GIÁO TRÌNH NỘI BỘ MÔ HÌNH HÓA MÔI TRƯỜNG Dành cho sinh viên ngành Khoa học Môi trường, Kỹ thuật Công nghệ Môi trường, Kinh tế Tài Nguyên Môi trường

1. 1
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM
--------------------------------
HOÀNG QUÝ NHÂN
GIÁO TRÌNH NỘI BỘ
MÔ HÌNH HÓA MÔI TRƯỜNG
Dành cho sinh viên ngành Khoa học Môi trường, Kỹ thuật
Công nghệ Môi trường, Kinh tế Tài Nguyên Môi trường
(Tài liệu lưu hành nội bộ)
Thái Nguyên, năm 2016

2. 2
Lời Nói Đầu
Giáo trình này ra đời được là nhờ sự động viên và hỗ trợ của quí
thầy cô đồng nghiệp mà tác giả đã có dịp làm việc và cộng tác. Nhóm
tác giả xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo Trường Đại học Nông Lâm
Thái Nguyên, Khoa Môi trường đã tạo mọi điều kiện cho nhóm tác giả
hoàn thành giáo trình này.
Mô hình hóa với sự trợ giúp của công nghệ thông tin trong thời đại
ngày nay đã trở thành một nhánh quan trọng của khoa học hiện đại và
là một công cụ rất mạnh để nhận thức thế giới xung quanh. Nghiên cứu
mô hình hóa và ứng dụng trên máy tính mở ra những chân trời mới để
nhận diện sự phụ thuộc của tin học với toán học và các ngành khoa học
khác – cả tự nhiên lẫn xã hội.
Khái niệm “mô hình” chúng ta đã làm quen từ thời thơ ấu. Đồ chơi
ô tô, máy bay hay chiếc tầu là những trò chơi yêu thích của con trai;
búp bê, con gấu bông là những trò chơi không thể thiếu của bé gái.
Trong nhận thức của trẻ em, trong quá trình nhận biết thế giới bên
ngoài, những đồ chơi như vậy về thực chất là các mô hình của thế giới
thực. Ở tuổi thiếu niên đối với nhiều em thì các trò chơi lego, các mô
hình lắp ráp ô tô, máy bay, tàu thủy gần giống với thực tế đã trở nên
quyết định trong việc lựa chọn nghề trong tương lai.
Như vậy mô hình là gì ? Cái gì chung giữa một bên là chiếc tàu trò
chơi với hình vẽ được thể hiện trên màn hình máy vi tính, thể hiện một
mô hình toán học trừu tượng ? Có một điều là giống nhau: trong cả hai
trường hợp chúng ta có hình ảnh của một đối tượng thực, thay thế bản
gốc nào đó được thực hiện với độ tin cậy và cụ thể nào đó. Nói một
cách khác, mô hình là biểu diễn đối tượng dưới một dạng nào đó, khác
với dạng thực của nó.
Trong hầu hết các ngành khoa học về thiên nhiên, về thế giới sinh
vật hay vô cơ, về xã hội, việc xây dựng và sử dụng mô hình là một thứ
vũ khí rất mạnh để nhận thức xã hội. Các đối tượng và quá trình thực
thường rất đa dạng và phức tạp cho nên cách tốt nhất để nghiên cứu
chúng là xây dựng mô hình. Mô hình được xây dựng chỉ giữ lại một số
mặt của hiện thực và vì thế nó đơn giản hơn. Kinh nghiệm phát triển
khoa học trong nhiều thế kỷ đã khẳng định tính đúng đắn của phương
pháp tiếp cận như vậy.
Giáo trình này hướng tới đối tượng sinh viên chuyên ngành môi
trường, cũng như một số ngành có liên quan.

3. 3
Mục lục
Mở đầu................................................................................................................... 9
Chương 1 : TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH HOÁ MÔI TRƯỜNG..................... 10
1.1. Mô hình hóa và lịch sử phát triển............................................................. 10
1.1.1 Khái niệm mô hình hóa...................................................................... 10
1.1.2 Lịch sử phát triển Mô hình hóa.......................................................... 11
1.2. Vai trò của mô hình hóa môi trường........................................................ 12
1.3. Mô hình quản lý và nghiên cứu dự báo môi trường ................................ 16
1.4. Các nguyên lý mô hình hóa nói chung..................................................... 20
1.5. Phân loại mô hình hóa theo không gian và thời gian............................... 23
Chương 2: CÁC BƯỚC XÂY DỰNG MÔ HÌNH HOÁ MÔI TRƯỜNG......... 29
2.1. Các giai đoạn cơ bản của quá trình xây dựng mô hình hóa môi trường.. 29
2.2. Các thành phần trong quá trình mô hình hóa môi trường........................ 38
2.3. Phân loại mô hình hóa môi trường........................................................... 41
2.4. Các thuật toán cơ bản được áp dụng trong xây dựng mô hình hóa môi
trường .............................................................................................................. 44
Chương 3: MÔ HÌNH HOÁ TRONG MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ .............. 46
3.1. Ô nhiễm môi trường không khí, Vì sao cần phải mô hình hoá môi trường
không khí......................................................................................................... 46
3.2. Một số khái niệm cơ bản trong mô hình hoá môi trường không khí ....... 47
3.3. Mô hình hóa tính khuếch tán chất ô nhiễm trong môi trường không khí.51
3.3.1. Mô hình hoá phân tán chất ô nhiễm trong không khí theo phương pháp
Berliand ........................................................................................................... 53
3.3.2. Tính toán phân bố nồng độ chất ô nhiễm theo mô hình Gauss............. 61
Chương 4: MÔ HÌNH HOÁ TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC ......................... 68
4.1. Giới thiệu chung và những đặc tính chung của môi trường nước. .......... 68
4.2. Các khái niệm cơ bản của mô hình hóa môi trường nước ....................... 70
4.3. Mô hình hóa chất lượng nước đơn giản – Mô hình BOD/DO................. 72
4.4 Mô hình hóa nước dưới đất (nước ngầm) ................................................. 79
4.4.1. Khái niệm nước dưới đất....................................................................... 79
4.4.2. Ô nhiễm nước dưới đất.......................................................................... 80
4.4.3. Mô hình khuếch tán chất ô nhiễm trong nước ngầm. ........................... 81
Chương 5: MÔ HÌNH HÓA Ô NHIỄM TIẾNG ỒN.......................................... 86
5.1 Ô nhiễm tiếng ồn:...................................................................................... 86
5.2 Nguyên nhân ô nhiễm tiếng ồn. ................................................................ 87
5.3 Mô hình hóa tiếng ồn ................................................................................ 87
5.3.1 Đại lượng mô tả tiếng ồn môi trường................................................. 88
5.3.2 Công thức đánh giá ô nhiễm tiếng ồn ................................................ 88
5.4 Tiêu chuẩn giới hạn cho phép của tiếng ồn............................................... 90
Chương 6: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH HÓA MÔI TRƯỜNG .............................. 92
6.1. Sơ đồ phát triển và ứng dụng mô hình..................................................... 93
6.2. Xu thế phát triển mô hình hóa môi trường theo quy mô không gian....... 94

4. 4
6.3. Giới thiệu một số mô hình môi trường .................................................... 95
6.3.1. Mô hình biến đổi khí hậu toàn cầu.................................................... 95
6.3.2. Mô hình quản lý lưu vực................................................................... 97
6.3.3. Bộ mô hình thủy lực - thủy văn MIKE ............................................. 98
Tài liệu tham khảo............................................................................................... 99

5. 5
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1-1. Đặc trưng các mô hình chuyển động của khí quyển........................ 23
Bảng 2-1. Các thuật ngữ chính trong mô hình hóa môi trường........................ 36
Bảng 2-2. Phân loại các mô hình môi trường (từng cặp một theo
các dạng mô hình)................................................................................................41
Bảng 2-3. Nhận dạng mô hình...........................................................................44
Bảng 2-4. Bảng các tham số trong mô hình Streeter ........................................46
Bảng 3-1. Trị số Γ` ứng với áp suất và nhiệt độ khác nhau, K/100m................61
Bảng 4-1. Các hệ số trong công thức phát tán vệt khói Gauss .........................79
Bảng 4-2. Công thức tính σz (x), σy(x) cho vùng thoáng mở (nông thôn)......80
Bảng 4-3. Công thức tính σz (x), σy(x) cho điều kiện thành phố....................80
Bảng 4-4. Tóm tắt một số công thức tính vệt nâng ống khói dưới dạng công
thức .....................................................................................................................82
Bảng 5-1. Giá trị Z0 và chỉ số n theo tháng và năm ở Hà Nội ..................... 132
Bảng 6-1. Hệ số truyền khối, động lượng, và nhiệt...................................... 177
Bảng 6-2. Các hệ số phân tán theo các điều kiện khác nhau ....................... 190
Bảng 6-3. Tóm tắt hệ số phân tán đo được trong dòng chảy........................... 191
Bảng 6-4. Hệ số phân tán thẳng đứng cho các hồ phân tầng ngang
qua lớp dị nhiệt ................................................................................................ 193
Bảng 6-5. Hệ số phân tán thẳng đứng trung bình cho cả hồ......................... 196
Bảng 6-6. Hệ số phân tán của nước mờ do cặn lắng trong khe ................... 197
Bảng 6-7. Phân loại mô hình hồ. ................................................................. 202
Bảng 6-9. Nồng độ dinh dưỡng có trong nước mưa (mg/l)............................ 208
Bảng 6-10. Các hệ số lưu trữ R (D = kích thước hạt)................................... 209

6. 6
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1-1. Mối liên hệ giữa khoa học môi trường,sinh thái, mô hình hóa
môi trường sinh thái, quản lý môi trường và công nghệ môi trườg....................13
Hình 1-2. Ý tưởng thể hiện vai trò các mô hình môi trường trong
quản lý môi trường............................................................................................. 14
Hình 1-3. Các nguyên lý mô hình hóa môi trường........................................ 19
Hình 2-1. Các giai đoạn cơ bản của quá trình mô hình hóa môi trường ....... 28
Hình 2-2. Một quá trình mô hình hóa mang tính thử nghiệm. ...................... 30
Hình 2-3. Các bước mô hình hóa theo Jorgensen S.E................................... 31
Hình 2-4 Các thành phần trong mô hình hóa môi trường............................ 38
Hình 2-5. Mô hình hệ sinh thái nước .............................................................39
Hình 2-6. Mô hình ngẫu nhiên xem xét các đại lượng (1), (2), và (3)
trong đó mô hình tiền định xem đại lượng (2) và (3) bằng 0..............................40
Hình 2-7. Minh họa mô hình động và mô hình tĩnh.......................................44
Hình 3-1. Các giai đoạn đầu tiên của sự phát thải ô nhiễm không khí...........48
Hình 3-2. Nồng độ cực đại trong không khí theo thời gian và
theo khoảng cách ...............................................................................................49
Hình 3-3. Nồng độ cực đại trong không khí theo thời gian và
theo khoảng cách ...............................................................................................50
Hình 3-4. Các đường đồng mức dưới dạng các vệt khói liên tục, các đường
đồng mức của cùng một mức độ vào những thời điểm khác nhau.....................50
Hình 3-5. Các đường đồng mức trong trường hợp nguồn liên tục.................51
Hình 3-6. Sự thay đổi của vệt khói có mật độ nhỏ hơn của không khí..........52
Hình 3-7. Một số hiệu ứng từ phát thải do nguồn cao....................................53
Hình 3-8. Biên các vùng nguy hiểm do sự phát tán chất ô nhiễm..................55
Hình 3-9. Sự thay đổi nhiệt độ của khối khí theo độ cao...............................56
Hình 3-10. Khí quyển không ổn định hoặc siêu đoạn nhiệt...............................63
Hình 4-1. Chọn trục tọa độ trong mô hình khuếch tán Gauss....................... 71
Hình 4-2. Sơ đồ mô hình khuếch tán Gauss.................................................. 77

7. 7
Hình 4-3. Biên của vệt khói với những thời gian trung bình khác nhau........ 81
Hình 4-4. Sơ đồ vệt khói phát thải từ ống khói.............................................. 85
Hình 4-5. Tính vận tốc gió tại độ cao hữu dụng............................................ 90
Hình 4-6. Tính độ cao hiệu chỉnh.................................................................. 91
Hình 4-7. Tính toán lực nổi và thông lượng động lượng .............................. 92
Hình 4-8. Tính toán vệt nâng cột khói........................................................... 93
Hình 4-9. Sơ đồ tính toán độ cao hữu dụng he ............................................. 95
Hình 5-1. Sơ đồ khuếch tán luồng khí thải dọc theo chiều gió ..................... 118
Hình 5-2. Sơ đồ cấu trúc (các module) của phần mềm ENVIMAP ............... 129
Hình 6-1. Biểu đồ các quá trình lan truyền ..................................................167
Hình 6-2. Sơ đồ biểu diễn gradian vận tốc khác nhau do ứng suất cắt tại
nơi phân cách nước – không khí, đáy – nước, bờ - nước..................................169
Hình 6-3. Dòng chảy trong kênh sông gây nên sự phân tán theo
phương ngang và dọc theo lòng dẫn..................................................................171
Hình 6-4. Chuyển động chuyển tải từ điểm a tới điểm b. ............................171

8. 8
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
BOD Nhu cầu oxy sinh hóa
C Cacbon
CAP Computing for Air Pollution – Phần mềm tính toán ô nhiễm
không khí
CBOD Nhu cầu oxy sinh hóa các hợp chất cacbon
COD Nhu cầu oxy hóa học
DIP Phôtpho vô cơ hoà tan
DO Oxy hòa tan
DOM Chất khoáng hòa tan
DON Nitơ hữu cơ hòa tan
DOP Photpho hữu cơ hòa tan
EC Độ dẫn điện
ENVIM ENVironmental Information Management software – phần
mềm quản lý môi trường
ENVIMAP ENVironmental Information Management and Air Pollution
estimation – Phần mềm tính toán mô phỏng ô nhiễm không
khí
ENVIMQ2K Phần mềm mô phỏng chất lượng nước kênh sông có ứng dụng GIS
GIS Hệ thống thông tin địa lý
GIS Geographic Information System – Hệ thống thông tin địa lý

9. 9
Mở đầu
Hiện nay, ô nhiễm môi trường 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 lượng nước, đất, không khí suy giảm nhanh chóng vượt qua khả năng tự
làm sạch của tự nhiên. Trong lĩnh vực khoa học quản lý môi trường và kỹ thuật
xử lý môi trường, việc quan trắc dự báo diễn biến môi trường mang tầm quan
trọng cho các quyết định giải quyết vấn đề. Tuy nhiên, việc đo đạc, quan trắc
môi trường rất tốn kém kinh phí và công sức của con người. Nhằm giảm thiểu
các khó khăn này, các nhà khoa học đã và đang tiếp tục phát triển các ứng dụng
các nguyên lý vật lý, toán học, công nghệ thông tin vào thực tiễn để mô phỏng
các diễn biến thực tế trong tự nhiên và đưa ra các dự báo cần thiết.
Việc mô phỏng môi trường cũng đang giúp con người tạo dựng các một
hình ảnh hoặc sự vật thu nhỏ hoặc tương tự, bắt chước theo thực tế để mô tả sự
kiện cũng như tạo ra các kịch bản biến đổi lượng và chất theo không gian và thời
gian nhằm tiên đoán khả năng lây - lan truyền chất ô nhiễm hoặc khả năng hồi
phục chất lượng tài nguyên. Môn học mô hình hóa môi trường được hình thành
từ cơ sở này. Môn học mô hình hóa môi trường phục vụ cho tất cả các nhà khoa
học, nhà kỹ thuật, nhà quản lý, kể cả các nhà xã hội làm việc liên quan đến lĩnh
vực môi trường và tài nguyên thiên nhiên. Chữ “mô hình” (modeling) có nguồn
gốc từ chữ La-tinh modellus. Từ này mang ý nghĩa là một kiểu cách do con
người tạo ra để tiêu biểu cho một thực tại nào đó.
Bài giảng này trình bày cơ sở lý luận và thực tiễn xây dựng, ứng dụng mô
hình toán phục vụ cho công tác bảo vệ môi trường. Các khái niệm cơ bản như
mô hình, mô hình môi trường, mô hình hóa bài toán bảo vệ môi trường không
khí, môi trường nước mặt, nước dưới đất, các mô hình, phần mền ứng dụng tin
học sẽ được trình bày. Trong bài giảng cũng dành sự lưu ý đặc biệt cho những
ứng dụng cụ thể trong bài toán bảo vệ môi trường trên đất nước chúng ta.

10. 10
Chương 1 : TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH HOÁ MÔI TRƯỜNG
Hiện nay không có một lĩnh vực nhận thức nào mà người ta không nói
đến mô hình. Trong nghĩa rộng, mô hình được hiểu là một cấu trúc được xây
dựng trong tư duy hoặc thực tiễn, cấu trúc này tái hiện lại thực tế ở dạng đơn
giản hơn, công thức hơn và trực quan hơn. Phần trình bày dưới đây sẽ làm sáng
tỏ hơn về mô hình và mô hình hoá môi trường.
1.1. Mô hình hóa và lịch sử phát triển
1.1.1 Khái niệm mô hình hóa
Trong lịch sử phát triển con người đã từng sử dụng mô hình. Mô hình là
những bức tranh đơn giản về thực tế và là công cụ để giải quyết nhiều vấn đề. Dĩ
nhiên, mô hình sẽ không bao giờ chứa đựng tất cả các đặc tính của hệ thống
thực, bởi vì, chính nó không phải là hệ thống thật. Nhưng điều quan trọng ở việc
mô hình chứa đựng tất cả các đặc tính đặc trưng cần thiết trong phạm vi của vấn
đề cần giải quyết hay mô tả.
Ý nghĩa thực tiễn của việc sử dụng mô hình có lẽ được minh họa tốt nhất
qua những ví dụ trong thực tế. Trong nhiều năm, người ta đã sử dụng các mô
hình vật lý của con tàu để xác định mặt nghiêng, giúp con tàu có được sự cân
bằng trong nước. Mô hình vật lý như vậy sẽ có hình dáng và một số thông số
chính giống con tàu thật sự, nhưng nó không chứa tất cả các chi tiết chẳng hạn
như: sự trang bị máy móc, cách bố trí của cabin, v.v… Những chi tiết như vậy
thì không liên quan đến mục đích của mô hình cần nghiên cứu. Những mô hình
khác của con tàu đáp ứng các mục đích khác: cách bố trí của các cabin khác
nhau, sơ đồ các ống dẫn...
Từ đó, chuyên gia hàng đầu về mô hình môi trường người Đan Mạch
Jorgensen M.E. cho rằng mô hình môi trường phải mang những đặc tính lưu ý
đến khía cạnh quản lý hay vấn đề mang tính khoa học, đây chính là điều mà các
nhà nghiên cứu mong muốn. Môi trường là một hệ thống phức tạp hơn nhiều
một con tàu, và điều này nói lên rằng mô hình môi trường là vấn đề cực kỳ phức
tạp. Tuy nhiên, nhờ những nghiên cứu mạnh mẽ trong nhiều thập kỷ qua nên

11. 11
ngày nay đã có thể thiết lập được những mô hình môi trường mang tính thực tiễn
cao.
Jorgensen đã so sánh mô hình môi trường với các bản đồ địa lý (trên thực
tế bản đồ địa lý cũng chính là những mô hình). Các loại bản đồ khác nhau đáp
ứng những mục đích khác nhau. Có những bản đồ dùng cho máy bay, tàu thủy,
xe hơi, xe lửa, các nhà địa chất và các nhà khảo cổ học và v.v…Tất cả chúng
đều khác nhau, bởi vì chúng cần tập trung vào các chi tiết khác nhau. Hơn thế
nữa, bản đồ không bao giờ chứa đựng tất cả chi tiết của khu vực địa lý quan tâm,
bởi vì hầu hết là không liên quan và mơ hồ đối với mục đích chính của bản đồ.
Tương tự với các bản đồ địa lý, mô hình môi trường tập trung vào những mục
tiêu chính cần quan tâm. Mục tiêu chính của mô hình sẽ bị lu mờ nếu mô hình
lưu ý tới quá nhiều chi tiết không liên quan. Có nhiều mô hình khác nhau của
cùng một hệ sinh thái, vì mô hình thích hợp sẽ được chọn lựa tùy theo từng mục
tiêu của mô hình.
Mô hình có thể là vật lý, chẳng hạn như mô hình chiếc tàu thí nghiệm
dùng để đo lường các tham số thủy động lực học, hay có thể là mô hình toán
học, nó mô tả những đặc trưng chính của hệ sinh thái và những vấn đề liên quan
bằng ngôn ngữ toán học.
1.1.2 Lịch sử phát triển Mô hình hóa
Những mô hình toán đang được chú ý đặc biệt trên thế giới hiện nay.
Nhiều hội nghị, hội thảo quốc tế lớn về phương pháp mô hình được tổ chức
nhiều nơi trên thế giới. Lĩnh vực của mô hình môi trường đã phát triển rất nhanh
chóng trong 2 thập kỷ qua do những nhân tố chính sau đây:
 Sự phát triển của công nghệ máy tính, cho phép chúng ta xử lý
những phép tính toán rất phức tạp.
 Những hiểu biết chung về các vấn đề ô nhiễm, bao gồm việc loại
trừ hoàn toàn ô nhiễm là không khả thi, nhưng việc kiểm soát ô nhiễm thích hợp
với những nguồn kinh tế giới hạn đòi hỏi sự cân nhắc đúng về những ảnh hưởng
của ô nhiễm tác động lên hệ sinh thái.
 Kiến thức về môi trường của chúng ta và các vấn đề về sinh thái đã
gia tăng đáng kể. Đặc biệt, chúng ta đã lĩnh hội được nhiều kiến thức hơn về mối

12. 12
quan hệ định lượng trong hệ sinh thái, thuộc tính sinh thái và các nhân tố môi
trường.
1.2. Vai trò của mô hình hóa môi trường
Ngày nay hầu hết các ngành khoa học đều sử dụng “mô hình”. Tuy nhiên
có rất nhiều phương pháp tiếp cận khác nhau cùng sử dụng thuật ngữ “mô hình”.
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 mô hình được hiểu như một
dạng mẫu tương tự. Mô hình không chỉ xuất hiện trong khoa học tự nhiên mà
còn xuất hiện trong khoa học xã hội. Như vậy ứng dụng của mô hình rất rộng,
chúng giúp cho quá trình thông qua quyết định trong cuộc sống hàng ngày.
Mô hình là một khái niệm cơ bản của khoa học và đóng vai trò đặc biệt
quan trọng trong khoa học môi trường nơi các phép thí nghiệm rất khó tiến
hành, trong nhiều trường hợp là không thể (bên cạnh yếu tố không thể bỏ qua đó
là giá thành rất cao cho các thí nghiệm). Mặc dù mô hình đã được ứng dụng
rộng rãi trong nghiên cứu môi trường như nhiều vấn đề liên quan tới lý luận và
thực tiễn của phương pháp mô hình vẫn là đối tượng thảo luận của nhiều hội
nghị lớn trên thế giới. Trong chương đầu tiên của giáo trình này với nhan đề “
Tổng quan về mô hình hóa môi trường”, nhà khoa học Nico Stehr đã đưa ra một
cách nhìn thật dễ hiểu về mô hình “Thật dễ dàng vẽ một biểu đồ hơn là mô tả
chính xác những điều thực tế đang diễn ra”. Theo quan điểm của Stehr, trong
nghiên cứu khoa học, thu thập thông tin về đối tượng nghiên cứu là chưa đủ, cần
thiết phải tổng quát hóa dữ liệu được thu thập thành các công thức. Bởi vì các
công thức này sẽ giúp ta giải quyết những bài toán tương tự và như cách nói của
Stehr là giúp ta mở rộng phạm vi hiểu biết và làm giàu tri thức.
Cũng theo Stehr mặc dù mô hình đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực
khoa học (như là những sản phẩm trí tuệ) nhưng vai trò, chức năng của mô hình
trong khoa học tự nhiên và khoa học xã hội vẫn còn là đề tài được thảo luận tại
các Hội thảo và không phải lúc nào cũng nhận được sự nhất trí cao của các nhà
khoa học. Nội dung được thảo luận nhiều là ngôn ngữ diễn đạt, cách giải thích,
tính thực tiễn, nguồn dữ liệu, cách hiểu, sự mô tả, cấu trúc, lý thuyết và nhiều
điều khác nữa. Hơn thế nữa, bản thân thuật ngữ “model” cũng được định nghĩa

13. 13
theo nhiều cách khác nhau (The American Heritage Dictionary of the English
Language, New York: Houghton Mifflin 1969):
 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 (trên thực tế sẽ lớn hơn mẫu) 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”. (Noam
Chomsky)
 Thuật ngữ “model”có thể được dùng như một kiểu mẫu thiết kế của
một đối tượng cụ thể. Ví dụ có thể nói chiếc xe của anh ta là mẫu xe của năm
ngoái.
 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.
Những khái niệm theo danh sách trên là chưa hoàn toàn đầy đủ, tác giả
Stehr đã bổ sung vào hai mệnh đề sau:
 Mô hình là công cụ tốt
 Mô hình toán học còn tốt hơn.
Các khái niệm trên một phần nào trả lời câu hỏi về vai trò và chức năng
của mô hình trong khoa học. Nếu ai đó cố gắng đưa ra một mẫu số chung nhất
cho các mô hình, thì đó chính là chức năng quan trọng nhất của chúng – là sự
giảm thiểu độ phức tạp của phạm vi yêu cầu. Tùy theo bối cảnh cụ thể, trong
từng lĩnh vực khoa học có ứng dụng mô hình sẽ có những phạm vi yêu cầu cụ
thể đối với từng mô hình. Để xác định phạm vi giới hạn của từng mô hình chúng
ta cần xác định bắt đầu từ đâu, các vấn đề quan trọng nào cần quan tâm là gì,
chúng ta mong muốn tìm kiếm lời giải đáp gì và đánh giá những lời giải có thể
tìm thấy được như thế nào. Đã diễn ra sự tranh luận giữa các nhà khoa học trên

14. 14
thế giới về vai trò đích thực của mô hình trong khoa học. Theo quan điểm của
nhà vật lý người Pháp Pierre Duhem "mô hình trong khoa học 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. Đáp lại nhà vật lý người Anh Campell cho rằng vai trò của mô
hình vượt quá giới hạn như Duhem chỉ ra, cụ thể là mô hình là một công cụ trợ
giúp nghiên cứu khoa học “mô hình là một phần thiết yếu (của lý thuyết), không
có nó lý thuyết sẽ hoàn toàn không có giá trị”
Theo quan điểm của Stehr không tồn tại phương pháp chung cho mô hình
hóa. Tuy nhiên, có hai thuộc tính sau đây thường được quan tâm trong quá trình
mô hình hóa, đó là:
- Chất lượng mô hình có cùng cấu trúc
- Kết quả định lượng được tạo ra từ mô hình.
Trong phần minh họa cho lập luận và quan điểm khoa học của mình Stehr
đã đưa ra một loạt các ví dụ mô hình cùng quá trình mô hình hóa diễn ra trong
các lĩnh vực khác nhau như mô hình xã hội, mô hình kinh tế, mô hình khí hậu
như một mô hình kết nối xã hội với thiên nhiên.
Các nhà khoa học Nga coi mô hình là công cụ giúp dự báo cũng như tính
toán trước những hậu quả có thể trong thực thi các dự án kinh tế và phát triển xã
hội. Trong thực tế, bài toán được quan tâm sâu sắc của nhiều dự án là đưa ra
được câu trả lời cho câu hỏi: “Điều gì sẽ xảy ra nếu …”, và do vậy bài toán dự
báo hậu quả có thể xảy ra do việc thực hiện tác động này hay tác động khác là
bài toán trung tâm của nhiều nghiên cứu. 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.
Các giai đoạn cần thiết cho nghiên cứu khoa học một quá trình bất kỳ diễn
ra trong thiên nhiên, trong đó có dự báo sự phát triển của nó là:
- Xây dựng mô hình của quá trình cần nghiên cứu,
- Phát biểu những giới hạn đặc trưng cho quá trình được nghiên cứu theo
ngôn từ xây dựng mô hình, phát biểu mục tiêu của nghiên cứu.
Việc thực hiện các giai đoạn kể trên cùng với nhau dẫn tới việc xây dựng
mô hình cho quá trình được nghiên cứu. Cần lưu ý rằng mô hình có thể có dạng
hình thức (được cho bởi một số hệ thức hệ toán học), cũng như cho dưới dạng

15. 15
cấu trúc mô tả nghĩa là được cho dưới dạng một số qui luật chính quan sát được.
Thực tế đã chỉ ra rằng nếu chúng ta có càng nhiều, càng đầy đủ thông tin về các
quá trình cần phân tích thì việc dự báo trong phạm vi thời gian đã cho càng
chính xác bấy nhiêu cũng như khoảng thời gian dự báo càng lớn thì độ sai số dự
báo cũng tăng theo.
Tất nhiên, việc xây dựng mô hình không thể là một bài toán đơn giản.
Đầu tiên, cần phải có khả năng và các phương tiện (vật chất và kỹ thuật). Thứ
hai cần phải hiểu biết các qui luật bên trong sự phát triển xã hội, biết được sự
tiến triển các mục tiêu xã hội để từ đó xác định dạng này hay dạng khác tác động
của con người lên môi trường. Thứ ba cần phải hiểu ảnh hưởng của những thay
đổi có thể trong môi trường và các qui luật phát triển của xã hội. Mỗi bài toán
được phát biểu ở trên đều là những bài toán phức tạp. Khả năng giải từng bài
toán phụ thuộc vào mục tiêu nghiên cứu được đặt ra cho nghiên cứu, nghĩa là
phụ thuộc vào tiêu chí đánh giá các hậu quả của những thay đổi của môi trường
dưới tác động của các quá trình xã hội.
Một hệ thiên nhiên hay xã hội phức tạp bất kỳ có thể được mô tả bằng
nhiều phương pháp khác nhau. Ý tưởng mô hình hóa cho phép xét các đặc trưng
khác nhau của hệ cũng như tham số hóa các dữ liệu thực nghiệm bằng các
phương pháp khác nhau. Ngoài ra, trong bất kỳ một hiện tượng thiên nhiên phức
tạp nào luôn có một mức độ không xác định tương đối cao liên quan tới kiến
thức về bản chất của hiện tượng, về các mối quan hệ nhân-quả, về các tham số
ban đầu của các dữ liệu. Trong những điều kiện như thế này việc thiết lập một
mô hình “chính xác” trở nên vô nghĩa. Điều quan trọng phải hiểu rằng độ phức
tạp của mô hình phải tương ứng với mức độ chính xác của dữ liệu ban đầu và
khả năng tính toán của máy tính hiện tại (tốc độ máy tính, khả năng của bộ nhớ,
tốc độ xuất màn hình, khả năng của người nghiên cứu xử lý và tư duy các kết
quả tính toán nhận được). Chính vì những nguyên nhân này nên người nghiên
cứu thường chọn mô hình tương đối đơn giản cho công việc tính toán thực tế.
Viện sĩ Samarsky A.A. đã viết: “Người nghiên cứu mô hình thường xuyên nằm
giữa hai áp lực: phức tạp hóa và độ chính xác. Một mặt, mô hình do anh ta xây
dựng phải đơn giải từ khía cạnh toán học để có thể nghiên cứu nó bằng các
công cụ đang có, và kết quả do đơn giải hóa một số giả thiết không bị mất đi

16. 16
tính xác thực của vấn đề”. Trong phát biểu này của viện sĩ Samarsky A.A. thể
hiện một nguyên lý mô hình hóa toán học – một mô hình toán bất kỳ phải có độ
phức tạp tối ưu, cần và đủ để giải quyết nhiệm vụ được đặt ra.
Tóm lại, mô hình hóa 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 nhận được thông tin quí giá về thế giới
thực. Thông tin này 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 quyết định quản
lý cụ thể.
1.3. Mô hình quản lý và nghiên cứu dự báo môi trường
Tầm quan trọng của việc sử dụng mô hình trong công tác quản lý môi
trường được minh họa trong Hình 1-1. Sự đô thị hóa và phát triển công nghiệp
hóa đã tác động mạnh vào môi trường. Năng lượng và các chất ô nhiễm được
phát thải, xả thải vào môi trường sinh thái không qua xử lý, và tại đây chúng gây
nên sự phát triển nhanh chóng của tảo hay vi khuẩn, phá hoại các loài khác dẫn
tới làm thay đổi cấu trúc sinh thái. Một hệ sinh thái bất kỳ đều rất phức tạp.
Chính vì vậy việc tiên đoán các tác động lên môi trường là một nhiệm vụ khó
khăn và khá nặng nề. Chính vì lý do này đã biến mô hình trở thành một công cụ
có ích bởi vì mô hình là bức tranh phản ánh thực tế. Với kiến thức môi trường
sinh thái đầy đủ và hoàn chỉnh, có thể rút ra được những đặc trưng của hệ sinh
thái liên quan đến các vấn đề ô nhiễm và qua nghiên cứu để hình thành nên nền
tảng của mô hình môi trường.
Như được chỉ ra ở Hình 1-1, kết quả mô hình có thể được sử dụng để lựa
chọn kỹ thuật môi trường phù hợp nhất cho giải pháp các vấn đề môi trường đặc
biệt, hay cho việc xây dựng các bộ luật khung giúp giảm thiểu hay kiểm soát ô
nhiễm.

17. 17
Hình 1-1 Mối liên hệ giữa khoa học môi trường, sinh thái, mô hình hóa môi
trường sinh thái, quản lý môi trường và công nghệ môi trường
Hình 1-2: Ý tưởng thể hiện vai trò các mô hình môi trường trong quản lý
môi trường
như là công cụ quản lý trong năm 1970. Quản lý môi trường ngày nay phức tạp
hơn và phải áp dụng công nghệ môi trường, công nghệ sạch hơn như là sự lựa
chọn để đưa ra công nghệ và kỹ thuật sinh thái (ecotechnology). Công nghệ sau
cùng được áp dụng để giải quyết các vấn đề ô nhiễm nguồn không điểm hay lan
truyền có nguồn gốc chính từ nông nghiệp. Hình 1-2 cố gắng minh họa bức
tranh phức tạp hơn về quản lý môi trường ngày nay.

18. 18
Mô hình là những công cụ được sử dụng rộng rãi trong khoa học. Một
mặt, các nhà khoa học thường dùng các mô hình vật lý để thực hiện thí nghiệm
bên ngoài (situ) hay trong phòng thí nghiệm chuyên ngành để hạn chế sự xáo
trộn từ tiến trình không liên quan đến việc nghiên cứu. Hemostats được sử dụng
để đo lường sự phát triển của tảo như là chức năng của nồng độ dinh dưỡng.
Vùng trung tâm trầm tích được kiểm tra trong phòng thí nghiệm để điều tra sự
tương tác lẫn nhau giữa môi trường nước và chất trầm tích để tránh sự xáo trộn
các thành phần hệ sinh thái khác. Các chuỗi phản ứng được sử dụng để tìm ra tỷ
lệ của các tiến trình hóa học…
Bên cạnh đó, mô hình toán học đang được áp dụng rộng rãi trong khoa
học. Định luật Newton là mô hình toán học tương đối đơn giản về ảnh hưởng
của lực hút của trái đất lên vật chất xung quanh nó, nhưng nó không tính đến lực
ma sát, ảnh hưởng của gió,… Về bản chất, mô hình môi trường thì không khác
so với các mô hình khoa học khác, thậm chí không phức tạp như nhiều mô hình
sử dụng trong vật lý hạt nhân trong những thập niên qua.
Ứng dụng mô hình trong môi trường đã trở nên phổ biến, nếu chúng ta
muốn hiểu sự vận hành của một hệ thống phức tạp như hệ sinh thái. Thật không
đơn giản để khảo sát nhiều thành phần và tác động trong một hệ sinh thái mà
không sử dụng mô hình như là công cụ tổng hợp. Tác động qua lại lẫn nhau của
hệ thống có lẽ không nhất thiết là tổng các tác động riêng rẽ; Điều này ngụ ý
rằng các tính chất của một hệ sinh thái như là một hệ thống không thể được phản
ánh nếu không sử dụng mô hình của hệ thống hoàn chỉnh hoàn toàn. Do đó,
không có gì ngạc nhiên khi các mô hình môi trường đã được sử dụng ngày càng
nhiều trong sinh thái học nói riêng và môi trường nói chung, như một công cụ để
hiểu về tính chất của hệ sinh thái. Ứng dụng của mô hình hóa môi trường sẽ
phản ánh rõ ràng những thuận lợi của mô hình như là công cụ hữu dụng trong
môi trường; mô hình hóa môi trường có thể được tóm tắt theo những điểm dưới
đây:
 Mô hình là những công cụ hữu ích trong khảo sát các hệ thống
phức tạp.
 Mô hình có thể được dùng để phản ánh các đặc tính của hệ sinh
thái.

19. 19
 Mô hình phản ánh các lỗ hổng về kiến thức và do đó có thể được
dùng để thiết lập nghiên cứu ưu tiên.
 Mô hình là hữu ích trong việc kiểm tra các giả thiết khoa học, vì
mô hình có thể mô phỏng các tác động bên trong của hệ sinh thái, dùng nó để so
sánh với các quan sát.
Tuy nhiên, điều chắc chắn là kiểm tra tính đúng đắn sử dụng mô hình môi
trường phức tạp hơn kiểm tra các ngành khoa học khác. Chẳng hạn, với nhiều
ngành khoa học khác mối tương quan được tìm thấy ở đây giữa hai hay nhiều
yếu tố thay đổi bằng việc sử dụng thống kê là đủ. Sau này, mối tương quan được
kiểm tra trong vài trường hợp bổ sung để làm tăng tính chắc chắn của khoa học.
Nếu kết quả được chấp nhận, mối tương quan dễ dàng được sử dụng để đưa ra
những tiên đoán và được kiểm tra liệu sự tiên đoán là đúng hay sai. Nếu mối
tương quan được kiểm chứng, người ta chấp nhận sử dụng rộng rãi mối tương
quan tìm được. Không có sự khác biệt về mặt nguyên tắc giữa hai nhóm mô hình
khoa học và quản lý môi trường. Tuy nhiên các mô hình quản lý môi trường có
một số đặc điểm riêng. Thực vậy, 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 quản lý được sử dụng để trả lời cho câu hỏi này, nói cách khác
mô hình quản lý được dùng để dự báo, xem khi hàm điều khiển thay đổi thì hệ
sinh thái (môi trường sinh thái) sẽ thay đổi thế nào. Lưu ý rằng hàm điều khiển
là một hàm thay đổi theo không gian và thời gian.
Thuật ngữ chức năng kiểm soát được dùng để nói tới hàm điều khiển.
Trên thực tế, có thể kiểm soát được hàm này ví dụ: lượng nhiên liệu được tiêu
thụ trong quá trình vận hành của tên lửa, điều chỉnh mực nước trên sông bằng
đập chắn, lưu lượng nước thải hay chính sách đánh bắt cá... Một số mô hình
quản lý môi trường được mang tên mô hình kiểm soát môi trường. Các mô hình
này khác các mô hình khác bởi ba nội dung chính sau đây:
 Mô tả định lượng cho các quá trình cần kiểm soát;
 Mô tả mục tiêu thực thông qua các hàm toán học và bắt buộc có
phần
 Đánh giá kết quả đạt được.

20. 20
Sự khác nhau giữa mô hình quản lý và mô hình kiểm soát có thể được
minh họa bởi ví dụ: tính toán phát tán chất ô nhiễm trong không khí. Khi chúng
ta chọn các phương án tính toán khác nhau, các công thức của các nhà khoa học
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 mà
không phải là mô hình kiểm soát. 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. Cũng mô hình đó nhưng là mô hình nghiên cứu khi ta muốn
tìm sự phụ thuộc giữa nồng độ cực đại vào các yếu tố khí tượng cũng như các
tham số kỹ thuật của ống khói (Các tiêu chuẩn kỹ thuật TCVN).
1.4. Các nguyên lý mô hình hóa nói chung
Trong các lĩnh vực ứng dụng người ta phân biệt các dạng của mô hình
trừu tượng:
Loại 1. Mô hình hóa truyền thống (trước tiên là các mô hình trong vật lý
lý thuyết, trong cơ học, hóa học, sinh học và một số khoa học khác) chú ý không
có mối liên hệ đặc biệt nào với các thiết bị kỹ thuật tin học.
Loại 2. Các mô hình tin học và phép mô hình hóa có ứng dụng trong các
hệ thống thông tin.
Loại 3. Các mô hình thể hiện bằng chữ viết.
Loại 4. Các mô hình máy tính được chia thành
- Loại mô hình sử dụng công cụ lập trình (soạn thảo code, cơ sở dữ
liệu, processor bảng, sử dụng công cụ viễn thông);
- Mô hình tính toán CNTT (mô phỏng), Mô hình hiển thị hiện tượng
và quá trình (mô phỏng đồ họa)
- Mô hình sử dụng công nghệ cao được hiểu như các chương trình
riêng kết nối với các hệ thống đo: cảm biến, đầu dò... (thường trong chế
độ thời gian thực).
1.4.1. Phân loại các mô hình trừu tượng như sau:

21. 21
 Mô hình vật lý : Các mô hình này được trình bày dưới dạng một dãy các
đề xuất dựa trên ngôn ngữ tự nhiên và dùng để mô tả một lĩnh vực thực tế cụ thể
(ví dụ như các biên bản luật, hướng dẫn thực hiện bảo vệ môi trường).
 Mô hình toán học - bao hàm một lớp rất rộng lớn các mô hình quen thuộc
(dựa trên ngôn ngữ toán học với các qui tắc hữu hạn) sử dụng phương pháp
toán học rất đa dạng. Ví dụ: có thể xem xét mô hình toán giữa các hành tinh.
Mô hình này gồm một hệ các phương trình phức tạp mô tả các quá trình vật lý
phức tạp diễn ra trong nhân của các hành tinh.
 Mô hình ứng dụng phần mền, ngôn ngữ công nghệ thông tin – một lớp các
mô hình quen thuộc mô tả các quá trình thông tin (sự xuất hiện, truyền, biến đổi
và sử dụng thông tin) trong các hệ có bản chất khác nhau.
Sự khác biệt giữa các mô hình bằng lời, toán học và tin học chỉ là tương
đối: hoàn toàn có thể coi các mô hình thông tin là một lớp con của mô hình toán.
Tuy nhiên, bởi vì ngày nay tin học đã là một ngành khoa học độc lập tách khỏi
toán học, vật lý và văn học cũng như các ngành khoa học khác cho nên việc xếp
các mô hình tin học thành một lớp riêng biệt là điều cần thiết.
1.4.2. Nguyên lý cơ bản mô hình hóa
Như vậy các nguyên lý cơ bản của mô hình hóa phản ánh kinh nghiệm đã
được đúc kết trong thời gian qua:
 Nguyên lý đủ thông tin: Với sự thiếu vắng hoàn toàn của thông tin
về hệ thống được cần xây dựng mô hình là không thể. Bên cạnh đó nếu sự đầy
đủ thông tin về hệ thống sẽ khiến việc mô hình hóa nó mất đi ý nghĩa cần thiết.
Do vậy, tồn tại một mức độ tới hạn cho những thông tin tiên nghiệm về hệ thống
(mức độ đủ thông tin), trong trường hợp đạt được mức độ này, có thể xây dựng
được mô hình thích hợp.
 Nguyên lý khả năng hiện thực: Mô hình được xây dựng phải đảm
bảo đạt được mục tiêu được đặt ra cho nghiên cứu với xác suất khác không và
sau một bước thời gian hữu hạn. Thường thì bước thời gian tới hạn P0 nào đó
của xác suất đạt được mục tiêu P(t) , cùng với giới hạn t0 thời gian đạt mục tiêu
sẽ được cho trước. Mô hình được coi là có thể chấp nhận được nếu điều kiện:
P(t0) ≥ P0 được thực hiện.

22. 22
 Nguyên lý đa mô hình: Nguyên lý này, mặc dù xếp thứ tự ở vị trí
thứ 3 nhưng lại là nguyên lý quan trọng nhất. Thực vậy, mô hình được xây dựng
cần phải phản ánh những tính chất của hệ thực (hay hiện tượng) và các tính chất
này trực tiếp ảnh hưởng lên tính hiệu quả được lựa chọn. Tương ứng với nguyên
lý này là khi sử dụng một mô hình cụ thể bất kỳ chỉ cần công nhận một vài khía
cạnh nào đó của thực tế. Để có thể nhận được hệ đầy đủ, cần một tập hợp các
mô hình cho phép từ các khía cạnh khác nhau cũng như với các mức độ khác
nhau phản ánh quá trình.
 Nguyên lý liên hợp: Trong đại đa số trường hợp một hệ thống phức
tạp có thể biểu diễn dưới dạng các bộ phận liên hợp (hệ con) thích hợp cho việc
mô tả toán học một cách phù hợp. Với các hệ con này có thể sử dụng các sơ đồ
toán học chuẩn để mô tả. Nguyên lý liên hợp còn cho phép xem xét một cách
mềm dẻo hệ đã cho từ các khía cạnh khác nhau phụ thuộc vào mục tiêu nghiên
cứu.
 Nguyên lý tham số hóa: Trong nhiều trường hợp, hệ thống được mô
hình hóa có một số hệ con tương đối độc lập đặc trưng bởi một tham số xác định
(có thể là vectơ). Các hệ con như vậy có thể được thay thể bởi các giá trị số
tương ứng mà không cần mô tả chi tiết chức năng của chúng. Khi cần thiết, sự
phụ thuộc các giá trị của tham số này vào tình huống có thể được cho dưới dạng
bảng, đồ thị hay biểu thức giải tích (công thức). Nguyên lý tham số hóa có thể
cho phép làm giảm thiểu khối lượng và thời gian mô hình hóa. Tuy nhiên cần
lưu ý rằng tham số hóa sẽ làm giảm tính tương thích của mô hình.

23. 23
Hình 1-3: Các nguyên lý mô hình hóa môi trường
1.5. Phân loại mô hình hóa theo không gian và thời gian.
Ngày nay loài người đã hiểu rõ ràng rằng việc tiến hành những thí nghiệm
trực tiếp với sinh quyển của hành tinh là không thể (vì điều này quá nguy hiểm
cho sự tồn tại của chính hành tinh của chúng ta). Do vậy xây dựng mô hình (bao
hàm trong nó cả phương pháp luận đánh giá chuyên gia) là phương tiện quan
trọng để nhận thông tin về khả năng chịu đựng của sinh quyển dưới những tác
động lớn từ phía con người lên nó.
Bên cạnh đó, vấn đề môi trường đã trở thành vấn đề toàn cầu và mang
tính pháp lý cao nhất từ năm 1992 khi Hội nghị thượng đỉnh tại Rio de Janeiro
(Brazin) qui tụ 165 nước đã cùng nhau ký vào văn bản, cùng cam kết bảo vệ môi
trường. Quan điểm phát triển bền vững đòi hỏi chuyển đổi hệ thống quản lý theo
mô hình kinh tế - xã hội sang hệ thống 3 chiều: kinh tế - xã hội - môi trường.
Quan điểm này đòi hỏi mỗi quốc gia nhanh chóng giải quyết các nhiệm vụ sau
đây:
- Xây dựng các phương pháp đánh giá sự bền vững của các hệ sinh thái;
- Nghiên cứu các quy luật biến đổi theo thời gian, không gian của chúng;
- Hoàn thành các phương pháp đánh giá định lượng tác động lên môi
trường các hoạt động kinh tế - xã hội.
Để giải quyết tốt nhiệm vụ trên, theo ý kiến thống nhất của giới khoa học
trên thế giới, cần thiết phải phát triển lý thuyết hệ thống và mô hình hóa, coi đây

24. 24
là công cụ chính để nghiên cứu môi trường. Vào năm 1997, Viện quốc tế về
phân tích hệ thống ứng dụng (IIASA, Laxenbourg, Áo) đã công bố danh mục
các công trình nghiên cứu trong 25 năm (1955 – 1997) gồm hơn 50000 công
trình liên quan tới lý thuyết hệ thống và mô hình hóa môi trường. Đây là bằng
chứng về mối quan tâm không ngừng tăng lên đối với vấn đề này.
Tồn tại nhiều cách tiếp cận khác nhau trong định nghĩa mô hình hóa môi
trường. Theo quan điểm được đăng tải trên Website của Cục Bảo vệ môi trường
Mỹ: “Các mô hình môi trường (Environmental Models) được sử dụng để tái tạo
lại các quá trình môi trường xảy ra trong một khoảng thời gian và không gian
nào đó”. Xuất phát điểm của định nghĩa này cho rằng xây dựng các mô hình
trên máy tính để tiến hành một số thí nghiệm nào đó hiệu quả hơn so với việc
phải ra ngoài thực tế và tiến hành thí nghiệm nhiều lần. Để xây dựng các mô
hình môi trường các phương pháp toán học như đại số, hình học, phương trình vi
phân, bất phương trình được sử dụng. Các phương trình này được thiết lập từ
các điều kiện thực tế và được đưa vào máy tính. Với sự trợ giúp của máy tính,
con người có thể đối thoại với mô hình và tiến hành tính toán thí nghiệm trên mô
hình.
Quá trình mô hình hóa có thể dựa trên những nguyên lý khác nhau, dựa
trên cơ sở xem xét và phân tích các mối liên hệ nhân – quả. Mô hình toán học
của một đối tượng bất kỳ là sự mô tả nó bằng các công cụ, phương pháp toán
học. Các phương trình của mô hình, các đẳng thức và bất đẳng thức cùng các
dạng giới hạn khác nhau tham gia vào cấu trúc mô hình cho phép mô phỏng
hành vi của đối tượng trong các điều kiện khác nhau mà không phải tiến hành
các thí nghiệm thực.
Khả năng của mô hình toán học là ở chỗ: 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,
thử xem các đối tượng này thay đổi như thế nào khi các điều kiện này hay điều
kiện khác (được mô tả bởi các tham số của mô hình) thay đổi.
Quá trình này gọi là mô phỏng toán học. Như vậy, mô phỏng toán học cho
phép tiến hành các thí nghiệm khác nhau với đối tượng được nghiên cứu (bằng
con đường thay đổi các giá trị số các tham số của mô hình).

25. 25
Lịch sử ứng dụng các phương pháp mô phỏng toán học chứng tỏ rằng mô
hình toán học không chỉ là phương pháp mã hóa các thông tin đã biết về đối
tượng được nghiên cứu mà còn là cho phép dự báo các yếu tố chưa biết. Do vậy,
một trong những bài toán trung tâm của khoa học là nghiên cứu mô hình, biết rút
ra từ mô hình những thông tin, những khả năng tiềm ẩn trong mô hình.
Nhận xét ở trên không chỉ liên quan tới các phương pháp mô hình hóa
toán học. Toán học là ngôn ngữ mô tả định lượng. Các mô hình là sự mô tả và
trên ngôn ngữ tự nhiên nó có khả năng dự báo lớn (một ví dụ điển hình của mô
hình như vậy là bảng tuần hoàn Men-đe-leep). Để khai thác tri thức từ những mô
hình “mô tả” như vậy bên cạnh các phương pháp toán học các phương pháp
khác được áp dụng như: lôgích, tương tự, liên hợp…
Công việc thiết lập mô hình toán học các quá trình môi trường là một bài
toán rất khó, ngoài ra để dự báo tốt cần phải thu thập các dữ liệu đầu vào (các
giá trị tham số mô hình dưới dạng các hệ số của phương trình và các bất đẳng
thức tạo nên mô hình và các trạng thái ban đầu của các quá trình cần mô phỏng).
Chỉ như vậy mô hình mới “sống” được. Nếu các giá trị của các hệ số và của một
vài hàm số (xác định cấu trúc của mô hình) có thể xác định với độ chính xác cần
thiết bằng con đường tham khảo ý kiến của các chuyên gia thì để xác định trạng
thái ban đầu của môi trường cần phải có một mạng lưới quốc tế thu thập và xử lý
thông tin ban đầu về tình trạng sinh quyển.
Trong cuốn sách của giáo sư Kurkovsky A.P và Pritsker A.A.B xem xét
bài toán mô hình hóa các quá trình địa vật lý và môi trường. Từ quan điểm của
các tác giả này, các hệ thống tự động gắn với các mô hình mô phỏng cho phép
nâng cao hiệu quả của nghiên cứu môi trường. Theo các tác giả, vấn đề trung
tâm trong nghiên cứu môi trường là khái niệm chất lượng môi trường. Khái
niệm này gắn liền với sự thiết lập tải trọng môi trường cho phép lên môi trường.
Từ khía cạnh mô hình hóa, cần thiết phải nhận được các mô hình cho phép đánh
giá thiệt hại của các hệ sinh thái dựa trên các tiêu chuẩn được thiết lập. Với các
bài toán môi trường, đối tượng thực được thay thế bởi mô tả toán học của chúng.
Dạng của mô hình trong các trường hợp này phụ thuộc vào phạm vi không gian
– thời gian của đối tượng cần xem xét. Ví dụ: trong khoa học khí tượng (yếu tố
vật lý của lớp sát mặt đất của khí quyển) các mô hình thủy động lực học được sử
5424343

26. 26
dụng kết nối một loạt các biến vật lý, từ các biến thuần túy khí quyển (nhiệt độ,
áp suất, độ ẩm, các tham số liên quan tới gió vv); tới các tham số liên quan tới
bề mặt lót của mặt đất (độ nhám); các tham số liên quan tới vũ trụ (vận tốc xoay
của trái đất, bức xạ mặt trời …). Mức độ lưu ý của các tham số phụ thuộc vào
phạm vi không gian - thời gian của quá trình khí tượng được xem xét. Hơn thế
nữa, các dạng của mô hình toán ở các mức khác nhau đều khác nhau. Điểm
chung ở đây là yêu cầu nhận được bức tranh về trường các tham số khí tượng.
1.5.1. Nghiên cứu môi trường người ta chia ra thành 4 mức không gian
- thời gian.
− Mức độ toàn cầu tiến hành khảo sát với kích thước toàn cầu có lưu ý
đến các tác động tổng hợp các yếu tố mà người khảo sát quan tâm, diễn ra trong
một khoảng thời gian từ vài tháng tới vài chục năm (ví dụ: các mô hình thay đổi
khí hậu,...).
− Mức độ vĩ mô - xem xét các đối tượng và các quá trình trong không gian
có kích thước vài ngàn km, kích thước thời gian - từ một vài tháng tới một năm
(ví dụ: mô hình lan truyền vượt tuyến chất bẩn giữa các quốc gia hay các hành
tinh với nhau, mô hình này đã được đưa vào áp dụng tại Châu Âu và Bắc
Mỹ,…).
− Mức độ trung bình (mức độ vùng) - xem xét các quá trình trong không
gian có kích thước từ vài trăm m tới vài trăm km và thời gian từ vài giờ tới một
vài tháng (ví dụ: các quá trình nhiễm bẩn khí quyển tại các thành phố công
nghiệp, các tổ hợp công nghiệp, các tình huống tai biến khi có sự phát tỏa lớn
của các chất bẩn vào không khí là thuộc mức độ này).
− Mức độ vi mô (mức độ địa phương) - xem xét các quá trình trên một
diện tích từ vài m tới một vài trăm m và thời gian từ vài phút đến một vài chục
phút (ví dụ: một bài toán sinh thái tiêu biểu ở đây là tính cho một số ít các nguồn
thải và xem xét chi tiết phân bố không gian của nồng độ tại một địa phương nào
đó).
Chính vì vậy trước khi xây dựng mô hình môi trường cần phải xác định
các bước theo thời gian và không gian đối với quá trình và đối tượng đang xem
xét.
1.5.2. Các khoảng thời gian được phân loại như sau:

27. 27
− Các quá trình lắng đọng –> tính bằng phút hoặc giờ;
− Sự thoát hơi của thực vật –>tính bằng giờ, ngày;
− Sự hình thành trái cây –> tính bằng ngày, tháng;
− Sự thay đổi trong các quần xã thực vật và động vật –> tính bằng tháng,
năm;
− Sự hình thành đất –> tính bằng nhiều năm hay thế kỷ;
− Các quá trình địa mạo –> tính bằng nhiều thế kỷ, hay thiên niên kỷ.
Điều đầu tiên trước khi tiến hành xây dựng mô hình cần phải phân loại
các khoảng thời gian đối với các quá trình đang xét. Việc làm này là cần thiết
nhằm xác định ưu tiên trong lựa chọn mô hình và như vậy xác định được cấu
trúc phần mềm phục vụ cho tính toán thực tế. Trên Bảng 1-1 là sự phân loại theo
không gian và thời gian của các mô hình chuyển động của khí quyển.

28. 28
Bảng 1-1. Đặc trưng các mô hình chuyển động của khí quyển

29. 29
Chương 2: CÁC BƯỚC XÂY DỰNG MÔ HÌNH HOÁ MÔI TRƯỜNG
Trong hệ thống lý thuyết cơ bản của mô hình hóa thế giới, người ta chia ra
ba giai đoạn lớn: (1) đặt vấn đề; (2) mô hình hóa và phân tích; (3) thông qua
quyết định. Tại giai đoạn đặt bài toán điều quan trọng nhất là xác định: mục tiêu
nghiên cứu; các nội dung liên quan và mối quan hệ giữa các nội dung. Thông
thường, việc đặt bài toán được chính xác hóa trong quá trình nghiên cứu. Các
bài toán và nhiệm vụ xuất hiện trong giai đoạn mô hình hóa và phân tích. Phần
dưới đây trình bày những khái niệm cơ bản của môn học mô hình hóa môi
trường.
2.1. Các giai đoạn cơ bản của quá trình xây dựng mô hình hóa môi
trường
Đã có nhiều tác giả đưa ra các thủ tục cần thiết xây dựng mô hình toán các
quá trình môi trường. Các giai đoạn cơ bản cần thiết xây dựng mô hình môi
trường gồm: lý thuyết, thí nghiệm, tính toán thí nghiệm trên máy tính, diễn giải
kết quả thu được từ mô hình (Hình 2-1).
2.1.1. Giai đoạn lý thuyết: cần thiết hình thành mục tiêu nghiên cứu quá
trình môi trường từ quan điểm mô tả đối tượng một cách ngắn gọn. Giai đoạn
này gồm các bước sau đây:
• Tìm kiếm nguyên mẫu mô tả ngắn gọn quá trình môi trường để tiếp theo
có thể hình thành mô hình toán cho các nghiên cứu tiếp theo;
• Phân tích sự tương thích giữa các số liệu đo đạc thực địa mà người xây
dựng mô hình đang có với nguyên mẫu dự định chọn;
• Đánh giá giới hạn ứng dụng nguyên mẫu để đạt được mục tiêu nghiên
cứu;
2.1.2. Giai đoạn thực nghiệm: phụ thuộc vào mục tiêu nghiên cứu có thể
có các phương án khác nhau trong thu thập thông tin về quá trình hoạt động của
đối tượng môi trường bằng phương pháp khảo sát thực địa hay tính toán thí
nghiệm. Thu thập số liệu thực địa có mục tiêu nhận được các dữ liệu còn thiếu
cho đầu vào của mô hình.

30. 30
Đo đạc thực địa, thu thập số liệu thực địa gồm các bước:
- Xây dựng mục tiêu và yêu cầu đối với các dữ liệu.
- Xây dựng hệ thống tự động hóa xử lý số liệu: cho phép hiển thị thông tin
trong chế độ thời gian thực, tiết kiệm thời gian và tiền bạc.
- Thu thập số liệu với sự trợ giúp của các máy đo khác nhau.
Bước tính toán thí nghiệm:
Được hiểu là quá trình ứng dụng các mô hình toán khác nhau để sản sinh
ra các dữ liệu liên quan tới các trạng thái môi trường. Trong giai đoạn này đối
tượng thực được thay thế hoàn toàn bởi mô hình toán. Giai đoạn này gồm các
bước sau:
- Hình thành mục tiêu thí nghiệm với sự trợ giúp của mô hình toán
- Chuẩn bị kế hoạch tiến hành tính toán thí nghiệm
- Xây dựng các thuật toán thực thi mô hình toán
- Tiến hành tính toán thí nghiệm để sinh ra các dữ liệu trạng thái đối
tượng trong không gian và theo thời gian.
2.1.3. Giai đoạn diễn giải gồm các bước:
- Phân tích các dữ liệu tính toán thí nghiệm và so sánh chúng với mục tiêu
ban đầu;
- Làm sáng tỏ một số trạng thái đặc biệt của đối tượng môi trường được
nghiên cứu;
- Đánh giá giới hạn ứng dụng của mô hình toán học được sử dụng;

31. 31
Hình 2-1. Các giai đoạn cơ bản của quá trình mô hình hóa môi trường
Có nhiều tác giả đã đưa ra các phương pháp tiếp cận khác nhau về các
bước của quá trình mô hình hóa môi trường. Tuy có một số điểm khác biệt
nhưng theo chuyên gia Jorgensen S.E: “Các nhà khoa học khác trong lĩnh vực
môi trường đã công bố những quy trình khá khác nhau, nhưng khi kiểm tra chi
tiết phát hiện rằng chỉ có sự khác biệt nhỏ giữa các quy trình”.
Theo cách phân loại của Jorgensen S.E. quá trình mô hình hóa gồm các
bước sau đây: xác định bài toán, mô hình toán và giải số, phân tích nhạy cảm
(sensitivity analysis), hiệu chỉnh (calibration), kiểm định (verification) và xác
nhận (validation).
Bước đầu tiên của quá trình mô hình hóa là xác định vấn đề. Đây là cách
duy nhất để xác định giới hạn nghiên cứu và tập trung nguồn lực vào trọng tâm

32. 32
của vấn đề thay vì phân tán sức lực vào các hoạt động không cần thiết. Vì thế
bước đầu tiên trong quy trình mô hình hóa là xác định bài toán và việc xác định
này sẽ cần phải được giới hạn bởi các yếu tố không gian, thời gian và hệ sinh
thái được xem xét (một hay nhiều hơn một). Việc xác định ranh giới của bài
toán theo không gian và thời gian thường dễ hơn, và vì thế rõ ràng hơn, so với
việc nhận dạng các hệ sinh thái có liên quan trong mô hình.
Hình 2-2 thể hiện các bước của quá trình mô hình hóa môi trường đã được
Jorgensen S.E áp dụng. Việc thực hiện theo sơ đồ này không phải là dễ dàng với
những người mới bắt đầu học cách xây dựng mô hình (theo Jorgensen S.E.) và
cần phải được thích nghi từ từ và được hoàn chỉnh theo thời gian.
Việc xác định số lượng các hệ sinh thái có liên quan tham gia quá trình
mô hình hóa để đạt được mức độ chính xác có thể chấp nhận được so với phạm
vi hay mục tiêu của mô hình là rất khó, ít nhất là đối với những người mới bắt
đầu. Do thiếu dữ liệu nên giai đoạn đầu chỉ có thể đưa vào xem xét một số ít hệ
sinh thái. Sau đó khi có sự bổ sung dữ liệu cũng như cần thiết phải lưu ý chi tiết
hơn, các hệ sinh thái khác sẽ được bổ sung, đưa vào nghiên cứu.
Trong giới chuyên gia làm mô hình cũng thường diễn ra tranh luận về độ
phức tạp của mô hình. Có ý kiến cho rằng để giải thích các hiện tượng phức tạp
cần phải bổ sung các tham số tham gia mô hình và như vậy trong phương trình
sẽ xuất hiện nhiều thành phần mới. Tuy nhiên, rất tiếc hiện nay chưa có phương
pháp toán học đủ mạnh để có thể giải được các phương trình phức tạp. Ngoài ra,
mô hình càng phức tạp nó càng chứa nhiều thông số, khi đó mức độ không ổn
định của mô hình càng tăng. Bên cạnh đó nhiều thông số phải đo đạc và kiểm tra
hoặc bằng quá trình quan sát tại hiện trường, hoặc trong phòng thí nghiệm hoặc
bằng quá trình hiệu chỉnh, quá trình này một lần nữa lại dựa trên những kết quả
đo đạc tại hiện trường. Việc kiểm tra thông số rất hiếm khi hoàn chỉnh. Trong
trường hợp có sai số thì những lỗi này được đưa vào mô hình và cuối cùng sẽ
dẫn đến tính không ổn định của mô hình. Vấn đề khó khăn trong việc lựa chọn
mức độ phức tạp phù hợp của mô hình sẽ được thảo luận trong rất nhiều công
trình. Đây là vấn đề cần đặc biệt quan tâm trong quá trình mô hình hóa môi
trường sinh thái.

33. 33
Hình 2-2. Một quá trình mô hình hóa mang tính thử nghiệm.
Về mặt lý thuyết, như đã trình bày ở trên, cần thiết phải thu thập dữ liệu
phục vụ cho mô hình. Hình 2-2 cho thấy rằng việc kiểm tra các mô hình con và
quá trình đo đạc chuyên sâu nên được thực hiện sau bước phân tích độ nhạy lần
đầu tiên. Tiếc rằng có rất nhiều nhà lập mô hình không có đủ nguồn dữ liệu để
có thể thực hiện được điều này, nên họ buộc phải tránh thực hiện hai bước này
và thậm chí cả bước phân tích độ nhạy lần thứ hai. Jorgensen S.E. khuyến cáo
rằng cần phải thực hiện theo thứ tự từ quá trình phân tích độ nhạy, kiểm tra mô
hình con và đo đạc chuyên sâu và cuối cùng là phân tích độ nhạy lần hai. Nên

34. 34
chú ý các mũi tên phản hồi từ bước phân tích độ nhạy, bước hiệu chỉnh và bước
xác nhận đến bước đưa ra các công thức toán cho các quá trình và bước hình
thành sơ đồ ý niệm. Điều này cho thấy quá trình mô hình hóa phải là một quá
trình có tương tác lẫn nhau giữa các thành phần.
Dữ liệu luôn là một yêu cầu bắt buộc trong mô hình hóa (trong hầu hết
các bước của quá trình mô hình hóa đều cần dữ liệu). Về nguyên tắc, dữ liệu cho
tất cả các biến trạng thái cần phải được xác định. Một cách lý tưởng, người làm
mô hình nên quyết định xem dữ liệu nào cần thiết để pháp triển mô hình dựa
trên sơ đồ ý niệm. Cần lưu ý tới khía cạnh kinh tế của vấn đề vì lấy số liệu là
một quá trình tốn kém.
Bước kế tiếp là xây dựng các công thức toán học mô tả các quá trình trong
hệ sinh thái. Có nhiều quá trình được mô tả bằng một phương trình toán hoặc
hơn, và việc lựa chọn phương trình thích hợp cho mô hình đang xem xét là một
vấn đề rất quan trọng trong quá trình mô hình hóa.
Hình 2-3. Các bước mô hình hóa theo Jorgensen S.E.
Một khi đã có hệ các phương trình toán thì quá trình kiểm định mới
(verification) có thể được thực hiện. Tiếp theo, để thực thi bước này, chuyên gia
xây dựng mô hình cần phải trả lời các câu hỏi sau đây:
 Mô hình có ổn định trong một thời gian dài hay không?
Mô hình được chạy trong một khoảng thời gian dài với chu kỳ là một năm
với cùng hàm điều khiển để theo dõi xem giá trị của các biến trạng thái có được
duy trì ở mức độ tương đối ổn định hay không. Trong suốt giai đoạn đầu, biến

35. 35
trạng thái phụ thuộc vào giá trị ban đầu và mô hình cũng nên được chạy với giá
trị ban đầu tương ứng với giá trị dài hạn của các biến trạng thái. Quy trình này
cũng được khuyên dùng để tìm ra giá trị ban đầu nếu như không thể biết hoặc đo
đạc bằng các phương pháp khác.
 Mô hình có hoạt động như mong đợi không?
Nếu đại lượng đầu vào là các độc chất, chúng ta mong muốn nồng độ độc
chất sẽ cao hơn trong cơ thể các loại động vật cấp cao hơn. Nếu điều này không
xảy ra, cho thấy có một vài công thức toán bị sai và cần phải được sửa chữa.
Câu hỏi này chứng tỏ rằng trên thực tế chúng ta biết được ít nhất một số phản
ứng của hệ sinh thái, điều này cũng không luôn đúng như thế.
Nhìn chung, trong giai đoạn này cần phải làm việc với mô hình nhiều hơn
nữa. Qua những lần sử dụng như thế, nhà lập mô hình có thể làm quen với mô
hình và các phản ứng của nó đối với những sự xáo trộn. Các mô hình nói chung
nên được xem như là một công cụ thử nghiệm. Các thử nghiệm được thực hiện
để so sánh kết quả của mô hình với kết quả quan sát và sự thay đổi cho mô hình
được tạo ra tùy theo trực giác và kiến thức của nhà lập mô hình đối với các phản
ứng của mô hình. Nếu nhà mô hình hài lòng với sự hòa hợp giữa mô hình và kết
quả quan sát thì họ chấp nhận mô hình như là một sự mô tả thích hợp cho hệ
sinh thái thực, ít nhất là trong phạm vi công việc quan sát của họ.
Phân tích độ nhạy (sensitivity analysis) tiếp theo sau bước kiểm định.
Thông qua phân tích, nhà lập mô hình có được cách nhìn đúng đắn về các thành
phần nhạy cảm trong mô hình. Do đó, phân tích độ nhạy là sự cố gắng đo đạc độ
nhạy của các thông số, các hàm điều khiển và cả các mô hình con cho đến các
biến trạng thái cần quan quan tâm trong mô hình.
Thí dụ, nếu nhà lập mô hình muốn mô phỏng nồng độ chất độc trong cơ
thể côn trùng ăn thịt do sử dụng thuốc trừ sâu, thì họ sẽ lựa chọn biến trạng thái
này như là một biến quan trọng nhất, và sau đó là nồng độ độc chất trong cây
xanh và trong cơ thể côn trùng ăn cỏ.
Việc sử dụng chương trình thu thập dữ liệu chuyên sâu cho các biến
trạng thái quan trọng nhất nên được xem xét để có thể cung cấp sự đánh giá tốt
hơn cho những thông số quan trọng nhất.
5424343

36. 36
Bước đầu tiên trong giai đoạn hiệu chỉnh nên được thực hiện bằng cách
sử dụng dữ liệu chưa được áp dụng. Thực hiện việc hiệu chỉnh đối với các thông
số quan trọng nhất sau khi chúng được lựa chọn, nhiều nhất là 8 hoặc 10 thông
số. Trong trường hợp đầu tiên, quá trình hiệu chỉnh được thực hiện bằng phương
pháp thử nghiệm và phát hiện lỗi để có thể làm quen với phản ứng của mô hình
cho các thông số. Quy trình hiệu chỉnh tự động được sử dụng ngay sau để làm
nổi bật việc đánh giá các thông số. Các kết quả này được sử dụng cho bước
phân tích độ nhạy lần hai, nó có thể đưa ra kết quả khác hơn so với lần đánh
giá đầu tiên.
Bước hiệu chỉnh lần thứ hai giờ được sử dụng cho các thông số quan
trọng nhất dựa vào bước phân tích độ nhạy lần thứ hai. Trong trường hợp này,
cũng sử dụng cả hai phương pháp hiệu chỉnh được đề cập bên trên. Sau bước
hiệu chỉnh cuối cùng này, mô hình có thể được xem là đã được hiệu chỉnh và ta
có thể đi đến bước kế tiếp: bước xác nhận. Theo sau bước hiệu chỉnh lúc nào
cũng là bước xác nhận. Tại bước này nhà lập mô hình kiểm tra mô hình dựa vào
tập dữ liệu độc lập để theo dõi kết quả mô phỏng theo mô hình trùng khít với dữ
liệu đo đạc như thế nào. Tuy nhiên, cần phải nhấn mạnh rằng bước xác nhận cho
phép đánh giá mô hình tốt hay không tốt khi có được các dữ liệu chuẩn. Do đó,
để xác nhận mô hình, cần sử dụng dữ liệu thu được từ giai đoạn mà ở đó có các
điều kiện khác nhau.
Có thể tóm tắt nội dung thảo luận về bước xác nhận như sau:
 Bước xác nhận luôn luôn là bắt buộc để có thể có được cái nhìn
toàn cảnh về độ tin cậy của mô hình.
 Cần phải cố gắng thu thập dữ liệu cho bước xác nhận, quá trình này
hoàn toàn khác với bước hiệu chỉnh. Điều quan trọng là phải có dữ liệu từ một
khoảng rộng các hàm điều khiển được xác định dựa trên mục tiêu của mô hình.
 Các tiêu chí của giai đoạn xác nhận được hình thành dựa vào các
mục tiêu của mô hình và chất lượng của dữ liệu sẵn có.

37. 37
Bảng 2-1 Các thuật ngữ chính trong mô hình hoá môi trường

38. 38
2.2. Các thành phần trong quá trình mô hình hóa môi trường
Trong quá trình mô hình hóa môi trường có 5 thành phần trực tiếp tham
gia: biến trạng thái (state variables), hàm điều khiển (forcing function), các
phương trình toán học (mathematical equations), các tham số (parameters), các
hằng số (universal constants). Dưới đây trình bày chi tiết về các thành phần này.
2.2.1. Biến trạng thái giống như tên gọi của nó, mô tả tình trạng của hệ
sinh thái. Việc lựa chọn biến trạng thái cho cấu trúc của mô hình là rất quan
trọng và phụ thuộc vào mục tiêu. Thí dụ, nếu chúng ta muốn mô hình hóa sự tích
lũy sinh học của độc chất, khi đó cần lấy các biến trạng thái là các 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.
2.2.2. Hàm điều khiển (hoặc biến ngoại sinh) là hàm số của các biến
đặc tính bên ngoài có ảnh hưởng đến tình trạng của hệ sinh thái. Trong quản lý,
bài toán cần giải quyết có thể được trình bày lại như sau: nếu với các hàm điều
khiển bất kỳ khác nhau thì tình trạng của hệ sinh thái sẽ bị ảnh hưởng như thế
nào? Mô hình được sử dụng nhằm dự đoán cái gì sẽ thay đổi trong hệ sinh thái
khi hàm điều khiển thay đổi theo thời gian. 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, các 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. Những hàm điều khiển
khác cần chú ý là các biến khí hậu có ảnh hưởng đến thành phần hữu sinh và vô
sinh cũng như đến tỷ lệ các quá trình xảy ra trong một hệ sinh thái. Đây là hàm
điều khiển nhưng không phải là các hàm kiểm soát.

39. 39
Hình 2-4. Các thành phần trong mô hình hoá môi trường
2.2.3. Phương trình toán học: 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. Cùng một quá trình có thể có tìm thấy trong nhiều ngữ cảnh môi
trường khác nhau, điều này có nghĩa là cùng một phương trình có thể được sử
dụng trong nhiều mô hình khác nhau. Tuy nhiên, điều này không có nghĩa là
cùng một quá trình sẽ luôn luôn được biểu diễn bằng cùng một phương trình.
Trước tiên, quá trình đang xét có thể được mô tả tốt hơn khi sử dụng phương
trình toán có lưu ý tới ảnh hưởng một nhóm nhân tố cụ thể. Thứ hai, mức độ chi
tiết cần phải có trong mô hình có thể là khác nhau trong các trường hợp khác
nhau, điều này phụ thuộc vào sự khác biệt về tính phức tạp của hệ thống hay/và
của bài toán.
2.2.4. Các tham số: là các hệ số trong các phương trình toán biểu diễn
quá trình. Chúng có thể được xem là hằng số đối với một hệ sinh thái đặc biệt
hoặc một phần của hệ sinh thái. Trong mô hình nhân - quả thông số sẽ có một
định nghĩa khoa học, thí dụ như sự bài tiết chất cadium từ cá. Có nhiều thông số
trong tài liệu không được xem là hằng số mà là một khoảng giá trị. Kiến thức
còn giới hạn của chúng ta về tham số là một trong những điểm yếu nhất trong
quá trình mô hình hóa. Hơn nữa, việc áp dụng các tham số là hằng số trong các
mô hình môi trường là không thực tế do có rất nhiều phản ứng trong một hệ sinh

40. 40
thái thực. Tính thường xuyên thay đổi của một hệ sinh thái mâu thuẫn với việc
áp dụng các thông số là hằng số cho các mô hình. Một thế hệ các mô hình mới
có cố gắng sử dụng các thông số khác nhau tùy thuộc vào một vài nguyên lý
sinh thái dường như là một giải pháp có thể chấp nhận cho vấn đề trên. Trong
tương lai sự phát triển theo hướng tiếp cận này là thực sự cần thiết trước khi
chúng ta có thể chứng minh rằng mô hình hóa có thể phản ánh chính xác các quá
trình có trong một hệ sinh thái thật.
2.2.5. Các hằng số: thí dụ như hằng số khí và trọng lượng nguyên tử,
cũng được sử dụng trong hầu hết các mô hình. Mô hình hóa môi trường có thể
được định nghĩa như là cách thể hiện mang tính nghi thức các thành phần chủ
yếu của một bài toán cụ thể dưới dạng các thuật ngữ toán học. Việc nhận biết
đầu tiên về bài toán thông thường chỉ là ý tưởng. Đây có thể xem như là bước
đầu tiên trong quy trình mô hình hóa môi trường. Sẽ tiện lợi hơn khi chuyển ý
tưởng thành sơ đồ ý niệm với các biến trạng thái, các hàm điều khiển và các mối
quan hệ về mặt toán học giữa các thành phần này trong quá trình. Ví dụ trên
Hình 2-5 là mô hình ý niệm hệ sinh thái nước với các biến trạng thái : S1, S2, ,
S3, S4, S5; các biến ngoại sinh V1, V2.
Hình 2-5. Mô hình hệ sinh thái nước

41. 41
2.3. Phân loại mô hình hóa môi trường
Sự phân loại mô hình luôn cần thiết cho nghiên cứu và sử dụng, chúng ta
đã phân loại các mô hình ở chương 1 về các dạng mô hình. Trong phần này trình
bày cách phân loại mô hình môi trường như sau:
Hình 2-6. Mô hình ngẫu nhiên xem xét các đại lượng (1), (2), và (3) trong đó
mô hình tiền định xem đại lượng (2) và (3) bằng 0.
Các cặp mô hình được trình bày trong Bảng 2-2. Phần chia mô hình đầu
tiên dựa vào ứng dụng: mô hình mang tính khoa học và mô hình quản lý. Cặp
tiếp theo là mô hình dự đoán và mô hình tiền định. Mô hình dự đoán chứa các
xáo trộn dự đoán đầu vào và các lỗi đo đạc ngẫu nhiên, như biểu diễn trong
Hình 2-6. Nếu cả hai yếu tố đều được cho bằng 0 thì mô hình dự đoán sẽ suy
giảm thành mô hình tiền định, cho thấy rằng các thông số không được ước lượng
theo phân phối thống kê. Mô hình tiền định cho rằng các đáp ứng trong tương lai
của hệ thống hoàn toàn được quyết định bởi thông tin về trạng thái hiện tại và
các đại lượng đầu vào trong tương lai có thể đo đạc được. Mô hình dự đoán ít
được ứng dụng trong sinh thái học hiện tại.
Cặp mô hình thứ ba trong Bảng 2-2 là mô hình thành phần và mô hình ma
trận. Đối với một số nhà lập mô hình, mô hình thành phần được hiểu như là mô
hình được dựa trên công dụng của từng thành phần trong sơ đồ ý niệm (hay còn
gọi là mô hình lý luận theo thuật ngữ tiếng Anh là conceptual model), trong khi
các nhà lập mô hình khác lại phân biệt giữa hai nhóm mô hình hoàn toàn bằng
công thức toán được nêu trong bảng. Cả hai loại mô hình này đều được ứng

42. 42
dụng trong hóa môi trường, mặc dù công dụng của mô hình thành phần được
công bố nhiều hơn hẳn.
Bảng 2-2. Phân loại các mô hình môi trường (từng cặp một theo các dạng
mô hình).

43. 43
Hầu hết các bài toán trong khoa học môi trường và sinh thái học đều có
thể được mô tả bằng mô hình động bằng cách sử dụng các phương trình vi phân
và phương trình sai phân để mô tả phản ứng của hệ thống đối với các nhân tố
bên ngoài. Phương trình vi phân được sử dụng để biểu diễn cho những thay đổi
liên tục của trạng thái theo thời gian, trong khi đó phương trình sai phân được sử
dụng để biểu diễn các quá trình rời rạc theo thời gian. Trạng thái ổn định tương
ứng với tình trạng mà ở đó đạo hàm bằng 0. Sự dao động xung quanh trạng thái
cân bằng được mô tả bằng cách sử dụng mô hình động, trong khi bản thân trạng
thái ổn định được mô tả bằng mô hình tĩnh. Vì khi đạo hàm bằng 0 tại trạng thái
ổn định thì mô hình tĩnh sẽ biến thành các phương trình đại số. Trên hình này Y
là biến trạng thái được biểu diễn như một hàm của thời gian. A là trạng thái đầu
tiên, B là trạng thái nhất thời và C là dao động xung quanh trạng thái ổn định.
Đường đứt nét tương ứng với trạng thái ổn định, có thể được biểu diễn bằng mô
hình tĩnh.
Một vài hệ thống động không có trạng thái ổn định. Trong trường hợp này
phải cần đến mô hình động để miêu tả trạng thái hệ. Trong trường hợp này hệ
thống luôn là phi tuyến mặc dù vẫn tồn tại những hệ phi tuyến ổn định. Ngược
lại, mô hình tĩnh khi tất cả các biến trạng thái và thông số đều không phụ thuộc
thời gian. Mặt tích cực của mô hình tĩnh là ở tiềm năng đơn giản hóa các bước
tính toán tiếp theo bằng cách loại bỏ một số biến độc lập trong quan hệ của mô
hình, nhưng mô hình tĩnh có thể sẽ đưa ra các kết quả không chính xác do các
dao động, gây ra bởi, thí dụ như, biến thiên về thời tiết, có thể được tận dụng bởi
các biến trạng thái để nhận được các giá trị trung bình cao hơn.
2.3.1 Mô hình hóa môi trường phân phối: lưu ý tới cho sự thay đổi của
các biến theo thời gian và không gian. Một thí dụ điển hình là mô hình lan
truyền khuếch tán (advection – diffusion) cho chất hòa tan dọc theo dòng sông.
Mô hình có thể gồm các biến không gian ba chiều trực giao. Tuy nhiên, người
làm mô hình dựa trên sự quan sát thực tế và thấy rằng gradian của các chất hòa
tan theo một hay hai chiều là không đủ lớn để có thể đưa vào xem xét trong mô
hình. Khi đó mô hình sẽ được giản lược thành mô hình cộng gộp (lumped
model). Trong khi mô hình cộng gộp thường được dựa vào các phương trình vi

44. 44
phân thường thì mô hình phân phối lại được xác định bởi các phương trình vi
phân đạo hàm riêng.
2.3.2. Mô hình hóa môi trường nhân quả: (hay còn gọ i là mô hình mô
tả bên trong) đặc trưng bởi tính chất sau đây: đại lượng đầu vào quan hệ với biến
trạng thái và các biến trạng thái liên hệ với nhau và với đại lượng đầu ra của hệ
thống. Ngược lại với mô hình nhân quả, mô hình hộp đen lại chỉ quan tâm tới
xem: khi thay đổi giá trị đầu vào thì sẽ ảnh hưởng gì đến giá trị đầu ra. Nói cách
khác, mô hình nhân quả mô tả cơ chế của các quá trình phản ứng bên trong hệ
thống.
2.3.3. Mô hình hóa môi trường hộp đen chỉ quan tâm đến các đại lượng
đầu ra và đầu vào nào có thể đo đạc được. Mối quan hệ giữa chúng có thể được
nhận thấy bằng phân tích thống kê. Trên một khía cạnh khác, nếu các quá trình
trong mô hình được mô tả bằng các phương trình, bao gồm cả mối quan hệ, thì
nó sẽ là mô hình nhân quả. Nhà lập mô hình có thể thích sử dụng các mô tả hộp
đen trong trường hợp kiến thức của họ về các quá trình có giới hạn. Tuy nhiên
điểm bất lợi của mô hình hộp đen bị giới hạn đối với các ứng dụng cho các hệ
sinh thái tương tự nhau, và nó không thể xem xét đến những sự biến đổi trong hệ
thống. Khi cần phải ứng dụng thì nhất thiết phải xây dựng mô hình nhân quả.
Kiểu mô hình nhân quả được sử dụng trong hóa môi trường rộng rãi hơn so với
mô hình hộp đen, chủ yếu là do mô hình nhân quả đưa ra được công dụng của
các chức năng của hệ thống trong đó có các phản ứng hóa học, vật lý và sinh
học.
2.4. Các thuật toán cơ bản được áp dụng trong xây dựng mô hình
hóa môi trường
Người làm mô hình luôn 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 (tất nhiên không thể đòi hỏi sự tuyệt đối mà chỉ có thể nói
càng xấp xỉ đúng thực tế càng tốt). Người làm mô hình cũng cần phải có nghiên
cứu đôi chút về các phương trình mô tả các thành phần trong mô hình. Một số
thuật toán có thể ứng dụng trong xây dựng mô hình sẽ được trình bày ở dưới
đây:

45. 45
Các Nguyên lý bảo toàn thường được ứng dụng trong mô hình hóa:
Thường được sử dụng trong quá trình mô hình hóa. 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. Chúng ta sẽ áp dụng trong nghiên cứu sinh thái hai
nguyên lý sau đây:
- Các hệ sinh thái bảo toàn vật chất
- Các hệ sinh thái bảo toàn năng lượng
Nguyên lý bảo toàn vật chất có thể được thể hiện bằng công thức toán học
sau đây:
Dm/dt = Đầu vào – Đầu ra
Trong đó m là tổng khối lượng của hệ. Thực tế ứng dụng khẳng định này
đòi hỏi hệ sinh thái phải xác định có chỉ ra biên của hệ.
Thay m = V.c, trong đó c là nồng độ ta nhận được công thức
V.(dc/ dt) = Đầu vào – Đầu ra
Trong đó V – là thể tích của hệ .
Nếu sử dụng nguyên lý bảo tồn khối lượng cho các thành phần hóa học,
có thể biến đổi phương trình trên như sau:
V.(dc/dt) = Đầu vào – Đầu ra + Bổ sung – Biến đổi
Theo thời gian sẽ có sự bổ sung và quá trình biến đổi dẫn tới sự hao hụt
chất ban đầu.
Nguyên lý bảo tồn khối lượng được sử dụng rông rãi trong một lớp các
mô hình môi trường gọi là các mô hình sinh địa hóa. Phương trình được xây
dựng cho các thành phần thích hợp, ví dụ: như trong mô hình phú dưỡng là các
mô hình cho C, P, N.
5424343

46. 46
Chương 3: MÔ HÌNH HOÁ TRONG MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ
Như chúng ta đã biêt Mô hình hóa toán học các quá trình và hiện tượng
thiên nhiên không phải là sản phẩm thuần túy của khoa học mà được coi là
phương pháp tiếp cận để hỗ trợ cho sự hiểu biết sâu sắc hơn các hiện tượng thiên
nhiên và mục tiêu cuối cùng của nó là để nhận được thông tin về thế giới thực.
Thông tin này thúc đẩy sự phát triển các vấn đề khoa học mới cùng các phương
pháp giải chúng, cũng như làm cơ sở để thông qua quyết định khi tiến hành các
dự án cụ thể.
Trong những năm gần đây mối quan tâm xây dựng các mô hình toán ô
nhiễm không khí, nước, đất, dự báo và đánh giá khía cạnh kinh tế do ô nhiễm
dựa trên phương pháp mô phỏng tăng lên và phát triển mạnh mẽ. Việc xây dựng
các mô hình toán cho hệ thống kiểm soát và quản lý ô nhiễm không khí, luận
chứng các phương pháp dự báo dài hạn phục vụ cho công tác qui hoạch (hướng
tới giảm thiểu phát thải) cũng không ngừng tăng lên.
3.1. Ô nhiễm môi trường không khí, Vì sao cần phải mô hình hoá
môi trường không khí
Ô nhiễm không khí không giới hạn trong các vùng có nguồn thải lớn. Các
chất ô nhiễm không khí lắng đọng trên bề mặt không chỉ của khu vực có nguồn
thải lớn mà còn cả khu vực xung quanh. Ô nhiễm không khí và đặc biệt trong
việc giảm ô nhiễm không khí đến một mức chấp nhận được là một vấn đề môi
trường quan trọng
Nồng độ và mức lắng đọng chấp nhận được (hoặc tới hạn) cần được xác
định chính xác và ô nhiễm không khí cần giảm đến các mức độ này nhưng
không nên giảm hơn (do chi phí thêm có thể rất đắt và vì vậy, có thể gây nên
những khó khăn lớn về mặt kinh tế).
Các mô hình toán biểu diễn hiện tượng ô nhiễm không khí là những công
cụ không thể thiếu trong quá trình nỗ lực giải quyết các bài toán. Để giảm tối ưu
mức ô nhiễm không khí đến mức độ chấp nhận được có thể được giải quyết

47. 47
thành công chỉ khi sử dụng các mô hình toán học ô nhiễm không khí đáng tin
cậy.
Cần phải mô hình hoá môi trường không khí vì:
+ Dự báo: Đánh giá được ảnh hưởng của nguồn còn chưa xây dựng
+ Chi phí: Rẻ hơn đo đạc
+ Tính ứng dụng: Có những lúc không thể đo được, đánh giá được ảnh
hưởng của nguồn riêng lẻ.
+ Sử dụng nhiều lần: Công cụ đánh giá khách quan.
Hình 3-1 Mô hình toán biểu diễn hiện tượng ô nhiễm không khí
3.2. Một số khái niệm cơ bản trong mô hình hoá môi trường không
khí
3.2.1. Phát thải (Emission)
Trong giai đoạn đầu tiên này, các chất ô nhiễm toả vào khí quyển từ các
nguồn thải khác nhau. Khi tính toán sự khuếch tán các chất ô nhiễm trong không
khí người ta chia nguồn thải ô nhiễm thành các loại như sau:
- Về độ cao: phân thành nguồn thấp và nguồn cao.
+ Nguồn thấp là các nguồn thải từ dây chuyền công nghệ sản xuất, từ lỗ
cửa thải của hệ thống thông gió…, chúng là những nguồn là là mặt đất.
+ Nguồn cao là nguồn thải chất ô nhiễm phát ra từ các ống khói cao.
- Về mặt hình thể thì phân thành nguồn điểm, nguồn đường và nguồn mặt.
+ Nguồn điểm như là miệng ống khói và các lỗ thải không khí của các hệ
thống thông gió nhân tạo.
+ Nguồn đường là các cửa mái thông gió tự nhiên tương đối dài, một dãy
các lỗ thoát khí đặt thẳng hàng kề nhau của một hệ thống thông gió và đường
giao thông có mật độ xe chạy lớn.