Giáo trình mô hình hóa trong quản lý và nghiên cứu môi trường pot

Bộ Giáo dục và Đào tạo
Đại học Thái Nguyên

Mai văn trịnh - mai thị lan anh








mô hình hoá trong quản lý
và nghiên cứu môi trờng
(Dùng cho sinh viên năm thứ ba chuyên ngành môi trờng)










Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Hà Nội

2

3


MỤC LỤC
Trang

Lời nói ñầu

CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÔ HÌNH HÓA 15
CHƯƠNG II. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN
2. 1. Các khái niệm 18
2.1.1. Hệ thống 18
2.1.2. ðộng thái 18
2.1.3. Mô hình 19
2.1.4. Mô hình hóa 19
2.2. Mục ñích, ý nghĩa, tính ưu việt và những bất cập của mô
hình hóa 20
2.2.1. Mục ñích của mô hình hóa 20
2. 2.2. Ý nghĩa của nghiên cứu mô hình hóa 22
2.2.3. Tính ưu việt của mô hình hóa 23
2.2.4. Bất cập của mô hình hóa 24
CHƯƠNG III. PHÂN LOẠI MÔ HÌNH
3.1. Phân loại chung 26
3.1.1. Mô hình lý thuyết (ý tưởng) 26
3.1.2. Mô hình chứng minh tương tác 26
3.1.3. Mô hình toán học và thống kê 26
3.1.4. Mô hình minh họa trực quan 27
3.2. Phân loại theo cặp 27

4

CHƯƠNG IV. XÂY DỰNG MÔ HÌNH 29
4.1. Cấu trúc của mô hình và các phương tiện mô tả mô hình 29
4.2. Xây dựng mô hình 32
4.2.1. Mô tả hệ thống và xác ñịnh vấn ñề 33
4.2.2. Xác ñịnh ma trận liền kề 34
4. 2. 3. Thiết lập biểu ñồ lý thuyết 35
4. 2. 4. Thiết lập công thức toán 36
4. 2. 5. Chuyển tải vào máy tính và kiểm tra ñộ chính xác 37
4. 2. 6. Phân tích ñộ nhạy cho từng mô hình con 37
4. 2. 7. Phân tích ñộ nhạy cho mô hình lớn 38
4. 2. 8. Hiệu chỉnh mô hình 39
4. 2. 9. Áp dụng mô hình ra diện rộng 40
4. 2. 10. ðánh giá mô hình 41
4. 2. 11. Áp dụng mô hình hóa trong bài toán cụ thể 41
CHƯƠNG V. MỘT SỐ MÔ HÌNH CỤ THỂ 44
5.1. Mô hình ô nhiễm không khí 45
5.1.1. Các ñiều kiện ảnh hưởng ñến sự phát tán của khí
trong khí quyển 46
5.1.2. ðộ ổn ñịnh của khí quyển và sự phân bố hàm lượng
chất ô nhiễm 49
5.1.3. Phương trình cơ bản mô tả sự truyền tải và khuếch
tán chất ô nhiễm 55
5.1.4. Mô hình Gauss tính toán lan truyền chất ô nhiễm
không khí 57
5.1.5. Mô hình Berliand tính toán lan truyền chất ô nhiễm
trong khí quyển 63
5.2. Mô hình ô nhiễm nước 67
5.2.1. Một số kiến thức cơ bản liên quan tới mô hình hóa
chất lượng nước 67

5

5.2.2. Giới thiệu mô hình QUAL2K: 70
5.3. Một số mô hình khác
5. 3.1. Mô hình xói mòn do nước 85
5.3.2. Mô hình ô nhiễm phân tán từ nông nghiệp AGNPS 99
5.3.3. Mô hình xói mòn LISEM 107
5.3.4. Mô hình lan truyền thấm sâu chất hóa học LEACHM 109
5.4. Mô hình ñơn giản về lan truyền hóa chất trong ñất 110
5.5. Mô hình Nleach_2D 113
5.5.1. Giới thiệu mô hình và các mô hình con 114
5.5.2. Mô hình cân bằng ñạm trong ruộng lúa có tầng ñế cày 117
5.5.3. Phát triển Nleach thành mô hình mô phỏng không gian 119
5.6. Mô hình MIKE11. 121
5.6.1. Mô tả sơ lược về MIKE 11 121
5.6.2. Thuật toán trong mô hình thuỷ lực MIKE 11 127


6



7


DANH MỤC BẢNG

Bảng 1: Phân loại mô hình (theo cặp) 28
Bảng 2: Kết quả tính toán cân bằng nước và chất ô nhiễm

Cadmium 43
Bảng 3: Công thức tính
δ
z(x),
δ
y(x) cho vùng thoáng mở (nông
thôn)
61
Bảng 4: Công thức tính
δ
z(x),
δ
y(x) choñiều kiện thành phố 61
Bảng 5: Giá trị ñiển hình của hệ số mũ trong phương pháp
Rating curves 76
Bảng 6: Hệ số nhám Manning cho các bề mặt kênh hở (Chow
et al. 1988) 79
Bảng 7: Các biến trạng thái của mô hình Q2K 83
Bảng 8: ðộ gồ ghề của mặt ñất trong các ñiều kiện khác nhau 95
Bảng 9: Giá trị P cho ruộng bậc thang canh tác theo ñường
ñồng mức và ñộ dốc 98

8


DANH MỤC HÌNH

Hình 1: Lịch sử và tiến trình phát triển của các loại mô hình
sinh thái và môi trường 16
Hình 2: Ví dụ về cấu trúc biểu ñồ Forrester cho một mô hình

hệ thống nông nghiệp trong ñó có nhiều biến trạng
thái của một hệ thống nông nghiệp (Haefner, 2005) 29
Hình 3: Các thành phần cơ bản của biểu ñồ Forrester
Hình 4: Biểu ñồ tổng quát trình tự xây dựng mô hình theo
Jøgensnen và Bendoricchio (2001) 33
Hình 5: Một hệ sinh thái ñơn giản biểu diễn chu trình các bon
giữa các hợp phần sinh thái 34
Hình 6: Biểu ñồ Forrester cho mô hình hệ sinh thái hươu-cỏ
(theo hệ thống ở hình 5). Các ñường liền biểu thị
ñường biến ñổi C. ðường chấm biểu thị mối quan hệ
giữa các cấp và tốc ñộ ñầu vào và ñầu ra (ý nghĩa của
từng biểu tượng có thể xem hình 3) 36
Hình 7: Ví dụ về phân tích ñộ nhạy sự ảnh hưởng của các hàm
lượng ñạm ban ñầu ñến sự thay ñổi hàm lượng ñạm
trong ñất theo thời gian. 38
Hình 8: Kết quả hiệu chỉnh của mô hình mô phỏng hàm lượng
ñạm trong ñất trồng bắp cải (kết quả tính toán rất
khớp với hàm lượng ñạm ño trong ñất). 40
Hình 9: Biểu ñồ lý thuyết mô tả các thành phần của hệ thống
và các mối quan hệ giữa các thành phần 42
Hình 10: Sơ ñồ chùm phân tán chất ô nhiễm không khí ñược sử
dụng trong nhiều mô hình phân tán không khí 45

9

Hình 11. Một số hiệu ứng từ phát thải do nguồn cao với những
ñám khói có hình dáng khác nhau tại các thời ñiểm
khác nhau (a), sự phát tán liên tục của luồng chất khí
trong không khí (b), và sự phát tán dòng chất nặng
của khí với một qũy ñạo ñặc biệt của ñám mây (c) 48

Hình 12. Khí quyển không ổn ñịnh hoặc siêu ñoạn nhiệt. Trong
trường hợp chưa bão hòa (bên trái), khi nâng lên cao,
khối khí chưa bão hòa tại mỗi mức ñều nóng hơn nhiệt
ñộ không khí xung quanh và vì vậy nhẹ hơn. Trong
trường hợp này khối khí sẽ thoát ra khỏi vị trí ban ñầu
với gia tốc cụ thể. Trong trường hợp bão hòa (bên
phải). Khi nâng lên cao, khối khí bão hòa tại mỗi mức
ñều nóng hơn nhiệt ñộ không khí xung quanh. Trong
trường hợp này khối khí sẽ thoát ra khỏi vị trí ban
ñầu. Nguồn: Bùi Tá Long (2008) 50
Hình 13. Khí quyển ổn ñịnh hoặc “dưới ñoạn nhiệt” với khối khí
chưa bão hòa (bên trái) và bão hòa (bên phải), khi
nâng lên cao khối khí lạnh hơn và nặng hơn không khí
xung quanh. Trong trường hợp này khối khí có xu
hướng quay trở lại vị trí ban ñầu. Nguồn: Bùi Tá Long
(2008) 51
Hình 14: Các trạng thái của môi trường và sự tác ñộng của nó
ñến sự phân bố của dải khói trong không gian 53
Hình 15. Luồng khói bị hạn chế ở cả biên trên lẫn biên dưới như
“mắc bẫy” (trapping) – nghịch nhiệt bên dưới và bên
trên ống khói 55
Hình 16. Sơ ñồ mô hình khuếch tán Gauss 59
Hình 17. ðộ nâng của vệt khói và chiều cao hiệu quả của ống
khói 62

10

Hình 18. Sự phân bố của dải khói và nồng ñộ chất ô nhiễm trong
ñó 64
Hình 19. Biểu ñồ các quá trình lan truyền 69

Hình 20: Sự phân ñoạn của mô hình Q2K 72
Hình 21: Cân bằng nước của ñoạn sông 73
Hình 22: ðập ñỉnh nhọn 75
Hình 23: Kênh hình thang 77
Hình 24: Cột nước 79
Hình 25: Cân bằng nhiệt 82
Hình 26: ðộ gồ ghề với khoảng cách ñộ cao với bề mặt (Hội bảo
vệ ñất và nước Hoa Kỳ, 1993) 95
Hình 27: Sơ ñồ xây dựng bản ñồ xói mòn ñất từ các bản ñồ ñầu
vào, số liệu thuộc tính dựa trên mô hình RUSLE 99
Hình 28: Mô hình AGNPS chạy kết hợp với phần mềm GIS mô
phỏng các quá trình nước và di chuyển của hóa chất 106
Hình 29: Biểu ñồ biểu diễn cơ chế xói mòn của LISEM (Hessel
et al., 2002) 107
Hình 30: Mô phỏng hướng dòng chảy trong mô hình xói mòn lưu
vực 109
Hình 31: Các hợp phần chính và ñường phát triển của LEACHM
(Hutson, 2003) 110
Hình 32: Biểu ñồ biểu diễn sự lan truyền chất hóa học trong ñất 111
Hình 33: Phân bố hàm lượng ñạm trong ñất theo chiều sâu lúc
ban ñầu, sau 40, 80 và 100 ngày 112

11

Hình 34. Hàm lượng ñạm khoáng ño và tính toán tại các ñộ sâu
khác nhau trong ñất trồng lúa trong trường hợp không
có mô-ñun tầng ñế cày (trái) và có mô-ñun tầng ñế
cày (phải). 118
Hình 35. Biểu ñồ lý thuyết mô tả ñộng thái ñộ ẩm ñất và ñạm
trong ñất 119

Hình 36. Kết quả mô phỏng của mô hình Nleach không gian về
hàm lượng ñạm khoáng (mg l
–1
) tại xã Vân Hội, huyện
Tam Dương ngày 6 tháng 3 năm 2004 (a) và ngày 26
tháng 3 năm 2005 (b); dòng ñạm chảy nghiêng tích
lũy (kg ha
–1
năm
–1
) năm 2004 (c) và năm 2005 (d); và
kết quả mô phỏng tổng lượng ñạm mất do thấm sâu
(kg ha
–1
năm
–1
) năm 2004 (e), và năm 2005 (f) 120
Hình 37: Mô tả phương trình liên tục 125
Hình 38: Mô tả phương trình ñộng lượng 126
Hình 39: Nhánh sông với các ñiểm lưới xen kẽ 129
Hình 40: Cấu hình các ñiểm lưới xung quanh ñiểm mà tại ñó ba
nhánh gặp nhau 130
Hình 41: Cấu hình các ñiểm lưới và các ñiểm trong một mẫu
hoàn chỉnh 131
Hình 42: Ma trận nhánh trước khi khử 133
Hình 43: Ma trận nhánh sau khi ñã khử 133
Hình 44: ðiểm ba nhánh với giới hạn của phương trình liên tục 134


12

13



LỜI NÓI ðẦU

Nghiên cứu và quản lý môi trường ñòi hỏi tổng hợp các kiến
thức về các ngành khoa học cơ bản và ứng dụng ñặc biệt là
những kiến thức về vật lý, hóa học và sinh học với xu hướng
ñịnh lượng hóa ngày một cao, chặt chẽ hơn phục vụ cho việc
phát triển công nghệ quản lý, xử lý môi trường.
Một phần không thể thiếu ñược trong ñịnh lượng hóa các
quá trình môi trường là phương pháp mô hình hóa. Mô hình hóa
môi trường giúp chúng ta có những kiến thức cơ bản nhất về
nhận biết và mô tả hệ thống, phân tích hệ thống, liên kết các cấu
phần của hệ thống thành một loạt các mối quan hệ toán học logic
bằng các hàm toán học ñể từ ñó làm chủ ñược các quá trình ñịnh
lượng ở mọi ñiều kiện môi trường và lĩnh vực khác nhau.
Cuốn giáo trình Mô hình hóa trong quản lý và nghiên cứu
môi trường bao gồm 3 chương:
Chương 1 giới thiệu chung về mô hình hoá bao gồm những
khái niệm cơ bản như hệ thống, mô hình, mô hình hoá, mục ñích
ý nghĩa và tính ưu việt của mô hình hoá. Cuối cùng là phân loại
mô hình.
Chương 2 là phần quan trọng nhất giúp cho người ñọc trang
bị cho mình phương pháp mô hình hóa, các bước cơ bản và
những ñiều cần chú ý ñể xây dựng một mô hình;
Chương 3 là các mô hình cụ thể mà người ñọc có thể tham

khảo, tìm hiểu ñể ứng dụng cho nghiên cứu của mình, ñặc biệt là
các mô tả chi tiết về mô hình chất lượng nước (Qual2K) và các

14

mô hình về phân tán chất ô nhiễm trong không khí. Giáo trình
phục vụ cho bạn ñọc muốn nghiên cứu tìm hiểu về mô hình hóa
và hướng dẫn những kiến thức cơ bản ñể nhập môn mô hình hóa.
Hy vọng cuốn giáo trình sẽ hữu ích cho nhiều người, ñặc biệt
là sinh viên
trong
các trường ñại học có liên quan ñến mô hình hóa
môi trường.
Mặc dù ñã hết sức cố gắng trong quá trình biên soạn nhưng
không thể tránh khỏi một số thiếu sót, chúng tôi hy vọng nhận ñược
nhiều ý kiến, nhận xét ñóng góp của bạn ñọc ñể giáo trình ngày
càng hoàn thiện hơn.

Các tác giả



15

Chương I
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÔ HÌNH HÓA
1.1. MỞ ðẦU
Vào những năm 1950, các nhà kỹ thuật ñã bỏ rất nhiều công
sức vào việc nghiên cứu những hệ thống ñộng thái phức tạp. Thành
công của họ ñã thu hút ñược rất nhiều nhà sinh học trong việc áp

dụng những kỹ thuật tương tự trong chuyên môn của mình. Xu
hướng ñó ñược ñặc trưng bởi các từ: hệ thống, mô hình và mô hình
hóa (De wit, 2006).
Mô hình ñược phát triển từ lâu theo nhu cầu nghiên cứu và
tìm kiếm các giải pháp kỹ thuật tối ưu cho sản xuất. Mô hình
ñược phát triển từ ñơn giản cho ñến phức tạp, từ mô hình ñơn
cho ñến những mô hình tích hợp như ngày nay. Theo J
ø
gensen
và Bendoricchio
(2001)
thì mô hình ñầu tiên là mô hình cân bằng
ôxy trong nước (mô hình Streeter - Phelps) và mô hình chuỗi
thức ăn (mô hình Lotka - Volterra) ñược phát triển vào những
năm 1920. Vào những năm 1950, 1960 phát triển mạnh các mô
hình về ñộng thái dân số, các mô hình về nước phức tạp hơn,
những mô hình này ñược gọi là mô hình thế hệ thứ hai. Các mô
hình sinh thái và môi trường ñược phát triển và sử dụng rộng rãi
trong những năm 1970.
Trong số ñó mô hình phú dưỡng nguồn nước ñược phát triển
phức tạp hơn, ñây là các mô hình thuộc thế hệ thứ ba. ðến giữa
những năm 1970 các nhà sinh thái học ñã ñưa nhiều nghiên cứu
ñịnh lượng vào giải quyết các vấn ñề sinh thái môi trường, bởi vì
vấn ñề quản lý môi trường cần ñược ñánh giá lại. Những kết quả

16

nghiên cứu ñịnh lượng từ ñó ñến nay vô cùng quan trọng cho chất
lượng của các mô hình sinh thái. Quan trọng hơn là sự phát triển
cao hơn trong công nghệ máy tính ngày càng phát triển. Những mô

hình phát triển trong giai ñoạn từ giữa 1970 ñến giữa 1980 có thể
ñược coi là thế hệ thứ tư với ñặc trưng của sinh thái ñi sâu vào hiện
thực và ñơn giản hóa. Rất nhiều mô hình ñã ñược ñánh giá và chấp
nhận rộng rãi cho nghiên cứu cũng như phát triển sản xuất.















(Jørgensen and Bendoricchio, 2001)
Hình 1.1: Lịch sử và tiến trình phát triển
của các loại mô hình sinh thái và môi trường
Mô hình Streeter-Phelps
Mô hình Lotka-Volterrs
Mô hình ñộng thái dân số
Những mô hình trong môi trường nước
Mô hình về phú dưỡng
Mô hình phức tạp về nước

Các thủ tục mô hình hóa ñược xác ñịnh. Hoàn thi

ện
các phương trình cân bằng và phát triển nhiều mô
hình sinh thái hơn


Mô hình về chất ñộc hại trong sinh thái
Nhiều nghiên cứu cụ thể hơn, kết hợp ñánh giá,

dự báo
Các mô hình ñộng thái cấu trúc, những hạn chế
trong sinh thái, các công cụ toán học mới, kể cả
các
phương tiện phổ biến kiến thức

17

Tầm quan trọng của việc sử dụng mô hình trong công tác quản
lý môi trường ñang ñược khẳng ñịnh. Sự phát triển kinh tế xã hội
ñã tác ñộng mạnh vào môi trường. Năng lượng và các chất ô nhiễm
ñược phát thải, xả thải vào môi trường sinh thái, và tại ñây hàm
lượng của chất ô nhiễm quá cao, sự phát triển nhanh chóng của các
loài có hại dẫn tới làm thay ñổi cấu trúc sinh thái hoặc hủy hoại
môi trường. Một hệ sinh thái bất kỳ ñều rất phức tạp. Chính vì vậy
việc tiên ñoán các tác ñộng lên môi trường là một nhiệm vụ khá
nặng nề. Chính vì lý do này ñã biến mô hình trở thành một công cụ
có ích bởi vì mô hình là bức tranh phản ánh thực tế. Với kiến thức
môi trường sinh thái ñầy ñủ và hoàn chỉnh, ta có thể rút ra ñược
những ñặc trưng của hệ sinh thái liên quan ñến các vấn ñề ô nhiễm
và qua nghiên cứu ñể hình thành nên nền tảng của mô hình môi
trường. Từ những kết quả của mô hình hóa chúng ta có thể sử dụng

ñể lựa chọn kỹ thuật môi trường phù hợp nhất cho giải pháp các
vấn ñề môi trường ñặc biệt, hay cho việc xây dựng các bộ luật
khung giúp giảm thiểu hay kiểm soát ô nhiễm.
Ứng dụng mô hình trong môi trường ñã trở nên phổ biến, nếu
chúng ta muốn hiểu sự vận hành của một hệ thống phức tạp như hệ
sinh thái. Thật không ñơn giản ñể khảo sát nhiều thành phần và tác
ñộng trong một hệ sinh thái mà không sử dụng mô hình như là công
cụ tổng hợp. Tác ñộng qua lại lẫn nhau của hệ thống có lẽ không
nhất thiết là tổng các tác ñộng riêng rẽ. Mỗi hệ sinh thái có một cấu
trúc và tổng các mối quan hệ riêng. Việc nghiên về một hệ sinh thái
nào ñó yêu cầu phải mô tả ñược hệ thống và các mối quan hệ của hệ
sinh thái ñó. Việc ñưa ra các giải pháp cũng phải dựa trên nguyên tắc
cơ bản phân tích hệ thống và sử dụng mô hình hóa như một công cụ
hỗ trợ ñắc lực trong quá trình phân tích và ra quyết ñịnh.
Do ñó, không có gì ngạc nhiên khi các mô hình môi trường ñã
ñược sử dụng ngày càng nhiều trong sinh thái học nói riêng và môi
trường nói chung, như một công cụ ñể hiểu về tính chất của hệ sinh
thái. Ứng dụng này ñã phản ánh rõ ràng những thuận lợi của mô

18

hình như là công cụ hữu dụng trong môi trường; nó có thể tóm tắt
theo những ñiểm dưới ñây:
- Mô hình là những công cụ hữu ích trong khảo sát các hệ
thống phức tạp.
- Mô hình có thể ñược dùng ñể phản ánh các ñặc tính của hệ
sinh thái.
- Mô hình phản ánh các lỗ hổng về kiến thức và do ñó có thể
ñược dùng ñể thiết lập nghiên cứu ưu tiên.
- Mô hình là hữu ích trong việc kiểm tra các giả thiết khoa học,

vì mô hình có thể mô phỏng các tác ñộng bên trong của hệ sinh
thái, dùng nó ñể so sánh với các quan sát.
1.2. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
1.2.1. Hệ thống
Hệ thống là một tập hợp các phần tử có mối quan hệ với nhau.
Trong mối quan hệ ấy xuất hiện nhiều thuộc tính về không gian,
thời gian và phương thức hoạt ñộng. Trong một hệ thống luôn có sự
thống nhất, mâu thuẫn và vận ñộng phát triển mà chúng ta có thể
mô tả, ñoán ñọc ñược. Hệ thống ñược ñặc trưng bởi các thành phần,
ñơn vị riêng rẽ mà chúng liên hệ với nhau thành một thực thể, tổng
thể, ñể phục vụ cho một mục ñích nhất ñịnh.
1.2.2. ðộng thái
Vì hệ thống luôn luôn biến ñổi theo phương thức riêng của
chúng nên hệ thống thay ñổi theo thời gian hay còn gọi là “phương
thức ñộng”. Chúng ta có thể quan trắc chúng bằng cách ño ñếm
hoặc thám thính các ñặc tính của một hệ thống nhất ñịnh, ví dụ
chúng ta có thể quan trắc bằng cách nhìn trực tiếp vào hệ thống
(một chiếc ô tô di chuyển, một người ñang hoạt ñộng) hoặc bằng
các loại dụng cụ ño ñếm hiện ñại.

19

Vậy hệ thống ñộng là những hệ thống có xu hướng thay ñổi
theo thời gian trong ñó thời gian là yếu tố chủ chốt trong hệ thống.
Trong trường hợp hệ thống ñạt trạng thái cân bằng, tại ñó hệ thống
dường như không thay ñổi, ñó là trường hợp ñặc biệt và có thể ñặt
trạng thái hạn chế ñộng thái.
1.2.3. Mô hình
Trong khi nghiên cứu về hệ thống, chúng ta sẽ nghiên cứu về
ñộng thái của chúng theo nghĩa của các phương trình toán học.

Những hệ thống ñặc trưng ñó ñược gọi là một mô hình toán. Tuy
nhiên ñôi khi chúng cũng ñược gọi là mô hình tự nhiên của hệ
thống thực. Khi nói về một mô hình, ta nghĩ ñến một mô tả về toán
học thông thường của một hệ thống ñể phục vụ cho việc tính toán
và phỏng ñoán.
Một mô hình có thể ñược hình thành với rất nhiều hình thái,
kích cỡ và kiểu khác nhau. ðiều quan trọng là mô hình không phải
là hệ thống thực nhưng nó là sự kiến tạo của con người ñể giúp
chúng ta hiểu ñược hệ thống thực tốt hơn. Tất cả các mô hình nói
chung ñều có những thông tin về ñầu vào, thông tin xử lý và các kết
quả ñầu ra.
1.2.4. Mô hình hóa
Mô hình hóa hiện nay ñược tất cả các ngành khoa học áp dụng
rộng rãi và mỗi ngành có một cách hiểu và ñịnh nghĩa khác nhau
theo tính ứng dụng thực tiễn của nó. Một số khái niệm ñược liệt kê
như sau:
- Mô hình hóa là quá trình tạo ra một sự miêu tả về thực tế như
một biểu ñồ, bức tranh, hoặc biểu diễn toán học.
- Mô hình hóa là việc sử dụng phân tích thống kê, phân tích
máy tính hoặc những sắp ñặt mô hình ñể dự báo những kết quả của
nghiên cứu.

20

- Mô hình hóa còn ñược gọi là học quan trắc hoặc bắt chước, là
một cách xử lý dựa trên thủ tục liên quan ñến việc sử dụng các mô
hình sống ñộng, ñể biểu diễn một thói quen, suy nghĩ hoặc thái ñộ
mà người sử dụng có thể muốn thay ñổi.
- Mô hình hóa là phương pháp dự ñoán các vấn ñề kỹ thuật: sử
dụng cách minh họa máy tính và các kỹ thuật khác ñể tạo ra một lối

giải thích ñơn giản hóa về một cái gì ñó, ñể dự ñoán và phân tích
các vấn ñề kỹ thuật tiềm năng.
- Mô hình hóa không gian: là trình phân tích ñược áp dụng cho
hệ thống thông tin ñịa lý (GIS). Có ba ñặc trưng của các hàm chức
năng, mô hình hóa không gian có thể ñược áp dụng cho các ñối
tượng không gian, ñó là 1) Các mô hình về hình học như tính toán
khoảng cách giữa các ñối tượng không gian, tạo các vùng ñệm, tính
toán diện tích và chu vi, 2) Các mô hình về trùng khớp như chồng
ghép các lớp thông tin theo không gian, 3) Các mô hình tiệm cận
(tìm ñường, phân vùng và chia nhỏ vùng). Tất cả ba ñặc trưng cho
ta các thao tác về số liệu không gian như các ñiểm, ñường, vùng và
lưới ô vuông.
Tóm lại: Mô hình hoá và phân tích mô phỏng là quá trình thí
nghiệm và thiết lập một mô hình toán học của một hệ thống thực,
có thể bao gồm các hợp phần có quan hệ tương tác, chúng có ñầu
vào và ñầu ra cho một mục ñích nào ñó.
1.3. MỤC ðÍCH, Ý NGHĨA, TÍNH ƯU VIỆT VÀ NHỮNG BẤT CẬP
CỦA MÔ HÌNH HÓA
1.3.1. Mục ñích của mô hình hóa
- Theo Pedgen et al. (1995) mục ñích của mô hình hóa là ñể
phân tích và mô phỏng các loại hệ thống khác nhau, cụ thể là:
Hiểu rõ ñược bản chất hoạt ñộng của hệ thống
Một số hệ thống là quá phức tạp và rất khó có thể hiểu ñược
các hoạt ñộng và những tương tác trong bản thân chúng nếu như

21

không có một mô hình ñộng. Mặt khác, ñôi khi chúng ta không thể
dừng một hệ thống nào ñó ñể nghiên cứu hoặc không thể kiểm tra
từng bộ phận riêng lẻ trong cả một khối.

Phát triển các phương thức hoạt ñộng hoặc nguồn ñể cải thiện
ñặc tính của ñối tượng và hệ thống (sự hoạt ñộng, bản chất hoặc
hiệu suất) của hệ thống.
Chúng ta cũng có thể có một hệ thống ñang tồn tại và hoạt
ñộng, chúng ta hiểu về chúng nhưng muốn cải thiện hệ thống ñó
phát triển tốt hơn. Chỉ có 2 cách cơ bản là thay ñổi cơ chế hoạt
ñộng hoặc là thay ñổi nguồn của hệ thống. Thay ñổi cơ chế hoạt
ñộng có thể bao gồm những ưu tiên về nguyên tắc khác nhau trong
thứ tự công việc.
Thử nghiệm các khái niệm mới hoặc những hệ thống trước khi
áp dụng
Nếu một hệ thống chưa tồn tại hoặc chúng ta có ý ñịnh mua một
hệ thống mới thì một mô hình có thể giúp chúng ta có một khái niệm
hệ thống mới sẽ làm việc tốt như thế nào. Giá cả chạy hệ thống mới có
thể sẽ thấp hơn rất nhiều so với ñầu tư vào việc lắp ñặt bất cứ một quá
trình sản xuất nào. Hiệu quả của việc ñầu tư ở các mức ñộ khác nhau
sẽ ñược ñánh giá. Hơn nữa việc sử dụng mô hình trước khi áp dụng có
thể giúp ta sửa chữa ñược cấu trúc của những thiết bị ñược lựa chọn.
Mô hình hóa có thể giúp ñể nhận biết ñược những vấn ñề nảy sinh
trong quá trình sản xuất hoặc hệ thống thực
Khai thác ñược những thông tin mà không cần phải làm gián
ñoạn ñến hệ thống thực
Mô hình hoá là lựa chọn duy nhất cho những thí nghiệm trong
những hệ thống không thể bị làm gián ñoạn. Một số hệ thống rất
nhạy cảm mà không thể có một can thiệp nào vào các hoạt ñộng
cũng như quy trình hoạt ñộng của chúng (ví dụ mô hình vũ trụ, mặt
trăng, chống hải tặc v.v.).

22

- Theo Leffelaar và Van Straten (2006) thì mô hình hóa ñể
phục vụ các mục ñích sau:
+ ðáp ứng sự ham hiểu biết, tính hiếu kỳ, muốn khám phá của
con người và ñể hiểu biết cặn kẽ về hệ thống thực xung quanh.
+ Giúp ta ñược thỏa mãn các giả thuyết và dòng suy nghĩ một
cách có tổ chức.
+ Mô hình hóa là công cụ cực kỳ hữu ích trong truyền ñạt và
trao ñổi thông tin.
+ Dùng ñể thiết kế các loại hệ thống, ñặc biệt dùng phục vụ
cho các nhà lập chính sách, ñưa ra các kết quả dự ñoán tương lai
với các kịch bản khác nhau.
+ ðể vận hành hệ thống, mô hình ñóng góp tích cực trong việc
quản lý và ñiều khiển các hệ thống trong cuộc sống (ví dụ mô hình
quan trắc và ñiều khiển hệ nhà kính, mô hình theo dõi nồng ñộ
cacbon, ñộ ẩm ñất, hàm lượng dinh dưỡng và các chất ñộc có thể
gây hại cho rễ cây, hàm lượng nitrat trong ñất, cây. Hoặc mô hình
ñiều chỉnh cường ñộ ánh sáng, nhiệt ñộ ñể ñạt ñược tốc ñộ tổng hợp
cacbon tối ña).
+ Mô hình là một công cụ tích cực và hiện ñại cho việc học tập
giảng dạy. Sinh viên có thể hiểu một hệ thống hoàn chỉnh mà
không cần phải ra ngoài thực ñịa (ví dụ mô hình xói mòn ñất, mô
hình phát triển cây trồng, mô hình ô nhiễm…).
1.3.2. Ý nghĩa của nghiên cứu mô hình hóa
Nghiên cứu mô hình hóa với mục ñích là những khái niệm hệ
thống thực, hệ thống, mô hình và mô hình hóa. Từ ñó có thể học
ñược cách tiếp cận một cách hệ thống, các bước trong thủ tục mô
hình hóa. Hiểu rõ ñược sự khác nhau giữa mô hình tĩnh và ñộng,
tính nguyên tắc bảo toàn cơ bản nằm trong mô hình ñộng. Nắm bắt
và hiểu rõ ñược các thuật ngữ cơ bản trong mô hình hóa (trạng thái,
ñầu vào, ñầu ra, tốc ñộ thay ñổi và các thông số). Từ ñó có khả

23

năng phân biệt, phân loại những biến này trong một mô hình thực
và viết các phương trình biến ñổi về trạng thái cũng như tốc ñộ phát
triển trong mô hình. Qua tiếp cận ñược một số mô hình phổ biến, ta
có thể hiểu, phân biệt ñược các loại mô hình khác nhau cho các hệ
thống khác nhau và ñánh giá mức ñộ ứng dụng của chúng; hiểu cơ
chế hoạt ñộng và phương pháp tính toán của chúng. Nếu có thể, xây
dựng mô hình tương tự hoặc ở dạng ñơn giản hóa.
1.3.3. Tính ưu việt của mô hình hóa
a) Có thể thí nghiệm trong một khoảng thời gian rất ngắn
Có thể tiến hành thí nghiệm hoặc mô phỏng trong một khoảng
thời gian rất ngắn mà lẽ ra là rất dài trong thí nghiệm ngoài thực tế.
Bởi vì mô hình ñược mô phỏng trên máy tính, các thí nghiệm trong
mô hình ñược tiến hành trong một khoảng thời gian ngắn. ðó là
một ưu ñiểm lớn bởi vì một số quá trình thực có thể diễn ra và hoàn
chỉnh trong nhiều tháng hoặc năm. Những hệ thống dài ngày này
ngoài thực tế có thể gặp nhiều khó khăn trong việc phân tích, xử lý
và ñôi khi cũng khó tiến hành ñược. Với một mô hình máy tính, các
quá trình hoạt ñộng và tương tác của hệ thống dài hạn có thể ñược
mô phỏng trong vòng một giây. ðiều này cũng có nghĩa là có thể
tiến hành cả nhiều lần lặp lại của thí nghiệm một cách dễ dàng ñể
tăng ñộ tin cậy về mặt thống kê. Như vậy, những hệ thống ñược coi
là rất khó có ñiều kiện nghiên cứu trước kia bây giờ có thể ñược
nghiên cứu dễ dàng.
b) Giảm yêu cầu phân tích
Trước khi có mô hình máy tính, những nhà thực nghiệm cũng
ñã phải sử dụng các phương pháp khác, chúng yêu cầu nhiều phép
giải tích hơn. Mặc dù sau ñó chỉ một hệ thống ñơn giản ñược áp

dụng cho ña số các nhà thực hành nhưng những hệ thống phức tạp
hơn vẫn ñược các nhà toán học và phân tích hệ thống sử dụng chặt
chẽ. Hơn nữa các hệ thống có thể ñược phân tích chỉ với một xu
hướng tĩnh tại một thời ñiểm nào ñó. Ngược lại, kỳ vọng của các

24

phương pháp mô hình hóa cho phép các nhà thực hành nghiên cứu
các hệ thống một cách tự ñộng và mô hình chạy với khoảng thời
gian thực. Hơn nữa việc phát triển các phần mềm mô hình hóa
giúp cho người thực hành tránh gặp những tính toán cơ bản phức
tạp và những yêu cầu về lập trình cần phải làm. Việc giảm ñược
những yêu cầu giải tích sẽ ñược nhiều người với những chuyên
môn khác nhau có thể sử dụng. Và như vậy, nó sẽ giúp ích cho
việc phân tích nhiều loại hệ thống khác nhau so với các mô hình
giải tích trước ñó.
c) Mô hình dễ trình bày và biểu diễn
Hầu hết các phần mềm mô hình hóa ñều có ưu ñiểm là có khả
năng biểu diễn ñộng thái của các hoạt ñộng trong mô hình. Những
hình ảnh có tác dụng gỡ rối cho mô hình và cũng là biểu diễn cho
người sử dụng hiểu mô hình hoạt ñộng như thế nào. Việc dùng hình
ảnh trong trình bày cũng có thể giúp thiết lập nên mô hình mới.
Hình ảnh càng có tác dụng trong việc mô tả các hoạt ñộng và mối
tương quan của các quá trình liên tục trong hệ thống và sự thích
ứng của nó trong các hệ thống khác nhau. Dùng mô hình, người sử
dụng có thể trình bày dễ hiểu hơn do giảm ñược lượng lớn câu cú
dài dòng và những thuật toán khó hiểu.
1.3.4. Bất cập của mô hình hóa
Cho dù mô hình hóa có nhiều ưu ñiểm nhưng chúng cũng có
một số nhược ñiểm mà người thực hành cần phải cẩn thận. Những

nhược ñiểm này không thực sự ảnh hưởng trực tiếp ñến việc phân
tích và mô hình hóa hệ thống nhưng liên quan ñến những dự án làm
mô hình hóa, ñó là:
a) Mô hình hóa không thể ñem lại kết quả chính xác khi số liệu
ñầu vào là thiếu chính xác
Không quan tâm ñến bất kể mô hình ñược xây dựng tốt như
thế nào nhưng nếu chúng ta không cung cấp cho mô hình một số

25

liệu ñầu vào tốt thì không hy vọng ñạt ñược kết quả chạy mô hình
tốt ñược. Thực tế việc thu thập số liệu là một công việc khó khăn
nhất trong mô hình hóa, cần ñầu tư nhiều thời gian cho việc xây
dựng kế hoạch, phương pháp thu thập và xử lý số liệu ñầu vào.
Thực tế ña số các nhà thực hành lại thích xây dựng một mô hình
hơn là ñi thu thập số liệu thực tế. Có nhiều người chỉ dựa vào số
liệu ñã có ñể xây dựng nên số liệu ñầu vào vì tiết kiệm thời gian.
Chính vì thế có nhiều trường hợp ñã thất bại trong chạy mô hình vì
nó không phản ánh bản chất tự nhiên của hệ thống cần nghiên cứu.
Vì thế các chuyên gia mô hình hóa nói “rác vào thì rác ra”.
b) Mô hình hóa không thể ñưa ra cho chúng ta những câu trả
lời dễ ñối với các vấn ñề khó
Một số người cho rằng chỉ sử dụng một mô hình phân tích sẽ
cho ta một số câu trả lời dễ hiểu về những vấn ñề phức tạp. Trong
thực tế thường chúng ta sẽ ñạt ñược những câu trả lời phức tạp cho
những vấn ñề phức tạp. Nếu hệ thống bao gồm nhiều hợp phần và
nhiều sự tương tác thì thường ñược quyết ñịnh dựa vào vai trò của
từng hợp phần, sau ñó kết hợp ảnh hưởng của các hợp phần lại, nếu
bỏ ñi vai trò của một phần nào ñó thì câu trả lời sẽ kém một phần
hiệu quả.

c) Mô hình hóa không tự nó giải quyết ñược các vấn ñề.
Một số nhà quản lý nghĩ rằng chỉ dùng mô hình hóa là có thể
giải quyết ñược các vấn ñề. Tuy nhiên, chỉ dựa vào mô hình hóa
không thể giải quyết ñược các vấn ñề trong hệ thống. Nó chỉ ñưa ra
cho ta cách quản lý với những giải pháp tiềm năng ñể giải quyết
vấn ñề. Nó ñưa ra những ñề nghị hữu dụng cho việc thay ñổi, dựa
vào ñó người làm mô hình có thể áp dụng và phát triển hệ thống
theo hướng của mô hình gợi ý. Người sử dụng mô hình hoặc người
lập kế hoạch phải biết chọn một trong những giải pháp thích hợp
trong hàng loạt những giải pháp tiềm năng nói trên ñể có ñược
thành công nhất.