TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN THIÊN NHIÊN …oOo… MÔ HÌNH HÓA MÔI TRƯỜNG Chủ đề: TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH HÓA CÁC BƯỚC THIẾT LẬP VÀ PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH Giảng viên hướng dẫn Huỳnh Vương Thu Minh Sinh viên thực hiện Nhóm sinh viên QLMTA2 Báo cáo mô hình hóa môi trường PHỤ LỤC PHỤ LỤC 2 Báo cáo mô hình hóa môi trường DANH SÁCH HÌNH PHỤ LỤC 2 Báo cáo mô hình hóa môi trường CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH HÓA VÀ Ý NGHĨA Giới thiệu Hiện nay, ô nhiễm môi trường đang là vấn đề báo động song hành với sự phát triển kinh tế xã hội, đặc biệt tại các quốc gia đang phát triển. Tại nhiều nơi, chất lượng nước, đất, không khí suy giảm nhanh chóng vượt qua khả năng tự làm sạch của tự nhiên. Trong lĩnh vực khoa học quản lý môi trường và kỹ thuật xử lý môi trường, việc quan trắc dự báo diễn biến môi trường mang tầm quan trọng cho các quyết định giải quyết vấn đề. Tuy nhiên, việc đo đạc, quan trắc môi trường rất tốn kém kinh phí và công sức của con người. Nhằm giảm thiểu các khó khăn này, các nhà khoa học đã và đang tiếp tục phát triển các ứng dụng các nguyên lý vật lý và toán học vào thực tiễn để mô phỏng các diễn biến thực tế trong tự nhiên và đưa ra các dự báo cần thiết. Việc mô phỏng môi trường cũng đang giúp con người tạo dựng các một hình ảnh hoặc sự vật thu nhỏ hoặc tương tự, bắt chước theo thực tế để mô tả sự kiện cũng như tạo ra các kịch bản biến đổi lượng và chất theo không gian và thời gian nhằm tiên đoán khả năng lây truyền chất ô nhiễm hoặc khả năng hồi phục chất lượng tài nguyên. 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 hoặc diễn 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,hoặc chỉ làm gọn bằng một phương trình toán học, một công thức vật lý, mộtphần mềm tin 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 hệ Báo cáo mô hình hóa môi trường thống, khái niệm (tư duy) thay nguyên (Claude Shannon,1948) 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 khi chế 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 tiến Báo cáo mô hình hóa môi trường hành 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 đồ hoặc 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 và cũng phức tạp nhất khi xây dựng mô hình Mô hình toán– Numerical modelling: Dùng ngôn ngữ lập trình mô tả mối quan hệ toán 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 như MathCAD, MathLAB, Excel, Fortran, C, C ++ , Java… Mô hình vật lý: Mô hình tỉ lệ Scale physiscal modelling: Hệ vật lý được mô phỏng lại với các thành phần được mô phỏng bằng một tỉ lệ chính xác (thu nhỏ hoặc phóng to) Mô hình phác thảo thử nghiệm – Prototype modelling: Dạng này được xây dựng nhanh và thô (phác thảo) để thử nghiệm một vài chức năng Mô hình tương tự: Khi một quá trình muốn nghiên cứu quá phức tạp →Có thể sử dụng một quá trình khác thay thế (công thức toán học giống nhau) → Mô hình tương tự → Suy kết quả từ mô hình tương tự cho mô hình muốn nghiên cứu MÔ HÌNH b. Phân loại mô hình toán TOÁN MÔ HÌNH TẤT ĐỊNH MÔ HÌNH NGẪU NHIÊN MÔ HÌNH LIÊN TỤC MÔ HÌNH RỜI RẠC MÔ HÌNH TĨNH MÔ HÌNH ĐỘNG Báo cáo mô hình hóa môi trường MÔ HÌNH TUYẾN TÍNH MÔ HÌNH PHI TUYẾN TÍNH 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 output are known), cấu trúc bên trong chưa biết hoặc không biết do cấu trúc quá phức tạp hoặc chưa biết (Internal dynamics are either too complex or unknown) Mô hình hộp xám Gray box Báo cáo mô hình hóa môi trường 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 chưa hiểu hết tất các hiện tượng phức tạp trong thực tế Có thể đơn giản hóa tính bất nhất của các thông số thành tính đồng nhất Có thể giảm thiểu được số liệu yêu cầu Dễ dàng cho người xem hiểu cách thu thập số liệu, thông tin sử dụng một cách nhanh chóng và ít tốn kém Mô hình khái niệm là một khái quát nhân tạo phi vật lý qua các tối giản nên có thể không đưa hết quan hệ tương tác giữa các đối tượng Những người thiếu kinh nghiệm có thể tạo các giả thiết phi thực tế hoặc quá đơn giản Mô hình khái niệm mang tính tổng quá nên đôi khi bỏ sót các phương án vận hành Báo cáo mô hình hóa môi trường Mô hình khái niệm là một công cụ kĩ thuật cho các lập trình viên hiểu vấn đề phải giải quyết mà không cần phải làmột chuyên gia môi trường Mô hình khái niệm tạo thuận lợi cho việc diễn giải trong thuyết minh, biểu bảng, đồ thị Có thể tạo ra một giao tiếp với sở dữ liệu và hệ thống thông tin địa lý (GIS) Mô hình Giải Mô hình thực hiện xử lý số liệu Tích ( Mô hình Số) cách nhanh chóng Mô hình không có lập trình, tối thiểu được lỗi trong cách sử dụng Mô hình khái quát thường không thể thể cách điều chỉnh sai số hoặc ngoại suy trong trường hợp thiếu dữ liệu Khi cần bổ sung mô hình hoặc tái cấu trúc mô hình có thể tạo tình trạng quá gò bó thông số Dùng các ngôn ngữ lập trình để miêu tả mối quan hệ toán học một cách dễ dàng Có thể dễ dàng thay đổi số liệu hay thông số mô hình với nhiều kịch bản khác nhau theo ý muốn Các tính tiêu chuẩn hóa thường cần thiết cho mô hình Chu kỳ phát triển ngắn hơn Có thể đọc được nhiều mã khác Hỗ trợ nhiều việc xác minh mô hình toán học Là công cụ chuẩn xác để dự đoán những hiện tượng Vật lý Kích thước nhỏ, đo đạc dễ dàng Quan sát tượng tận mắt dễ dàng định hướng nghiên cứu Đòi hỏi khối lượng công việc khổng lồ với các biến số thay đổi theo thời gian và không gian Giai đoạn kiểm tra lại khó khăn. Tính di động bị hạn chế Chi phí phầm mềm cao Đòi hỏi nâng cấp bổ sung Mô hình Toán Mô hình Vật Lý Báo cáo mô hình hóa môi trường Các thông số và biến số dễ bị thay đổi Là mô hình phức tạp với các chuỗi thuật toán Tốn kém thời gian và tiền bạc Chỉ được áp dụng khi hết sức cần thiết khi nghiên cứu chi tiết để thiết kế công trình (cống, đập) Khó mô phỏng tất cả các Mô hình Tương Có thể sử dụng số liệu, thông Tự số hay trình khác thay rồi suy ra kết quả tương tự cho mô hình Không sử dụng lập trình phức tạp Các mô hình phức tạp được thực hiện nhanh chóng hiện tượng theo tỉ lệ chính xác Khó mô điều kiện biên cách chính xác Kết quả không chính xác Không mô tất cả tượng mô hình một 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 chính xác bằng các công thức toán học. Mô hình vật lý là công cụ chuẩn xác để dự đoán những hiện tượng vật lý. Không cần phải tưởng tượng, chúng ta có thể quan sát toàn 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 hệ thống 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. Báo cáo mô hình hóa môi trường 10