Báo cáo Mô hình hóa môi trường: Tổng quan về mô hình hóa các bước thiết lập và phát triển mô hình

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

MÔ HÌNH HÓA MÔI TRƯỜNG

Chủ đề:

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

Giảng viên hướng dẫn   
Huỳnh Vương Thu Minh

Sinh viên thực hiện
    Nhóm sinh viên QLMTA2

Báo cáo mô hình hóa môi trường
 

1


PHỤ LỤC
 PHỤ LỤC                                                                                                                                          
 
.........................................................................................................................................
   
 2

Báo cáo mô hình hóa môi trường

 

2


DANH SÁCH HÌNH

 PHỤ LỤC                                                                                                                                          
 
.........................................................................................................................................
   
 2

Báo cáo mô hình hóa môi trường
 

3


CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH HÓA VÀ Ý NGHĨA
1. Giới thiệu
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 và toán học 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 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. 
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 được tối giản hóa theo đặc điểm 
hoặc diễn biến của một đối tượng, một hiện tượng, một khái niệm hoặc một  
hệ thống (TS. Lê Anh Tuấn, 2008).
Mô hình có thể  là một hình  ảnh hoặc một vật thể  được thu nhỏ  hoặc phóng  
đại,hoặc chỉ  làm gọn bằng một phương trình 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 tượng cụ thể (vật chất hoặc phương trình toán học), một hệ 
Báo cáo mô hình hóa môi trường
 

4


thống,   hoặc   một   khái   niệm   (tư   duy)   thay   thế   một   nguyên   bản   (Claude  
Shannon,1948).

Ví dụ 1.1: Các nhà thiết kế tạo ra một mẫu xe hơi sử dụng năng lượng mặt trời  
thu nhỏ  để  thử  nghiệm khả  năng hoạt động cũng như  các tiện ích và an toàn  

trước khi chế tạo hàng loạt (hình 1.1).

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

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

Hình 1.2  Mô hình vòng tuần hoàn nước trên trái đất.
2.2 Phân loại mô hình
a. Phân loại mô hình
Mô hình khái niệm ( Mô hình nhận thức)­ Conceptual modelling: Trước khi tiến  
Báo cáo mô hình hóa môi trường
 

5


hành tạo một mô hình, phải tư duy được có bao nhiêu thành phần và cách thức 
liên hệ và ảnh hưởng lẫn nhau như thế nào. Kết quả của mô hình khái niệm là 
lưu 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.
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) được mô phỏng từ  hệ  thống thực. Các mô hình toán thường sử  dụng như 
MathCAD, MathLAB, Excel, Fortran, C, C ++ , Java…
Mô hình vật lý:
Mô hình tỉ lệ  ­ Scale physiscal modelling: Hệ vật lý được mô phỏng lại với các  
thành phần được mô phỏng bằng một tỉ lệ chính xác (thu nhỏ hoặc phóng to).

Mô hình phác thảo thử nghiệm – Prototype modelling: Dạng này được xây dựng  
nhanh và thô (phác thảo) để thử nghiệm một vài chức năng.
Mô hình tương 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  
tương tự → Suy kết quả từ mô hình tương tự cho mô hình muốn nghiên cứu.
MÔ HÌNH 
b. Phân loại mô hình toán
TOÁN

MÔ HÌNH TẤT 
ĐỊNH

MÔ HÌNH NGẪU 
NHIÊN

MÔ HÌNH LIÊN 
TỤC

MÔ HÌNH RỜI 
RẠC

MÔ HÌNH TĨNH

MÔ HÌNH ĐỘNG

Báo cáo mô hình hóa môi trường
 

MÔ HÌNH TUYẾN 
TÍNH

6

MÔ HÌNH PHI 
TUYẾN TÍNH


 

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

Báo cáo mô hình hóa môi trường
 

7


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

3. Ưu và nhược điểm các loại mô hình

TÊN MÔ HÌNH

ƯU ĐIỂM

NHƯỢC ĐIỂM

Mô   hình     khái 
niệm
(Mô   hình   nhận 
thức )

­ Được hình thành dù người tạo 
ra   nó   chưa   hiểu   hết   tất   cả   các 
hiện tượng phức tạp trong thực 
tế.
­ Có  thể   đơn  giản hóa tính bất 
nhất của các thông số  thành tính 
đồng nhất.
­ Có thể giảm thiểu được số liệu 
yêu cầu.
­   Dễ   dàng  cho   người   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 
khái   quát   nhân   tạo   và   phi 
vật lý qua các tối giản nên 
có   thể   không   đưa   ra   hết 

những   quan   hệ   tương   tác 
giữa các đối tượng.
­   Những   người   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 phương án vận hành.

Báo cáo mô hình hóa môi trường
 

8


­ 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 trường.
­   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 được lỗi
trong cách sử dụng.

­ Mô hình khái quát thường 
không   thể   thể   hiện   cách 
điều   chỉnh   sai   số   hoặc 
ngoại suy trong trường 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.

­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 
thường cần thiết cho mô hình.
­ Chu kỳ phát triển ngắn hơn.
­ Có thể đọc được 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 tượng Vật lý.
­   Kích   thước   nhỏ,   đo   đạc   dễ 
dàng.
­   Quan   sát   các   hiện   tượng   tận 
mắt dễ  dàng định hướng nghiên 
cứu.

­   Đòi   hỏi   khối   lượng   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.

Mô hình Toán

Mô hình Vật Lý

Báo cáo mô hình hóa môi trường
 

9

­ Các thông số và biến số dễ 
bị thay đổi.
­ Là mô hình phức tạp với 

các chuỗi thuật toán.

­ Tốn kém thời gian và tiền 
bạc.
­ Chỉ  được áp dụng khi hết 
sức cần thiết khi nghiên cứu 
chi   tiết   để   thiết   kế   công 
trình (cống, đập).
­ Khó mô phỏng tất cả  các 


Mô   hình   Tương  ­ Có thể  sử  dụng số  liệu, thông 
Tự
số   hay   một   quá   trình   khác   thay 
thế  rồi suy ra kết quả  tương tự 
cho mô hình.
­ Không sử  dụng lập trình phức 
tạp.
­   Các   mô   hình   phức   tạp   được 
thực hiện
nhanh chóng.

hiện tượng 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   tượng   trong   mô   hình 

một cách chính xác.
­ Tốn kém về tiền bạc.

4. Các trường hợp cần sử dụng mô hình toán và mô hình vật lý

Mô hình vật lý:  Khi những hiện tượng 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 tượng vật lý. Không cần phải tưởng tượng, 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 thường xuyên những gì một 
hệ thống thế giới thực sẽ làm trong tương lai nhưng lại tốn kém, không thực tế 
hoặc không thể thử nghiệm trực tiếp với hệ thống, ví dụ như: thiết kế lò phản 
ứng hạt nhân, sự tuyệt chủng của các loài,…Mô hình toán còn được áp dụng 
trong nhiều trường hợp khi phải liên tục thay đổi kịch bản để đưa ra kết quả 
tương ứng. 
Báo cáo mô hình hóa môi trường
 

10


5. KHÁI NIỆM VÀ Ý NGHĨA CỦA MÔ HÌNH HÓA MÔI TRƯỜNG
5.1. Khái niệm mô hình hóa
Mô hình hóa môi trường là ngành khoa học mô phỏng hiện tượng lan truyền chất 
ô nhiễm và các dự báo thay đổi môi trường theo không gian và thời gian. ( TS. Lê 
Anh Tuấn, 2008).
Mô hình hóa môi trường 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 như cầu  
thông tin và tiên đoán diễn biến của môi trường – sinh thái.

Mô hình môi trường là một mô tả  đơn giản cho các quan hệ  phức tạp về  môi 
trường sinh thái ở  ngoài thực tế  nhưng vẫn có thể  cho các kết quả  chính xác ở 
mức độ chấp nhận được.
Một mô hình môi trường phải cung cấp một đại lượng 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 trường 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.
Một mô hình môi trường thường kết hợp các định luật và phương trình sau
• Định luật vật lý (như định luật Darcy, định luật bảo toàn khối lượng, ...)
• Phương trình toán học quan hệ  (như  phương trình Penmen về  bốc thoát hơi,  
phương trình cân bằng nước).
• Các quan hệ thực nghiệm (như các công thức kinh nghiệm, ...)
( TS. Lê Anh Tuấn,2008).

Báo cáo mô hình hóa môi trường
 

11


Ví dụ mô hình hóa môi trường

5.2 Ý nghĩa mô hình hóa môi trường
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 như cầu thông tin và tiên đoán diễn biến của  

môi trường– sinh thái.
Mô tả đơn giản cho các quan hệ phức tạp về môi trường sinh thái ở  ngoài thực 
tế nhưng vẫn có thể cho các kết quả chính xác ở mức độ chấp nhận được.
Cung cấp một đại lượng dữ liệu thể hiện theo sự thay đổi thời gian qua: sự quan 
sát, sự phân tích và sự tiên 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 TƯỢNG TỰ NHIÊN
6.1 Sự hình thành bão
Bão chỉ  hình thành ở  khu vực đại dương nhiệt đới ấm áp, nơi nhiệt độ  nước ít 
nhất là 26 độ C. Chính không khí ấm áp, ẩm và gió hội tụ gần xích đạo là “nhiên 
liệu” để  bão hoạt động. Một cơn bão hình thành bao giờ cũng xuất hiện những  
cơn mưa dông và những trận gió lốc rất mạnh do sự  chênh lệch áp suất không 
khí giữa áp cao lạnh giữa những đám mây mưa và bầu không khí nóng xung 
quanh. Và khi hai cơn mưa 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. 
Báo cáo mô hình hóa môi trường
 

12


Nước càng nóng, quy trình này càng nhanh và gió tăng tốc. Khi đó,  ở  tầng trên 
của lớp đối lưu, luồng khí ẩm ướt này toả ra và bắt đầu xoay theo quán tính hình  
thành từ  chiều quay của trái đất,  ở  Bắc bán cầu là chiều ngược 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
Sự hoà lộn 

khí quyển

Độ ẩm

Hình thành 
mưa

Nhiệt độ đại 
dương nóng 
lên

Không khí ẩm 
bốc lên

Nhiệt độ

Động lực để 
tạo xoáy

Lực quay Trái 
Đất

Hấp thụ năng 
lượng

Hình thành 
gió mạnh

Hình thành 
bão

Hình Thành 
xoáy,  
lốc,giông

6.3 Mô hình toán hình thành bão
Hiện nay nước biển dâng nhìn nhận như quá trình tương tác tổng hợp  n người 
ta tính toán nước biển dâng theo vận tốc gió , mưc nước biển nền có thể là mực 
nước trung bình nhiều năm đối với biển có thủy triều hoặc phi thủy triều .. Bài  
toán nước biển dâng được xem trong điều kiện khí tượng thủy văn có các tác 
động đồng thời của gió, áp suất khí quyển, thủy triều và lưu lượng sông ngòi .
Báo cáo mô hình hóa môi trường
 

13


Mô hình nước nông hai chiều có thể mô tả được các hiện trên , hệ phương trình 
có dạng 

Trong đó :
U, V ­ các thành phần vận tốc biến đổi theo độ  sâu theo hướng x, y 
tương ứng
u

1
h

U ( z )dz

v

h

1
h

v( z ) dz
h

U(z), V(z) ­ các thành phần vận tốc biến đổi theo độ sâu theo hướng x, y  
tương ứng
 ­ dao động mặt nước so với mặt nước trung bình
h­ độ sâu kể từ mực nước trung bình 
Pa ­ áp suất không khí
s
s
x , y   ­ các thành phần  ứng gió suất gió trên mặt nước theo trục x, y  
tương ứng 
s
x

W X WX2 WY2 ,

Y
X

W X WX2 WY2

­ hệ số ma sát gió

Wx, Wy­ các thành phần vận tốc gió theo trục x, y tương ứng
b
b
x , y  ­ các thành phần ứng suất ma sát tại đáy theo trục x , tương ứng
K ­ hệ số ma sát đáy
f 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 nước  
biển dâng, áp suất không khí để xác định hình thành bão.
                         

Báo cáo mô hình hóa môi trường
 

14


                            CHƯƠNG 2

CÁC BƯỚC THIẾT LẬP VÀ PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH
LÝ THUYẾT VỀ LỰA CHỌN, HIỆU CHỈNH VÀ KIỂM ĐỊNH 
MÔ HÌNH
1.Các đặc trưng 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 đưa 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.

Tiến trình xử lí 
thông tin

Thông tin vào

Thông tin ra

Hình 1. Ba thành tố của một mô hình
Một mô hình có các đặc trưng cơ bản sau
+ Mô hình cần được tối giản với một số giả định đặt ra.
+ Điều kiện biên hoặc điều kiện ban đầu cần định danh.
+ Mức độ khả năng ứng dụng của mô hình có thể xác lập được.
(T.S Lê Anh Tuấn,2008)
 2.Các bước xây dựng và kiểm định mô hình
2.1. Thu thập và phân tích số liệu 
Báo cáo mô hình hóa môi trường
 

15


Xác định loại số liệu (mực nước, lưu lượng, thông số chất lượng nước,…) cần  
thu thập từ hệ thống thực;
Xác định bước thời gian: giờ, trung bình ngày,…;
Xác định độ  dài của chuỗi số  liệu (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; Trường 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 trường).
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 tưởng hoá nhằm tối giản những yếu tố phức  
tạp ngoài thực tế ở dạng một lưu 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 người 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 được 
viết để  giải quyết các quan hệ  giữa các thông số  và biến số  trong mô hình và  
cho ra kết quả dưới dạng số hoặc đồ thị. Đây là phần cốt lõi, quan trọng nhất và  
là phần phức tạp nhất trong tiến trình thực hiện mô hình hóa.
2.5  Hiệu chỉnh
Báo cáo mô hình hóa môi trường
 

16


Hiệu chỉnh (calibration) là tiến trình mà trong đó các thông số và biến số của mô  
hình được điều chỉnh để  kết quả  ra của mô hình phù hợp với thực tế  quan sát 
được. Do khi phát triển mô hình, chúng ta phải tối giản các hiện tượng vật lý  

trong tự nhiên để thuận lợi cho người 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 đưa ra các thông số  điều chỉnh gọi là thông số  mô hình (model 
parameters).
2.6  Kiểm nghiệm mô hình 
Kiểm nghiệm mô hình là bước tiếp sau công việc hiệu chỉnh mô hình nhằm 
kiểm tra các thông số  mô hình đưa ra có phù hợp với các diễn biến của thực tế 
hay không.

THU THẬP VÀ 
PHÂN TÍCH SỐ 
LIỆU

MÔ HÌNH GIẢI 
TÍCH /TOÁN

XÂY DỰNG 
PHẦN MỀM

HIỆU CHỈNH 
MÔ HÌNH

PHÂN TÍCH ĐỘ 
NHẠY/ĐỘ KHÔNG 
CHẮC CHẮN
SENSITIVITY 
ANALYSIS

KIỂM ĐỊNH MÔ 

HÌNH

ỨNG DỤNG

Báo cáo mô hình hóa môi trường

 

17

DỰ BÁO / TỐI ƯU 
HOÁ

MÔ HÌNH 
KHÁI NIỆM


        Các bước xây dựng và kiểm định mô hình

Báo cáo mô hình hóa môi trường
 

18


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 phương thức nhắn tin cho hệ 
thống;
+ Thiết kế và vận hành các cơ sở như đường cao tốc, tàu điện ngầm, sân  
bay hoặc cống;
+ Thẩm định thiết kế  cho các tổ  chức dịch vụ  như  bệnh viện, bưu điện, 
hoặc các nhà hàng thức ăn nhanh;
+ Phân tích hệ thống tài chính kinh tế hoặc thông tin.
4.Một vài thuật ngữ
Hệ  thống (System) được 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 tượng, được 
gắn với bước thời gian nhất định, liên hệ  giữa lượng vào (nguyên nhân, năng  
lượng, thông tin) với lượng ra (hệ quả, phản ứng, năng lượng)

INPUT
Lượng vào

SYSTEM
Hệ thống

OUTPUT
Lượng ra

Hệ thống thủy văn (hydrological system) là các 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 như một hệ  thống với các thành phần là nước, 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.
Báo cáo mô hình hóa môi trường
 

19


Hệ  thống thủy văn được định nghĩa như  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 như mưa theo phương thẳng đứng, dòng chảy theo phương  
ngang, thao tác phân tích các yếu tố đó ở  bên trong và biến đổi chúng thành các  
yếu tố  đầu ra (Output)  ở  mặt biên bên kia. Có thể  hiểu cấu trúc của hệ  thống  
(hay thể tích không gian) là toàn bộ các đường đi, các phương thức khác nhau để 
qua đó nước 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 tượng nghiên cứu nào đó đi vào hệ thống 
như một yếu tố đầu vào, tác động qua lại với cấu túc và các yếu tố khác, rồi rời  
khỏi hệ  thống thành yếu tố  đầu ra. Nhiều quá trình vật lý, hoá học và sinh học 
khác nhau ở bên trong cấu trúc đã tác động lên đối tượng.
Thông số (parametter of model) là đặc trưng số lượng của hệ thống thủy văn. Ví 
dụ diện tích lưu vực là một thông số biểu thị độ lớn của lưu vực. Nói chung 
thông số của hệ thống không thay đổi theo thời gian trong điều kiện các nhân tố 
ảnh hưởng đến hệ thống ổn định.
Đặc tính của hệ thống có thể biểu thị qua nhiều thông số khác nhau.
Hiệu quả của mô hình phụ thuộc trước 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, nhưng có thể đưa đến những kết 
quả kém hơn bởi vì các thông số được lựa chọn sẽ có sai số lớn hơn. Vì vậy 

phải lựa chọn một cấu trúc mô hình tối ưu nào đó, bao gồm một số lượng tối ưu 
các thông số, có thể mô tả tốt các quá trình cơ bản trong hệ thống thông tin đã 
có, đồng thời phải đưa ra các phương 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 phương pháp xác định thông số .
5. Lịch sử phát triển lĩnh vực mô hình và mô hình hóa môi trường
Từ xa xưa vào thời tiền sử con người đã nghĩ rằng có thể tạo ra một mô phỏng  
tối giản để phát họa hình ảnh những khuôn dạng người để có một sắp xếp xem 
xét sự tiến hóa của các nhóm chủng người.
+ Những bức phát họa con người và các cách sinh hoạt của họ   ở  các vách  
hang đá cho ta hình dung nền văn hóa người Cổ Cận Đông và Cổ Hy Lạp.

Báo cáo mô hình hóa môi trường
 

20


+ Một trong các mô hình đầu tiên được công nhận là các con số; số đếm và 
số  viết được ghi lại trên các mảnh xương đã được tìm thấy vào khoảng  
30.000 năm trước 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 trước Công nguyên.
+   Vào   khoảng   2.000   năm   trước   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 thường nhật của họ. Phần lớn  
các bài toán của họ là các thuật toán được đề  xuất để  giải các vấn đề  đặc 
biệt.
+ 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 

người Việt Cổ  trong khoảng thời gian từ  thế  kỷ  thứ  6 đến thế  kỷ  thứ  7  
trước Công nguyên.
Sự phát triển của ngành triết học trong thời kỳ văn minh Hy Lạp (Hellenic Age)  
(khoảng 600 năm trước Công nguyên) đã kết hợp với toán học dẫn đến phương  
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 tượng nhật  
thực (solareclipse)vào năm585 trước 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 trước 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 được 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 dương hệ.
Các nhà kiến trúc khi xây dựng công trình cổ xưa ở Trung Hoa, Ấn Độ, các nước
theo đạo Hồi đã để lại những chứng tích các mô hình đền đài, công trình thu nhỏ
như  là những phương pháp tương tự  (similar method), một hình thức của mô 
hình
tỷ lệ, trước 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
Báo cáo mô hình hóa môi trường
 

21


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 trường, khí tượng, 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 người hiểu biết sâu hơn về  thế  giới của mình mà con tiên toán những 
tình thế
có khả năng xảy ra trong tương lai
                                

                                 CHƯƠNG 3

LÝ THUYẾT VỀ HIỆU CHỈNH VÀ KIỂM ĐỊNH MÔ HÌNH

1. Lựa chọn
Tùy vào mục đích của người sử dụng mô hình mà người 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.
Báo cáo mô hình hóa môi trường

 

22


+ 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 trưng vật lý thể  hiện qua các thông số  của mô hình có thực sự  đáp 
ứng việc ứng dụng thực tế không?
+ Các phương 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 lượng tốt tương 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 được điều chỉnh để  kết quả  ra của mô hình phù hợp với thực tế  quan sát 
được.
Hiệu chỉnh bộ thông số để số liệu xuất ra từ mô hình “phù hợp” với số liệu đo  
đạc.
Trường 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 được 
đặc tính của mỗi thông số.Từ đó chỉ ra thông số cần hiệu chỉnh.
Các bước 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

Không 
đạt
Báo cáo mô hình hóa môi trường
 

23

Thay đổi bộ 
thông số

Đạt

Dừng


                    
              
                         Các bước 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 bước 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 được kiểm nghiệm nhằm kiểm tra các thông số mô hình đưa 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 được quan trắc;
Các thông tin  ở  đầu ra của mô hình ( lưu 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 như  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 trước theo tầm quy mô thực hiện;
Báo cáo mô hình hóa môi trường
 

24


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 phương trình chủ đạo 
và mã hóa chương 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 được với một số sự kiện đã xảy ra.
    
 c. Độ chính xác của mô hình
Trường hợp chuỗi quan trắc đủ  dài và độ  chính xác cao (chuỗi số  liệu mực  

nước, lưu lượng) thì kết quả  kiểm nghiệm thường tốt.Thực tế, một số trường  
hợp chuỗi quan trắc không đủ  dài (số  liệu tư  môi trường: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
 

25