Bai 1

MÔ HÌNH, MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ HÌNH HÓA CÁC QUÁ TRÌNH MÔI TRƯỜNG

BÀI GIẢNG

BÙI TÁ LONG

1

Mục đích và nội dung của môn học Mục đích: o Mở rộng sự hiểu biết về ứng dụng của phương pháp mô hình hóa trong nghiên cứu và quản lý môi trường; o Phát triển phương pháp phân tích hệ thống ứng dụng trong mô hình hóa môi trường; Nội dung: o Các phương pháp định lượng được sử dụng trong mô hình hóa môi trường; o Mô hình hóa các thành phần của môi trường. o Các công cụ toán được sử dụng trong mô hình hóa : phương trình vi phân thường, đạo hàm riêng, điều kiện ban đầu, điều kiện biên, phương pháp giải số; o Mô hình toán lan truyền chất ô nhiễm trong các môi trường không khí, nước, đất; o Soạn thảo mô hình trên một số ví dụ mẫu; BÀI GIẢNG

BÙI TÁ LONG

2

NỘI DUNG BÀI 1 o Mô hình như một công cụ kết nối thế giới tự nhiên và xã hội loài người. o Mô hình hóa môi trường như một bộ phận không tách rời của mô hình hóa nói chung. o Các dạng mô hình môi trường o Một số nguyên tắc cơ bản trong xây dựng mô hình BÀI GIẢNG

BÙI TÁ LONG

3

Mô hình như một công cụ kết nối thế giới tự nhiên và xã hội loài người. o Ngày nay hầu hết các ngành khoa học đều sử dụng “mô hình”, (“model”). o Mô hình không chỉ xuất hiện trong khoa học tự nhiên mà còn xuất hiện trong khoa học xã hội. o 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 mô hình được hiểu như một dạng mẫu tương tự. o Tuy nhiên có rất nhiều thuật ngữ “mô hình” được sử dụng rất khác nhau. BÀI GIẢNG

BÙI TÁ LONG

4

Điểm được thống nhất cao về “model”

o Ứng dụng của mô hình rất rộng, chúng giúp cho quá trình thông qua quyết định trong cuộc sống hàng ngày; o Mô hình là một khái niệm cơ bản của khoa học và đóng vai trò đặc biệt quan trọng trong khoa học môi trường nơi các phép thí nghiệm rất khó tiến hành

BÀI GIẢNG

BÙI TÁ LONG

5

Mô hình như một công cụ chính kết nối tự nhiên và xã hội, Nico Stehr o “Thật dễ dàng vẽ một biểu đồ hơn là mô tả chính xác những điều thực tế đang diễn ra” o “Trong nghiên cứu khoa học, thu thập thông tin về đối tượng nghiên cứu là chưa đủ, cần thiết phải tổng quát hóa dữ liệu được thu thập thành các công thức”.

BÀI GIẢNG

BÙI TÁ LONG

6

Thuật ngữ “model” cũng được định nghĩa theo nhiều cách khác nhau 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. o Mô hình là một mẫu thể hiện một sự vật còn chưa được xây dựng trên thực tế, được xem như là kế hoạch (trên thực tế sẽ lớn hơn mẫu) và sẽ được xây dựng. o 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”. (Noam Chomsky) o Thuật ngữ “model”có thể được dùng như một kiểu mẫu thiết kế của một đối tượng cụ thể. Ví dụ có thể nói chiếc xe của anh ta là mẫu xe của năm ngoái. o Thuật ngữ “model” có thể được dùng cho đối tượng là người tiêu biểu cho một hay nhiều tiêu chí khác nhau. o Thuật ngữ “model” có thể là người hay vật thể phục vụ cho họa sĩ hay người chụp hình nghệ thuật. o Thuật ngữ “model” có thể dùng chỉ người có nghề nghiệp là trình diễn thời trang. (The American Heritage Dictionary of the English Language, New York: Houghton Mifflin 1969) o

BÀI GIẢNG

BÙI TÁ LONG

7

Stehr đã thêm vào mệnh đề sau: o Mô hình là công cụ tốt o Mô hình toán học còn tốt hơn. Mẫu số chung nhất cho các mô hình: chính là chức năng quan trọng nhất của chúng – là sự giảm thiểu độ phức tạp của phạm vi yêu cầu

BÀI GIẢNG

BÙI TÁ LONG

8

o Pierre Duhem, nhà vật lý người Pháp: “mô hình trong khoa học chỉ là một công cụ để giải thích về lý thuyết và có thể được loại bỏ một khi một lý thuyết khác được phát triển”.

o Campell, nhà vật lý người Anh: “mô hình là một phần thiết yếu (của lý thuyết), không có nó lý thuyết sẽ hoàn toàn không có giá trị” BÀI GIẢNG

BÙI TÁ LONG

9

Stehr: 2 thuộc tính cần quan tâm o Chất lượng mô hình o Kết quả định lượng được tạo ra từ mô hình.

BÀI GIẢNG

BÙI TÁ LONG

10

Stehr: o 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 triển xã hội. o 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.

BÀI GIẢNG

BÙI TÁ LONG

11

Tóm lại o Mô hình hóa các quá trình và hiện tượng xảy ra trong xã hội và thiên nhiên được thừa nhận như một công cụ mạnh giúp hiểu biết sâu hơn bản chất của tự nhiên và giúp loài người nhận được thông tin quí giá về thế giới thực. o Thông tin nhận được từ quá trình mô hình hóa tiếp tục thúc đẩy sự phát triển các phương pháp mới giải quyết các bài toán khoa học cũng như làm cơ sở thông qua các quyết định quản lý cụ thể.

BÀI GIẢNG

BÙI TÁ LONG

12

Mô hình hóa môi trường như một bộ phận của mô hình hóa tự nhiên – xã hội. o Một số định nghĩa và khái niệm cơ bản o Cấu trúc cơ bản của mô hình hóa môi trường o Các thành phần trong quá trình mô hình hóa môi trường sinh thái o Các bước của quá trình mô hình hóa môi trường

BÀI GIẢNG

BÙI TÁ LONG

13

Vì sao cần mô hình môi trường Quan điểm này đòi hỏi mỗi quốc gia nhanh chóng giải quyết các nhiệm vụ sau đây: oXâydựng các phương pháp đánh giá sự bền vững của các hệ sinh thái; oNghiên cứu các quy luật biến đổi theo thời gian của chúng oHoàn thành các phương pháp đánh giá định lượng tác động lên môi trường các hoạt động kinh tế - xã hội.

BÀI GIẢNG

BÙI TÁ LONG

14

(tiếp theo) o Để giải quyết tốt nhiệm vụ trên, cần thiết phải phát triển lý thuyết hệ thống và mô hình hóa, coi đây là công cụ chính để nghiên cứu môi trường. o Vào năm 1997, Viện quốc tế về phân tích hệ thống ứng dụng (IIASA, Laxenbourg, Áo) đã công bố danh mục các công trình nghiên cứu trong 25 năm (1955 – 1997) gồm hơn 50.000 công trình liên quan tới lý thuyết hệ thống và mô hình hóa môi trường.

BÀI GIẢNG

BÙI TÁ LONG

15

Định nghĩa và khái niệm cơ bản o Các mô hình môi trường (Environmental Models) được sử dụng để tái tạo lại các quá trình môi trường xảy ra trong một khoảng thời gian nào đó”. o Ngày nay loài người đã hiểu rõ ràng rằng việc tiến hành những thí nghiệm trực tiếp với sinh quyển của hành tinh là không thể. Do vậy xây dựng mô hình là phương tiện quan trọng để nhận thông tin về tình trạng có thể của sinh quyển chịu những tác động lớn từ phía con người lên nó.

Cục bảo vệ môi trường Mỹ

BÀI GIẢNG

BÙI TÁ LONG

16

o Quá trình mô hình hóa có thể dựa trên những nguyên lý khác nhau, dựa trên cơ sở xem xét và phân tích các mối liên hệ nhân – quả. Mô hình toán học của một đối tượng bất kỳ là sự mô tả nó bằng các công cụ, phương pháp toán học. o Bên cạnh các phương pháp toán học các phương pháp khác được áp dụng như : lôgích, tương tự, liên hợp…

BÀI GIẢNG

BÙI TÁ LONG

17

Mô hình toán Các quá trình được mô tả bằng cách sử dụng các biểu thức toán học. Rất nhiều biểu thức toán học các quá trình liên quan tới mô phỏng môi trường sinh thái đã tồn tại. Các quá trình vật lý: các quá trình lan truyền, hấp thụ, sự phụ thuộc nhiệt độ, bay hơi. Các quá trình hóa học: ô xy hóa, ion hóa, bốc hơi, Các quá trình sinh học: quang hợp, sự tăng trưởng, sự lắng trầm tích, sự phân rã, ... Các mô hình số.

BÀI GIẢNG

BÙI TÁ LONG

18

Khả năng của mô hình toán: o Bằng các công cụ mang tính hình thức để giải phương trình và các bất phương trình hay bằng thuật toán người nghiên cứu có thể dự báo sự thay đổi hành vi của đối tượng nghiên cứu o Xem các đối tượng này thay đổi như thế nào khi các điều kiện này hay điều kiện khác (được mô tả bởi các tham số của mô hình) thay đổi. o Quá trình này gọi là mô phỏng toán học.

BÀI GIẢNG

BÙI TÁ LONG

19

Công việc thiết lập mô hình toán học các quá trình môi trường là một bài toán rất khó o Cần phải thu thập các dữ liệu đầu vào cho mô hình. o Xác định trạng thái ban đầu của môi trường cần phải có một mạng lưới quốc tế thu thập và xử lý thông tin ban đầu về tình trạng sinh quyển.

BÀI GIẢNG

BÙI TÁ LONG

20

Kurkovsky A.P và Pritsker A.A.B o Các hệ thống tự động gắn với các mô hình mô phỏng cho phép nâng cao hiệu quả của nghiên cứu môi trường; o Vấn đề trung tâm trong nghiên cứu môi trường là khái niệm chất lượng môi trường. Khái niệm này gắn liền với sự thiết lập tải trọng môi trường cho phép lên môi trường. o Cần thiết phải nhận được các mô hình cho phép đánh giá thiệt hại của các hệ sinh thái dựa trên các tiêu chuẩn được thiết lập BÀI GIẢNG

BÙI TÁ LONG

21

Phạm vi không gian – thời gian của đối tượng cần xem xét o

o

o

o

Mức độ toàn cầu tiến hành khảo sát với kích thước toàn cầu có lưu ý đến các tác động tổng hợp các yếu tố mà người khảo sát quan tâm, diễn ra trong một khoảng thời gian từ vài tháng tới vài chục năm (ví dụ các mô hình thay đổi khí hậu,...). Mức độ vĩ mô - xem xét các đối tượng và các quá trình trong không gian có kích thước vài ngàn km, kích thước thời gian - từ một vài tháng tới một năm (mô hình lan truyền vượt tuyến chất bẩn giữa các quốc gia hay các hành tinh với nhau, mô hình này đã được đưa vào áp dụng tại Châu Âu và Bắc Mỹ,…). Mức độ trung bình (mức độ vùng) - xem xét các quá trình trong không gian có kích thước từ vài trăm m tới vài trăm km và thời gian từ vài giờ tới một vài tháng (các quá trình nhiễm bẩn khí quyển tại các thành phố công nghiệp, các tổ hợp công nghiệp, các tình huống tai biến khi có sự phát tỏa lớn của các chất bẩn vào không khí là thuộc mức độ này). Mức độ vi mô (mức độ địa phương) - xem xét các quá trình trên một diện tích từ vài m tới một vài trăm m và thời gian từ vài phút đến một vài chục phút (một bài toán sinh thái tiêu biểu ở đây là tính cho một số ít các nguồn thải và xem xét chi tiết phân bố không gian của nồng độ tại một địa phương nào đó).

BÀI GIẢNG

BÙI TÁ LONG

22

Các thành phần trong quá trình mô hình hóa môi trường sinh thái

BÀI GIẢNG

BÙI TÁ LONG

23

o Biến trạng thái (state variables), hàm điều khiển (forcing function) và biến ngoại sinh (exogerous variables), các phương trình toán học (mathematical equations), các tham số (parameters), các hằng số thông số (universal constants).

BÀI GIẢNG

BÙI TÁ LONG

24

Mô hình hóa hệ sinh thái dưới nước

BÀI GIẢNG

BÙI TÁ LONG

25

Các quá trình mô hình hóa

Gª ̣ RHMG SG@́H Thông qua

Xác định bài toán Xác định hệ sinh thái

data

CỰ A@́N Mô hình toán Và Mô hình số

Sự định cỡ data

Phân tích Nhạy cảm BÀI GIẢNG

Kiểm tra data BÙI TÁ LONG

data

26

W` ́b ½ḥmg a` ̀hsn` ́m Các phần tử của mô hình hoá Các yếu tố bên ngoài có ảnh hưởng đến các biến trạng thái (ví dụ như mưa, nắng, gió, nhiệt độ, áp suất,...) Các biến trạng thái: các dạng vật chất ứng với các điều kiện nhất định của các đối tượng sinh thái Các phương trình toán học Các hằng số Ngoài ra cần xác định Không gian Thời gian Các hệ con Trạng thái mà khi thời gian thay đổi, nó vẫn giữ nguyên được gọi là trạng thái bền vững (Steady state)

BÀI GIẢNG

BÙI TÁ LONG

27

Xác định bài toán o Löïa choïn moâ hình Döïa treân tri thöùc veà caùc bieán traïng thaùi vaø caùc quaù trình cô baûn

Taäp hôïp döõ lieäu ñang toàn taïi. Döõ lieäu ñeå hieäu chænh vaø kieåm tra moâ hình

Moâ hình “toát“ BÀI GIẢNG

BÙI TÁ LONG

28

Mô hình „chưa tốt“ Kiến thức nghèo nàn Mô hình không thể mô phỏng nhiều chi tiết Tính không xác định cao

BÀI GIẢNG

BÙI TÁ LONG

29

Mô hình „tốt“ Kiến thức sâu Mô hình càng chi tiết Tính không xác định thấp

BÀI GIẢNG

BÙI TÁ LONG

30

Bước kiểm tra (verification) o Mô hình có ổn định trong một thời gian dài hay không ? o Mô hình có hoạt động như mong đợi hay không ?

BÀI GIẢNG

BÙI TÁ LONG

31

Phân tích độ nhạy (sensitivity) o Xác định hiện ứng gây ra bởi sự thay đổi nhỏ của các tham số mô hình lên kết quả (biến trạng thái) bằng phương pháp mô phỏng số hay kỹ thuật toán học

BÀI GIẢNG

BÙI TÁ LONG

32

Định kích cỡ, hiệu chỉnh (calibration) o So sánh thống kê được thực hiện giữa kết quả tính toán theo mô hình và thực đo; chỉnh lý các tham số của mô hình dựa trên số liệu thí nghiệm tìm được trong các tài liệu o Là sự cố gắng tìm kiếm sự phù hợp giữa dữ liệu tính toán và dữ liệu thực đo bằng cách lựa chọn thay đổi một vài thông số. o Quá trình này có thể được thực hiện bằng các phép thử đúng sai, hoặc bằng cách sử dụng phần mềm chuyên dùng cho việc tìm kiếm sự thích hợp tốt nhất giữa các giá trị quan sát và giá trị tính toán.

BÀI GIẢNG

BÙI TÁ LONG

33

Bước xác nhận (validation) o Kiểm tra mô hình dựa vào tập dữ liệu độc lập để theo dõi kết quả mô phỏng theo mô hình trùng khít với dữ liệu đo đạc như thế nào; o Bước xác nhận cho phép đánh giá mô hình tốt hay không tốt khi có được các dữ liệu chuẩn.

BÀI GIẢNG

BÙI TÁ LONG

34

Bước xác nhận (validation) o Sự chấp nhận về mặt khoa học cho phép sử dụng tiếp theo. Quá trình này gồm: o (1) xác nhận các quá trình chính và nổi bật nhất trong quá trình xây dựng mô hình; o (2)các quá trình được thực hiện đúng các bước; o (3) mô hình trên thực tế đã phản ánh đúng các hiện tượng được quan sát.

BÀI GIẢNG

BÙI TÁ LONG

35

Phân loại mô hình Đặc điểm

Loại mô hình Mô hình nghiên cứu ( Research models) Mô hình quản lý (Management models)

Mô hình tiền định (Deterministic models) Mô hình dự đoán (Stochastic models) Mô hình hộp (Compartment models) Mô hình ma trận

BÀI GIẢNG

Được sử dụng như công cụ nghiên cứu Được sử dụng như công cụ quản lý

Giá trị dự đoán được tính toán chính xác Giá trị dự đoán phụ thuộc vào phân bố xác suất Các biến xác định hệ thống được lượng hóa bằng các phương trình vi phân phụ thuộc thời gian Sử dụng ma trận trong các công thức toán

BÙI TÁ LONG

36

Mô hình quản lý môi trường có một số đặc điểm riêng o 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. o Mô hình môi trường được sử dụng để trả lời cho câu hỏi này, nói cách khác mô hình môi trường được dùng để dự báo.

BÀI GIẢNG

BÙI TÁ LONG

37

Mô hình quản lý và mô hình kiểm soát o Khi chúng ta chọn các phương án tính toán khác nhau, có nghĩa là chúng ta hình thành các kịch bản (cho mô hình chạy). Trong số các kịch bản này ta chọn kịch bản phù hợp với chính sách phát triển kinh tế - xã hội nhất. Khi đó mô hình được sử dụng như một mô hình quản lý mà không phải là mô hình kiểm soát. o Chúng ta biến mô hình này thành mô hình kiểm soát khi chúng ta muốn đạt được mức độ nồng độ cho phép ở một ngưỡng xác định nào đó. BÀI GIẢNG

BÙI TÁ LONG

38

Mô hình „tốt“ (tiếp theo) Xu hướng: các mô hình rất phức tạp Công nghệ máy tính: dễ dàng cộng thêm các biến và các phương trình Nhưng rất khó lấy được các dữ liệu cần thiết để kiểm tra và hiệu chỉnh mô hình Càng nhiều tham số càng gây nhiều điều không xác định “Mô hình cơ sở“ (Zeigler, 1976) Chứa đầu vào – đầu ra đầy đủ Mô tả tất cả các quá trình Đòi hỏi một số lượng lớn chương trình tính toán Không có “Mô hình cơ sở“ cho tất cả các hệ sinh thái BÀI GIẢNG

BÙI TÁ LONG

39

Mô hình là công cụ có lợi trong nghiên cứu môi trường Nghiên cứu các hệ phức tạp: oNhiều thông tin có thể được ghi nhận oThông tin có thể được hiển thị, ví dụ bằng đồ thị Khám phá các tính chất của hệ: oCác thông tin ghi có thể được phân tích oViệc phân tích thông tin có thể khám phá ra tính chất không thể phát hiện khi khảo sát oPhát hiện những thiết xót trong tri thức và đưa ra các ưu tiên trong nghiên cứu : oMô hình có thể tối ưu các phép đo ngoài hiện trường oQuá trình lặp, mô hình và phép đo bổ xung cho nhau oKiểm tra các giả thiết khoa học

BÀI GIẢNG

BÙI TÁ LONG

40

Giới hạn của mô hình o Mô hình không khi nào chứa tất cả các đặc điểm của hệ thực. Đây vẫn chỉ là mô hình ! o Mô hình có thể có sai sót từ việc đơn giản hóa, sự cắt đi nhiều thành phần của mô hình.

BÀI GIẢNG

BÙI TÁ LONG

41

BÀI GIẢNG

BÙI TÁ LONG

42