Bài giảng Mô hình hóa môi trường - Lê Anh Tuấn

Chia sẻ: 986753421 986753421 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:51

0
237
lượt xem
86
download

Bài giảng Mô hình hóa môi trường - Lê Anh Tuấn

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

Bài giảng gồm có 5 chương vơi những nội dung chính như sau: nhập môn - những khái niệm cơ bản, phân loại và tiến trình mô hình, hiệu chỉnh các thông số mô hình, thể hiện mô hình, ứng dụng mô hình hóa trong môi trường. Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Mô hình hóa môi trường - Lê Anh Tuấn

  1. B GIÁO D C VÀ ÀO T O TR NG I H C C N TH --- oOo --- LÊ ANH TU N, PhD. BÀI GI NG MÔN H C MÔ HÌNH HÓA MÔI TR NG ENVIRONMENTAL MODELING C n Th , 2008
  2. Bài gi ng môn h c MÔ HÌNH HÓA MÔI TR NG Tr ng i h c C n Th ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- L IM U VÀ GI I THI U M CL C L IM U VÀ GI I THI U........................................................................................ ii M C L C .......................................................................................................................... ii Danh sách hình................................................................................................................... iv Ch ng 1. NH P MÔN – CÁC KHÁI NI M C B N ............................................. 1 1.1 V n ..................................................................................................................... 1 1.2 Các nh ngh a và khái ni m c b n ....................................................................... 1 1.2.1 nh ngh a mô hình ........................................................................................ 1 1.2.2 M c tiêu thành l p mô hình ............................................................................ 3 1.2.3 c tr ng c b n c a m t mô hình................................................................. 4 1.3 Mô hình môi tr ng................................................................................................ 6 1.4 L ch s mô hình ...................................................................................................... 6 1.5 Quan h môn h c .................................................................................................... 8 Ch ng 2. PHÂN LO I VÀ TI N TRÌNH MÔ HÌNH............................................... 9 2.1 Phân lo i mô hình ................................................................................................... 9 2.1.1 M c ích phân lo i mô hình ........................................................................... 9 2.1.2 Các nhóm mô hình .......................................................................................... 9 2.2 Ti n trình v n hành mô hình................................................................................. 12 2.2.1 Thu th p d li u ........................................................................................ 13 2.2.2 Mô hình khái ni m .................................................................................... 13 2.2.3 Mô hình gi i tích ho c mô hình s ............................................................ 15 2.2.4 Hi u ch nh mô hình................................................................................... 15 2.2.5 Ki m nghi m mô hình .............................................................................. 15 2.2.6 Tiên oán ho c t i u ............................................................................... 16 2.3 Tiêu chu n ch n l a mô hình................................................................................ 16 2.3.1 Khái ni m .................................................................................................. 16 2.3.2 Mô hình "t t nh t" .................................................................................... 17 2.3.3 Ch n mô hình theo c u trúc và giá tr vào/ra............................................ 18 2.3.4 Ch n mô hình theo v n th c t ............................................................ 19 2.3.5 ánh giá l i vi c ch n l a ........................................................................ 20 Ch ng 3. HI U CH NH CÁC THÔNG S MÔ HÌNH........................................... 21 3.1 Khái quát v n ................................................................................................... 21 3.2 Các b c trong ti n trình hi u ch nh .................................................................... 23 3.2.1 B c xác nh thông tin quan tr ng.............................................................. 23 3.2.2 B c ch n tiêu chu n mô hình ..................................................................... 24 3.2.3 B c hi u ch nh mô hình.............................................................................. 24 3.3 Các ti p c n hi u ch nh thông s mô hình ....................................................... 25 3.3.1 Ti p c n tiên nghi m (a priori approach)...................................................... 25 3.3.2 Ti p c n phù h p ng cong (the curve fitting approach).......................... 25 3.4 Các v n khi thành l p các thông s trong các mô hình môi tr ng ................. 27 3.4.1 Các v n th ng g p khi thành l p thông s ............................................. 27 3.4.2 S hi u ch nh là m t òi h i kh c khe v s li u ......................................... 28 ------------------------------------------------------------------------------------------------------- ii TS. Lê Anh Tu n
  3. Bài gi ng môn h c MÔ HÌNH HÓA MÔI TR NG Tr ng i h c C n Th ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- 3.4.3 T ng tác gi a các thông s ......................................................................... 28 3.4.4 S t ng t l u v c và các v n chuy n d ch thông s ............................ 29 3.4.5 Giá tr thông s và v n quy mô c a mô hình ........................................... 30 3.4.6 V n ngo i suy thông s ............................................................................ 31 Ch ng 4. TH HI N MÔ HÌNH.............................................................................. 32 4.1 Ki m nghi m và nh tr mô hình ......................................................................... 32 4.2 Nghiên c u ki m nghi m ...................................................................................... 32 4.2.1 M c tiêu ........................................................................................................ 32 4.2.2 Hàm m c tiêu................................................................................................ 33 4.2.3 Các tr s th ng kê dùng cho ki m nghi m................................................... 33 4.3 V n ki m nghi m mô hình............................................................................... 37 4.3.1 Các v n th ng g p.................................................................................. 37 4.3.2 H u ki m vi c phê chu n và ki m nghi m mô hình..................................... 38 Ch ng 5. NG D NG MÔ HÌNH HÓA MÔI TR NG ...................................... 39 5.1 S phát tri n và ng d ng mô hình.................................................................. 39 5.2 Xu th phát tri n mô hình hóa môi tr ng theo quy mô không gian.................... 40 5.3 Gi i thi u m t s mô hình môi tr ng ................................................................. 41 5.3.1 Mô hình bi n i khí h u toàn c u................................................................ 41 5.3.2 Mô hình qu n lý l u v c ............................................................................... 42 5.3.3 B mô hình th y l c - th y v n MIKE ......................................................... 43 5.3.4 Mô hình ô nhi m môi tr ng sinh thái n c ng t ........................................ 45 Tài li u tham kh o ............................................................................................................ 46 Ph l c .............................................................................................................................. 47 ------------------------------------------------------------------------------------------------------- iii TS. Lê Anh Tu n
  4. Bài gi ng môn h c MÔ HÌNH HÓA MÔI TR NG Tr ng i h c C n Th ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- Danh sách hình Hình 1.1. Mô hình xe h i th nghi m s d ng n ng l ng m t tr i .................................. 2 Hình 1.2. Mô hình th hi n s thay i kh i l ng n c trong h ch a ............................ 2 Hình 1.3. Mô hình d báo tình hình th gi i n n m 2100............................................... 2 Hình 1.4. ng i c a các ch t gây ô nhi m trong vòng tu n hoàn n c ........................ 3 Hình 1.5. Ba thành t chính c a m t mô hình .................................................................... 4 Hình 1.6: Chia v n l n thành t ng v n riêng r ........................................................ 4 Hình 1.7: Khái quát mô hình theo khoa h c tính toán ........................................................ 5 Hình 1.8: M t trên c a tr ng ng ông S n (hình trái); m t hình kh c mô ph ng hình nh hai con chim u trên mái nhà c a con ng i (hình ph i)........................................... 7 Hình 1.9: Quan h môn h c “Mô hình hóa môi tr ng” v i các môn khác ....................... 8 Hình 2.1. Phân lo i mô hình t ng quát ............................................................................. 11 Hình 2.2. Phân lo i mô hình d a theo mô t ti n trình..................................................... 11 Hình 2.3. Phân lo i mô hình d a vào quy mô không gian và th i gian............................ 12 Hình 2.4. Phân lo i mô hình d a vào ph ng pháp gi i toán........................................... 12 Hình 2.5. Ti n trình c a m t mô hình............................................................................... 13 Hình 2.6. Mô hình khái ni m di n ta quan h m a – dòng ch y ...................................... 14 Hình 2.7 Minh h a vi c phân o n chu i s li u theo th i gian Hi u ch nh và th nghi m khi ch y mô hình.................................................................................................. 16 Hình 2.8 Bi u minh h a quan h gi a ph c t p c a mô hình, m c òi h i c a d li u và kh n ng th hi n k t qu tiên oán c a mô hình ................................................. 17 Hình 3.1 Ti n trình m a – dòng ch y trong m t l u v c ................................................ 21 Hình 3.2 Th y ghi nh n th c t di n bi n m a và dòng ch y cùng th i o n .......... 21 Hình 3.3 S di n t bài toán quan h m a – dòng ch y ............................................ 22 Hình 3.4 Ví d minh h a k t qu l u l ng dòng ch y theo mô hình và theo th c t .... 22 Hình 3.5 Ba b c trong ti n trình Hi u ch nh ................................................................. 23 Hình 4.1: M t ví d v ng t ng quan tuy n tính gi a tr quan tr c và tr mô ph ng 35 Hình 5.1 S phát tri n và ng d ng mô hình............................................................... 39 Hình 5.2 Xu th phát tri n mô hình th y v n môi tr ng theo quy mô không gian......... 40 Hình 5.3 Mô hình Khí quy n Toàn c u ........................................................................... 41 Hình 5.4 K t qu d báo s gia t ng nhi t toàn c u t PRECIS ................................. 42 Hình 5.6 C u trúc Mô hình Qu n lý L u v c WMM ....................................................... 43 Hình 5.7 Ví d k t qu ph n m m MIKE 11 mô ph ng s xâm nh p m n BSCL .... 44 Hình 5.8 Mô hình NAM cho quan h m a - dòng ch y l u v c ...................................... 44 Hình 5.9 Mô hình khái ni m c a AQUATOX v thay i n ng th y v c ............... 45 ------------------------------------------------------------------------------------------------------- iv TS. Lê Anh Tu n
  5. Bài gi ng môn h c MÔ HÌNH HÓA MÔI TR NG Tr ng i h c C n Th ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- Ch ng 1. NH P MÔN – CÁC KHÁI NI M C BN 1.1 V n Hi n nay, ô nhi m môi tr ng ang là v n báo ng song hành v i s phát tri n kinh t xã h i, c bi t t i các qu c gia ang phát tri n. T i nhi u n i, ch t l ng n c, t, không khí suy gi m nhanh chóng v t qua kh n ng t làm s ch c a t nhiên. Trong l nh v c khoa h c qu n lý môi tr ng và k thu t x lý môi tr ng, vi c quan tr c d báo di n bi n môi tr ng mang t m quan tr ng cho các quy t nh gi i quy t v n . Tuy nhiên, vi c o c, quan tr c môi tr ng r t t n kém kinh phí và công s c c a con ng i. Nh m gi m thi u các khó kh n này, các nhà khoa h c ã và ang ti p t c phát tri n các ng d ng các nguyên lý v t lý và toán h c vào th c ti n mô ph ng các di n bi n th c t trong t nhiên và a ra các d báo c n thi t. Vi c mô ph ng môi tr ng c ng ang giúp con ng i t o d ng các m t hình nh ho c s v t thu nh ho c t ng t , b t ch c theo th c t mô t s ki n c ng nh t o ra các k ch b n bi n i l ng và ch t theo không gian và th i gian nh m tiên oán kh n ng lây truy n ch t ô nhi m ho c kh n ng h i ph c ch t l ng tài nguyên. Môn h c mô hình hóa môi tr ng c hình thành t c s này. Môn mô hình hóa môi tr ng ph c v cho t t c các nhà khoa h c, nhà k thu t, nhà qu n lý, k c các nhà xã h i làm vi c liên quan n l nh v c môi tr ng và tài nguyên thiên nhiên. Ch “mô hình” (modeling) có ngu n g c t ch La-tinh modellus. T này mang ý ngh a là m t ki u cách do con ng i t o ra tiêu bi u cho m t th c t i nào ó. 1.2 Các nh ngh a và khái ni m c b n 1.2.1 nh ngh a mô hình Mô hình là m t c u trúc mô t hình nh ã c t i gi n hóa theo c i m ho c di n bi n c a m t i t ng, m t hi n t ng, m t khái ni m ho c m t h th ng. Mô hình có th là m t hình nh ho c m t v t th c thu nh ho c phóng i, ho c ch làm g n b ng m t ph ng trình toán h c, m t công th c v t lý, m t ph n m m tin h c mô t m t hi n tr ng th c t mang tính i n hình. Mô hình hoá là m t khoa h c v cách mô ph ng, gi n l c các thông s th c t nh ng v n di n t c tính ch t c a t ng thành ph n trong mô hình. Mô hình không hoàn toàn là m t v t th hi n th c nh ng nó giúp cho chúng ta hi u rõ h n h th ng th c t . Mô hình hóa môi tr ng là ngành khoa h c mô ph ng hi n t ng lan truy n ch t ô nhi m và các d báo thay i môi tr ng theo không gian và th i gian. ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 1 TS. Lê Anh Tu n
  6. Bài gi ng môn h c MÔ HÌNH HÓA MÔI TR NG Tr ng i h c C n Th ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- Ví d 1.1: Các nhà thi t k t o ra m t m u xe h i s d ng n ng l ng m t tr i thu nh th nghi m kh n ng ho t ng c ng nh các ti n ích và an toàn tr c khi ch t o hàng lo t (hình 1.1). Hình 1.1. Mô hình xe h i th nghi m s d ng n ng l ng m t tr i Ví d 1.2: th hi n s thay i l ng n c trong m t h ch a ng i ta a ra hình nh nh hình 1.2. Bi t kích th c hình h c c a h ch a, l u l ng vào, l u l ng ra, chúng ta có th xác nh dao ng m c n c trong h . Qvào Qtr = [Qvào – Qra] Qtr H Qra Hình 1.2. Mô hình th hi n s thay i kh i l ng n c trong h ch a Ví d 1.3: Nhà khoa h c Meadown va các c ng s (1972) ã tìm c m i quan h gi a s gia t ng dân s , vi c s n xu t l ng th c, s n xu t công nghi p, ngu n tài nguyên và mc ô nhi m u có nh ng quan h v i nhau. Nhóm nghiên c u ã a ra mô hình d báo th gi i nh hình 1.3. S n xu t công nghi p Dân s Tài nguyên L ng th c Ô nhi m 2100 1900 2000 Hình 1.3. Mô hình d báo tình hình th gi i n n m 2100 ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 2 TS. Lê Anh Tu n
  7. Bài gi ng môn h c MÔ HÌNH HÓA MÔI TR NG Tr ng i h c C n Th ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- 1.2.2 M c tiêu thành l p mô hình Di n bi n mô tr ng r t ph c t p trong th c t và liên quan n nhi u l nh v c khoa h c khác (hình 1.3). Do nhu c u hi u rõ h n b n ch t t nhiên c a s vi c trong th c t , các nhà khoa h c m i tìm cách n gi n hóa nh ng v n ph c t p m c có th làm c nh ng không quá xa r i th c t có c s gi i thu t tìm h ng ra c a v n và ti n toán nh ng kh n ng x y ra trong t ng lai. Hình 1.4. ng i c a các ch t gây ô nhi m trong vòng tu n hoàn n c Có 3 m c tiêu khi th c hi n m t mô hình: T o c s lý lu n Mô hình giúp ta d di n t hình nh s ki n ho c h th ng; Mô hình mang tính i di n các c i m c b n nh t c a s th ; Mô hình giúp ta c s ánh giá tính bi n ng m t cách logic khi có tác ng bên ngoài vào ho c t trong ra. Ti t ki m chi phí và nhân l c Mô hình giúp ta thêm s li u c n thi t; Mô hình giúp gi m chi phí l y m u; Mô hình có th c th nghi m v i các thay i theo ý mu n. Mô hình t o m u cho nh ng tri n khai s n xu t hàng lo t. ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 3 TS. Lê Anh Tu n
  8. Bài gi ng môn h c MÔ HÌNH HÓA MÔI TR NG Tr ng i h c C n Th ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- 1.2.3 c tr ng c b n c a m t mô hình M t cách t ng quát, t t c các mô hình ph i có 3 thành t chính nh hình 1.5: Ti n trình Thông tin ra Thông tin vào x lý thông tin Hình 1.5. Ba thành t chính c a m t mô hình Thông tin vào: bao g m các d ng c s d li u a vào mô hình x lý Ti n trình x lý thông tin: bao g m quá trình ti p nh n d li u vào, tính toán, phân tích, ánh giá và xu t d li u. Thông tin ra: th hi n d ng th , bi u b ng, báo cáo ánh giá k t qu . Trong i u ki n ch a th gi i quy t toàn b bài toán ph c t p c a t nhiên, ng i ta có th chia hi n t ng th c t thành các m ng tài khác nhau và m i ph n chia c xem nh m t bài toán riêng r và có mô hình t ng ng c a nó. Ví d chúng ta có th chia các di n bi n dòng ch y quá trình trong m t chu trình n c thành t ng tài nh h n nh hình 1.6. Hình 1.6: Chia v n l n thành t ng v n riêng r M t mô hình c n th hi n các c tr ng sau: Mô hình c n c t i gi n v i m t s gi nh t ra i u ki n biên ho c i u ki n ban u c n nh danh; Mc kh n ng ng d ng c a mô hình có th xác l p c. ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 4 TS. Lê Anh Tu n
  9. Bài gi ng môn h c MÔ HÌNH HÓA MÔI TR NG Tr ng i h c C n Th ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- Mô hình th ng áp d ng theo ki u khung khái quát theo ngành khoa h c tính toán, mang tên là 3A, vi t t t t 3 ch Application ( ng d ng), Algorithm (thu t toán), và Architecture (ki n trúc) theo hình v 1.7 sau: Hình 1.7: Khái quát mô hình theo khoa h c tính toán Ba ph n c b n c a mô hình là: ng d ng mô hình (Application of a model): M tiêu c a vi c s d ng mô hình 1. là ch ra vi c ng d ng c a nó. Xác nh ph m vi ng d ng nói lên t m quan tr ng c a mô hình trong th c ti n. Ví d ng d ng mô hình giúp ta xác nh thông tin có bao nhiêu m ammona chuy n thành m nitrogen trong không khí, ho c có bao nhi u l ng n c ch y tràn trên m t t sau m t tr n m a bão. Nói cách khác, ng d ng mô hình giúp ta tr l i câu h i: ây là nh ng gì ta mu n mô ph ng, bây gi ta s làm vi c mô ph ng ó b ng cách nào? 2. Thu t toán mô hình (Algorithm of a model): Thu t toán mô hình cho ta bi t cách ti p c n k thu t tính toán hay ph ng pháp tính, liên quan n các ph ng trình, các thông s mà chúng ta mu n a vào ch ng trình máy tính. 3. Ki n trúc mô hình (Architecture of a model): Ki n trúc hay c u trúc mô hình xác nh ki u hình nào mà mô hình s s d ng, lo i máy tính nào, ch ng trình nào s c s d ng các thông tin x lý. Vi c áp d ng mô hình toán h c giúp gi i quy t các khó kh n trong th c t nh : s ki n x y ra quá nhanh (nh các ph n ng phân t trong hóa h c); s ki n x y ra quá ch m (nh s phát tri n ng h c dân s ho c qu n th ); các th c nghi m t ti n khi làm phòng thí nghi m (nh mô hình h m gió); các th c nghi m r t nguy hi m (th c nghi m v n nguyên t ). ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 5 TS. Lê Anh Tu n
  10. Bài gi ng môn h c MÔ HÌNH HÓA MÔI TR NG Tr ng i h c C n Th ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- 1.3 Mô hình môi tr ng Mô hình hóa môi tr ng là ngành khoa h c cung c p các công c d ng hình nh, s , bi u , ph n m m, hay sa bàn, … chuy n các hi u bi t t các o c th c t c a m t khu v c nghiên c u thành các lý gi i c n thi t cho nh c u thông tin và tiên oán di n bi n c a môi tr ng – sinh thái. Mô hình môi tr ng là m t mô t n gi n cho các quan h ph c t p v môi tr ng sinh thái ngoài th c t nh ng v n có th cho các k t qu chính xác mc ch p nh n c. M t mô hình môi tr ng ph i cung c p m t il ng d li u th hi n theo s thay i th i gian qua: s quan sát (observation); (i) s phân tích (analysis); và (ii) (iii) s tiên oán (prediction). M t mô hình môi tr ng có th là m t giao ti p gi a d li u và t o quy t nh. Mô hình t o ra các thông tin t d li u quan tr c và c i ti n ki n th c giúp cho vi c ra quy t nh liên quan n vi c quy ho ch, thi t k , v n hành và qu n lý. M t mô hình môi tr ng th ng k t h p các nh lu t và ph ng trình sau: nh lu t v t lý (nh nh lu t Darcy, nh lu t b o toàn kh i l ng, …) Ph ng trình toán h c quan h (nh ph ng trình Penmen v b c thoát h i, ph ng trình cân b ng n c) Các quan h th c nghi m (nh các công th c kinh nghi m, …) 1.4 L ch s mô hình T xa x a vào th i ti n s con ng i ã ngh r ng có th t o ra m t mô ph ng t i gi n phát h a hình nh nh ng khuôn d ng ng i có m t s p x p xem xét s ti n hóa c a c a các nhóm ch ng ng i. Nh ng b c phát h a con ng i và các cách sinh ho t c a h các vách hang á cho ta hình dung n n v n hóa ng i C C n ông và C Hy L p. M t trong các mô hình u tiên c công nh n là các con s ; s m và s v i t c ghi l i trên các m nh x ng ã c tìm th y vào kho ng 30.000 n m tr c Công nguyên. Ngành Thiên v n và Ki n trúc ã l i nh ng ghi chép mô hình các vì sao, công trình nhà c a t 4.000 n m tr c Công nguyên. Vào kho ng 2.000 n m tr c Công nguyên, ít nh t ba n n v n hóa Babylon, Ai C p và n ã bi t cách sáng t o và phát tri n các bài toán và ng d ng “mô hình toán” trong cu c s ng th ng nh t c a h . Ph n l n các bài toán c a h là các thu t toán c xu t gi i các v n c bi t. T ng t , Vi t Nam các hình nh l i trên Tr ng ng ông S n cho chúng ta ngh n m t mô ph ng các i u múa, y ph c và các sinh ho t s n b t c a ng i Vi t C trong kho ng th i gian t th k th 6 n th k th 7 tr c Công nguyên (Hình 1.8). ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 6 TS. Lê Anh Tu n
  11. Bài gi ng môn h c MÔ HÌNH HÓA MÔI TR NG Tr ng i h c C n Th ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- Hình 1.8: M t trên c a tr ng ng ông S n (hình trái); m t hình kh c mô ph ng hình nh hai con chim u trên mái nhà c a con ng i (hình ph i) S phát tri n c a ngành tri t h c trong th i k v n minh Hy l p (Hellenic Age) (kho ng 600 n m tr c Công nguyên) ã k t h p v i toán h c d n n ph ng pháp suy di n (deductive method), sau ó tr thành m t ph n quan tr ng trong lý thuy t toán h c. Trong th i k này, hình h c ã b t u hình thành và phát tri n. Nhà toán h c Thales ã áp d ng tiên oán hi n t ng nh t th c (solar eclipse) vào n m 585 tr c Công hình h c nguyên. Thales c ng ã phát minh ra cách o chi u cao m t v t th b ng cách o chi u dài c a cái bóng c a v t th in trên n n t. Vào kho ng n m 250 tr c Công nguyên, Euclid ã dùng m t mô hình toán hình h c tìm kho ng cách t Trái t n M t tr i và kho ng cách t Trái t n M t tr ng. Ông c ng tính c chu vi c a Trái t. Ngành thiên v n h c c c ng ã bi t t o ra các mô hình di n t các vì sao trong thái d ng h . Các nhà ki n trúc khi xây d ng công trình c x a Trung Hoa, n , các n c theo o H i ã l i nh ng ch ng tích các mô hình n ài, công trình thu nh nh là nh ng ph ng pháp t ng t (similar method), m t hình th c c a mô hình t l , tr c khi xây d ng các công trình th c. Các n n v n minh Châu Á c ng ch ng t s phát tri n mô hình v t lý i song song v i các mô hình toán h c trong các công trình ki n trúc c a h . T th k 20 tr i, song song v i s phát tri n c a ngành toán h c, v t lý, c bi t là s ra i c a máy tính i n t ã thúc y s phát tri n nhanh chóng c a thu t toán mô hình. Nhi u công ty ph n m m chuyên s n xu t ra các công c mô hình ph c v cho nhi u l nh v c t khoa h c k thu t, kinh t , môi tr ng, khí t ng, th y v n, qu n lý hành chánh n các lãnh v c quan h xã h i, … Có th nói, ngày nay k thu t mô hình ang càng ngày ch ng t vai trò trong vi c t o i u ki n cho con ng i hi u bi t sâu h n v th gi i c a mình mà con tiên toán nh ng tình th có kh n ng x y ra trong t ng lai. ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 7 TS. Lê Anh Tu n
  12. Bài gi ng môn h c MÔ HÌNH HÓA MÔI TR NG Tr ng i h c C n Th ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- 1.5 Quan h môn h c Môn h c “Mô hình hóa môi tr ng” là môn h c chuyên ngành gi ng d y cho sinh viên n m th ba và n m th t các ngành h c “Khoa h c Môi tr ng”, “Qu n lý Môi tr ng” và “K thu t Môi tr ng”. Các môn h c c b n nh Toán h c, V t lý, Tin h c, Sinh h c, Th ng kê,… là các môn h c n n cho môn h c. Ti p theo các môn c s nh Sinh thái h c, Hoá Sinh Môi tr ng, Th y l c, Th y v n, B n h c, GIS và Vi n thám, ….s là các môn h c tiên quy t cho môn h c “Mô hình hóa môi tr ng”. Môn h c “Mô hình hoá môi tr ng s là môn h c h tr cho các môn h c liên quan n Quy ho ch và Qu n lý Môi tr ng và Tài nguyên Thiên nhiên (hình 1.9). Các môn c b n: TOÁN H C, V T LÝ, HÓA SINH , TIN H C, … Các môn c s : TH Y L C, TH Y V N, SINH THÁI, MÔI TR NG H C, H TH NG THÔNG TIN A LÝ, … BN MÔ HÌNH HÓA MÔI TR NG QUY HO CH QU N LÝ TÀI NGUYÊN QU N LÝ MÔI TR NG THIÊN NHIÊN MÔI TR NG Hình 1.9: Quan h môn h c “Mô hình hóa môi tr ng” v i các môn khác ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 8 TS. Lê Anh Tu n
  13. Bài gi ng môn h c MÔ HÌNH HÓA MÔI TR NG Tr ng i h c C n Th ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- Ch ng 2. PHÂN LO I VÀ TI N TRÌNH MÔ HÌNH 2.1 Phân lo i mô hình 2.1.1 M c ích phân lo i mô hình Có nhi u cách phân lo i mô hình môi tr ng, vi c phân lo i có th d a vào c i m tính toán, cách mô ph ng, ph ng pháp v n hành, phép so sánh ho c d a vào gi nh. Vi c phân lo i mô hình nh m: Th hi n ý t ng ki u mô ph ng nào c s d ng Trình bày ph ng pháp và m c toán h c ng d ng Bi u hi n d ng xu t k t qu c a mô hình xu t lo i d li u nào c n a vào có thông tin nh danh thành ph n nào trong h th ng c n mô ph ng 2.1.2 Các nhóm mô hình M t mô hình có th có các tên g i khác nhau, tùy theo tác gi , nh là: Mô hình v t lý (physical model) o Mô hình toán h c (mathematical model) o Mô hình s (numerical model) o Mô hình gi i tích (analysis model) o Mô hình xác nh (deterministic model) o Mô hình khái ni m (conceptual model) o Mô hình ng u nhiên (stochatic model) o Mô hình tham s (parametric model) o Mô hình n nh (steady-state model) o Mô hình b t n nh (unsteady-state model) o Mô hình d a vào các gi nh sinh hóa (biochemical assumption model) o Mô hình ánh giá tác ng (impact assessment model) o Mô hình d báo (forecast model) o v.v…. o M t mô hình có th phân lo i theo quy mô ng d ng: Theo không gian (spatial): m t vùng nh hay m t khu v c l n. Theo th i gian (temporal): ng n h n hay dài h n Theo giá tr mô hình (model validity): cho gi i h n chính xác c a mô hình Theo giá tr c a d li u (data validity): tùy theo m c và quy mô thu th p d li u (ví d l y m u theo m t i m o c c b , hay l y nhi u m u trong m t khu v c l n). ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 9 TS. Lê Anh Tu n
  14. Bài gi ng môn h c MÔ HÌNH HÓA MÔI TR NG Tr ng i h c C n Th ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- N u d a vào c u trúc, mô hình có th có 3 nhóm: Mô hình “h p tr ng” (white box): là mô hình mà ng i s d ng có th th y – hi u t t c các ti n trình tính toán x y ra, quá trình tr d li u, thông tin ph n h i/ ph n ti n. Nhóm mô hình này th ng dùng các ph ng trình vi phân riêng (partial differential equation) ch o các thay i ti n trình v t lý và ph ng trình liên t c (equations of continuity) cho các dòng n c m t và n c trong t. Mô hình v t lý và mô hình xác nh n m trong nhóm mô hình “h p tr ng”. Mô hình “h p en” (black box): là mô hình mà ng i s d ng ch bi t u vào (inputs) và u ra (outputs) mà hoàn toàn không bi t nh ng gì x y ra bên trong quá trình chuy n hoá trong mô hình. D li u u vào và d li u u ra là nh ng giá tr mang ý ngh a v t lý. Th ng các nhà gi i thu t dùng các ph ng trình toán h c n và phép phân tích chu i th i gian (time series) t o ra mô hình “h p en”. Mô hình ng u nhiên n m trong nhóm này. Mô hình “h p xám” (grey box): là mô hình mà ng i s d ng hi u cm t ph n ti n trình x lý d li u. Mô hình tham s và mô hình khái ni m thu c nhóm mô hình “h p xám”. Mô hình môi tr ng, c bi t là môi tr ng n c, th ng mang ít nhi u c i m c a m t mô hình th y v n h c (hydrological model) có th phân lo i nh hình 2.1 và c gi i quy t theo 3 ki u mô t : Ti n trình c a mô hình (process); (hình 2.2) T l th i gian và không gian (time and space scales); (hình 2.3) K thu t gi i toán (solution techniques); (hình 2.4) ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 10 TS. Lê Anh Tu n
  15. Bài gi ng môn h c MÔ HÌNH HÓA MÔI TR NG Tr ng i h c C n Th ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- Hình 2.1. Phân lo i mô hình t ng quát (theo Tim, 1995) Hình 2.2. Phân lo i mô hình d a theo mô t ti n trình (theo Singh, 1995) ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 11 TS. Lê Anh Tu n
  16. Bài gi ng môn h c MÔ HÌNH HÓA MÔI TR NG Tr ng i h c C n Th ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- Hình 2.3. Phân lo i mô hình d a vào quy mô không gian và th i gian (theo Singh, 1995) Hình 2.4. Phân lo i mô hình d a vào ph ng pháp gi i toán (theo Singh, 1995) 2.2 Ti n trình v n hành mô hình T t c các ph n m m mô hình th ng c v n hành và th nghi m theo m t ti n trình t ng quát nh hình 2.5 sau: ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 12 TS. Lê Anh Tu n
  17. Bài gi ng môn h c MÔ HÌNH HÓA MÔI TR NG Tr ng i h c C n Th ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- Thu th p d li u và x lý (Data collection and processing) Mô hình khái ni m (Conceptual model) Mô hình gi i tích ho c mô hình s (Analytical or numerial model) Hi u ch nh (Calibration) Ki m nh (Verification) Tiên oán ho c T i u (Prediction or Optimisation) Hình 2.5. Ti n trình c a m t mô hình 2.2.1 Thu th p d li u T t c các mô hình mu n v n hành c u ph i có ngu n d li u ban u và các i u ki n c n thi t ( i u ki n biên và i u ki n ban u). Các d li u th ng bao g m s li u a hình (cao , d c,…) , các kích th c l u v c c n tính toán (chi u dài, chi u r ng, di n tích,…) , các di n bi n v khí t ng (m a, b c h i, b c x , v n t c và h ng gió,…), ngu n ô nhi m (nhà máy, khu dân c , ru ng v n, h m m , khu công nghi p…), các bi n s môi tr ng (pH, nhi t , m n, c, nhu c u oxy sinh hóa, các ch t phú d ng, vi khu n,…), các thông s liên quan, … t ng ng v i chu i th i gian xu t hi n ho c không gian xu t phát. 2.2.2 Mô hình khái ni m Mô hình khái ni m là m t d ng ý t ng hoá nh m t i gi n nh ng y u t ph c t p ngoài th c t d ng m t l u ho c s . Trong ó các m i tên c s d ng ch các m i ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 13 TS. Lê Anh Tu n
  18. Bài gi ng môn h c MÔ HÌNH HÓA MÔI TR NG Tr ng i h c C n Th ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- quan h ho c chi u h ng di n bi n. Các l i ghi chú bên cách các hình nh thuy t minh thêm tính ch t c a s v t ho c quá trình ho c các thông s c a mô hình. Hình 2.6 là m t ví d v mô hình khái ni m c a Beater (1989) di n t chuy n v n c a n c trong mô hình quan h m a – dòng ch y. Trong mô hình khái ni m ph i b t u t các d li u nh p vào, các di n bi n bên trong mô hình và các thông tin xu t ra t mô hình. M t hình khái ni m ph i th hi n tính n gi n t o cho nh ng ng i không ph i là chuyên gia v mô hình có th hi u m c tiêu c a bài toán mô hình. B ch i Ma T ng tác gi a cây tr ng và s h th p m c n cm t B c thoát h i Ch y tràn m t m S ch y l n trong t Th m th u và B c thoát h i Nhanh Ch m N c ng m R t ch m Sông Hình 2.6. Mô hình khái ni m di n ta quan h m a – dòng ch y (Beater, 1989) M ts u i m, th m nh và tính h u hi u c a mô hình khái ni m: Mô hình khái ni m có th c hình thành m t d u ng i t o ra nó có th ch a hi u h t t t c các hi n t ng ph c t p trong th c t . Có th n gi n hóa tính b t nh t c a các thông s thành tính ng nh t. ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 14 TS. Lê Anh Tu n
  19. Bài gi ng môn h c MÔ HÌNH HÓA MÔI TR NG Tr ng i h c C n Th ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- Có th gi m thi u c s li u yêu c u. D dàng cho ng i xem hi u cách thu th p s li u, thông tin s d ng m t cách nhanh chóng và ít t n kém. Mô hình khái ni m là m t công c k thu t cho các l p trình viên hi u v n ph i gi i quy t mà không c n ph i là m t chuyên gia môi tr ng. Mô hình khái ni m t o thu n l i cho vi c di n gi i trong thuy t minh, bi u b ng, th . Có th t o ra m t giao ti p v i c s d li u và h th ng thông tin a lý (GIS). Tuy nhiên, mô hình khái ni m v n có nh ng nh c i m và gi i h n: o Mô hình khái ni m là m t khái quát nhân t o và phi v t lý qua các t i gi n nên có th không a ra h t nh ng quan h t ng tác gi a các i t ng. o Nh ng ng i thi u kinh nghi m có th t o ra các gi thi t phi th c t ho c quá n gi n. o Mô hình khái ni m mang tính t ng quá nên ôi khi b sót các ph ng án v n hành. o Mô hình khái quát th ng không th th hi n cách i u ch nh sai s ho c ngo i suy trong tr ng h p thi u d li u. o Khi c n b sung mô hình ho c tái c u trúc mô hình có th t o ra m t tình tr ng quá gò bó thông s . 2.2.3 Mô hình gi i tích ho c mô hình s M t bài toán trong mô hình th ng c bi u th s hi n di n c a các thông s và bi n s . Thông s (parameter) là nh ng h s gia tr ng, không có th nguyên. Bi n s (variable) là các i l ng v t lý có ý ngh a, th ng có th nguyên. Mô hình gi i tích (ho c mô hình s ) th c ch t là m t lo t các thu t toán c vi t gi i quy t các quan h gi a các thông s và bi n s trong mô hình và cho ra k t qu d i d ng s ho c th . ây là ph n c t lõi, quan tr ng nh t và là ph n ph c t p nh t trong ti n trình th c hi n mô hình hóa. 2.2.4 Hi u ch nh mô hình Hi u ch nh (calibration) là ti n trình mà trong ó các thông s và bi n s c a mô hình c i u ch nh k t qu ra c a mô hình phù h p v i th c t quan sát c. Do khi phát tri n mô hình, chúng ta ph i t i gi n các hi n t ng v t lý trong t nhiên thu n l i cho ng i làm th t toán. i u này khi n các s li u nh p vào mô hình có nh ng giá tr không hoàn toàn ch c ch n và k t qu ra s sai bi t v i th c t . Hi u ch nh là công vi c nh m rút ng n các kho ng cách sai bi t b ng cách a ra các thông s i u ch nh g i là thông s mô hình (model parameters). 2.2.5 Ki m nghi m mô hình Ki m nghi m mô hình là b c ti p sau công vi c Hi u ch nh mô hình nh m ki m tra các thông s mô hình a ra có phù h p v i các di n bi n c a th c t hay không. ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 15 TS. Lê Anh Tu n
  20. Bài gi ng môn h c MÔ HÌNH HÓA MÔI TR NG Tr ng i h c C n Th ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- Ví d trong kh o sát di n bi n trong quan h m a – dòng ch y trong nhi u n m, ng i ta c t chu i s li u quan tr c ra thành 2 o n: o n s li u dài ban u dùng ch y mô hình và Hi u ch nh mô hình. o n s li u th hai sau ng n h n dùng làm ki m nghi m k t qu mô hình cho o n tr c (hình 2.7). Chu i s li u theo th i gian Chu i s li u dùng Chu i s li u ch y và Hi u dùng ki m ch nh mô hình nghi m mô hình Mô hình Hình 2.7 Minh h a vi c phân o n chu i s li u theo th i gian Hi u ch nh và th nghi m khi ch y mô hình 2.2.6 Tiên oán ho c t i u Thông th ng mô hình c s d ng cho m c tiêu tiên oán các di n bi n các bi n s trong t ng lai ho c t i u hóa vi c ch n l a. Trong tiên oán, nh các mô hình v khí h u ho c mô hình lan truy n ô nhi m, các thu t toán ngo i suy (extrapolation) c s d ng kéo dài k t qu u ra. Trong bài toán l a ch n t i u, các giá tr c c tr u ra c ch n cho quy t nh. 2.3 Tiêu chu n ch n l a mô hình 2.3.1 Khái ni m Trong su t vài th p niên qua, nhi u mô hình khác nhau ã c phát tri n trên th gi i. Thông th ng m i mô hình th ng có các th m nh riêng và các nh c i m nh t nh. Khó có th có m t mô hình chu n m c nào cho t t c các tr ng h p th c t . i u này th ng gây s b i r i cho ng i s d ng khi ph i l a ch n mô hình phù h p cho mình. Khái ni m mô hình t t nh t th ng c hi u m t cách t ng i. V nguyên t c, mô hình càng ph c t p, d li u nh p vào càng nhi u thì k t qu th hi n mô hình càng cao (hình 2.8). ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 16 TS. Lê Anh Tu n

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

Đồng bộ tài khoản