133 7. 2. 2. Xác ñị nh ma tr ậ n li ề n k ề Th ự c ch ấ t c ủ a quá trình này là xác ñị nh quá trình thích h ợ p nh ấ t b ằ ng cách li ệ t kê t ấ t c ả các bi ế n tr ạ ng thái theo m ộ t ma tr ậ n 2 chi ề u mà t ấ t c ả các bi ế n ñượ c s ắ p x ế p ñố i di ệ n nhau gi ữ a chi ề u ngang và chi ề u d ọ c. S ố 1 bi ể u th ị m ố i liên h ệ tr ự c ti ế p gi ữ a 2 bi ế n có th ể x ả y ra và s ố 0 bi ể u th ị 2 bi ế n không có m ố i liên h ệ nào c ả . Ma tr ậ n d ướ i ñ ây là ví d ụ c ủ a ma tr ậ n li ề n k ề c ủ a mô hình vòng tu ầ n hoàn Nit ơ trong h ệ sinh thái d ướ i n ướ c (B ả ng 5-2). Bảng 5-2. Ma trận liền kề của mô hình vòng tuần hoàn Nitơ trong hệ sinh thái thuỷ vực NO 3 NH 4 N t.v ậ t N ñ . V ậ t N cá N ch ấ t v ụ n N C ặ n NO 3 - 1 0 0 0 0 0 NH 4 0 - 0 1 0 1 1 N t.v ậ t 1 1 - 0 0 0 0 N ñ . V ậ t 0 0 1 - 0 0 0 N cá 0 0 0 1 - 0 0 N ch ấ t v ụ n 0 0 1 1 1 - 0 N C ặ n 0 0 1 0 0 1 - 7. 2. 3. Thi ế t l ậ p bi ể u ñồ lý thuy ế t ð ây là b ướ c quan tr ọ ng ñể cho ng ườ i xây d ự ng mô hình nhìn nh ậ n và xác ñị nh ñượ c c ơ ch ế ho ạ t ñộ ng c ủ a mô hình, ñồ ng th ờ i c ũ ng giúp ng ườ i s ử d ụ ng mô hình hi ể u ñượ c c ơ ch ế ho ạ t ñộ ng c ủ a mô hình. Bi ể u ñồ lý thuy ế t c ủ a mô hình th ườ ng ñượ c thi ế t l ậ p d ạ ng bi ể u ñồ Forrester (Forrester, 1961). Trong ñ ó có các thành ph ầ n và các m ố i quan h ệ c ủ a chúng trong h ệ th ố ng mà nhìn vào ta có th ể hi ể u ñượ c h ệ th ố ng g ồ m nh ữ ng gì, m ố i liên h ệ c ủ a các h ợ p ph ầ n ra sao, t ố c ñộ phát tri ể n và các y ế u t ố ả nh h ưở ng ñế n các quá trình phát tri ể n c ủ a các bi ế n tr ạ ng thái nh ư th ế nào. Hình 5-6. Biểu ñồ Forrester cho mô hình hệ sinh thái hươu-cỏ (theo h ệ th ố ng ở hình 5- 5). Các ñườ ng li ề n bi ể u th ị ñườ ng bi ế n ñổ i C. ðườ ng ch ấ m bi ể u th ị m ố i quan h ệ gi ữ a các c ấ p và t ố c ñộ ñầ u vào và ñầ u ra (ý ngh ĩ a c ủ a t ừ ng bi ể u t ượ ng có th ể xem hình 5-3). D ự a vào bi ể u ñồ lý thuy ế t c ủ a mô hình, chúng ta nên cân nh ắ c và xác ñị nh nh ữ ng s ố li ệ u nào c ầ n thi ế t cho xây d ự ng mô hình. Ví d ụ ñể mô ph ỏ ng ñượ c quá trình hút dinh d ưỡ ng c ủ a cây tr ồ ng thì c ầ n ph ả i có các s ố li ệ u v ề phát tri ể n sinh tr ưở ng c ủ a cây, hàm l ượ ng dinh d ưỡ ng trong ñấ t, l ượ ng phân bón và th ờ i gian bón. Chi ti ế t h ơ n n ữ a chúng ta có th ể mô ph ỏ ng các quá trình con nh ư quá trình b ố c h ơ i ñạ m, nitrat hóa, ñề nitrat hóa. T ấ t nhiên nh ữ ng quá trình này còn ph ụ thu ộ c vào các y ế u t ố nh ư m ư a, nhi ệ t ñộ , pH v.v… CO 2 cây hút Nhu cầu Chết, bài tiết, hô h ấp C ỏ (g C) Hươu (g C) CO 2 không khí CO 2 không khí, Chất thải rắn và lỏng 2 3 1 134 7. 2. 4. Thi ế t l ậ p công th ứ c toán Có r ấ t nhi ề u nghiên c ứ u c ơ b ả n v ề các quá trình chuy ể n hóa trong h ệ th ố ng ñ ã ñượ c ñị nh l ượ ng hóa theo các bi ế n môi tr ườ ng mà chúng ta có th ể ti ế p nh ậ n ñể thi ế t l ậ p các c ơ ch ế cho mô hình. Ví d ụ s ự cân b ằ ng n ướ c trong ñấ t ñượ c tính b ằ ng ph ươ ng trình sau: FR = R + IR – ET – D – Q (1) Trong ñ ó FR là l ượ ng n ướ c trong ñấ t, R n ướ c m ư a, IR n ướ c t ướ i, ET n ướ c b ố c thoát h ơ i, D n ướ c tiêu và th ấ m sâu và Q là n ướ c ch ả y tràn b ề m ặ t. Ho ặ c quá trình th ấ m n ướ c gi ữ a các t ầ ng ñấ t ñượ c mô t ả theo ñị nh lu ậ t Darcy D = -k*dh/dz (2) Trong ñ ó D là t ố c ñộ th ấ m n ướ c (mm/ngày), k ch ỉ s ố d ẫ n n ướ c c ủ a ñấ t (mm/ngày), dh/dz là chênh l ệ ch th ủ y t ĩ nh gi ữ a 2 t ầ ng ñấ t. Ho ặ c quá trình chuy ể n hóa nitrat ñượ c Chowdary và c ộ ng s ự (2004) mô t ả nh ư sau: UNO 3 =UNH 4 (1−exp(− K n t )) (3) Trong ñ ó UNO 3 là l ượ ng NO 3 ñượ c sinh ra trong quá trình nitrat hóa, NH 4 a môn trong ñấ t K n h ệ s ố nitrat hóa và t là th ờ i gian sau khi bón phân 7. 2. 5. Chuy ể n t ả i vào máy tính và ki ể m tra ñộ chính xác T ừ mô hình lý thuy ế t, bi ể u ñồ bi ể u th ị h ệ th ố ng và các s ố li ệ u ñ o ñế m, tham kh ả o k ế t h ợ p s ự k ế t n ố i c ủ a ki ế n th ứ c chuyên gia. Toàn b ộ mô ph ỏ ng v ề c ơ ch ế ho ạ t ñộ ng c ủ a h ệ th ố ng ñượ c chuy ể n vào máy tính theo d ạ ng các hàm toán h ọ c và các quá trình liên quan theo nh ữ ng trình t ự th ờ i gian và không gian nh ấ t ñị nh. Tuy nhiên mô hình ph ả i ñượ c th ẩ m ñị nh nhi ề u l ầ n b ằ ng c ả các phép tính toán trên máy tính c ũ ng nh ư b ằ ng tay ñể ñả m b ả o ñộ chính xác, ñ úng công th ứ c, ph ươ ng trình toán h ọ c. M ộ t vi ệ c r ấ t quan tr ọ ng n ữ a là ki ể m tra l ạ i toàn b ộ h ệ th ố ng ñơ n v ị ñ o l ườ ng. ð ây là l ỗ i th ườ ng g ặ p và ñ em l ạ i nh ữ ng sai s ố l ớ n nh ấ t trong quá trình xây d ự ng mô hình c ủ a h ầ u h ế t nh ữ ng ng ườ i xây d ự ng mô hình. Th ứ t ự c ủ a các quá trình, ph ả n ứ ng c ủ a các ch ấ t c ũ ng ph ả i ñượ c s ắ p x ế p theo logic vì ả nh h ưở ng ñế n ñầ u vào, ñầ u ra c ủ a quá trình và c ũ ng là ñế n k ế t qu ả chung c ủ a c ả mô hình. 7. 2. 6. Phân tích ñộ nhạy cho từng mô hình con Mô hình xây d ự ng trên c ơ s ở c ủ a nh ữ ng s ố li ệ u ñầ u vào, nh ữ ng h ệ s ố ñ ã ñượ c xác ñị nh và nh ữ ng y ế u t ố môi tr ườ ng. M ỗ i y ế u t ố ñề u có nh ữ ng ph ạ m vi và m ứ c ñộ ả nh h ưở ng khác nhau ñế n ñầ u ra c ủ a t ừ ng mô hình con và c ủ a mô hình nói chung. Vi ệ c phân tích ñộ nh ạ y ñượ c xác ñị nh các ph ạ m vi thay ñổ i lên và xu ố ng c ủ a các h ệ s ố ñầ u vào ñế n ki ể u thay ñổ i, ph ạ m vi thay ñổ i c ủ a ñầ u ra. Vi ệ c xác ñị nh này tr ướ c h ế t ñượ c ti ế n hành trên t ừ ng mô hình con ñể ñ ánh g iá ñộ chính xác c ủ a các quá trình riêng r ẽ . Hình 5-7 là m ộ t ví d ụ c ủ a vi ệ c phân tích ñộ nh ạ y c ủ a m ộ t mô hình mô ph ỏ ng v ề s ự bi ế n ñổ i hàm l ượ ng ñạ m trong ñấ t theo th ờ i gian. Khi thay ñổ i các giá tr ị hàm l ượ ng ñạ m ban ñầ u thì ta nh ậ n ñượ c các k ế t qu ả khác nhau c ủ a ñầ u ra (hàm l ượ ng ñạ m trong ñấ t). Ki ể u 135 thay ñổ i c ủ a ñầ u ra (t ă ng hay gi ả m, nhi ề u hay ít) hoàn toàn ph ụ thu ộ c vào các ph ươ ng trình mô ph ỏ ng trong nó. Hình 5-7. Ví dụ về phân tích ñộ nhạy sự ảnh hưởng của các hàm lượng ñạm ban ñầu ñến sự thay ñổi hàm lượng ñạm trong ñất theo thời gian. 7. 2. 7. Phân tích ñộ nh ạ y cho mô hình l ớ n Sau khi ñ ã hoàn toàn tin t ưở ng vào s ự ho ạ t ñộ ng chính xác c ủ a các mô hình con thì ta có th ể ki ể m tra ñộ nh ạ y c ủ a mô hình l ớ n, ñ ó là s ự k ế t h ợ p gi ữ a nhi ề u mô hình con v ớ i nhi ề u h ệ s ố ñầ u vào khác nhau. Quá trình phân tích ph ả i ñượ c ti ế n hành v ớ i nhi ề u phép ñ o ñế m và ch ạ y mô hình v ớ i t ầ n s ố cao. S ự ả nh h ưở ng c ủ a các h ệ s ố ñầ u vào ñế n ñầ u ra c ủ a mô hình c ầ n ñượ c ghi chép c ẩ n th ậ n ñể làm c ơ s ở cho vi ệ c gi ả i thích và hi ệ u ch ỉ nh mô hình sau này. 7. 2. 8. Hiệu chỉnh mô hình Cho dù mô hình ñượ c xây d ự ng chính xác, c ẩ n th ậ n và chi ti ế t ñế n ñ âu thì công ñ o ạ n hi ệ u ch ỉ nh mô hình c ũ ng là c ầ n thi ế t không th ể tránh kh ỏ i. Hi ệ u ch ỉ nh là vi ệ c ñư a mô hình vào ho ạ t ñộ ng theo quy lu ậ t phát tri ể n h ệ th ố ng mà mình ñ ang quan tâm ñể làm c ơ s ở cho vi ệ c mô ph ỏ ng các quá trình ti ế p theo ph ụ c v ụ tính toán c ủ a nghiên c ứ u và s ả n xu ấ t. M ộ t ví d ụ ñơ n gi ả n khi m ộ t k ỹ thu ậ t viên mu ố n ñ o pH, EC c ủ a 1 dãy 100 m ẫ u n ướ c. Vi ệ c ñầ u tiên là ph ả i hi ệ u ch ỉ nh máy ñ o v ề ñ úng v ớ i các m ẫ u tiêu chu ẩ n (pH=4, pH=7, EC n ướ c c ấ t) và ghi l ạ i nhi ệ t ñộ t ạ i th ờ i ñ i ể m ñ o. K ế t qu ả ñ o ch ỉ chính xác khi ñ ã hi ệ u ch ỉ nh chính xác s ố ñọ c trên máy ñ o v ớ i các m ẫ u chu ẩ n ñể ñư a máy v ề trình tr ạ ng ho ạ t ñộ ng bình th ườ ng, ñ úng quy lu ậ t và thu ộ c ph ạ m vi cho phép. Thời gian (ngày) Các hệ số N ban ñầu 136 0 20 40 60 80 100 120 28-06-03 14-01-04 1-08-04 17-02-05 5-09-05 24-03-06 Ngày, tháng, năm Hàm l-ợ ng đạm trong đất (mg/kg) Tính toán Đ o đếm Hỡnh 5-8. Kt qu hiu chnh ca mụ hỡnh mụ phng hm lng ủm trong ủt trng bp ci (kt qu tớnh toỏn rt khp vi hm lng ủm ủo trong ủt). Hỡnh 5-8 l m t vớ d ủ i n hỡnh c a k t qu hi u ch nh mụ hỡnh mụ ph ng di n bi n hm l ng ủ m trong ủ t tr ng b p c i, sai khỏc gi a k t qu tớnh toỏn v giỏ tr ủ o trong phũng thớ nghi m l r t nh , th hi n s mụ ph ng chớnh xỏc c a mụ hỡnh. V i mụ hỡnh mỏy tớnh, quỏ trỡnh hi u ch nh th ng ti n hnh b ng vi c so sỏnh k t qu ch y mụ hỡnh v i cỏc giỏ tr ủ o ủ m ng o i th c ủ a. Trong quỏ trỡnh hi u ch nh, mụ hỡnh cú th ch y nhi u l n v i s thay ủ i cỏc h s ủ u vo ủ ủ i u ch nh cho ủ u ra kh p v i giỏ tr ủ o th c t ủ n m c sai s th p nh t cú th . Th ng d a trờn giỏ tr chờnh l ch (g n gi ng v i ủ bi n ủ ng chu n) theo cụng th c sau ( ) [ ] 2/1 , 2 /)/)( nY ammc = (4) Trong ủ ú c l giỏ tr tớnh toỏn c a bi n tr ng thỏi, m l giỏ tr ủ o ủ m th c, am, l giỏ tr ủ o ủ m trung bỡnh v n l s m u ủ o v tớnh toỏn. Mụ hỡnh ph i ủ c hi u ch nh lm sao ủ chờnh l ch Y ủ t ủ c giỏ tr nh nh t. 7. 2. 9. p d ng mụ hỡnh ra di n r ng Sau khi ủ ó hi u ch nh, chỳng ta cú th tin t ng vo s ho t ủ ng c a mụ hỡnh l mụ ph ng ủ ỳng cỏc quỏ trỡnh x y ra trong h th ng m chỳng ta ủ ang quan tõm. Cỏc h s ủ u vo ủ ó ủ c hi u ch nh cú th ủ c ti p t c s d ng cho vi c mụ ph ng r ng rói c a h th ng ủ ú theo m t khụng gian v th i gian r ng h n. B ng vi c ny chỳng ta cú th cú nh ng k t qu ủ nh l ng chớnh xỏc v cỏc quỏ trỡnh x y ra trong h th ng k c ng n h n v di h n, v i nhi u k t h p khỏc nhau c a cỏc y u t mụi tr ng m khụng th ủ o ủ m ủ c. Vớ d mụ hỡnh mụ ph ng quỏ trỡnh th m nitrat t ủ t xu ng n c ng m t i Võn H i, Tam D ng, V nh Phỳc, sau khi dựng cỏc s ủ o trong n m 2004, 2005 ủ hi u ch nh mụ hỡnh (hỡnh 5-8), ta cú th tớnh toỏn l ng nitrat lm ụ nhi m n c ng m theo t ng th i v khỏc nhau, trờn cỏc lo i ủ t khỏc nhau v i th i gian di t 1 n m ủ n 5 n m, th m chớ 50- 100 n m. 7. 2. 10. ỏnh giỏ mụ hỡnh 137 Mô hình c ũ ng c ầ n ñượ c ñ ánh giá v ề ñộ chính xác, tính d ễ s ử d ụ ng, tính kh ả thi trong th ự c t ế và ph ạ m vi ứ ng d ụ ng c ũ ng nh ư ho ạ t ñộ ng. Vi ệ c ñ ánh giá có th ể d ự a vào k ế t qu ả áp d ụ ng chúng vào các nhiên c ứ u, ứ ng d ụ ng trên m ọ i h ệ th ố ng có liên quan. Vi ệ c ñ ánh giá chính xác nh ấ t là d ự a vào k ế t qu ả th ẩ m ñị nh c ủ a các h ộ i ñồ ng khoa h ọ c uy tín, các bài báo khoa h ọ c ho ặ c k ế t qu ả ñ ánh giá c ủ a các d ự án có s ử d ụ ng mô hình ñể mô ph ỏ ng. VIII. Một số mô hình cụ thể. Trong th ế gi ớ i hi ệ n ñạ i ñ ang di ễ n ra r ấ t nhi ề u ho ạ t ñộ ng s ố ng c ủ a con ng ườ i mang tính tích c ự c ñể có m ộ t th ế gi ớ i hi ệ n ñạ i và v ă n minh, tuy nhiên c ũ ng có r ấ t nhi ề u ho ạ t ñộ ng làm ô nhi ễ m môi tr ườ ng, ñ e d ọ a ñế n s ứ c kh ỏ e con ng ườ i mà r ấ t nhi ề u qu ố c gia, nhà khoa h ọ c ñ ang tìm cách ñể h ạ n ch ế nó. Ô nhi ễ m môi tr ườ ng bao g ồ m 6 lo ạ i chính là: ô nhi ễ m không khí (s ự gia t ă ng hàm l ượ ng, xáo tr ộ n thành ph ầ n không khí), ô nhi ễ m n ướ c (suy gi ả m ch ấ t l ượ ng n ướ c), ô nhi ễ m ti ế ng ồ n (gia t ă ng v ề ñộ l ớ n và t ầ n su ấ t ti ế ng ồ n), ô nhi ễ m ñấ t (tích l ũ y quá gi ớ i h ạ n ch ấ t th ả i r ắ n và ch ấ t ñộ c h ạ i trong ñấ t), ô nhi ễ m ch ấ t phóng x ạ (rò r ỉ và lan r ộ ng các ch ấ t phóng x ạ , nguyên t ử có h ạ i ñế n ho ạ t ñộ ng s ố ng) và ô nhi ễ m nhi ệ t (hi ệ n t ượ ng nóng lên toàn c ầ u). Có r ấ t nhi ề u mô hình ñể mô ph ỏ ng và tính toán các quá trình ho ạ t ñộ ng trong môi tr ườ ng xung quanh. Chúng ñượ c ñ ánh g iá có tác ñộ ng m ạ nh m ẽ ñế n giai ñ o ạ n nghiên c ứ u ñị nh l ượ ng, ti ế t ki ệ m nhi ề u th ờ i gian và v ậ t ch ấ t mà l ạ i ñ em l ạ i ñộ chính xác cao. Trong môi tr ườ ng nông nghi ệ p, môi tr ườ ng ñượ c coi là có ngu ồ n ô nhi ễ m không xác ñị nh l ớ n gây ả nh h ưở ng ñế n môi tr ườ ng s ố ng. ðạ i di ệ n cho nh ữ ng ngu ồ n ô nhi ễ m này là ô nhi ễ m ngu ồ n n ướ c m ặ t do các quá trình xói mòn b ề m ặ t t ừ nh ữ ng ngu ồ n phân bón và hóa ch ấ t bón ho ặ c th ả i vào ñấ t, ô nhi ễ m ngu ồ n n ướ c ng ầ m do các quá trình th ấ m sâu c ủ a các hóa ch ấ t nông nghi ệ p trên nh ữ ng vùng ñấ t có ñộ d ẫ n n ướ c cao, m ự c n ướ c ng ầ m nông. ðể mô ph ỏ ng vi ệ c ñị nh l ượ ng hóa các quá trình ô nhi ễ m này, m ộ t s ố mô hình tiêu bi ể u ñượ c xây d ự ng và ñượ c ứ ng d ụ ng r ấ t r ộ ng rãi. 8. 1. Mô hình xói mòn ñất do nước Xói mòn ñấ t là k ế t qu ả c ủ a hi ệ n t ượ ng m ư a l ớ n v ớ i c ườ ng ñộ cao trên nh ữ ng vùng ñấ t có ñộ d ố c l ớ n, ñộ che ph ủ th ự c v ậ t nh ỏ và ñấ t b ị xáo tr ộ n nhi ề u do các h ọ at ñộ ng canh tác nông nghi ệ p. Tác h ạ i c ủ a xói mòn là hàng n ă m b ị m ấ t ñ i l ượ ng l ớ n ñấ t canh tác màu m ỡ (lên t ớ i hàng tr ă m t ấ n/ha/n ă m), m ấ t theo r ấ t nhi ề u ch ấ t dinh d ưỡ ng cây tr ồ ng nh ư mùn, ñạ m, lân, kali, canxi và magiê ( ðậ u Cao L ộ c và c ộ ng s ự , 1998; Thái Phiên và c ộ ng s ự , 2001; ð ào Châu Thu và c ộ ng s ự , 1997; Tr ầ n ðứ c Toàn và c ộ ng s ự , 1998). Do m ấ t ñ i l ớ p ñấ t m ặ t t ơ i x ố p, ñấ t tr ở nên chai c ứ ng và nghèo dinh d ưỡ ng d ẫ n ñế n n ă ng su ấ t cây tr ồ ng gi ả m. V ề ả nh h ưở ng r ộ ng thì các v ậ t li ệ u xói mòn nh ư ñấ t, bùn s ẽ l ấ p ñầ y các dòng sông, h ồ ch ứ a gây ả nh h ưở ng ñế n t ướ i tiêu và ñ i ề u hòa môi tr ườ ng. Các ch ấ t h ữ u c ơ , ñạ m lân s ẽ tích l ũ y trong các sông ngòi, h ồ ch ứ a làm gia t ă ng các quá trình phân rã gây ô nhi ễ m môi tr ườ ng n ướ c và không khí. Các quá trình phú d ưỡ ng hóa c ũ ng t ă ng nhanh làm suy gi ả m ch ấ t l ượ ng n ướ c u ố ng và gây các b ệ nh ở ng ườ i và gia súc. Có r ấ t nhi ề u mô hình xói mòn ñấ t ñượ c xây d ự ng theo các ph ạ m vi và t ỷ l ệ khác nhau trong ñ ó có các mô hình mô ph ỏ ng xói mòn trên b ề m ặ t nh ư GUEST (Yu et al., 1997), USLE (Wischmeier and Smith, 1978), WEPP (Flanagan et al., 2001). Nh ữ ng mô hình này mô ph ỏ ng xói mòn ñấ t t ạ i b ề m ặ t c ủ a s ườ n d ố c, do v ậ y xói mòn ch ủ y ế u là xói mòn b ề m ặ t và rãnh nh ỏ v ớ i t ố c ñộ xói mòn l ớ n. Nh ữ ng mô hình ở quy mô ñị a hình l ớ n 138 h ơ n nh ư l ư u v ự c, ví d ụ AGNPS (Young et al., 1989), ANSWERS (Beasley and Huggins, 1982), CREAMS/GLEAMS (Knisel, 1991) và LISEM (De Roo et al., 1996a; De Roo et al., 1996b). 8. 1. 1. Mô hình AGNPS Mô hình Ngu ồ n ô nhi ễ m nông nghi ệ p không xác ñị nh (AGNPS) ñượ c xây d ự ng do các nhà khoa h ọ c nông nghi ệ p M ỹ xây d ự ng nh ằ m d ự ñ oán xói mòn và s ự di chuy ể n các ch ấ t dinh d ưỡ ng, hóa ch ấ t t ừ nh ữ ng l ư u v ự c nông nghi ệ p. Mô hình s ẽ ch ạ y cho t ừ ng tr ậ n m ư a ñơ n l ẻ . L ư u v ự c ñượ c chia ra thành nh ữ ng ti ể u l ư u v ự c và l ướ i ô vuông có kích th ướ c b ằ ng nhau. Mô hình bao g ồ m 3 mô hình con, ñ ó là: - Mô hình xói mòn d ự a trên ph ươ ng trình tính toán xói mòn m ấ t ñấ t ph ổ d ụ ng USLE. - Mô hình n ướ c d ự a trên k ỹ thu ậ t thi ế t k ế các ñườ ng th ủ y toán (SCS) mà m ỗ i giá tr ị ñạ i di ệ n cho m ộ t ch ế ñộ ñấ t, cây tr ồ ng, h ệ s ố d ẫ n n ướ c, h ệ s ố dòng ch ả y khác nhau. - Quá trình v ậ n chuy ể n các ch ấ t dinh d ưỡ ng ñấ t và hóa ch ấ t ñượ c mô hình hóa d ự a trên các ñặ c tính c ủ a ñấ t, l ượ ng các ch ấ t bón vào ñấ t và kh ả n ă ng v ậ n chuy ể n c ủ a dòng ch ả y. Hình 5-9. Mô hình AGNPS chạy kết hợp với phần mềm GIS mô phỏng các quá trình nước và di chuyển của hóa chất. 139 S ố li ệ u ñầ u vào cho mô hình g ồ m 22 ch ỉ tiêu v ề ñặ c tính v ề ñộ d ố c, h ướ ng d ố c, ñặ c tính lý hóa ñấ t, cây tr ồ ng và l ượ ng các ch ấ t hóa h ọ c bón vào ñấ t c ủ a l ư u v ự c, c ủ a t ừ ng ô ñơ n v ị , l ượ ng m ư a và ki ể u m ư a S ố li ệ u ñầ u ra c ủ a mô hình g ồ m 13 ch ỉ tiêu v ề n ướ c nh ư t ố c ñộ dòng ch ả y, ñỉ nh l ũ , t ổ ng l ượ ng dòng ch ả y, hàm l ượ ng c ặ n, kh ố i l ượ ng ñấ t b ị xói mòn. Ti ế p theo là 11 ch ỉ tiêu v ề dinh d ưỡ ng và hóa ch ấ t nh ư l ượ ng ñạ m, lân, và thu ố c sâu m ấ t ñ i trong c ặ n ñấ t và trong n ướ c ch ả y tràn b ề m ặ t. Mô hình mô ph ỏ ng v ề không gian nên luôn c ầ n s ự h ỗ tr ợ c ủ a các ph ầ n m ề m GIS (ví d ụ hình 5-9) ñể tính toán các y ế u t ố ñị a hình và phân b ố không gian c ủ a các ñơ n v ị ñấ t ñ ai. Ngày nay mô hình ñượ c phát tri ể n lên hi ệ n ñạ i h ơ n v ớ i mô hình m ớ i là Annual AGNPS, c ơ b ả n d ự a trên mô hình AGNPS k ế t h ợ p v ớ i ph ầ n m ề m GIS AcrView. Mô hình không nh ữ ng mô ph ỏ ng cho t ừ ng tr ậ n m ư a ñơ n l ẻ mà còn mô ph ỏ ng theo n ă m có tính ñế n các y ế u t ố cân b ằ ng n ướ c bao g ồ m: m ư a, b ố c thoát h ơ i n ướ c, cây hút, ch ả y tràn và th ấ m sâu. Vì th ế ñộ ng thái bi ế n ñổ i c ủ a ñộ ẩ m ñấ t là y ế u t ố quan tr ọ ng ả nh h ưở ng ñế n kh ả n ă ng sinh dòng ch ả y cho m ỗ i tr ậ n m ư a ñượ c tính toán m ộ t cách khoa h ọ c. 8. 1. 2. Mô hình xói mòn LISEM Là mô hình xói mòn vi ế t trong môi tr ườ ng GIS cho vi ệ c mô ph ỏ ng xói mòn c ủ a l ư u v ự c có kích th ướ c v ừ a và nh ỏ . Mô hình mô ph ỏ ng cho t ừ ng tr ậ n m ư a riêng l ẻ v ớ i các ñộ phân gi ả i không gian và th ờ i gian khác nhau. C ơ ch ế làm vi ệ c và các quá trình xói mòn x ả y ra ñượ c mô t ả nh ư trong hình 10 Hình 5-10. Biểu ñồ biểu diễn cơ chế xói mòn của LISEM (Hessel et al., 2002) ðầ u vào c ủ a mô hình bao g ồ m 7 ñườ ng chính: ðỌNG TÁN CÂY TH ẤM SÂU XÓI MÒN BỀ MẶT XÓI MÒN DÒNG CHẢY Tổng lượng dòng chảy Tổng lượng ñất trôi Mưa DÒNG CHẢY TRÀN RỬA TRÔI, LẮNG ðỌNG LAI, PER Ksat, theta RR Ldd n, slope PER, CH, AGGRSTAB COH D50 dòng n ướ c ch ả y dòng ñấ t trôi ñườ ng ñ i ề u khi ể n s ố li ệ u ñầ u vào ðỌNG TRONG LỚP ðẤT M ẶT AGGSTAB: ñoàn lạp bền LAI: chỉ số diện tích lá PER: ñộ che phủ Ksat: ñộ dẫn nước bão hòa theta: ñộ ẩm ñất bão hòa RR: ñộ ghồ ghề mặt ñất ldd: hướng dòng chảy n: hệ số nhám Manning slope: ñộ dốc CH: chiều cao cây COH: ñộ dẻo dính D50: trung bình kích thước h ạt 140 a. S ố li ệ u v ề m ư a theo th ờ i gian, kho ả ng cách 1-5 phút (d ạ ng file text); b. Thông tin v ề l ư u v ự c (b ả n ñồ l ướ i ô vuông ch ứ a các ô vuông có di ệ n tích b ằ ng nhau), bao g ồ m: b ả n ñồ chung ch ứ a các ô, b ả n ñồ ñộ d ố c, b ả n ñồ vùng m ư a và b ả n ñồ ch ỉ c ử a c ủ a l ư u v ự c; c. Thông tin v ề cây tr ồ ng hay b ả n ñồ hi ệ n tr ạ ng s ử d ụ ng ñấ t, ñượ c k ế t n ố i v ớ i b ả ng thu ộ c tính ch ứ a các thông tin v ề ch ỉ s ố di ệ n tích lá, ñộ che ph ủ và chi ề u cao cây c ủ a các lo ạ i hình s ử d ụ ng ñấ t khác nhau; d. Thông tin v ề l ớ p ñấ t m ặ t, là các b ả n ñồ ch ứ a các thông tin nh ư : h ệ s ố nhám Manning’s n, ñộ gh ồ gh ề m ặ t ñấ t, l ượ ng ñ á trên m ặ t, k ẽ n ứ t, ñườ ng sá; e. Thông tin v ề kh ả n ă ng th ấ m c ủ a ñấ t: là b ả n ñồ ñơ n v ị ñấ t k ế t n ố i v ớ i b ả ng thu ộ c tính c ủ a ñấ t nh ư : h ệ s ố d ẫ n n ướ c và ñộ ẩ m c ủ a ñấ t ở tr ạ ng thái bão hòa, ñộ ẩ m hi ệ n tr ạ ng c ủ a ñấ t, ñộ sâu t ầ ng ñấ t; f. Thông tin v ề xói mòn và l ắ ng ñọ ng: là b ả n ñồ ñơ n v ị ñấ t k ế t n ố i v ớ i b ả ng thu ộ c tính ch ứ a các thông tin v ề : ñộ b ề n c ủ a h ạ t ñấ t, ñộ d ẻ o dính và trung bình kích th ướ c h ạ t ñấ t; g. Thông tin v ề sông su ố i (kênh) nh ư h ướ ng dòng ch ả y, ñộ nhám lòng su ố i, chi ề u r ộ ng c ủ a su ố i và ñộ d ố c c ủ a lòng, s ườ n su ố i; h. Thông tin v ề hàm l ượ ng ñạ m nitrat, amôn và lân trong ñấ t. Hình 5-11. Mô phỏng hướng dòng chảy trong mô hình xói mòn lưu vực ðầ u ra c ủ a mô hình bao g ồ m: i. Thông tin t ạ i c ử a c ủ a l ư u v ự c theo th ờ i gian (tùy theo ng ườ i s ử d ụ ng, ví d ụ sau kho ả ng cách 5 phút) g ồ m: t ố c ñộ dòng ch ả y, th ể tích dòng ch ả y, hàm l ượ ng c ặ n trong huy ề n phù và l ượ ng ñấ t m ấ t do xói mòn; Dòng chảy ngang Dòng chảy sông suối Dòng chảy mặt 141 j. B ả n ñồ phân b ố xói mòn và l ắ ng ñọ ng ñấ t theo th ờ i gian và toàn tr ậ n m ư a; k. Hàm l ượ ng dinh d ưỡ ng trong ñấ t và trong dòng ch ả y ra kh ỏ i l ư u v ự c. 8. 2. Mô hình lan truyền thấm sâu chất hóa học LEACHM LEACHM (Leaching Estimation And CHemistry Model) mô ph ỏ ng tr ạ ng thái c ủ a n ướ c và mô ph ỏ ng quá trình v ậ n chuy ể n c ủ a ch ấ t l ỏ ng trong ñấ t không bão hoà ho ặ c bão hòa 1 ph ầ n, t ớ i ñộ sâu 2 m. Mô hình LEACHM mô ph ỏ ng nhi ề u lo ạ i hóa ch ấ t khác nhau: LEACHN mô ph ỏ ng s ự chuy ể n hóa và v ậ n chuy ể n c ủ a ñạ m (N) và lân (P); LEACHP mô ph ỏ ng s ự phân rã và lan truy ề n c ủ a thu ố c tr ừ sâu; LEACHC mô ph ỏ ng s ự lan truy ề n c ủ a các ion vô c ơ , và LEACHB mô ph ỏ ng ñộ ng thái c ủ a vi sinh v ậ t trong s ự có m ặ t c ủ a 1 lo ạ i ch ấ t dinh d ưỡ ng cho s ự phát tri ể n c ủ a chúng. Nh ữ ng mô hình này có th ể áp d ụ ng cho c ả trong phòng thí nghi ệ m và ngoài th ự c ñị a, mô hình c ũ ng bao g ồ m c ả các mô hình con v ề hút n ướ c và ch ấ t dinh d ưỡ ng c ủ a r ễ cây. Hình 5-12. Các hợp phần chính và ñường phát triển của LEACHM (Hutson, 2003). Các thông s ố c ụ th ể c ủ a mô hình. - Thông s ố chung c ủ a thí nghi ệ m nh ư th ờ i ti ế t, ñặ c tính lý h ọ c ñấ t, r ễ cây t ạ i vùng nghiên c ứ u. - Thông s ố v ề ñấ t g ồ m có: hàm l ượ ng mùn trong ñấ t, hàm l ượ ng nitrat và a môn ban ñầ u, hàm l ượ ng ñạ m trong ch ấ t tàn d ư th ự c v ậ t, hàm l ượ ng cacbon và ñạ m trong tàn d ư th ự c v ậ t. - Thông s ố v ề phân bón g ồ m có: L ượ ng phân ñạ m (Urea, a môn, nitrat), phân lân, hàm l ượ ng ñạ m và lân trong tàn d ư th ự c v ậ t và trong phân chu ồ ng. - Thông s ố ñầ u ra c ủ a mô hình g ồ m có: L ượ ng amôn, nitrat và lân do cây hút, l ượ ng amôn b ố c h ơ i, ñạ m m ấ t trong quá trình nitrat hóa, và l ượ ng amôn, nitrat và lân m ấ t do th ấ m sâu. 8. 3. Mô hình ñơn giản về lan truyền hóa chất trong ñất. Ví dụ: Xem xét m ộ t lo ạ i ñấ t có ch ứ a 1 l ớ p phân bón (ví d ụ phân ñạ m, N, ñượ c bón ở ñộ sâu 20 cm). ðể ñơ n gi ả n hòa cho vi ệ c tính toán, gi ả s ử ñấ t bão hòa n ướ c, ñấ t có ñộ r ỗ ng a (m 3 m -3 , th ườ ng dao ñộ ng t ừ 0.35 - 0.75 và ch ứ a không khí và n ướ c). N ướ c m ư a gây ra 1 dòng di Nước mưa, tư ới Chất hóa h ọc Thoát hơi nư ớc Bốc hơi Nước Cây phát tri ển Dòng chảy m ặt Cây hút Dòng lưu thông nư ớc Vận chuyển các ch ất Chất hóa học, tương tác vi sinh v ật Thấm sâu Nước Chất hóa học 142 Hình 5-13. Biểu ñồ biểu diễn sự lan truyền chất hóa học trong ñất chuy ể n v ớ i t ố c ñộ v’ và n ướ c di chuy ể n trong các k ẽ h ở ñấ t v ớ i t ố c ñộ v = v’/a. Hàm l ượ ng c ủ a N trong n ướ c t ạ i 1 ñ i ể m x và th ờ i gian t là C(x,t) ðể mô ph ỏ ng quá trình di chuy ể n c ủ a N trong ñấ t, ph ẫ u di ệ n ñấ t ñượ c chia thành các t ầ ng ñấ t có các ñặ c ñ i ể m khác nhau (thành ph ầ n v ậ t lý nh ư ñộ r ỗ ng, ñộ d ẫ n n ướ c, thành ph ầ n c ơ gi ớ i v.v…) và ñượ c bi ể u di ễ n nh ư hình 5-13. Bi ể u ñồ này s ẽ giúp ta vi ế t các ph ươ ng trình di chuy ể n c ủ a N trong ph ẫ u di ệ n ñấ t nh ư sau: Ph ươ ng trình dòng ch ả y c ủ a N di chuy ể n t ạ i t ầ ng ñấ t th ứ i s ẽ là: FL(i) = V. C(i-1) ; là dòng N ñ i vào t ầ ng i (5) FL(i+1) = V. C(i) ; là dòng N ñ i ra kh ỏ i t ầ ng i, và ñ i vào t ầ ng i+1 (6) Gi ả s ử N phân tán ñề u trong m ỗ i t ầ ng v ớ i n ồ ng ñộ ñồ ng nh ấ t C(i). V ậ y N ñ i vào m ộ t t ầ ng là tích c ủ a t ố c ñộ dòng n ướ c ch ả y vào và n ồ ng ñộ N trong n ướ c ch ả y ñế n t ừ t ầ ng tr ướ c ñ ó. H ệ dòng ch ả y c ủ a N cho t ầ ng ñấ t i là hi ệ u c ủ a dòng ch ả y vào và ra kh ỏ i t ầ ng i NFL(i) = FL(i) – FL(i+1) ho ặ c (7) NFL(i) = V. (C(i) – C(i+1)) (8) Ta có th ể tích c ủ a t ầ ng ñấ t là VOL = AREA. H [di ệ n tích b ề m ặ t (x) chi ề u cao]. N ế u ph ẫ u di ệ n là ñồ ng nh ấ t và ñượ c chia làm các t ầ ng có ñộ dày nh ư nhau và b ằ ng H, s ự thay ñổ i n ồ ng ñộ c ủ a N trong t ầ ng ñấ t s ẽ ñượ c tính b ằ ng NFL(i)/H và t ố c ñộ thay ñổ i n ồ ng ñộ c ủ a N ñượ c vi ế t d ướ i d ạ ng ph ươ ng trình 9. Bi ế n ñộ ng hàm l ượ ng c ủ a N trong ñấ t ñượ c bi ể u di ễ n nh ư trong hình 5-14. C(i))1)(C(i TCOM V H NFL(i) dt dC(i) −−== (9) x x1 (x-x1)= -H F(i) FL(i+1) C(i - 1) C(i) x Tcmass=H/V C(i+1) (x-x1)= +H [...]... ng, phân tích các quá trình thay ñ i c a h th ng môi trư ng Trong chương này t p trung vào mô t các mô hình xói mòn ñ t, mô hình lan truy n hoá ch t trong môi trư ng ñ t, môi trư ng nư c, v.v Câu h i ôn t p 1 2 3 4 5 6 7 Mô hình hoá nh m m c ñích gì? Anh (ch ) hãy li t kê các ưu và như c ñi m c a mô hình hoá? Phương pháp xây d ng mô hình? Ý nghĩa c a mô hình hoá trong phân tích h th ng môi trư ng nông. .. c a h th ng chính là h nông dân, ngư i luôn suy nghĩ ñ ra m i quy t ñ nh cho các ho t ñ ng c a h th ng nông h m t cách h p lý nh t H nông dân cung c p các ñ u vào cho h th ng nông h như: l c lư ng lao ñ ng, ti n v n, cũng là ngư i tìm môi trư ng cho ñ u ra c a h th ng nông h , là ngư i cân ñ i m i ho t ñ ng c a h th ng H th ng nông nghi p trư c h t là m t phương th c khai thác môi trư ng ñư c hình thành... hình nông nghi p là mô hình mô t các ho t ñ ng c a h th ng nông nghi p Nh nó mà ta có th bi t ñư c các ho t ñ ng c a h th ng nông nghi p như th nào, trong m i h th ng có bao nhiêu h ph , các m i liên h c a chúng ra sao, môi trư ng c a chúng là gì, hi u qu ho t ñ ng c a h th ng cao hay th p Trong nông nghi p, mô hình ñư c s d ng ph bi n trong công tác khuy n nông và ñào t o Môi trư ng: Theo nghĩa r ng môi. .. bên ngoài và xu hư ng phát tri n h th ng Phân tích h th ng môi trư ng là nh m tìm hi u ch c năng c a h th ng ñư c th c hi n như th nào và nó có tác ñ ng như th nào ñ i v i môi trư ng xung quanh K t qu nghiên c u s ñư c s d ng trong quá trình ra quy t ñ nh ho c quy ho ch cho phát tri n b n v ng các c p ñ qu c gia, c ng ñ ng, t ch c và cá nhân Phân tích h sinh thái nông nghi p ñư c Conway (1985) ñ xu t... tài nguyên trong nông tr i m t môi trư ng nh t ñ nh b ng nh ng phương pháp công ngh s n xu t ra các s n ph m nông nghi p sơ c p H th ng cây tr ng (Cropping Systems): Là t p h p t t c các lo i cây có quan h v i môi trư ng t nhiên, kinh t , xã h i c a nông tr i hay vùng ñ cùng t o ra s n ph m nông nghi p v i hi u qu kinh t cao H th ng nuôi tr ng thu s n: là d ng canh tác trong ñi u ki n môi trư ng nư c...Chi u sâu ph u di n (m) Hàm lư ng N (mg kg-1) Hình 5-14 Phân b hàm lư ng ñ m trong ñ t theo chi u sâu lúc ban ñ u, sau 40, 80 và 100 ngày M t s lưu ý: Trên ñây là chương trình mô ph ng c a ñơn ch t trong môi trư ng ñ ng nh t và ch có 1 ñ u vào Trong th c t ch t hóa h c trong ñ t bi n ñ i theo s chi ph i c a nhi u y u t môi trư ng như trình bày trong ph n m m LEACHM T i m i c p quan tâm khác nhau... là s qu n lý c a nông dân và h th ng chính sách, các t ch c văn hoá xã h i ñư c k t h p l i cùng thúc ñ y h th ng canh tác ho t ñ ng t t ñ t m c tiêu c a h th ng nông nghi p H th ng ngành ngh -ch bi n (h th ng phi nông nghi p): là d ng s n xu t mang tính ch t ti u th công nghi p cùng góp ph n làm tăng thu nh p cho nông dân H th ng nông h : Có th nói là ñơn v cu i cùng c a h th ng nông nghi p có ph... k lư ng và s d ng có hi u qu cây tr ng và v t nuôi Phân tích cân b ng dinh dư ng là phương pháp phân tích và ñánh giá qu dinh dư ng c a h th ng thông qua t t c các dòng dinh dư ng cung c p cho h th ng và ra kh i h th ng nh m tìm hi u môi trư ng dinh dư ng c a h th ng s n xu t nông nghi p hay h sinh thái nông nghi p N u cân b ng dinh dư ng âm (ð u vào < ð u ra), ch c năng c a h th ng có nguy cơ b phá... n h i ñ n môi trư ng H sinh thái nông nghi p (HSTNN): là h th ng bao g m các sinh v t và c nh quan ñư c s d ng cho m c ñích s n xu t nông nghi p H sinh thái nông nghi p v n là các h sinh thái t nhiên ñư c con ngư i bi n ñ i ph c v nhu c u v lương th c, th c ph m c a con ngư i Hành vi c a h th ng: là t p h p các ñ u ra Y c a h th ng H th ng chăn nuôi: là h th ng s n xu t b ng v t nuôi trong nông h /trang... thu c m ng lư i ðông Nam Á (SUAN) vào nh ng năm 1980 M c ñích c a phân tích h sinh thái nông nghi p là phát hi n và tìm ra các h n ch và ti m năng c a HSTNN t ñó ñưa ra các gi i pháp c th nh m c i thi n các ñ c tính và môi trư ng c a h th ng Nó là các lu n ch ng cơ s ñ ñưa ra các bi n pháp ñi u khi n h th ng thông qua các bi n pháp khuy n nông, chính sách và các bi n pháp k thu t Phép bi n ñ i c a h th . th ố ng. Phân tích hệ thống môi trường là nh ằ m tìm hi ể u ch ứ c n ă ng c ủ a h ệ th ố ng ñượ c th ự c hi ệ n nh ư th ế nào và nó có tác ñộ ng nh ư th ế nào ñố i v ớ i môi tr ườ ng. (các dòng dinh d ưỡ ng) c ủ a h ệ th ố ng không v ượ t quá m ứ c cho phép. Phân tích tính bền vững của hệ thống nông nghiệp: ð ánh giá tính b ề n v ữ ng c ủ a h ệ th ố ng, kh ả n ă ng duy trì. ñế n môi tr ườ ng. Hệ sinh thái nông nghiệp (HSTNN): là h ệ th ố ng bao g ồ m các sinh v ậ t và c ả nh quan ñượ c s ử d ụ ng cho m ụ c ñ ích s ả n xu ấ t nông nghi ệ p. H ệ sinh thái nông