Tài liệu Tổng quan về mô hình hóa các bước thiết lập và phát triển mô hình

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA MÔI TRƢỜNG VÀ TÀI NGUYÊN THIÊN NHIÊN …oOo… MÔ HÌNH HÓA MÔI TRƢỜNG Chủ đề: TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH HÓA CÁC BƢỚC THIẾT LẬP VÀ PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH Giảng viên hƣớng dẫn Huỳnh Vƣơng Thu Minh Sinh viên thực hiện Nhóm sinh viên QLMTA2 Báo cáo mô hình hóa môi trường 1 PHỤ LỤC CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH HÓA VÀ Ý NGHĨA .................... 4 1. Giới thiệu ........................................................................................................ 4 2. Các định nghĩa và phân loại mô hình ............................................................. 4 2.1 Khái niệm mô hình ................................................................................ 4 2.2 Phân loại mô hình .................................................................................. 5 a Phân loại mô hình ............................................................................. 5 b Phân loại mô hình toán ..................................................................... 6 3. Ƣu và nhƣợc điểm các loại mô hình .............................................................. 8 4. Các trƣờng hợp cần sử dụng mô hình toán và mô hình vật lý ..................... 10 5. Khái niệm và ý nghĩa của mô hình hóa môi trƣờng ..................................... 10 5.1 Khái niệm mô hình hóa ....................................................................... 10 5.2 Ý nghĩa mô hình hóa môi trƣờng .........................................................11 6. Mô hình hiện tƣợng tự nhiên .........................................................................11 6.1 Sự hình thành bão .................................................................................11 6.2 Mô hình khái niệm sự hình thành bão ................................................. 12 6.3 Mô hình toán hình thành bão ............................................................... 12 CHƢƠNG 2 CÁC BƢỚC THIẾT LẬP VÀ PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH ........ 13 1. Các đặc trƣng cơ bản của mô hình ........................................................ 14 2. Các bƣớc xây dựng và kiểm định mô hình............................................ 14 2.1 Thu thập và phân tích số liệu Lỗi! Thẻ đánh dấu không đƣợc xác định. 2.2 Xây dựng phần mềm..................................................................... 15 2.3 Mô hình khái niệm ........................................................................ 15 2.4 Mô hình giải tích........................................................................... 15 2.5 Hiệu chỉnh..................................................................................... 15 2.6 Kiểm nghiệm mô hình .................................................................. 16 3. Định nghĩa mô phỏng và ứng dụng ....................................................... 17 4. Một vài thuật ngữ .................................................................................. 17 5. Lịch sử phát triển lĩnh vực mô hình và mô hình hóa Môi Trƣờng ........ 18 CHƢƠNG 3 LÝ THUYẾT VỀ LỰA CHỌN, HIỆU CHỈNH VÀ KIỂM ĐỊNH MÔ HÌNH................................................................................................................ 20 1. Lựa chọn ................................................................................................ 20 2. Hiệu chỉnh ............................................................................................. 20 3. Kiểm định mô hình ................................................................................ 21 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 23 Báo cáo mô hình hóa môi trường 2 DANH SÁCH HÌNH Hình 1.1 Mô hình xe hơi thử nghiệm sử dụng năng lƣợng mặt trời .................................................5 Hình 1.2 Mô hình vòng tuần hoàn nƣớc trên trái đất. ......................................................................5 Mô hình hộp trắng - White box ........................................................................................................7 Mô hình hộp đen - Black box ...........................................................................................................7 Mô hình hộp xám - Gray box ...........................................................................................................7 Ví dụ mô hình hóa môi trƣờng ....................................................................................................... 11 MÔ HÌNH KHÁI NIỆM HÌNH THÀNH BÃO .............................................................................12 CÁC BƢỚC THIẾT LẬP VÀ PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH..............................................................14 LÝ THUYẾT VỀ LỰA CHỌN, HIỆU CHỈNH VÀ KIỂM ĐỊNH MÔ HÌNH..............................14 Hình 1. Ba thành tố của một mô hình .............................................................................................14 Các bƣớc xây dựng và kiểm định mô hình .....................................................................................16 Các bƣớc hiệu chỉnh mô hình ....................................... Lỗi! Thẻ đánh dấu không đƣợc xác định. Báo cáo mô hình hóa môi trường 3 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH HÓA VÀ Ý NGHĨA 1. Giới thiệu Hiện nay, ô nhiễm môi trƣờng đang là vấn đề báo động song hành với sự phát triển kinh tế xã hội, đặc biệt tại các quốc gia đang phát triển. Tại nhiều nơi, chất lƣợng nƣớc, đất, không khí suy giảm nhanh chóng vƣợt qua khả năng tự làm sạch của tự nhiên. Trong lĩnh vực khoa học quản lý môi trƣờng và kỹ thuật xử lý môi trƣờng, việc quan trắc dự báo diễn biến môi trƣờng mang tầm quan trọng cho các quyết định giải quyết vấn đề. Tuy nhiên, việc đo đạc, quan trắc môi trƣờng rất tốn kém kinh phí và công sức của con ngƣời. Nhằm giảm thiểu các khó khăn này, các nhà khoa học đã và đang tiếp tục phát triển các ứng dụng các nguyên lý vật lý và toán học vào thực tiễn để mô phỏng các diễn biến thực tế trong tự nhiên và đƣa ra các dự báo cần thiết. Việc mô phỏng môi trƣờng cũng đang giúp con ngƣời tạo dựng các một hình ảnh hoặc sự vật thu nhỏ hoặc tƣơng tự, bắt chƣớc theo thực tế để mô tả sự kiện cũng nhƣ tạo ra các kịch bản biến đổi lƣợng và chất theo không gian và thời gian nhằm tiên đoán khả năng lây truyền chất ô nhiễm hoặc khả năng hồi phục chất lƣợng tài nguyên. Môn học mô hình hóa môi trƣờng đƣợc hình thành từ cơ sở này. 2. Các định nghĩa và phân loại mô hình 2.1. Khái niệm mô hình Mô hình là một cấu trúc mô tả hình ảnh đã đƣợc tối giản hóa theo đặc điểm hoặc diễn biến của một đối tƣợng, một hiện tƣợng, một khái niệm hoặc một hệ thống (TS. Lê Anh Tuấn, 2008). Mô hình có thể là một hình ảnh hoặc một vật thể đƣợc thu nhỏ hoặc phóng đại,hoặc chỉ làm gọn bằng một phƣơng trình toán học, một công thức vật lý, mộtphần mềm tin học để mô tả một hiện trạng thực tế mang tính điển hình ( TS. Lê Anh Tuấn, 2008). Mô hình là một đối tƣợng cụ thể (vật chất hoặc phƣơng trình toán học), một hệ thống, hoặc một khái niệm (tƣ duy) thay thế một nguyên bản (Claude Shannon,1948). Báo cáo mô hình hóa môi trường 4 Ví dụ 1.1: Các nhà thiết kế tạo ra một mẫu xe hơi sử dụng năng lƣợng mặt trời thu nhỏ để thử nghiệm khả năng hoạt động cũng nhƣ các tiện ích và an toàn trƣớc khi chế tạo hàng loạt (hình 1.1). Hình 1.1. Mô hình xe hơi thử nghiệm sử dụng năng lƣợng mặt trời Ví dụ 1.2: Mô hình Vòng tuần hoàn nƣớc sự tồn tại và vận động của nƣớc trên mặt đất, trong lòng trong đất và trong bầu khí quyển của trái đất. Hình 1.2 Mô hình vòng tuần hoàn nƣớc trên trái đất. 2.2 Phân loại mô hình a. Phân loại mô hình Mô hình khái niệm ( Mô hình nhận thức)- Conceptual modelling: Trƣớc khi tiến hành tạo một mô hình, phải tƣ duy đƣợc có bao nhiêu thành phần và cách thức liên hệ và ảnh hƣởng lẫn nhau nhƣ thế nào. Kết quả của mô hình khái niệm là lƣu đồ hoặc sơ đồ. Mô hình giải tích ( Mô hình số): Là những thuật toán quan hệ giữa những biến số ( variables ) và thông số ( parameters ) của mô hình →Phần quan trọng cốt lõi và cũng phức tạp nhất khi xây dựng mô hình. Báo cáo mô hình hóa môi trường 5 Mô hình toán– Numerical modelling: Dùng ngôn ngữ lập trình mô tả mối quan hệ toán học giữa các yếu tố trong hệ thống (các quá trình hóa học, vật lý và sinh học) đƣợc mô phỏng từ hệ thống thực. Các mô hình toán thƣờng sử dụng nhƣ MathCAD, MathLAB, Excel, Fortran, C, C ++ , Java… Mô hình vật lý: Mô hình tỉ lệ - Scale physiscal modelling: Hệ vật lý đƣợc mô phỏng lại với các thành phần đƣợc mô phỏng bằng một tỉ lệ chính xác (thu nhỏ hoặc phóng to). Mô hình phác thảo thử nghiệm – Prototype modelling: Dạng này đƣợc xây dựng nhanh và thô (phác thảo) để thử nghiệm một vài chức năng. Mô hình tƣơng tự: Khi một quá trình muốn nghiên cứu quá phức tạp →Có thể sử dụng một quá trình khác thay thế (công thức toán học giống nhau) → Mô hình tƣơng tự → Suy kết quả từ mô hình tƣơng tự cho mô hình muốn nghiên cứu. b. Phân loại mô hình toán MÔ HÌNH TOÁN MÔ HÌNH TẤT ĐỊNH MÔ HÌNH NGẪU NHIÊN MÔ HÌNH LIÊN TỤC MÔ HÌNH RỜI RẠC MÔ HÌNH TĨNH MÔ HÌNH ĐỘNG MÔ HÌNH PHI TUYẾN TÍNH MÔ HÌNH TUYẾN TÍNH Báo cáo mô hình hóa môi trường 6 Mô hình hộp trắng - White box Mô hình cung cấp số thông tin về liệu đầu vào, đầu ra và một bên trong hệ thống. Mô hình hộp đen - Black box Mô hình chỉ cung cấp số thông tin về liệu đầu vào và đầu ra (only input and output are known), cấu trúc bên trong chƣa biết hoặc không biết do cấu trúc quá phức tạp hoặc chƣa biết (Internal dynamics are either too complex or unknown). Mô hình hộp xám - Gray box Mô hình cung cấp số thông tin về liệu đầu vào, đầu ra và một phần trong tiến trình xử lý của hệ thống. Báo cáo mô hình hóa môi trường 7 3. Ƣu và nhƣợc điểm các loại mô hình TÊN MÔ HÌNH ƢU ĐIỂM Mô hình khái - Đƣợc hình thành dù ngƣời tạo ra niệm nó chƣa hiểu hết tất cả các hiện (Mô hình nhận tƣợng phức tạp trong thực tế. thức ) - Có thể đơn giản hóa tính bất nhất của các thông số thành tính đồng nhất. - Có thể giảm thiểu đƣợc số liệu yêu cầu. - Dễ dàng cho ngƣời xem hiểu cách thu thập số liệu, thông tin sử dụng một cách nhanh chóng và ít tốn kém. - Mô hình khái niệm là một công cụ kĩ thuật cho các lập trình viên hiểu vấn đề phải giải quyết mà không cần phải làmột chuyên gia môi trƣờng. - Mô hình khái niệm tạo thuận lợi cho việc diễn giải trong thuyết minh, biểu bảng, đồ thị. - Có thể tạo ra một giao tiếp với cơ sở dữ liệu và hệ thống thông tin địa lý (GIS). Mô hình Giải - Mô hình thực hiện xử lý số liệu Tích một ( Mô hình Số) cách nhanh chóng. - Mô hình không có lập trình, tối thiểu đƣợc lỗi trong cách sử dụng. Báo cáo mô hình hóa môi trường 8 NHƢỢC ĐIỂM - Mô hình khái niệm là một khái quát nhân tạo và phi vật lý qua các tối giản nên có thể không đƣa ra hết những quan hệ tƣơng tác giữa các đối tƣợng. - Những ngƣời thiếu kinh nghiệm có thể tạo ra các giả thiết phi thực tế hoặc quá đơn giản. - Mô hình khái niệm mang tính tổng quá nên đôi khi bỏ sót các phƣơng án vận hành. - Mô hình khái quát thƣờng không thể thể hiện cách điều chỉnh sai số hoặc ngoại suy trong trƣờng hợp thiếu dữ liệu. - Khi cần bổ sung mô hình hoặc tái cấu trúc mô hình có thể tạo ra một tình trạng quá gò bó thông số. - Các thông số và biến số dễ bị thay đổi. - Là mô hình phức tạp với các chuỗi thuật toán. Mô hình Toán Mô hình Vật Lý -Dùng các ngôn ngữ lập trình để miêu tả mối quan hệ toán học một cách dễ dàng. - Có thể dễ dàng thay đổi số liệu hay thông số của mô hình với nhiều kịch bản khác nhau theo ý muốn. - Các tính năng tiêu chuẩn hóa thƣờng cần thiết cho mô hình. - Chu kỳ phát triển ngắn hơn. - Có thể đọc đƣợc nhiều mã khác nhau. - Hỗ trợ nhiều trong việc xác minh mô hình toán học. - Là công cụ chuẩn xác để dự đoán những hiện tƣợng Vật lý. - Kích thƣớc nhỏ, đo đạc dễ dàng. - Quan sát các hiện tƣợng tận mắt dễ dàng định hƣớng nghiên cứu. Mô hình Tƣơng - Có thể sử dụng số liệu, thông số Tự hay một quá trình khác thay thế rồi suy ra kết quả tƣơng tự cho mô hình. - Không sử dụng lập trình phức tạp. - Các mô hình phức tạp đƣợc thực hiện nhanh chóng. Báo cáo mô hình hóa môi trường 9 - Đòi hỏi khối lƣợng công việc khổng lồ với các biến số thay đổi theo thời gian và không gian. - Giai đoạn kiểm tra lại khó khăn. - Tính di động bị hạn chế. - Chi phí phầm mềm cao. - Đòi hỏi nâng cấp bổ sung. - Tốn kém thời gian và tiền bạc. - Chỉ đƣợc áp dụng khi hết sức cần thiết khi nghiên cứu chi tiết để thiết kế công trình (cống, đập). - Khó mô phỏng tất cả các hiện tƣợng theo tỉ lệ chính xác. - Khó mô phỏng các điều kiện biên một cách chính xác. - Kết quả không chính xác. - Không mô phỏng tất cả hiện tƣợng trong mô hình một cách chính xác. - Tốn kém về tiền bạc. 4. Các trƣờng hợp cần sử dụng mô hình toán và mô hình vật lý Mô hình vật lý: Khi những hiện tƣợng vật lý thực tế phức tạp và khó mô tả chính xác bằng các công thức toán học. Mô hình vật lý là công cụ chuẩn xác để dự đoán những hiện tƣợng vật lý. Không cần phải tƣởng tƣợng, chúng ta có thể quan sát toàn bộ quá trình thông qua mô hình vật lý. Mô hình toán: Để dự đoán hoặc mô phỏng một cách thƣờng xuyên những gì một hệ thống thế giới thực sẽ làm trong tƣơng lai nhƣng lại tốn kém, không thực tế hoặc không thể thử nghiệm trực tiếp với hệ thống, ví dụ nhƣ: thiết kế lò phản ứng hạt nhân, sự tuyệt chủng của các loài,…Mô hình toán còn đƣợc áp dụng trong nhiều trƣờng hợp khi phải liên tục thay đổi kịch bản để đƣa ra kết quả tƣơng ứng. 5. KHÁI NIỆM VÀ Ý NGHĨA CỦA MÔ HÌNH HÓA MÔI TRƢỜNG 5.1. Khái niệm mô hình hóa Mô hình hóa môi trƣờng là ngành khoa học mô phỏng hiện tƣợng lan truyền chất ô nhiễm và các dự báo thay đổi môi trƣờng theo không gian và thời gian. ( TS. Lê Anh Tuấn, 2008). Mô hình hóa môi trƣờng là ngành khoa học cung cấp các công cụ ở dạng hình ảnh, sơ đồ, biểu đồ, phần mềm, hay sa bàn, ... để chuyển các hiểu biết từ các đo đạc thực tế của một khu vực nghiên cứu thành các lý giải cần thiết cho nhƣ cầu thông tin và tiên đoán diễn biến của môi trƣờng – sinh thái. Mô hình môi trƣờng là một mô tả đơn giản cho các quan hệ phức tạp về môi trƣờng sinh thái ở ngoài thực tế nhƣng vẫn có thể cho các kết quả chính xác ở mức độ chấp nhận đƣợc. Một mô hình môi trƣờng phải cung cấp một đại lƣợng dữ liệu thể hiện theo sự thay đổi thời gian qua: (i) sự quan sát (observation); (ii) sự phân tích (analysis); (iii) sự tiên đoán (prediction). Một mô hình môi trƣờng có thể là một giao tiếp giữa dữ liệu và tạo quyết định. Mô hình tạo ra các thông tin từ dữ liệu quan trắc và cải tiến kiến thức giúp cho việc ra quyết định liên quan đến việc quy hoạch, thiết kế, vận hành và quản lý. Báo cáo mô hình hóa môi trường 10 Một mô hình môi trƣờng thƣờng kết hợp các định luật và phƣơng trình sau • Định luật vật lý (nhƣ định luật Darcy, định luật bảo toàn khối lƣợng, ...) • Phƣơng trình toán học quan hệ (nhƣ phƣơng trình Penmen về bốc thoát hơi, phƣơng trình cân bằng nƣớc). • Các quan hệ thực nghiệm (nhƣ các công thức kinh nghiệm, ...) ( TS. Lê Anh Tuấn,2008). Ví dụ mô hình hóa môi trƣờng 5.2 Ý nghĩa mô hình hóa môi trƣờng Cung cấp các công cụ ở dạng hình ảnh, sơ đồ, biểu đồ, phần mềm, hay la bàn, ...để chuyển các hiểu biết từ các đo đạc thực tế của một khu vực nghiên cứu thành các lý giải cần thiết cho nhƣ cầu thông tin và tiên đoán diễn biến của môi trƣờng– sinh thái. Mô tả đơn giản cho các quan hệ phức tạp về môi trƣờng sinh thái ở ngoài thực tế nhƣng vẫn có thể cho các kết quả chính xác ở mức độ chấp nhận đƣợc. Cung cấp một đại lƣợng dữ liệu thể hiện theo sự thay đổi thời gian qua: sự quan sát, sự phân tích và sự tiên đoán. Mô hình tạo ra các thông tin từ dữ liệu quan trắc và cải tiến kiến thức giúp cho việc ra quyết định liên quan đến việc quy hoạch, thiết kế, vận hành và quản lý. 6. MÔ HÌNH HIỆN TƢỢNG TỰ NHIÊN 6.1 Sự hình thành bão Bão chỉ hình thành ở khu vực đại dƣơng nhiệt đới ấm áp, nơi nhiệt độ nƣớc ít nhất là 26 độ C. Chính không khí ấm áp, ẩm và gió hội tụ gần xích đạo là “nhiên liệu” để bão Báo cáo mô hình hóa môi trường 11 hoạt động. Một cơn bão hình thành bao giờ cũng xuất hiện những cơn mƣa dông và những trận gió lốc rất mạnh do sự chênh lệch áp suất không khí giữa áp cao lạnh giữa những đám mây mƣa và bầu không khí nóng xung quanh. Và khi hai cơn mƣa dông gặp nhau những luồng gió khí luân chuyển lên xuống không ngừng làm khí lạnh bị đẩy xuống thấp và khí nóng bị đẩy lên cao. Nƣớc càng nóng, quy trình này càng nhanh và gió tăng tốc. Khi đó, ở tầng trên của lớp đối lƣu, luồng khí ẩm ƣớt này toả ra và bắt đầu xoay theo quán tính hình thành từ chiều quay của trái đất, ở Bắc bán cầu là chiều ngƣợc lại của kim đồng hồ, còn ở Nam bán cầu là cùng chiều với kim đồng hồ. Khi lực xoay đủ lớn thì một cơn bão sẽ hình thành. 6.2 Mô hình khái niệm sự hình thành bão MÔ HÌNH KHÁI NIỆM HÌNH THÀNH BÃO Lực quay Trái Đất Sự hoà lộn khí quyển Độ ẩm Hình thành mƣa Nhiệt độ đại dƣơng nóng lên Không khí ẩm bốc lên Nhiệt độ Động lực để tạo xoáy Hấp thụ năng lƣợng Hình thành gió mạnh Hình thành bão Hình Thành xoáy, lốc,giông 6.3 Mô hình toán hình thành bão Hiện nay nƣớc biển dâng nhìn nhận nhƣ quá trình tƣơng tác tổng hợp n ngƣời ta tính toán nƣớc biển dâng theo vận tốc gió , mƣc nƣớc biển nền có thể là mực nƣớc trung bình nhiều năm đối với biển có thủy triều hoặc phi thủy triều .. Bài toán nƣớc biển dâng đƣợc xem trong điều kiện khí tƣợng thủy văn có các tác động đồng thời của gió, áp suất khí quyển, thủy triều và lƣu lƣợng sông ngòi . Báo cáo mô hình hóa môi trường 12 Mô hình nƣớc nông hai chiều có thể mô tả đƣợc các hiện trên , hệ phƣơng trình có dạng Trong đó : U, V - các thành phần vận tốc biến đổi theo độ sâu theo hƣớng x, y tƣơng ứng  1 u U ( z )dz h   h  1 v v( z )dz h   h U(z), V(z) - các thành phần vận tốc biến đổi theo độ sâu theo hƣớng x, y tƣơng ứng  - dao động mặt nƣớc so với mặt nƣớc trung bình h- độ sâu kể từ mực nƣớc trung bình Pa - áp suất không khí  xs , ys - các thành phần ứng gió suất gió trên mặt nƣớc theo trục x, y tƣơng ứng  xs  W X WX2  WY2 , YX  W X WX2  WY2 - hệ số ma sát gió Wx, Wy- các thành phần vận tốc gió theo trục x, y tƣơng ứng  xb , yb - các thành phần ứng suất ma sát tại đáy theo trục x , tƣơng ứng K - hệ số ma sát đáy f  2 sin  - tham số coriolic  - vĩ độ địa lí vận tốc góc quay của trái đất  Thông tin ra là kết quả dự báo bão thông qua các thông số tốc độ gió, mực nƣớc biển dâng, áp suất không khí để xác định hình thành bão. Báo cáo mô hình hóa môi trường 13 CHƢƠNG 2 CÁC BƢỚC THIẾT LẬP VÀ PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH LÝ THUYẾT VỀ LỰA CHỌN, HIỆU CHỈNH VÀ KIỂM ĐỊNH MÔ HÌNH 1.Các đặc trƣng cơ bản của mô hình Một cách tổng quát, tất cả mô hình phải có ba thành tố chính + Thông tin vào: bao gồm các dạng cơ sở dữ liệu đƣa vào để mô hình xử lý. + Tiến trình xử lý thông tin: bao gồm quá trình tiếp nhận dữ liệu vào, tính toán, phân tích, đánh giá và xuất dữ liệu. + Thông tin ra: thể hiện ở dạng đồ thị, biểu bảng, báo cáo đánh giá kết quả. Thông tin vào Tiến trình xử lí thông tin Thông tin ra Hình 1. Ba thành tố của một mô hình Một mô hình có các đặc trƣng cơ bản sau + Mô hình cần đƣợc tối giản với một số giả định đặt ra. + Điều kiện biên hoặc điều kiện ban đầu cần định danh. + Mức độ khả năng ứng dụng của mô hình có thể xác lập đƣợc. (T.S Lê Anh Tuấn,2008) 2.Các bƣớc xây dựng và kiểm định mô hình 2.1. Thu thập và phân tích số liệu Xác định loại số liệu (mực nƣớc, lƣu lƣợng, thông số chất lƣợng nƣớc,…) cần thu thập từ hệ thống thực; Xác định bƣớc thời gian: giờ, trung bình ngày,…; Báo cáo mô hình hóa môi trường 14 Xác định độ dài của chuỗi số liệu (mô phỏng vài giờ/ngày/tháng/năm hay hàng chục năm (mô hình khí hậu)); Xác định thời điểm thu thập/đo đạc số liệu; Đánh giá mức độ tin cậy, đánh giá khả năng xuất hiện lại của số liệu thu thập số l. 2.2 Xây dựng phần mềm Chọn lựa quy mô vùng cần mô phỏng; Chọn lựa loại mô hình (Vật lý, Toán,…) và so sánh; Trƣờng hợp chọn mô hình toán ➔Xác định loại mô hình (tự xây dựng mô hình (chọn ngôn ngữ) hay mô hình có sẵn ngoài thị trƣờng). Tất cả các mô hình muốn vận hành thì cần phải có nguồn dữ liệu ban đầu và các điều kiện cần thiết. 2.3 Mô hình khái niệm Mô hình khái niệm là một dạng ý tƣởng hoá nhằm tối giản những yếu tố phức tạp ngoài thực tế ở dạng một lƣu đồ hoặc sơ đồ. Trong mô hình khái niệm phải bắt đầu từ các dữ liệu nhập và, các diễn biến bên trong mô hình và các thông tin xuất ra từ mô hình. Một hình khái niệm phải thể hiện tính đơn giản để tạo cho những ngƣời không phải là chuyên gia về mô hình có thể hiểu mục tiêu của bài toán mô hình. 2.4 Mô hình giải tích (hoặc mô hình số) Mô hình giải tích (hoặc mô hình số) thực chất là một loạt các thuật toán đƣợc viết để giải quyết các quan hệ giữa các thông số và biến số trong mô hình và cho ra kết quả dƣới dạng số hoặc đồ thị. Đây là phần cốt lõi, quan trọng nhất và là phần phức tạp nhất trong tiến trình thực hiện mô hình hóa. 2.5 Hiệu chỉnh Hiệu chỉnh (calibration) là tiến trình mà trong đó các thông số và biến số của mô hình đƣợc điều chỉnh để kết quả ra của mô hình phù hợp với thực tế quan sát đƣợc. Do khi phát triển mô hình, chúng ta phải tối giản các hiện tƣợng vật lý trong tự nhiên để thuận lợi cho ngƣời làm thật toán. Điều này khiến các số liệu nhập vào mô hình có những giá trị không hoàn toàn chắc chắn và kết quả ra sẽ sai biệt với thực tế. Hiệu chỉnh là công việc nhằm rút ngắn các khoảng cách sai biệt bằng cách đƣa ra các thông số điều chỉnh gọi là thông số mô hình (model parameters). Báo cáo mô hình hóa môi trường 15 2.6 Kiểm nghiệm mô hình Kiểm nghiệm mô hình là bƣớc tiếp sau công việc hiệu chỉnh mô hình nhằm kiểm tra các thông số mô hình đƣa ra có phù hợp với các diễn biến của thực tế hay không. THU THẬP VÀ PHÂN TÍCH SỐ LIỆU XÂY DỰNG PHẦN MỀM MÔ HÌNH GIẢI TÍCH /TOÁN PHÂN TÍCH ĐỘ NHẠY/ĐỘ KHÔNG CHẮC CHẮN HIỆU CHỈNH MÔ HÌNH SENSITIVITY ANALYSIS KIỂM ĐỊNH MÔ HÌNH ỨNG DỤNG DỰ BÁO / TỐI ƢU HOÁ Các bƣớc xây dựng và kiểm định mô hình Báo cáo mô hình hóa môi trường 16 MÔ HÌNH KHÁI NIỆM 3.Định nghĩa mô phỏng và ứng dụng: Mô phỏng của một hệ thống là quá trình hoạt động của một mô hình, là sự đại diện của hệ thống đó. Ứng dụng của một mô hình gồm + Thiết kế và phân tích hệ thống sản xuất; + Đánh giá yêu cầu của H/W và S/W cho một hệ thống máy tính; + Đánh giá một hệ thống hay chiến thuật quân sự mới; + Xác định chính sách đặt hàng cho một hệ thống hàng hóa tồn kho; + Thiết kế hệ thống thông tin liên lạc và phƣơng thức nhắn tin cho hệ thống; + Thiết kế và vận hành các cơ sở nhƣ đƣờng cao tốc, tàu điện ngầm, sân bay hoặc cống; + Thẩm định thiết kế cho các tổ chức dịch vụ nhƣ bệnh viện, bƣu điện, hoặc các nhà hàng thức ăn nhanh; + Phân tích hệ thống tài chính kinh tế hoặc thông tin. 4.Một vài thuật ngữ Hệ thống (System) đƣợc hiểu là một tập hợp các thành phần có quan hệ liên thông với nhau để tạo thành một tổng thể. Theo Dooge (1964) hệ thống là bất kỳ một cấu trúc, thiết bị hoặc sơ đồ, trình tự nào đó, thực hay trừu tƣợng, đƣợc gắn với bƣớc thời gian nhất định, liên hệ giữa lƣợng vào (nguyên nhân, năng lƣợng, thông tin) với lƣợng ra (hệ quả, phản ứng, năng lƣợng) INPUT Lƣợng vào SYSTEM Hệ thống OUTPUT Lƣợng ra Hệ thống thủy văn (hydrological system) là các quá trình thuỷ văn (chu trình thuỷ văn) trên một vùng không gian nhất định và đó là các hệ thống thực. Ta có thể coi tuần hoàn thuỷ văn nhƣ một hệ thống với các thành phần là nƣớc, bốc hơi, dòng chảy và các pha khác nhau của chu trình. Các thành phần này lại có thể tập hợp thành các hệ thống con của chu trình lớn. Để phân tích hệ thống toàn cục ta tiến hành xử lý, phân tích riêng rẽ các hệ thống con đơn giản hơn và tổng hợp các kết quả dựa trên mối quan hệ qua lại giữa chúng. Hệ thống thủy văn đƣợc định nghĩa nhƣ một cấu trúc hay một thể tích không gian bao quanh bởi một mặt biên. Cấu trúc này tiếp nhận các yếu tố đầu vào (Input) qua mặt biển nhƣ mƣa theo phƣơng thẳng đứng, dòng chảy theo phƣơng ngang, thao tác phân Báo cáo mô hình hóa môi trường 17 tích các yếu tố đó ở bên trong và biến đổi chúng thành các yếu tố đầu ra (Output) ở mặt biên bên kia. Có thể hiểu cấu trúc của hệ thống (hay thể tích không gian) là toàn bộ các đƣờng đi, các phƣơng thức khác nhau để qua đó nƣớc xuyên suốt qua hệ thống từ điểm đi vào cho đến điểm đi ra. Biên của hệ thống là một mặt liên tục, xác định trong không gian 3 chiều bao quanh cấu trúc hay thể tích đang xét. Một đối tƣợng nghiên cứu nào đó đi vào hệ thống nhƣ một yếu tố đầu vào, tác động qua lại với cấu túc và các yếu tố khác, rồi rời khỏi hệ thống thành yếu tố đầu ra. Nhiều quá trình vật lý, hoá học và sinh học khác nhau ở bên trong cấu trúc đã tác động lên đối tƣợng. Thông số (parametter of model) là đặc trƣng số lƣợng của hệ thống thủy văn. Ví dụ diện tích lƣu vực là một thông số biểu thị độ lớn của lƣu vực. Nói chung thông số của hệ thống không thay đổi theo thời gian trong điều kiện các nhân tố ảnh hƣởng đến hệ thống ổn định. Đặc tính của hệ thống có thể biểu thị qua nhiều thông số khác nhau. Hiệu quả của mô hình phụ thuộc trƣớc hết vào độ chính xác xác định thông số. Nếu thông tin ban đầu không đầy đủ thì khi tăng số thông số, mặc dù cho phép mô tả đầy đủ hơn và chính xác hơn quá trình, nhƣng có thể đƣa đến những kết quả kém hơn bởi vì các thông số đƣợc lựa chọn sẽ có sai số lớn hơn. Vì vậy phải lựa chọn một cấu trúc mô hình tối ƣu nào đó, bao gồm một số lƣợng tối ƣu các thông số, có thể mô tả tốt các quá trình cơ bản trong hệ thống thông tin đã có, đồng thời phải đƣa ra các phƣơng pháp xác định chính xác các thông số. Thực tế cho thấy khả năng thay đổi cấu trúc mô hình luôn lớn hơn khả năng thay đổi các phƣơng pháp xác định thông số . 5. Lịch sử phát triển lĩnh vực mô hình và mô hình hóa môi trƣờng Từ xa xƣa vào thời tiền sử con ngƣời đã nghĩ rằng có thể tạo ra một mô phỏng tối giản để phát họa hình ảnh những khuôn dạng ngƣời để có một sắp xếp xem xét sự tiến hóa của các nhóm chủng ngƣời. + Những bức phát họa con ngƣời và các cách sinh hoạt của họ ở các vách hang đá cho ta hình dung nền văn hóa ngƣời Cổ Cận Đông và Cổ Hy Lạp. + Một trong các mô hình đầu tiên đƣợc công nhận là các con số; số đếm và số viết đƣợc ghi lại trên các mảnh xƣơng đã đƣợc tìm thấy vào khoảng 30.000 năm trƣớc Công nguyên. + Ngành Thiên văn và Kiến trúc đã để lại những ghi chép mô hình các vì sao, công trình nhà cửa từ 4.000 năm trƣớc Công nguyên. + Vào khoảng 2.000 năm trƣớc Công nguyên, ít nhất ba nền văn hóa Babylon, Ai Cập và Ấn Độ đã biết cách sáng tạo và phát triển các bài toán và ứng dụng “mô hình toán” trong cuộc sống thƣờng nhật của họ. Phần lớn các bài toán của họ là các thuật toán đƣợc đề xuất để giải các vấn đề đặc biệt. Báo cáo mô hình hóa môi trường 18 + Ở Việt Nam các hình ảnh để lại trên Trống đồng Đông Sơn cho chúng ta nghĩ đến một mô phỏng các điệu múa, y phục và các sinh hoạt săn bắt của ngƣời Việt Cổ trong khoảng thời gian từ thế kỷ thứ 6 đến thế kỷ thứ 7 trƣớc Công nguyên. Sự phát triển của ngành triết học trong thời kỳ văn minh Hy Lạp (Hellenic Age) (khoảng 600 năm trƣớc Công nguyên) đã kết hợp với toán học dẫn đến phƣơng pháp suy diễn (deductive method), sau đó trở thành một phần quan trọng trong lý thuyết toán học. Trong thời kỳ này, hình học đã bắt đầu hình thành và phát triển + Nhà toán học Thales đã áp dụng hình học để tiên đoán hiện tƣợng nhật thực (solareclipse)vào năm585 trƣớc Công nguyên. Thales cũng đã phát minh ra cách đo chiều cao một vật thể bằng cách đo chiều dài của cái bóng của vật thể in trên nền đất. + Vào khoảng năm 250 trƣớc Công nguyên, Euclid đã dùng một mô hình toán hình học để tìm khoảng cách từ Trái đất đến Mặt trời và khoảng cách từ Trái đất đến Mặt trăng. Ông cũng tính đƣợc chu vi của Trái đất. Ngành thiên văn học cổ cũng đã biết tạo ra các mô hình để diễn tả các vì sao trong thái dƣơng hệ. Các nhà kiến trúc khi xây dựng công trình cổ xƣa ở Trung Hoa, Ấn Độ, các nƣớc theo đạo Hồi đã để lại những chứng tích các mô hình đền đài, công trình thu nhỏ nhƣ là những phƣơng pháp tƣơng tự (similar method), một hình thức của mô hình tỷ lệ, trƣớc khi xây dựng các công trình thực. Các nền văn minh ở Châu Á cũng chứng tỏ sự phát triển mô hình vật lý đi song song với các mô hình toán học trong các công trình kiến trúc của họ. Từ thế kỷ XX trở đi, song song với sự phát triển của ngành toán học, vật lý, đặc biệt là sự ra đời của máy tính điện tử đã thúc đẩy sự phát triển nhanh chóng của thuật toán mô hình. Nhiều công ty phần mềm chuyên sản xuất ra các công cụ mô hình phục vụ cho nhiều lĩnh vực từ khoa học kỹ thuật, kinh tế, môi trƣờng, khí tƣợng, thủy văn, quản lý hành chánh đến các lãnh vực quan hệ xã hội,... Ngày nay kỹ thuật mô hình đang càng ngày chứng tỏ vai trò trong việc tạo điều kiện cho con ngƣời hiểu biết sâu hơn về thế giới của mình mà con tiên toán những tình thế có khả năng xảy ra trong tƣơng lai Báo cáo mô hình hóa môi trường 19 CHƢƠNG 3 LÝ THUYẾT VỀ HIỆU CHỈNH VÀ KIỂM ĐỊNH MÔ HÌNH 1. Lựa chọn Tùy vào mục đích của ngƣời sử dụng mô hình mà ngƣời ta sử dụng các mô hình phù hợp. Trên thế giới đã xuất hiện nhiều mô hình khác nhau. Về nguyên tắc, mô hình càng phức tạp, dữ liệu đầu vào càng nhiều → Kết quả từ mô hình càng chính xác. Có 2 cách chọn mô hình + Theo cấu trúc và giá trị vào/ra: Khái quát hóa các tiến trình chủ yếu, mức độ chính xác cho việc tiên đoán, tính đơn giản của mô hình, thành lập các thông số, độ nhạy các thông số, giả định, tiềm năng cho việc cải tiến mô hình. + Theo vấn đề thực tế: Điều kiện tự nhiên của mô hình, khung thời gian, thiết bị tính toán, ứng dụng ,..... Đánh giá việc lựa chọn bằng cách trả lời các câu hỏi sau: + Các thông số mô hình cung cấp có thực sự theo yêu cầu của bài toán không? + Các đặc trƣng vật lý thể hiện qua các thông số của mô hình có thực sự đáp ứng việc ứng dụng thực tế không? + Các phƣơng trình sử dụng trong cấu trúc mô hình có đúng với thuật toán hiện đại phù hợp với dữ liệu và thiết bị máy tính không? + Các kết quả mà mô hình cung ứng có chất lƣợng tốt tƣơng xứng với chi phí theo một thời gian đặc thù không? 2. Hiệu chỉnh Hiệu chỉnh (calibration) là tiến trình mà trong đó các thông số và biến số của mô hình đƣợc điều chỉnh để kết quả ra của mô hình phù hợp với thực tế quan sát đƣợc. Hiệu chỉnh bộ thông số để số liệu xuất ra từ mô hình “phù hợp” với số liệu đo đạc. Trƣờng hợp hiệu chỉnh mô hình không thỏa thì phải kiểm tra lại số liệu thu thập và mô hình khái niệm. Phân tích độ nhạy của các thông số: Chỉ ra thông số nhạy “nhất” và hiểu đƣợc đặc tính của mỗi thông số.Từ đó chỉ ra thông số cần hiệu chỉnh. Báo cáo mô hình hóa môi trường 20