1. Mục đích và các nội dung chính của môn học mô hình hóa môi trường?

Mục đích:

-         Giúp cho học viên làm quen với mô hình toán học

-         Giới thiệu ứng dụng của phương pháp mô hình hoá toán học giải quyết các bài toán môi trường, làm xích lại gần nhau giữa toán và môi trường

-         Hướng tới kỹ năng suy nghĩ lôgic, sáng tạo thông qua các quyết định có suy nghĩ, hợp lý giáo dục trách nhiệm về các hệ quả có thể khi thông qua các quyết định.

-         Mở rộng sự hiểu biết về ứng dụng của phương pháp mô hình hóa trong nghiên cứu và quản lý môi trường.

Nội dung chính:

-         Các phương pháp định lượng được sử dụng trong mô hình hóa môi trường

-         Mô hình các thành phần của môi trường

-         Các công cụ toán được sử dụng trong mô hình hóa: phương trình vi phân thường, đạo hàm riêng, điều kiện ban đầu, điều kiện biên, phương pháp gải số.

-         Mô hình toán lan truyền chất ô nhiễm trong môi trường không khí, nước, đất.

-         Soạn thảo mô hình trên một số ví dụ mẫu.

2. Hãy lý giải vì sao mô hình được coi như một công cụ kết nối thế giới tự nhiên và xã hội loài người.

-         Một quyết định về môi trường không đơn giản, vì vậy MMH là công cụ đắc lựchỗ trợ trong việc ra quyết đinh.

-         MHH có thể được xem là quá trình mô tả thực các quá trình tự nhiên thông qua các phương trình toán học sau đó có thể được chuyển tải thành những phầm mềm máy tính. Những phần mềm nay đưa ra những kịch bản, những dự báo giúp cho các nà quản lý có thể đưa ra các quyết định một cách dễ dàng và tương đối chính xác và có cơ sở khoa học.

-         Như vậy MHH đã giúp cho con người hiểu tự nhiên một cách tổng quát hơn, MHH đã dần dần kết nối giữa tự nhiên và xã hội loại người

3. Mô hình môi trường là gì. Vai trò và khả năng của mô hình toán môi trường.

* MHH MT là tổ hợp các công cụđược sử dụng để tái tạo các quá trình MT xảy ra trong khoảng thời gian nào đó.Ngày nay loài người đã hiểu rỏ rằng việc thực hiện thí nghiệm trực tiếp với sinh quyển chúng ta là không thể. Do vậy xây dựng MH là phương tiện quan trọng để nhận thông tin về tình trạng có thể của sinh quyển chịu những tác động lớn từ phía con người lên nó.

 * Vai trò và khả năng của mô hình toán môi trường:

- 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 các đối tượng.

- Xem các đối tượng này thay đổi như thế nào khi các điều kiện này hay điều kiện khác thay đổi.

4. Hãy lý giải vì sao cần phải mô hình hóa trong nghiên cứu cũng như quản lý môi trường?

            Với sự gia tăng phát triển kinh tế, đô thị hoá, CNH è phát thải chất ô nhiễm ra môi trường ngày càng nhiều. Chính điều này đã ảnh hưởng đến môi trường, đến các hệ sinh thái rất nhiều. Vì vậy, việc tiên đoán trước những các tác động lên môi trường là việc hết sức bức thiết, tuy nhiên đây cũng là công việc vô cùng khó khăn và phức tạp. Chính điều này đã biến MH trở thành công cụ có ích bởi vì Mh là bức tranh phản ánh thực tế. Kết quả của các MH có thể giúp có được cái nhìn tổng quátà đưa đến lựac chọn các lựa chọn giải pháp kỹ thuật tốt nhất cho các giải pháp môi trường. Hay là đưa đến hình thành các bộ luật khung giúp giảm thiểu hay kiểm soát ô nhiễm. Trong quá trình hội nhập kinh tế thế giớ nhiệm vụ của các quốc gia: Xây dựng các phương pháp đánh giá sự bền vững của các HST à Nghiên cứu các quy luật biển đổi theo thời gian của chúng à Hoàn thành các phương pháp đánh giá định lượng tác động lên MT các hoạt động ktế xã hội.

5. Trình bày cấu trúc cơ bản của mô hình hóa môi trường. Trình bày hạn chế của phương pháp mô hình hóa môi trường?

Các mô hình môi trường (Environmental  Models)  đượcsử dụng để tái tạo lại các quá  trình môi trường xảy ra trong một khoảng thời gian nào đó́”. Ngày nay loài người đã hiểu rõ ràngrằng việc tiến hành những thí nghiệm trực tiếpvới sinh quyển của hành tinh là không thể. Do vậy xây dựng mô hình là phương tiện quan trọng để nhận thông tin về  tình trạng có  thể của sinh quyển chịu những tác động lớn từ phía con người lên nó.Các thành phần trong quá trình mô hình hóa môi trường sinh thái:

*Biến trạng thái

Việclựa chọn biến trạng thái chocấu 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 chấtđộc trong cơ thể sinhvật. Trong mô hình phú dưỡng biến trạng thái sẽ là nồng độ các chất dinhdưỡng và phiêu sinh thựcvật.

*Hàm điều khiển (hoặc biến ngoại sinh)

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 tháisẽ bị ảnh hưởng như thế nào? Mô hình đượcsử dụng nhằm dự đoán cái gì sẽ thay đổi trong hệ sinh thái khi hàm điều khiển thay đổi theo thời gian?

*Phương trình toán

Được sử dụng để biểu diễn các quá trình sinh học, hóahọc và vật lý. Phương trình toán môtả mối quan hệ giữa hàm điều khiển và biến trạng thái. 

*Các tham số

Là các hệ số trong các phương trình toán biểu diễn quá trình môi trường; Kiến thức còn giới hạn của chúng ta về tham số là một trong những điểmyếu nhất trong quá trình mô hình hóa. 

* Các hằng số thôngdụng: Hằng số khí và trọng lượng nguyên tử, đượ csử dụng trong hầu hết các mô hình.

] 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 nhận được từ quá trình mô hình hóa tiếp tục thúc đẩy sự phát triển các phương pháp mới giải quyết các bài toán khoa học cũng như làm cơ sở thông qua các quyết

định quản lý cụ thể.

·        Những hạn chế của MHH:

-         Hiên nay chưa có phương pháp toán đủ mạnh để giải được các phương trình phức tạp

-         Mô hình càng phức tạp (nhiều biến) độ chính xác càng lớn, tuy nhiên độ không ổn định càng tăng.

-         Mô hình không phải lúc này cũng chứa tất cả các đặc điểm của hệ thực.

-         Mô hình có thể có sai sót từ việc đơn giản hóa, sự cắt đi các thành phần của mô trường.

6. Hãy trình bày những khái niệm cơ bản gắn với mô hình hóa ô nhiễm không khí: phát thải, lan truyền, biến đổi hóa học, lắng đọng. Hãy trình bày một số lý do vì sao phải dùng mô hình đánh giá mức độ và phạm vi phát tán ô nhiễm không khí và nước mặt?

a. Phát thải: Trong giai đoạn đầu tiên này, các chất ô nhiễm tỏa vào khí quyểntừ các nguồn thải khác nhau.

- Phát thải bề mặt (area source): các nguồn thải thấp, đám cháy.

- Nguồn thải đường (line source): đường giao thông

- Các nguồn điểm (point source):ống khói.

b. Chuyển tải:Chuyển động tải là sư di chuyển của khối khí trong khí quyển theo 1 dòng và đi từ điểm này đến điểm khác. Đối với một tạp chất di chuyển trongmột khối khí, sự tải là sản phẩm của vận tốc khối thê tích khí.Tác nhân gây ra hiện tượng tải là gió.

c. Hiện tượng khuếch tán

- Khuếch tán phân tử  (Molecular diffusion) : Khuếch tán phântử là sự hòa trộn của các hóa chất hòa tan do chuyển động ngẫu nhiên của phân tử trong chất lưu. Nó được gây nên bởi năng lượng động lượng do sự chuyển động lắc (vibrational motion), tròn quay (rotational motion), tịnh tiến của phân tử (translational motion). Về bản chất, khuếch tán phân tử tương tự như tăng entropy ở nơi mà các chất hòa tan di chuyển từ nơi nồng độ cao đến nơi nồng độ thấp theo luật khuếch tán của Fick

- Khuếch tán rối(turbulent diffusion): khuếch tán rối hay xáo động (turbulent or eddy diffusion) có nghĩa làsư hòa trộn của các chất hòa tan và hạt mịn do sự rối trong phạm vi vi mô. Sự khuếch tán rối có bậc lớn hơn sự khuếch tán phân tử và đây là một yếu tố tạo nên sự phân tán.

d. Sự phân tán (dispersion): Sư tương tác giữa khuếch tán rối với gradient vận tốc do lực dịch chuyển trong khối khí tạo ra sự phân tán.Sư di chuyển cáctạp chất khí trong khí quyển trong trườnghợp có gió (trên 1 m/s) chu yếu bởi quá trình tải, nhưng sư di chuyển của tạp chất khí trong trườnghợp giólặng thường là do sự phân tán.  

e. Biến đổi hóahọc (Chemical transformation): Nhiều phản ứng hóa học khác nhau diễn ra trong suốt quá trình lan truyềnchất ô nhiễm trong khi quyển. Kết quả của các phản ứng hóa học này là nhiều chất ô nhiễm thư cấp (secondary pollutant) được tạo ra(các chất ô nhiễm không khi được thải trực tiếptư các nguồn thải trong không khi thường được gọi là các chất ô nhiễm cơ bản, primary pollutant).

f. Lắng đọng ướt là một trong những cơ chê làm sạch khi quyển hiệu quả nhất. Tuy nhiên, trong khi khi quyển được làm sạch, đất có thể bị axit hóa do một số chất ô nhiễm và điều này có thê rất có hại đối với một sô khu vực nhạy cảm

- Lắng đọng khô của các chất ô  nhiễm không khi  (khí và các hạt) la  quá  trình diễn ra trong  quá  trình lan truyền chất ô nhiễm không khi. Cơ chế gây ra quá trìnhlắng đọng khô:

- Đốivới các phântư lớn:do lắng đọng củalực trọng trường; 

- Cây cối;

- Quá trình hút hoặc phản ứng trên bê mặt trái đất

7. Cơ sở khoa học để phân loại khí quyển thành 3 loại: không ổn định, trung tính và ổn định.

- Với trạng thái biến thiên nhiệt độ theo độ cao nào đó mà lực tác động vật lý của khí quyển làm cho chất ô nhiễm khuếch tán theo chiều cao không dễ dàng thì gọi là khí quyển ở trạng thái ổn định, tức là trạng thái ổn định cản trở sự khuếch tán và pha loãng chất ô nhiễm.

- Ngc lại với profile biến thiên nhiệt độ theo chiều cao nào đó mà sự hoà trộn chất ô nhiễm theo chiều cao được dễ dàng thì sẽ làm cho chất ô nhiễm không khí khuếch tán (pha loãng) trong khí quyển dễ dàng thì gọi là khí quyễn ở trạng thái không ổn định

- Khí quyển trung tính: Sự phân bố nhiệt độ theo chiều cao trùng với đường đoạn nhiệt. Trong trường hợp này, khối lượng của khối khí cân bằng với không khí xung quanh và nó chiếm vị trí cân bằng mới.Trong điều kiện trung tính sự khuếch tán các chất ô nhiễm không thuận lợi bằng điều kiện ổn định.

* Cơ sở khoa học để phân loại khí quyển thành 3 loại : Người ta phân loại khí quyển dựa vào sự thay đổi nhiệt độ theo chiều cao β và sự thay đổi nhiệt độ theo chiều cao của khối khí trong quá trình dãn nở hoặc nén ép nhiệt độ Γ

a. Khí quyển ổn định khi

+ Khi nhiệt đô giảm theo chiều cao dương nhưng nhỏ hơn so với gradian nhiệt độ của quá trình đoạn nhiệt khô.

+ Nếu khối khi bị đẩy lên cao (hoặc xuống thấp) thì nhiệt độ của nó theo quá trình đoạn nhiệt sẽ nhỏ hơn (hoặc lớn hơn) so với nhiệt độ xung quanh tức khối lượng của nó nặng hơn (hoặc nhẹ hơn) so với không khí xung quanh có xu hướng kéo khối không khí trở lại vị trí ban đầu.

b. Khí quyển không ổn định

Độ giảm nhiệt độ theo chiều cao mạnh hơn so với độ giảm nhiệt độ theo quá trình đoạn nhiệt- phân bố nhiệt độ siêu đoạn nhiệt. Trong điều kiện siêu đoạn nhiệt ( β> Γ) mọi chuyển độ thẳng đứng của một khối không khí luôn kèm theo gia tốc.

c. Khí quyển trung tính 

-  Sư phân bô nhiệt đô theo chiều cao trùng với đường đoạn nhiệt. Trong trường hợp này, khối lượng của khối khi cân bằng với không khi xung quanh và nó chiếm vị trí cân bằng mới.

- Trong điều kiện trung tính sư khuếch tán các chất ô nhiễm không thuận lợi bằng điều kiện không ổn định.