Bài giảng về môn Môi trường và tài nguyên

Nội dung text: Bài giảng về môn Môi trường và tài nguyên

1. NỘI DUNG BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ TSKH. BÙI TÁLONG 1
2. NỘI DUNG VÀTHỜI LƯỢNG § MÔ HÌNH, MÔ HÌNH HÓA VÀMÔ HÌNH HÓA CÁC QUÁTRÌNH MÔI TRƯỜNG (4 TIẾT) § PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG CÁC MÔ HÌNH TOÁN SINH THÁI (4 TIẾT) § MÔ HÌNH HÓA Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ (16 TIẾT) § MÔ HÌNH HÓA Ô NHIỄM NƯỚC (16 TIẾT) § XÂY DỰNG PHẦN MỀM TÍCH HỢP GIS, CSDL MÔI TRƯỜNG VÀMÔ HÌNH TOÁN TRÊN VÍDỤCAP, ENVIMAP (5 TIẾT) § TÀI LIỆU THAM KHẢO 2
3. MỐI LIÊN HỆ GIỮA MÔN HỌC VÀCÁC MÔN HỌC KHÁC 3
4. MÔ HÌNH, MÔ HÌNH HÓA VÀMÔ HÌNH HÓA CÁC QUÁTRÌNH MÔI TRƯỜNG BùiTáLong, ViệnMôitrườngvàTàinguyên 4
5. Tổngquanvềmônhọc 11 MMụụccttiiêuêu 22 NNộộiidudungng 33 PhPhươươnnggphápháppngnghhiiêêncncứứuu 44 KiKiểểmmttrara 5
6. Mục đích § Cơ sở lýluậnvàthựctiễncủaphươngpháp môhìnhhóamôitrường; § Biếtcách ứngdụngcụthể củamôhìnhtrong côngtácquảnlýmôitrườnghiệnnay; § Ứngdụngmộtsốphầnmềmtínhtựđộng hóatínhtoánô nhiễm, quảnlýmôitrường. 6
7. Nộidung § Vaitròcủamôhìnhmôitrường § Mô hìnhhóatrongnghiêncứusinhthái § Mô hìnhhóachấtlượngnước § Mô hìnhhóachấtlượngkhôngkhí 7
8. Phươngphápnghiêncứu § Xây dựnggiản đồ thôngtin; § Nắmbắtcácqui luậtvậtlýtrongtừngbàitoán; § Cáccôngcụtoán đượcsửdụng để thamsốhóa cácqui luậtvậtlý. Mộtsốkiếnthứctoán được sử dụngtrongmôhìnhhóa: phươngtrìnhvi phân, điềukiệnban đầu, điềukiệnbiên, phương phápgiảisố, biểudiễnkếtquả; § Công cụ tin học: cácphầnmềm; § Tàiliệuthamkhảo. 8
9. NỘI DUNG BÀI 1 § Mô hìnhnhư mộtcôngcụkếtnốithế giớitự nhiênvàxãhộiloàingười. § Mô hìnhhóamôitrườngnhư mộtbộphận khôngtáchrờicủamôhìnhhóanóichung. § Cácdạngmôhìnhmôitrường. § Mộtsốnguyêntắccơbảntrongxâydựng môhình 9
10. Môhìnhnhư mộtcôngcụkếtnốithế giớitựnhiênvàxãhộiloàingười. § Ngàynay hầuhếtcácngànhkhoahọcđềusử dụng“môhình”, (“model”). § Mô hìnhkhôngchỉ xuấthiệntrongkhoahọctự nhiênmàcònxuấthiệntrongkhoahọcxãhội. § Vớinhiềunhànghiêncứumôhình đượchiểulà cácmôhìnhsốphứctạpchạytrênmáytính, trong mộtsốngànhkhoahọckhácmôhình đượchiểu như mộtdạngmẫutươngtự. § Tuynhiêncórấtnhiềuthuậtngữ “môhình” được sử dụngrấtkhácnhau. 10
11. Điểm đượcthốngnhấtcaovề“model” § Ứngdụngcủamôhìnhrấtrộng, chúnggiúpchoquátrìnhthông qua quyết địnhtrongcuộcsống hàngngày; § Mô hìnhlàmộtkháiniệmcơbản củakhoahọcvà đóngvaitrò đặc biệtquantrọngtrong khoahọc môitrường nơicácphépthí nghiệmrấtkhótiếnhành 11
12. “Make things as simple as possible, but not any simpler.” Albert Einstein 12
13. Môhìnhnhư mộtcôngcụchínhkết nốitựnhiênvàxãhội, NicoStehr § “Thậtdễ dàngvẽ mộtbiểu đồ hơn là môtả chính xácnhững điềuthựctế đangdiễnra” § “Trongnghiêncứukhoahọc, thu thậpthôngtin vềđốitượng nghiêncứulàchưa đủ, cầnthiết phảitổngquáthóadữliệu được thuthậpthànhcáccôngthức”. 13
14. Thuậtngữ “model”cũng được định nghĩatheonhiềucáchkhácnhau § Mô hìnhlàmộtđốitượngnhỏ, thường đượcxâydựngtheotỷ lệ, nó môtả một vài đốitượngthựctếtrongtự nhiên. § Mô hìnhlàmộtmẫuthể hiệnmộtsựvậtcònchưa đượcxâydựngtrênthực tế, đượcxemnhư làkếhoạch(trênthựctếsẽlớnhơnmẫu) vàsẽđượcxây dựng. § Thuậtngữ “model”cóthể làmộtmẫuđượcsửdụng để trắcnghiệmvềngữ pháp“haimẫucâu có cấu trúcvănphạmtương phảnnhau”. (Noam Chomsky) § Thuậtngữ “model”cóthểđượcdùngnhư mộtkiểumẫuthiếtkế củamộtđối tượngcụthể. Vídụcóthể nóichiếcxe củaanhta là mẫuxe củanămngoái. § Thuậtngữ “model”cóthểđượcdùngcho đốitượnglàngườitiêubiểucho mộthay nhiềutiêuchíkhácnhau. § Thuậtngữ “model”cóthể làngườihay vậtthể phụcvụchohọasĩhay người chụphìnhnghệ thuật. § Thuậtngữ “model”cóthể dùngchỉ người có nghề nghiệp là trìnhdiễnthời trang. (The American Heritage Dictionary of the English Language, New York: Houghton Mifflin 1969) 14
15. Stehr đã thêm vàomệnh đề sau § Mô hình là công cụ tốt § Mô hình toán học còntốthơn. Mẫusốchungnhấtcho cácmô hình: chínhlàchứcnăngquan trọngnhất của chúng–là sự giảmthiểu độ phức tạp của phạmvi yêucầu 15
16. § Pierre Duhem, nhàvậtlýngườiPháp: “mô hìnhtrongkhoa học chỉ là mộtcông cụ để giải thíchvề lý thuyếtvà có thể được loạibỏ mộtkhimộtlý thuyết khác được pháttriển”. § Campell, nhàvậtlýngườiAnh: “mô hình là mộtphầnthiếtyếu(củalý thuyết), không có nó lý thuyết sẽ hoàn toànkhông có giá trị” 16
17. Stehr: 2 thuộctínhcầnquantâm § Chấtlượngmôhình § Kếtquảđịnhlượng đượctạoratừmô hình. 17
18. Stehr: § Mô hìnhlàcôngcụgiúpdựbáocũngnhư tính toántrướcnhữnghậuquả cóthế trongthựcthi cácdựánkinhtếvàpháttriểnxãhội. § Dự báo này đượcxâydựngtrênnhữngtri thức về đặctrưng của các quá trình xảyratrongthiên nhiên, qui luật pháttriểnxã hộivà sự ảnhhưởng lẫnnhautrongmốiquanhệ tươnghỗ này. 18
19. Tómlại § Mô hìnhhóacácquátrìnhvàhiệntượngxảyra trongxãhộivàthiênnhiên đượcthừanhận như mộtcôngcụmạnhgiúphiểubiếtsâuhơnbảnchất củatựnhiênvàgiúploàingườinhận đượcthôngtin quígiávềthế giớithực. § Thông tin nhận đượctừquátrìnhmôhìnhhóatiếp tụcthúc đẩysựpháttriểncácphươngphápmới giảiquyếtcácbàitoánkhoahọccũngnhư làmcơ sởthôngqua cácquyết địnhquảnlýcụthể. 19
20. Môhìnhhóamôitrườngnhư mộtphần củamôhìnhhóatựnhiên–xãhội. § Mộtsốđịnhnghĩavàkháiniệmcơbản § Cấutrúccơbảncủamôhìnhhóamôi trường § Cácthànhphầntrongquátrìnhmôhình hóamôitrườngsinhthái § Cácbướccủaquátrìnhmôhìnhhóamôi trường 20
21. Vìsaocầnmôhìnhmôitrường? Quan điểmnày đòihỏimỗiquốcgianhanh chónggiảiquyếtcácnhiệmvụsau đây: › Xâydựngcácphươngpháp đánhgiásựbềnvữngcủacác hệ sinhthái; › Nghiên cứucácquyluậtbiến đổitheothờigiancủa chúng; › Hoànthànhcácphươngpháp đánhgiá địnhlượngtác độnglênmôitrườngcáchoạt độngkinhtế-xãhội. 21
22. (tiếptheo) § Để giảiquyếttốtnhiệmvụtrên, cầnthiếtphảiphát triểnlýthuyếthệthốngvàmôhìnhhóa, coi đâylà côngcụchính để nghiêncứumôitrường. § Vàonăm1997, Việnquốctếvềphântíchhệthống ứngdụng(IIASA, Laxenbourg, Áo) đãcôngbốdanh mụccáccôngtrìnhnghiêncứutrong25 năm(1955 –1997) gồmhơn50.000 côngtrìnhliênquantớilý thuyếthệthốngvàmôhìnhhóamôitrường. 22
23. Môhìnhmôitrườnglàgì? § Cácmô hìnhmôitrường(Environmental Models) đượcsử dụng để tái tạo lại các quá trìnhmôitrường xảyratrongmộtkhoảngthờigian nào đó”. § Ngàynay loàingười đã hiểurõ ràngrằngviệctiến hànhnhữngthí nghiệmtrựctiếpvớisinhquyển của hànhtinh là khôngthể. Do vậyxâydựngmôhình là phươngtiệnquan trọng để nhậnthôngtin về tình trạng có thể củasinhquyển chịunhững tác độnglớn từ phíacon ngườilên nó. CụcbảovệmôitrườngMỹ 23
24. Nguyênlýcủamôhìnhhóa § Quá trìnhmô hình hóa có thể dựatrênnhững nguyênlý khácnhau, dựatrêncơsởxemxétvà phân tích cácmốiliênhệ nhân– quả. § Mô hình toán học củamộtđốitượngbấtkỳ là sự mô tả nó bằng cáccông cụ, phương pháp toán học. 24
25. Các quátrình được mô tả bằng các biểu thức toán học. Rất nhiều biểu thức toán học các quátrình liên quan tới mô phỏng môi trường sinh thái đã tồn tại: Các quátrình vật lý: các quátrình lan truyền, hấp thụ, sự phụ thuộc nhiệt độ, bay hơi. Các quátrình hóa học: ô xy hóa, ion hóa, Các quátrình sinh học: quang hợp, sự tăng trưởng, sự lắng trầm tích, sự phân rã, 25
26. Khả năng củamôhìnhtoán § Bằng cáccông cụ mang tính hìnhthức để giảiphương trìnhvà cácbấtphương trìnhhay bằngthuật toán ngườinghiêncứu có thể dự báosự thay đổi hànhvi của đốitượngnghiêncứu. § Xem các đốitượng nàythay đổinhư thế nàokhi các điềukiện nàyhay điềukiện khác(đượcmôtả bởi các thamsố củamô hình) thay đổi. § Quátrìnhnàygọilà môphỏngtoánhọc. 26
27. Côngviệcthiếtlậpmô hình toán học các quá trìnhmôitrường § Cần phảithuthập cácdữ liệu đầu vàochomô hình. § Xác định trạng tháiban đầu củamôitrườngcần phải có một mạnglướiquốctế thuthậpvà xử lý thôngtin ban đầuvề tình trạngsinhquyển. 27
28. KurkovskyA.P vàPritskerA.A.B § Cáchệthốngtựđộnggắnvớicácmôhìnhmô phỏngchophépnângcaohiệuquả củanghiêncứu môitrường; § Vấn đề trungtâmtrongnghiêncứumôitrườnglà kháiniệmchấtlượngmôitrường. Kháiniệmnàygắn liềnvớisựthiếtlậptảitrọngmôitrườngchophép lênmôitrường. § Cầnthiếtphảinhận đượccácmôhìnhchophép đánhgiáthiệthạicủacáchệsinhtháidựatrêncác tiêuchuẩn đượcthiếtlập 28
29. Phạm vi không gian – thời gian của đốitượngcầnxemxét § Mức độ toàncầutiếnhànhkhảosátvớikíchthướctoàncầucólưuý đến các tác độngtổnghợpcácyếutốmàngườikhảosátquantâm, diễnratrongmột khoảngthờigiantừvàithángtớivàichụcnăm(vídụcácmôhìnhthay đổikhí hậu, ). § Mức độ vĩ mô-xemxétcác đốitượngvàcácquátrình trongkhônggiancó kíchthướcvàingànkm, kíchthướcthờigian-từmộtvàithángtớimộtnăm (môhìnhlantruyềnvượttuyếnchấtbẩngiữacácquốcgiahay cáchànhtinh vớinhau, môhìnhnày đã được đưavàoápdụngtạiChâuÂuvàBắcMỹ, ). § Mức độ trungbình(mức độ vùng) -xemxétcácquátrìnhtrongkhônggian có kíchthướctừvàitrămm tớivàitrămkm vàthờigiantừvàigiờ tớimộtvàitháng (cácquátrìnhnhiễmbẩnkhíquyểntạicácthànhphố côngnghiệp, cáctổhợp côngnghiệp, cáctìnhhuốngtai biếnkhicósựpháttỏalớncủacácchấtbẩn vàokhôngkhílàthuộcmứcđộ này). § Mức độ vi mô(mức độđịaphương) -xemxétcácquátrìnhtrênmộtdiện tíchtừ vàim tớimộtvàitrămm vàthờigiantừvàiphút đếnmộtvàichụcphút(mộtbài toánsinhtháitiêubiểu ởđâylàtínhchomộtsốítcácnguồnthảivàxemxétchi tiếtphânbốkhônggiancủanồng độ tạimộtđịaphươngnào đó). 29
30. Cấutrúccơbảncủamôhìnhhóa môitrường 30
31. Cácthànhphầntrongquátrình môhìnhhóamôitrườngsinhthái 31
32. § Biếntrạngthái(state variables), hàm điềukhiển (forcing function) vàbiếnngoạisinh(exogerous variables), cácphươngtrìnhtoánhọc(mathematical equations), cácthamsố(parameters), cáchằngsố thôngsố(universal constants). 32
33. Vídụ: Môhìnhhóahệsinh tháidướinước 33
34. Cácthànhphầntrongquátrình môhìnhhóamôitrường 34
35. Phântích độ nhạy(sensitivity) § Xác địnhhiện ứnggâyrabởisựthay đổi nhỏ củacácthamsốmôhìnhlênkếtquả (biếntrạngthái) bằngphươngphápmô phỏngsốhay kỹ thuậttoánhọc 35
36. Hiệuchỉnh(calibration) § So sánhthốngkê đượcthựchiệngiữakếtquả tínhtoán theomôhìnhvàthực đo; chỉnhlýcácthamsốcủamô hìnhdựatrênsốliệuthínghiệmtìm đượctrongcáctài liệu § Làsựcốgắngtìmkiếmsựphùhợpgiữadữliệutính toánvàdữliệuthực đobằngcáchlựachọnthay đổimột vàithôngsố. § Quátrìnhnàycóthểđượcthựchiệnbằngcácphépthử đúngsai, hoặcbằngcáchsửdụngphầnmềmchuyên dùngchoviệctìmkiếmsựthíchhợptốtnhấtgiữacác giátrị quansátvàgiátrị tínhtoán. 36
37. Bướcxácnhận(validation) § Kiểmtramôhìnhdựavàotậpdữliệu độc lập để theodõikếtquả môphỏngtheomô hìnhtrùngkhítvớidữliệu đo đạcnhư thế nào; § Bướcxácnhậnchophép đánhgiámô hìnhtốthay khôngtốtkhicó đượccácdữ liệuchuẩn. 37
38. Bướcxácnhận(validation) § Sự chấpnhậnvềmặtkhoahọcchophépsửdụng tiếptheo. Quátrìnhnàygồm: § (1) xácnhậncácquátrìnhchínhvànổibậtnhất trongquátrìnhxâydựngmôhình; § (2)các quátrình đượcthựchiện đúngcácbước; § (3) môhìnhtrênthựctếđãphảnánh đúngcác hiệntượng đượcquansát. 38
39. Cácbướccủaquátrình môhìnhhóamôitrường 39
40. Các quá trình mô hình hóa ĐỐI TƯỢNG MÔI TRƯỜNG Xác định bài toán Thông qua data DỰ BÁO Mô hình toán Sự định cỡ và data Mô hình số Phân tích Nhạy cảm Kiểm tra data data 40