Mô hình hoá

Định hướng nghiên cứu của nhóm tập trung vào các khái niệm lý thuyết của những quá trình sinh thái và sinh học, chuyển các khái niệm này thành mô hình toán và dự báo các quá trình này dưới nhiều kịch bản

Mô hình hoá địa - sinh thái vùng cửa sông

Một trong những hướng nghiên cứu chính của nhóm đó là phát triển mô hình sinh thái cho hệ sinh thái vùng cửa sông nhằm phục vụ cho công tác quản lý. Nhóm đã phát triển được mô hình đa cấp độ nhằm mô phỏng sự phát triển của thực vật ngập mặn dưới sự tương tác của các yếu tố môi trường khác nhau. Mô hình được sử dụng để kiểm tra và đánh giá ảnh hưởng của các chiến lược quản lý lên chất lượng của hệ sinh thái rừng thông qua sự phát triển và sinh trưởng của rừng ngập mặn. Nghiên cứu này cung cấp một đánh giá tổng hợp về các mô hình hiện tại và thảo luận về một số định hướng đến việc phát triển mô hình hợp lý hơn. Với định hướng đó, chúng tôi tập trung vào việc thiết lập từng tham số tối ưu để đóng góp vào bộ tham số nhằm cải thiện độ chính xác của mô hình.

 

Kế hoạch của chúng tôi là kiểm tra các phương pháp trong phân tích tính bất định và ước lượng tham số với phương pháp Bayesian (Generalized Likelihood Uncertainty Estimation, Makov Chain Monte Carlo) và so sánh điểm mạnh và điểm yếu, lợi ích và bất lợi của từng phương pháp liên quan đến hiệu quả của chúng khi đại diện cho phân phối tham số hậu định.

Mô hình khái niệm đa cấp độ mô phỏng các quá trình địa - sinh thái - sinh học

Mô phỏng động lực sự phát triển của rừng ngập mặn Cần Giờ

Phản ứng của hệ sinh thái vùng cửa sông dưới sự tác động của biến động môi trường

Chúng tôi điều tra những ảnh hưởng của biến đổi khí hậu lên sự phát triển của thực vật trong hệ sinh thái vùng cửa sông. Vùng cửa sông là vùng đặc biệt nhạy cảm với tác động sinh thái của thay đổi điều khiện môi trường, những chuỗi dữ liệu theo thời gian dài đã cho thấy có mối liên hệ chặt chẽ giữa khí hậu, đặc tính thuỷ động và sinh lý học của hệ sinh thái, sự phong phú của các quần thể thực vật, cấu trúc cộng đồng và động lực của chuỗi thức ăn. Vì vậy, những hiểu biết về sự tương tác phức tạp giữa tác động của khí tượng , thay đổi đặc tính thuỷ lực và các chức năng của hệ sinh thái là kiến thức quan trọng và cần thiết để hỗ trợ đánh giá rủi ro và quản lý tài nguyên.

Chúng tôi đã phát triển mô hình động lực của thực vật ngập mặn, kết hợp các quá trình gồm phân bố ngẫu nhiên của hạt mầm, sự phát tán của cây mầm, quá trình trồng thêm và quá trình chết đi của cây. Mô hình có khả năng mô phỏng và dự báo cho nhiều loài thực vật ngập mặn dưới tác động của các kịch bản về nhiệt độ, lượng mưa, mực nước biển dâng. Mô phỏng dựa trên các kịch bản là công cụ chính hỗ trợ cho quá trình ra quyết định.

Mô phỏng sự thay đổi loài khi đoạn kênh bị lấp đi (Hình a) so sánh với kịch bản cơ sở (Hình b)

Mô hình khái niệm mô phỏng quá trình xử lý chất ô nhiễm với thực vật

Mô hình hoá xử lý ô nhiễm với thực vật

Tại những vùng đất ngập nước ven biển, chất ô nhiễm từ chất thải sinh hoạt, y tế và khu công nghiệp là những vấn đề gây ảnh hướng nghiêm trọng đến suy giảm chất lượng môi trường và sức khoẻ hệ sinh thái. Trong những nỗ lực nâng cao hiệu quả xử lý nước thải, phương pháp xử lý chất ô nhiễm bằng thực vật có tiềm năng giảm thiểu tác động của chất ô nhiễm đến môi trường qua tận dụng quá trình xử lý tự nhiên của thực vật để gia tăng khả năng loại bỏ các chất ô nhiễm khỏi đất và nước. Kỹ thuật này đã được áp dụng để xử lý chất ô nhiễm như chì, uranium và các kim loại nặng khác. Cây rừng ngập mặn có thể đóng vai trò như một hệ thống xử lý nước thải tự nhiên. Hệ thống xử lý này không cần chăm sóc thường xuyên hay tái trồng hàng năm giúp tiết kiệm nhân công và thời gian

Chúng tôi hợp tác với các đồng nghiệp tại Viện Địa Sinh thái - Đại học kỹ thuật Braunschweig ( Giáo sư Otto Richter và ông Klaus-Jurgen Schmalstieg), đã phất triển các công cụ mô hình hoá (gồm các mô hình thống kê và mô hình động lực) để dự báo hiệu quả của hệ thống xử lý chất ô nhiễm với thực vật. Chúng tôi đã mô phỏng sự vận hành của hệ thống xử lý với thực vật trong nhiều điều kiện: tải lượng chất ô nhiễm, số lượng thực vật, tuổi của cây, sinh khối ban đầu, thể tích nước thải, hàm lượng chất dinh dưỡng và khối lượng đất

Mô phỏng quá trình chuyển hoá thuốc bảo vệ thực vật trong môi trường

Chúng tôi nghiên cứu sự vận chuyển và di chuyển của thuốc diệt nấm trong môi trường đất trồng hồ tiêu. Sự chuyển hoá của hợp chất chính trong môi trường được xác định bởi các quá trình vật lý, hoá học và sinh học. Mô hình hoá sự chuyển hoá chất hoá học trong môi trường cần có hướng tiếp cận đa ngành. Những hiểu biết về cấu trúc của mô hình toán áp dụng cho quá trình động lực và phương pháp số sẽ giúp tạo ra những mô hình mô phỏng chuyển hoá của thuốc bảo vệ thực vật trong môi trường. Ví dụ, kết hợp mô hình đọng lực với mô hình lan truyền tạo ra một hệ phương trình đạo hàm riêng phần. Các quá trình này có thể được ứng dụng vào môi trường khác nhau.

Hiệu chỉnh kết quả của mô hình toán mô phỏng hệ thống xử lý nước thải HOLNAD

Mô phỏng các quá trình sinh hoá của hệ thống xử lý nước thải

Mô hình toán mô phỏng hệ thống xử lý nước thải HOLNAD được kiểm định và hiệu chỉnh bằng dữ liệu từ mô hình thực nghiệm và được áp dụng để đánh giá tính hiệu quả của loại hệ thống xử lý nước thải này dưới với các nồng độ oxy hoà tan khác nhau. Mô hình toán này bao gồm hệ phương trình đạo hàm mô tả sự oxy hoá ammonium thành nitrite bởi chủng vi sinh AOB, quá trình chuyển NO2 thành NO3 bởi chủng vi sinh NOB, sự chuyển đổi NH4 và NO2 thành khí N2 bởi chủng vi sinh anammox, sự suy giảm của NH4, NO2, NO3 và COD gây ra bởi AOB, NOB, Anammox và các chuỗi vi sinh ngoại lai khác.