http://www.ebook.edu.vn
Kính mong sự đóng góp ý kiến của tất cả bạn đọc.
Những đóng góp quí báu của bạn đọc sẽ giúp các tác giả
nâng cao chất lượng giáo trình này.
Giáo trình 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 được trình bày. Trong giáo trình
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.
Giáo trình hướng tới đối tượng là sinh viên, học
viên cao học chuyên ngành môi trường và một số
ngành liên quan, cũng như giảng viên, nghiên cứu
viên tại các trường đại học và viện nghiên cứu.
http://www.ebook.edu.vn
Bản quyền @ 2008 - Bùi Tá Long, tiến sĩ khoa học,
Lôøi caûm ôn
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.
Tác giả xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo Viện Môi trường và Tài nguyên,
Đại học Bách khoa, Đại học quốc gia TP. Hồ Chí Minh, Đại học nông lâm
TP. Hồ Chí Minh, Đại học Khoa học Huế, Đại học bán công Tôn Đức
Thắng TP. Hồ Chí Minh, Đại học Kỹ thuật Công nghệ TP. Hồ Chí Minh,
Đại học Yersin TP. Đà Lạt đã mời tác giả tham gia giảng dạy cho sinh
viên, học viên cao học chuyên ngành môi trường.
Tác giả cũng gửi lời cảm ơn chân thành đến các thành viên Phòng Tin học
Môi trường, Viện Môi trường và Tài nguyên, Đại học Quốc gia Tp. Hồ
Chí Minh, các thành viên khác của nhóm ENVIM đã tham gia thực hiện
các phần mềm gắn với mô hình.
Tác giả bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến các thầy phản biện đã dành
nhiều thời gian để đọc và đóng góp ý kiến nhằm nâng cao chất lượng của
tài liệu này.
Cuối cùng tác giả xin cám ơn các học trò của mình đã tham gia rất nhiệt
tình phần xử lý số liệu, nhập số liệu cũng như kiểm tra phần mềm, cùng
nhiều hỗ trợ khác để nâng cao giá trị về mặt thực tiễn cho giáo trình này.
http://www.ebook.edu.vn
http://www.ebook.edu.vn
Lôøi noùi ñaàu
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
http://www.ebook.edu.vn
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. Bên cạnh đó giáo trình này cũng có
ích cho học viên trên đại học cũng như giảng viên, nghiên cứu viên thuộc
các cơ sở đào tạo và nghiên cứu trong nước.
Giáo trình này được biên soạn dựa trên tài liệu giảng dạy môn học này vào
các năm 2005 - 2008 cho sinh viên và học viên cao học tại Viện Môi
trường và Tài nguyên, một số trường đại học khác. Trong giáo trình này
tác giả đã cố gắng bám sát thực tiễn của đất nước cũng như chương trình
đào tạo ngành môi trường. Dù có nhiều cố gắng nhưng chắc chắn giáo
trình này vẫn không thể tránh khỏi những tồn tại và hạn chế. Tác giả rất
mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý đồng nghiệp cũng như bạn
đọc gần xa có quan tâm tới ứng dụng mô hình hóa trong quản lý môi
trường cũng như trong nghiên cứu môi trường. Góp ý xin gửi về địa chỉ
[email protected], điện thoại 0918017376 hoặc theo địa chỉ trên
trang Web: www.envim.com.vn.
TP. Hồ Chí Minh, tháng 6/2008
Tác giả: TSKH. Bùi Tá Long
http://www.ebook.edu.vn
DANH MUÏC CAÙC TÖØ VIEÁT TAÉT
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
http://www.ebook.edu.vn
GMS
Groundwater – Modeling – System – phần mềm mô phỏng
nước dưới đất
IN
Nitơ vô cơ
IP
Photpho vô vơ
NBOD
Nhu cầu oxy sinh hóa các hợp chất nitơ
NH4
Ammonia
P
Phôtpho
PO4
Phôtphat
QUAL2K
Phần mềm mô phỏng chất lượng nước kênh sông của Mỹ
SBOD
Nhu cầu oxy của bùn lắng
SS
Chất rắn lơ lửng
TDS
Tổng chất rắn hòa tan
TN
Tổng nitơ
TN
Tổng nitơ
TP
Tổng photpho
.
http://www.ebook.edu.vn
MUÏC LUÏC
Lời cảm ơn ........................................................................................................iii
Lời nói đầu ......................................................................................................... v
Danh mục các từ viết tắt .......................................................................................vii
Mục lục
........................................................................................................ ix
MỞ ĐẦU
......................................................................................................... 1
Tính cấp thiết của môn học................................................................................. 1
Mục tiêu của môn học......................................................................................... 2
Nội dung môn học............................................................................................... 2
Phương pháp, công cụ được sử dụng.................................................................. 5
Giới hạn của phương pháp mô hình.................................................................... 5
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH HÓA MÔI TRƯỜNG ..................... 7
1.1. Mô hình vật lý và toán học .......................................................................... 7
1.2. Vai trò của mô hình...................................................................................... 9
1.3. Mô hình như là công cụ quản lý và nghiên cứu môi trường ..................... 13
1.4. Sự phân loại mô hình và các nguyên lý mô hình hóa ................................ 17
1.5. Mô hình hóa môi trường và sự phân loại chúng ........................................ 19
Câu hỏi.............................................................................................................. 25
Tài liệu tham khảo ............................................................................................ 25
CHƯƠNG 2. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN CỦA MÔ HÌNH HÓA
MÔI TRƯỜNG ............................................................................. 26
2.1. Các giai đoạn cơ bản của quá trình xây dựng mô hình môi trường .......... 26
2.2. Các thành phần trong quá trình mô hình hóa môi trường .......................... 37
2.3. Sự phân loại mô hình môi trường ............................................................. 39
2.4. Các nguyên lý cơ bản áp dụng trong xây dựng mô hình môi trường........ 45
Câu hỏi.............................................................................................................. 46
Tài liệu tham khảo ............................................................................................ 47
CHƯƠNG 3. CÁC YẾU TỐ KHÍ TƯỢNG ẢNH HƯỞNG LÊN SỰ
PHÁT TÁN CHẤT Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ .............................. 48
3.1. Sự phát tán của chất khí trong khí quyển ................................................. 48
3.2. Các điều kiện ảnh hưởng đến sự phát tán của khí trong khí quyển ........... 51
3.3. Độ ổn định của khí quyển .......................................................................... 56
Câu hỏi.............................................................................................................. 69
Tài liệu tham khảo ............................................................................................ 70
http://www.ebook.edu.vn
CHƯƠNG 4. MÔ HÌNH HÓA Ô NHIỄM KHÔNG KHI THEO
PHƯƠNG PHÁP GAUSS….……………………………………71
4.1. Phương trình cơ bản mô tả sự truyền tải và khuếch tán chất ô nhiễm .......71
4.2. Mô hình Gauss tính toán lan truyền chất ô nhiễm không khí ....................75
4.3. Mô hình phát tán ô nhiễm không khí ISC3 ................................................89
4.4. Bài tập ứng dụng mô hình Gauss .............................................................103
Câu hỏi ............................................................................................................112
Tài liệu tham khảo ..........................................................................................112
CHƯƠNG 5. MÔ HÌNH HÓA Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ THEO
PHƯƠNG PHÁP BERLIAND ....................................................113
Các
phương
pháp tiếp cận chính trong việc mô tả
5.1.
khuếch tán khí quyển................................................................................113
5.2. Mô hình Berliand tính toán lan truyền chất ô nhiễm trong khí quyển .....118
5.3. Các bước tự động hoá tính toán theo mô hình phát tán
ô nhiễm không khí....................................................................................125
5.4. Mô hình phát tán ô nhiễm không khí Sutton............................................135
5.5. Phương pháp tính toán nồng độ trung bình..............................................140
5.6. Mô hình Berliand kỹ thuật .......................................................................144
5.7. Bài tập ứng dụng mô hình Berliand .........................................................151
Câu hỏi ............................................................................................................164
Tài liệu tham khảo ..........................................................................................165
CHƯƠNG 6. MỘT SỐ KIẾN THỨC CƠ BẢN LIÊN QUAN TỚI
MÔ HÌNH HÓA CHẤT LƯỢNG NƯỚC...................................166
6.1. Hiện tượng lan truyền chất trong môi trường nước .................................166
6.2. Chuyển tải ................................................................................................170
6.3. Khuếch tán / phân tán...............................................................................173
6.4. Sự phân ô..................................................................................................197
6.5. Mô hình hóa chất lượng nước hồ .............................................................200
6.6. Bài tập ứng dụng ......................................................................................214
Câu hỏi ............................................................................................................219
Tài liệu tham khảo ..........................................................................................219
CHƯƠNG 7. MÔ HÌNH STREETER – PHELPS MÔ PHỎNG
CHẤT LƯỢNG NƯỚC TRÊN KÊNH SÔNG ...........................220
7.1. Nhu cầu oxy sinh hoá (BOD)...................................................................221
7.2. Sự ô nhiễm do các chất hữu cơ ................................................................223
7.3. Các điểm lưu ý về nhu cầu oxy sinh hóa .................................................225
7.4. Sự oxy hóa các hợp chất của nitơ.............................................................227
7.5. Đường cong diễn tiến oxy hòa tan (đường cong lõm) .............................230
7.6. Mô hình Streeter – Phelps........................................................................232
7.7. Bài tập ứng dụng mô hình Streeter ..........................................................242
Câu hỏi ............................................................................................................252
Tài liệu tham khảo ..........................................................................................253
CHƯƠNG 8. MÔ HÌNH DÒNG CHẢY VÀ LAN TRUYỀN CHẤT
CHO KÊNH SÔNG.....................................................................253
http://www.ebook.edu.vn
8.1. Phương trình vi phân của dòng chảy và lan truyền chất.......................... 253
8.2. Phương pháp số giải phương trình vi phân của dòng chảy
và lan truyền chất trong sông................................................................... 262
8.3.Giải số phương trình dòng chảy và lan truyền chất cho kênh sông. ......... 274
Câu hỏi………………………………………………………………………275
Tài liệu tham khảo .......................................................................................... 276
CHƯƠNG 9. MÔ PHỎNG CHẤT LƯỢNG NƯỚC BẰNG
PHẦN MỀM QUAL2K............................................................... 276
9.1. Tổng quan về mô hình QUAL2K ............................................................ 276
9.2. Sự phân đoạn trong QUAL2K ................................................................. 277
9.3 Cân bằng lưu lượng.................................................................................. 279
9.4 Các đặc tính thuỷ lực................................................................................ 281
9.5 Thời gian di chuyển ................................................................................. 288
9.6 Công thức tính hệ số phân tán theo hướng dòng chảy ............................. 288
9.7 Mô hình nhiệt độ ...................................................................................... 289
9.8 Mô hình tính toán cho các phần tử........................................................... 304
9.9 Phần mềm ENVIMQ2K ứng dụng GIS mô phỏng chất lượng
nước kênh sông ........................................................................................ 327
9.10. Bài tập ứng dụng phần mềm ENVIMQ2K mô phỏng chất lượng
nước kênh sông do nhiều nguồn xả thải .................................................. 359
Câu hỏi............................................................................................................ 380
Tài liệu tham khảo .......................................................................................... 380
CHƯƠNG 10. MÔ HÌNH HOÁ NƯỚC DƯỚI ĐẤT ........................................ 381
10.1. Tổng quan về các mô hình nước dưới đất.............................................. 381
10.2. Điều kiện đầu ......................................................................................... 387
10.3. Điều kiện biên........................................................................................ 388
10.4. Một số phần mềm được sử dụng rộng rãi .............................................. 391
10.5. Ứng dụng phần mềm MODFLOW và MT3DMS tính toán
mô phỏng lan truyền nitơ trong nước dưới đất - lấy TPHCM
làm ví dụ nghiên cứu ............................................................................. 393
Câu hỏi............................................................................................................ 427
Tài liệu tham khảo .......................................................................................... 427
BẢNG
..................................................................................................... 429
HÌNH
..................................................................................................... 432
BẢNG TÍNH ĐỔI ĐƠNVỊ ĐO NỒNG ĐỘ ...................................................... 444
http://www.ebook.edu.vn
Chöông
1
TOÅNG QUAN VEÀ MOÂ HÌNH HOÙA
MOÂI TRÖÔØNG
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. MOÂ HÌNH VAÄT LYÙ VAØ TOAÙN HOÏC
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. /[6]/ 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
http://www.ebook.edu.vn
8
Giaùo trình Moâ hình hoùa moâi tröôøng
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 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.
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
/Jorgensen S.E., 1989/ :
1. Sự phát triển của công nghệ máy tính, cho phép chúng ta xử lý những
phép tính toán rất phức tạp.
2. 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.
3. 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 quan hệ định lượng trong hệ sinh thái, thuộc tính sinh thái và
các nhân tố môi trường.
http://www.ebook.edu.vn
Chöông 1 – TOÅNG QUAN VEÀ MOÂ HÌNH HOÙA MOÂI TRÖÔØNG
9
1.2. VAI TROØ CUÛA MOÂ HÌNH NHÖ MOÄT COÂNG CUÏ KEÁT NOÁI THEÁ GIÔÙI
TÖÏ NHIEÂN VAØ XAÕ HOÄI LOAØI NGÖÔØI
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 dùng 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.
Như vậy, 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. Một trong số này được trình bày trong
[5]. Trong chương đầu tiên của cuốn sách này với nhan đề “Mô hình như một
công cụ chính kết nối tự nhiên và xã hội”, 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 thức tiễn, nguồn dữ liệu, cách hiểu, sự mô tả, cấu trúc, lý
thuyết và nhiều điều khác nữa /[5], trang 1/. Hơn thế nữa, bản thân thuật
ngữ “model” cũng được định nghĩa theo nhiều cách khác nhau (The
American Heritage Dictionary of the English Language, New York:
Houghton Mifflin 1969):
http://www.ebook.edu.vn
Giaùo trình Moâ hình hoùa moâi tröôøng
10
1. 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.
2. 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.
3. 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)
4. 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.
5. Thuật ngữ “model” có thể được dùng cho đối tượng là người tiêu biểu
cho một hay nhiều tiêu chí khác nhau.
6. Thuật ngữ “model” có thể là người hay vật thể phục vụ cho họa sĩ hay
người chụp hình nghệ thuật.
7. 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 thêm vào mệnh đề sau:
1. Mô hình là công cụ tốt
2. 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 thế giới về vai trò đích
thực của mô hình trong khoa học. Theo quan điểm của nhà vật lý người Pháp
Pierre Duhem /xem [5], trang 3/ 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
http://www.ebook.edu.vn
Chöông 1 – TOÅNG QUAN VEÀ MOÂ HÌNH HOÙA MOÂI TRÖÔØNG
11
được phát triển. Đáp lại nhà vật lý người Anh Campell /xem [5], trang 3/ 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 /[5]/.
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 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.
http://www.ebook.edu.vn
12
Giaùo trình Moâ hình hoùa moâi tröôøng
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 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.
http://www.ebook.edu.vn
Chöông 1 – TOÅNG QUAN VEÀ MOÂ HÌNH HOÙA MOÂI TRÖÔØNG
1.3. MOÂ HÌNH NHÖ LAØ COÂNG CUÏ QUAÛN LYÙ VAØ NGHIEÂN CÖÙU
TRÖÔØNG
13
MOÂI
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 nghệ đã tác
động mạnh vào môi trường. Năng lượng và các chất ô nhiễm được phát thải, xả
thải vào môi trường sinh thái, 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 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.
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
http://www.ebook.edu.vn
14
Giaùo trình Moâ hình hoùa moâi tröôøng
Hình 1-2. Ý tưởng thể hiện vai trò các mô hình môi trường
trong quản lý môi trường
Hình 1-1 trình bày ý niệm mở đầu của mô hình môi trường được sử dụng
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 /[6]/ cố gắng minh họa bức tranh phức tạp hơn về quản
lý môi trường ngày nay.
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 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.v.v…
http://www.ebook.edu.vn
Chöông 1 – TOÅNG QUAN VEÀ MOÂ HÌNH HOÙA MOÂI TRÖÔØNG
15
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 trọng lực trên cơ thể, nhưng nó không tính đến lực ma sát, ảnh
hưởng của gió, v.v…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 (những mô
hình này có lẽ thậm chí phức tạp hơn các mô hình môi trường).
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 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
này đã phản ánh rõ ràng những thuận lợi của mô hình như là công cụ hữu
dụng trong môi trường môi trường; nó có thể tóm tắt theo những điểm
dưới đây:
1) Mô hình là những công cụ hữu ích trong khảo sát các hệ thống phức tạp.
2) Mô hình có thể được dùng để phản ánh các đặc tính của hệ sinh thái.
3) Mô hình phản ánh các lỗ hổng về kiến thức và do đó có thể được
dùng để thiết lập nghiên cứu ưu tiên.
4) 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
http://www.ebook.edu.vn
.PDF 
459 
381 
75 
