Đang tải... (xem toàn văn)
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.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA MƠI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUN THIÊN NHIÊN …oOo… MƠ HÌNH HĨA MƠI TRƯỜNG Chủ đề: TỔNG QUAN VỀ MƠ HÌNH HĨA CÁC BƯỚC THIẾT LẬP VÀ PHÁT TRIỂN MƠ HÌNH Giảng viên hướng dẫn Huỳnh Vương Thu Minh Sinh viên thực hiện Nhóm sinh viên QLMTA2 Báo cáo mơ hình hóa mơi trường PHỤ LỤC PHỤ LỤC 2 Báo cáo mơ hình hóa mơi trường DANH SÁCH HÌNH PHỤ LỤC 2 Báo cáo mơ hình hóa mơi trường CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MƠ HÌNH HĨA VÀ Ý NGHĨA Giới thiệu Hiện nay, ơ nhiễm mơi 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, khơng khí suy giảm nhanh chóng vượt qua khả năng tự làm sạch của tự nhiên. Trong lĩnh vực khoa học quản lý mơi trường và kỹ thuật xử lý mơi trường, việc quan trắc dự báo diễn biến mơi trường mang tầm quan trọng cho các quyết định giải quyết vấn đề. Tuy nhiên, việc đo đạc, quan trắc mơi trường rất tốn kém kinh phí và cơng 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 ngun lý vật lý và tốn học vào thực tiễn để mơ phỏng các diễn biến thực tế trong tự nhiên và đưa ra các dự báo cần thiết. Việc mơ phỏng mơi 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 đốn khả năng lây truyền chất ơ nhiễm hoặc khả năng hồi phục chất lượng tài ngun. Mơn học mơ hình hóa mơi trường được hình thành từ cơ sở này. 2. Các định nghĩa và phân loại mơ hình 2.1. Khái niệm mơ hình Mơ hình là một cấu trúc mơ 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) Mơ 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 tốn học, một cơng thức vật lý, mộtphần mềm tin học để mơ tả một hiện trạng thực tế mang tính điển hình ( TS. Lê Anh Tuấn, 2008) Mơ hình là một đối tượng cụ thể (vật chất hoặc phương trình tốn học), một hệ Báo cáo mơ hình hóa mơi trường thống, khái niệm (tư duy) thay nguyên (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 tồn trước khi chế tạo hàng loạt (hình 1.1) Hình 1.1. Mơ hình xe hơi thử nghiệm sử dụng năng lượng mặt trời Ví dụ 1.2: Mơ hình Vịng tuần hồn nước sự tồn tại và vận động của nước trên mặt đất, trong lịng trong đất và trong bầu khí quyển của trái đất Hình 1.2 Mơ hình vịng tuần hồn nước trên trái đất 2.2 Phân loại mơ hình a. Phân loại mơ hình Mơ hình khái niệm ( Mơ hình nhận thức) Conceptual modelling: Trước khi tiến Báo cáo mơ hình hóa mơi trường hành tạo một mơ 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 mơ hình khái niệm là lưu đồ hoặc sơ đồ. Mơ hình giải tích ( Mơ hình số): Là những thuật tốn quan hệ giữa những biến số ( variables ) và thơng số ( parameters ) của mơ hình →Phần quan trọng cốt lõi và cũng phức tạp nhất khi xây dựng mơ hình Mơ hình tốn– Numerical modelling: Dùng ngơn ngữ lập trình mơ tả mối quan hệ tốn học giữa các yếu tố trong hệ thống (các q trình hóa học, vật lý và sinh học) được mơ phỏng từ hệ thống thực. Các mơ hình tốn thường sử dụng như MathCAD, MathLAB, Excel, Fortran, C, C ++ , Java… Mơ hình vật lý: Mơ hình tỉ lệ Scale physiscal modelling: Hệ vật lý được mơ phỏng lại với các thành phần được mơ phỏng bằng một tỉ lệ chính xác (thu nhỏ hoặc phóng to) Mơ hình phác thảo thử nghiệm – Prototype modelling: Dạng này được xây dựng nhanh và thơ (phác thảo) để thử nghiệm một vài chức năng Mơ hình tương tự: Khi một q trình muốn nghiên cứu q phức tạp →Có thể sử dụng một q trình khác thay thế (cơng thức tốn học giống nhau) → Mơ hình tương tự → Suy kết quả từ mơ hình tương tự cho mơ hình muốn nghiên cứu MƠ HÌNH b. Phân loại mơ hình tốn TỐN MƠ HÌNH TẤT ĐỊNH MƠ HÌNH NGẪU NHIÊN MƠ HÌNH LIÊN TỤC MƠ HÌNH RỜI RẠC MƠ HÌNH TĨNH MƠ HÌNH ĐỘNG Báo cáo mơ hình hóa mơi trường MƠ HÌNH TUYẾN TÍNH MƠ HÌNH PHI TUYẾN TÍNH Mơ hình hộp trắng White box Mơ hình cung cấp số thơng tin về liệu đầu vào, đầu ra và một bên trong hệ thống Mơ hình hộp đen Black box Mơ hình chỉ cung cấp số thơng tin về liệu đầu vào và đầu ra (only input and output are known), cấu trúc bên trong chưa biết hoặc khơng biết do cấu trúc q phức tạp hoặc chưa biết (Internal dynamics are either too complex or unknown) Mơ hình hộp xám Gray box Báo cáo mơ hình hóa mơi trường Mơ hình cung cấp số thơng 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 mơ hình TÊN MƠ HÌNH ƯU ĐIỂM NHƯỢC ĐIỂM Mơ hình khái niệm (Mơ hình nhận thức ) Được hình thành dù người tạo chưa hiểu hết tất các hiện tượng phức tạp trong thực tế Có thể đơn giản hóa tính bất nhất của các thơng số thành tính đồng nhất Có thể giảm thiểu được số liệu u cầu Dễ dàng cho người xem hiểu cách thu thập số liệu, thông tin sử dụng một cách nhanh chóng và ít tốn kém Mơ hình khái niệm là một khái qt nhân tạo phi vật lý qua các tối giản nên có thể khơng đưa hết quan hệ tương tác giữa các đối tượng Những người thiếu kinh nghiệm có thể tạo các giả thiết phi thực tế hoặc q đơn giản Mơ hình khái niệm mang tính tổng q nên đơi khi bỏ sót các phương án vận hành Báo cáo mơ hình hóa mơi trường Mơ hình khái niệm là một cơng cụ kĩ thuật cho các lập trình viên hiểu vấn đề phải giải quyết mà khơng cần phải làmột chun gia mơi trường Mơ hình khái niệm tạo thuận lợi cho việc diễn giải trong thuyết minh, biểu bảng, đồ thị Có thể tạo ra một giao tiếp với sở dữ liệu và hệ thống thơng tin địa lý (GIS) Mơ hình Giải Mơ hình thực hiện xử lý số liệu Tích ( Mơ hình Số) cách nhanh chóng Mơ hình khơng có lập trình, tối thiểu được lỗi trong cách sử dụng Mơ hình khái qt thường khơng thể thể cách điều chỉnh sai số hoặc ngoại suy trong trường hợp thiếu dữ liệu Khi cần bổ sung mơ hình hoặc tái cấu trúc mơ hình có thể tạo tình trạng q gị bó thơng số Dùng các ngơn ngữ lập trình để miêu tả mối quan hệ tốn học một cách dễ dàng Có thể dễ dàng thay đổi số liệu hay thông số mô hình với nhiều kịch bản khác nhau theo ý muốn Các tính tiêu chuẩn hóa thường cần thiết cho mơ hình Chu kỳ phát triển ngắn hơn Có thể đọc được nhiều mã khác Hỗ trợ nhiều việc xác minh mơ hình tốn học Là công cụ chuẩn xác để dự đốn những hiện tượng Vật lý Kích thước nhỏ, đo đạc dễ dàng Quan sát tượng tận mắt dễ dàng định hướng nghiên cứu Đòi hỏi khối lượng cơng việc khổng lồ với các biến số thay đổi theo thời gian và khơng gian Giai đoạn kiểm tra lại khó khăn. Tính di động bị hạn chế Chi phí phầm mềm cao Địi hỏi nâng cấp bổ sung Mơ hình Tốn Mơ hình Vật Lý Báo cáo mơ hình hóa mơi trường Các thơng số và biến số dễ bị thay đổi Là mơ hình phức tạp với các chuỗi thuật toán Tốn kém thời gian và tiền bạc Chỉ được áp dụng khi hết sức cần thiết khi nghiên cứu chi tiết để thiết kế cơng trình (cống, đập) Khó mơ phỏng tất cả các Mơ hình Tương Có thể sử dụng số liệu, thơng Tự số hay trình khác thay rồi suy ra kết quả tương tự cho mơ hình Khơng sử dụng lập trình phức tạp Các mơ hình phức tạp được thực hiện nhanh chóng hiện tượng theo tỉ lệ chính xác Khó mơ điều kiện biên cách chính xác Kết quả khơng chính xác Khơng mơ tất cả tượng mô hình một cách chính xác Tốn kém về tiền bạc 4. Các trường hợp cần sử dụng mơ hình tốn và mơ hình vật lý Mơ hình vật lý: Khi những hiện tượng vật lý thực tế phức tạp và khó mơ tả chính xác bằng các cơng thức tốn học. Mơ hình vật lý là cơng cụ chuẩn xác để dự đốn những hiện tượng vật lý. Khơng cần phải tưởng tượng, chúng ta có thể quan sát tồn bộ q trình thơng qua mơ hình vật lý Mơ hình tốn: Để dự đốn hoặc mơ phỏng một cách thường xun những gì một hệ thống thế giới thực sẽ làm trong tương lai nhưng lại tốn kém, khơng thực tế hoặc khơng thể thử nghiệm trực tiếp với hệ thống, ví dụ như: thiết kế lị phản ứng hạt nhân, sự tuyệt chủng của các lồi,…Mơ hình tốn cịn được áp dụng trong nhiều trường hợp khi phải liên tục thay đổi kịch bản để đưa ra kết quả tương ứng. Báo cáo mơ hình hóa mơi trường 10 Ví dụ mơ hình hóa mơi trường 5.2 Ý nghĩa mơ hình hóa mơi trường Cung cấp các cơng cụ 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 thơng tin và tiên đốn diễn biến của mơi trường– sinh thái Mơ tả đơn giản cho các quan hệ phức tạp về mơi trường sinh thái ở ngồi 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 đốn Mơ hình tạo ra các thơng 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. MƠ 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 khơng 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 dơng và những trận gió lốc rất mạnh do sự chênh lệch áp suất khơng khí giữa áp cao lạnh giữa những đám mây mưa và bầu khơng khí nóng xung quanh. Và khi hai cơn mưa dơng gặp nhau những luồng gió khí ln chuyển lên xuống khơng ngừng làm khí lạnh bị đẩy xuống thấp và khí nóng bị đẩy lên cao. Báo cáo mơ hình hóa mơi trường 12 Nước càng nóng, quy trình này càng nhanh và gió tăng tốc. Khi đó, tầng trên của lớp đối lưu, luồng khí ẩm ướt này toả ra và bắt đầu xoay theo qn tính hình thành từ chiều quay của trái đất, Bắc bán cầu là chiều ngược lại của kim đồng hồ, cịn Nam bán cầu là cùng chiều với kim đồng hồ. Khi lực xoay đủ lớn thì một cơn bão sẽ hình thành 6.2 Mơ hình khái niệm sự hình thành bão MƠ HÌNH KHÁI NIỆM HÌNH THÀNH BÃO Sự hồ lộn khí quyển Độ ẩm Hình thành mưa Nhiệt độ đại dương nóng lên Khơng khí ẩm bốc lên Nhiệt độ Động lực để tạo xốy Lực quay Trái Đất Hấp thụ năng lượng Hình thành gió mạnh Hình thành bão Hình Thành xốy, lốc,giơng 6.3 Mơ hình tốn hình thành bão Hiện nay nước biển dâng nhìn nhận như q trình tương tác tổng hợp n người ta tính tốn 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 tốn 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 sơng ngịi Báo cáo mơ hình hóa mơi trường 13 Mơ hình nước nơng hai chiều có thể mơ 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 u h U ( z )dz v h h v( z ) dz 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 khơng 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 sin tham số coriolic vĩ độ địa lí vận tốc góc quay của trái đất Thơng tin ra là kết quả dự báo bão thơng qua các thơng số tốc độ gió, mực nước biển dâng, áp suất khơng khí để xác định hình thành bão Báo cáo mơ hình hóa mơi trường 14 CHƯƠNG 2 CÁC BƯỚC THIẾT LẬP VÀ PHÁT TRIỂN MƠ HÌNH LÝ THUYẾT VỀ LỰA CHỌN, HIỆU CHỈNH VÀ KIỂM ĐỊNH MƠ HÌNH 1.Các đặc trưng cơ bản của mơ hình Một cách tổng qt, tất cả mơ hình phải có ba thành tố chính + Thơng tin vào: bao gồm các dạng cơ sở dữ liệu đưa vào để mơ hình xử lý + Tiến trình xử lý thơng tin: bao gồm q trình tiếp nhận dữ liệu vào, tính tốn, phân tích, đánh giá và xuất dữ liệu + Thơng tin ra: thể hiện ở dạng đồ thị, biểu bảng, báo cáo đánh giá kết Tiến trình xử lí thơng tin Thơng tin vào Thơng tin ra Hình 1. Ba thành tố của một mơ hình Một mơ hình có các đặc trưng cơ bản sau + Mơ 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 mơ hình có thể xác lập được (T.S Lê Anh Tuấn,2008) 2.Các bước xây dựng và kiểm định mơ hình 2.1. Thu thập và phân tích số liệu Báo cáo mơ hình hóa mơi trường 15 Xác định loại số liệu (mực nước, lưu lượng, thơng 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 (mơ phỏng vài giờ/ngày/tháng/năm hay hàng chục năm (mơ 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 mơ vùng cần mơ phỏng; Chọn lựa loại mơ hình (Vật lý, Tốn,…) và so sánh; Trường hợp chọn mơ hình tốn ➔ Xác định loại mơ hình (tự xây dựng mơ hình (chọn ngơn ngữ) hay mơ hình có sẵn ngồi thị trường) Tất cả các mơ hình muốn vận hành thì cần phải có nguồn dữ liệu ban đầu và các điều kiện cần thiết 2.3 Mơ hình khái niệm Mơ hình khái niệm là một dạng ý tưởng hố nhằm tối giản những yếu tố phức tạp ngồi thực tế ở dạng một lưu đồ hoặc sơ đồ. Trong mơ hình khái niệm phải bắt đầu từ các dữ liệu nhập và, các diễn biến bên trong mơ hình và các thơng tin xuất ra từ mơ hình. Một hình khái niệm phải thể hiện tính đơn giản để tạo cho những người khơng phải là chun gia về mơ hình có thể hiểu mục tiêu của bài tốn mơ hình 2.4 Mơ hình giải tích (hoặc mơ hình số) Mơ hình giải tích (hoặc mơ hình số) thực chất là một loạt các thuật tốn được viết để giải quyết các quan hệ giữa các thơng số và biến số trong mơ 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 mơ hình hóa 2.5 Hiệu chỉnh Báo cáo mơ hình hóa mơi trường 16 Hiệu chỉnh (calibration) là tiến trình mà trong đó các thơng số và biến số của mơ hình được điều chỉnh để kết quả ra của mơ hình phù hợp với thực tế quan sát được. Do khi phát triển mơ hình, chúng ta phải tối giản các hiện tượng vật lý trong tự nhiên để thuận lợi cho người làm thật tốn. Điều này khiến các số liệu nhập vào mơ hình có những giá trị khơng hồn tồn chắc chắn và kết quả ra sẽ sai biệt với thực tế. Hiệu chỉnh là cơng việc nhằm rút ngắn các khoảng cách sai biệt bằng cách đưa ra các thơng số điều chỉnh gọi là thơng số mơ hình (model parameters) 2.6 Kiểm nghiệm mơ hình Kiểm nghiệm mơ hình là bước tiếp sau cơng việc hiệu chỉnh mơ hình nhằm kiểm tra các thơng số mơ hình đưa ra có phù hợp với các diễn biến của thực tế hay khơng THU THẬP VÀ PHÂN TÍCH SỐ LIỆU MƠ HÌNH GIẢI TÍCH /TỐN XÂY DỰNG PHẦN MỀM HIỆU CHỈNH MƠ HÌNH PHÂN TÍCH ĐỘ NHẠY/ĐỘ KHƠNG CHẮC CHẮN SENSITIVITY ANALYSIS KIỂM ĐỊNH MƠ HÌNH ỨNG DỤNG Báo cáo mơ hình hóa mơi trường 17 DỰ BÁO / TỐI ƯU HỐ MƠ HÌNH KHÁI NIỆM Các bước xây dựng và kiểm định mơ hình Báo cáo mơ hình hóa mơi trường 18 3.Định nghĩa mơ phỏng và ứng dụng: Mơ phỏng của một hệ thống là q trình hoạt động của một mơ hình, là sự đại diện của hệ thống đó. Ứng dụng của một mơ hình gồm + Thiết kế và phân tích hệ thống sản xuất; + Đánh giá u cầu của H/W và S/W cho một hệ thống máy tính; + Đánh giá một hệ thống hay chiến thuật qn sự mới; + Xác định chính sách đặt hàng cho một hệ thống hàng hóa tồn kho; + Thiết kế hệ thống thơng 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 thơng tin 4.Một vài thuật ngữ Hệ thống (System) được hiểu là một tập hợp các thành phần có quan hệ liên thơng 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 (ngun nhân, năng lượng, thơng tin) với lượng ra (hệ quả, phản ứng, năng lượng) INPUT Lượng vào SYSTEM Hệ thống OUTPUT Lượng ra Hệ thống thủy văn (hydrological system) là các q trình thuỷ văn (chu trình thuỷ văn) trên một vùng khơng gian nhất định và đó là các hệ thống thực. Ta có thể coi tuần hồn thuỷ văn như một hệ thống với các thành phần là nước, bốc hơi, dịng 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 tồn 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 mơ hình hóa mơi trường 19 Hệ thống thủy văn được định nghĩa như một cấu trúc hay một thể tích khơng 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, dịng 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) mặt biên bên kia. Có thể hiểu cấu trúc của hệ thống (hay thể tích khơng gian) là tồn bộ các đường đi, các phương thức khác nhau để qua đó nước xun 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 khơng 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 q trình vật lý, hố học và sinh học khác nhau ở bên trong cấu trúc đã tác động lên đối tượng Thơng số (parametter of model) là đặc trưng số lượng của hệ thống thủy văn. Ví dụ diện tích lưu vực là một thơng số biểu thị độ lớn của lưu vực. Nói chung thơng số của hệ thống khơng 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 thơng số khác nhau Hiệu quả của mơ hình phụ thuộc trước hết vào độ chính xác xác định thơng số. Nếu thơng tin ban đầu khơng đầy đủ thì khi tăng số thơng số, mặc dù cho phép mơ tả đầy đủ hơn và chính xác hơn q trình, nhưng có thể đưa đến những kết quả kém hơn bởi vì các thơng số được lựa chọn sẽ có sai số lớn hơn. Vì vậy phải lựa chọn một cấu trúc mơ hình tối ưu nào đó, bao gồm một số lượng tối ưu các thơng số, có thể mơ tả tốt các q trình cơ bản trong hệ thống thơng tin đã có, đồng thời phải đưa ra các phương pháp xác định chính xác các thơng số. Thực tế cho thấy khả năng thay đổi cấu trúc mơ hình ln lớn hơn khả năng thay đổi các phương pháp xác định thơng số 5. Lịch sử phát triển lĩnh vực mơ hình và mơ hình hóa mơi trường Từ xa xưa vào thời tiền sử con người đã nghĩ rằng có thể tạo ra một mơ phỏng tối giản để phát họa hình ảnh những khn 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 các vách hang đá cho ta hình dung nền văn hóa người Cổ Cận Đơng và Cổ Hy Lạp Báo cáo mơ hình hóa mơi trường 20 + Một trong các mơ hình đầu tiên được cơng nhận là các con số; số đếm và số viết được ghi lại trên các mảnh xương đã được tìm thấy vào khoảng 30.000 năm trước Cơng ngun + Ngành Thiên văn và Kiến trúc đã để lại những ghi chép mơ hình các vì sao, cơng trình nhà cửa từ 4.000 năm trước Cơng ngun + Vào khoảng 2.000 năm trước Công nguyên, ba văn hóa Babylon, Ai Cập và Ấn Độ đã biết cách sáng tạo và phát triển các bài tốn và ứng dụng “mơ hình tốn” trong cuộc sống thường nhật của họ. Phần lớn các bài tốn của họ là các thuật tốn được đề xuất để giải các vấn đề đặc biệt + Ở Việt Nam các hình ảnh để lại trên Trống đồng Đơng Sơn cho chúng ta nghĩ đến một mơ phỏng các điệu múa, y phục và các sinh hoạt săn bắt của người Việt Cổ trong khoảng thời gian từ thế kỷ thứ 6 đến thế kỷ thứ 7 trước Cơng ngun Sự phát triển của ngành triết học trong thời kỳ văn minh Hy Lạp (Hellenic Age) (khoảng 600 năm trước Cơng ngun) đã kết hợp với tốn học dẫn đến phương pháp suy diễn (deductive method), sau đó trở thành một phần quan trọng trong lý thuyết tốn học Trong thời kỳ này, hình học đã bắt đầu hình thành và phát triển + Nhà tốn học Thales đã áp dụng hình học để tiên đốn hiện tượng nhật thực (solareclipse)vào năm585 trước Cơng ngun. Thales cũng đã phát minh ra cách đo chiều cao một vật thể bằng cách đo chiều dài của cái bóng của vật thể in trên nền đất + Vào khoảng năm 250 trước Cơng ngun, Euclid đã dùng một mơ hình tốn hình học để tìm khoảng cách từ Trái đất đến Mặt trời và khoảng cách từ Trái đất đến Mặt trăng. Ơng cũng tính được chu vi của Trái đất Ngành thiên văn học cổ cũng đã biết tạo ra các mơ hình để diễn tả các vì sao trong thái dương hệ Các nhà kiến trúc khi xây dựng cơng trình cổ xưa ở Trung Hoa, Ấn Độ, các nước theo đạo Hồi đã để lại những chứng tích các mơ hình đền đài, cơng trình thu nhỏ là những phương pháp tương tự (similar method), một hình thức của mơ hình tỷ lệ, trước khi xây dựng các cơng trình thực Các nền văn minh ở Châu Á cũng chứng tỏ sự phát triển mơ hình vật lý đi song song Báo cáo mơ hình hóa mơi trường 21 với các mơ hình tốn học trong các cơng trình kiến trúc của họ Từ thế kỷ XX trở đi, song song với sự phát triển của ngành tốn học, vật lý, đặc biệt là sự ra đời của máy tính điện tử đã thúc đẩy sự phát triển nhanh chóng của thuật tốn mơ hình. Nhiều cơng ty phần mềm chun sản xuất ra các cơng cụ mơ hình phục vụ cho nhiều lĩnh vực từ khoa học kỹ thuật, kinh tế, mơi trường, khí tượng, thủy văn, quản lý hành chánh đến các lãnh vực quan hệ xã hội, Ngày nay kỹ thuật mơ hình đang càng ngày chứng tỏ vai trị trong việc tạo điều kiện cho con người hiểu biết sâu hơn về thế giới của mình mà con tiên tốn những tình thế có khả năng xảy ra trong tương lai CHƯƠNG 3 LÝ THUYẾT VỀ HIỆU CHỈNH VÀ KIỂM ĐỊNH MƠ HÌNH 1. Lựa chọn Tùy vào mục đích của người sử dụng mơ hình mà người ta sử dụng các mơ hình phù hợp. Trên thế giới đã xuất hiện nhiều mơ hình khác nhau. Về ngun tắc, mơ hình càng phức tạp, dữ liệu đầu vào càng nhiều → Kết quả từ mơ hình càng chính xác Có 2 cách chọn mơ hình + Theo cấu trúc và giá trị vào/ra: Khái qt hóa các tiến trình chủ yếu, mức độ chính xác cho việc tiên đốn, tính đơn giản của mơ hình, thành lập các thơng số, độ nhạy các thơng số, giả định, tiềm năng cho việc cải tiến mơ hình Báo cáo mơ hình hóa mơi trường 22 + Theo vấn đề thực tế: Điều kiện tự nhiên của mơ hình, khung thời gian, thiết bị tính tốn, ứng dụng , Đánh giá việc lựa chọn bằng cách trả lời các câu hỏi sau: + Các thơng số mơ hình cung cấp có thực sự theo u cầu của bài tốn khơng? + Các đặc trưng vật lý thể hiện qua các thơng số của mơ hình có thực sự đáp ứng việc ứng dụng thực tế khơng? + Các phương trình sử dụng trong cấu trúc mơ hình có đúng với thuật tốn hiện đại phù hợp với dữ liệu và thiết bị máy tính khơng? + Các kết quả mà mơ hình cung ứng có chất lượng tốt tương xứng với chi phí theo một thời gian đặc thù khơng? 2. Hiệu chỉnh Hiệu chỉnh (calibration) là tiến trình mà trong đó các thơng số và biến số của mơ hình được điều chỉnh để kết quả ra của mơ hình phù hợp với thực tế quan sát Hiệu chỉnh bộ thơng số để số liệu xuất ra từ mơ hình “phù hợp” với số liệu đo đạc Trường hợp hiệu chỉnh mơ hình khơng thỏa thì phải kiểm tra lại số liệu thu thập và mơ hình khái niệm Phân tích độ nhạy của các thơng số: Chỉ ra thơng số nhạy “nhất” và hiểu được đặc tính của mỗi thơng số.Từ đó chỉ ra thơng số cần hiệu chỉnh Các bước hiệu chỉnh mơ hình: Đầu tiên, giả thiết bộ thơng số chạy thử mơ hình so sánh thực đo và tính tốn. Nếu đạt thì dừng lại.Nếu so sánh thực đo và tính tốn khơng đạt thì quay lại thay đổi bộ thơng số sau đó chạy mơ hình rồi tiếp tục so sánh Giả thiết bộ thơng số So sánh thực đo và tính tốn Chạy mơ hình Khơng đạt Báo cáo mơ hình hóa mơi trường 23 Thay đổi bộ thơng số Đạt Dừng Các bước hiệu chỉnh mơ hình 3. Kiểm định mơ hình a. Khái niệm Kiểm định mơ hình là đánh giá mức độ phù hợp giữa số liệu đo đạc và số liệu từ mơ hình thơng qua các tham số thống kê hoặc bằng trực quang. Đây là bước tiếp theo sau cơng việc hiệu chỉnh mơ hình nhằm kiểm tra các thơng số của mơ hình b. Mục tiêu kiểm nghiệm mơ hình Mơ hình cần được kiểm nghiệm nhằm kiểm tra các thơng số mơ hình đưa ra có phù hợp với các diễn biến của thực tế hay khơng. Nói một cách chi tiết, việc kiểm nghiệm gồm các trả lời các hàm ý sau Các biểu hiện ở đầu ra của mơ hình mơ phỏng có phù hợp với các biểu hiện đầu ra của hệ thống thực tế đã được quan trắc; Các thơng tin đầu ra của mơ hình ( lưu ý là đầu ra của mơ hình mơ phỏng khơng phải là thành lập số liệu mà là thơng tin) có đủ độ chính xác như mong muốn ở mơ hình; Trong q trình xác định các thơng số, nếu có sai biệt ý nghĩa giữa số liệu của sự kiện quan trắc và giá trị mơ phỏng, thì cần xác lập mức độ tin cậy của mơ hình; Việc kiểm nghiệm phải mang tính khách quan: mơ hình cần phải bắt buộc qua các thử nghiệm thống kê chính thống và nghiêm ngặt theo các mức độ phù hợp định trước theo tầm quy mơ thực hiện; Báo cáo mơ hình hóa mơi trường 24 Khi làm kiểm nghiệm đầu ra của mơ hình, giả thuyết rằng mơ hình là có sơ sở vững chắc bao gồm các hợp lí trong thiết kế mơ hình, các phương trình chủ đạo và mã hóa chương trình máy tính; Trong bất kì sự kiểm nghiệm nào, có thể một số thơng số ln ln đạt u cầu các điều kiện thử nghiệm mơ hình trong khi một số thơng số khác khơng thể liên kết được với một số sự kiện đã xảy ra c. Độ chính xác của mơ hình Trường hợp chuỗi quan trắc đủ dài và độ chính xác cao (chuỗi số liệu mực nước, lưu lượng) thì kết quả kiểm nghiệm thường tốt.Thực tế, một số trường hợp chuỗi quan trắc khơng đủ dài (số liệu tư mơi trường:BOD,DO, ). Khi đó khó có thể tiến hành kiểm nghiệm mơ hình theo các thơng số trên Độ chính xác của chuỗi số liệu khơng cao thì sai số lấy mẫu khá lớn, kiểm nghiệm mơ hình rất khó và đơi khi khó đạt Báo cáo mơ hình hóa mơi trường 25 TÀI LIỆU THAM KHẢO Ts Lê Tuấn Anh (2008), Mơ hình hóa mơi trường Bài giảng Mơ hình hóa mơi trường, Ths Huỳnh Vương Thu Minh Nguyễn Hữu Khải Nguyễn Thanh Sơn (2003), Mơ hình tốn thủy văn http://baodatviet.vn/khoahoc/bao hinhthanh vahoat dongnhu thenao 2279439 Báo cáo mơ hình hóa mơi trường 26 ... CHƯƠNG 2 CÁC BƯỚC THIẾT LẬP VÀ PHÁT TRIỂN MƠ HÌNH LÝ THUYẾT VỀ LỰA CHỌN, HIỆU CHỈNH VÀ KIỂM ĐỊNH MƠ HÌNH 1 .Các? ?đặc trưng cơ bản của mơ? ?hình Một cách? ?tổng? ?qt, tất cả mơ? ?hình? ?phải có ba thành tố chính... MƠ HÌNH TĨNH MƠ HÌNH ĐỘNG Báo? ?cáo? ?mơ? ?hình? ?hóa? ?mơi trường MƠ HÌNH TUYẾN TÍNH MƠ HÌNH PHI TUYẾN TÍNH Mơ? ?hình? ?hộp trắng White box Mơ? ?hình? ?cung cấp số thơng tin? ?về liệu đầu vào, đầu ra? ?và? ?một bên trong hệ ... 2 Báo? ?cáo? ?mơ? ?hình? ?hóa? ?mơi trường CHƯƠNG 1 TỔNG? ?QUAN? ?VỀ MƠ HÌNH HĨA VÀ Ý NGHĨA Giới thiệu Hiện nay, ơ nhiễm mơi trường đang là vấn đề ? ?báo? ?động song hành với sự ? ?phát? ? triển? ?kinh tế