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…

MƠ HÌNH HĨA MƠI TRƯỜNG

Chủ đề:

TỔNG QUAN VỀ MƠ HÌNH HĨA
CÁC BƯỚC THIẾT LẬP VÀ PHÁT TRIỂN MƠ HÌNH

Giảng viên hướng dẫn
Huỳnh Vương Thu Minh

Sinh viên thực hiện
Nhóm sinh viên QLMTA2

Báo cáo mơ hình hóa mơi trường
1


PHỤ LỤC
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MƠ HÌNH HĨA VÀ Ý NGHĨA.........................4
1. Giới thiệu........................................................................................................4
2. Các định nghĩa và phân loại mơ hình.............................................................4
2.1 Khái niệm mơ hình.................................................................................4
2.2 Phân loại mơ hình..................................................................................5
a Phân loại mơ hình...............................................................................5
b Phân loại mơ hình tốn.........................................................................6
3. Ưu và nhược điểm các loại mơ hình...............................................................8
4. Các trường hợp cần sử dụng mơ hình tốn và mơ hình vật lý......................10

5. Khái niệm và ý nghĩa của mơ hình hóa mơi trường.....................................10
5.1 Khái niệm mơ hình hóa........................................................................10
5.2 Ý nghĩa mơ hình hóa mơi trường.........................................................11
6. Mơ hình hiện tượng tự nhiên........................................................................11
6.1 Sự hình thành bão................................................................................11
6.2 Mơ hình khái niệm sự hình thành bão.................................................12
6.3 Mơ hình tốn hình thành bão...............................................................12
CHƯƠNG 2
CÁC BƯỚC THIẾT LẬP VÀ PHÁT TRIỂN MƠ HÌNH............14
1. Các đặc trưng cơ bản của mơ hình.........................................................14
2. Các bước xây dựng và kiểm định mơ hình............................................14
2.1 Thu thập và phân tích số liệu........................................................14
2.2 Xây dựng phần mềm.....................................................................15
2.3 Mơ hình khái niệm........................................................................15
2.4 Mơ hình giải tích...........................................................................15
2.5 Hiệu chỉnh.....................................................................................15
2.6 Kiểm nghiệm mơ hình...................................................................16
3. Định nghĩa mô phỏng và ứng dụng........................................................17
4. Một vài thuật ngữ...................................................................................17
5. Lịch sử phát triển lĩnh vực mơ hình và mơ hình hóa Mơi Trường.........18
CHƯƠNG 3 LÝ THUYẾT VỀ LỰA CHỌN, HIỆU CHỈNH VÀ KIỂM ĐỊNH
MƠ HÌNH................................................................................................................20
1. Lựa chọn................................................................................................20
2. Hiệu chỉnh..............................................................................................20
3. Kiểm định mơ hình................................................................................21
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................23

Báo cáo mơ hình hóa mơi trường
2

DANH SÁCH HÌNH

Hình 1.1 Mơ hình xe hơi thử nghiệm sử dụng năng lượng mặt trời.................................................6
Hình 1.2 Mơ hình vịng tuần hồn nước trên trái đất.......................................................................6
Mơ hình hộp trắng - White box........................................................................................................8
Mơ hình hộp đen - Black box...........................................................................................................8
Mơ hình hộp xám - Gray box...........................................................................................................8
Ví dụ mơ hình hóa mơi trường.......................................................................................................12
MƠ HÌNH KHÁI NIỆM HÌNH THÀNH BÃO.............................................................................13
CÁC BƯỚC THIẾT LẬP VÀ PHÁT TRIỂN MƠ HÌNH..............................................................15
LÝ THUYẾT VỀ LỰA CHỌN, HIỆU CHỈNH VÀ KIỂM ĐỊNH MƠ HÌNH..............................15
Hình 1. Ba thành tố của một mơ hình.............................................................................................15
Các bước xây dựng và kiểm định mơ hình.....................................................................................17
Các bước hiệu chỉnh mơ hình.........................................................................................................22

Báo cáo mơ hình hóa môi trường
3


CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ MƠ HÌNH HĨA 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, khơng 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 mơi 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 tốn
học vào thực tiễn để mơ 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. Mơn học mơ hình hóa mơi trường được hình thành từ cơ sở này.
2. Các định nghĩa và phân loại mơ hình
2.1. Khái niệm mơ hình
Mơ hình là một cấu trúc mơ 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).
Mơ 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 tốn học, một cơng thức vật lý, mộtphần mềm
tin học để mô tả một hiện trạng thực tế mang tính điển hình ( TS. Lê Anh Tuấn,
2008).
Mơ hình là một đối tượng cụ thể (vật chất hoặc phương trình tốn học), một hệ
thống, hoặc một khái niệm (tư duy) thay thế một nguyên bản (Claude
Shannon,1948).
Báo cáo mơ hình hóa mơi trường
4


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 tồn trước khi
chế tạo hàng loạt (hình 1.1).

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

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

Hình 1.2 Mơ hình vịng tuần hồn nước trên trái đất.
2.2 Phân loại mơ hình
a. Phân loại mơ hình
Mơ hình khái niệm ( Mơ hình nhận thức)- Conceptual modelling: Trước khi tiến
hành tạo một mơ 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 mơ hình khái niệm là lưu đồ
hoặc sơ đồ.
Mơ hình giải tích ( Mơ hình số): Là những thuật toán quan hệ giữa những biến số
( variables ) và thơng số ( parameters ) của mơ hình →Phần quan trọng cốt lõi và
cũng phức tạp nhất khi xây dựng mơ hình.
Báo cáo mơ hình hóa mơi trường
5


Mơ hình tốn– Numerical modelling: Dùng ngơn ngữ lập trình mơ tả mối quan hệ
tốn học giữa các yếu tố trong hệ thống (các q trình hóa học, vật lý và sinh học)
được mô phỏng từ hệ thống thực. Các mơ hình tốn thường sử dụng như
MathCAD, MathLAB, Excel, Fortran, C, C ++ , Java…
Mơ hình vật lý:
Mơ 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).
Mơ hình phác thảo thử nghiệm – Prototype modelling: Dạng này được xây dựng
nhanh và thô (phác thảo) để thử nghiệm một vài chức năng.
Mơ hình tương tự: Khi một q trình muốn nghiên cứu quá phức tạp →Có thể sử
dụng một q trình khác thay thế (cơng thức tốn học giống nhau) → Mơ hình
tương tự → Suy kết quả từ mơ hình tương tự cho mơ hình muốn nghiên cứu.

b. Phân loại mơ hình tốn
MƠ HÌNH
TỐN

MƠ HÌNH TẤT
ĐỊNH

MƠ HÌNH NGẪU
NHIÊN

MƠ HÌNH LIÊN
TỤC

MƠ HÌNH RỜI
RẠC

MƠ HÌNH TĨNH

MƠ HÌNH ĐỘNG

MƠ HÌNH PHI
TUYẾN TÍNH

MƠ HÌNH TUYẾN
TÍNH
Báo cáo mơ hình hóa mơi trường
6


Mơ hình hộp trắng - White box

Mơ hình cung cấp số thông tin về liệu đầu vào, đầu ra và một bên trong hệ thống.
Mơ hình hộp đen - Black box

Mơ hình chỉ cung cấp số thơng 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).
Mơ hình hộp xám - Gray box

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

Báo cáo mơ hình hóa mơi trường
7


3. Ưu và nhược điểm các loại mơ hình

TÊN MƠ HÌNH

ƯU ĐIỂM

Mơ hình
khái - Được hình thành dù người tạo ra
niệm
nó chưa hiểu hết tất cả các hiện
(Mơ hình nhận tượng phức tạp trong thực tế.
thức )
- Có thể đơn giản hóa tính bất nhất
của các thơng 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.
- Mơ hình khái niệm là một cơng
cụ kĩ thuật cho các lập trình viên
hiểu vấn đề phải giải quyết mà
khơng cần phải làmột chun gia
mơi trường.
- Mơ 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 thơng tin
địa lý (GIS).
Mơ hình Giải - Mơ hình thực hiện xử lý số liệu
Tích
một
( Mơ hình Số)
cách nhanh chóng.
- Mơ hình khơng có lập trình, tối
thiểu được lỗi
trong cách sử dụng.

NHƯỢC ĐIỂM
- Mơ hình khái niệm là một
khái quát nhân tạo và phi vật

lý qua các tối giản nên có thể
khơng 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 q
đơn giản.
- Mơ hình khái niệm mang
tính tổng q nên đơi khi bỏ
sót các phương án vận hành.
- Mơ hình khái qt thường
khơng thể thể hiện cách điều
chỉnh sai số hoặc ngoại suy
trong trường hợp thiếu dữ
liệu.
- Khi cần bổ sung mơ hình
hoặc tái cấu trúc mơ hình có
thể tạo ra một tình trạng q
gị bó thơng số.
- Các thông số và biến số dễ
bị thay đổi.
- Là mô hình phức tạp với
các chuỗi thuật tốn.

-Dùng các ngơn ngữ lập trình để - Địi hỏi khối lượng cơng
miêu tả mối quan hệ toán học một việc khổng lồ với các biến số
cách dễ dàng.
thay đổi theo thời gian và
Báo cáo mơ hình hóa mơi trường

8


Mơ hình Tốn

Mơ hình Vật Lý

- Có thể dễ dàng thay đổi số liệu
hay thơng số của mơ hình với
nhiều kịch bản khác nhau theo ý
muốn.
- Các tính năng tiêu chuẩn hóa
thường cần thiết cho mơ hình.
- Chu kỳ phát triển ngắn hơn.
- Có thể đọc được nhiều mã khác
nhau.
- Hỗ trợ nhiều trong việc xác minh
mơ hình tốn học.
- Là cơng cụ chuẩn xác để dự
đốn 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.

Mơ hình Tương - Có thể sử dụng số liệu, thơng số
Tự
hay một q trình khác thay thế
rồi suy ra kết quả tương tự cho mơ
hình.
- Khơng sử dụng lập trình phức

tạp.
- Các mơ hình phức tạp được thực
hiện
nhanh chóng.

khơng gian.
- Giai đoạn kiểm tra lại khó
khăn.
- Tính di động bị hạn chế.
- Chi phí phầm mềm cao.
- Địi hỏi nâng cấp bổ sung.

- Tốn kém thời gian và tiền
bạc.
- Chỉ được áp dụng khi hết
sức cần thiết khi nghiên cứu
chi tiết để thiết kế cơng trình
(cống, đập).
- Khó mơ phỏng tất cả các
hiện tượng theo tỉ lệ chính
xác.
- Khó mơ phỏng các điều
kiện biên một cách chính
xác.
- Kết quả khơng chính xác.
- Khơng mơ phỏng tất cả
hiện tượng trong mơ hình
một cách chính xác.
- Tốn kém về tiền bạc.

4. Các trường hợp cần sử dụng mơ hình tốn và mơ hình vật lý
Báo cáo mơ hình hóa mơi trường
9


Mơ hình vật lý: Khi những hiện tượng vật lý thực tế phức tạp và khó mơ tả chính
xác bằng các cơng thức tốn học. Mơ hình vật lý là cơng cụ chuẩn xác để dự đốn
những hiện tượng vật lý. Khơng cần phải tưởng tượng, chúng ta có thể quan sát
tồn bộ q trình thơng qua mơ hình vật lý.
Mơ hình tốn: Để dự đốn hoặc mơ 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 lị phản ứng hạt
nhân, sự tuyệt chủng của các lồi,…Mơ hình tốn cịn được áp dụng trong nhiều
trường hợp khi phải liên tục thay đổi kịch bản để đưa ra kết quả tương ứng.
5. KHÁI NIỆM VÀ Ý NGHĨA CỦA MƠ HÌNH HĨA MƠI TRƯỜNG
5.1. Khái niệm mơ hình hóa
Mơ hình hóa mơi 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).
Mơ hình hóa mơi trường là ngành khoa học cung cấp các cơng 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 thơng tin và
tiên đốn diễn biến của mơi trường – sinh thái.
Mơ hình mơi trường là một mơ tả đơn giản cho các quan hệ phức tạp về mơi trường
sinh thái ở ngồi thực tế nhưng vẫn có thể cho các kết quả chính xác ở mức độ chấp
nhận được.
Một mơ hình mơi 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 đốn (prediction).
Một mơ hình mơi trường có thể là một giao tiếp giữa dữ liệu và tạo quyết định. Mơ
hình tạo ra các thơng 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 mơ hình mơi trường thường kết hợp các định luật và phương trình sau
Báo cáo mơ hình hóa mơi trường
10


• Định luật vật lý (như định luật Darcy, định luật bảo tồn khối lượng, ...)
• Phương trình tốn học quan hệ (như phương trình Penmen về bốc thốt hơi,
phương trình cân bằng nước).
• Các quan hệ thực nghiệm (như các cơng thức kinh nghiệm, ...)
( TS. Lê Anh Tuấn,2008).

Ví dụ mơ hình hóa mơi trường

5.2 Ý nghĩa mơ hình hóa mơi trường
Cung cấp các cơng 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 thơng tin và tiên đốn diễn biến của môi trường– sinh
thái.
Mô tả đơn giản cho các quan hệ phức tạp về môi trường sinh thái ở ngồi 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 đốn.
Mơ hình tạo ra các thơng 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. MƠ 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 khơng 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
Báo cáo mơ hình hóa mơi trường
11


dơng và những trận gió lốc rất mạnh do sự chênh lệch áp suất khơng khí giữa áp
cao lạnh giữa những đám mây mưa và bầu khơng khí nóng xung quanh. Và khi hai
cơn mưa dông gặp nhau những luồng gió khí ln chuyển lên xuống khơng ngừng
làm khí lạnh bị đẩy xuống thấp và khí nóng bị đẩy lên cao. 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 qn 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 Mơ hình khái niệm sự hình thành bão
MƠ HÌNH KHÁI NIỆM HÌNH THÀNH BÃO

Lực quay Trái
Đất

Sự hồ lộn khí
quyển

Độ ẩm

Hình thành
mưa

Nhiệt độ đại

dương nóng
lên

Khơng khí ẩm
bốc lên
Hình thành
bão

Nhiệt độ

Động lực để
tạo xốy

Hấp thụ năng
lượng

Hình thành
gió mạnh

Hình Thành
xốy, lốc,giơng

6.3 Mơ hình tốn hình thành bão
Hiện nay nước biển dâng nhìn nhận như quá trình tương tác tổng hợp n người ta
tính tốn 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 tốn 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 sơng ngịi .
Báo cáo mơ hình hóa mơi trường
12

Mơ hình nước nơng hai chiều có thể mơ 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
1
u
h



 U ( z )dz

h

1
v
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 khơng khí
 xs , ys - các thành phần ứng gió suất gió trên mặt nước theo trục x, y tương
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 tương ứng
 xb , by - 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 thơng qua các thơng số tốc độ gió, mực nước
biển dâng, áp suất khơng khí để xác định hình thành bão.

CHƯƠNG 2
Báo cáo mơ hình hóa mơi trường
13


CÁC BƯỚC THIẾT LẬP VÀ PHÁT TRIỂN MƠ HÌNH
LÝ THUYẾT VỀ LỰA CHỌN, HIỆU CHỈNH VÀ KIỂM ĐỊNH MƠ
HÌNH
1.Các đặc trưng cơ bản của mơ hình
Một cách tổng qt, tất cả mơ hình phải có ba thành tố chính
+ Thơng tin vào: bao gồm các dạng cơ sở dữ liệu đưa vào để mơ hình xử
lý.

+ Tiến trình xử lý thơng tin: bao gồm q trình tiếp nhận dữ liệu vào, tính
tốn, 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.

Thơng tin vào

Tiến trình xử lí
thơng tin

Thơng tin ra

Hình 1. Ba thành tố của một mơ hình
Một mơ hình có các đặc trưng cơ bản sau
+ Mơ 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 mơ 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
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,…;
Báo cáo mơ hình hóa mơi trường
14


Xác định độ dài của chuỗi số liệu (mô phỏng vài giờ/ngày/tháng/năm hay hàng
chục năm (mơ 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, Tốn,…) và so sánh; Trường hợp chọn mơ hình tốn
➔ Xác định loại mơ hình (tự xây dựng mơ hình (chọn ngơn ngữ) hay mơ hình có
sẵn ngồi thị trường).
Tất cả các mơ hình muốn vận hành thì cần phải có nguồn dữ liệu ban đầu và các
điều kiện cần thiết.
2.3 Mơ hình khái niệm
Mơ 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 mơ hình khái niệm phải bắt đầu
từ các dữ liệu nhập và, các diễn biến bên trong mơ hình và các thơng tin xuất ra từ
mơ hình. Một hình khái niệm phải thể hiện tính đơn giản để tạo cho những người
khơng phải là chun gia về mơ hình có thể hiểu mục tiêu của bài tốn mơ hình.
2.4 Mơ hình giải tích (hoặc mơ hình số)
Mơ hình giải tích (hoặc mơ 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 mơ 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 mơ hình hóa.
2.5 Hiệu chỉnh
Hiệu chỉnh (calibration) là tiến trình mà trong đó các thơng số và biến số của mơ
hình được điều chỉnh để kết quả ra của mơ hình phù hợp với thực tế quan sát được.
Do khi phát triển mơ 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 mơ
hình có những giá trị khơng hồn tồn 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).
Báo cáo mơ hình hóa mơi trường
15

2.6 Kiểm nghiệm mơ hình
Kiểm nghiệm mơ hình là bước tiếp sau cơng việc hiệu chỉnh mơ hình nhằm kiểm
tra các thơng số mơ hình đưa ra có phù hợp với các diễn biến của thực tế hay
không.

THU THẬP VÀ
PHÂN TÍCH SỐ
LIỆU

XÂY DỰNG
PHẦN MỀM

MƠ HÌNH GIẢI
TÍCH /TỐN

HIỆU CHỈNH
MƠ HÌNH

PHÂN TÍCH ĐỘ
NHẠY/ĐỘ KHƠNG
CHẮC CHẮN
SENSITIVITY
ANALYSIS

KIỂM ĐỊNH MƠ
HÌNH

ỨNG DỤNG

DỰ BÁO / TỐI ƯU

HỐ

Các bước xây dựng và kiểm định mơ hình

Báo cáo mơ hình hóa mơi trường
16

MƠ HÌNH
KHÁI NIỆM


3.Định nghĩa mô phỏng và ứng dụng:
Mô phỏng của một hệ thống là q trình hoạt động của một mơ hình, là sự đại
diện của hệ thống đó.
Ứng dụng của một mơ 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 thơng tin.
4.Một vài thuật ngữ
Hệ thống (System) được hiểu là một tập hợp các thành phần có quan hệ liên thơng
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 khơng gian nhất định và đó là các hệ thống thực. Ta có thể coi
tuần hồn 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 tồn 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 được định nghĩa như một cấu trúc hay một thể tích khơng 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
Báo cáo mơ hình hóa mơi trường
17


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 khơng
gian) là tồn 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 thơng số biểu thị độ lớn của lưu vực. Nói chung thơng 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 thơng số khác nhau.
Hiệu quả của mơ hình phụ thuộc trước hết vào độ chính xác xác định thơng số. Nếu
thơng tin ban đầu khơng đầy đủ thì khi tăng số thông số, mặc dù cho phép mô tả
đầy đủ hơn và chính xác hơn q trình, nhưng có thể đưa đến những kết quả kém
hơn bởi vì các thơng số được lựa chọn sẽ có sai số lớn hơn. Vì vậy phải lựa chọn
một cấu trúc mơ hình tối ưu nào đó, bao gồm một số lượng tối ưu các thơng số, có
thể mơ tả tốt các q trình cơ bản trong hệ thống thơng 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 mơ hình ln lớn hơn khả năng thay đổi các phương pháp
xác định thông số .
5. Lịch sử phát triển lĩnh vực mơ hình và mơ hình hóa mơi trường
Từ xa xưa vào thời tiền sử con người đã nghĩ rằng có thể tạo ra một mơ phỏng tối
giản để phát họa hình ảnh những khn 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.
+ Một trong các mơ hình đầu tiên được cơng 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 mơ hình các vì sao,
cơng trình nhà cửa từ 4.000 năm trước Công nguyên.
+ Vào khoảng 2.000 năm trước Cơng ngun, 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
Báo cáo mơ hình hóa mơi trường
18


“mơ hình tốn” 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 tốn học.
Trong thời kỳ này, hình học đã bắt đầu hình thành và phát triển
+ Nhà tốn học Thales đã áp dụng hình học để tiên đốn 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 ngun, Euclid đã dùng một mơ hình tốn
hình học để tìm khoảng cách từ Trái đất đến Mặt trời và khoảng cách từ Trái
đất đến Mặt trăng. Ơng cũng tính được chu vi của Trái đất.
Ngành thiên văn học cổ cũng đã biết tạo ra các mơ hình để diễn tả các vì sao trong
thái dương hệ.
Các nhà kiến trúc khi xây dựng cơng trình cổ xưa ở Trung Hoa, Ấn Độ, các nước
theo đạo Hồi đã để lại những chứng tích các mơ hình đền đài, cơng trình thu nhỏ
như là những phương pháp tương tự (similar method), một hình thức của mơ hình
tỷ lệ, trước khi xây dựng các cơng trình thực.
Các nền văn minh ở Châu Á cũng chứng tỏ sự phát triển mơ hình vật lý đi song

song
với các mơ hình tốn học trong các cơng 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
tốn
mơ hình. Nhiều cơng ty phần mềm chun sản xuất ra các cơng cụ mơ hình phục
vụ
cho nhiều lĩnh vực từ khoa học kỹ thuật, kinh tế, mơi trường, khí tượng, thủy văn,
quản lý hành chánh đến các lãnh vực quan hệ xã hội,...
Báo cáo mơ hình hóa mơi trường
19


Ngày nay kỹ thuật mơ 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 tốn 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 mơ hình mà người ta sử dụng các mơ hình
phù hợp. Trên thế giới đã xuất hiện nhiều mơ hình khác nhau. Về ngun tắc, mơ
hình càng phức tạp, dữ liệu đầu vào càng nhiều → Kết quả từ mô hình càng chính
xác.
Có 2 cách chọn mơ hình
+ Theo cấu trúc và giá trị vào/ra: Khái quát hóa các tiến trình chủ yếu, mức độ

chính xác cho việc tiên đốn, tính đơn giản của mơ hình, thành lập các thơng số, độ
nhạy các thông số, giả định, tiềm năng cho việc cải tiến mơ hình.
+ Theo vấn đề thực tế: Điều kiện tự nhiên của mơ hình, khung thời gian, thiết bị
tính tốn, ứng dụng ,.....
Đánh giá việc lựa chọn bằng cách trả lời các câu hỏi sau:
+ Các thông số mơ hình cung cấp có thực sự theo u cầu của bài tốn khơng?
+ Các đặc trưng vật lý thể hiện qua các thơng số của mơ hình có thực sự đáp ứng
việc ứng dụng thực tế không?
+ Các phương trình sử dụng trong cấu trúc mơ hình có đúng với thuật toán hiện đại
phù hợp với dữ liệu và thiết bị máy tính khơng?
+ Các kết quả mà mơ hình cung ứng có chất lượng tốt tương xứng với chi phí theo
một thời gian đặc thù khơng?
2. Hiệu chỉnh
Báo cáo mơ hình hóa mơi trường
20


Hiệu chỉnh (calibration) là tiến trình mà trong đó các thơng số và biến số của mơ
hình được điều chỉnh để kết quả ra của mơ hình phù hợp với thực tế quan sát được.
Hiệu chỉnh bộ thông số để số liệu xuất ra từ mơ hình “phù hợp” với số liệu đo đạc.
Trường hợp hiệu chỉnh mơ hình khơng thỏa thì phải kiểm tra lại số liệu thu thập và
mơ hình khái niệm.
Phân tích độ nhạy của các thơng số: Chỉ ra thông số nhạy “nhất” và hiểu được đặc
tính của mỗi thơng số.Từ đó chỉ ra thơng số cần hiệu chỉnh.
Các bước hiệu chỉnh mơ hình: Đầu tiên, giả thiết bộ thơng số chạy thử mơ hình so
sánh thực đo và tính tốn. Nếu đạt thì dừng lại.Nếu so sánh thực đo và tính tốn
khơng đạt thì quay lại thay đổi bộ thơng số sau đó chạy mơ hình rồi tiếp tục so
sánh.

Giả thiết bộ

thơng số

So sánh thực
đo và tính tốn

Chạy mơ
hình

Khơng
đạt

Thay đổi bộ
thơng số

Các bước hiệu chỉnh mơ hình
3. Kiểm định mơ hình
a. Khái niệm
Báo cáo mơ hình hóa mơi trường
21

Đạt

Dừng


Kiểm định mơ hình là đánh giá mức độ phù hợp giữa số liệu đo đạc và số liệu từ
mô hình thơng qua các tham số thống kê hoặc bằng trực quang. Đây là bước tiếp
theo sau công việc hiệu chỉnh mơ hình nhằm kiểm tra các thơng số của mơ hình.
b. Mục tiêu kiểm nghiệm mơ hình
Mơ 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 khơng. Nói một cách chi tiết, việc kiểm
nghiệm gồm các trả lời các hàm ý sau
Các biểu hiện ở đầu ra của mơ hình mơ 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 mơ hình ( lưu ý là đầu ra của mơ hình mơ phỏng khơng
phải là thành lập số liệu mà là thơng tin) có đủ độ chính xác như mong muốn ở mơ
hình;
Trong q trình xác định các thơng 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 mơ hình;
Việc kiểm nghiệm phải mang tính khách quan: mơ 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;
Khi làm kiểm nghiệm đầu ra của mơ hình, giả thuyết rằng mơ hình là có sơ sở vững
chắc bao gồm các hợp lí trong thiết kế mơ hình, các phương trình chủ đạo và mã
hóa chương trình máy tính;
Trong bất kì sự kiểm nghiệm nào, có thể một số thơng số ln ln đạt u cầu các
điều kiện thử nghiệm mơ 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 mơ 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 mơi trường:BOD,DO,...). Khi đó khó có thể tiến
hành kiểm nghiệm mơ hình theo các thơng số trên.
Độ chính xác của chuỗi số liệu khơng cao thì sai số lấy mẫu khá lớn, kiểm nghiệm
mơ hình rất khó và đơi khi khó đạt.
Báo cáo mơ hình hóa mơi trường
22


Báo cáo mơ hình hóa mơi trường

23


TÀI LIỆU THAM KHẢO
Ts Lê Tuấn Anh (2008), Mơ hình hóa mơi trường.
Bài giảng Mơ hình hóa mơi trường, Ths Huỳnh Vương Thu Minh.
Nguyễn Hữu Khải - Nguyễn Thanh Sơn (2003), Mơ hình tốn thủy văn.
hinh-thanh- va-hoat- dong-nhu- the-nao2279439

Báo cáo mơ hình hóa mơi trường
24