Bài giảng Mô hình hóa môi trường - Chương 1: Giới thiệu môn học

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