Giáo trình mô hình hóa trong quản lý và nghiên cứu môi trường

Bé Gi¸o dôc vµ §µo t¹o

§¹i häc Th¸i Nguyªn

Mai v¨n trÞnh - mai thÞ lan anh

m« h×nh ho¸ trong qu¶n lý

vµ nghiªn cøu m«i tr−êng

(Dïng cho sinh viªn n¨m thø ba chuyªn ngµnh m«i tr−êng)

Nhµ xuÊt b¶n §¹i häc Quèc gia Hµ Néi

2

3

MỤC LỤC

Trang

Lời nói ñầu...........................................................................................

CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÔ HÌNH HÓA................15

CHƯƠNG II. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN....................................

2. 1. Các khái niệm...........................................................................18

2.1.1. Hệ thống ........................................................................18

2.1.2. ðộng thái.......................................................................18

2.1.3. Mô hình .........................................................................19

2.1.4. Mô hình hóa...................................................................19

2.2. Mục ñích, ý nghĩa, tính ưu việt và những bất cập của mô

hình hóa...................................................................................20

2.2.1. Mục ñích của mô hình hóa .............................................20

2. 2.2. Ý nghĩa của nghiên cứu mô hình hóa.............................22

2.2.3. Tính ưu việt của mô hình hóa .........................................23

2.2.4. Bất cập của mô hình hóa................................................24

CHƯƠNG III. PHÂN LOẠI MÔ HÌNH ...............................................

3.1. Phân loại chung .........................................................................26

3.1.1. Mô hình lý thuyết (ý tưởng) ............................................26

3.1.2. Mô hình chứng minh tương tác.......................................26

3.1.3. Mô hình toán học và thống kê ........................................26

3.1.4. Mô hình minh họa trực quan ..........................................27

3.2. Phân loại theo cặp......................................................................27

4

CHƯƠNG IV. XÂY DỰNG MÔ HÌNH...........................................29

4.1. Cấu trúc của mô hình và các phương tiện mô tả mô hình............29

4.2. Xây dựng mô hình .....................................................................32

4.2.1. Mô tả hệ thống và xác ñịnh vấn ñề .................................33

4.2.2. Xác ñịnh ma trận liền kề ................................................34

4. 2. 3. Thiết lập biểu ñồ lý thuyết ............................................35

4. 2. 4. Thiết lập công thức toán...............................................36

4. 2. 5. Chuyển tải vào máy tính và kiểm tra ñộ chính xác........37

4. 2. 6. Phân tích ñộ nhạy cho từng mô hình con......................37

4. 2. 7. Phân tích ñộ nhạy cho mô hình lớn ..............................38

4. 2. 8. Hiệu chỉnh mô hình ......................................................39

4. 2. 9. Áp dụng mô hình ra diện rộng......................................40

4. 2. 10. ðánh giá mô hình.......................................................41

4. 2. 11. Áp dụng mô hình hóa trong bài toán cụ thể ................41

CHƯƠNG V. MỘT SỐ MÔ HÌNH CỤ THỂ....................................44

5.1. Mô hình ô nhiễm không khí.......................................................45

5.1.1. Các ñiều kiện ảnh hưởng ñến sự phát tán của khí

trong khí quyển............................................................46

5.1.2. ðộ ổn ñịnh của khí quyển và sự phân bố hàm lượng

chất ô nhiễm................................................................49

5.1.3. Phương trình cơ bản mô tả sự truyền tải và khuếch

tán chất ô nhiễm..........................................................55

5.1.4. Mô hình Gauss tính toán lan truyền chất ô nhiễm

không khí.....................................................................57

5.1.5. Mô hình Berliand tính toán lan truyền chất ô nhiễm

trong khí quyển............................................................63

5.2. Mô hình ô nhiễm nước...............................................................67

5.2.1. Một số kiến thức cơ bản liên quan tới mô hình hóa

chất lượng nước ..........................................................67

5

5.2.2. Giới thiệu mô hình QUAL2K:.........................................70

5.3. Một số mô hình khác .....................................................................

5. 3.1. Mô hình xói mòn do nước..............................................85

5.3.2. Mô hình ô nhiễm phân tán từ nông nghiệp AGNPS.........99

5.3.3. Mô hình xói mòn LISEM ..............................................107

5.3.4. Mô hình lan truyền thấm sâu chất hóa học LEACHM......109

5.4. Mô hình ñơn giản về lan truyền hóa chất trong ñất...................110

5.5. Mô hình Nleach_2D.................................................................113

5.5.1. Giới thiệu mô hình và các mô hình con ........................114

5.5.2. Mô hình cân bằng ñạm trong ruộng lúa có tầng ñế cày......117

5.5.3. Phát triển Nleach thành mô hình mô phỏng không gian ....119

5.6. Mô hình MIKE11. ...................................................................121

5.6.1. Mô tả sơ lược về MIKE 11 ...........................................121

5.6.2. Thuật toán trong mô hình thuỷ lực MIKE 11 ................127

6

7

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1: Phân loại mô hình (theo cặp)............................................28

Bảng 2: Kết quả tính toán cân bằng nước và chất ô nhiễm

Cadmium..........................................................................43

Bảng 3: Công thức tính δ z(x), δ y(x) cho vùng thoáng mở (nông

thôn) .................................................................................61

Bảng 4: Công thức tính δ z(x), δ y(x) choñiều kiện thành phố .......61

Bảng 5: Giá trị ñiển hình của hệ số mũ trong phương pháp

Rating curves....................................................................76

Bảng 6: Hệ số nhám Manning cho các bề mặt kênh hở (Chow

et al. 1988) .......................................................................79

Bảng 7: Các biến trạng thái của mô hình Q2K...............................83

Bảng 8: ðộ gồ ghề của mặt ñất trong các ñiều kiện khác nhau ......95

Bảng 9: Giá trị P cho ruộng bậc thang canh tác theo ñường

ñồng mức và ñộ dốc..........................................................98

8

DANH MỤC HÌNH

Hình 1: Lịch sử và tiến trình phát triển của các loại mô hình

sinh thái và môi trường.....................................................16

Hình 2: Ví dụ về cấu trúc biểu ñồ Forrester cho một mô hình

hệ thống nông nghiệp trong ñó có nhiều biến trạng

thái của một hệ thống nông nghiệp (Haefner, 2005)..........29

Hình 3: Các thành phần cơ bản của biểu ñồ Forrester......................

Hình 4: Biểu ñồ tổng quát trình tự xây dựng mô hình theo

Jøgensnen và Bendoricchio (2001)...................................33

Hình 5: Một hệ sinh thái ñơn giản biểu diễn chu trình các bon

giữa các hợp phần sinh thái..............................................34

Hình 6: Biểu ñồ Forrester cho mô hình hệ sinh thái hươu-cỏ

(theo hệ thống ở hình 5). Các ñường liền biểu thị

ñường biến ñổi C. ðường chấm biểu thị mối quan hệ

giữa các cấp và tốc ñộ ñầu vào và ñầu ra (ý nghĩa của

từng biểu tượng có thể xem hình 3)...................................36

Hình 7: Ví dụ về phân tích ñộ nhạy sự ảnh hưởng của các hàm

lượng ñạm ban ñầu ñến sự thay ñổi hàm lượng ñạm

trong ñất theo thời gian. ...................................................38

Hình 8: Kết quả hiệu chỉnh của mô hình mô phỏng hàm lượng

ñạm trong ñất trồng bắp cải (kết quả tính toán rất

khớp với hàm lượng ñạm ño trong ñất). ............................40

Hình 9: Biểu ñồ lý thuyết mô tả các thành phần của hệ thống

và các mối quan hệ giữa các thành phần ..........................42

Hình 10: Sơ ñồ chùm phân tán chất ô nhiễm không khí ñược sử

dụng trong nhiều mô hình phân tán không khí ..................45

9

Hình 11. Một số hiệu ứng từ phát thải do nguồn cao với những

ñám khói có hình dáng khác nhau tại các thời ñiểm

khác nhau (a), sự phát tán liên tục của luồng chất khí

trong không khí (b), và sự phát tán dòng chất nặng

của khí với một qũy ñạo ñặc biệt của ñám mây (c)............48

Hình 12. Khí quyển không ổn ñịnh hoặc siêu ñoạn nhiệt. Trong

trường hợp chưa bão hòa (bên trái), khi nâng lên cao,

khối khí chưa bão hòa tại mỗi mức ñều nóng hơn nhiệt

ñộ không khí xung quanh và vì vậy nhẹ hơn. Trong

trường hợp này khối khí sẽ thoát ra khỏi vị trí ban ñầu

với gia tốc cụ thể. Trong trường hợp bão hòa (bên

phải). Khi nâng lên cao, khối khí bão hòa tại mỗi mức

ñều nóng hơn nhiệt ñộ không khí xung quanh. Trong

trường hợp này khối khí sẽ thoát ra khỏi vị trí ban

ñầu. Nguồn: Bùi Tá Long (2008) ......................................50

Hình 13. Khí quyển ổn ñịnh hoặc “dưới ñoạn nhiệt” với khối khí

chưa bão hòa (bên trái) và bão hòa (bên phải), khi

nâng lên cao khối khí lạnh hơn và nặng hơn không khí

xung quanh. Trong trường hợp này khối khí có xu

hướng quay trở lại vị trí ban ñầu. Nguồn: Bùi Tá Long

(2008)...............................................................................51

Hình 14: Các trạng thái của môi trường và sự tác ñộng của nó

ñến sự phân bố của dải khói trong không gian..................53

Hình 15. Luồng khói bị hạn chế ở cả biên trên lẫn biên dưới như

“mắc bẫy” (trapping) – nghịch nhiệt bên dưới và bên

trên ống khói ....................................................................55

Hình 16. Sơ ñồ mô hình khuếch tán Gauss........................................59

Hình 17. ðộ nâng của vệt khói và chiều cao hiệu quả của ống

khói ..................................................................................62

10

Hình 18. Sự phân bố của dải khói và nồng ñộ chất ô nhiễm trong

ñó .....................................................................................64

Hình 19. Biểu ñồ các quá trình lan truyền ........................................69

Hình 20: Sự phân ñoạn của mô hình Q2K.........................................72

Hình 21: Cân bằng nước của ñoạn sông...........................................73

Hình 22: ðập ñỉnh nhọn ...................................................................75

Hình 23: Kênh hình thang ................................................................77

Hình 24: Cột nước............................................................................79

Hình 25: Cân bằng nhiệt ..................................................................82

Hình 26: ðộ gồ ghề với khoảng cách ñộ cao với bề mặt (Hội bảo

vệ ñất và nước Hoa Kỳ, 1993)...........................................95

Hình 27: Sơ ñồ xây dựng bản ñồ xói mòn ñất từ các bản ñồ ñầu

vào, số liệu thuộc tính dựa trên mô hình RUSLE...............99

Hình 28: Mô hình AGNPS chạy kết hợp với phần mềm GIS mô

phỏng các quá trình nước và di chuyển của hóa chất......106

Hình 29: Biểu ñồ biểu diễn cơ chế xói mòn của LISEM (Hessel

et al., 2002) ....................................................................107

Hình 30: Mô phỏng hướng dòng chảy trong mô hình xói mòn lưu

vực .................................................................................109

Hình 31: Các hợp phần chính và ñường phát triển của LEACHM

(Hutson, 2003)................................................................110

Hình 32: Biểu ñồ biểu diễn sự lan truyền chất hóa học trong ñất....111

Hình 33: Phân bố hàm lượng ñạm trong ñất theo chiều sâu lúc

ban ñầu, sau 40, 80 và 100 ngày.....................................112

11

Hình 34. Hàm lượng ñạm khoáng ño và tính toán tại các ñộ sâu

khác nhau trong ñất trồng lúa trong trường hợp không

có mô-ñun tầng ñế cày (trái) và có mô-ñun tầng ñế

cày (phải). ......................................................................118

Hình 35. Biểu ñồ lý thuyết mô tả ñộng thái ñộ ẩm ñất và ñạm

trong ñất.........................................................................119

Hình 36. Kết quả mô phỏng của mô hình Nleach không gian về

hàm lượng ñạm khoáng (mg l–1) tại xã Vân Hội, huyện

Tam Dương ngày 6 tháng 3 năm 2004 (a) và ngày 26

tháng 3 năm 2005 (b); dòng ñạm chảy nghiêng tích

lũy (kg ha–1 năm–1) năm 2004 (c) và năm 2005 (d); và

kết quả mô phỏng tổng lượng ñạm mất do thấm sâu

(kg ha–1 năm–1) năm 2004 (e), và năm 2005 (f) ...............120

Hình 37: Mô tả phương trình liên tục .............................................125

Hình 38: Mô tả phương trình ñộng lượng .......................................126

Hình 39: Nhánh sông với các ñiểm lưới xen kẽ ...............................129

Hình 40: Cấu hình các ñiểm lưới xung quanh ñiểm mà tại ñó ba

nhánh gặp nhau..............................................................130

Hình 41: Cấu hình các ñiểm lưới và các ñiểm trong một mẫu

hoàn chỉnh......................................................................131

Hình 42: Ma trận nhánh trước khi khử ...........................................133

Hình 43: Ma trận nhánh sau khi ñã khử..........................................133

Hình 44: ðiểm ba nhánh với giới hạn của phương trình liên tục.....134

12

13

LỜI NÓI ðẦU

Nghiên cứu và quản lý môi trường ñòi hỏi tổng hợp các kiến

thức về các ngành khoa học cơ bản và ứng dụng ñặc biệt là

những kiến thức về vật lý, hóa học và sinh học với xu hướng

ñịnh lượng hóa ngày một cao, chặt chẽ hơn phục vụ cho việc

phát triển công nghệ quản lý, xử lý môi trường.

Một phần không thể thiếu ñược trong ñịnh lượng hóa các

quá trình môi trường là phương pháp mô hình hóa. Mô hình hóa

môi trường giúp chúng ta có những kiến thức cơ bản nhất về

nhận biết và mô tả hệ thống, phân tích hệ thống, liên kết các cấu

phần của hệ thống thành một loạt các mối quan hệ toán học logic

bằng các hàm toán học ñể từ ñó làm chủ ñược các quá trình ñịnh

lượng ở mọi ñiều kiện môi trường và lĩnh vực khác nhau.

Cuốn giáo trình Mô hình hóa trong quản lý và nghiên cứu

môi trường bao gồm 3 chương:

Chương 1 giới thiệu chung về mô hình hoá bao gồm những

khái niệm cơ bản như hệ thống, mô hình, mô hình hoá, mục ñích

ý nghĩa và tính ưu việt của mô hình hoá. Cuối cùng là phân loại

mô hình.

Chương 2 là phần quan trọng nhất giúp cho người ñọc trang

bị cho mình phương pháp mô hình hóa, các bước cơ bản và

những ñiều cần chú ý ñể xây dựng một mô hình;

Chương 3 là các mô hình cụ thể mà người ñọc có thể tham

khảo, tìm hiểu ñể ứng dụng cho nghiên cứu của mình, ñặc biệt là

các mô tả chi tiết về mô hình chất lượng nước (Qual2K) và các