Bài giảng MÔ HÌNH HÓA MÔI TRƯỜNG - Phần 2 pdf

41
Xác định bài toán
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)
42
Mô hình „tốt“
Dựatrêntri thứcvềcácbiếntrạng
tháivàcácquátrìnhcơbản
Mô hình “tốt“
•Cótậphợpdữliệucho
chươngtrìnhchạy
•Cótậpdữliệu để hiệuchỉnh
vàkiểmtramôhình
43
Mô hình „chưa tốt“
Kiến thức nghèo nàn
Mô hình không thể mô phỏng nhiều chi
tiết
Tính không xác định cao
44

Mô hình „tốt“
Kiến thức sâu
Mô hình càng chi tiết
Tính không xác định thấp
45
Bướckiểmtra(verification)
§ Mô hìnhcó ổn địnhtrongmộtthờigian
dàihay không?
§ Mô hìnhcóhoạt độngnhư mong đợi
hay không?
46
Phânloạimôhình
Cácbiếnxác địnhhệthống đượclượnghóabằng
cácphươngtrìnhvi phânphụ thuộcthờigian
Sử dụngma trậntrongcáccôngthứctoán
Môhìnhhộp(Compartment models)
Môhìnhma trận
Giátrị dựđoán đượctínhtoánchínhxác
Giátrị dựđoánphụ thuộcvàophânbốxácsuất
Môhìnhtiền định(Deterministic
models)
Môhìnhdựđoán(Stochastic models)
Đượcsửdụngnhư côngcụnghiêncứu
Đượcsửdụngnhư côngcụquảnlý
Môhìnhnghiêncứu(Research models)
Môhìnhquảnlý(Management models)
Đặc điểmLoạimôhình
47
Mô
h

ì
nh
qu
ả
n
lý
môi
trư
ờ
ng
cómộtsốđặc điểmriêng
§ Bàitoánquảnlýcóthểđượcphátbiểunhư sau: nếu
mộtsốbiếnngoạisinh(hay hàm điềukhiển) thay đổi
thì điềunàysẽgây ảnhhưởngthế nàotớihệsinhthái.
§ Mô hìnhmôitrường đượcsửdụng để trả lờichocâu
hỏinày, nóicáchkhácmôhìnhmôitrường đượcdùng
để dự báo.
48
Mô
h
ì
nh
qu
ả
n
lý
v
à
mô
h

ì
nh
kiểmsoát
§ Khichúngtachọncácphươngántínhtoánkhácnhau,
cónghĩalàchúngtahìnhthànhcáckịchbản(chomô
hìnhchạy). Trongsốcáckịchbảnnàytachọnkịchbản
phùhợpvớichínhsáchpháttriểnkinhtế-xãhộinhất.
Khi đómôhình đượcsửdụngnhư mộtmôhìnhquảnlý.
§ Chúngtabiếnmôhìnhnàythànhmôhìnhkiểmsoát khi
chúngtamuốn đạt đượcmứcđộ nồng độ chophép ở
mộtngưỡngxác địnhnào đó.
49
Mong muốn vàhiện thực
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.
50
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
51
Mô hình là công cụ có lợ
i

trong nghiên cứu môi trườ
ng
Nghiên cứu các hệ phức tạp:
› Nhiều thông tin có thể được ghi nhận
› Thông tin có thể được hiển thị, ví dụ bằng đồ thị
Khám phá các tính chất của hệ:
› Các thông tin ghi có thể được phân tích
› Việc phân tích thông tin có thể khám phá ra tính chất không thể phát
hiện khi khảo sát
› Phát hiện những thiết xót trong tri thức và đưa ra các ưu tiên trong
nghiên cứu :
› Mô hình có thể tối ưu các phép đo ngoài hiện trường
› Quá trình lặp, mô hình và phép đo bổ sung cho nhau
› Kiểm tra các giả thiết khoa học
52
Giới hạn của mô hình
§ Mô hình không khi nào chứa tất cả các đặc điểm
của hệ thực. Đây vẫn chỉ là mô hình !
§ Mô hình có thể có sai sót từ việc đơn giản hóa,
sự cắt đi nhiều thành phần của mô hình.
53
PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG CÁC
MÔ HÌNH TOÁN SINH THÁI
BùiTáLong,
ViệnMôitrườngvàTàinguyên
54
Tổngquanvềbàigiảng
1. Mụctiêu
1. Mụctiêu
2. Nộidung

2. Nộidung
•Cácnguyênlý, cácbướcxâydựngmôhình
toántrongnghiêncứumôitrườngsinhthái
•Môhìnhlýluận(conceptual model)
•Xâydựngmôhìnhtoánsinhtháicụthể
•Bàitậpứngdụng
55
q Độ lớn củahệ: chiều dài, độ cao, hìnhthể;
q Thờigiantồntại(tuổithọ);
q Khả năng pháttriển(sinh sản, chết chóc);
q Sự tổnthất đốivớihệ(như bệnhtật, thiên tại…)
q Tínhnăng động củahệ: dáng điệu, tiệmcận.
Côngviệcthiếtlậpcácmốiquanhệ đó gọi là mô hình hóa
56
§ Tìmraphương pháp giải thíchsự biến đổi trạng
thái củahệ và sự dẫntớicác trạng tháibền
vững.
57
qNghiên cứusự thay đổi củahệ khitốcđộ tăng
trưởng củaquầnthể thay đổi;
qDự báo các quá trìnhbiến đổi, khi các điềukiện
thànhphầnthay đổi;
qNghiên cứu điềukiện ổn định củahệ.
58
Môhìnhlýluận(Conceptual Model)
§ A vàB làhaibiếntrạngthái,
trongthựctếlànồng độ (mg/l)
(trongmôhìnhdânsốA, B có
thể cóthứ nguyênlàsốđơnvị
trênmộtđơnvịdiệntích).

§ Cácmũitên(1) –(6) chỉ các
quátrình.
59
Nguyênlýbảotoànkhốilượng
60
Môhìnhlýluận(Conceptual Model)
A
B
(3)
(1)
(2)
(4)
(6)
(5)
=
dt
dA
=
dt
dB
61
§ Xétmộthệ sinh tháiS gồm các thành
phần(biến trạng thái) S
i
. Khi đó có thể
biểudiễndưới dạng1 véctơ như sau:
(
)
N
SSSS , ,,

21
=
N = 1: S được gọi là hệ mộtchiều.
N ³ 2 : S được gọi là hệ nhiềuchiều.
62
§ Dòng dịchchuyểnvậtchấttừ trạng thái này
đến trạng thái khác củahệ trongmộtđơn vị
thờigian được gọi là tốc độ dònggiữa2
trạng thái.
Ký hiệuJ(i,j) là tốc độ dòngtừ
trạng tháii đến trạng tháij
MồiS
1
ThúS
2
J(1,1)
J(2,2)
J(1,2)
63
§ Ngoài các thànhphần, hệ còn có cácbiến ngoạisinhvà biến điều
khiển, ảnhhưởng đến cácbiến trạng thái.
Dinhdưỡngtrongnước(S
1
)
Thựcvậtnổi(S
2
)
Độngvậtnổi(S
3
)

Độngvậtđáy(S
4
)
Cá (S
5
)
Mưa, gió, nhiệt độ,
bứcxạ, ápsuất,
khôngkhí
Chế độ đánhbắt cá
và bổ sung dinh
dưỡng
64
Dinh dưỡng S
1
Động vật nổi(S
3
)
Thực vật nổi S
2
Động vật đáy S
4
Cá S
5
Điều khiển
của con
người V
2
V
1

Khí hậu
J(3,1)
J(1,2)
J(4,1)
J(3,2) J(2,3)
J(2,4)
J(1,2) J(4,5)
J(3,5)
J(2,1)
65
§ Mộthệgồmn biếntrong đó có biến trạng thái, ngoại
sinhvà điềukhiển, muốn xác định cáctốcđộ dòng
J(i,j) trong đói,j là các trạng thái củahệ, ta phải làm
thínghiệm.