.2 Mô hình khái niệm sự hình thành bão

MÔ HÌNH KHÁI NIỆM HÌNH THÀNH BÃO

6.3 Mô hình toán hình thành bão

Hiện nay nước biển dâng nhìn nhận như quá trình tương tác tổng hợp n người tatính toán nước biển dâng theo vận tốc gió , mưc nước biển nền có thể là mực nướctrung bình nhiều năm đối với biển có thủy triều hoặc phi thủy triều Bài toán nướcbiển dâng được xem trong điều kiện khí tượng thủy văn có các tác động đồng thờicủa gió, áp suất khí quyển, thủy triều và lưu lượng sông ngòi

Báo cáo mô hình hóa môi trường

Hình Thành xoáy, lốc,giông

Sự hoà lộn khí quyển

Không khí ẩm bốc lên

Hấp thụ năng lượng

Nhiệt độ đại dương nóng lên

Động lực để

tạo xoáy

Lực quay Trái Đất

Hình thành bão

Hình thành mưa

Hình thành gió mạnh

Độ ẩm

Nhiệt độ

Mô hình nước nông hai chiều có thể mô tả được các hiện trên , hệ phương trình códạng

ξ - dao động mặt nước so với mặt nước trung bình

h- độ sâu kể từ mực nước trung bình

Pa - áp suất không khí

s y

Y X X

Y X

=

ϕ- vĩ độ địa lí

vận tốc góc quay của trái đất

Thông tin ra là kết quả dự báo bão thông qua các thông số tốc độ gió, mực nướcbiển dâng, áp suất không khí để xác định hình thành bão

CHƯƠNG 2

CÁC BƯỚC THIẾT LẬP VÀ PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH

LÝ THUYẾT VỀ LỰA CHỌN, HIỆU CHỈNH VÀ KIỂM ĐỊNH

MÔ HÌNH

1.Các đặc trưng cơ bản của mô hình

Một cách tổng quát, tất cả mô hình phải có ba thành tố chính

+ Thông tin vào: bao gồm các dạng cơ sở dữ liệu đưa vào để mô hình xửlý

+ Tiến trình xử lý thông tin: bao gồm quá trình tiếp nhận dữ liệu vào, tínhtoán, phân tích, đánh giá và xuất dữ liệu

+ Thông tin ra: thể hiện ở dạng đồ thị, biểu bảng, báo cáo đánh giá kết quả

Hình 1 Ba thành tố của một mô hìnhMột mô hình có các đặc trưng cơ bản sau

+ Mô hình cần được tối giản với một số giả định đặt ra

+ Điều kiện biên hoặc điều kiện ban đầu cần định danh

+ Mức độ khả năng ứng dụng của mô hình có thể xác lập được

(T.S Lê Anh Tuấn,2008)

2.Các bước xây dựng và kiểm định mô hình

2.1 Thu thập và phân tích số liệu

Xác định loại số liệu (mực nước, lưu lượng, thông số chất lượng nước,…) cần thuthập từ hệ thống thực;

Xác định bước thời gian: giờ, trung bình ngày,…;

Báo cáo mô hình hóa môi trường

Thông tin vào

Tiến trình xử lí thông tin Thông tin ra

Xác định độ dài của chuỗi số liệu (mô phỏng vài giờ/ngày/tháng/năm hay hàngchục năm (mô hình khí hậu));

Xác định thời điểm thu thập/đo đạc số liệu;

Đánh giá mức độ tin cậy, đánh giá khả năng xuất hiện lại của số liệu thu thập số l

2.2 Xây dựng phần mềm

Chọn lựa quy mô vùng cần mô phỏng;

Chọn lựa loại mô hình (Vật lý, Toán,…) và so sánh; Trường hợp chọn mô hìnhtoán Xác định loại mô hình (tự xây dựng mô hình (chọn ngôn ngữ) hay mô hình➔

có sẵn ngoài thị trường)

Tất cả các mô hình muốn vận hành thì cần phải có nguồn dữ liệu ban đầu và cácđiều kiện cần thiết

2.3 Mô hình khái niệm

Mô hình khái niệm là một dạng ý tưởng hoá nhằm tối giản những yếu tố phức tạpngoài thực tế ở dạng một lưu đồ hoặc sơ đồ Trong mô hình khái niệm phải bắt đầu

từ các dữ liệu nhập và, các diễn biến bên trong mô hình và các thông tin xuất ra từ

mô hình Một hình khái niệm phải thể hiện tính đơn giản để tạo cho những ngườikhông phải là chuyên gia về mô hình có thể hiểu mục tiêu của bài toán mô hình

2.4 Mô hình giải tích (hoặc mô hình số)

Mô hình giải tích (hoặc mô hình số) thực chất là một loạt các thuật toán được viết

để giải quyết các quan hệ giữa các thông số và biến số trong mô hình và cho ra kếtquả dưới dạng số hoặc đồ thị Đây là phần cốt lõi, quan trọng nhất và là phần phứctạp nhất trong tiến trình thực hiện mô hình hóa

tế Hiệu chỉnh là công việc nhằm rút ngắn các khoảng cách sai biệt bằng cách đưa

ra các thông số điều chỉnh gọi là thông số mô hình (model parameters)

2.6 Kiểm nghiệm mô hình

Kiểm nghiệm mô hình là bước tiếp sau công việc hiệu chỉnh mô hình nhằm kiểmtra các thông số mô hình đưa ra có phù hợp với các diễn biến của thực tế haykhông

Các bước xây dựng và kiểm định mô hình

Báo cáo mô hình hóa môi trường

THU THẬP VÀ PHÂN TÍCH SỐ LIỆU

MÔ HÌNH GIẢI TÍCH /TOÁN

XÂY DỰNG PHẦN MỀM

HIỆU CHỈNH

MÔ HÌNH

MÔ HÌNH KHÁI NIỆM

KIỂM ĐỊNH MÔ HÌNH

ỨNG DỤNG

PHÂN TÍCH ĐỘ NHẠY/ĐỘ KHÔNG CHẮC CHẮN

SENSITIVITY ANALYSIS

DỰ BÁO / TỐI ƯU

HOÁ

3.Định nghĩa mô phỏng và ứng dụng:

Mô phỏng của một hệ thống là quá trình hoạt động của một mô hình, là sự đại diện của hệ thống đó

Ứng dụng của một mô hình gồm

+ Thiết kế và phân tích hệ thống sản xuất;

+ Đánh giá yêu cầu của H/W và S/W cho một hệ thống máy tính;

+ Đánh giá một hệ thống hay chiến thuật quân sự mới;

+ Xác định chính sách đặt hàng cho một hệ thống hàng hóa tồn kho;

+ Thiết kế hệ thống thông tin liên lạc và phương thức nhắn tin cho hệ thống;+ Thiết kế và vận hành các cơ sở như đường cao tốc, tàu điện ngầm, sân bayhoặc cống;

+ Thẩm định thiết kế cho các tổ chức dịch vụ như bệnh viện, bưu điện, hoặccác nhà hàng thức ăn nhanh;

+ Phân tích hệ thống tài chính kinh tế hoặc thông tin

4.Một vài thuật ngữ

Hệ thống (System) được hiểu là một tập hợp các thành phần có quan hệ liên thôngvới nhau để tạo thành một tổng thể Theo Dooge (1964) hệ thống là bất kỳ một cấutrúc, thiết bị hoặc sơ đồ, trình tự nào đó, thực hay trừu tượng, được gắn với bướcthời gian nhất định, liên hệ giữa lượng vào (nguyên nhân, năng lượng, thông tin)với lượng ra (hệ quả, phản ứng, năng lượng)

Hệ thống thủy văn (hydrological system) là các quá trình thuỷ văn (chu trình thuỷvăn) trên một vùng không gian nhất định và đó là các hệ thống thực Ta có thể coituần hoàn thuỷ văn như một hệ thống với các thành phần là nước, bốc hơi, dòngchảy và các pha khác nhau của chu trình Các thành phần này lại có thể tập hợpthành các hệ thống con của chu trình lớn Để phân tích hệ thống toàn cục ta tiếnhành xử lý, phân tích riêng rẽ các hệ thống con đơn giản hơn và tổng hợp các kếtquả dựa trên mối quan hệ qua lại giữa chúng

Hệ thống thủy văn được định nghĩa như một cấu trúc hay một thể tích không gianbao quanh bởi một mặt biên Cấu trúc này tiếp nhận các yếu tố đầu vào (Input) quamặt biển như mưa theo phương thẳng đứng, dòng chảy theo phương ngang, thao

INPUT

Lượng vào SYSTEMHệ thống OUTPUTLượng ra