Chương 1 Tổng quan về mô hình hóa môi trường

10-May-11 1 LOGO MÔ HÌNH HÓA MÔI TRƯỜNG GIỚI THIỆU MÔN HỌC www.themegallery.com Company Logo Vị trí của môn học Mục tiêu môn học Phương pháp tiếp cận của môn học Tài liệu tham khảo Nội dung môn học MÔ HÌNH HÓA MÔI TRƯỜNG www.themegallery.com Company Logo MỐI LIÊN HỆ GIỮA MHH MT VÀ CÁC MÔN HỌC KHÁC www.themegallery.com Company Logo Mục tiêu môn học • Là cơ sở lý luận và thực tiễn của phương pháp mô hình hóa MT •Biết cách ứng dụng cụ thể của mô hình trong công tác quản lý môi trường hiện nay •Ứng dụng một số phần mềm tính tự động hóa tính toán ô nhiễm, quản lý môi trường. - Giúp cho sinh viên làm quen với PP mô hình toán học - Giới thiệu các mô hình toán ứng dụng để giải quyết các bài toán MT - Hướng tới kỹ năng suy nghĩ logic, sáng tạo 10-May-11 2 www.themegallery.com Company Logo • Xây dựng giản đồ thông tin • Nắm bắt các qui luật vật lý trong từng bài toán; • Các công cụ toán được sử dụng để tham số hóa các qui luật vật lý. Một số kiến thức toán được sử dụng trong MHH: phương trình vi phân, điều kiện ban đầu, điều kiện biên, phương pháp giải số, biểu diễn kết quả; • Công cụ tin học: các phần mềm; • Tài liệu tham khảo. Phương pháp tiếp cận của môn học www.themegallery.com Company Logo Phương pháp tích hợp www.themegallery.com Company Logo • Kiểm soát những ảnh hưởng đến môi trường • Thay thế các công cụ đo đạc tốn kém • Ứng dụng công nghệ thông tin • Thay đổi cách quản lý được dễ dạng hơn Lợi ích khi ứng dụng mô hình toán www.themegallery.com Company Logo Một số tài liệu tham khảo 10-May-11 3 www.themegallery.com Company Logo Nội dung môn học Chương 2: Mô hình hóa môi trường nước sông Chương 3: Mô hình hóa môi trường nước hồ Chương 4: Mô hình hóa môi trường không khí Chương 5: Mô hình hóa môi trường đất Chương 1: Tổng quan về mô hình hóa môi trường Chương 6: Mô hình hóa bãi chôn lấp chất thải rắn 1 buổi (4t) 2 buổi (8t) 2 buổi (8t) 1 buổi (4t) 1 buổi (4t) www.themegallery.com Company Logo Tiêu chuẩn đánh giá sinh viên Dự lớp: trên 75% Thảo luận theo nhóm Tiểu luận Kiểm tra thường xuyên Thi giữa học phần Thi kết thúc học phần Khác: theo yêu cầu của giảng viên www.themegallery.com Company Logo Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH HÓA MÔI TRƯỜNG Bài 1 www.themegallery.com Company Logo Nội dung Chức năng của MHH MT Các bước thực hiện MHH MT Giới thiệu một số mô hình Các khái niệm 10-May-11 4 www.themegallery.com Company Logo Các khái niệm •Ngày nay hầu hết các ngành khoa học đều sử dụng “mô hình”, (“model”) • Mô hình không chỉ xuất hiện trong khoa học tự nhiên mà còn xuất hiện trong khoa học xã hội. • 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 thì mô hình được hiểu như một dạng mẫu tương tự. • Tuy nhiên có nhiều thuật ngữ “mô hình” được sử dụng rất khác nhau. www.themegallery.com Company Logo Mô hình là gì ? www.themegallery.com Company Logo § 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. § Mô hình là một mẫu thể hiện một sự vật còn chưa được xây dựng trên thực tế, được xem như là kế hoạch và sẽ được xây dựng. § 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”. § Thuật ngữ “model”có thể được dùng như một kiểu mẫu thiết kế của một đối tượng cụ thể. § Thuật ngữ “model” có thể được dùng cho đối tượng là người tiêu biểu cho một hay nhiều tiêu chí khác nhau. § Thuật ngữ “model” có thể là người hay vật thể phục vụ cho họa sĩ hay người chụp hình nghệ thuật. § Thuật ngữ “model” có thể dùng chỉ người có nghề nghiệp là trình diễn thời trang. Các khái niệm (tt) www.themegallery.com Company Logo Tóm lại: Mô hình là một đối tượng cụ thể nào đó dùng thay thế cho một nguyên bản tương ứng để có thể giải quyết một nhiệm vụ nhất định trên cơ sở đồng dạng về cấu trúc và chức năng 10-May-11 5 www.themegallery.com Company Logo § Theo Pierre Duhem- nhà vật lý người Pháp: “Mô hình trong KH chỉ là một công cụ để giải thích về lý thuyết và có thể được loại bỏ một khi một lý thuyết khác được phát triển”. § Theo Campell- nhà vật lý người Anh: “Mô hình là một phần thiết yếu (của lý thuyết), không có nó lý thuyết sẽ hoàn toàn không có giá trị” Mô hình trong khoa học ? § Theo Nico Stehr Ø Mô hình là công cụ giúp dự báo cũng như tính toán trước những hậu quả có thế trong thực thi các dự án kinh tế và phát triển xã hội. Ø 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. www.themegallery.com Company Logo Theo quan điểm của Stehr không tồn tại phương pháp chung cho mô hình hóa nhưng có hai thuộc tính thường cần được quan tâm trong quá trình mô hình hóa, đó là: • Chất lượng mô hình • Kết quả định lượng được tạo ra từ mô hình. www.themegallery.com Company Logo Mô hình hóa môi trường là gì ? Một tác nhân ô nhiễm sau khi được đưa ra từ nguồn sẽ bị chuyển hóa, biến đổi về thành phần và khối lượng do tác động của các yếu tố môi trường (nhiệt độ, gió, nước, địa hình, sinh vật…) Trong nhiều trường hợp sự chuyển hóa, phân tán hoặc pha loãng chất ô nhiễm theo thời gian và không gian có thể được dự báo bằng phương pháp mô hình hóa môi trường Mô hình hóa môi trường là cách tiếp cận toán học mô phỏng diễn biến chất lượng môi trường dưới ảnh hưởng của một hoặc tập hợp các tác nhân có khả năng tác động đến môi trường, dự báo tác động môi trường và kiểm soát các nguồn gây ô nhiễm www.themegallery.com Company Logo Để giải quyết tốt nhiệm vụ trên, cần thiết phải phát triển lý thuyết hệ thống và mô hình hóa, coi đây là công cụ chính để nghiên cứu môi trường. Vì sao cần mô hình hóa môi trường ? . Xây dựng các PP đánh giá sự bền vững của các HST . Nghiên cứu các quy luật biến đổi theo thời gian của các HST . Hoàn thành các phương pháp đánh giá định lượng tác động môi trường của các hoạt động kinh tế - xã hội. 10-May-11 6 www.themegallery.com Company Logo Nguyên lý của mô hình hóa www.themegallery.com Company Logo Mô hình toán học của một đối tượng bất kỳ là mô tả nó bằng các công cụ, phương pháp toán học. Cụ thể hơn trong môi trường, mô hình toán là các công thức để tính toán các quá trình hóa học, vật lý và sinh học được mô phỏng từ hệ thống thực Mô hình toán là gì? Rất nhiều biểu thức toán học các quá trình liên quan tới mô phỏng môi trường sinh thái đã tồn tại: v Các quá trình vật lý: các quá trình lan truyền, hấp thụ, sự phụ thuộc nhiệt độ, bay hơi. v Các quá trình hóa học: ôxy hóa, ion hóa, ... v Các quá trình sinh học: quang hợp, sự tăng trưởng, sự lắng trầm tích, sự phân rã, ... www.themegallery.com Company Logo Khả năng của mô hình toán § Bằng các công cụ mang tính hình thức để giải phương trình và các bất phương trình hay bằng thuật toán người nghiên cứu có thể dự báo sự thay đổi hành vi của đối tượng nghiên cứu. § Xem các đối tượng này thay đổi như thế nào khi các điều kiện này hay điều kiện khác thay đổi (được mô tả bởi các tham số của mô hình). § Quá trình này gọi là mô phỏng toán học. www.themegallery.com Company Logo MHH 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 nhậnđược thông tin quí giá về thế giới thực. Thông tin nhận được từ quá trình mô hình hóa 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 quyếtđịnh quản lý cụ thể. Tóm lại 10-May-11 7 www.themegallery.com Company Logo Phân loại mô hình Loại mô hình Đặc điểm Mô hình nghiên cứu (Research models) Mô hình quản lý (Management models) Được sử dụng như công cụ nghiên cứu Được sử dụng như công cụ quản lý Mô hình tiền định (Deterministic models) Mô hình dự đoán (Stochastic models) Giá trị dự đoán được tính toán chính xác Giá trị dự đoán phụ thuộc vào phân bố xác suất Mô hình hộp (Compartment models) Mô hình ma trận Các biến xác định hệ thống được lượnghóa bằng các phương trình vi phân phụ thuộc thời gian Sử dụng ma trận trong các công thức toán www.themegallery.com Company Logo Mô hình quản lý môi trường có một số đặc điểm riêng: Bài toán quản lý có thể được phát biểu như sau: nếu một số biến ngoại sinh (hay hàm điều khiển) thay đổi thì điều này sẽ gây ảnh hưởng thế nào tới hệ sinh thái. Mô hình môi trường được sử dụng để trả lời cho câu hỏi này, nói cách khác mô hình môi trường được dùng để dự báo. Mô hình quản lý và mô hình kiểm soát Khi chúng ta chọn các phương án tính toán khác nhau, có nghĩa là chúng ta hình thành các kịch bản (cho mô hình chạy). Trong số các kịch bản này ta chọn kịch bản phù hợp với chính sách phát triển kinh tế - xã hội nhất. Khi đó mô hình được sử dụng như một mô hình quản lý. Chúng ta biến mô hình này thành mô hình kiểm soát khi chúng ta muốn đạt được mức độ nồng độ cho phép ở một ngưỡng xác định nào đó. www.themegallery.com Company Logo CÁC CHỨC NĂNG CỦA MÔ HÌNH HÓA MÔI TRƯỜNG 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 HST 3. Mô hình phản ánh các lỗ hỗng 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 dụng bên trong của hệ sinh thái, dùng nó để so sánh với các quan sát. Việc ứng dụng các mô hình môi trường trong sinh thái học và môi trường đã cho thấy những thuận lợi của chúng như là công cụ hữu dụng trong môi trường: www.themegallery.com Company Logo Vai trò chính của mô hình hóa MT đó là: ü Đánh giá tổng hợp của các yếu tố đối với từng thành phần môi trường ü Đánh giá tổng hợp đến các thành phần môi trường ü Đánh giá nhanh nhằm hỗ trợ ra quyết định ü Đánh giá sự vận chuyển, biến đổi, chuyển hóa của các chất ô nhiễm ü Đánh giá và dự báo lan truyền ô nhiễm theo không gian và thời gian CÁC CHỨC NĂNG CỦA MÔ HÌNH HÓA MÔI TRƯỜNG (tt) 10-May-11 8 www.themegallery.com Company Logo CÁC BƯỚC THỰC HIỆN MÔ HÌNH HÓA MÔI TRƯỜNG Các thành phần • Biến trạng thái • Hàm điều khiển • Phương trình toán • Tham số • Hằng số Giai đoạn lý thuyết Giai đoạn thực nghiệm Giai đoạn diễn giải Các giai đoạn = dt dm Nguyên lý bảo toàn khối lượng Các nguyên lý cơ bản = dt dm Đầu vào – Đầu ra www.themegallery.com Company Logo Biến trạng thái (state variables): Mô tả tình trạng của hệ sinh thái Ví dụ Nếu chúng ta muốn mô hình hóa sự tích lũy sinh học của độc chất, khi đó cần lấy biến trạng thái là sinh vật trong các chuỗi thức ăn quan trọng và nồng độ các chất độc trong cơ thể sinh vật. Trong mô hình phú dưỡng: biến trạng thái sẽ là nồng độ các chất dinh dưỡng và phiêu sinh thực vật. Hàm điều khiển (biến ngoại sinh)- (forcing function): Là hàm số của các biến đặc tính bên ngoài có ảnh hưởng đến tình trạng của hệ sinh thái. Nếu hàm điều khiển nằm trong tầm kiểm soát thì được gọi là hàm kiểm soát. Ví dụ Trong các mô hình độc học sinh thái, hàm kiểm soát là các chất độc đầu vào hệ sinh thái. Trong mô hình phú dưỡng thì hàm kiểm soát là các chất dinh dưỡng đầu vào. Các thành phần trong quá trình mô hình hóa môi trường www.themegallery.com Company Logo Phương trình toán (mathematical equations): Được sử dụng để biểu diễn các quá trình sinh học, hóa học và vật lý. Chúng mô tả mối quan hệ giữa hàm điều khiển và biến trạng thái Tham số (parameters): Là hệ số trong các phương trình toán biểu diễn quá trình. Hằng số (universal constants). Ví dụ như hằng số khí và trọng lượng nguyên tử được sử dụng trong hầu hết các mô hình. Các thành phần trong quá trình mô hình hóa môi trường (tt) Ví dụ về mô hình hệ sinh thái nước với các biến trạng thái : S1, S2, , S3, S4, S5; các biến ngoại sinh V1, V2. www.themegallery.com Company Logo Các giai đoạn cơ bản của quá trình xây dựng mô hình môi trường Người làm mô hình phải quan tâm tới các thành phần tham gia vào mô hình. Các phương trình và các tham số liên quan phải phản ánh đúng các thành phần của mô hình 10-May-11 9 www.themegallery.com Company Logo Các nguyên lý cơ bản áp dụng trong xây dựng mô hình môi trường Các mô hình hóa- sinh học phải tuân thủ nguyên lý bảo tồn khối lượng cũng như nguyên lý bảo toàn năng lượng và động lượng. Nguyên lý bảo toàn vật chất có thể được thể hiện bằng công thức toán học sau đây: = dt dm Đầu vào – Đầu ra Thay m = V.C, trong đó C là nồng độ, V – là thể tích của hệ, ta có công thức = dt dc V = dt dcV Đầu vào – Đầu ra Nếu sử dụng nguyên lý bảo tồn khối lượng cho các thành phần hóa học, có thể biến đổi phương trình trên như sau: = dt dcV Đầu vào – Đầu ra + Bổ sung – Biến đổi www.themegallery.com Company Logo Mô hình Streeter – Phelps (năm 1925) là một mô hình cổ điển cho hệ sinh thái nước mặt dựa trên nguyên lý bảo toàn vật chất và nguyên lý động lượng bậc nhất. Mô hình này có dạng phương trình: KtT Ta eKKLDKdt dD --=+ 2010 D Cs – C(t) Cs Nồng độ của ôxy bão hòa C(t) Nồng độ ôxy hiện tại t Thời gian Ka Hệ số phản xạ L0 BOD5 tại thời điểm ban đầu K1 Hệ số phân hủy sinh học KT Hằng số nhiệt độ www.themegallery.com Company Logo Phân tích độ nhạy Xây dựng các mục tiêu Xem xét các cơ sở lý thuyết Xây dựng công thức mô phỏng Thiết lập cấu trúc mô hình Hiệu chỉnh và sửa chữa Triển khai chương trình máy tính Thiết lập phương pháp giải Các bước thực hiện mô hình hóa www.themegallery.com Company Logo GIỚI THIỆU KHÁI QUÁT MỘT SỐ MÔ HÌNH ỨNG DỤNG TRONG MÔI TRƯỜNG Mô hình môi trường nước Mô hình HSPF (Hydrological Simulation Program Fortran (USEPA), 1984): Mô phỏng trong không gian 2 chiều ở trạng thái động lực với các thông số chất lượng nước: các chất hoà tan, SS, DO, các chất dinh dưỡng và các loại vi khuẩn chỉ thị. Dự báo xu thế thay đổi chất lượng nước trong dòng chảy sau các trận mưa và các thông tin về việc thu nước ở các kênh. Mô hình SWMM (Storm Water Management Model): Phát triển trên cơ sở mô hình HSPF, tính toán xu thế biến đổi chất lượng nước cho cả một lưu vực sông...với các nguồn thải không điểm. Mô hình SWMM là mô hình 1 chiều với trạng thái động lực mô phỏng sự chảy tràn nước mưa qua các vùng đất nông nghiệp và các khu vực đô thị với các thông tin về dòng chảy của các hệ thống thu gom nước. Mô hình WAPS (USEPA): Ghép nối mô hình thuỷ lực (DYNHYD) với mô hình lan truyền chất (WAPS), mô phỏng sự lan truyền và chuyển hóa các chất ô nhiễm trong dòng chảy. Tùy theo mục đích, số liệu đầu vào và các thông tin cơ sở về các quá trình chuyển hóa các chất trong dòng chảy, có thể sử dụng để tính toán ở các dạng đơn giản, cải tiến hay phức tạp. 10-May-11 10 www.themegallery.com Company Logo Hệ thống mô hình MIKE: Hệ thống này có thể tính toán sự lan truyền chất ô nhiễm trong dòng chảy từ các nguồn khác nhau vào các lưu vực khác nhau. Tùy thuộc đối tượng nghiên cứu, yêu cầu tính toán các thông số chất lượng nước trong dòng chảy sông, cửa sông, hồ hay biển mà áp dụng các phiên bản khác nhau như MIKE 11, MIKE 21, MIKE 3, MIKE SHE, MIKE MOUSE và MIKE BASIN. Mô hình môi trường nước (tt) Mô hình QUAL: Mô hình do Đại Học Tufts và Trung tâm Mô hình Chất lượng Nước của Cục Môi Trường Hoa Kỳ xây dựng Chức năng: (i) dự báo diễn biến chất lượng nước sông theo không gian và thời gian; (ii) dự báo tải trọng cho phép của các chất ô nhiễm thải vào lưu vực sông; Tính toán với nhiều nguồn thải khác nhau bao gồm cả nguồn điểm và nguồn diện Các phần tử tính toán có độ dài bằng nhau www.themegallery.com Company Logo Mô hình QUAL (tt) Cân bằng nước: Qi = Qi-1 + Qvào,i – Qra, i Mô phỏng mạng lưới sông suối www.themegallery.com Company Logo Mô hình QUAL2K Môi trường: Windows – MS Excel Các tính năng tương tự như mô hình QUAL2EU Xây dựng trên cơ sở ngôn lập trình: VBA - Visual Basic for Application www.themegallery.com Company Logo Mô hình môi trường không khí Mô hình GAUSSIAN Mô hình do Viện Kỹ thuật Nhiệt đới và Bảo vệ Môi trường xây dựng Môi trường Windows – MS Excel Xây dựng trên cơ sở ngôn lập trình: VBA - Visual Basic for Application Chức năng: đánh giá và dự báo tác động do khí thải từ các nguồn điểm đến môi trường không khí theo không gian và thời gian 10-May-11 11 www.themegallery.com Company Logo Mô hình GAUSSIAN (tt) Tổ chức thành các sheet khác nhau Lượng phát thải từ nguồn điểm là hằng số theo thời gian Địa hình bằng phẳng Tốc độ gió không đổi theo thời gian www.themegallery.com Company Logo Mô hình CAP Mô hình do Viện Môi trường và Tài nguyên xây dựng Môi trường Windows Các tính năng tương tự như mô hình GAUSSIAN Mô hình môi trường không khí (tt) www.themegallery.com Company Logo Mô hình Envimap Mô hình do Viện Môi trường và Tài nguyên xây dựng Cải tiến của mô hình CAP trên cơ sở GIS Tích hợp với GIS – định dạng mif Cho phép dự báo tác động của nhiều nguồn thải đồng thời Dự báo được thể hiện trên cơ sở các đường đẳng nồng đồ tích hợp trên nền bản đồ số Mô hình môi trường không khí (tt) www.themegallery.com Company Logo Mô hình hóa môi trường đất (mô hình nước dưới đất) Mô hình Vleach Môi trường MS-DOS Chức năng: đánh giá và dự báo lan truyền ô nhiễm của chất hữu cơ trong đất và nước ngầm ở dạng tổng và các pha khác nhau: pha khí, pha lỏng và pha rắn Mô hình 1 chiều (One- Dimension) Kết quả đầu ra: (i) dạng Text cho dữ liệu; (ii) dạng đồ thị 10-May-11 12 www.themegallery.com Company Logo Mô hình MODFLOW Visual MODFLOW là mô hình môi trường đầy đủ nhất và dễ dàng ứng dụng vào thực tế trong dòng chảy nước dưới đất ba chiều và mô phỏng sự lan truyền chất ô nhiễm trong nước dưới đất. Chương trình này được tích hợp đầy đủ bao gồm các modules như: MODFLOW, MODFLOWSURFACT, MODPATH, Zone Budget, MT3Dxx/RT3D, MGO, và WinPEST với giá trị giao diện đồ họa mạnh mẽ và trực quan nhất. Mô hình môi trường đất (tt) Mô hình Saniland ØMô hình do Trung tâm Cung ứng Mô hình, Cục BVMT Hoa Kỳ xây dựng ØMôi trường Windows – MS Excel ØXây dựng trên cơ sở ngôn lập trình: VBA - Visual Basic for Application ØTổ chức thành các sheet khác nhau ØChức năng: đánh giá và dự báo (i) Lượng khí phát sinh từ bãi rác; (ii) Lượng nước rỉ rác phát sinh từ bãi rác ØCho phép thay đổi thành phần rác đầu vào trên cơ sở bảng phân loại qui định theo 2 bậc: bậc 1 và bậc 2 tùy theo mức độ chi tiết của số liệu ØCho phép thay đổi các thông số về cấu trúc của bãi chôn lấp chất thải rắn