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

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

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

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


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.

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

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


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

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

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


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

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,

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?

Đạt

Dừng

Không
đạt

Thay đổi bộ
thông số

Các bƣớc hiệu chỉnh mô hình
3. Kiểm định mô hình
a. Khái niệm
Kiểm định mô hình là đánh giá mức độ phù hợp giữa số liệu đo đạc và số liệu từ mô
hình thông qua các tham số thống kê hoặc bằng trực quang. Đây là bƣớc tiếp theo sau
công việc hiệu chỉnh mô hình nhằm kiểm tra các thông số của mô hình.
b. Mục tiêu kiểm nghiệm mô hình
Mô hình cần đƣợc kiểm nghiệm nhằm kiểm tra các thông số mô hình đƣa ra có phù
hợp với các diễn biến của thực tế hay không. Nói một cách chi tiết, việc kiểm nghiệm
gồm các trả lời các hàm ý sau
Các biểu hiện ở đầu ra của mô hình mô phỏng có phù hợp với các biểu hiện đầu ra
của hệ thống thực tế đã đƣợc quan trắc;
Báo cáo mô hình hóa môi trường
21


Các thông tin ở đầu ra của mô hình ( lƣu ý là đầu ra của mô hình mô phỏng không
phải là thành lập số liệu mà là thông tin) có đủ độ chính xác nhƣ mong muốn ở mô
hình;
Trong quá trình xác định các thông số, nếu có sai biệt ý nghĩa giữa số liệu của sự kiện