Sáng kiến kinh nghiệm tổng quan về mô hình hóa các bước thiết lập và phát triển mô hình

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA MÔI TRƢỜNG VÀ TÀI NGUYÊN THIÊN NHIÊN
…oOo…

MÔ HÌNH HÓA MÔI TRƢỜNG

Chủ đề:

TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH HÓA
CÁC BƢỚC THIẾT LẬP VÀ PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH

Giảng viên hƣớng dẫn
Huỳnh Vƣơng Thu Minh

Sinh viên thực hiện
Nhóm sinh viên QLMTA2

Báo cáo mô hình hóa môi trường
1


PHỤ LỤC
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH HÓA VÀ Ý NGHĨA .................... 4
1. Giới thiệu ........................................................................................................ 4
2. Các định nghĩa và phân loại mô hình ............................................................. 4
2.1 Khái niệm mô hình ................................................................................ 4
2.2 Phân loại mô hình .................................................................................. 5
a Phân loại mô hình ............................................................................. 5
b Phân loại mô hình toán ..................................................................... 6
3. Ƣu và nhƣợc điểm các loại mô hình .............................................................. 8

4. Các trƣờng hợp cần sử dụng mô hình toán và mô hình vật lý ..................... 10
5. Khái niệm và ý nghĩa của mô hình hóa môi trƣờng ..................................... 10
5.1 Khái niệm mô hình hóa ....................................................................... 10
5.2 Ý nghĩa mô hình hóa môi trƣờng .........................................................11
6. Mô hình hiện tƣợng tự nhiên .........................................................................11
6.1 Sự hình thành bão .................................................................................11
6.2 Mô hình khái niệm sự hình thành bão ................................................. 12
6.3 Mô hình toán hình thành bão ............................................................... 12
CHƢƠNG 2
CÁC BƢỚC THIẾT LẬP VÀ PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH ........ 13
1. Các đặc trƣng cơ bản của mô hình ........................................................ 14
2. Các bƣớc xây dựng và kiểm định mô hình............................................ 14
2.1 Thu thập và phân tích số liệu Lỗi! Thẻ đánh dấu không đƣợc xác
định.
2.2 Xây dựng phần mềm..................................................................... 15
2.3 Mô hình khái niệm ........................................................................ 15
2.4 Mô hình giải tích........................................................................... 15
2.5 Hiệu chỉnh..................................................................................... 15
2.6 Kiểm nghiệm mô hình .................................................................. 16
3. Định nghĩa mô phỏng và ứng dụng ....................................................... 17
4. Một vài thuật ngữ .................................................................................. 17
5. Lịch sử phát triển lĩnh vực mô hình và mô hình hóa Môi Trƣờng ........ 18
CHƢƠNG 3
LÝ THUYẾT VỀ LỰA CHỌN, HIỆU CHỈNH VÀ KIỂM ĐỊNH
MÔ HÌNH................................................................................................................ 20
1. Lựa chọn ................................................................................................ 20
2. Hiệu chỉnh ............................................................................................. 20
3. Kiểm định mô hình ................................................................................ 21
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 23

Báo cáo mô hình hóa môi trường
2


DANH SÁCH HÌNH

Hình 1.1 Mô hình xe hơi thử nghiệm sử dụng năng lƣợng mặt trời .................................................5
Hình 1.2 Mô hình vòng tuần hoàn nƣớc trên trái đất. ......................................................................5
Mô hình hộp trắng - White box ........................................................................................................7
Mô hình hộp đen - Black box ...........................................................................................................7
Mô hình hộp xám - Gray box ...........................................................................................................7
Ví dụ mô hình hóa môi trƣờng ....................................................................................................... 11
MÔ HÌNH KHÁI NIỆM HÌNH THÀNH BÃO .............................................................................12
CÁC BƢỚC THIẾT LẬP VÀ PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH..............................................................14
LÝ THUYẾT VỀ LỰA CHỌN, HIỆU CHỈNH VÀ KIỂM ĐỊNH MÔ HÌNH..............................14
Hình 1. Ba thành tố của một mô hình .............................................................................................14
Các bƣớc xây dựng và kiểm định mô hình .....................................................................................16
Các bƣớc hiệu chỉnh mô hình ....................................... Lỗi! Thẻ đánh dấu không đƣợc xác định.

Báo cáo mô hình hóa môi trường
3


CHƢƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH HÓA VÀ Ý NGHĨA
1. Giới thiệu
Hiện nay, ô nhiễm môi trƣờng 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 lƣợng
nƣớc, đất, không khí suy giảm nhanh chóng vƣợt qua khả năng tự làm sạch của tự

nhiên. Trong lĩnh vực khoa học quản lý môi trƣờng và kỹ thuật xử lý môi trƣờng,
việc quan trắc dự báo diễn biến môi trƣờng mang tầm quan trọng cho các quyết
định giải quyết vấn đề. Tuy nhiên, việc đo đạc, quan trắc môi trƣờng rất tốn kém
kinh phí và công sức của con ngƣời. 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 đƣa ra các
dự báo cần thiết.
Việc mô phỏng môi trƣờng cũng đang giúp con ngƣời tạo dựng các một hình ảnh
hoặc sự vật thu nhỏ hoặc tƣơng tự, bắt chƣớc theo thực tế để mô tả sự kiện cũng
nhƣ tạo ra các kịch bản biến đổi lƣợng và chất theo không gian và thời gian nhằm
tiên đoán khả năng lây truyền chất ô nhiễm hoặc khả năng hồi phục chất lƣợng tài
nguyên. Môn học mô hình hóa môi trƣờng đƣợc 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 đƣợc tối giản hóa theo đặc điểm hoặc
diễn biến của một đối tƣợng, một hiện tƣợng, một khái niệm hoặc một hệ thống (TS.
Lê Anh Tuấn, 2008).
Mô hình có thể là một hình ảnh hoặc một vật thể đƣợc thu nhỏ hoặc phóng đại,hoặc
chỉ làm gọn bằng một phƣơng 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 tƣợng cụ thể (vật chất hoặc phƣơng trình toán học), một hệ
thống, hoặc một khái niệm (tƣ duy) thay thế một nguyên bản (Claude
Shannon,1948).

Báo cáo mô hình hóa môi trường
4


Ví dụ 1.1: Các nhà thiết kế tạo ra một mẫu xe hơi sử dụng năng lƣợng mặt trời thu

nhỏ để thử nghiệm khả năng hoạt động cũng nhƣ các tiện ích và an toàn trƣớc khi
chế tạo hàng loạt (hình 1.1).

Hình 1.1. Mô hình xe hơi thử nghiệm sử dụng năng lƣợng mặt trời

Ví dụ 1.2: Mô hình Vòng tuần hoàn nƣớc sự tồn tại và vận động của nƣớc trên mặt
đất, trong lòng trong đất và trong bầu khí quyển của trái đất.

Hình 1.2 Mô hình vòng tuần hoàn nƣớc trên trái đất.
2.2 Phân loại mô hình
a. Phân loại mô hình
Mô hình khái niệm ( Mô hình nhận thức)- Conceptual modelling: Trƣớc khi tiến
hành tạo một mô hình, phải tƣ duy đƣợc có bao nhiêu thành phần và cách thức liên
hệ và ảnh hƣởng lẫn nhau nhƣ thế nào. Kết quả của mô hình khái niệm là lƣu 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.
Báo cáo mô hình hóa môi trường
5


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)
đƣợc mô phỏng từ hệ thống thực. Các mô hình toán thƣờng sử dụng nhƣ MathCAD,
MathLAB, Excel, Fortran, C, C ++ , Java…
Mô hình vật lý:
Mô hình tỉ lệ - Scale physiscal modelling: Hệ vật lý đƣợc mô phỏng lại với các
thành phần đƣợc mô phỏng bằng một tỉ lệ chính xác (thu nhỏ hoặc phóng to).
Mô hình phác thảo thử nghiệm – Prototype modelling: Dạng này đƣợc xây dựng

nhanh và thô (phác thảo) để thử nghiệm một vài chức năng.
Mô hình tƣơng 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
tƣơng tự → Suy kết quả từ mô hình tƣơng tự cho mô hình muốn nghiên cứu.
b. Phân loại mô hình toán
MÔ HÌNH
TOÁN

MÔ HÌNH TẤT
ĐỊNH

MÔ HÌNH NGẪU
NHIÊN

MÔ HÌNH LIÊN
TỤC

MÔ HÌNH RỜI
RẠC

MÔ HÌNH TĨNH

MÔ HÌNH ĐỘNG

MÔ HÌNH PHI
TUYẾN TÍNH

MÔ HÌNH TUYẾN
TÍNH
Báo cáo mô hình hóa môi trường

6


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 chƣa biết hoặc không biết do cấu trúc quá phức tạp
hoặc chƣa biết (Internal dynamics are either too complex or unknown).
Mô hình hộp xám - Gray box

Mô hình cung cấp số thông tin về liệu đầu vào, đầu ra và một phần trong tiến trình
xử lý của hệ thống.

Báo cáo mô hình hóa môi trường
7


3. Ƣu và nhƣợc điểm các loại mô hình

TÊN MÔ HÌNH

ƢU ĐIỂM

Mô hình
khái - Đƣợc hình thành dù ngƣời tạo ra
niệm
nó chƣa hiểu hết tất cả các hiện

(Mô hình nhận tƣợng phức tạp trong thực tế.
thức )
- Có thể đơn giản hóa tính bất nhất
của các thông số thành tính đồng
nhất.
- Có thể giảm thiểu đƣợc số liệu
yêu cầu.
- Dễ dàng cho ngƣời xem hiểu
cách thu thập số liệu, thông tin sử
dụng một cách
nhanh chóng và ít tốn kém.
- Mô hình khái niệm là một công
cụ kĩ thuật cho các lập trình viên
hiểu vấn đề phải giải quyết mà
không cần phải làmột chuyên gia
môi trƣờng.
- Mô 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
cơ sở dữ liệu và hệ thống thông tin
địa lý (GIS).
Mô hình Giải - Mô hình thực hiện xử lý số liệu
Tích
một
( Mô hình Số)
cách nhanh chóng.
- Mô hình không có lập trình, tối
thiểu đƣợc lỗi
trong cách sử dụng.

Báo cáo mô hình hóa môi trường
8

NHƢỢC ĐIỂM

- Mô hình khái niệm là một
khái quát nhân tạo và phi vật
lý qua các tối giản nên có thể
không đƣa ra hết những quan
hệ tƣơng tác giữa các đối
tƣợng.
- Những ngƣời thiếu kinh
nghiệm có thể tạo ra các giả
thiết phi thực tế hoặc quá
đơn giản.
- Mô hình khái niệm mang
tính tổng quá nên đôi khi bỏ
sót các phƣơng án vận hành.
- Mô hình khái quát thƣờng
không thể thể hiện cách điều
chỉnh sai số hoặc ngoại suy
trong trƣờng hợp thiếu dữ
liệu.
- Khi cần bổ sung mô hình
hoặc tái cấu trúc mô hình có
thể tạo ra một tình trạng quá
gò bó thông số.
- Các thông số và biến số dễ
bị thay đổi.

- Là mô hình phức tạp với
các chuỗi thuật toán.


Mô hình Toán

Mô hình Vật Lý

-Dùng các ngôn ngữ lập trình để
miêu tả mối quan hệ toán học một
cách dễ dàng.
- Có thể dễ dàng thay đổi số liệu
hay thông số của mô hình với
nhiều kịch bản khác nhau theo ý
muốn.
- Các tính năng tiêu chuẩn hóa
thƣờng cần thiết cho mô hình.
- Chu kỳ phát triển ngắn hơn.
- Có thể đọc đƣợc nhiều mã khác
nhau.
- Hỗ trợ nhiều trong việc xác minh
mô hình toán học.
- Là công cụ chuẩn xác để dự
đoán những hiện tƣợng Vật lý.
- Kích thƣớc nhỏ, đo đạc dễ dàng.
- Quan sát các hiện tƣợng tận mắt
dễ dàng định hƣớng nghiên cứu.

Mô hình Tƣơng - Có thể sử dụng số liệu, thông số
Tự

hay một quá trình khác thay thế
rồi suy ra kết quả tƣơng tự cho mô
hình.
- Không sử dụng lập trình phức
tạp.
- Các mô hình phức tạp đƣợc thực
hiện
nhanh chóng.

Báo cáo mô hình hóa môi trường
9

- Đòi hỏi khối lƣợng công
việc khổng lồ với các biến số
thay đổi theo thời gian và
không gian.
- Giai đoạn kiểm tra lại khó
khăn.
- Tính di động bị hạn chế.
- Chi phí phầm mềm cao.
- Đòi hỏi nâng cấp bổ sung.

- Tốn kém thời gian và tiền
bạc.
- Chỉ đƣợc áp dụng khi hết
sức cần thiết khi nghiên cứu
chi tiết để thiết kế công trình
(cống, đập).
- Khó mô phỏng tất cả các
hiện tƣợng theo tỉ lệ chính

xác.
- Khó mô phỏng các điều
kiện biên một cách chính
xác.
- Kết quả không chính xác.
- Không mô phỏng tất cả
hiện tƣợng trong mô hình
một cách chính xác.
- Tốn kém về tiền bạc.


4. Các trƣờng hợp cần sử dụng mô hình toán và mô hình vật lý
Mô hình vật lý: Khi những hiện tƣợng 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 tƣợng vật lý. Không cần phải tƣởng tƣợng, 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 thƣờng xuyên những gì một hệ
thống thế giới thực sẽ làm trong tƣơng lai nhƣng lại tốn kém, không thực tế hoặc
không thể thử nghiệm trực tiếp với hệ thống, ví dụ nhƣ: thiết kế lò phản ứng hạt nhân,
sự tuyệt chủng của các loài,…Mô hình toán còn đƣợc áp dụng trong nhiều trƣờng
hợp khi phải liên tục thay đổi kịch bản để đƣa ra kết quả tƣơng ứng.
5. KHÁI NIỆM VÀ Ý NGHĨA CỦA MÔ HÌNH HÓA MÔI TRƢỜNG
5.1. Khái niệm mô hình hóa
Mô hình hóa môi trƣờng là ngành khoa học mô phỏng hiện tƣợng lan truyền chất ô
nhiễm và các dự báo thay đổi môi trƣờng theo không gian và thời gian. ( TS. Lê
Anh Tuấn, 2008).
Mô hình hóa môi trƣờng 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 nhƣ cầu thông tin và
tiên đoán diễn biến của môi trƣờng – sinh thái.

Mô hình môi trƣờng là một mô tả đơn giản cho các quan hệ phức tạp về môi trƣờng
sinh thái ở ngoài thực tế nhƣng vẫn có thể cho các kết quả chính xác ở mức độ chấp
nhận đƣợc.
Một mô hình môi trƣờng phải cung cấp một đại lƣợng 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 trƣờng 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.
Báo cáo mô hình hóa môi trường
10


Một mô hình môi trƣờng thƣờng kết hợp các định luật và phƣơng trình sau
• Định luật vật lý (nhƣ định luật Darcy, định luật bảo toàn khối lƣợng, ...)
• Phƣơng trình toán học quan hệ (nhƣ phƣơng trình Penmen về bốc thoát hơi,
phƣơng trình cân bằng nƣớc).
• Các quan hệ thực nghiệm (nhƣ các công thức kinh nghiệm, ...)
( TS. Lê Anh Tuấn,2008).

Ví dụ mô hình hóa môi trƣờng

5.2 Ý nghĩa mô hình hóa môi trƣờng
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 nhƣ cầu thông tin và tiên đoán diễn biến của môi trƣờng– sinh
thái.
Mô tả đơn giản cho các quan hệ phức tạp về môi trƣờng sinh thái ở ngoài thực tế

nhƣng vẫn có thể cho các kết quả chính xác ở mức độ chấp nhận đƣợc.
Cung cấp một đại lƣợng 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 TƢỢNG TỰ NHIÊN
6.1 Sự hình thành bão
Bão chỉ hình thành ở khu vực đại dƣơng nhiệt đới ấm áp, nơi nhiệt độ nƣớc ít nhất là
26 độ C. Chính không khí ấm áp, ẩm và gió hội tụ gần xích đạo là “nhiên liệu” để bão
Báo cáo mô hình hóa môi trường
11


hoạt động. Một cơn bão hình thành bao giờ cũng xuất hiện những cơn mƣa dông và
những trận gió lốc rất mạnh do sự chênh lệch áp suất không khí giữa áp cao lạnh giữa
những đám mây mƣa và bầu không khí nóng xung quanh. Và khi hai cơn mƣa 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. Nƣớc càng nóng, quy trình này càng
nhanh và gió tăng tốc. Khi đó, ở tầng trên của lớp đối lƣu, luồng khí ẩm ƣớt này toả ra
và bắt đầu xoay theo quán tính hình thành từ chiều quay của trái đất, ở Bắc bán cầu là
chiều ngƣợc 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 khí
quyển

Độ ẩm

Hình thành
mƣa

Nhiệt độ đại
dƣơng nóng
lên

Không khí ẩm
bốc lên

Nhiệt độ

Động lực để
tạo xoáy

Hấp thụ năng
lƣợng

Hình thành
gió mạnh

Hình thành
bão

Hình Thành
xoáy,
lốc,giông

6.3 Mô hình toán hình thành bão

Hiện nay nƣớc biển dâng nhìn nhận nhƣ quá trình tƣơng tác tổng hợp n ngƣời ta
tính toán nƣớc biển dâng theo vận tốc gió , mƣc nƣớc biển nền có thể là mực nƣớc
trung bình nhiều năm đối với biển có thủy triều hoặc phi thủy triều .. Bài toán nƣớc
biển dâng đƣợc xem trong điều kiện khí tƣợng thủy văn có các tác động đồng thời
của gió, áp suất khí quyển, thủy triều và lƣu lƣợng sông ngòi .
Báo cáo mô hình hóa môi trường
12


Mô hình nƣớc nông hai chiều có thể mô tả đƣợc các hiện trên , hệ phƣơng trình có
dạng

Trong đó :
U, V - các thành phần vận tốc biến đổi theo độ sâu theo hƣớng x, y tƣơng
ứng


1
u
U ( z )dz
h   h



1
v
v( z )dz
h   h

U(z), V(z) - các thành phần vận tốc biến đổi theo độ sâu theo hƣớng x, y

tƣơng ứng
 - dao động mặt nƣớc so với mặt nƣớc trung bình
h- độ sâu kể từ mực nƣớc trung bình
Pa - áp suất không khí
 xs , ys - các thành phần ứng gió suất gió trên mặt nƣớc theo trục x, y tƣơng
ứng
 xs  W X WX2  WY2 , YX  W X WX2  WY2

- hệ số ma sát gió
Wx, Wy- các thành phần vận tốc gió theo trục x, y tƣơng ứng
 xb , yb - các thành phần ứng suất ma sát tại đáy theo trục x , tƣơng 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 nƣớc
biển dâng, áp suất không khí để xác định hình thành bão.

Báo cáo mô hình hóa môi trường
13


CHƢƠNG 2
CÁC BƢỚC THIẾT LẬP VÀ PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH
LÝ THUYẾT VỀ LỰA CHỌN, HIỆU CHỈNH VÀ KIỂM ĐỊNH MÔ
HÌNH
1.Các đặc trƣng 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 đƣa 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.

Thông tin vào

Tiến trình xử lí thông
tin

Thông tin ra

Hình 1. Ba thành tố của một mô hình
Một mô hình có các đặc trƣng cơ bản sau
+ Mô hình cần đƣợc 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 đƣợc.
(T.S Lê Anh Tuấn,2008)
2.Các bƣớc xây dựng và kiểm định mô hình
2.1. Thu thập và phân tích số liệu
Xác định loại số liệu (mực nƣớc, lƣu lƣợng, thông số chất lƣợng nƣớc,…) cần thu
thập từ hệ thống thực;
Xác định bƣớc thời gian: giờ, trung bình ngày,…;

Báo cáo mô hình hóa môi trường
14


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; Trƣờng 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 trƣờng).
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 tƣởng hoá nhằm tối giản những yếu tố phức tạp
ngoài thực tế ở dạng một lƣu 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 ngƣời 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 đƣợc viết để
giải quyết các quan hệ giữa các thông số và biến số trong mô hình và cho ra kết quả
dƣới 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
Hiệu chỉnh (calibration) là tiến trình mà trong đó các thông số và biến số của mô hình
đƣợc điều chỉnh để kết quả ra của mô hình phù hợp với thực tế quan sát đƣợc. Do khi
phát triển mô hình, chúng ta phải tối giản các hiện tƣợng vật lý trong tự nhiên để
thuận lợi cho ngƣời 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 đƣa ra các
thông số điều chỉnh gọi là thông số mô hình (model parameters).
Báo cáo mô hình hóa môi trường
15

2.6 Kiểm nghiệm mô hình
Kiểm nghiệm mô hình là bƣớc tiếp sau công việc hiệu chỉnh mô hình nhằm kiểm tra
các thông số mô hình đƣa ra có phù hợp với các diễn biến của thực tế hay không.

THU THẬP VÀ
PHÂN TÍCH SỐ
LIỆU

XÂY DỰNG
PHẦN MỀM

MÔ HÌNH GIẢI
TÍCH /TOÁN

PHÂN TÍCH ĐỘ
NHẠY/ĐỘ KHÔNG
CHẮC CHẮN

HIỆU CHỈNH
MÔ HÌNH

SENSITIVITY
ANALYSIS

KIỂM ĐỊNH
MÔ HÌNH

ỨNG DỤNG

DỰ BÁO / TỐI ƢU
HOÁ

Các bƣớc xây dựng và kiểm định mô hình

Báo cáo mô hình hóa môi trường
16

MÔ HÌNH
KHÁI NIỆM


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 phƣơng thức nhắn tin cho hệ thống;
+ Thiết kế và vận hành các cơ sở nhƣ đƣờng cao tốc, tàu điện ngầm, sân bay
hoặc cống;
+ Thẩm định thiết kế cho các tổ chức dịch vụ nhƣ bệnh viện, bƣu 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) đƣợc 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 tƣợng, đƣợc gắn với bƣớc thời
gian nhất định, liên hệ giữa lƣợng vào (nguyên nhân, năng lƣợng, thông tin) với
lƣợng ra (hệ quả, phản ứng, năng lƣợng)

INPUT
Lƣợng vào

SYSTEM
Hệ thống

OUTPUT
Lƣợng 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 nhƣ một hệ thống với các thành phần là nƣớc, 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.
Hệ thống thủy văn đƣợc định nghĩa nhƣ 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 nhƣ mƣa theo phƣơng thẳng đứng, dòng chảy theo phƣơng ngang, thao tác phân
Báo cáo mô hình hóa môi trường
17


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 đƣờng đi, các phƣơng thức khác nhau để qua đó nƣớc 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 tƣợng
nghiên cứu nào đó đi vào hệ thống nhƣ 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 tƣợng.
Thông số (parametter of model) là đặc trƣng số lƣợng của hệ thống thủy văn. Ví dụ
diện tích lƣu vực là một thông số biểu thị độ lớn của lƣu vực. Nói chung thông số của
hệ thống không thay đổi theo thời gian trong điều kiện các nhân tố ảnh hƣởng 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 trƣớc 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, nhƣng có thể đƣa đến những kết quả kém hơn bởi
vì các thông số đƣợc lựa chọn sẽ có sai số lớn hơn. Vì vậy phải lựa chọn một cấu trúc
mô hình tối ƣu nào đó, bao gồm một số lƣợng tối ƣu các thông số, có thể mô tả tốt các
quá trình cơ bản trong hệ thống thông tin đã có, đồng thời phải đƣa ra các phƣơng
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 phƣơng pháp xác định thông số .
5. Lịch sử phát triển lĩnh vực mô hình và mô hình hóa môi trƣờng
Từ xa xƣa vào thời tiền sử con ngƣời đã nghĩ rằng có thể tạo ra một mô phỏng tối
giản để phát họa hình ảnh những khuôn dạng ngƣời để có một sắp xếp xem xét sự
tiến hóa của các nhóm chủng ngƣời.
+ Những bức phát họa con ngƣời và các cách sinh hoạt của họ ở các vách hang
đá cho ta hình dung nền văn hóa ngƣời Cổ Cận Đông và Cổ Hy Lạp.
+ Một trong các mô hình đầu tiên đƣợc công nhận là các con số; số đếm và số
viết đƣợc ghi lại trên các mảnh xƣơng đã đƣợc tìm thấy vào khoảng 30.000 năm
trƣớc Công nguyên.
+ Ngành Thiên văn và Kiến trúc đã để lại những ghi chép mô hình các vì sao,
công trình nhà cửa từ 4.000 năm trƣớc Công nguyên.
+ Vào khoảng 2.000 năm trƣớc Công nguyên, ít nhất ba nền văn hóa Babylon,

Ai Cập và Ấn Độ đã biết cách sáng tạo và phát triển các bài toán và ứng dụng
“mô hình toán” trong cuộc sống thƣờng nhật của họ. Phần lớn các bài toán của
họ là các thuật toán đƣợc đề xuất để giải các vấn đề đặc biệt.
Báo cáo mô hình hóa môi trường
18


+ Ở Việt Nam các hình ảnh để lại trên Trống đồng Đông Sơn cho chúng ta nghĩ
đến một mô phỏng các điệu múa, y phục và các sinh hoạt săn bắt của ngƣời Việt
Cổ trong khoảng thời gian từ thế kỷ thứ 6 đến thế kỷ thứ 7 trƣớc Công nguyên.
Sự phát triển của ngành triết học trong thời kỳ văn minh Hy Lạp (Hellenic Age)
(khoảng 600 năm trƣớc Công nguyên) đã kết hợp với toán học dẫn đến phƣơng pháp
suy diễn (deductive method), sau đó trở thành một phần quan trọng trong lý thuyết
toán học.
Trong thời kỳ này, hình học đã bắt đầu hình thành và phát triển
+ Nhà toán học Thales đã áp dụng hình học để tiên đoán hiện tƣợng nhật thực
(solareclipse)vào năm585 trƣớc Công nguyên. 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 trƣớc Công nguyên, Euclid đã dùng một mô hình toán
hình học để tìm khoảng cách từ Trái đất đến Mặt trời và khoảng cách từ Trái đất
đến Mặt trăng. Ông cũng tính đƣợc chu vi của Trái đất.
Ngành thiên văn học cổ cũng đã biết tạo ra các mô hình để diễn tả các vì sao trong
thái dƣơng hệ.
Các nhà kiến trúc khi xây dựng công trình cổ xƣa ở Trung Hoa, Ấn Độ, các nƣớc
theo đạo Hồi đã để lại những chứng tích các mô hình đền đài, công trình thu nhỏ
nhƣ là những phƣơng pháp tƣơng tự (similar method), một hình thức của mô hình
tỷ lệ, trƣớc khi xây dựng các công trình thực.
Các nền văn minh ở Châu Á cũng chứng tỏ sự phát triển mô hình vật lý đi song song
với các mô hình toán học trong các công trình kiến trúc của họ.

Từ thế kỷ XX trở đi, song song với sự phát triển của ngành toán học, vật lý, đặc biệt
là sự ra đời của máy tính điện tử đã thúc đẩy sự phát triển nhanh chóng của thuật toán
mô hình. Nhiều công ty phần mềm chuyên sản xuất ra các công cụ mô hình phục vụ
cho nhiều lĩnh vực từ khoa học kỹ thuật, kinh tế, môi trƣờng, khí tƣợng, thủy văn,
quản lý hành chánh đến các lãnh vực quan hệ xã hội,...
Ngày nay kỹ thuật mô hình đang càng ngày chứng tỏ vai trò trong việc tạo điều kiện
cho con ngƣời hiểu biết sâu hơn về thế giới của mình mà con tiên toán những tình thế
có khả năng xảy ra trong tƣơng lai

Báo cáo mô hình hóa môi trường
19


CHƢƠNG 3
LÝ THUYẾT VỀ HIỆU CHỈNH VÀ KIỂM ĐỊNH MÔ HÌNH

1. Lựa chọn
Tùy vào mục đích của ngƣời sử dụng mô hình mà ngƣời ta sử dụng các mô hình phù
hợp. Trên thế giới đã xuất hiện nhiều mô hình khác nhau. Về nguyên tắc, mô hình
càng phức tạp, dữ liệu đầu vào càng nhiều → Kết quả từ mô hình càng chính xác.
Có 2 cách chọn mô hình
+ Theo cấu trúc và giá trị vào/ra: Khái quát hóa các tiến trình chủ yếu, mức độ chính
xác cho việc tiên đoán, tính đơn giản của mô hình, thành lập các thông số, độ nhạy
các thông số, giả định, tiềm năng cho việc cải tiến mô hình.
+ Theo vấn đề thực tế: Điều kiện tự nhiên của mô hình, khung thời gian, thiết bị tính
toán, ứng dụng ,.....
Đánh giá việc lựa chọn bằng cách trả lời các câu hỏi sau:
+ Các thông số mô hình cung cấp có thực sự theo yêu cầu của bài toán không?
+ Các đặc trƣng vật lý thể hiện qua các thông số của mô hình có thực sự đáp ứng việc
ứng dụng thực tế không?

+ Các phƣơng trình sử dụng trong cấu trúc mô hình có đúng với thuật toán hiện đại
phù hợp với dữ liệu và thiết bị máy tính không?
+ Các kết quả mà mô hình cung ứng có chất lƣợng tốt tƣơng xứng với chi phí theo
một thời gian đặc thù không?
2. Hiệu chỉnh
Hiệu chỉnh (calibration) là tiến trình mà trong đó các thông số và biến số của mô hình
đƣợc điều chỉnh để kết quả ra của mô hình phù hợp với thực tế quan sát đƣợc.
Hiệu chỉnh bộ thông số để số liệu xuất ra từ mô hình “phù hợp” với số liệu đo đạc.
Trƣờng hợp hiệu chỉnh mô hình không thỏa thì phải kiểm tra lại số liệu thu thập và
mô hình khái niệm.
Phân tích độ nhạy của các thông số: Chỉ ra thông số nhạy “nhất” và hiểu đƣợc đặc
tính của mỗi thông số.Từ đó chỉ ra thông số cần hiệu chỉnh.

Báo cáo mô hình hóa môi trường
20


Các bƣớc hiệu chỉnh mô hình: Đầu tiên, giả thiết bộ thông số chạy thử mô hình so
sánh thực đo và tính toán. Nếu đạt thì dừng lại.Nếu so sánh thực đo và tính toán
không đạt thì quay lại thay đổi bộ thông số sau đó chạy mô hình rồi tiếp tục so sánh.

Giả thiết bộ
thông số

So sánh thực
đo và tính toán

Chạy mô
hình

Đạt

Dừng

Không
đạt

Thay đổi bộ
thông số

Các bƣớc hiệu chỉnh mô hình
3. Kiểm định mô hình
a. Khái niệm
Kiểm định mô hình là đánh giá mức độ phù hợp giữa số liệu đo đạc và số liệu từ mô
hình thông qua các tham số thống kê hoặc bằng trực quang. Đây là bƣớc tiếp theo sau
công việc hiệu chỉnh mô hình nhằm kiểm tra các thông số của mô hình.
b. Mục tiêu kiểm nghiệm mô hình
Mô hình cần đƣợc kiểm nghiệm nhằm kiểm tra các thông số mô hình đƣa ra có phù
hợp với các diễn biến của thực tế hay không. Nói một cách chi tiết, việc kiểm nghiệm
gồm các trả lời các hàm ý sau
Các biểu hiện ở đầu ra của mô hình mô phỏng có phù hợp với các biểu hiện đầu ra
của hệ thống thực tế đã đƣợc quan trắc;
Báo cáo mô hình hóa môi trường
21


Các thông tin ở đầu ra của mô hình ( lƣu ý là đầu ra của mô hình mô phỏng không
phải là thành lập số liệu mà là thông tin) có đủ độ chính xác nhƣ mong muốn ở mô
hình;
Trong quá trình xác định các thông số, nếu có sai biệt ý nghĩa giữa số liệu của sự kiện

quan trắc và giá trị mô phỏng, thì cần xác lập mức độ tin cậy của mô hình;
Việc kiểm nghiệm phải mang tính khách quan: mô hình cần phải bắt buộc qua các thử
nghiệm thống kê chính thống và nghiêm ngặt theo các mức độ phù hợp định trƣớc
theo tầm quy mô thực hiện;
Khi làm kiểm nghiệm đầu ra của mô hình, giả thuyết rằng mô hình là có sơ sở vững
chắc bao gồm các hợp lí trong thiết kế mô hình, các phƣơng trình chủ đạo và mã hóa
chƣơng trình máy tính;
Trong bất kì sự kiểm nghiệm nào, có thể một số thông số luôn luôn đạt yêu cầu các
điều kiện thử nghiệm mô hình trong khi một số thông số khác không thể liên kết đƣợc
với một số sự kiện đã xảy ra.
c. Độ chính xác của mô hình
Trƣờng hợp chuỗi quan trắc đủ dài và độ chính xác cao (chuỗi số liệu mực nƣớc, lƣu
lƣợng) thì kết quả kiểm nghiệm thƣờng tốt.Thực tế, một số trƣờng hợp chuỗi quan
trắc không đủ dài (số liệu tƣ môi trƣờng:BOD,DO,...). Khi đó khó có thể tiến hành
kiểm nghiệm mô hình theo các thông số trên.
Độ chính xác của chuỗi số liệu không cao thì sai số lấy mẫu khá lớn, kiểm nghiệm
mô hình rất khó và đôi khi khó đạt.

Báo cáo mô hình hóa môi trường
22


TÀI LIỆU THAM KHẢO
Ts Lê Tuấn Anh (2008), Mô hình hóa môi trƣờng.
Bài giảng Mô hình hóa môi trƣờng, Ths Huỳnh Vƣơng Thu Minh.
Nguyễn Hữu Khải - Nguyễn Thanh Sơn (2003), Mô hình toán thủy văn.
hinh-thanh- va-hoat- dong-nhu- the-nao2279439

Báo cáo mô hình hóa môi trường
23