Bài giảng Mô hình hóa môi trường: Chương 1 - GV. Trương Thị Thu Hương

Chia sẻ: Ngọc Lựu | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:12

0
114
lượt xem
17
download

Bài giảng Mô hình hóa môi trường: Chương 1 - GV. Trương Thị Thu Hương

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng môn Mô hình hóa môi trường - Chương 1: Tổng quan về mô hình hóa môi trường trình bày các khái niệm, chức năng của mô hình hóa môi trường, các bước thực hiện mô hình hóa môi trường, giới thiệu một số mô hình mô hình hóa môi trường.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Mô hình hóa môi trường: Chương 1 - GV. Trương Thị Thu Hương

  1. 10-May-11 MÔ HÌNH HÓA MÔI TRƯỜNG Vị trí của môn học Mục tiêu môn học MÔ HÌNH Phương pháp tiếp HÓA MÔI cận của môn học TRƯỜNG GIỚI THIỆU MÔN HỌC Tài liệu tham khảo Nội dung môn học LOGO www.themegallery.com Company Logo Mục tiêu môn học - Giúp cho sinh viên làm quen với PP mô hình toán học - Giới thiệu các mô hình toán ứng dụng để giải quyết các bài toán MT - Hướng tới kỹ năng suy nghĩ logic, sáng tạo • Là cơ sở lý luận và thực tiễn của phương pháp mô hình hóa MT •Biết cách ứng dụng cụ thể của mô hình trong công tác quản lý môi trường hiện nay MỐI LIÊN HỆ GIỮA MHH MT •Ứng dụng một số phần mềm tính tự động hóa tính VÀ CÁC MÔN HỌC KHÁC toán ô nhiễm, quản lý môi trường. www.themegallery.com Company Logo www.themegallery.com Company Logo 1 http://www.iesemhui.org
  2. 10-May-11 Phương pháp tiếp cận của môn học Phương pháp tích hợp • Xây dựng giản đồ thông tin • Nắm bắt các qui luật vật lý trong từng bài toán; • Các công cụ toán được sử dụng để tham số hóa các qui luật vật lý. Một số kiến thức toán được sử dụng trong MHH: phương trình vi phân, điều kiện ban đầu, điều kiện biên, phương pháp giải số, biểu diễn kết quả; • Công cụ tin học: các phần mềm; • Tài liệu tham khảo. www.themegallery.com Company Logo www.themegallery.com Company Logo Lợi ích khi ứng dụng mô hình toán Một số tài liệu tham khảo • Kiểm soát những ảnh hưởng đến môi trường • Thay thế các công cụ đo đạc tốn kém • Ứng dụng công nghệ thông tin • Thay đổi cách quản lý được dễ dạng hơn www.themegallery.com Company Logo www.themegallery.com Company Logo 2 http://www.iesemhui.org
  3. 10-May-11 Tiêu chuẩn đánh giá sinh viên 1 buổi Chương 1: Tổng quan về mô hình hóa môi trường (4t) Dự lớp: trên 75% Chương 2: Mô hình hóa môi trường nước sông Thảo luận theo nhóm 2 buổi Tiểu luận Nội (8t) Kiểm tra thường xuyên dung Chương 3: Mô hình hóa môi trường nước hồ Thi giữa học phần môn Chương 4: Mô hình hóa môi trường không khí 2 buổi (8t) Thi kết thúc học phần học Khác: theo yêu cầu của giảng viên Chương 5: Mô hình hóa môi trường đất 1 buổi (4t) 1 buổi Chương 6: Mô hình hóa bãi chôn lấp chất thải rắn (4t) www.themegallery.com Company Logo www.themegallery.com Company Logo Bài 1 Nội dung Chương 1 TỔNG QUAN VỀ Giới thiệu MÔ HÌNH HÓA MÔI Các khái niệm một số mô hình TRƯỜNG Chức năng của Các bước thực hiện MHH MT MHH MT www.themegallery.com Company Logo www.themegallery.com Company Logo 3 http://www.iesemhui.org
  4. 10-May-11 Các khái niệm •Ngày nay hầu hết các ngành khoa học đều sử dụng “mô hình”, (“model”) • Mô hình không chỉ xuất hiện trong khoa học tự nhiên mà còn xuất hiện trong khoa học xã hội. • Với nhiều nhà nghiên cứu, mô hình được hiểu là các mô hình số phức tạp chạy trên máy tính, trong một số ngành khoa học khác thì mô hình được hiểu như một dạng mẫu tương tự. Mô hình • Tuy nhiên có nhiều thuật ngữ “mô hình” được sử dụng rất khác nhau. là gì ? www.themegallery.com Company Logo www.themegallery.com Company Logo Các khái niệm (tt) § Mô hình là một đối tượng nhỏ, thường được xây dựng theo tỷ lệ, nó mô tả một vài đối tượng thực tế trong tự nhiên. § Mô hình là một mẫu thể hiện một sự vật còn chưa được xây dựng trên thực tế, được xem như là kế hoạch và sẽ được xây dựng. § Thuật ngữ “model” có thể là một mẫu được sử dụng để trắc nghiệm về ngữ pháp “ hai mẫu câu có cấu trúc văn phạm tương phản nhau”. Tóm lại: § Thuật ngữ “model”có thể được dùng như một kiểu mẫu thiết kế của một Mô hình là một đối tượng cụ thể nào đó đối tượng cụ thể. dùng thay thế cho một nguyên bản § Thuật ngữ “model” có thể được dùng cho đối tượng là người tiêu biểu tương ứng để có thể giải quyết một cho một hay nhiều tiêu chí khác nhau. nhiệm vụ nhất định trên cơ sở đồng § Thuật ngữ “model” có thể là người hay vật thể phục vụ cho họa sĩ hay dạng về cấu trúc và chức năng người chụp hình nghệ thuật. § Thuật ngữ “model” có thể dùng chỉ người có nghề nghiệp là trình diễn thời trang. www.themegallery.com Company Logo www.themegallery.com Company Logo 4 http://www.iesemhui.org
  5. 10-May-11 Mô hình trong khoa học ? § Theo Pierre Duhem- nhà vật lý người Pháp: “Mô hình trong KH chỉ là một công cụ để giải thích về lý thuyết và Theo quan điểm của Stehr không tồn tại có thể được loại bỏ một khi một lý thuyết khác được phát triển”. phương pháp chung cho mô hình hóa § Theo Campell- nhà vật lý người Anh: nhưng có hai thuộc tính thường cần được “Mô hình là một phần thiết yếu (của lý thuyết), không có nó lý quan tâm trong quá trình mô hình hóa, đó là: thuyết sẽ hoàn toàn không có giá trị” • Chất lượng mô hình § Theo Nico Stehr Ø Mô hình là công cụ giúp dự báo cũng như tính toán trước những hậu quả có thế trong thực thi các dự án kinh tế và phát • Kết quả định lượng được tạo ra từ mô hình. triển xã hội. Ø Dự báo này được xây dựng trên những tri thức về đặc trưng của các quá trình xảy ra trong thiên nhiên, qui luật phát triển xã hội và sự ảnh hưởng lẫn nhau trong mối quan hệ tương hỗ này. www.themegallery.com Company Logo www.themegallery.com Company Logo Mô hình hóa môi trường là gì ? Một tác nhân ô nhiễm sau khi được đưa ra từ nguồn sẽ bị chuyển Vì sao cần mô hình hóa môi trường ? hóa, biến đổi về thành phần và khối lượng do tác động của các yếu tố môi trường (nhiệt độ, gió, nước, địa hình, sinh vật…) Trong nhiều trường hợp sự chuyển hóa, phân tán hoặc pha loãng . Xây dựng các PP đánh giá sự bền vững của các HST chất ô nhiễm theo thời gian và không gian có thể được dự báo bằng . Nghiên cứu các quy luật biến đổi theo thời gian của các phương pháp mô hình hóa môi trường HST . Hoàn thành các phương pháp đánh giá định lượng tác động môi trường của các hoạt động kinh tế - xã hội. Mô hình hóa môi trường là cách tiếp cận toán học mô phỏng diễn biến chất lượng Để giải quyết tốt nhiệm vụ trên, cần thiết phải phát môi trường dưới ảnh hưởng của một hoặc triển lý thuyết hệ thống và mô hình hóa, coi đây là tập hợp các tác nhân có khả năng tác động công cụ chính để nghiên cứu môi trường. đến môi trường, dự báo tác động môi trường và kiểm soát các nguồn gây ô nhiễm www.themegallery.com Company Logo www.themegallery.com Company Logo 5 http://www.iesemhui.org
  6. 10-May-11 Mô hình toán là gì? Nguyên lý của mô Mô hình toán học của một đối tượng bất kỳ là mô tả nó bằng các hình hóa công cụ, phương pháp toán học. Cụ thể hơn trong môi trường, mô hình toán là các công thức để tính toán các quá trình hóa học, vật lý và sinh học được mô phỏng từ hệ thống thực Rất nhiều biểu thức toán học các quá trình liên quan tới mô phỏng môi trường sinh thái đã tồn tại: v Các quá trình vật lý: các quá trình lan truyền, hấp thụ, sự phụ thuộc nhiệt độ, bay hơi. v Các quá trình hóa học: ôxy hóa, ion hóa, ... v Các quá trình sinh học: quang hợp, sự tăng trưởng, sự lắng trầm tích, sự phân rã, ... www.themegallery.com Company Logo www.themegallery.com Company Logo Khả năng của mô hình toán Tóm lại § Bằng các công cụ mang tính hình thức để giải phương MHH các quá trình và hiện tượng xảy ra trong xã hội và trình và các bất phương trình hay bằng thuật toán người thiên nhiên được thừa nhận như một công cụ mạnh giúp nghiên cứu có thể dự báo sự thay đổi hành vi của đối hiểu biết sâu hơn bản chất của tự nhiên và giúp loài tượng nghiên cứu. người nhận được thông tin quí giá về thế giới thực. § Xem các đối tượng này thay đổi như thế nào khi các Thông tin nhận được từ quá trình mô hình hóa tiếp tục điều kiện này hay điều kiện khác thay đổi (được mô tả thúc đẩy sự phát triển các phương pháp mới giải quyết bởi các tham số của mô hình). các bài toán khoa học cũng như làm cơ sở thông qua các quyết định quản lý cụ thể. § Quá trình này gọi là mô phỏng toán học. www.themegallery.com Company Logo www.themegallery.com Company Logo 6 http://www.iesemhui.org
  7. 10-May-11 Phân loại mô hình Mô hình quản lý môi trường có một số đặc điểm riêng: Bài toán quản lý có thể được phát biểu như sau: nếu một số biến ngoại sinh (hay hàm điều khiển) thay đổi thì điều này sẽ gây ảnh hưởng thế nào tới hệ sinh thái. Loại mô hình Đặc điểm Mô hình môi trường được sử dụng để trả lời cho câu hỏi này, nói cách Mô hình nghiên cứu (Research models) Được sử dụng như công cụ nghiên cứu khác mô hình môi trường được dùng để dự báo. Mô hình quản lý (Management models) Được sử dụng như công cụ quản lý Mô hình tiền định (Deterministic Giá trị dự đoán được tính toán chính xác Mô hình quản lý và mô hình kiểm soát models) Mô hình dự đoán (Stochastic models) Giá trị dự đoán phụ thuộc vào phân bố Khi chúng ta chọn các phương án tính toán khác nhau, có nghĩa là chúng ta xác suất hình thành các kịch bản (cho mô hình chạy). Trong số các kịch bản này ta Mô hình hộp (Compartment models) chọn kịch bản phù hợp với chính sách phát triển kinh tế - xã hội nhất. Khi đó Các biến xác định hệ thống được mô hình được sử dụng như một mô hình quản lý. lượnghóa bằng các phương trình vi phân phụ thuộc thời gian Chúng ta biến mô hình này thành mô hình kiểm soát khi chúng ta muốn đạt Mô hình ma trận Sử dụng ma trận trong các công thức toán được mức độ nồng độ cho phép ở một ngưỡng xác định nào đó. www.themegallery.com Company Logo www.themegallery.com Company Logo CÁC CHỨC NĂNG CỦA MÔ HÌNH CÁC CHỨC NĂNG CỦA MÔ HÌNH HÓA MÔI TRƯỜNG HÓA MÔI TRƯỜNG (tt) Việc ứng dụng các mô hình môi trường trong sinh thái học và môi trường đã cho thấy những thuận lợi của Vai trò chính của mô hình hóa MT đó là: chúng như là công cụ hữu dụng trong môi trường: ü Đánh giá tổng hợp của các yếu tố đối với từng 1. Mô hình là những công cụ hữu ích trong khảo sát các hệ thống thành phần môi trường phức tạp ü Đánh giá tổng hợp đến các thành phần môi trường ü Đánh giá nhanh nhằm hỗ trợ ra quyết định 2. Mô hình có thể được dùng để phản ánh các đặc tính của HST ü Đánh giá sự vận chuyển, biến đổi, chuyển hóa của 3. Mô hình phản ánh các lỗ hỗng về kiến thức và do đó có thể các chất ô nhiễm được dùng để thiết lập nghiên cứu ưu tiên. ü Đánh giá và dự báo lan truyền ô nhiễm theo không gian và thời gian 4. Mô hình là hữu ích trong việc kiểm tra các giả thiết khoa học, vì mô hình có thể mô phỏng các tác dụng bên trong của hệ sinh thái, dùng nó để so sánh với các quan sát. www.themegallery.com Company Logo www.themegallery.com Company Logo 7 http://www.iesemhui.org
  8. 10-May-11 dm dt = CÁC BƯỚC THỰC HIỆN MÔ Các thành phần trong quá trình HÌNH HÓA MÔI TRƯỜNG mô hình hóa môi trường Biến trạng thái (state variables): Mô tả tình trạng của hệ sinh thái Ví dụ Các nguyên lý cơ Nếu chúng ta muốn mô hình hóa sự tích lũy sinh học của độc chất, khi đó bản cần lấy biến trạng thái là sinh vật trong các chuỗi thức ăn quan trọng và Các giai đoạn Nguyên lý bảo toàn nồng độ các chất độc trong cơ thể sinh vật. khối lượng Trong mô hình phú dưỡng: biến trạng thái sẽ là nồng độ các chất dinh Các thành phần dưỡng và phiêu sinh thực vật. Giai đoạn lý thuyết dm Giai đoạn thực = Đầu vào – Đầu ra • Biến trạng thái nghiệm dt Hàm điều khiển (biến ngoại sinh)- (forcing function): Là hàm số của • Hàm điều khiển Giai đoạn diễn giải các biến đặc tính bên ngoài có ảnh hưởng đến tình trạng của hệ • Phương trình toán sinh thái. Nếu hàm điều khiển nằm trong tầm kiểm soát thì được • Tham số gọi là hàm kiểm soát. • Hằng số Ví dụ Trong các mô hình độc học sinh thái, hàm kiểm soát là các chất độc đầu vào hệ sinh thái. Trong mô hình phú dưỡng thì hàm kiểm soát là các chất dinh dưỡng đầu vào. www.themegallery.com Company Logo www.themegallery.com Company Logo Các thành phần trong quá trình mô hình hóa môi trường (tt) Phương trình toán Các giai đoạn (mathematical equations): cơ bản của Được sử dụng để biểu diễn các quá trình sinh học, hóa quá trình xây học và vật lý. Chúng mô tả dựng mô hình mối quan hệ giữa hàm điều môi trường khiển và biến trạng thái Tham số (parameters): Là hệ Người làm mô hình số trong các phương trình phải quan tâm tới các thành phần toán biểu diễn quá trình. tham gia vào mô hình. Hằng số (universal constants). Ví dụ về mô hình hệ sinh thái nước với các biến trạng thái : S1, Các phương trình Ví dụ như hằng số khí và trọng S2, , S3, S4, S5; các biến ngoại và các tham số liên lượng nguyên tử được sử dụng sinh V1, V2. quan phải phản ánh trong hầu hết các mô hình. đúng các thành phần của mô hình www.themegallery.com Company Logo www.themegallery.com Company Logo 8 http://www.iesemhui.org
  9. 10-May-11 dc = V dt Các nguyên lý cơ bản áp dụng trong xây dựng mô hình môi trường Các mô hình hóa- sinh học phải tuân thủ nguyên lý bảo tồn khối lượng cũng như nguyên lý bảo toàn năng lượng và động lượng. Mô hình Streeter – Phelps (năm 1925) là một mô hình cổ điển cho hệ sinh thái nước mặt dựa trên nguyên lý bảo toàn vật chất Nguyên lý bảo toàn vật chất có thể được thể hiện bằng công thức toán học và nguyên lý động lượng bậc nhất. Mô hình này có dạng sau đây: phương trình: dm = Đầu vào – Đầu ra dt D Cs – C(t) Cs Nồng độ của ôxy bão hòa Thay m = V.C, trong đó C là nồng độ, V – là thể tích của hệ, ta có công thức C(t) Nồng độ ôxy hiện tại dD dc + K a D = L0 K1 KT −20e −Kt T t Thời gian V = Đầu vào – Đầu ra dt Ka Hệ số phản xạ dt L0 BOD5 tại thời điểm ban đầu Nếu sử dụng nguyên lý bảo tồn khối lượng cho các thành phần hóa học, có K1 Hệ số phân hủy sinh học thể biến đổi phương trình trên như sau: KT Hằng số nhiệt độ dc V = Đầu vào – Đầu ra + Bổ sung – Biến đổi dt www.themegallery.com Company Logo www.themegallery.com Company Logo Các bước thực hiện mô hình hóa GIỚI THIỆU KHÁI QUÁT MỘT SỐ MÔ HÌNH ỨNG DỤNG TRONG MÔI TRƯỜNG Xây dựng các Phân tích Mô hình môi trường nước mục tiêu độ nhạy Mô hình HSPF (Hydrological Simulation Program Fortran (USEPA), 1984): Mô phỏng trong không gian 2 chiều ở trạng thái động lực với các thông số chất lượng nước: các chất hoà tan, SS, DO, các chất dinh dưỡng và các loại vi khuẩn chỉ thị. Dự báo xu thế thay đổi chất lượng nước trong dòng chảy sau các trận mưa và các Xem xét các cơ Hiệu chỉnh và thông tin về việc thu nước ở các kênh. sở lý thuyết sửa chữa Mô hình SWMM (Storm Water Management Model): Phát triển trên cơ sở mô hình HSPF, tính toán xu thế biến đổi chất lượng nước cho cả một lưu vực sông...với các nguồn thải không điểm. Mô hình SWMM là mô hình 1 chiều với trạng Xây dựng công Triển khai chương thái động lực mô phỏng sự chảy tràn nước mưa qua các vùng đất nông nghiệp và các khu vực đô thị với các thông tin về dòng chảy của các hệ thống thu gom nước. thức mô phỏng trình máy tính Mô hình WAPS (USEPA): Ghép nối mô hình thuỷ lực (DYNHYD) với mô hình lan truyền chất (WAPS), mô phỏng sự lan truyền và chuyển hóa các chất ô nhiễm trong dòng chảy. Tùy theo mục đích, số liệu đầu vào và các thông tin cơ sở về các quá Thiết lập cấu trúc Thiết lập phương trình chuyển hóa các chất trong dòng chảy, có thể sử dụng để tính toán ở các dạng mô hình pháp giải đơn giản, cải tiến hay phức tạp. www.themegallery.com Company Logo www.themegallery.com Company Logo 9 http://www.iesemhui.org
  10. 10-May-11 Mô hình môi trường nước (tt) Mô hình QUAL (tt) Cân bằng nước: Qi = Qi-1 + Qvào,i – Qra, i Hệ thống mô hình MIKE: Hệ thống này có thể tính toán sự lan truyền chất ô nhiễm trong dòng chảy từ các nguồn khác nhau vào các lưu vực khác nhau. Tùy thuộc đối tượng nghiên cứu, yêu cầu tính toán các thông số chất lượng nước trong dòng chảy sông, cửa sông, hồ hay biển mà áp dụng các phiên bản khác nhau như MIKE 11, MIKE 21, MIKE 3, MIKE SHE, MIKE MOUSE và MIKE BASIN. Mô hình QUAL: Mô hình do Đại Học Tufts và Trung tâm Mô hình Chất lượng Nước QUAL: của Cục Môi Trường Hoa Kỳ xây dựng Chức năng: (i) dự báo diễn biến chất lượng nước sông theo không gian và thời gian; (ii) dự báo tải trọng cho phép của các chất ô nhiễm thải vào lưu vực sông; Mô phỏng Tính toán với nhiều nguồn thải khác nhau bao gồm cả nguồn điểm và nguồn diện mạng lưới Các phần tử tính toán có độ dài bằng nhau sông suối www.themegallery.com Company Logo www.themegallery.com Company Logo Mô hình môi trường không khí Mô hình QUAL2K Mô hình GAUSSIAN Môi trường: Windows trường: Mô hình do Viện Kỹ thuật Nhiệt đới và Bảo vệ Môi – MS Excel trường xây dựng Các tính năng tương Môi trường Windows – MS Excel tự như mô hình QUAL2 QUAL2EU Xây dựng trên cơ sở ngôn lập trình: VBA - Visual Basic trình: for Application Xây dựng trên cơ sở ngôn lập trình: VBA - trình: Chức năng: đánh giá và dự báo tác động do khí thải từ năng: Visual Basic for các nguồn điểm đến môi trường không khí theo không Application gian và thời gian www.themegallery.com Company Logo www.themegallery.com Company Logo 10 http://www.iesemhui.org
  11. 10-May-11 Mô hình GAUSSIAN (tt) Mô hình môi trường không khí (tt) Mô hình CAP Tổ chức thành các sheet khác nhau Mô hình do Viện Môi trường và Tài nguyên Lượng phát thải từ xây dựng nguồn điểm là hằng số theo thời gian Môi trường Windows Địa hình bằng phẳng Các tính năng tương tự như mô hình Tốc độ gió không đổi GAUSSIAN theo thời gian www.themegallery.com Company Logo www.themegallery.com Company Logo Mô hình môi trường Mô hình hóa môi trường đất không khí (tt) (mô hình nước dưới đất) Mô hình Envimap Mô hình Vleach Mô hình do Viện Môi trường và Môi trường MS-DOS Tài nguyên xây dựng Cải tiến của mô hình CAP trên Chức năng: đánh giá và dự cơ sở GIS báo lan truyền ô nhiễm của chất hữu cơ trong đất và Tích hợp với GIS – định dạng nước ngầm ở dạng tổng và mif các pha khác nhau: pha khí, pha lỏng và pha rắn Cho phép dự báo tác động của nhiều nguồn thải đồng thời Mô hình 1 chiều (One- Dự báo được thể hiện trên cơ Dimension) sở các đường đẳng nồng đồ tích hợp trên nền bản đồ số Kết quả đầu ra: (i) dạng Text cho dữ liệu; (ii) dạng đồ thị www.themegallery.com Company Logo www.themegallery.com Company Logo 11 http://www.iesemhui.org
  12. 10-May-11 Mô hình môi trường đất (tt) Mô hình MODFLOW Visual MODFLOW là mô hình môi trường đầy đủ nhất và dễ dàng ứng dụng vào thực tế trong dòng chảy nước dưới đất ba chiều và mô phỏng sự lan truyền chất ô nhiễm trong nước dưới đất. Chương trình này được tích hợp đầy đủ bao gồm các modules như: MODFLOW, MODFLOWSURFACT, MODPATH, Zone Budget, MT3Dxx/RT3D, MGO, và WinPEST với giá trị giao diện đồ họa mạnh mẽ và trực quan nhất. Mô hình Saniland ØMô hình do Trung tâm Cung ứng Mô hình, Cục BVMT Hoa Kỳ xây dựng ØMôi trường Windows – MS Excel ØXây dựng trên cơ sở ngôn lập trình: VBA - Visual Basic for Application ØTổ chức thành các sheet khác nhau ØChức năng: đánh giá và dự báo (i) Lượng khí phát sinh từ bãi rác; (ii) Lượng nước rỉ rác phát sinh từ bãi rác ØCho phép thay đổi thành phần rác đầu vào trên cơ sở bảng phân loại qui định theo 2 bậc: bậc 1 và bậc 2 tùy theo mức độ chi tiết của số liệu ØCho phép thay đổi các thông số về cấu trúc của bãi chôn lấp chất thải rắn www.themegallery.com Company Logo 12 http://www.iesemhui.org

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

Đồng bộ tài khoản