4.2.1. Mục tiờu
Theo định nghĩa ở mục 2.2.5, sau khi hiệu chỉnh, mụ hỡnh cần đƣợc kiểm nghiệm nhằm kiểm tra cỏc thụng số mụ hỡnh đƣa ra cú phự hợp với cỏc diễn biến của thực tế hay khụng. Núi một cỏch chi tiết, việc kiểm nghiệm gồm cỏc trả lời cỏc hàm ý sau:
• Cỏc biểu hiện ở đầu ra của mụ hỡnh mụ phỏng cú phự hợp với cỏc biểu hiện đầu ra của hệ thống thực tế đó đƣợc quan trắc.
• Cỏc thụng tin ở đầu ra của mụ hỡnh (lƣu ý là đầu ra của mụ hỡnh mụ phỏng khụng phải là thành lập số liệu mà là thụng tin) cú đủ độ chớnh xỏc nhƣ mong muốn ở mụ hỡnh.
• Trong quỏ trỡnh xỏc định cỏc thụng số, nếu cú sai biệt ý nghĩa giữa số liệu của sự kiện quan trắc và giỏ trị mụ phỏng, thỡ cần xỏc lập mức độ tin cậy của mụ hỡnh.
• Việc kiểm nghiệm phải mang tớnh khỏch quan: mụ hỡnh cần phải bắt buộc qua cỏc thử nghiệm thống kờ chớnh thống và nghiờm ngặt theo cỏc mức độ phự hợp định trƣớc theo tầm quy mụ thực hiện.
• Khi làm kiểm nghiệm đầu ra của mụ hỡnh, giả thiết rằng mụ hỡnh là cú cơ sở vững chắc bao gồm cỏc hợp lý trong thiết kế mụ hỡnh, cỏc phƣơng trỡnh chủ đạo và mó húa chƣơng trỡnh mỏy tớnh.
• Trong bất kỳ sự kiểm nghiệm nào, cú thể một số thụng số luụn luụn đạt yờu cầu cỏc điều kiện thử nghiệm mụ hỡnh trong khi một số thụng số khỏc khụng thể liờn kết đƣợc với một số sự kiện đó xảy ra.
4.2.2. Hàm mục tiờu
Trƣớc khi làm kiểm nghiệm mụ hỡnh, cần thiết phải định lƣợng cỏc điều kiện kiểm nghiệm. Việc này thể hiện qua khỏi niệm hàm mục tiờu (objective function - OF).
Hàm mục tiờu là một trị số của tiến trỡnh thống kờ đặc thự thể hiện mức độ tƣơng ứng, hoặc cũn gọi là độ gần (degree of closeness), giữa giỏ trị thực đo và giỏ trị mụ phỏng. Cú nhiều kiểu để xỏc định hàm mục tiờu OF tựy theo mục đớch đặc thự và tƣơng quan trong cỏc mụ hỡnh ứng dụng. Hàm mục tiờu thƣờng theo xu hƣớng tiến đến trị 0 (khi hàm mục tiờu là tối thiểu húa, OF → 0) hoặc tiến đến trị đơn vị, OF → 1 (khi hàm mục tiờu là tối đa húa).
4.2.3. Cỏc trị số thống kờ dựng cho kiểm nghiệm
Khi kiểm nghiệm cỏc trị số thống kờ thƣờng đƣợc ỏp dụng để so sỏnh độ phự hợp giữa trị mụ phỏng và trị quan trắc cho cả chuỗi thời gian và cho từng sự kiện riờng rẽ rời rạc ở kết quả đầu ra. Việc này cú thể đỏnh giỏ qua thống kờ mức độ phự hợp (goodness-of-fit statistics) từ kết quả mụ hỡnh và thực tế. Sự đồng biến về chuỗi thời gian trờn cơ sở phộp ỏp 1:1. Nghĩa là giỏ trị mụ phỏng cú "gần" với trị trung bỡnh của số liệu đo thực tế khụng. Ngoài ra cỏc trị thống kờ khỏc cần đƣợc xem xột, gồm:
i). Trị trung bỡnh (mean):
Trong đú:
X - trị trung bỡnh của cỏc trị quan trắc; xi - trị quan trắc đƣợc ở thời điểm thứ i;
n - số thời điểm quan trắc (hoặc tổng số trị quan trắc)
Hàm mục tiờu liờn quan đến trị trung bỡnh thể hiện mức độ phần trăm (%) giữa trị trung bỡnh số quan trắc và số mụ phỏng. Nếu mụ hỡnh là tốt thỡ hàm mục tiờu trị trung bỡnh phải tối thiểu húa (tiến đến trị 0):
ii). Phƣơng sai (variance) Vx:
Mụ hỡnh đƣợc xem là tốt khi hàm mục tiờu của phƣơng sai là tối thiểu húa:
iii). Độ lệch chuẩn (standard deviation) Sx:
Mụ hỡnh đƣợc xem là tốt khi hàm mục tiờu của độ lệch chuẩn là tối thiểu húa:
Mụ hỡnh đƣợc xem là tốt khi hàm mục tiờu của hệ số biến động là tối thiểu húa:
v). Hệ số thiờn lệch (skewness) CSx:
Mụ hỡnh đƣợc xem là tốt khi hàm mục tiờu của hệ số thiờn lệch là tối thiểu húa:
vi). Sai số thống kờ:
+ Sai số chuẩn của trị trung bỡnh (standard error of the mean) cỏc trị quan trắc:
+ Sai số tiờu chuẩn trung bỡnh (root mean square error - RMSE) của trị quan trắc xi và trị mụ phỏng yi:
Trị RMSE càng gần 0 thỡ mức phự hợp giữa thực tế và mụ hỡnh càng cao. Hệ số tƣơng quan R giữa trị quan trắc và trị mụ phỏng cỏc định theo:
Trong đú:
X và Y - trị trung bỡnh của cỏc trị quan trắc và cỏc trị mụ phỏng; xi và yi - trị quan trắc và trị mụ phỏng đƣợc ở thời điểm thứ i; n - số thời điểm quan trắc (hoặc tổng số trị quan trắc)
• Hệ số tƣơng quan R càng gần tiến đến ± 1 thỡ mức đồng tƣơng quan càng lớn.
• Khi R > 0 thỡ tƣơng quan là đồng biến và khi R < 0 thỡ tƣơng quan là nghịch biến.
• R càng tiến về 0 thỡ tƣơng quan càng kộm.
• Hàm mục tiờu của hệ số tƣơng quan là tối đa húa, R → 1
vii). Độ dốc b (slope) cho đƣờng bỡnh phƣơng cực tiểu (least-square line) thể hiện sự quan hệ giữa sự thay đổi xu thế mụ phỏng và sự thay đổi xu thế quan trắc:
Hàm mục tiờu của độ dốc b là tối đa húa đến trị đơn vị, nghĩa là b càng tiến đến 1 thỡ khả năng "phự hợp" của cỏc trị số càng cao.
xiii). Hằng số nền (base constant) hay độ chắn y (y-intercept)
Nếu quan hệ là đồng biến thỡ y = ax + b. Hàm mục tiờu của a → 0. ix). Tổng cỏc thống kờ bỡnh phƣơng (sums of squares statistics)
+ Toàn tổng cỏc bỡnh phƣơng (total sum of squares - SST) là một số đo sự phõn tỏn của cỏc giỏ trị mụ phỏng so với trị trung bỡnh. STT đƣợc xỏc định nhƣ sau:
+ Tổng cỏc bỡnh phƣơng giải nghĩa (explained sum of squares - SSR) là tổng sai lệch cỏc giỏ trị mụ phỏng (lấy từ đƣờng quan hệ tuyến tớnh giữa cỏc chuỗi thực đo và chuỗi mụ hỡnh) với trị trung bỡnh mụ phỏng:
Trị i y là giỏ trị xỏc định trờn đƣờng thẳng quan hệ tuyến tớnh giữa cỏc số đo thực tế và cỏc số mụ phỏng, nhƣ hỡnh 4.2:
Hỡnh 4.1 Giỏ trị i yˆ trờn đƣờng quan hệ tuyến tớnh giữa số thực đo và số mụ phỏng + Tổng cỏc bỡnh phƣơng phi giải nghĩa (unexplained sum of squares - SSE) là tổng bỡnh phƣơng cỏc khoảng lệch cực tiểu (y yˆ ) i i − , nhƣ minh họa trờn hỡnh 4.2.
+ Tƣơng quan của 3 trị tổng bỡnh phƣơng trờn là:
Thực chất, sai lệch này là sai số làm trũn, do vậy dấu bằng (=) nờn thay là dấu xấp xỉ (≈):
SST ≈ SSR + SSE (4-20)
x). Hệ số định trị (coefficient of determination) dựng để đo mức độ phối hợp giữa cỏc trị mụ phỏng và cỏc trị lấy từ đƣờng quan hệ mụ phỏng:
Giỏ trị r2
luụn luụn nhỏ hơn 1 nhƣng khụng thể là giỏ trị nhỏ hơn 0. Trị r2 càng cao càng chứng tỏ mức độ phối hợp càng tốt. Hàm mục tiờu của hệ số định trị là tối đa húa trị r2.
xi). Hệ số hữu hiệu (coefficient of efficiency) là số đo mức độ phối hợp giữa cỏc giỏ trị quan trắc và trị mụ phỏng.
Giỏ trị E cú thể dƣới số 0 nhƣng khụng thể lớn hơn 1. Hàm mục tiờu của hệ số hữu dụng là tối đa húa trị E tiến đến trị r2.
xii). Hệ số đồng thuận (coeffient of agreement - IA) thể hiện sự hài lũng về mức độ tiờn đoỏn sai số của mụ hỡnh từ phƣơng trỡnh hồi quy:
Giỏ trị IA càng gần đến 1 thỡ sự đồng thuận cao, càng gần đến 0 thỡ sự bất đồng thuận lớn. Hàm mục tiờu cho hệ số đồng thuận là tối đa húa IA → 1.
4.3. Vấn đề kiểm nghiệm mụ hỡnh 4.3.1. Cỏc vấn đề thƣờng gặp 4.3.1. Cỏc vấn đề thƣờng gặp
• Trong kiểm nghiệm mụ hỡnh, lý tƣởng nhất là số liệu quan trắc cú đầy đủ sự kiểm soỏt chất lƣợng, đủ chi tiết và đủ độ dài theo thời gian.
• Thực tế là chuỗi số liệu khụng đủ dài, cần phải cú cỏc phƣơng phỏp mới để kộo dài chuỗi số liệu từ thực tế ngoài hiện trƣờng hoặc lấy thờm từ cỏc lƣu vực tƣơng tự, tỡnh huống mụi trƣờng xấp xỉ.
• Cần thiết phải đỏnh giỏ cỏc ảnh hƣởng do sự khụng chắc chắn của cỏc thụng số nhập vào mụ hỡnh khi xem xột sự thể hiện mụ hỡnh.
• Cỏc số liệu thực tế nghốo nàn cú thể dẫn đến sự hiệu chỉnh và kiểm chứng sai lạc. Một số ngƣời làm mụ hỡnh cố gắng sử dụng phộp ngoại suy để kộo dài chuỗi số liệu cú thể dẫn đến tỡnh trạng cú kết quả giải đỏp đỳng cho những nguyờn nhõn sai lầm. Điều này làm hạn chế hiệu quả mụ hỡnh.
4.3.2. Hậu kiểm việc phờ chuẩn và kiểm nghiệm mụ hỡnh
• Mặc dầu việc hiệu chỉnh và kiểm chứng cú thể thỏa món một số chỉ tiờu thống kờ nhƣng cũng cần đỏnh giỏ độ chớnh xỏc của mụ hỡnh khi tiờn đoỏn kết quả cho tƣơng lai. Bƣớc làm này gọi là hậu kiểm (post-audit).
• Trong cụng việc hậu kiểm, cỏc dữ liệu mới sẽ đƣợc thu thập nhiều năm sau khi việc nghiờn cứu mụ hỡnh đó hoàn tất trƣớc đú. Việc vận hành mụ hỡnh với chuỗi số liệu mới để đỏnh giỏ mức độ chớnh xỏc tiờn đoỏn đầu ra. Cú thể cú những thay đổi yếu tố vật lý nhƣ địa hỡnh, độ che phủ mặt đất, thay đổi khi sử dụng nguồn nƣớc và cỏc tài nguyờn khỏc làm cỏc thụng số mụ hỡnh đó nghiờn cứu trƣớc đú khụng cũn chớnh xỏc nữa hay xuất hiện những khỏc biệt cú ý nghĩa.
• Khi mụ hỡnh cũ khụng cũn thỏa món kết quả sự tiờn đoỏn, nhất thiết phải hiệu chỉnh và kiểm nghiệm lại cỏc thụng số hoặc phải thay đổi giả thiết, thuật tớnh toỏn, và thậm chớ thay đổi cấu trỳc, khỏi niệm mụ hỡnh.
CHƢƠNG 5. ỨNG DỤNG Mễ HèNH HểA MễI TRƢỜNG 5.1. Sơ đồ phỏt triển và ứng dụng mụ hỡnh
Hỡnh 5.1 là sơ đồ tổng quỏt cho cỏc bƣớc hoàn chỉnh việc phỏt triển và ứng dụng một mụ hỡnh. Trong đú 2 quỏ trỡnh đƣợc xem là quan trọng là lập trỡnh thuật toỏn và đỏnh giỏ kết quả của mụ hỡnh.
Hỡnh 5.1 Sơ đồ phỏt triển và ứng dụng mụ hỡnh
5.2. Xu thế phỏt triển mụ hỡnh húa mụi trƣờng theo quy mụ khụng gian
Cỏc diễn biến trong chu trỡnh thủy văn là một trong cỏc yếu tố quan trọng của cỏc quan hệ mụi trƣờng - sinh thỏi. Sự biến đổi khớ hậu diễn ra liờn tục từ mức toàn cầu đến mức vi khớ hậu trong một khụng gian nhỏ đều cú những quan hệ tƣơng tỏc.
Ảnh hƣởng này đó đƣợc một số nhà thủy văn mụi trƣờng mụ phỏng từ nhiều cấp qui mụ khụng gian (Hỡnh 5.2).
PHẦN III. Mễ HèNH HểA CHẤT LƢỢNG NƢỚC VÀ ỨNG DỤNG Mễ HèNH HểA CHẤT LƢỢNG NƢỚC
CHƢƠNG 6. CHẤT LƢỢNG NƢỚC VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG NGUỒN NƢỚC
6.1. Nguồn nuớc và phõn loại nguồn nƣớc
6.1.1. Sự hỡnh thành chất lƣợng và thành phần tớnh chất nguồn nƣớc
Cỏc yếu tố và cỏc quỏ trỡnh hỡnh thành thành phần hoỏ học của nƣớc thiờn nhiờn bao gồm hai nhúm: cỏc yếu tố tỏc động trực tiếp và cỏc yếu tố điều khiển cỏc quỏ trỡnh hỡnh thành chất lƣợng nƣớc diễn ra trong dũng chảy
Cỏc yếu tố tỏc động trực tiếp:
Khoỏng vật, thổ nhƣỡng, sinh vật và con ngƣời. Cỏc yếu tố này tỏc động làm cho nồng độ cỏc chất trong nƣớc tăng lờn và giảm đi.
.Quỏ trỡnh khoỏng vật hoỏ: diễn ra rất phức tạp, phụ thuộc vào đặc điểm của thành phần khoỏng vật: nhan thạch hiếu nƣớc, kỵ nƣớc và ngậm nƣớc..Cỏc loại muối: NaCl, CaCO3, CaSO4...
.Khoỏng vật phong hoỏ: allluminoSilicat (nhụm silic) chiếm phần lớn trong lớn vỏ trỏi đất phong hoỏ chuyển vào nƣớc.
.Khoỏng vật sột: thành phần chớnh của nhan thạch.
Thổ nhƣỡng (đất trồng) : khỏc với thành phần khoỏng vật, thổ nhƣỡng ngoài cỏc thành phần vụ cơ (90-95%) trong đất trồng cũn cú cỏc thành phần hữu cơ và hữu cơ khoỏng vật. Thành phần hữu cơ cú nguồn gốc: sản phẩm phõn huỷ gốc động vật, thực vật và sản phẩm của cỏc quỏ trỡnh sinh hoỏ trong đất. Sự xõm nhập vào mụi trƣờng nƣớc phụ thuộc vào cỏc yếu tố khớ tƣợng thuỷ văn, địa hỡnh, lƣợng mƣa và cƣờng độ mƣa.
Sinh vật và con ngƣời
Cỏc sinh vật cú vai trũ rất đa dạng và rộng rói. Thực hiện cỏc chu trỡnh sinh -địa- hoỏ: điều chỉnh cõn bằng sinh thỏi, tạo năng suất sinh học sơ cấp (tảo, phự du...) và cỏc chất hữu cơ ban đầu (vi khuẩn cố định đạm)...
Cỏc hoạt động phỏt triển gõy ụ nhiễm nguồn nƣớc
Cỏc yếu tố điều khiển
Cỏc yếu tố điều khiển bao gồm : khớ hậu, địa hỡnh, chế độ thuỷ văn, sự phỏt triển của hệ thực vật thuỷ sinh.
Khớ hậu: ảnh hƣởng trực tiếp đến lƣu lƣợng và nồng độ cỏc chất, nhiệt độ ảnh hƣởng đến cỏc phản ứng hoỏ học, sinh học...
Địa hỡnh: ảnh hƣởng giỏn tiếp đến cỏc quỏ trỡnh khoỏng hoỏ, xúi mũn và rửa trụi bề mặt.
Chế độ thuỷ văn: thành phần của nƣớc, nồng độ cỏc chất hoỏ học trong nƣớc phụ thuộc vào dũng chảy. Chiều dài dũng chảy, diện tớch lƣu vực.
Quỏ trỡnh hỡnh thành chất lƣợng nƣớc
Quỏ trỡnh khuếch tỏn: là quỏ trỡnh dịch chuyển cỏc chất hoà tan, phõn tỏn trong nƣớc do ảnh hƣởng của gradient nồng độ. Tuõn thủ theo định luật Fick
Quỏ trỡnh chuyển khối do khuếch tỏn đối lƣu. Vận chuyển (tải cỏc chất trong dũng chảy, sự xỏo trộn).
Cỏc quỏ trỡnh vận chuyển cỏc chất vào trong nguồn nƣớc:
Thuỷ phõn: phản ứng trao đổi giữa nƣớc và cỏc loại khoỏng chất.
Hoà tan: phỏ huỷ cấu trỳc mạng tớnh thể của cỏc loại muối và phõn ly thành cỏc dạng ion
Cỏc quỏ trỡnh tỏch cỏc vật chất khỏi nguồn nƣớc
Bao gồm cỏc qỳa trỡnh lắng: do tỷ trọng, nồng độ vƣợt giới hạn bảo hoà, quỏ trỡnh hấp phụ, quỏ trỡnh keo tụ, cỏc quỏ trỡnh phản ứng giữa cỏc hợp chất và cỏc quỏ trỡnh sinh thỏi chất lƣợng nƣớc.
Thành phần và tớnh chất của nƣớc thiờn nhiờn:
Cỏc ion hoà tan:
Nuớc là một dung mụi rất tốt để hoà tan hầu hết cỏc loại khoỏng chất vụ cơ, cỏc axit, bazơ và cỏc muối vụ cơ. Cỏc ion chủ yếu trong nƣớc là cỏc ion của cỏc loại muối khoỏng, Cl-
Mg2+,Mn2+ ... chiếm khoảng 90-95% trong nƣớc ngọt và trong cỏc nguồn nƣớc khoỏng >99% trong tổng số cỏc chất hoà tan.
Hàm lƣợng cỏc ion hoà tan phụ thuộc vào đặc điểm khớ hậu, địa mạo và vị trớ của thuỷ vực.
Đặc điểm hỡnh thành cỏc ion hoà tan của cỏc dũng chảy do cỏc nhõn tố chủ đạo quyết định: lƣợng nƣớc mƣa, bốc hơi và quỏ trỡnh phong húa.
Cỏc chất khớ hoà tan:
Hầu hết tất cả cỏc chất khớ (trừ CH4) đều cú khả năng hoà tan hoặc phản ứng với nƣớc. Thành phần cỏc chất khớ phụ thuộc vào điều kiện tự nhiờn của nguồn nƣớc. Cỏc quỏ trỡnh hỡnh thành chất khớ trong nƣớc tự nhiờn: hoà tan từ khớ quyển (O2, N2, CO2, cỏc loại khớ trơ...) sản phẩm từ cỏc quỏ trỡnh sinh hoỏ (H2S,CH4,N2,CO2...) và quỏ trỡnh biến đổi trong khoỏng chất cú sẵn trong nƣớc ngầm.
Nồng độ cỏc chất khớ hoà tan tuõn thủ theo định luật Herry: Cỏc chất rắn: Phõn loại theo tỷ trọng: lắng đƣợc d>10-5 m và lơ lửng. Theo kớch thƣớc: lọc đƣợc d >10-6m và khụng lọc đƣợc, cỏc hợp chất keo d = 10-6 - 10-8 m và dạng hoà tan d <10-9m Cỏc chất hữu cơ:
Hàm lƣợng chất hữu cơ thấp ớt gõy nguy hiểm đến việc sử dụng nguồn nƣớc, nguợc lại bị ụ nhiễm. Cỏc chất hữu cơ đƣợc chia thành cỏc dạng dờ phõn huỷ sinh học và khú bị phõn huỷ.
Thành phần sinh học:
Thành phần và mật độ cơ thể sống phụ thuộc vào : thành phần hoỏ học của nguồn nƣớc, chế độ thuỷ văn, địa hỡnh nơi cƣ trỳ, khớ hậu. Cỏc loại thuỷ sinh vật trong nƣớc: vi khuẩn, nấm, siờu vi trựng, tảo, nguyờn sinh động vật, động vật đa bào, động vật cú xƣơng, nhuyễn thể...
Cỏc hỡnh thức sống trong nguồn nƣớc rất đa dạng: dạng phự du (plankton, phytoplankton, macroplanton); cỏ, sinh vật sống bỏm, sinh vật đỏy... Vi khuẩn đúng
vai trũ quan trọng trong việc phõn huỷ cỏc chất hữu cơ, hỗ trợ quỏ trỡnh tự làm sạch nguồn nƣớc cú ý nghĩa to lớn về mặt sinh thỏi. Cỏc loại vi khuẩn chia thành hai loại: tự dƣỡng (heterophic) và dị dƣỡng (autotrophic).
6.1.2. Phõn loại nguồn nƣớc
• Theo mục đớch sử dụng đƣợc chia thành cỏc loai nguồn nƣớc: cấp cho sinh hoạt, và cỏc mục đớch khỏc nhƣ giải trớ, tiếp xỳc với nguồn nƣớc và nuụi trồng cỏc