Báo cáo Mô hình hóa môi trường: Tổng quan về mô hình hóa các bước thiết lập và phát triển mô hình

Chia sẻ: Nguyễn Thị Thúy My | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:26

Thêm vào BST

Báo xấu

183
lượt xem 17
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Báo cáo Mô hình hóa môi trường: Tổng quan về mô hình hóa các bước thiết lập và phát triển mô hình trình bày tổng quan về mô hình hóa và ý nghĩa; các bước thiết lập và phát triển mô hình; lý thuyết về lựa chọn, hiệu chỉnh và kiểm định mô hình. Để nắm vững nội dung chi tiết mời các bạn cùng tham khảo tài liệu.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Báo cáo Mô hình hóa môi trường: Tổng quan về mô hình hóa các bước thiết lập và phát triển mô hình

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 Sinh viên thực hiện Huỳnh Vương Thu Minh Nhóm sinh viên QLMTA2 Báo cáo mô hình hóa môi trường 1
PHỤ LỤC PHỤ LỤC ......................................................................................................................................... 2 Báo cáo mô hình hóa môi trường 2
DANH SÁCH HÌNH PHỤ LỤC ......................................................................................................................................... 2 Báo cáo mô hình hóa môi trường 3
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH HÓA VÀ Ý NGHĨA 1. 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 4
thống, hoặc một khái niệm (tư duy) thay thế một nguyên bản (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 5
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 MÔ HÌNH NGẪU ĐỊNH NHIÊN MÔ HÌNH LIÊN MÔ HÌNH RỜI TỤC RẠC MÔ HÌNH TĨNH MÔ HÌNH ĐỘNG Báo cáo mô hình hóa môi trường 6 MÔ HÌNH TUYẾN MÔ HÌNH PHI TÍNH 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 7
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 Được hình thành dù người tạo Mô hình khái niệm là một niệm ra nó chưa hiểu hết tất cả các khái quát nhân tạo và phi (Mô hình nhận hiện tượng phức tạp trong thực vật lý qua các tối giản nên thức ) tế. có thể không đưa ra hết Có thể đơn giản hóa tính bất những quan hệ tương tác nhất của các thông số thành tính giữa các đối tượng. đồng nhất. Những người thiếu kinh Có thể giảm thiểu được số liệu nghiệm có thể tạo ra các yêu cầu. giả thiết phi thực tế hoặc Dễ dàng cho người xem hiểu quá đơn giản. cách thu thập số liệu, thông tin Mô hình khái niệm mang sử dụng một cách tính tổng quá nên đôi khi bỏ nhanh chóng và ít tốn kém. sót các phương án vận hành. Báo cáo mô hình hóa môi trường 8
Mô hình khái niệm là một công Mô hình khái quát thường cụ kĩ thuật cho các lập trình viên không thể thể hiện cách hiểu vấn đề phải giải quyết mà điều chỉnh sai số hoặc không cần phải làmột chuyên gia ngoại suy trong trường hợp môi trường. thiếu dữ liệu. Mô hình khái niệm tạo thuận Khi cần bổ sung mô hình lợi cho việc diễn giải trong hoặc tái cấu trúc mô hình có thuyết minh, biểu bảng, đồ thị. thể tạo ra một tình trạng Có thể tạo ra một giao tiếp với quá gò bó thông số. cơ sở dữ liệu và hệ thống thông tin địa lý (GIS). Mô hình Giải Mô hình thực hiện xử lý số liệu Các thông số và biến số dễ Tích một bị thay đổi. ( Mô hình Số) cách nhanh chóng. Là mô hình phức tạp với Mô hình không có lập trình, tối các chuỗi thuật toán. thiểu được lỗi trong cách sử dụng. Dùng các ngôn ngữ lập trình để Đòi hỏi khối lượng công miêu tả mối quan hệ toán học việc khổng lồ với các biến một cách dễ dàng. số thay đổi theo thời gian và Có thể dễ dàng thay đổi số liệu không gian. hay thông số của mô hình với Giai đoạn kiểm tra lại khó Mô hình Toán nhiều kịch bản khác nhau theo ý khăn. muốn. Tính di động bị hạn chế. Các tính năng tiêu chuẩn hóa Chi phí phầm mềm cao. thường cần thiết cho mô hình. Đòi hỏi nâng cấp bổ sung. Chu kỳ phát triển ngắn hơn. Có thể đọc được nhiều mã khác nhau. Hỗ trợ nhiều trong việc xác minh mô hình toán học. Mô hình Vật Lý Là công cụ chuẩn xác để dự Tốn kém thời gian và tiền đoán những hiện tượng Vật lý. bạc. Kích thước nhỏ, đo đạc dễ Chỉ được áp dụng khi hết dàng. sức cần thiết khi nghiên cứu Quan sát các hiện tượng tận chi tiết để thiết kế công mắt dễ dàng định hướng nghiên trình (cống, đập). cứu. Khó mô phỏng tất cả các Báo cáo mô hình hóa môi trường 9
hiện tượng theo tỉ lệ chính xác. Khó mô phỏng các điều kiện biên một cách chính xác. Mô hình Tương Có thể sử dụng số liệu, thông Kết quả không chính xác. Tự số hay một quá trình khác thay Không mô phỏng tất cả thế rồi suy ra kết quả tương tự hiện tượng trong mô hình cho mô hình. một cách chính xác. Không sử dụng lập trình phức Tốn kém về tiền bạc. tạp. Các mô hình phức tạp được thực hiện nhanh chóng. 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
5. KHÁI NIỆM VÀ Ý NGHĨA CỦA MÔ HÌNH HÓA MÔI TRƯỜNG 5.1. Khái niệm mô hình hóa Mô hình hóa môi trường là ngành khoa học mô phỏng hiện tượng lan truyền chất ô nhiễm và các dự báo thay đổi môi trường theo không gian và thời gian. ( TS. Lê Anh Tuấn, 2008). Mô hình hóa môi trường là ngành khoa học cung cấp các công cụ ở dạng hình ảnh, sơ đồ, biểu đồ, phần mềm, hay sa bàn, ... để chuyển các hiểu biết từ các đo đạc thực tế của một khu vực nghiên cứu thành các lý giải cần thiết cho như cầu thông tin và tiên đoán diễn biến của môi trường – sinh thái. Mô hình môi trường là một mô tả đơn giản cho các quan hệ phức tạp về môi trường sinh thái ở ngoài thực tế nhưng vẫn có thể cho các kết quả chính xác ở mức độ chấp nhận được. Một mô hình môi trường phải cung cấp một đại lượng dữ liệu thể hiện theo sự thay đổi thời gian qua: (i) sự quan sát (observation); (ii) sự phân tích (analysis); (iii) sự tiên đoán (prediction). Một mô hình môi trường có thể là một giao tiếp giữa dữ liệu và tạo quyết định. Mô hình tạo ra các thông tin từ dữ liệu quan trắc và cải tiến kiến thức giúp cho việc ra quyết định liên quan đến việc quy hoạch, thiết kế, vận hành và quản lý. Một mô hình môi trường thường kết hợp các định luật và phương trình sau • Định luật vật lý (như định luật Darcy, định luật bảo toàn khối lượng, ...) • Phương trình toán học quan hệ (như phương trình Penmen về bốc thoát hơi, phương trình cân bằng nước). • Các quan hệ thực nghiệm (như các công thức kinh nghiệm, ...) ( TS. Lê Anh Tuấn,2008). Báo cáo mô hình hóa môi trường 11
Ví dụ mô hình hóa môi trường 5.2 Ý nghĩa mô hình hóa môi trường Cung cấp các công cụ ở dạng hình ảnh, sơ đồ, biểu đồ, phần mềm, hay la bàn, ...để chuyển các hiểu biết từ các đo đạc thực tế của một khu vực nghiên cứu thành các lý giải cần thiết cho như cầu thông tin và tiên đoán diễn biến của môi trường– sinh thái. Mô tả đơn giản cho các quan hệ phức tạp về môi trường sinh thái ở ngoài thực tế nhưng vẫn có thể cho các kết quả chính xác ở mức độ chấp nhận được. Cung cấp một đại lượng dữ liệu thể hiện theo sự thay đổi thời gian qua: sự quan sát, sự phân tích và sự tiên đoán. Mô hình tạo ra các thông tin từ dữ liệu quan trắc và cải tiến kiến thức giúp cho việc ra quyết định liên quan đến việc quy hoạch, thiết kế, vận hành và quản lý. 6. MÔ HÌNH HIỆN TƯỢNG TỰ NHIÊN 6.1 Sự hình thành bão Bão chỉ hình thành ở khu vực đại dương nhiệt đới ấm áp, nơi nhiệt độ nước ít nhất là 26 độ C. Chính không khí ấm áp, ẩm và gió hội tụ gần xích đạo là “nhiên liệu” để bão hoạt động. Một cơn bão hình thành bao giờ cũng xuất hiện những cơn mưa dông và những trận gió lốc rất mạnh do sự chênh lệch áp suất không khí giữa áp cao lạnh giữa những đám mây mưa và bầu không khí nóng xung quanh. Và khi hai cơn mưa dông gặp nhau những luồng gió khí luân chuyển lên xuống không ngừng làm khí lạnh bị đẩy xuống thấp và khí nóng bị đẩy lên cao. Báo cáo mô hình hóa môi trường 12
Nước càng nóng, quy trình này càng nhanh và gió tăng tốc. Khi đó, ở tầng trên của lớp đối lưu, luồng khí ẩm ướt này toả ra và bắt đầu xoay theo quán tính hình thành từ chiều quay của trái đất, ở Bắc bán cầu là chiều ngược lại của kim đồng hồ, còn ở Nam bán cầu là cùng chiều với kim đồng hồ. Khi lực xoay đủ lớn thì một cơn bão sẽ hình thành. 6.2 Mô hình khái niệm sự hình thành bão MÔ HÌNH KHÁI NIỆM HÌNH THÀNH BÃO Lực quay Trái Đất Sự hoà lộn Độ ẩm khí quyển Hình thành Nhiệt độ đại mưa dương nóng lên Không khí ẩm bốc lên Nhiệt độ Hình thành bão Động lực để Hấp thụ năng Hình thành Hình Thành tạo xoáy lượng gió mạnh xoáy, lốc,giông 6.3 Mô hình toán hình thành bão Hiện nay nước biển dâng nhìn nhận như quá trình tương tác tổng hợp n người ta tính toán nước biển dâng theo vận tốc gió , mưc nước biển nền có thể là mực nước trung bình nhiều năm đối với biển có thủy triều hoặc phi thủy triều .. Bài toán nước biển dâng được xem trong điều kiện khí tượng thủy văn có các tác động đồng thời của gió, áp suất khí quyển, thủy triều và lưu lượng sông ngòi . Báo cáo mô hình hóa môi trường 13
Mô hình nước nông hai chiều có thể mô tả được các hiện trên , hệ phương trình có dạng Trong đó : U, V các thành phần vận tốc biến đổi theo độ sâu theo hướng x, y tương ứng 1 1 u U ( z )dz v v( z ) dz h h h h U(z), V(z) các thành phần vận tốc biến đổi theo độ sâu theo hướng x, y tương ứng dao động mặt nước so với mặt nước trung bình h độ sâu kể từ mực nước trung bình Pa áp suất không khí s s x , y các thành phần ứng gió suất gió trên mặt nước theo trục x, y tương ứng s x W X WX2 WY2 , Y X W X WX2 WY2 hệ số ma sát gió Wx, Wy các thành phần vận tốc gió theo trục x, y tương ứng b b x , y các thành phần ứng suất ma sát tại đáy theo trục x , tương ứng K hệ số ma sát đáy f 2 sin tham số coriolic vĩ độ địa lí vận tốc góc quay của trái đất Thông tin ra là kết quả dự báo bão thông qua các thông số tốc độ gió, mực nước biển dâng, áp suất không khí để xác định hình thành bão. Báo cáo mô hình hóa môi trường 14
CHƯƠNG 2 CÁC BƯỚC THIẾT LẬP VÀ PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH LÝ THUYẾT VỀ LỰA CHỌN, HIỆU CHỈNH VÀ KIỂM ĐỊNH MÔ HÌNH 1.Các đặc trưng cơ bản của mô hình Một cách tổng quát, tất cả mô hình phải có ba thành tố chính + Thông tin vào: bao gồm các dạng cơ sở dữ liệu đưa vào để mô hình xử lý. + Tiến trình xử lý thông tin: bao gồm quá trình tiếp nhận dữ liệu vào, tính toán, phân tích, đánh giá và xuất dữ liệu. + Thông tin ra: thể hiện ở dạng đồ thị, biểu bảng, báo cáo đánh giá kết quả. Tiến trình xử lí Thông tin vào Thông tin ra thông tin Hình 1. Ba thành tố của một mô hình Một mô hình có các đặc trưng cơ bản sau + Mô hình cần được tối giản với một số giả định đặt ra. + Điều kiện biên hoặc điều kiện ban đầu cần định danh. + Mức độ khả năng ứng dụng của mô hình có thể xác lập được. (T.S Lê Anh Tuấn,2008) 2.Các bước xây dựng và kiểm định mô hình 2.1. Thu thập và phân tích số liệu Báo cáo mô hình hóa môi trường 15
Xác định loại số liệu (mực nước, lưu lượng, thông số chất lượng nước,…) cần thu thập từ hệ thống thực; Xác định bước thời gian: giờ, trung bình ngày,…; Xác định độ dài của chuỗi số liệu (mô phỏng vài giờ/ngày/tháng/năm hay hàng chục năm (mô hình khí hậu)); Xác định thời điểm thu thập/đo đạc số liệu; Đánh giá mức độ tin cậy, đánh giá khả năng xuất hiện lại của số liệu thu thập số l. 2.2 Xây dựng phần mềm Chọn lựa quy mô vùng cần mô phỏng; Chọn lựa loại mô hình (Vật lý, Toán,…) và so sánh; Trường hợp chọn mô hình toán ➔ Xác định loại mô hình (tự xây dựng mô hình (chọn ngôn ngữ) hay mô hình có sẵn ngoài thị trường). Tất cả các mô hình muốn vận hành thì cần phải có nguồn dữ liệu ban đầu và các điều kiện cần thiết. 2.3 Mô hình khái niệm Mô hình khái niệm là một dạng ý tưởng hoá nhằm tối giản những yếu tố phức tạp ngoài thực tế ở dạng một lưu đồ hoặc sơ đồ. Trong mô hình khái niệm phải bắt đầu từ các dữ liệu nhập và, các diễn biến bên trong mô hình và các thông tin xuất ra từ mô hình. Một hình khái niệm phải thể hiện tính đơn giản để tạo cho những người không phải là chuyên gia về mô hình có thể hiểu mục tiêu của bài toán mô hình. 2.4 Mô hình giải tích (hoặc mô hình số) Mô hình giải tích (hoặc mô hình số) thực chất là một loạt các thuật toán được viết để giải quyết các quan hệ giữa các thông số và biến số trong mô hình và cho ra kết quả dưới dạng số hoặc đồ thị. Đây là phần cốt lõi, quan trọng nhất và là phần phức tạp nhất trong tiến trình thực hiện mô hình hóa. 2.5 Hiệu chỉnh Báo cáo mô hình hóa môi trường 16
Hiệu chỉnh (calibration) là tiến trình mà trong đó các thông số và biến số của mô hình được điều chỉnh để kết quả ra của mô hình phù hợp với thực tế quan sát được. Do khi phát triển mô hình, chúng ta phải tối giản các hiện tượng vật lý trong tự nhiên để thuận lợi cho người làm thật toán. Điều này khiến các số liệu nhập vào mô hình có những giá trị không hoàn toàn chắc chắn và kết quả ra sẽ sai biệt với thực tế. Hiệu chỉnh là công việc nhằm rút ngắn các khoảng cách sai biệt bằng cách đưa ra các thông số điều chỉnh gọi là thông số mô hình (model parameters). 2.6 Kiểm nghiệm mô hình Kiểm nghiệm mô hình là bước tiếp sau công việc hiệu chỉnh mô hình nhằm kiểm tra các thông số mô hình đưa ra có phù hợp với các diễn biến của thực tế hay không. THU THẬP VÀ PHÂN TÍCH SỐ LIỆU XÂY DỰNG MÔ HÌNH GIẢI MÔ HÌNH PHẦN MỀM TÍCH /TOÁN KHÁI NIỆM HIỆU CHỈNH PHÂN TÍCH ĐỘ MÔ HÌNH NHẠY/ĐỘ KHÔNG CHẮC CHẮN SENSITIVITY KIỂM ĐỊNH MÔ ANALYSIS HÌNH ỨNG DỤNG DỰ BÁO / TỐI ƯU Báo cáo mô hình hóa môi trường 17 HOÁ
Các bước xây dựng và kiểm định mô hình Báo cáo mô hình hóa môi trường 18
3.Định nghĩa mô phỏng và ứng dụng: Mô phỏng của một hệ thống là quá trình hoạt động của một mô hình, là sự đại diện của hệ thống đó. Ứng dụng của một mô hình gồm + Thiết kế và phân tích hệ thống sản xuất; + Đánh giá yêu cầu của H/W và S/W cho một hệ thống máy tính; + Đánh giá một hệ thống hay chiến thuật quân sự mới; + Xác định chính sách đặt hàng cho một hệ thống hàng hóa tồn kho; + Thiết kế hệ thống thông tin liên lạc và phương thức nhắn tin cho hệ thống; + Thiết kế và vận hành các cơ sở như đường cao tốc, tàu điện ngầm, sân bay hoặc cống; + Thẩm định thiết kế cho các tổ chức dịch vụ như bệnh viện, bưu điện, hoặc các nhà hàng thức ăn nhanh; + Phân tích hệ thống tài chính kinh tế hoặc thông tin. 4.Một vài thuật ngữ Hệ thống (System) được hiểu là một tập hợp các thành phần có quan hệ liên thông với nhau để tạo thành một tổng thể. Theo Dooge (1964) hệ thống là bất kỳ một cấu trúc, thiết bị hoặc sơ đồ, trình tự nào đó, thực hay trừu tượng, được gắn với bước thời gian nhất định, liên hệ giữa lượng vào (nguyên nhân, năng lượng, thông tin) với lượng ra (hệ quả, phản ứng, năng lượng) INPUT SYSTEM OUTPUT Lượng vào Hệ thống Lượng ra Hệ thống thủy văn (hydrological system) là các quá trình thuỷ văn (chu trình thuỷ văn) trên một vùng không gian nhất định và đó là các hệ thống thực. Ta có thể coi tuần hoàn thuỷ văn như một hệ thống với các thành phần là nước, bốc hơi, dòng chảy và các pha khác nhau của chu trình. Các thành phần này lại có thể tập hợp thành các hệ thống con của chu trình lớn. Để phân tích hệ thống toàn cục ta tiến hành xử lý, phân tích riêng rẽ các hệ thống con đơn giản hơn và tổng hợp các kết quả dựa trên mối quan hệ qua lại giữa chúng. Báo cáo mô hình hóa môi trường 19
Hệ thống thủy văn được định nghĩa như một cấu trúc hay một thể tích không gian bao quanh bởi một mặt biên. Cấu trúc này tiếp nhận các yếu tố đầu vào (Input) qua mặt biển như mưa theo phương thẳng đứng, dòng chảy theo phương ngang, thao tác phân tích các yếu tố đó ở bên trong và biến đổi chúng thành các yếu tố đầu ra (Output) ở mặt biên bên kia. Có thể hiểu cấu trúc của hệ thống (hay thể tích không gian) là toàn bộ các đường đi, các phương thức khác nhau để qua đó nước xuyên suốt qua hệ thống từ điểm đi vào cho đến điểm đi ra. Biên của hệ thống là một mặt liên tục, xác định trong không gian 3 chiều bao quanh cấu trúc hay thể tích đang xét. Một đối tượng nghiên cứu nào đó đi vào hệ thống như một yếu tố đầu vào, tác động qua lại với cấu túc và các yếu tố khác, rồi rời khỏi hệ thống thành yếu tố đầu ra. Nhiều quá trình vật lý, hoá học và sinh học khác nhau ở bên trong cấu trúc đã tác động lên đối tượng. Thông số (parametter of model) là đặc trưng số lượng của hệ thống thủy văn. Ví dụ diện tích lưu vực là một thông số biểu thị độ lớn của lưu vực. Nói chung thông số của hệ thống không thay đổi theo thời gian trong điều kiện các nhân tố ảnh hưởng đến hệ thống ổn định. Đặc tính của hệ thống có thể biểu thị qua nhiều thông số khác nhau. Hiệu quả của mô hình phụ thuộc trước hết vào độ chính xác xác định thông số. Nếu thông tin ban đầu không đầy đủ thì khi tăng số thông số, mặc dù cho phép mô tả đầy đủ hơn và chính xác hơn quá trình, nhưng có thể đưa đến những kết quả kém hơn bởi vì các thông số được lựa chọn sẽ có sai số lớn hơn. Vì vậy phải lựa chọn một cấu trúc mô hình tối ưu nào đó, bao gồm một số lượng tối ưu các thông số, có thể mô tả tốt các quá trình cơ bản trong hệ thống thông tin đã có, đồng thời phải đưa ra các phương pháp xác định chính xác các thông số. Thực tế cho thấy khả năng thay đổi cấu trúc mô hình luôn lớn hơn khả năng thay đổi các phương pháp xác định thông số . 5. Lịch sử phát triển lĩnh vực mô hình và mô hình hóa môi trường Từ xa xưa vào thời tiền sử con người đã nghĩ rằng có thể tạo ra một mô phỏng tối giản để phát họa hình ảnh những khuôn dạng người để có một sắp xếp xem xét sự tiến hóa của các nhóm chủng người. + Những bức phát họa con người và các cách sinh hoạt của họ ở các vách hang đá cho ta hình dung nền văn hóa người Cổ Cận Đông và Cổ Hy Lạp. Báo cáo mô hình hóa môi trường 20