Tổng quan về mô hình hóa các bước thiết lập và phát triển mô hình

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN THIÊN NHIÊN oOo MÔ HÌNH HÓA MÔI TRƯỜNG Chủ đề: TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH HÓA CÁC BƯỚC THIẾT LẬP VÀ PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH Giảng viên hướng dẫn Sinh viên thực hiện Huỳnh Vương Thu Minh Nhóm sinh viên QLMTA2 PHỤ LỤC DANH SÁCH HÌNH Hình 1.1 Mô hình xe hơi thử nghiệm sử dụng năng lượng mặt trời 6 Hình 1.2 Mô hình vòng tuần hoàn nước trên trái đất. 6 Mô hình hộp trắng - White box 8 Mô hình hộp đen - Black box 8 Mô hình hộp xám - Gray box 8 Ví dụ mô hình hóa môi trường 12 MÔ HÌNH KHÁI NIỆM HÌNH THÀNH BÃO 13 CÁC BƯỚC THIẾT LẬP VÀ PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH 15 LÝ THUYẾT VỀ LỰA CHỌN, HIỆU CHỈNH VÀ KIỂM ĐỊNH MÔ HÌNH 15 Hình 1. Ba thành tố của một mô hình 15 Các bước xây dựng và kiểm định mô hình 17 Các bước hiệu chỉnh mô hình 22 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH HÓA VÀ Ý NGHĨA Giới thiệu 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 và toán học 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 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. Các định nghĩa và phân loại mô hình 2.1. Khái niệm mô hình Mô hình là một cấu trúc mô tả hình ảnh đã được tối giản hóa theo đặc điểm hoặc diễn biến của một đối tượng, một hiện tượng, một khái niệm hoặc một hệ thống (TS. Lê Anh Tuấn, 2008). Mô hình có thể là một hình ảnh hoặc một vật thể được thu nhỏ hoặc phóng đại,hoặc chỉ làm gọn bằng một phương trình toán học, một công thức vật lý, mộtphần mềm tin học để mô tả một hiện trạng thực tế mang tính điển hình ( TS. Lê Anh Tuấn, 2008). Mô hình là một đối tượng cụ thể (vật chất hoặc phương trình toán học), một hệ thống, hoặc một khái niệm (tư duy) thay thế một nguyên bản (Claude Shannon,1948). Ví dụ 1.1: Các nhà thiết kế tạo ra một mẫu xe hơi sử dụng năng lượng mặt trời thu nhỏ để thử nghiệm khả năng hoạt động cũng như các tiện ích và an toàn trước khi chế tạo hàng loạt (hình 1.1). Hình 1.1. Mô hình xe hơi thử nghiệm sử dụng năng lượng mặt trời Ví dụ 1.2: Mô hình Vòng tuần hoàn nước sự tồn tại và vận động của nước trên mặt đất, trong lòng trong đất và trong bầu khí quyển của trái đất. Hình 1.2 Mô hình vòng tuần hoàn nước trên trái đất. 2.2 Phân loại mô hình a. Phân loại mô hình Mô hình khái niệm ( Mô hình nhận thức)- Conceptual modelling: Trước khi tiến hành tạo một mô hình, phải tư duy được có bao nhiêu thành phần và cách thức liên hệ và ảnh hưởng lẫn nhau như thế nào. Kết quả của mô hình khái niệm là lưu đồ hoặc sơ đồ. Mô hình giải tích ( Mô hình số): Là những thuật toán quan hệ giữa những biến số ( variables ) và thông số ( parameters ) của mô hình →Phần quan trọng cốt lõi và cũng phức tạp nhất khi xây dựng mô hình. Mô hình toán– Numerical modelling: Dùng ngôn ngữ lập trình mô tả mối quan hệ toán học giữa các yếu tố trong hệ thống (các quá trình hóa học, vật lý và sinh học) được mô phỏng từ hệ thống thực. Các mô hình toán thường sử dụng như MathCAD, MathLAB, Excel, Fortran, C, C ++ , Java Mô hình vật lý: Mô hình tỉ lệ - Scale physiscal modelling: Hệ vật lý được mô phỏng lại với các thành phần được mô phỏng bằng một tỉ lệ chính xác (thu nhỏ hoặc phóng to). Mô hình phác thảo thử nghiệm – Prototype modelling: Dạng này được xây dựng nhanh và thô (phác thảo) để thử nghiệm một vài chức năng. Mô hình tương tự: Khi một quá trình muốn nghiên cứu quá phức tạp →Có thể sử dụng một quá trình khác thay thế (công thức toán học giống nhau) → Mô hình tương tự → Suy kết quả từ mô hình tương tự cho mô hình muốn nghiên cứu. b. Phân loại mô hình toán MÔ HÌNH TẤT ĐỊNH MÔ HÌNH NGẪU NHIÊN MÔ HÌNH LIÊN TỤC MÔ HÌNH TĨNH MÔ HÌNH TUYẾN TÍNH MÔ HÌNH RỜI RẠC MÔ HÌNH ĐỘNG MÔ HÌNH PHI TUYẾN TÍNH MÔ HÌNH TOÁN Mô hình hộp trắng - White box Mô hình cung cấp số thông tin về liệu đầu vào, đầu ra và một bên trong hệ thống. Mô hình hộp đen - Black box Mô hình chỉ cung cấp số thông tin về liệu đầu vào và đầu ra (only input and output are known), cấu trúc bên trong chưa biết hoặc không biết do cấu trúc quá phức tạp hoặc chưa biết (Internal dynamics are either too complex or unknown). Mô hình hộp xám - Gray box Mô hình cung cấp số thông tin về liệu đầu vào, đầu ra và một phần trong tiến trình xử lý của hệ thống. Ưu và nhược điểm các loại mô hình TÊN MÔ HÌNH ƯU ĐIỂM NHƯỢC ĐIỂM Mô hình khái niệm (Mô hình nhận thức ) - Được hình thành dù người tạo ra nó chưa hiểu hết tất cả các hiện tượng phức tạp trong thực tế. - Có thể đơn giản hóa tính bất nhất của các thông số thành tính đồng nhất. - Có thể giảm thiểu được số liệu yêu cầu. - Dễ dàng cho người xem hiểu cách thu thập số liệu, thông tin sử dụng một cách nhanh chóng và ít tốn kém. - Mô hình khái niệm là một công cụ kĩ thuật cho các lập trình viên hiểu vấn đề phải giải quyết mà không cần phải làmột chuyên gia môi trường. - Mô hình khái niệm tạo thuận lợi cho việc diễn giải trong thuyết minh, biểu bảng, đồ thị. - Có thể tạo ra một giao tiếp với cơ sở dữ liệu và hệ thống thông tin địa lý (GIS). - Mô hình khái niệm là một khái quát nhân tạo và phi vật lý qua các tối giản nên có thể không đưa ra hết những quan hệ tương tác giữa các đối tượng. - Những người thiếu kinh nghiệm có thể tạo ra các giả thiết phi thực tế hoặc quá đơn giản. - Mô hình khái niệm mang tính tổng quá nên đôi khi bỏ sót các phương án vận hành. - Mô hình khái quát thường không thể thể hiện cách điều chỉnh sai số hoặc ngoại suy trong trường hợp thiếu dữ liệu. - Khi cần bổ sung mô hình hoặc tái cấu trúc mô hình có thể tạo ra một tình trạng quá gò bó thông số. Mô hình Giải Tích ( Mô hình Số) - Mô hình thực hiện xử lý số liệu một cách nhanh chóng. - Mô hình không có lập trình, tối thiểu được lỗi trong cách sử dụng. - Các thông số và biến số dễ bị thay đổi. - Là mô hình phức tạp với các chuỗi thuật toán. Mô hình Toán -Dùng các ngôn ngữ lập trình để miêu tả mối quan hệ toán học một cách dễ dàng. - Có thể dễ dàng thay đổi số liệu hay thông số của mô hình với nhiều kịch bản khác nhau theo ý muốn. - Các tính năng tiêu chuẩn hóa thường cần thiết cho mô hình. - Chu kỳ phát triển ngắn hơn. - Có thể đọc được nhiều mã khác nhau. - Hỗ trợ nhiều trong việc xác minh mô hình toán học. - Đòi hỏi khối lượng công việc khổng lồ với các biến số thay đổi theo thời gian và không gian. - Giai đoạn kiểm tra lại khó khăn. - Tính di động bị hạn chế. - Chi phí phầm mềm cao. - Đòi hỏi nâng cấp bổ sung. Mô hình Vật Lý - Là công cụ chuẩn xác để dự đoán những hiện tượng Vật lý. - Kích thước nhỏ, đo đạc dễ dàng. - Quan sát các hiện tượng tận mắt dễ dàng định hướng nghiên cứu. - Tốn kém thời gian và tiền bạc. - Chỉ được áp dụng khi hết sức cần thiết khi nghiên cứu chi tiết để thiết kế công trình (cống, đập). - Khó mô phỏng tất cả các hiện tượng theo tỉ lệ chính xác. - Khó mô phỏng các điều kiện biên một cách chính xác. Mô hình Tương Tự - Có thể sử dụng số liệu, thông số hay một quá trình khác thay thế rồi suy ra kết quả tương tự cho mô hình. - Không sử dụng lập trình phức tạp. - Các mô hình phức tạp được thực hiện nhanh chóng. - Kết quả không chính xác. - Không mô phỏng tất cả hiện tượng trong mô hình một cách chính xác. - Tốn kém về tiền bạc. Các trường hợp cần sử dụng mô hình toán và mô hình vật lý Mô hình vật lý: Khi những hiện tượng vật lý thực tế phức tạp và khó mô tả chính xác bằng các công thức toán học. Mô hình vật lý là công cụ chuẩn xác để dự đoán những hiện tượng vật lý. Không cần phải tưởng tượng, chúng ta có thể quan sát toàn bộ quá trình thông qua mô hình vật lý. Mô hình toán: Để dự đoán hoặc mô phỏng một cách thường xuyên những gì một hệ thống thế giới thực sẽ làm trong tương lai nhưng lại tốn kém, không thực tế hoặc không thể thử nghiệm trực tiếp với hệ thống, ví dụ như: thiết kế lò phản ứng hạt nhân, sự tuyệt chủng của các loài,Mô hình toán còn được áp dụng trong nhiều trường hợp khi phải liên tục thay đổi kịch bản để đưa ra kết quả tương ứng. 5. KHÁI NIỆM VÀ Ý NGHĨA CỦA MÔ HÌNH HÓA MÔI TRƯỜNG 5.1. Khái niệm mô hình hóa Mô hình hóa môi trường là ngành khoa học mô phỏng hiện tượng lan truyền chất ô nhiễm và các dự báo thay đổi môi trường theo không gian và thời gian. ( TS. Lê Anh Tuấn, 2008). Mô hình hóa môi trường là ngành khoa học cung cấp các công cụ ở dạng hình ảnh, sơ đồ, biểu đồ, phần mềm, hay sa bàn, ... để chuyển các hiểu biết từ các đo đạc thực tế của một khu vực nghiên cứu thành các lý giải cần thiết cho như cầu thông tin và tiên đoán diễn biến của môi trường – sinh thái. Mô hình môi trường là một mô tả đơn giản cho các quan hệ phức tạp về môi trường sinh thái ở ngoài thực tế nhưng vẫn có thể cho các kết quả chính xác ở mức độ chấp nhận được. Một mô hình môi trường phải cung cấp một đại lượng dữ liệu thể hiện theo sự thay đổi thời gian qua: (i) sự quan sát (observation); (ii) sự phân tích (analysis); (iii) sự tiên đoán (prediction). Một mô hình môi trường có thể là một giao tiếp giữa dữ liệu và tạo quyết định. Mô hình tạo ra các thông tin từ dữ liệu quan trắc và cải tiến kiến thức giúp cho việc ra quyết định liên quan đến việc quy hoạch, thiết kế, vận hành và quản lý. Một mô hình môi trường thường kết hợp các định luật và phương trình sau • Định luật vật lý (như định luật Darcy, định luật bảo toàn khối lượng, ...) • Phương trình toán học quan hệ (như phương trình Penmen về bốc thoát hơi, phương trình cân bằng nước). • Các quan hệ thực nghiệm (như các công thức kinh nghiệm, ...) ( TS. Lê Anh Tuấn,2008). Ví dụ mô hình hóa môi trường Ý nghĩa mô hình hóa môi trường Cung cấp các công cụ ở dạng hình ảnh, sơ đồ, biểu đồ, phần mềm, hay la bàn, ...để chuyển các hiểu biết từ các đo đạc thực tế của một khu vực nghiên cứu thành các lý giải cần thiết cho như cầu thông tin và tiên đoán diễn biến của môi trường– sinh thái. Mô tả đơn giản cho các quan hệ phức tạp về môi trường sinh thái ở ngoài thực tế nhưng vẫn có thể cho các kết quả chính xác ở mức độ chấp nhận được. Cung cấp một đại lượng dữ liệu thể hiện theo sự thay đổi thời gian qua: sự quan sát, sự phân tích và sự tiên đoán. Mô hình tạo ra các thông tin từ dữ liệu quan trắc và cải tiến kiến thức giúp cho việc ra quyết định liên quan đến việc quy hoạch, thiết kế, vận hành và quản lý. MÔ HÌNH HIỆN TƯỢNG TỰ NHIÊN 6.1 Sự hình thành bão Bão chỉ hình thành ở khu vực đại dương nhiệt đới ấm áp, nơi nhiệt độ nước ít nhất là 26 độ C. Chính không khí ấm áp, ẩm và gió hội tụ gần xích đạo là “nhiên liệu” để bão hoạt động. Một cơn bão hình thành bao giờ cũng xuất hiện những cơn mưa dông và những trận gió lốc rất mạnh do sự chênh lệch áp suất không khí giữa áp cao lạnh giữa những đám mây mưa và bầu không khí nóng xung quanh. Và khi hai cơn mưa dông gặp nhau những luồng gió khí luân chuyển lên xuống không ngừng làm khí lạnh bị đẩy xuống thấp và khí nóng bị đẩy lên cao. Nước càng nóng, quy trình này càng nhanh và gió tăng tốc. Khi đó, ở tầng trên của lớp đối lưu, luồng khí ẩm ướt này toả ra và bắt đầu xoay theo quán tính hình thành từ chiều quay của trái đất, ở Bắc bán cầu là chiều ngược lại của kim đồng hồ, còn ở Nam bán cầu là cùng chiều với kim đồng hồ. Khi lực xoay đủ lớn thì một cơn bão sẽ hình thành. 6.2 Mô hình khái niệm sự hình thành bão Hình Thành xoáy, lốc,giông Sự hoà lộn khí quyển Không khí ẩm bốc lên Hấp thụ năng lượng Nhiệt độ đại dương nóng lên Động lực để tạo xoáy Lực quay Trái Đất Hình thành bão Hình thành mưa Hình thành gió mạnh Độ ẩm Nhiệt độ MÔ HÌNH KHÁI NIỆM HÌNH THÀNH BÃO 6.3 Mô hình toán hình thành bão Hiện nay nước biển dâng nhìn nhận như quá trình tương tác tổng hợp n người ta tính toán nước biển dâng theo vận tốc gió , mưc nước biển nền có thể là mực nước trung bình nhiều năm đối với biển có thủy triều hoặc phi thủy triều .. Bài toán nước biển dâng được xem trong điều kiện khí tượng thủy văn có các tác động đồng thời của gió, áp suất khí quyển, thủy triều và lưu lượng sông ngòi . Mô hình nước nông hai chiều có thể mô tả được các hiện trên , hệ phương trình có dạng Trong đó : U, V - các thành phần vận tốc biến đổi theo độ sâu theo hướng x, y tương ứng U(z), V(z) - các thành phần vận tốc biến đổi theo độ sâu theo hướng x, y tương ứng - dao động mặt nước so với mặt nước trung bình h- độ sâu kể từ mực nước trung bình Pa - áp suất không khí - các thành phần ứng gió suất gió trên mặt nước theo trục x, y tương ứng - hệ số ma sát gió Wx, Wy- các thành phần vận tốc gió theo trục x, y tương ứng - các thành phần ứng suất ma sát tại đáy theo trục x , tương ứng K - hệ số ma sát đáy - tham số coriolic - vĩ độ địa lí vận tốc góc quay của trái đất Thông tin ra là kết quả dự báo bão thông qua các thông số tốc độ gió, mực nước biển dâng, áp suất không khí để xác định hình thành bão. CHƯƠNG 2 CÁC BƯỚC THIẾT LẬP VÀ PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH LÝ THUYẾT VỀ LỰA CHỌN, HIỆU CHỈNH VÀ KIỂM ĐỊNH MÔ HÌNH 1.Các đặc trưng cơ bản của mô hình Một cách tổng quát, tất cả mô hình phải có ba thành tố chính + Thông tin vào: bao gồm các dạng cơ sở dữ liệu đưa vào để mô hình xử lý. + Tiến trình xử lý thông tin: bao gồm quá trình tiếp nhận dữ liệu vào, tính toán, phân tích, đánh giá và xuất dữ liệu. + Thông tin ra: thể hiện ở dạng đồ thị, biểu bảng, báo cáo đánh giá kết quả. Thông tin ra Tiến trình xử lí thông tin Thông tin vào Hình 1. Ba thành tố của một mô hình Một mô hình có các đặc trưng cơ bản sau + Mô hình cần được tối giản với một số giả định đặt ra. + Điều kiện biên hoặc điều kiện ban đầu cần định danh. + Mức độ khả năng ứng dụng của mô hình có thể xác lập được. (T.S Lê Anh Tuấn,2008) 2.Các bước xây dựng và kiểm định mô hình 2.1. Thu thập và phân tích số liệu Xác định loại số liệu (mực nước, lưu lượng, thông số chất lượng nước,) cần thu thập từ hệ thống thực; Xác định bước thời gian: giờ, trung bình ngày,; Xác định độ dài của chuỗi số liệu (mô phỏng vài giờ/ngày/tháng/năm hay hàng chục năm (mô hình khí hậu)); Xác định thời điểm thu thập/đo đạc số liệu; Đánh giá mức độ tin cậy, đánh giá khả năng xuất hiện lại của số liệu thu thập số l. 2.2 Xây dựng phần mềm Chọn lựa quy mô vùng cần mô phỏng; Chọn lựa loại mô hình (Vật lý, Toán,) và so sánh; Trường hợp chọn mô hình toán ➔ Xác định loại mô hình (tự xây dựng mô hình (chọn ngôn ngữ) hay mô hình có sẵn ngoài thị trường). Tất cả các mô hình muốn vận hành thì cần phải có nguồn dữ liệu ban đầu và các điều kiện cần thiết. 2.3 Mô hình khái niệm Mô hình khái niệm là một dạng ý tưởng hoá nhằm tối giản những yếu tố phức tạp ngoài thực tế ở dạng một lưu đồ hoặc sơ đồ. Trong mô hình khái niệm phải bắt đầu từ các dữ liệu nhập và, các diễn biến bên trong mô hình và các thông tin xuất ra từ mô hình. Một hình khái niệm phải thể hiện tính đơn giản để tạo cho những người không phải là chuyên gia về mô hình có thể hiểu mục tiêu của bài toán mô hình. 2.4 Mô hình giải tích (hoặc mô hình số) Mô hình giải tích (hoặc mô hình số) thực chất là một loạt các thuật toán được viết để giải quyết các quan hệ giữa các thông số và biến số trong mô hình và cho ra kết quả dưới dạng số hoặc đồ thị. Đây là phần cốt lõi, quan trọng nhất và là phần phức tạp nhất trong tiến trình thực hiện mô hình hóa. 2.5 Hiệu chỉnh Hiệu chỉnh (calibration) là tiến trình mà trong đó các thông số và biến số của mô hình được điều chỉnh để kết quả ra của mô hình phù hợp với thực tế quan sát được. Do khi phát triển mô hình, chúng ta phải tối giản các hiện tượng vật lý trong tự nhiên để thuận lợi cho người làm thật toán. Điều này khiến các số liệu nhập vào mô hình có những giá trị không hoàn toàn chắc chắn và kết quả ra sẽ sai biệt với thực tế. Hiệu chỉnh là công việc nhằm rút ngắn các khoảng cách sai biệt bằng cách đưa ra các thông số điều chỉnh gọi là thông số mô hình (model parameters). 2.6 Kiểm nghiệm mô hình THU THẬP VÀ PHÂN TÍCH SỐ LIỆU MÔ HÌNH GIẢI TÍCH /TOÁN XÂY DỰNG PHẦN MỀM HIỆU CHỈNH MÔ HÌNH MÔ HÌNH KHÁI NIỆM KIỂM ĐỊNH MÔ HÌNH ỨNG DỤNG PHÂN TÍCH ĐỘ NHẠY/ĐỘ KHÔNG CHẮC CHẮN SENSITIVITY ANALYSIS DỰ BÁO / TỐI ƯU HOÁ Kiểm nghiệm mô hình là bước tiếp sau công việc hiệu chỉnh mô hình nhằm kiểm tra các thông số mô hình đưa ra có phù hợp với các diễn biến của thực tế hay không. Các bước xây dựng và kiểm định mô hình 3.Định nghĩa mô phỏng và ứng dụng: Mô phỏng của một hệ thống là quá trình hoạt động của một mô hình, là sự đại diện của hệ thống đó. Ứng dụng của một mô hình gồm + Thiết kế và phân tích hệ thống sản xuất; + Đánh giá yêu cầu của H/W và S/W cho một hệ thống máy tính; + Đánh giá một hệ thống hay chiến thuật quân sự mới; + Xác định chính sách đặt hàng cho một hệ thống hàng hóa tồn kho; + Thiết kế hệ thống thông tin liên lạc và phương thức nhắn tin cho hệ thống; + Thiết kế và vận hành các cơ sở như đường cao tốc, tàu điện ngầm, sân bay hoặc cống; + Thẩm định thiết kế cho các tổ chức dịch vụ như bệnh viện, bưu điện, hoặc các nhà hàng thức ăn nhanh; + Phân tích hệ thống tài chính kinh tế hoặc thông tin. 4.Một vài thuật ngữ Hệ thống (System) được hiểu là một tập hợp các thành phần có quan hệ liên thông với nhau để tạo thành một tổng thể. Theo Dooge (1964) hệ thống là bất kỳ một cấu trúc, thiết bị hoặc sơ đồ, trình tự nào đó, thực hay trừu tượng, được gắn với bước thời gian nhất định, liên hệ giữa lượng vào (nguyên nhân, năng lượng, thông tin) với lượng ra (hệ quả, phản ứng, năng lượng) OUTPUT Lượng ra SYSTEM Hệ thống INPUT Lượng vào Hệ thống thủy văn (hydrological system) là các quá trình thuỷ văn (chu trình thuỷ văn) trên một vùng không gian nhất định và đó là các hệ thống thực. Ta có thể coi tuần hoàn thuỷ văn như một hệ thống với các thành phần là nước, bốc hơi, dòng chảy và các pha khác nhau của chu trình. Các thành phần này lại có thể tập hợp thành các hệ thống con của chu trình lớn. Để phân tích hệ thống toàn cục ta tiến hành xử lý, phân tích riêng rẽ các hệ thống con đơn giản hơn và tổng hợp các kết quả dựa trên mối quan hệ qua lại giữa chúng. Hệ thống thủy văn được định nghĩa như một cấu trúc hay một thể tích không gian bao quanh bởi một mặt biên. Cấu trúc này tiếp nhận các yếu tố đầu vào (Input) qua mặt biển như mưa theo phương thẳng đứng, dòng chảy theo phương ngang, thao tác phân tích các yếu tố đó ở bên trong và biến đổi chúng thành các yếu tố đầu ra (Output) ở mặt biên bên kia. Có thể hiểu cấu trúc của hệ thống (hay thể tích không gian) là toàn bộ các đường đi, các phương thức khác nhau để qua đó nước xuyên suốt qua hệ thống từ điểm đi vào cho đến điểm đi ra. Biên của hệ thống là một mặt liên tục, xác định trong không gian 3 chiều bao quanh cấu trúc hay thể tích đang xét. Một đối tượng nghiên cứu nào đó đi vào hệ thống như một yếu tố đầu vào, tác động qua lại với cấu túc và các yếu tố khác, rồi rời khỏi hệ thống thành yếu tố đầu ra. Nhiều quá trình vật lý, hoá học và sinh học khác nhau ở bên trong cấu trúc đã tác động lên đối tượng. Thông số (parametter of model) là đặc trưng số lượng của hệ thống thủy văn. Ví dụ diện tích lưu vực là một thông số biểu thị độ lớn của lưu vực. Nói chung thông số của hệ thống không thay đổi theo thời gian trong điều kiện các nhân tố ảnh hưởng đến hệ thống ổn định. Đặc tính của hệ thống có thể biểu thị qua nhiều thông số khác nhau. Hiệu quả của mô hình phụ thuộc trước hết vào độ chính xác xác định thông số. Nếu thông tin ban đầu không đầy đủ thì khi tăng số thông số, mặc dù cho phép mô tả đầy đủ hơn và chính xác hơn quá trình, nhưng có thể đưa đến những kết quả kém hơn bởi vì các thông số được lựa chọn sẽ có sai số lớn hơn. Vì vậy phải lựa chọn một cấu trúc mô hình tối ưu nào đó, bao gồm một số lượng tối ưu các thông số, có thể mô tả tốt các quá trình cơ bản trong hệ thống thông tin đã có, đồng thời phải đưa ra các phương pháp xác định chính xác các thông số. Thực tế cho thấy khả năng thay đổi cấu trúc mô hình luôn lớn hơn khả năng thay đổi các phương pháp xác định thông số . 5. Lịch sử phát triển lĩnh vực mô hình và mô hình hóa môi trường Từ xa xưa vào thời tiền sử con người đã nghĩ rằng có thể tạo ra một mô phỏng tối giản để phát họa hình ảnh những khuôn dạng người để có một sắp xếp xem xét sự tiến hóa của các nhóm chủng người. + Những bức phát họa con người và các cách sinh hoạt của họ ở các vách hang đá cho ta hình dung nền văn hóa người Cổ Cận Đông và Cổ Hy Lạp. + Một trong các mô hình đầu tiên được công nhận là các con số; số đếm và số viết được ghi lại trên các mảnh xương đã được tìm thấy vào khoảng 30.000 năm trước Công nguyên. + Ngành Thiên văn và Kiến trúc đã để lại những ghi chép mô hình các vì sao, công trình nhà cửa từ 4.000 năm trước Công nguyên. + Vào khoảng 2.000 năm trước Công nguyên, ít nhất ba nền văn hóa Babylon, Ai Cập và Ấn Độ đã biết cách sáng tạo và phát triển các bài toán và ứng dụng “mô hình toán” trong cuộc sống thường nhật của họ. Phần lớn các bài toán của họ là các thuật toán được đề xuất để giải các vấn đề đặc biệt. + Ở Việt Nam các hình ảnh để lại trên Trống đồng Đông Sơn cho chúng ta nghĩ đến một mô phỏng các điệu múa, y phục và các sinh hoạt săn bắt của người Việt Cổ trong khoảng thời gian từ thế kỷ thứ 6 đến thế kỷ thứ 7 trước Công nguyên. Sự phát triển của ngành triết học trong thời kỳ văn minh Hy Lạp (Hellenic Age) (khoảng 600 năm trước Công nguyên) đã kết hợp với toán học dẫn đến phương pháp suy diễn (deductive method), sau đó trở thành một phần quan trọng trong lý thuyết toán học. Trong thời kỳ này, hình học đã bắt đầu hình thành và phát triển + Nhà toán học Thales đã áp dụng hình học để tiên đoán hiện tượng nhật thực (solareclipse)vào năm585 trước Công nguyên. Thales cũng đã phát minh ra cách đo chiều cao một vật thể bằng cách đo chiều dài của cái bóng của vật thể in trên nền đất. + Vào khoảng năm 250 trước Công nguyên, Euclid đã dùng một mô hình toán hình học để tìm khoảng cách từ Trái đất đến Mặt trời và khoảng cách từ Trái đất đến Mặt trăng. Ông cũng tính được chu vi của Trái đất. Ngành thiên văn học cổ cũng đã biết tạo ra các mô hình để diễn tả các vì sao trong thái dương hệ. Các nhà kiến trúc khi xây dựng công trình cổ xưa ở Trung Hoa, Ấn Độ, các nước theo đạo Hồi đã để lại những chứng tích các mô hình đền đài, công trình thu nhỏ như là những phương pháp tương tự (similar method), một hình thức của mô hình tỷ lệ, trước khi xây dựng các công trình thực. Các nền văn minh ở Châu Á cũng chứng tỏ sự phát triển mô hình vật lý đi song song với các mô hình toán học trong các công trình kiến trúc của họ. Từ thế kỷ XX trở đi, song song với sự phát triển của ngành toán học, vật lý, đặc biệt là sự ra đời của máy tính điện tử đã thúc đẩy sự phát triển nhanh chóng của thuật toán mô hình. Nhiều công ty phần mềm chuyên sản xuất ra các công cụ mô hình phục vụ cho nhiều lĩnh vực từ khoa học kỹ thuật, kinh tế, môi trường, khí tượng, thủy văn, quản lý hành chánh đến các lãnh vực quan hệ xã hội,... Ngày nay kỹ thuật mô hình đang càng ngày chứng tỏ vai trò trong việc tạo điều kiện cho con người hiểu biết sâu hơn về thế giới của mình mà con tiên toán những tình thế có khả năng xảy ra trong tương lai CHƯƠNG 3 LÝ THUYẾT VỀ HIỆU CHỈNH VÀ KIỂM ĐỊNH MÔ HÌNH 1. Lựa chọn Tùy vào mục đích của người sử dụng mô hình mà người ta sử dụng các mô hình phù hợp. Trên thế giới đã xuất hiện nhiều mô hình khác nhau. Về nguyên tắc, mô hình càng phức tạp, dữ liệu đầu vào càng nhiều → Kết quả từ mô hình càng chính xác. Có 2 cách chọn mô hình + Theo cấu trúc và giá trị vào/ra: Khái quát hóa các tiến trình chủ yếu, mức độ chính xác cho việc tiên đoán, tính đơn giản của mô hình, thành lập các thông số, độ nhạy các thông số, giả định, tiềm năng cho việc cải tiến mô hình. + Theo vấn đề thực tế: Điều kiện tự nhiên của mô hình, khung thời gian, thiết bị tính toán, ứng dụng ,..... Đánh giá việc lựa chọn bằng cách trả lời các câu hỏi sau: + Các thông số mô hình cung cấp có thực sự theo yêu cầu của bài toán không? + Các đặc trưng vật lý thể hiện qua các thông số của mô hình có thực sự đáp ứng việc ứng dụng thực tế không? + Các phương trình sử dụng trong cấu trúc mô hình có đúng với thuật toán hiện đại phù hợp với dữ liệu và thiết bị máy tính không? + Các kết quả mà mô hình cung ứng có chất lượng tốt tương xứng với chi phí theo một thời gian đặc thù không? 2. Hiệu chỉnh Hiệu chỉnh (calibration) là tiến trình mà trong đó các thông số và biến số của mô hình được điều chỉnh để kết quả ra của mô hình phù hợp với thực tế quan sát được. Hiệu chỉnh bộ thông số để số liệu xuất ra từ mô hình “phù hợp” với số liệu đo đạc. Trường hợp hiệu chỉnh mô hình không thỏa thì phải kiểm tra lại số liệu thu thập và mô hình khái niệm. Phân tích độ nhạy của các thông số: Chỉ ra thông số nhạy “nhất” và hiểu được đặc tính của mỗi thông số.Từ đó chỉ ra thông số cần hiệu chỉnh. Các bước hiệu chỉnh mô hình: Đầu tiên, giả thiết bộ thông số chạy thử mô hình so sánh thực đo và tính toán. Nếu đạt thì dừng lại.Nếu so sánh thực đo và tính toán không đạt thì quay lại thay đổi bộ thông số sau đó chạy mô hình rồi tiếp tục so sánh. Giả thiết bộ thông số Chạy mô hình Thay đổi bộ thông số So sánh thực đo và tính toán Đạt Dừng Không đạt Các bước hiệu chỉnh mô hình 3. Kiểm định mô hình a. Khái niệm Kiểm định mô hình là đánh giá mức độ phù hợp giữa số liệu đo đạc và số liệu từ mô hình thông qua các tham số thống kê hoặc bằng trực quang. Đây là bước tiếp theo sau công việc hiệu chỉnh mô hình nhằm kiểm tra các thông số của mô hình. b. Mục tiêu kiểm nghiệm mô hình Mô hình cần được kiểm nghiệm nhằm kiểm tra các thông số mô hình đưa ra có phù hợp với các diễn biến của thực tế hay không. Nói một cách chi tiết, việc kiểm nghiệm gồm các trả lời các hàm ý sau Các biểu hiện ở đầu ra của mô hình mô phỏng có phù hợp với các biểu hiện đầu ra của hệ thống thực tế đã được quan trắc; Các thông tin ở đầu ra của mô hình ( lưu ý là đầu ra của mô hình mô phỏng không phải là thành lập số liệu mà là thông tin) có đủ độ chính xác như mong muốn ở mô hình; Trong quá trình xác định các thông số, nếu có sai biệt ý nghĩa giữa số liệu của sự kiện quan trắc và giá trị mô phỏng, thì cần xác lập mức độ tin cậy của mô hình; Việc kiểm nghiệm phải mang tính khách quan: mô hình cần phải bắt buộc qua các thử nghiệm thống kê chính thống và nghiêm ngặt theo các mức độ phù hợp định trước theo tầm quy mô thực hiện; Khi làm kiểm nghiệm đầu ra của mô hình, giả thuyết rằng mô hình là có sơ sở vững chắc bao gồm các hợp lí trong thiết kế mô hình, các phương trình chủ đạo và mã hóa chương trình máy tính; Trong bất kì sự kiểm nghiệm nào, có thể một số thông số luôn luôn đạt yêu cầu các điều kiện thử nghiệm mô hình trong khi một số thông số khác không thể liên kết được với một số sự kiện đã xảy ra. c. Độ chính xác của mô hình Trường hợp chuỗi quan trắc đủ dài và độ chính xác cao (chuỗi số liệu mực nước, lưu lượng) thì kết quả kiểm nghiệm thường tốt.Thực tế, một số trường hợp chuỗi quan trắc không đủ dài (số liệu tư môi trường:BOD,DO,...). Khi đó khó có thể tiến hành kiểm nghiệm mô hình theo các thông số trên. Độ chính xác của chuỗi số liệu không cao thì sai số lấy mẫu khá lớn, kiểm nghiệm mô hình rất khó và đôi khi khó đạt. TÀI LIỆU THAM KHẢO Ts Lê Tuấn Anh (2008), Mô hình hóa môi trường. Bài giảng Mô hình hóa môi trường, Ths Huỳnh Vương Thu Minh. Nguyễn Hữu Khải - Nguyễn Thanh Sơn (2003), Mô hình toán thủy văn. hinh-thanh- va-hoat- dong-nhu- the-nao- 2279439