GIÁO TRÌNH NỘI BỘ MÔ HÌNH HÓA MÔI TRƯỜNG Dành cho sinh viên ngành Khoa học Môi trường, Kỹ thuật Công nghệ Môi trường, Kinh tế Tài Nguyên Môi trường

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM
--------------------------------

HOÀNG QUÝ NHÂN

GIÁO TRÌNH NỘI BỘ

MÔ HÌNH HÓA MÔI TRƯỜNG
Dành cho sinh viên ngành Khoa học Môi trường, Kỹ thuật
Công nghệ Môi trường, Kinh tế Tài Nguyên Môi trường
(Tài liệu lưu hành nội bộ)

Thái Nguyên, năm 2016

1


Lời Nói Đầu
Giáo trình này ra đời được là nhờ sự động viên và hỗ trợ của quí
thầy cô đồng nghiệp mà tác giả đã có dịp làm việc và cộng tác. Nhóm
tác giả xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo Trường Đại học Nông Lâm
Thái Nguyên, Khoa Môi trường đã tạo mọi điều kiện cho nhóm tác giả
hoàn thành giáo trình này.
Mô hình hóa với sự trợ giúp của công nghệ thông tin trong thời đại
ngày nay đã trở thành một nhánh quan trọng của khoa học hiện đại và
là một công cụ rất mạnh để nhận thức thế giới xung quanh. Nghiên cứu
mô hình hóa và ứng dụng trên máy tính mở ra những chân trời mới để
nhận diện sự phụ thuộc của tin học với toán học và các ngành khoa học
khác – cả tự nhiên lẫn xã hội.
Khái niệm “mô hình” chúng ta đã làm quen từ thời thơ ấu. Đồ chơi

ô tô, máy bay hay chiếc tầu là những trò chơi yêu thích của con trai;
búp bê, con gấu bông là những trò chơi không thể thiếu của bé gái.
Trong nhận thức của trẻ em, trong quá trình nhận biết thế giới bên
ngoài, những đồ chơi như vậy về thực chất là các mô hình của thế giới
thực. Ở tuổi thiếu niên đối với nhiều em thì các trò chơi lego, các mô
hình lắp ráp ô tô, máy bay, tàu thủy gần giống với thực tế đã trở nên
quyết định trong việc lựa chọn nghề trong tương lai.
Như vậy mô hình là gì ? Cái gì chung giữa một bên là chiếc tàu trò
chơi với hình vẽ được thể hiện trên màn hình máy vi tính, thể hiện một
mô hình toán học trừu tượng ? Có một điều là giống nhau: trong cả hai
trường hợp chúng ta có hình ảnh của một đối tượng thực, thay thế bản
gốc nào đó được thực hiện với độ tin cậy và cụ thể nào đó. Nói một
cách khác, mô hình là biểu diễn đối tượng dưới một dạng nào đó, khác
với dạng thực của nó.
Trong hầu hết các ngành khoa học về thiên nhiên, về thế giới sinh
vật hay vô cơ, về xã hội, việc xây dựng và sử dụng mô hình là một thứ
vũ khí rất mạnh để nhận thức xã hội. Các đối tượng và quá trình thực
thường rất đa dạng và phức tạp cho nên cách tốt nhất để nghiên cứu
chúng là xây dựng mô hình. Mô hình được xây dựng chỉ giữ lại một số
mặt của hiện thực và vì thế nó đơn giản hơn. Kinh nghiệm phát triển
khoa học trong nhiều thế kỷ đã khẳng định tính đúng đắn của phương
pháp tiếp cận như vậy.
Giáo trình này hướng tới đối tượng sinh viên chuyên ngành môi
trường, cũng như một số ngành có liên quan.

2


Mục lục
Mở đầu................................................................................................................... 9

Chương 1 : TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH HOÁ MÔI TRƯỜNG ..................... 10
1.1. Mô hình hóa và lịch sử phát triển............................................................. 10
1.1.1 Khái niệm mô hình hóa ...................................................................... 10
1.1.2 Lịch sử phát triển Mô hình hóa .......................................................... 11
1.2. Vai trò của mô hình hóa môi trường ........................................................ 12
1.3. Mô hình quản lý và nghiên cứu dự báo môi trường ................................ 16
1.4. Các nguyên lý mô hình hóa nói chung ..................................................... 20
1.5. Phân loại mô hình hóa theo không gian và thời gian. .............................. 23
Chương 2: CÁC BƯỚC XÂY DỰNG MÔ HÌNH HOÁ MÔI TRƯỜNG......... 29
2.1. Các giai đoạn cơ bản của quá trình xây dựng mô hình hóa môi trường .. 29
2.2. Các thành phần trong quá trình mô hình hóa môi trường ........................ 38
2.3. Phân loại mô hình hóa môi trường ........................................................... 41
2.4. Các thuật toán cơ bản được áp dụng trong xây dựng mô hình hóa môi
trường .............................................................................................................. 44
Chương 3: MÔ HÌNH HOÁ TRONG MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ .............. 46
3.1. Ô nhiễm môi trường không khí, Vì sao cần phải mô hình hoá môi trường
không khí ......................................................................................................... 46
3.2. Một số khái niệm cơ bản trong mô hình hoá môi trường không khí ....... 47
3.3. Mô hình hóa tính khuếch tán chất ô nhiễm trong môi trường không khí. 51
3.3.1. Mô hình hoá phân tán chất ô nhiễm trong không khí theo phương pháp
Berliand ........................................................................................................... 53
3.3.2. Tính toán phân bố nồng độ chất ô nhiễm theo mô hình Gauss ............. 61
Chương 4: MÔ HÌNH HOÁ TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC ......................... 68
4.1. Giới thiệu chung và những đặc tính chung của môi trường nước. .......... 68
4.2. Các khái niệm cơ bản của mô hình hóa môi trường nước ....................... 70
4.3. Mô hình hóa chất lượng nước đơn giản – Mô hình BOD/DO ................. 72
4.4 Mô hình hóa nước dưới đất (nước ngầm) ................................................. 79
4.4.1. Khái niệm nước dưới đất ....................................................................... 79
4.4.2. Ô nhiễm nước dưới đất.......................................................................... 80
4.4.3. Mô hình khuếch tán chất ô nhiễm trong nước ngầm. ........................... 81

Chương 5: MÔ HÌNH HÓA Ô NHIỄM TIẾNG ỒN .......................................... 86
5.1 Ô nhiễm tiếng ồn: ...................................................................................... 86
5.2 Nguyên nhân ô nhiễm tiếng ồn. ................................................................ 87
5.3 Mô hình hóa tiếng ồn ................................................................................ 87
5.3.1 Đại lượng mô tả tiếng ồn môi trường................................................. 88
5.3.2 Công thức đánh giá ô nhiễm tiếng ồn ................................................ 88
5.4 Tiêu chuẩn giới hạn cho phép của tiếng ồn............................................... 90
Chương 6: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH HÓA MÔI TRƯỜNG .............................. 92
6.1. Sơ đồ phát triển và ứng dụng mô hình ..................................................... 93
6.2. Xu thế phát triển mô hình hóa môi trường theo quy mô không gian....... 94
3


6.3. Giới thiệu một số mô hình môi trường .................................................... 95
6.3.1. Mô hình biến đổi khí hậu toàn cầu .................................................... 95
6.3.2. Mô hình quản lý lưu vực ................................................................... 97
6.3.3. Bộ mô hình thủy lực - thủy văn MIKE ............................................. 98
Tài liệu tham khảo ............................................................................................... 99

4


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1-1. Đặc trưng các mô hình chuyển động của khí quyển........................ 23
Bảng 2-1. Các thuật ngữ chính trong mô hình hóa môi trường........................ 36
Bảng 2-2.
Phân loại các mô hình môi trường (từng cặp một theo
các dạng mô hình)................................................................................................41
Bảng 2-3. Nhận dạng mô hình...........................................................................44
Bảng 2-4. Bảng các tham số trong mô hình Streeter ........................................46

Bảng 3-1. Trị số Γ` ứng với áp suất và nhiệt độ khác nhau, K/100m................61
Bảng 4-1. Các hệ số trong công thức phát tán vệt khói Gauss .........................79
Bảng 4-2. Công thức tính σz (x), σy(x) cho vùng thoáng mở (nông thôn)......80
Bảng 4-3. Công thức tính σz (x), σy(x) cho điều kiện thành phố....................80
Bảng 4-4. Tóm tắt một số công thức tính vệt nâng ống khói dưới dạng công
thức .....................................................................................................................82
Bảng 5-1.

Giá trị Z0 và chỉ số n theo tháng và năm ở Hà Nội ..................... 132

Bảng 6-1.

Hệ số truyền khối, động lượng, và nhiệt...................................... 177

Bảng 6-2.

Các hệ số phân tán theo các điều kiện khác nhau ....................... 190

Bảng 6-3. Tóm tắt hệ số phân tán đo được trong dòng chảy........................... 191
Bảng 6-4.
Hệ số phân tán thẳng đứng cho các hồ phân tầng ngang
qua lớp dị nhiệt ................................................................................................ 193
Bảng 6-5.

Hệ số phân tán thẳng đứng trung bình cho cả hồ......................... 196

Bảng 6-6.

Hệ số phân tán của nước mờ do cặn lắng trong khe ................... 197

Bảng 6-7.

Phân loại mô hình hồ. ................................................................. 202

Bảng 6-9. Nồng độ dinh dưỡng có trong nước mưa (mg/l)............................ 208
Bảng 6-10. Các hệ số lưu trữ R (D = kích thước hạt)................................... 209

5


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1-1. Mối liên hệ giữa khoa học môi trường,sinh thái, mô hình hóa
môi trường sinh thái, quản lý môi trường và công nghệ môi trườg....................13
Hình 1-2. Ý tưởng thể hiện vai trò các mô hình môi trường trong
quản lý môi trường............................................................................................. 14
Hình 1-3.

Các nguyên lý mô hình hóa môi trường........................................ 19

Hình 2-1.

Các giai đoạn cơ bản của quá trình mô hình hóa môi trường ....... 28

Hình 2-2.

Một quá trình mô hình hóa mang tính thử nghiệm. ...................... 30

Hình 2-3.

Các bước mô hình hóa theo Jorgensen S.E................................... 31

Hình 2-4

Các thành phần trong mô hình hóa môi trường............................ 38

Hình 2-5.

Mô hình hệ sinh thái nước .............................................................39

Hình 2-6. Mô hình ngẫu nhiên xem xét các đại lượng (1), (2), và (3)
trong đó mô hình tiền định xem đại lượng (2) và (3) bằng 0..............................40
Hình 2-7.

Minh họa mô hình động và mô hình tĩnh.......................................44

Hình 3-1.

Các giai đoạn đầu tiên của sự phát thải ô nhiễm không khí...........48

Hình 3-2. Nồng độ cực đại trong không khí theo thời gian và
theo khoảng cách ...............................................................................................49
Hình 3-3. Nồng độ cực đại trong không khí theo thời gian và
theo khoảng cách ...............................................................................................50
Hình 3-4. Các đường đồng mức dưới dạng các vệt khói liên tục, các đường
đồng mức của cùng một mức độ vào những thời điểm khác nhau.....................50
Hình 3-5.

Các đường đồng mức trong trường hợp nguồn liên tục.................51

Hình 3-6.

Sự thay đổi của vệt khói có mật độ nhỏ hơn của không khí..........52

Hình 3-7.

Một số hiệu ứng từ phát thải do nguồn cao....................................53

Hình 3-8.

Biên các vùng nguy hiểm do sự phát tán chất ô nhiễm..................55

Hình 3-9.

Sự thay đổi nhiệt độ của khối khí theo độ cao...............................56

Hình 3-10. Khí quyển không ổn định hoặc siêu đoạn nhiệt...............................63
Hình 4-1.

Chọn trục tọa độ trong mô hình khuếch tán Gauss....................... 71

Hình 4-2.

Sơ đồ mô hình khuếch tán Gauss.................................................. 77
6


Hình 4-3.

Biên của vệt khói với những thời gian trung bình khác nhau........ 81

Hình 4-4.

Sơ đồ vệt khói phát thải từ ống khói.............................................. 85

Hình 4-5.

Tính vận tốc gió tại độ cao hữu dụng............................................ 90

Hình 4-6.

Tính độ cao hiệu chỉnh.................................................................. 91

Hình 4-7.

Tính toán lực nổi và thông lượng động lượng .............................. 92

Hình 4-8.

Tính toán vệt nâng cột khói........................................................... 93

Hình 4-9.

Sơ đồ tính toán độ cao hữu dụng he ............................................. 95

Hình 5-1. Sơ đồ khuếch tán luồng khí thải dọc theo chiều gió ..................... 118
Hình 5-2. Sơ đồ cấu trúc (các module) của phần mềm ENVIMAP ............... 129
Hình 6-1.

Biểu đồ các quá trình lan truyền ..................................................167

Hình 6-2. Sơ đồ biểu diễn gradian vận tốc khác nhau do ứng suất cắt tại
nơi phân cách nước – không khí, đáy – nước, bờ - nước..................................169
Hình 6-3. Dòng chảy trong kênh sông gây nên sự phân tán theo
phương ngang và dọc theo lòng dẫn..................................................................171
Hình 6-4.

Chuyển động chuyển tải từ điểm a tới điểm b. ............................171

7


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

BOD

Nhu cầu oxy sinh hóa

C

Cacbon

CAP

Computing for Air Pollution – Phần mềm tính toán ô nhiễm
không khí

CBOD

Nhu cầu oxy sinh hóa các hợp chất cacbon

COD

Nhu cầu oxy hóa học

DIP

Phôtpho vô cơ hoà tan

DO

Oxy hòa tan

DOM

Chất khoáng hòa tan

DON

Nitơ hữu cơ hòa tan

DOP

Photpho hữu cơ hòa tan

EC

Độ dẫn điện

ENVIM

ENVironmental Information Management software – phần
mềm quản lý môi trường

ENVIMAP

ENVironmental Information Management and Air Pollution
estimation – Phần mềm tính toán mô phỏng ô nhiễm không
khí

ENVIMQ2K Phần mềm mô phỏng chất lượng nước kênh sông có ứng dụng GIS
GIS

Hệ thống thông tin địa lý

GIS

Geographic Information System – Hệ thống thông tin địa lý

8


Mở đầu
Hiện nay, ô nhiễm môi 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, không khí suy giảm nhanh chóng vượt qua khả năng tự
làm sạch của tự nhiên. Trong lĩnh vực khoa học quản lý môi trường và kỹ thuật
xử lý môi trường, việc quan trắc dự báo diễn biến môi trường mang tầm quan
trọng cho các quyết định giải quyết vấn đề. Tuy nhiên, việc đo đạc, quan trắc
môi trường rất tốn kém kinh phí và công 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 nguyên lý vật lý, toán học, công nghệ thông tin vào thực tiễn để mô phỏng
các diễn biến thực tế trong tự nhiên và đưa ra các dự báo cần thiết.
Việc mô phỏng môi 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 đoán khả năng lây - lan truyền chất ô nhiễm hoặc khả năng hồi
phục chất lượng tài nguyên. Môn học mô hình hóa môi trường được hình thành
từ cơ sở này. Môn học mô hình hóa môi trường phục vụ cho tất cả các nhà khoa
học, nhà kỹ thuật, nhà quản lý, kể cả các nhà xã hội làm việc liên quan đến lĩnh
vực môi trường và tài nguyên thiên nhiên. Chữ “mô hình” (modeling) có nguồn
gốc từ chữ La-tinh modellus. Từ này mang ý nghĩa là một kiểu cách do con
người tạo ra để tiêu biểu cho một thực tại nào đó.
Bài giảng này trình bày cơ sở lý luận và thực tiễn xây dựng, ứng dụng mô
hình toán phục vụ cho công tác bảo vệ môi trường. Các khái niệm cơ bản như
mô hình, mô hình môi trường, mô hình hóa bài toán bảo vệ môi trường không
khí, môi trường nước mặt, nước dưới đất, các mô hình, phần mền ứng dụng tin
học sẽ được trình bày. Trong bài giảng cũng dành sự lưu ý đặc biệt cho những
ứng dụng cụ thể trong bài toán bảo vệ môi trường trên đất nước chúng ta.

9


Chương 1 : TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH HOÁ MÔI TRƯỜNG
Hiện nay không có một lĩnh vực nhận thức nào mà người ta không nói
đến mô hình. Trong nghĩa rộng, mô hình được hiểu là một cấu trúc được xây
dựng trong tư duy hoặc thực tiễn, cấu trúc này tái hiện lại thực tế ở dạng đơn
giản hơn, công thức hơn và trực quan hơn. Phần trình bày dưới đây sẽ làm sáng
tỏ hơn về mô hình và mô hình hoá môi trường.
1.1. Mô hình hóa và lịch sử phát triển
1.1.1 Khái niệm mô hình hóa

Trong lịch sử phát triển con người đã từng sử dụng mô hình. Mô hình là
những bức tranh đơn giản về thực tế và là công cụ để giải quyết nhiều vấn đề. Dĩ
nhiên, mô hình sẽ không bao giờ chứa đựng tất cả các đặc tính của hệ thống
thực, bởi vì, chính nó không phải là hệ thống thật. Nhưng điều quan trọng ở việc
mô hình chứa đựng tất cả các đặc tính đặc trưng cần thiết trong phạm vi của vấn
đề cần giải quyết hay mô tả.
Ý nghĩa thực tiễn của việc sử dụng mô hình có lẽ được minh họa tốt nhất
qua những ví dụ trong thực tế. Trong nhiều năm, người ta đã sử dụng các mô
hình vật lý của con tàu để xác định mặt nghiêng, giúp con tàu có được sự cân
bằng trong nước. Mô hình vật lý như vậy sẽ có hình dáng và một số thông số
chính giống con tàu thật sự, nhưng nó không chứa tất cả các chi tiết chẳng hạn
như: sự trang bị máy móc, cách bố trí của cabin, v.v… Những chi tiết như vậy
thì không liên quan đến mục đích của mô hình cần nghiên cứu. Những mô hình
khác của con tàu đáp ứng các mục đích khác: cách bố trí của các cabin khác
nhau, sơ đồ các ống dẫn...
Từ đó, chuyên gia hàng đầu về mô hình môi trường người Đan Mạch
Jorgensen M.E. cho rằng mô hình môi trường phải mang những đặc tính lưu ý
đến khía cạnh quản lý hay vấn đề mang tính khoa học, đây chính là điều mà các
nhà nghiên cứu mong muốn. Môi trường là một hệ thống phức tạp hơn nhiều
một con tàu, và điều này nói lên rằng mô hình môi trường là vấn đề cực kỳ phức
tạp. Tuy nhiên, nhờ những nghiên cứu mạnh mẽ trong nhiều thập kỷ qua nên
10


ngày nay đã có thể thiết lập được những mô hình môi trường mang tính thực tiễn
cao.
Jorgensen đã so sánh mô hình môi trường với các bản đồ địa lý (trên thực
tế bản đồ địa lý cũng chính là những mô hình). Các loại bản đồ khác nhau đáp
ứng những mục đích khác nhau. Có những bản đồ dùng cho máy bay, tàu thủy,

xe hơi, xe lửa, các nhà địa chất và các nhà khảo cổ học và v.v…Tất cả chúng
đều khác nhau, bởi vì chúng cần tập trung vào các chi tiết khác nhau. Hơn thế
nữa, bản đồ không bao giờ chứa đựng tất cả chi tiết của khu vực địa lý quan tâm,
bởi vì hầu hết là không liên quan và mơ hồ đối với mục đích chính của bản đồ.
Tương tự với các bản đồ địa lý, mô hình môi trường tập trung vào những mục
tiêu chính cần quan tâm. Mục tiêu chính của mô hình sẽ bị lu mờ nếu mô hình
lưu ý tới quá nhiều chi tiết không liên quan. Có nhiều mô hình khác nhau của
cùng một hệ sinh thái, vì mô hình thích hợp sẽ được chọn lựa tùy theo từng mục
tiêu của mô hình.
Mô hình có thể là vật lý, chẳng hạn như mô hình chiếc tàu thí nghiệm
dùng để đo lường các tham số thủy động lực học, hay có thể là mô hình toán
học, nó mô tả những đặc trưng chính của hệ sinh thái và những vấn đề liên quan
bằng ngôn ngữ toán học.
1.1.2 Lịch sử phát triển Mô hình hóa

Những mô hình toán đang được chú ý đặc biệt trên thế giới hiện nay.
Nhiều hội nghị, hội thảo quốc tế lớn về phương pháp mô hình được tổ chức
nhiều nơi trên thế giới. Lĩnh vực của mô hình môi trường đã phát triển rất nhanh
chóng trong 2 thập kỷ qua do những nhân tố chính sau đây:


Sự phát triển của công nghệ máy tính, cho phép chúng ta xử lý

những phép tính toán rất phức tạp.


Những hiểu biết chung về các vấn đề ô nhiễm, bao gồm việc loại

trừ hoàn toàn ô nhiễm là không khả thi, nhưng việc kiểm soát ô nhiễm thích hợp
với những nguồn kinh tế giới hạn đòi hỏi sự cân nhắc đúng về những ảnh hưởng

của ô nhiễm tác động lên hệ sinh thái.


Kiến thức về môi trường của chúng ta và các vấn đề về sinh thái đã

gia tăng đáng kể. Đặc biệt, chúng ta đã lĩnh hội được nhiều kiến thức hơn về mối

11


quan hệ định lượng trong hệ sinh thái, thuộc tính sinh thái và các nhân tố môi
trường.
1.2. Vai trò của mô hình hóa môi trường
Ngày nay hầu hết các ngành khoa học đều sử dụng “mô hình”. Tuy nhiên
có rất nhiều phương pháp tiếp cận khác nhau cùng sử dụng thuật ngữ “mô hình”.
Với nhiều nhà nghiên cứu mô hình được hiểu là các mô hình số phức tạp chạy
trên máy tính, trong một số ngành khoa học khác mô hình được hiểu như một
dạng mẫu tương tự. Mô hình không chỉ xuất hiện trong khoa học tự nhiên mà
còn xuất hiện trong khoa học xã hội. Như vậy ứng dụng của mô hình rất rộng,
chúng giúp cho quá trình thông qua quyết định trong cuộc sống hàng ngày.
Mô hình là một khái niệm cơ bản của khoa học và đóng vai trò đặc biệt
quan trọng trong khoa học môi trường nơi các phép thí nghiệm rất khó tiến
hành, trong nhiều trường hợp là không thể (bên cạnh yếu tố không thể bỏ qua đó
là giá thành rất cao cho các thí nghiệm). Mặc dù mô hình đã được ứng dụng
rộng rãi trong nghiên cứu môi trường như nhiều vấn đề liên quan tới lý luận và
thực tiễn của phương pháp mô hình vẫn là đối tượng thảo luận của nhiều hội
nghị lớn trên thế giới. Trong chương đầu tiên của giáo trình này với nhan đề “
Tổng quan về mô hình hóa môi trường”, nhà khoa học Nico Stehr đã đưa ra một
cách nhìn thật dễ hiểu về mô hình “Thật dễ dàng vẽ một biểu đồ hơn là mô tả
chính xác những điều thực tế đang diễn ra”. Theo quan điểm của Stehr, trong

nghiên cứu khoa học, thu thập thông tin về đối tượng nghiên cứu là chưa đủ, cần
thiết phải tổng quát hóa dữ liệu được thu thập thành các công thức. Bởi vì các
công thức này sẽ giúp ta giải quyết những bài toán tương tự và như cách nói của
Stehr là giúp ta mở rộng phạm vi hiểu biết và làm giàu tri thức.
Cũng theo Stehr mặc dù mô hình đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực
khoa học (như là những sản phẩm trí tuệ) nhưng vai trò, chức năng của mô hình
trong khoa học tự nhiên và khoa học xã hội vẫn còn là đề tài được thảo luận tại
các Hội thảo và không phải lúc nào cũng nhận được sự nhất trí cao của các nhà
khoa học. Nội dung được thảo luận nhiều là ngôn ngữ diễn đạt, cách giải thích,
tính thực tiễn, nguồn dữ liệu, cách hiểu, sự mô tả, cấu trúc, lý thuyết và nhiều
điều khác nữa. Hơn thế nữa, bản thân thuật ngữ “model” cũng được định nghĩa
12


theo nhiều cách khác nhau (The American Heritage Dictionary of the English
Language, New York: Houghton Mifflin 1969):


Mô hình là một đối tượng nhỏ, thường được xây dựng theo tỷ lệ, nó

mô tả một vài đối tượng thực tế trong tự nhiên.


Mô hình là một mẫu thể hiện một sự vật còn chưa được xây dựng

trên thực tế, được xem như là kế hoạch (trên thực tế sẽ lớn hơn mẫu) và sẽ được
xây dựng.


Thuật ngữ “model” có thể là một mẫu được sử dụng để trắc nghiệm

về ngữ pháp “hai mẫu câu có cấu trúc văn phạm tương phản nhau”. (Noam
Chomsky)


Thuật ngữ “model”có thể được dùng như một kiểu mẫu thiết kế của

một đối tượng cụ thể. Ví dụ có thể nói chiếc xe của anh ta là mẫu xe của năm
ngoái.


Thuật ngữ “model” có thể được dùng cho đối tượng là người tiêu

biểu cho một hay nhiều tiêu chí khác nhau.


Thuật ngữ “model” có thể là người hay vật thể phục vụ cho họa sĩ

hay người chụp hình nghệ thuật.


Thuật ngữ “model” có thể dùng chỉ người có nghề nghiệp là trình

diễn thời trang.
Những khái niệm theo danh sách trên là chưa hoàn toàn đầy đủ, tác giả
Stehr đã bổ sung vào hai mệnh đề sau:


Mô hình là công cụ tốt



Mô hình toán học còn tốt hơn.

Các khái niệm trên một phần nào trả lời câu hỏi về vai trò và chức năng
của mô hình trong khoa học. Nếu ai đó cố gắng đưa ra một mẫu số chung nhất
cho các mô hình, thì đó chính là chức năng quan trọng nhất của chúng – là sự
giảm thiểu độ phức tạp của phạm vi yêu cầu. Tùy theo bối cảnh cụ thể, trong
từng lĩnh vực khoa học có ứng dụng mô hình sẽ có những phạm vi yêu cầu cụ
thể đối với từng mô hình. Để xác định phạm vi giới hạn của từng mô hình chúng
ta cần xác định bắt đầu từ đâu, các vấn đề quan trọng nào cần quan tâm là gì,
chúng ta mong muốn tìm kiếm lời giải đáp gì và đánh giá những lời giải có thể
tìm thấy được như thế nào. Đã diễn ra sự tranh luận giữa các nhà khoa học trên
13


thế giới về vai trò đích thực của mô hình trong khoa học. Theo quan điểm của
nhà vật lý người Pháp Pierre Duhem "mô hình trong khoa học chỉ là một công
cụ để giải thích về lý thuyết và có thể được loại bỏ một khi một lý thuyết khác
được phát triển. Đáp lại nhà vật lý người Anh Campell cho rằng vai trò của mô
hình vượt quá giới hạn như Duhem chỉ ra, cụ thể là mô hình là một công cụ trợ
giúp nghiên cứu khoa học “mô hình là một phần thiết yếu (của lý thuyết), không
có nó lý thuyết sẽ hoàn toàn không có giá trị”
Theo quan điểm của Stehr không tồn tại phương pháp chung cho mô hình
hóa. Tuy nhiên, có hai thuộc tính sau đây thường được quan tâm trong quá trình
mô hình hóa, đó là:
- Chất lượng mô hình có cùng cấu trúc
- Kết quả định lượng được tạo ra từ mô hình.
Trong phần minh họa cho lập luận và quan điểm khoa học của mình Stehr
đã đưa ra một loạt các ví dụ mô hình cùng quá trình mô hình hóa diễn ra trong

các lĩnh vực khác nhau như mô hình xã hội, mô hình kinh tế, mô hình khí hậu
như một mô hình kết nối xã hội với thiên nhiên.
Các nhà khoa học Nga coi mô hình là công cụ giúp dự báo cũng như tính
toán trước những hậu quả có thể trong thực thi các dự án kinh tế và phát triển xã
hội. Trong thực tế, bài toán được quan tâm sâu sắc của nhiều dự án là đưa ra
được câu trả lời cho câu hỏi: “Điều gì sẽ xảy ra nếu …”, và do vậy bài toán dự
báo hậu quả có thể xảy ra do việc thực hiện tác động này hay tác động khác là
bài toán trung tâm của nhiều nghiên cứu. Dự báo này được xây dựng trên những
tri thức về đặc trưng của các quá trình xảy ra trong thiên nhiên, qui luật phát
triển xã hội và sự ảnh hưởng lẫn nhau trong mối quan hệ tương hỗ này.
Các giai đoạn cần thiết cho nghiên cứu khoa học một quá trình bất kỳ diễn
ra trong thiên nhiên, trong đó có dự báo sự phát triển của nó là:
- Xây dựng mô hình của quá trình cần nghiên cứu,
- Phát biểu những giới hạn đặc trưng cho quá trình được nghiên cứu theo
ngôn từ xây dựng mô hình, phát biểu mục tiêu của nghiên cứu.
Việc thực hiện các giai đoạn kể trên cùng với nhau dẫn tới việc xây dựng
mô hình cho quá trình được nghiên cứu. Cần lưu ý rằng mô hình có thể có dạng
hình thức (được cho bởi một số hệ thức hệ toán học), cũng như cho dưới dạng
14


cấu trúc mô tả nghĩa là được cho dưới dạng một số qui luật chính quan sát được.
Thực tế đã chỉ ra rằng nếu chúng ta có càng nhiều, càng đầy đủ thông tin về các
quá trình cần phân tích thì việc dự báo trong phạm vi thời gian đã cho càng
chính xác bấy nhiêu cũng như khoảng thời gian dự báo càng lớn thì độ sai số dự
báo cũng tăng theo.
Tất nhiên, việc xây dựng mô hình không thể là một bài toán đơn giản.
Đầu tiên, cần phải có khả năng và các phương tiện (vật chất và kỹ thuật). Thứ
hai cần phải hiểu biết các qui luật bên trong sự phát triển xã hội, biết được sự
tiến triển các mục tiêu xã hội để từ đó xác định dạng này hay dạng khác tác động

của con người lên môi trường. Thứ ba cần phải hiểu ảnh hưởng của những thay
đổi có thể trong môi trường và các qui luật phát triển của xã hội. Mỗi bài toán
được phát biểu ở trên đều là những bài toán phức tạp. Khả năng giải từng bài
toán phụ thuộc vào mục tiêu nghiên cứu được đặt ra cho nghiên cứu, nghĩa là
phụ thuộc vào tiêu chí đánh giá các hậu quả của những thay đổi của môi trường
dưới tác động của các quá trình xã hội.
Một hệ thiên nhiên hay xã hội phức tạp bất kỳ có thể được mô tả bằng
nhiều phương pháp khác nhau. Ý tưởng mô hình hóa cho phép xét các đặc trưng
khác nhau của hệ cũng như tham số hóa các dữ liệu thực nghiệm bằng các
phương pháp khác nhau. Ngoài ra, trong bất kỳ một hiện tượng thiên nhiên phức
tạp nào luôn có một mức độ không xác định tương đối cao liên quan tới kiến
thức về bản chất của hiện tượng, về các mối quan hệ nhân-quả, về các tham số
ban đầu của các dữ liệu. Trong những điều kiện như thế này việc thiết lập một
mô hình “chính xác” trở nên vô nghĩa. Điều quan trọng phải hiểu rằng độ phức
tạp của mô hình phải tương ứng với mức độ chính xác của dữ liệu ban đầu và
khả năng tính toán của máy tính hiện tại (tốc độ máy tính, khả năng của bộ nhớ,
tốc độ xuất màn hình, khả năng của người nghiên cứu xử lý và tư duy các kết
quả tính toán nhận được). Chính vì những nguyên nhân này nên người nghiên
cứu thường chọn mô hình tương đối đơn giản cho công việc tính toán thực tế.
Viện sĩ Samarsky A.A. đã viết: “Người nghiên cứu mô hình thường xuyên nằm
giữa hai áp lực: phức tạp hóa và độ chính xác. Một mặt, mô hình do anh ta xây
dựng phải đơn giải từ khía cạnh toán học để có thể nghiên cứu nó bằng các
công cụ đang có, và kết quả do đơn giải hóa một số giả thiết không bị mất đi
15


tính xác thực của vấn đề”. Trong phát biểu này của viện sĩ Samarsky A.A. thể
hiện một nguyên lý mô hình hóa toán học – một mô hình toán bất kỳ phải có độ
phức tạp tối ưu, cần và đủ để giải quyết nhiệm vụ được đặt ra.
Tóm lại, mô hình hóa các quá trình và hiện tượng xảy ra trong xã hội và

thiên nhiên được thừa nhận như một công cụ mạnh giúp hiểu biết sâu hơn bản
chất của tự nhiên và giúp loài người nhận được thông tin quí giá về thế giới
thực. Thông tin này tiếp tục thúc đẩy sự phát triển các phương pháp mới giải
quyết các bài toán khoa học cũng như làm cơ sở thông qua các quyết định quản
lý cụ thể.
1.3. Mô hình quản lý và nghiên cứu dự báo môi trường
Tầm quan trọng của việc sử dụng mô hình trong công tác quản lý môi
trường được minh họa trong Hình 1-1. Sự đô thị hóa và phát triển công nghiệp
hóa đã tác động mạnh vào môi trường. Năng lượng và các chất ô nhiễm được
phát thải, xả thải vào môi trường sinh thái không qua xử lý, và tại đây chúng gây
nên sự phát triển nhanh chóng của tảo hay vi khuẩn, phá hoại các loài khác dẫn
tới làm thay đổi cấu trúc sinh thái. Một hệ sinh thái bất kỳ đều rất phức tạp.
Chính vì vậy việc tiên đoán các tác động lên môi trường là một nhiệm vụ khó
khăn và khá nặng nề. Chính vì lý do này đã 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 đầy đủ và hoàn chỉnh, có thể rút ra được những đặc trưng của hệ sinh
thái liên quan đến các vấn đề ô nhiễm và qua nghiên cứu để hình thành nên nền
tảng của mô hình môi trường.
Như được chỉ ra ở Hình 1-1, kết quả mô hình có thể được sử dụng để lựa
chọn kỹ thuật môi trường phù hợp nhất cho giải pháp các vấn đề môi trường đặc
biệt, hay cho việc xây dựng các bộ luật khung giúp giảm thiểu hay kiểm soát ô
nhiễm.

16


Hình 1-1 Mối liên hệ giữa khoa học môi trường, sinh thái, mô hình hóa môi
trường sinh thái, quản lý môi trường và công nghệ môi trường

Hình 1-2: Ý tưởng thể hiện vai trò các mô hình môi trường trong quản lý

môi trường
như là công cụ quản lý trong năm 1970. Quản lý môi trường ngày nay phức tạp
hơn và phải áp dụng công nghệ môi trường, công nghệ sạch hơn như là sự lựa
chọn để đưa ra công nghệ và kỹ thuật sinh thái (ecotechnology). Công nghệ sau
cùng được áp dụng để giải quyết các vấn đề ô nhiễm nguồn không điểm hay lan
truyền có nguồn gốc chính từ nông nghiệp. Hình 1-2 cố gắng minh họa bức
tranh phức tạp hơn về quản lý môi trường ngày nay.

17


Mô hình là những công cụ được sử dụng rộng rãi trong khoa học. Một
mặt, các nhà khoa học thường dùng các mô hình vật lý để thực hiện thí nghiệm
bên ngoài (situ) hay trong phòng thí nghiệm chuyên ngành để hạn chế sự xáo
trộn từ tiến trình không liên quan đến việc nghiên cứu. Hemostats được sử dụng
để đo lường sự phát triển của tảo như là chức năng của nồng độ dinh dưỡng.
Vùng trung tâm trầm tích được kiểm tra trong phòng thí nghiệm để điều tra sự
tương tác lẫn nhau giữa môi trường nước và chất trầm tích để tránh sự xáo trộn
các thành phần hệ sinh thái khác. Các chuỗi phản ứng được sử dụng để tìm ra tỷ
lệ của các tiến trình hóa học…
Bên cạnh đó, mô hình toán học đang được áp dụng rộng rãi trong khoa
học. Định luật Newton là mô hình toán học tương đối đơn giản về ảnh hưởng
của lực hút của trái đất lên vật chất xung quanh nó, nhưng nó không tính đến lực
ma sát, ảnh hưởng của gió,… Về bản chất, mô hình môi trường thì không khác
so với các mô hình khoa học khác, thậm chí không phức tạp như nhiều mô hình
sử dụng trong vật lý hạt nhân trong những thập niên qua.
Ứng dụng mô hình trong môi trường đã trở nên phổ biến, nếu chúng ta
muốn hiểu sự vận hành của một hệ thống phức tạp như hệ sinh thái. Thật không
đơn giản để khảo sát nhiều thành phần và tác động trong một hệ sinh thái mà
không sử dụng mô hình như là công cụ tổng hợp. Tác động qua lại lẫn nhau của

hệ thống có lẽ không nhất thiết là tổng các tác động riêng rẽ; Điều này ngụ ý
rằng các tính chất của một hệ sinh thái như là một hệ thống không thể được phản
ánh nếu không sử dụng mô hình của hệ thống hoàn chỉnh hoàn toàn. Do đó,
không có gì ngạc nhiên khi các mô hình môi trường đã được sử dụng ngày càng
nhiều trong sinh thái học nói riêng và môi trường nói chung, như một công cụ để
hiểu về tính chất của hệ sinh thái. Ứng dụng của mô hình hóa môi trường sẽ
phản ánh rõ ràng những thuận lợi của mô hình như là công cụ hữu dụng trong
môi trường; mô hình hóa môi trường có thể được tóm tắt theo những điểm dưới
đây:


Mô hình là những công cụ hữu ích trong khảo sát các hệ thống

phức tạp.


Mô hình có thể được dùng để phản ánh các đặc tính của hệ sinh

thái.
18




Mô hình phản ánh các lỗ hổng về kiến thức và do đó có thể được

dùng để 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 động bên trong của hệ sinh thái, dùng nó để so
sánh với các quan sát.
Tuy nhiên, điều chắc chắn là kiểm tra tính đúng đắn sử dụng mô hình môi
trường phức tạp hơn kiểm tra các ngành khoa học khác. Chẳng hạn, với nhiều
ngành khoa học khác mối tương quan được tìm thấy ở đây giữa hai hay nhiều
yếu tố thay đổi bằng việc sử dụng thống kê là đủ. Sau này, mối tương quan được
kiểm tra trong vài trường hợp bổ sung để làm tăng tính chắc chắn của khoa học.
Nếu kết quả được chấp nhận, mối tương quan dễ dàng được sử dụng để đưa ra
những tiên đoán và được kiểm tra liệu sự tiên đoán là đúng hay sai. Nếu mối
tương quan được kiểm chứng, người ta chấp nhận sử dụng rộng rãi mối tương
quan tìm được. Không có sự khác biệt về mặt nguyên tắc giữa hai nhóm mô hình
khoa học và quản lý môi trường. Tuy nhiên các mô hình quản lý môi trường có
một số đặc điểm riêng. Thực vậy, bài toán quản lý có thể được phát biểu như
sau: nếu một số biến ngoại sinh (hay hàm điều khiển) thay đổi thì điều này sẽ
gây ảnh hưởng thế nào tới hệ sinh thái?
Mô hình quản lý được sử dụng để trả lời cho câu hỏi này, nói cách khác
mô hình quản lý được dùng để dự báo, xem khi hàm điều khiển thay đổi thì hệ
sinh thái (môi trường sinh thái) sẽ thay đổi thế nào. Lưu ý rằng hàm điều khiển
là một hàm thay đổi theo không gian và thời gian.
Thuật ngữ chức năng kiểm soát được dùng để nói tới hàm điều khiển.
Trên thực tế, có thể kiểm soát được hàm này ví dụ: lượng nhiên liệu được tiêu
thụ trong quá trình vận hành của tên lửa, điều chỉnh mực nước trên sông bằng
đập chắn, lưu lượng nước thải hay chính sách đánh bắt cá... Một số mô hình
quản lý môi trường được mang tên mô hình kiểm soát môi trường. Các mô hình
này khác các mô hình khác bởi ba nội dung chính sau đây:


Mô tả định lượng cho các quá trình cần kiểm soát;



Mô tả mục tiêu thực thông qua các hàm toán học và bắt buộc có
phần



Đánh giá kết quả đạt được.
19


Sự khác nhau giữa mô hình quản lý và mô hình kiểm soát có thể được
minh họa bởi ví dụ: tính toán phát tán chất ô nhiễm trong không khí. Khi chúng
ta chọn các phương án tính toán khác nhau, các công thức của các nhà khoa học
khác nhau, có nghĩa là chúng ta hình thành các kịch bản (cho mô hình chạy).
Trong số các kịch bản này ta chọn kịch bản phù hợp với chính sách phát triển
kinh tế - xã hội nhất. Khi đó mô hình được sử dụng như một mô hình quản lý mà
không phải là mô hình kiểm soát. Chúng ta biến mô hình này thành mô hình
kiểm soát khi chúng ta muốn đạt được mức độ nồng độ cho phép ở một ngưỡng
xác định nào đó. Cũng mô hình đó nhưng là mô hình nghiên cứu khi ta muốn
tìm sự phụ thuộc giữa nồng độ cực đại vào các yếu tố khí tượng cũng như các
tham số kỹ thuật của ống khói (Các tiêu chuẩn kỹ thuật TCVN).
1.4. Các nguyên lý mô hình hóa nói chung
Trong các lĩnh vực ứng dụng người ta phân biệt các dạng của mô hình
trừu tượng:
Loại 1. Mô hình hóa truyền thống (trước tiên là các mô hình trong vật lý
lý thuyết, trong cơ học, hóa học, sinh học và một số khoa học khác) chú ý không
có mối liên hệ đặc biệt nào với các thiết bị kỹ thuật tin học.
Loại 2. Các mô hình tin học và phép mô hình hóa có ứng dụng trong các
hệ thống thông tin.

Loại 3. Các mô hình thể hiện bằng chữ viết.
Loại 4. Các mô hình máy tính được chia thành
- Loại mô hình sử dụng công cụ lập trình (soạn thảo code, cơ sở dữ
liệu, processor bảng, sử dụng công cụ viễn thông);
- Mô hình tính toán CNTT (mô phỏng), Mô hình hiển thị hiện tượng
và quá trình (mô phỏng đồ họa)
- Mô hình sử dụng công nghệ cao được hiểu như các chương trình
riêng kết nối với các hệ thống đo: cảm biến, đầu dò... (thường trong chế
độ thời gian thực).
1.4.1. Phân loại các mô hình trừu tượng như sau:

20


 Mô hình vật lý : Các mô hình này được trình bày dưới dạng một dãy các
đề xuất dựa trên ngôn ngữ tự nhiên và dùng để mô tả một lĩnh vực thực tế cụ thể
(ví dụ như các biên bản luật, hướng dẫn thực hiện bảo vệ môi trường).
 Mô hình toán học - bao hàm một lớp rất rộng lớn các mô hình quen thuộc
(dựa trên ngôn ngữ toán học với các qui tắc hữu hạn) sử dụng phương pháp
toán học rất đa dạng. Ví dụ: có thể xem xét mô hình toán giữa các hành tinh.
Mô hình này gồm một hệ các phương trình phức tạp mô tả các quá trình vật lý
phức tạp diễn ra trong nhân của các hành tinh.
 Mô hình ứng dụng phần mền, ngôn ngữ công nghệ thông tin – một lớp các
mô hình quen thuộc mô tả các quá trình thông tin (sự xuất hiện, truyền, biến đổi
và sử dụng thông tin) trong các hệ có bản chất khác nhau.
Sự khác biệt giữa các mô hình bằng lời, toán học và tin học chỉ là tương
đối: hoàn toàn có thể coi các mô hình thông tin là một lớp con của mô hình toán.
Tuy nhiên, bởi vì ngày nay tin học đã là một ngành khoa học độc lập tách khỏi
toán học, vật lý và văn học cũng như các ngành khoa học khác cho nên việc xếp
các mô hình tin học thành một lớp riêng biệt là điều cần thiết.

1.4.2. Nguyên lý cơ bản mô hình hóa
Như vậy các nguyên lý cơ bản của mô hình hóa phản ánh kinh nghiệm đã
được đúc kết trong thời gian qua:


Nguyên lý đủ thông tin: Với sự thiếu vắng hoàn toàn của thông tin

về hệ thống được cần xây dựng mô hình là không thể. Bên cạnh đó nếu sự đầy
đủ thông tin về hệ thống sẽ khiến việc mô hình hóa nó mất đi ý nghĩa cần thiết.
Do vậy, tồn tại một mức độ tới hạn cho những thông tin tiên nghiệm về hệ thống
(mức độ đủ thông tin), trong trường hợp đạt được mức độ này, có thể xây dựng
được mô hình thích hợp.


Nguyên lý khả năng hiện thực: Mô hình được xây dựng phải đảm

bảo đạt được mục tiêu được đặt ra cho nghiên cứu với xác suất khác không và
sau một bước thời gian hữu hạn. Thường thì bước thời gian tới hạn P0 nào đó
của xác suất đạt được mục tiêu P(t) , cùng với giới hạn t0 thời gian đạt mục tiêu
sẽ được cho trước. Mô hình được coi là có thể chấp nhận được nếu điều kiện:
P(t0) ≥ P0 được thực hiện.

21




Nguyên lý đa mô hình: Nguyên lý này, mặc dù xếp thứ tự ở vị trí

thứ 3 nhưng lại là nguyên lý quan trọng nhất. Thực vậy, mô hình được xây dựng

cần phải phản ánh những tính chất của hệ thực (hay hiện tượng) và các tính chất
này trực tiếp ảnh hưởng lên tính hiệu quả được lựa chọn. Tương ứng với nguyên
lý này là khi sử dụng một mô hình cụ thể bất kỳ chỉ cần công nhận một vài khía
cạnh nào đó của thực tế. Để có thể nhận được hệ đầy đủ, cần một tập hợp các
mô hình cho phép từ các khía cạnh khác nhau cũng như với các mức độ khác
nhau phản ánh quá trình.


Nguyên lý liên hợp: Trong đại đa số trường hợp một hệ thống phức

tạp có thể biểu diễn dưới dạng các bộ phận liên hợp (hệ con) thích hợp cho việc
mô tả toán học một cách phù hợp. Với các hệ con này có thể sử dụng các sơ đồ
toán học chuẩn để mô tả. Nguyên lý liên hợp còn cho phép xem xét một cách
mềm dẻo hệ đã cho từ các khía cạnh khác nhau phụ thuộc vào mục tiêu nghiên
cứu.


Nguyên lý tham số hóa: Trong nhiều trường hợp, hệ thống được mô

hình hóa có một số hệ con tương đối độc lập đặc trưng bởi một tham số xác định
(có thể là vectơ). Các hệ con như vậy có thể được thay thể bởi các giá trị số
tương ứng mà không cần mô tả chi tiết chức năng của chúng. Khi cần thiết, sự
phụ thuộc các giá trị của tham số này vào tình huống có thể được cho dưới dạng
bảng, đồ thị hay biểu thức giải tích (công thức). Nguyên lý tham số hóa có thể
cho phép làm giảm thiểu khối lượng và thời gian mô hình hóa. Tuy nhiên cần
lưu ý rằng tham số hóa sẽ làm giảm tính tương thích của mô hình.

22

Hình 1-3: Các nguyên lý mô hình hóa môi trường
1.5. Phân loại mô hình hóa theo không gian và thời gian.
Ngày nay loài người đã hiểu rõ ràng rằng việc tiến hành những thí nghiệm
trực tiếp với sinh quyển của hành tinh là không thể (vì điều này quá nguy hiểm
cho sự tồn tại của chính hành tinh của chúng ta). Do vậy xây dựng mô hình (bao
hàm trong nó cả phương pháp luận đánh giá chuyên gia) là phương tiện quan
trọng để nhận thông tin về khả năng chịu đựng của sinh quyển dưới những tác
động lớn từ phía con người lên nó.
Bên cạnh đó, vấn đề môi trường đã trở thành vấn đề toàn cầu và mang
tính pháp lý cao nhất từ năm 1992 khi Hội nghị thượng đỉnh tại Rio de Janeiro
(Brazin) qui tụ 165 nước đã cùng nhau ký vào văn bản, cùng cam kết bảo vệ môi
trường. Quan điểm phát triển bền vững đòi hỏi chuyển đổi hệ thống quản lý theo
mô hình kinh tế - xã hội sang hệ thống 3 chiều: kinh tế - xã hội - môi trường.
Quan điểm này đòi hỏi mỗi quốc gia nhanh chóng giải quyết các nhiệm vụ sau
đây:
- Xây dựng các phương pháp đánh giá sự bền vững của các hệ sinh thái;
- Nghiên cứu các quy luật biến đổi theo thời gian, không gian của chúng;
- Hoàn thành các phương pháp đánh giá định lượng tác động lên môi
trường các hoạt động kinh tế - xã hội.
Để giải quyết tốt nhiệm vụ trên, theo ý kiến thống nhất của giới khoa học
trên thế giới, cần thiết phải phát triển lý thuyết hệ thống và mô hình hóa, coi đây
23


là công cụ chính để nghiên cứu môi trường. Vào năm 1997, Viện quốc tế về
phân tích hệ thống ứng dụng (IIASA, Laxenbourg, Áo) đã công bố danh mục
các công trình nghiên cứu trong 25 năm (1955 – 1997) gồm hơn 50000 công
trình liên quan tới lý thuyết hệ thống và mô hình hóa môi trường. Đây là bằng
chứng về mối quan tâm không ngừng tăng lên đối với vấn đề này.
Tồn tại nhiều cách tiếp cận khác nhau trong định nghĩa mô hình hóa môi

trường. Theo quan điểm được đăng tải trên Website của Cục Bảo vệ môi trường
Mỹ: “Các mô hình môi trường (Environmental Models) được sử dụng để tái tạo
lại các quá trình môi trường xảy ra trong một khoảng thời gian và không gian
nào đó”. Xuất phát điểm của định nghĩa này cho rằng xây dựng các mô hình
trên máy tính để tiến hành một số thí nghiệm nào đó hiệu quả hơn so với việc
phải ra ngoài thực tế và tiến hành thí nghiệm nhiều lần. Để xây dựng các mô
hình môi trường các phương pháp toán học như đại số, hình học, phương trình vi
phân, bất phương trình được sử dụng. Các phương trình này được thiết lập từ
các điều kiện thực tế và được đưa vào máy tính. Với sự trợ giúp của máy tính,
con người có thể đối thoại với mô hình và tiến hành tính toán thí nghiệm trên mô
hình.
Quá trình mô hình hóa có thể dựa trên những nguyên lý khác nhau, dựa
trên cơ sở xem xét và phân tích các mối liên hệ nhân – quả. Mô hình toán học
của một đối tượng bất kỳ là sự mô tả nó bằng các công cụ, phương pháp toán
học. Các phương trình của mô hình, các đẳng thức và bất đẳng thức cùng các
dạng giới hạn khác nhau tham gia vào cấu trúc mô hình cho phép mô phỏng
hành vi của đối tượng trong các điều kiện khác nhau mà không phải tiến hành
các thí nghiệm thực.
Khả năng của mô hình toán học là ở chỗ: bằng các công cụ mang tính
hình thức để giải phương trình và các bất phương trình hay bằng thuật toán
người nghiên cứu có thể dự báo sự thay đổi hành vi của đối tượng nghiên cứu,
thử xem các đối tượng này thay đổi như thế nào khi các điều kiện này hay điều
kiện khác (được mô tả bởi các tham số của mô hình) thay đổi.
Quá trình này gọi là mô phỏng toán học. Như vậy, mô phỏng toán học cho
phép tiến hành các thí nghiệm khác nhau với đối tượng được nghiên cứu (bằng
con đường thay đổi các giá trị số các tham số của mô hình).
24


Lịch sử ứng dụng các phương pháp mô phỏng toán học chứng tỏ rằng mô

hình toán học không chỉ là phương pháp mã hóa các thông tin đã biết về đối
tượng được nghiên cứu mà còn là cho phép dự báo các yếu tố chưa biết. Do vậy,
một trong những bài toán trung tâm của khoa học là nghiên cứu mô hình, biết rút
ra từ mô hình những thông tin, những khả năng tiềm ẩn trong mô hình.
Nhận xét ở trên không chỉ liên quan tới các phương pháp mô hình hóa
toán học. Toán học là ngôn ngữ mô tả định lượng. Các mô hình là sự mô tả và
trên ngôn ngữ tự nhiên nó có khả năng dự báo lớn (một ví dụ điển hình của mô
hình như vậy là bảng tuần hoàn Men-đe-leep). Để khai thác tri thức từ những mô
hình “mô tả” như vậy bên cạnh các phương pháp toán học các phương pháp
khác được áp dụng như: lôgích, tương tự, liên hợp…
Công việc thiết lập mô hình toán học các quá trình môi trường là một bài
toán rất khó, ngoài ra để dự báo tốt cần phải thu thập các dữ liệu đầu vào (các
giá trị tham số mô hình dưới dạng các hệ số của phương trình và các bất đẳng
thức tạo nên mô hình và các trạng thái ban đầu của các quá trình cần mô phỏng).
Chỉ như vậy mô hình mới “sống” được. Nếu các giá trị của các hệ số và của một
vài hàm số (xác định cấu trúc của mô hình) có thể xác định với độ chính xác cần
thiết bằng con đường tham khảo ý kiến của các chuyên gia thì để xác định trạng
thái ban đầu của môi trường cần phải có một mạng lưới quốc tế thu thập và xử lý
thông tin ban đầu về tình trạng sinh quyển.
Trong cuốn sách của giáo sư Kurkovsky A.P và Pritsker A.A.B xem xét
bài toán mô hình hóa các quá trình địa vật lý và môi trường. Từ quan điểm của
các tác giả này, các hệ thống tự động gắn với các mô hình mô phỏng cho phép
nâng cao hiệu quả của nghiên cứu môi trường. Theo các tác giả, vấn đề trung
tâm trong nghiên cứu môi trường là khái niệm chất lượng môi trường. Khái
niệm này gắn liền với sự thiết lập tải trọng môi trường cho phép lên môi trường.
Từ khía cạnh mô hình hóa, cần thiết phải nhận được các mô hình cho phép đánh
giá thiệt hại của các hệ sinh thái dựa trên các tiêu chuẩn được thiết lập. Với các
bài toán môi trường, đối tượng thực được thay thế bởi mô tả toán học của chúng.
Dạng của mô hình trong các trường hợp này phụ thuộc vào phạm vi không gian
– thời gian của đối tượng cần xem xét. Ví dụ: trong khoa học khí tượng (yếu tố

vật lý của lớp sát mặt đất của khí quyển) các mô hình thủy động lực học được sử
25