Giáo trình Mô hình hóa trong quản lý và nghiên cứu môi trường cung cấp cho người học những kiến thức như: Mô hình hóa, những khái niệm cơ bản và phân loại; Xây dựng mô hình; Một số mô hình cụ thể. Mời các bạn cùng tham khảo!
MỤC LỤC CHƯƠNG I MƠ HÌNH HĨA, NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ PHÂN LOẠI 1.1 Giới thiệu chung mơ hình hóa 1.2 Những khái niệm 11 1.2 Các khái niệm 11 1.2.1.1 Hệ thống 11 1.2 1.2 Động thái 11 1.2 1.3 Mơ hình 11 1.2 1.4 Mơ hình hóa 12 1.2.2 Mục đích, ý nghĩa, tính ưu việt bất cập mơ hình hóa 12 1.2.2.1 Mục đích mơ hình hóa 12 1.2 2.2 Ý nghĩa nghiên cứu mơ hình hóa 14 1.2.2.3 Tính ưu việt mơ hình hóa 14 1.2.2.4 Bất cập mơ hình hóa 15 1.3 CÁC LOẠI MƠ HÌNH 16 1.3 Phân loại chung 16 1.3.1.1 Mơ hình lý thuyết (ý tưởng) 16 1.3 1.2 Mơ hình chứng minh tương tác 16 1.3 1.3 Mơ hình tốn học thống kê 16 1.3 1.4 Mơ hình minh họa trực quan 17 1.3 Phân loại theo cặp 17 CHƯƠNG II XÂY DỰNG MƠ HÌNH 19 Cấu trúc mơ hình phương tiện mơ tả mơ hình 19 2 Xây dựng mơ hình 21 2 Mô tả hệ thống xác định vấn đề 22 2 Xác định ma trận liền kề 23 2 Thiết lập biểu đồ lý thuyết 24 2 Thiết lập cơng thức tốn 24 2 Chuyển tải vào máy tính kiểm tra độ xác 25 2 Phân tích độ nhạy cho mơ hình 25 2 Phân tích độ nhạy cho mơ hình lớn 26 2 Hiệu chỉnh mơ hình 26 2 Áp dụng mơ hình diện rộng 27 2 10 Đánh giá mơ hình 28 2 11 Áp dụng mơ hình hóa tốn cụ thể 28 CHƯƠNG III MỘT SỐ MƠ HÌNH CỤ THỂ 30 3.1 Mơ hình nhiễm khơng khí 30 3.1.1 Các điều kiện ảnh hưởng đến phát tán khí khí 31 3.1.1.1 Sự ảnh hưởng lượng phát thải lên phát tán chất khí 31 3.1.1.2 Ảnh hưởng độ ổn định khí lên phát tán chất khí 31 3.1.1.3 Ảnh hưởng tính khí lên phát tán chúng 31 3.1.1.4 Ảnh hưởng chiều cao phát thải lên phát tán khí 32 3.1.1.5 Ảnh hưởng trạng thái vật lý chất ô nhiễm lên phát tán 33 3.1.1.6 Ảnh hưởng tốc độ khói độ cao miệng ống khói lên phát tán 33 3.1.1.7 Ảnh hưởng bề mặt đệm lên phát tán chất khí 33 3.1.1.8 Ảnh hưởng thay đổi hướng gió lên phạm vi ô nhiễm 33 3.1.2 Độ ổn định khí phân bố hàm lượng chất ô nhiễm 33 3.1.2.1 Khí khơng ổn định biến thiên nhiệt độ môi trường (Tmt) > biến thiên nhiệt độ khối khí (Tkk) 33 3.1.2.2 Khí trung tính Tmt = Tkk 34 3.1.2.3 Khí ổn định < Tmt < Tkk 35 3.1.2.4 Khí ổn định Tmt < < Tkk 35 3.1.2.5 Hình dạng luồng khói phụ thuộc vào cấp ổn định khác 36 3.1.3 Phương trình mô tả truyền tải khuếch tán chất nhiễm 38 3.1.4 Mơ hình GAUSS tính tốn lan truyền chất nhiễm khơng khí 39 3.1.4.1 Tính tốn hệ số phân tán theo phương đứng phương ngang 41 3.1.4.2 Các cơng thức thực tế tính σу σz 41 3.1.4.3 Chiều cao hiệu ống khói 42 3.1.5 Mơ hình berliand tính tốn lan truyền chất nhiễm khí 44 3.1.5.1 Sự phân bố chất nhiễm phương trình tốn học 44 3.1.5.2 Đối với khí bụi nhẹ: 44 3.1.5.3 Đối với bụi nặng cỡ hạt đồng chất: 45 3.1.5.4 Khuyếch tán chất ô nhiễm từ nguồn điểm cao điều kiện khơng gió: 46 3.2 Mơ hình nhiễm nước 46 3.2.1 Một số kiến thức liên quan tới mơ hình hóa chất lượng nước 46 3.2.2 Giới thiệu mơ hình QUAL2K: 48 3.2.2.1 Phân đoạn thủy lực: 49 a Phân đoạn: 49 b Cân nước: 50 c Đặc trưng thủy lực: 51 d Thời gian diễn toán: 56 e Phân tán theo chiều dòng chảy: 56 f Cân nhiệt: 57 3.2.2.2 Thành phần mơ hình phương trình cân thành phần chất lượng nước: 58 a Thành phần mô hình: 58 b Phương trình cân thành phần chất lượng nước: 59 3.3 Một số mơ hình khác 60 3.1 Mơ hình xói mịn nước 60 3.3.1.1 Tổng quan mơ hình xói mịn nước 60 3.3.1.2 Mơ hình xói mịn đất nước tính theo phương trình đất phổ dụng Wischmeier and Smith (1978), Foster et al (1982) 61 3.3.1.3 Kết hợp RUSLE với hệ thống thơng tin địa lý phân tích khơng gian xây dựng đồ xói mịn đất 70 3.3.2 Mơ hình nhiễm phân tán từ nông nghiệp AGNPS 71 3.3.3 Mơ hình xói mịn LISEM 76 3.3.4 Mô hình lan truyền thấm sâu chất hóa học LEACHM 78 Mơ hình đơn giản lan truyền hóa chất đất 79 Mơ hình Nleach_2D 81 3.5.1 Giới thiệu mơ hình mơ hình 81 3.5 1 Mơ hình cân nước 81 3.5.1.2 Mơ hình cân đạm 82 3.5.2 Mơ hình cân đạm ruộng lúa có tầng đế cày 84 3.5.3 Phát triển Nleach thành mơ hình mô không gian 85 3 Mơ hình MIKE11 86 3.6.1 Mô tả sơ lược MIKE 11 87 3.6.2 Thuật tốn mơ hình thuỷ lực MIKE 11: 90 DANH MỤC BẢNG Bảng 1: Phân loại mô hình (theo cặp) 17 Bảng 2: Kết tính tốn cân nước chất ô nhiễm Cadmium 29 Bảng 3: Cơng thức tính δ z(x), δ y(x) cho vùng thống mở (nơng thơn) 42 Bảng 4: Cơng thức tính δ z(x), δ y(x) chođiều kiện thành phố 42 Bảng 5: Giá trị điển hình hệ số mũ phương pháp Rating curves 54 Bảng 6: Hệ số nhám Manning cho bề mặt kênh hở (Chow et al 1988) 55 Bảng 7: Các biến trạng thái mơ hình Q2K 59 Bảng 8: Độ gồ ghề mặt đất điều kiện khác 68 Bảng 9: Giá trị P cho ruộng bậc thang canh tác theo đường đồng mức độ dốc 70 DANH MỤC HÌNH Hình 1: Lịch sử tiến trình phát triển loại mơ hình sinh thái mơi trường 10 Hình 2: Ví dụ cấu trúc biểu đồ Forrester cho mô hình hệ thống nơng nghiệp có nhiều biến trạng thái hệ thống nông nghiệp (Haefner, 2005) 19 Hình 3: Các thành phần biểu đồ Forrester 20 Hình 4: Biểu đồ tổng quát trình tự xây dựng mơ hình theo Jøgensnen Bendoricchio (2001) 22 Hình 5: Một hệ sinh thái đơn giản biểu diễn chu trình bon hợp phần sinh thái 23 Hình 6: Biểu đồ Forrester cho mơ hình hệ sinh thái hươu-cỏ (theo hệ thống hình 5) Các đường liền biểu thị đường biến đổi C Đường chấm biểu thị mối quan hệ cấp tốc độ đầu vào đầu (ý nghĩa biểu tượng xem hình 3) 24 Hình 7: Ví dụ phân tích độ nhạy ảnh hưởng hàm lượng đạm ban đầu đến thay đổi hàm lượng đạm đất theo thời gian 26 Hình 8: Kết hiệu chỉnh mơ hình mơ hàm lượng đạm đất trồng bắp cải (kết tính tốn khớp với hàm lượng đạm đo đất) 27 Hình 9: Biểu đồ lý thuyết mô tả thành phần hệ thống mối quan hệ thành phần 29 Hình 10: Sơ đồ chùm phân tán chất nhiễm khơng khí sử dụng nhiều mơ hình phân tán khơng khí 31 Hình 11 Một số hiệu ứng từ phát thải nguồn cao với đám khói có hình dáng khác thời điểm khác (a), phát tán liên tục luồng chất khí khơng khí (b), phát tán dịng chất nặng khí với qũy đạo đặc biệt đám mây (c) 32 Hình 12 Khí khơng ổn định siêu đoạn nhiệt Trong trường hợp chưa bão hòa (bên trái), nâng lên cao, khối khí chưa bão hịa mức nóng nhiệt độ khơng khí xung quanh nhẹ Trong trường hợp khối khí khỏi vị trí ban đầu với gia tốc cụ thể Trong trường hợp bão hòa (bên phải) Khi nâng lên cao, khối khí bão hịa mức nóng nhiệt độ khơng khí xung quanh Trong trường hợp khối khí khỏi vị trí ban đầu Nguồn: Bùi Tá Long (2008) 34 Hình 13 Khí ổn định “dưới đoạn nhiệt” với khối khí chưa bão hòa (bên trái) bão hòa (bên phải), nâng lên cao khối khí lạnh nặng khơng khí xung quanh Trong trường hợp khối khí có xu hướng quay trở lại vị trí ban đầu Nguồn: Bùi Tá Long (2008) 35 Hình 14: Các trạng thái môi trường tác động đến phân bố dải khói không gian 36 Hình 15 Luồng khói bị hạn chế biên lẫn biên “mắc bẫy” (trapping) – nghịch nhiệt bên bên ống khói 37 Hình 16 Sơ đồ mơ hình khuếch tán Gauss 41 Hình 17 Độ nâng vệt khói chiều cao hiệu ống khói 43 Hình 18 Sự phân bố dải khói nồng độ chất nhiễm 44 Hình 19 Biểu đồ trình lan truyền 48 Hình 20: Sự phân đoạn mơ hình Q2K 50 Hình 21: Cân nước đoạn sông 50 Hình 22: Đập đỉnh nhọn 52 Hình 23: Kênh hình thang 54 Hình 24: Cột nước 56 Hình 25: Cân nhiệt 58 Hình 26: Độ gồ ghề với khoảng cách độ cao với bề mặt (Hội bảo vệ đất nước Hoa Kỳ, 1993) 68 Hình 27: Sơ đồ xây dựng đồ xói mịn đất từ đồ đầu vào, số liệu thuộc tính dựa mơ hình RUSLE 70 Hình 28: Mơ hình AGNPS chạy kết hợp với phần mềm GIS mô q trình nước di chuyển hóa chất 76 Hình 29: Biểu đồ biểu diễn chế xói mịn LISEM (Hessel et al., 2002) 77 Hình 30: Mơ hướng dịng chảy mơ hình xói mịn lưu vực 77 Hình 31: Các hợp phần đường phát triển LEACHM (Hutson, 2003) 79 Hình 32: Biểu đồ biểu diễn lan truyền chất hóa học đất 79 Hình 33: Phân bố hàm lượng đạm đất theo chiều sâu lúc ban đầu, sau 40, 80 100 ngày 80 Hình 34 Hàm lượng đạm khống đo tính tốn độ sâu khác đất trồng lúa trường hợp khơng có mơ đun tầng đế cày (trái) có mơ đun tầng đế cày (phải) 84 Hình 35 Biểu đồ lý thuyết mơ tả động thái độ ẩm đất đạm đất đó; R lượng mưa; Irri, nước tưới; Fert, phân bón, SW(1), hàm lượng nước đất (trong tầng đất); L(1a), tốc độ dòng chảy vào theo phương chéo; N, hàm lượng đạm; P, tốc độ thấm sâu; U, tốc độ hút nước đạm; T, nhiệt độ; Ra, ánh sáng; GR, trồng phát triển; ks, độ dẫn nước; L(1b), dòng chảy theo phương chéo ngang; POR, độ rỗng 85 Hình 36 Kết mơ mơ hình Nleach khơng gian hàm lượng đạm khoáng (mg l–1) xã Vân Hội, huyện Tam Dương ngày tháng năm 2004 (a) ngày 26 tháng năm 2005 (b); dòng đạm chảy nghiêng tích lũy (kg ha–1 năm–1) năm 2004 (c) năm 2005 (d); kết mô tổng lượng đạm thấm sâu (kg ha–1 năm–1) năm 2004 (e), năm 2005 (f) 86 Hình 37: Mơ tả phương trình liên tục 90 Hình 38: Mơ tả phương trình động lượng 90 Hình 39: Nhánh sông với điểm lưới xen kẽ 93 Hình 40: Cấu hình điểm lưới xung quanh điểm mà ba nhánh gặp 93 Hình 41: Cấu hình điểm lưới điểm mẫu hồn chỉnh 94 Hình 42: Ma trận nhánh trước khử 95 Hình 43: Ma trận nhánh sau khử 96 Hình 44: Điểm ba nhánh với giới hạn phương trình liên tục 97 CHƯƠNG I MƠ HÌNH HĨA, NHỮNG KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MƠ HÌNH HĨA Vào năm nghìn chín trăm năm mươi, nhà kỹ thuật bỏ nhiều công sức vào việc nghiên cứu hệ thống động thái phức tạp Những thành công họ thu hút nhiều nhà sinh học việc áp dụng kỹ thuật tương tự chuyên môn Xu hướng đặc trưng từ: Hệ thống, Mơ hình Mơ hình hóa (De wit, 2006) Mơ hình phát triển từ lâu theo nhu cầu nghiên cứu tìm kiếm giải pháp kỹ thuật tối ưu cho sản xuất Mơ hình phát triển từ đơn giản phức tạp, từ mô hình đơn mơ hình tích hợp ngày Theo Jøgensen Bendoricchio (2001) mơ hình mơ hình cân ơxy nước (mơ hình Streeter-Phelps) mơ hình chuỗi thức ăn (mơ hình LotkaVolterra) phát triển vào năm 1920 Vào năm 1950, 1960 phát triển mạnh mơ hình động thái dân số, mơ hình nước phức tạp hơn, mơ hình gọi mơ hình hệ thứ hai Các mơ hình sinh thái môi trường phát triển sử dụng rộng rãi năm 1970 Trong số mơ hình phú dưỡng nguồn nước phát triển phức tạp hơn, mơ hình thuộc hệ thứ ba Đến năm 1970 nhà sinh thái học đưa nhiều nghiên cứu định lượng vào giải vấn đề sinh thái mơi trường, vấn đề quản lý môi trường cần đánh giá lại Những kết nghiên cứu định lượng từ đến vô quan trọng cho chất lượng mơ hình sinh thái Quan trọng phát triển cao cơng nghệ máy tính ngày phát triển Những mơ hình phát triển giai đoạn từ 1970 đến 1980 coi hệ thứ tư với đặc trưng sinh thái sâu vào thực đơn giản hóa Rất nhiều mơ hình đánh giá chấp nhận rộng rãi cho nghiên cứu phát triển sản xuất Tầm quan trọng việc sử dụng mơ hình cơng tác quản lý mơi trường khẳng định Sự phát triển kinh tế xã hội tác động mạnh vào môi trường Năng lượng chất ô nhiễm phát thải, xả thải vào môi trường sinh thái, hàm lượng chất nhiễm q cao, phát triển nhanh chóng lồi có hại dẫn tới làm thay đổi cấu trúc sinh thái hủy hoại môi trường Một hệ sinh thái phức tạp Chính việc tiên đốn tác động lên mơi trường nhiệm vụ nặng nề Chính lý biến mơ hình trở thành cơng cụ có ích mơ hình tranh phản ánh thực tế Với kiến thức môi trường sinh thái đầy đủ hồn chỉnh, rút đặc trưng hệ sinh thái liên quan đến vấn đề ô nhiễm qua nghiên cứu để hình thành nên tảng mơ hình mơi trường Từ kết mơ hình hóa sử dụng để lựa chọn kỹ thuật môi trường phù hợp cho giải pháp vấn ... hình phân loại theo cặp sau: - Mơ hình động mơ hình tĩnh - Mơ hình tuyến tính mơ hình phi tuyến tính - Mơ hình liên tục, mơ hình rời rạc mơ hình lai - Mơ hình xác định mơ hình thống kê - Mơ hình. .. phân bố mơ hình tập trung - Mơ hình giới mơ hình đầu vào đầu Bảng 1: Phân loại mơ hình (theo cặp) Loại mơ hình Đặc tính Mơ hình nghiên cứu Sử dụng dụng cụ cho nghiên cứu Mơ hình quản lý Sử dụng... mơ hình xói mịn đất, mơ hình phát triển trồng, mơ hình nhiễm…) 1.2.2.2 Ý nghĩa nghiên cứu mơ hình hóa Nghiên cứu mơ hình hóa với mục đích khái niệm hệ thống thực, hệ thống, mơ hình mơ hình hóa