Giáo trình Hệ thống thông tin môi trường (Phần 1)

BÙI TÁ LONG 
TP. HỒ CHÍ MINH 1/2006 
ii
Kính mong sự đóng góp ý kiến của tất cả bạn đọc. 
Những đóng góp quí báu của bạn đọc sẽ giúp các tác giả nâng 
cao chất lượng giáo trình này. 
 Giáo trình này trình bày cơ sở khoa học, phương pháp xây dựng 
và phát triển các hệ thống thông tin môi trường. Các khái niệm cơ bản 
như thông tin môi trường, sự phân loại, tổ chức chúng được phân tích 
từ khía cạnh lý luận lẫn thực tiễn. Trong giáo trình cũng dành sự lưu ý 
đặc biệt cho những ứng dụng hệ thống thông tin môi trường cụ thể tại 
Việt Nam trong bối cảnh đất nước chúng ta đang có nhiều nỗ lực cho 
công tác bảo vệ môi trường và phát triển bền vững. 
 Trong giáo trình đưa ra những ứng dụng cụ thể các hệ thống 
thông tin – mô hình môi trường tích hợp với GIS hỗ trợ công tác quản 
lý và thông qua quyết định trong lĩnh vực môi trường. 
 Giáo trình hướng tới đối tượng là sinh viên, học viên cao học 
chuyên ngành môi trường và một số nghành liên quan, cũng như giảng 
viên, nghiên cứu viên tại các trường đại học và viện nghiên cứu. 
 Bản quyền @ 2006 - Bùi Tá Long, tiến sĩ khoa học, 
iii
LỜI CÁM ƠN 
Để hoàn thành cuốn giáo trình này tác giả xin chân thành cảm ơn Đại học Khoa học 
Huế, Viện môi trường và Tài nguyên, Đại học quốc gia Tp. HCM, Đại học Bách khoa, Đại 
học quốc gia Tp. HCM, Đại học dân lập kỹ thuật công nghệ Tp.HCM đã mời tác giả tham 
gia giảng dạy cho sinh viên, học viên cao học chuyên ngành môi trường. 
Tác giả gửi lòng biết ơn chân thành tới Sở Khoa học và Công nghệ, Sở Tài nguyên 
và Môi trường các tỉnh An Giang, Bà Rịa – Vũng Tàu, Ninh Thuận, Đà Nẵng đã giúp đỡ và 
cung cấp nhiều thông tin quý giá trong quá trình thực hiện triển khai các phần mềm hỗ trợ 
quản lý môi trường. 
Tác giả gửi lòng biết ơn sâu sắc tới giáo sư, tiến sĩ khoa học Lê Huy Bá, Đại học 
quốc gia Tp. Hồ Chí Minh, tiến sĩ Lê Văn Thăng, Đại học Khoa học Huế, phó giáo sư, tiến 
sĩ Huỳnh Thị Minh Hằng, Viện môi trường và tài nguyên, Đại học quốc gia Tp. Hồ Chí 
Minh, đã thể hiện sự quan tâm sâu sắc tới môn học này và đã mời tác giả tham gia giảng dạy 
cho sinh viên chuyên ngành môi trường. Tác giả cũng xin cám ơn ý kiến phản biện quí báu 
của Hội đồng xét duyết đã giúp tác giả có sự điều chỉnh cho phù hợp với mục tiêu của một 
giáo trình. 
Tác giả cũng gửi lời cảm ơn chân thành đến tiến sĩ Lê Thị Quỳnh Hà, Viện Môi 
trường và Tài nguyên, Đại học quốc gia Tp. Hồ Chí Minh cùng các thành viên khác của 
nhóm ENVIM đã nhiệt tình giúp đỡ về tài liệu cũng như tinh thần rất quí báu trong suốt 
thời gian hoàn thành cuốn sách này. 
Cuối cùng tác giả xin cám ơn các học trò của mình đã tham gia rất nhiệt tình phần xử 
lý số liệu, nhập số liệu cũng như kiểm tra phần mềm, cùng nhiều hỗ trợ khác để nâng cao 
giá trị về mặt thực tiễn cho tài liệu này. 
iv
LỜI NÓI ĐẦU 
 Không thể giải quyết tốt vấn đề môi trường hiện nay mà không có thông tin 
môi trường. Hàng trăm ngàn xí nghiệp, hàng chục ngàn ống khói và các cống xả 
nước thải, hàng triệu tấn rác thải vào môi trường, hàng tỷ đô la hàng năm được đổ 
ra để xử lý, khắc phục tình trạng ô nhiễm – tất cả đó là những dòng thông tin khổng 
lồ cần phải đánh giá, xử lý, thực hiện các kết luận cần thiết và thông qua những 
quyết định đúng đắn. 
Một chuyên gia môi trường hiện nay cần phải biết thông qua những quyết 
định có cơ sở. Để làm tốt công việc này bên cạnh các kiến thức truyền thống như 
cơ sở khoa học môi trường, sinh thái, quản lý môi trường, đánh giá tác động môi 
trường người kỹ sư môi trường phải nắm vững các kỹ năng tìm kiếm, khai thác 
thông tin và biết cách xây dựng các Hệ thống thông tin môi trường. 
Ngày nay xử lý thông tin môi trường đã trở thành một hướng khoa học kỹ 
thuật độc lập với sự đa dạng các ý tưởng và phương pháp. Nhiều module riêng rẽ 
của quá trình xử lý thông tin môi trường đã đạt được mức độ cao trong tổ chức và 
gắn kết cho phép kết hợp tất cả các phương tiện xử lý thông tin trên một đối tượng 
môi trường cụ thể bằng khái niệm “Hệ thống thông tin môi trường” (Environmental 
Information System – EIS). Việc nghiên cứu chi tiết EIS dựa trên các khái niệm 
“thông tin”, “thông tin môi trường” và “hệ thống thông tin môi trường” mà chúng ta 
sẽ làm quen trong giáo trình này. 
Tại Việt Nam một trong những hạn chế chính trong xây dựng các chính 
sách, ra các quyết định về môi trường ở Việt Nam đó là thiếu thông tin/dữ liệu môi 
trường tin cậy hoặc thông tin được cung cấp chưa kịp thời, chưa được xử lý thích 
hợp. Tất cả những điều này đã làm cho thấy các công trình nghiên cứu ứng dụng 
công nghệ thông tin, xây dựng các cơ sở dữ liệu môi trường trở nên cấp thiết. 
Việc giải quyết các nhiệm vụ được đặt ra sẽ trở nên dễ dàng hơn nếu 
chúng ta làm tốt công tác đào tạo sinh viên môi trường. Làm sao giúp cho sinh viên 
hiểu và biết cách ứng dụng công nghệ thông tin trong công việc của mình và xa 
hơn nữa cần hình thành Bộ môn Tin học môi trường. Đây là một vấn đề đang được 
nhiều Trường Đại học trong cả nước quan tâm. Hiện nay rất thiếu tài liệu hay giáo 
trình nào về lĩnh vực này bằng tiếng Việt, có chăng chỉ là một số bài báo khoa học, 
đề tài nghiên cứu của một số thầy từ các Trung tâm khoa học khác nhau trong cả 
nước. Các tài liệu này rất khó tiếp cận đối với sinh viên đại học, bên cạnh tính hàn 
lâm và rời rạc đặc thù không thích hợp với công tác đào tạo. 
Trước thực tế trên, sau một thời gian tham gia giảng dạy cho sinh viên 
chuyên ngành Môi trường của Đại học khoa học Huế, Đại học dân lập kỹ thuật 
công nghệ Tp. Hồ Chí Minh, cũng như cho học viên cao học thuộc Viện môi trường 
và tài nguyên, Đại học quốc gia Tp. Hồ Chí Minh tác giả biên soạn giáo trình này 
với mục tiêu giúp cho sinh viên nắm được một số khái niệm cũng như phương 
pháp xây dựng các hệ thống thông tin môi trường. 
Cuốn sách này có 3 phần, 9 chương được xây dựng như sau. Phần thứ 
nhất là phần căn bản gồm 3 chương. Chương 1 trình bày một ngắn gọn những 
khái niệm và định nghĩa cơ bản của Hệ thống thông tin. Chương 2 trình bày một 
trong những khái niệm quan trọng của giáo trình này đó là thông tin môi trường, 
xem xét nó như một phần tài nguyên thông tin nói chung. Trong chương này cũng 
v
trình bày một số vấn đề cơ bản của ngành tin học môi trường, đưa ra một loạt các 
định nghĩa cơ bản cần thiết cho những phần trình bày tiếp theo nêu lên tầm quan 
trọng của thông tin nói chung và thông tin môi trường nói riêng trong quá trình 
thông qua quyết định. Bên cạnh đó trong chương này hướng sự chú ý thông tin 
môi trường đặc trưng, rất cần thiết cho ứng dụng. Chương 3 giúp người đọc nắm 
được các giai đoạn chính làm việc với thông tin môi trường: quá trình thu thập, xử 
lý, lưu trữ, chuyển giao và phổ biến chúng. Đây là những kiến thức cần thiết đê 
thực hiện một dự án liên quan tới công nghệ thông tin ứng dụng trong quản lý môi 
trường cần thiết phải thực hiện một số công đoạn nhất định. 
Phần thứ hai gồm 3 chương. Chương 4 trình bày những nội dung chính về 
hệ thống thông tin môi trường. Trong chương này trình bày định nghĩa, cấu trúc 
của một hệ thống thông tin môi trường cùng những nguyên lý xây dựng hệ thống 
thông tin môi trường. Bên cạnh đó trong chương này còn đưa ra khái niệm hệ 
thống thông tin – mô hình môi trường như một sự mở rộng cần thiết của hệ thống 
thông tin môi trường. Chương 5 xem xét một số cơ sở lý luận để xây dựng một hệ 
thống thông tin môi trường cấp tỉnh thành cho Việt Nam. Bên cạnh cơ sở lý luận, 
trong chương này trình bày một số kết quả triển khai thực tiễn trong điều kiện Việt 
Nam. Chương 6 trình bày một số mô hình mẫu lan truyền chất trong môi trường. 
Đây là những mô hình đã được nhiều Trung tâm khoa học lớn trên thế giới nghiên 
cứu trong nhiều năm qua. Những kiến thức trong chương này giúp sinh viên giải 
quyết một số bài toán ứng dụng trong thực tế. 
Phần thứ ba gồm 3 chương. Chương 7 trình bày phương pháp xây dựng 
các hệ thống thông tin môi trường cụ thể. Các hệ thống thông tin môi trường được 
trình bày trong chương này được xây dựng dựa trên phương pháp tích hợp GIS, 
CSDL môi trường và mô hình. Kết quả nhận được là các phần mềm cụ thể giúp 
công tác thông qua quyết định trong quản lý môi trường trong lĩnh vực tương ứng. 
Chương 8 trình bày phần mềm tính toán lan truyền chất trong môi trường không 
khí. Các phần mềm này có mục tiêu giúp sinh viên tính toán nhanh ảnh hưởng các 
ống khói lên môi trường xung quanh. Chương 9 trình bày các phần mềm ứng dụng 
ENVIMAP, ENVIMWQ, ECOMAP. Các phần mềm này giúp sinh viên không chỉ 
quản lý các đối tượng môi trường quan trọng như cơ sở sản xuất, ống khói, cống 
xả, các vị trí quan trắc, mà còn trợ giúp tính toán mô phỏng ảnh hưởng của các 
đối tượng này lên môi trường xung quanh. Với việc ứng dụng công nghệ hệ thống 
thông tin địa lý (GIS), các phần mềm này giúp người dùng một công cụ trực quan 
để quản lý và phân tích môi trường. 
Cuốn sách được viết như một giáo trình. Sau mỗi chương là phần các câu 
hỏi, bài tập, một số chủ đề viết tiểu luận và danh mục các tài liệu tham khảo. Giáo 
trình được giảng cho sinh viên môi trường ngành kỹ thuật hay khoa học tự nhiên 
với thời lượng là 45 tiết lý thuyết và 30 tiết thực hành. Với sinh viên môi trường các 
ngành khoa học xã hội và nhân văn có thể áp dụng với 30 tiết lý thuyết và 15 tiết 
thực hành. Tương ứng với thời lượng này là phần 1 và phần 2 cũng như chương 9 
của phần 3 trong giáo trình này. 
Giáo trình này hướng tới đối tượng sinh viên năm chuyên ngành môi trường 
hay một số ngành có liên quan tại các trường Đại học. Bên cạnh đó giáo trình này 
cũng có ích cho học viên trên đại học cũng như giảng viên, nghiên cứu viên thuộc 
các Cơ sở đào tạo và nghiên cứu trong nước. 
Sau lần đầu tiên biên soạn tài liệu giảng dạy môn học này vào năm 2003 và 
2004, lần này tác giả đã có một số điều chỉnh và bổ sung cho phù hợp với thực 
vi
tiễn. Dù có nhiều cố gắng nhưng chắc chắn giáo trình này vẫn không thể tránh khỏi 
những tồn tại và hạn chế. Tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý 
đồng nghiệp cũng như bạn đọc gần xa có quan tâm tới ứng dụng công nghệ thông 
tin trong quản lý môi trường cũng như trong nghiên cứu môi trường. Góp ý xin gửi 
về địa chỉ buita@hcmc.netnam.vn hoặc theo địa chỉ trên trang Web: 
www.envim.com.vn. 
 Tp. Hồ Chí Minh 1/2006 
 Tác giả: TSKH. Bùi Tá Long. 
vii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 
HTTT Hệ thống tính toán 
EIS Environmental Information System – Hệ thống Thông tin môi 
trường 
HTTTMT Hệ thống Thông tin môi trường 
GIS Geographic Information System – Hệ thống thông tin địa lý 
CNTT Công nghệ thông tin 
HTTTTĐ Hệ thống thông tin tự động 
HTQTMTQG Hệ thống quan trắc môi trường cấp quốc gia 
CSDLKG Cơ sở dữ liệu không gian 
CAP Computation for Air Pollution – phần phềm tính toán ô nhiễm 
không khí 
ENVIM ENVironmental Information Management software – phần mềm 
quản lý môi trường 
ENVIMNT ENViroment Information Management software for Ninh Thuan 
(Phần mềm hỗ trợ quản lý và giám sát môi trường tỉnh Ninh Thuận) 
ECOMAP 
Mapping and computing for Air Pollution software for central 
EConomic key regiOn – Vẽ và tính toán ô nhiễm không khí cho các 
tỉnh thuộc vùng kinh tế trọng điểm Miền Trung. 
ENVIMWQ ENVironmental Information Management and Water Quality 
simulation – Phần mềm quản lý và mô phỏng chất lượng nước 
ENVIMAP ENVironmental Information Management and Air Pollution 
estimation – Phần mềm quản lý và đánh giá ô nhiễm không khí 
KCN Khu công nghiệp 
TCCP Tiêu chuẩn cho phép 
CSDL Cơ sở dữ liệu 
 CSSX Cơ sở sản xuất 
viii
DANH MỤC 
LỜI CÁM ƠN .......................................................................................................................iii 
LỜI NÓI ĐẦU.......................................................................................................................iv 
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .................................................................................vii 
PHẦN THỨ NHẤT ...............................................................................................................1 
CHƯƠNG 1 HỆ THỐNG THÔNG TIN......................................................................1 
1.1 Các khái niệm và định nghĩa cơ bản................................................................1 
1.2 Các thành phần của công nghệ thông tin .........................................................2 
1.3 Phân loại công nghệ thông tin .........................................................................4 
1.4 Các giai đoạn phát triển của hệ thống thông tin ..............................................6 
Câu hỏi và bài tập ................................................................................................................6 
Tài liệu tham khảo ...............................................................................................................6 
CHƯƠNG 2 THÔNG TIN MÔI TRƯỜNG NHƯ MỘT PHẦN TÀI NGUYÊN 
THÔNG TIN CỦA XÃ HỘI .................................................................................................7 
2.1 Thông tin và thông tin môi trường...................................................................7 
2.2 Vai trò của thông tin trong quản lí nói chung và quản lí môi trường nói riêng
 9 
2.3 Sự sản sinh ra thông tin môi trường...............................................................11 
2.3.1 Mở rộng kiến thức.................................................................................................... 11 
2.3.2 Quan trắc môi trường ............................................................................................... 14 
2.4 Đối tượng nghiên cứu của thông tin môi trường ...........................................16 
2.5 Sự phân loại thông tin môi trường.................................................................18 
2.6 Các cơ quan thu thập thông tin môi trường trên ví dụ Tp. Hồ Chí Minh ......24 
2.7 Một số ấn phẩm chứa đựng thông tin môi trường tại Việt Nam....................26 
2.8 Thông tin về các vấn đề môi trường đặc trưng..............................................27 
2.8.1 Chất lượng nước, không khí, đất.............................................................................. 28 
2.8.2 Thông tin về các xí nghiệp gây ô nhiễm .................................................................. 29 
2.8.3 Thông tin về cơ sở sản xuất - các dạng chính của báo cáo môi trường................... 30 
2.8.4 Sức khoẻ của nhân dân............................................................................................. 33 
Câu hỏi và bài tập ..............................................................................................................34 
Tài liệu tham khảo .............................................................................................................35 
CHƯƠNG 3 CÁC GIAI ĐOẠN LÀM VIỆC VỚI THÔNG TIN MÔI TRƯỜNG
 36 
3.1 Xác định mục đích và nội dung công việc.....................................................37 
3.2 Thu thập thông tin..........................................................................................38 
3.3 Đánh giá nguồn thông tin ........................................................................... ... sinh thái diễn ra. Ví dụ khá 
điển hình trong trường hợp này là sự thích nghi dinh dưỡng. Chúng ta cùng nhau giải thích 
hiện tượng này. Sự có mặt trong nước của hồ các phần tử sống ở trong trạng thái hòa tan – các 
hợp chất nitơ, phốtpho, sắt và một loạt các phần tử khác – là các chất cần thiết cho sự phát 
triển của tảo. Tảo sử dụng năng lượng mặt trời và các chất sinh học để xây dựng các phân tử 
protit thực vật. Trong các hồ nghèo các chất sinh học, mật độ tảo không cao, và do đó mật độ 
của các dạng sinh học lấy tảo làm thức ăn (động vật nổi, các loài cá ăn sinh vật nổi). Mật độ 
cá ăn thịt cũng ít. Các loại hồ nước dạng như vậy người ta gọi là ngèo dinh dưỡng, ví dụ điển 
hình thuộc loại này là hồ trên núi. 
Nếu nồng độ các chất sinh học trong nước tăng lên thì mật độ tảo bắt đầu tăng lên, 
dạng của chúng cũng thay đổi theo. Với nồng độ các phần tử sinh học lớn mật độ tảo trở nên 
rất lớn, hồ trở nên “có màu thay đổi”. Với sự thối rữa của tảo liên quan tới một phần lớn oxy 
hòa tan trong nước. Hồ trở nên “giàu chất sống hơn”, thành phần dạng của hệ sinh thái thay 
đổi. Quá trình dinh dưỡng thích hợp của các hồ nước với sự tăng nồng độ các phần tử sinh 
134
vật trong chúng cũng diễn ra gần tương tự như vậy. Các hồ nước như vậy gọi là các hồ thích 
nghi dinh dưỡng. 
Sự thay đổi định tính vừa xét ở trên xuất hiện trong thế giới sinh vật của các hệ sinh 
thái thiên nhiên phản ứng lại những thay đổi trong thế giới vô sinh là các ví dụ của hiện tượng 
diễn thế ngoại sinh. Thực chất của hiện tượng này giải thích như sau. Mỗi trạng thái của thế 
giới vô sinh, như ánh sáng, nhiệt độ và các chế độ thủy văn, nồng độ các chất hóa học trong 
thế giới tự nhiên và các tham số khác tương ứng với một trạng thái gần cân bằng (trạng thái 
cực đỉnh) của thế giới sinh vật của hệ sinh thái, được đặc trưng bởi thành phần xác định và 
các mật độ xác định (hay với số lượng xác định) của các dạng sinh vật trong một hệ sinh thái. 
Với sự thay đổi của môi trường vô sinh (ví dụ như sự thay đổi trường nồng độ của một vài 
chất nào đó), trạng thái cực đỉnh trước đây sẽ thay đổi. Bắt đầu quá trình thay đổi đến một 
trạng thái cân bằng mới tương ứng với trạng thái mới của môi trường vô sinh. Qúa trình này 
gọi là quá trình diễn thế ngoại sinh. 
Bây giờ chúng ta có thể phát biểu bài toán dự báo môi trường liên quan tới kế hoạch 
xây dựng nhà máy tại khu vực R. Bài toán này bao gồm hai phần: 
Xác định nồng độ của các chất bẩn: q = (qIB, qIP, qIA, qIIB, qIIP,qIIA) 
Theo trường nồng độ q đã tìm xác định trạng thái cân bằng mới Y của thế giới sinh vật 
trong hệ sinh thái, nghĩa là mô tả thành phần dạng và mật độ (số lượng) của dạng đại diện 
trong hệ sinh thái cực đỉnh mới. 
Chúng ta mô tả ở phần trên bài toán dự báo môi trường cụ thể chỉ theo kế hoạch 
nghiên cứu khoa học kỹ thuật. Như vậy, dự báo có thể được sử dụng trong thực tế chỉ với mục 
đích thông qua quyết định đối với việc xây dựng một xí nghiệp cụ thể ? Chúng ta xét một 
trong số các phương án thông qua các quyết định. Giả sử rằng trong thẩm quyền của chúng ta 
có một tiêu chuẩn Q nào đó cho phép đánh giá lợi ích hoạt động của xí nghiệp cũng như mức 
độ thích hợp, có lợi của một trạng thái của hệ sinh thái so với trạng thái khác. Giả sử Qp – là 
mức độ lợi ích của xí nghiệp đang được thiết kế. Mức độ phát thải đã được định mức trước là 
V = (a,b) xác định trường nồng độ các chất bẩn trong môi trường thiên nhiên, trường nồng độ 
này ứng với một trạng thái cực đỉnh mới Y của thế giới sinh vật của hệ sinh thái khác với 
trạng thái ban đầu Y0; khi đó [Q(Y) - Q(Y0)] – là số gia mức độ lợi ích trạng thái của hệ sinh 
thái. Qui tắc thông qua quyết định trong trường hợp này sẽ như sau: nếu tổng lợi ích Q = [Qp 
+ Q(Y) - Q(Y0)] dương (Q > 0), thì quyết định xây dựng xí nghiệp sẽ được thông qua, nếu giá 
trị này âm (Q < 0), thì quyết định xây dựng xí nghiệp sẽ không được thông qua. Sơ đồ này 
được xây dựng trên một quá trình (linh cảm) so sánh các lợi ích của việc xây dựng xí nghiệp 
với các chi phí theo nghĩa thay đổi tình trạng môi trường. 
Ta có thể lưu ý rằng tiêu chuẩn Q được xác định không chỉ bằng các lợi ích kinh tế. 
Khi soạn thảo các tiêu chuẩn người ta còn lưu ý đến các yếu tố xã hội, chính trị hay thẩm mỹ. 
Như vậy, việc giải bài toán điển hình của chúng ta trong việc dự báo môi trường có thể 
trình bày trên Hình 6.8. 
135
Hình 6.8. Bài toán dự báo môi trường với lợi ích kinh tế 
6.4.2 Xây dựng mô hình toán mô tả một số hệ sinh thái 
Như đã biết, các phương pháp hiện đại dự báo sự phát triển của các hệ sinh thái trong 
điều kiện có sự tác động mạnh mẽ của con người dựa trên cơ sở ứng dụng các mô hình toán 
sinh thái khác nhau và trên cơ sở tiến hành các tính toán mô phỏng trên các mô hình này. 
Mô hình là sự mô tả trừu tượng hiện tượng này hay hiện tượng khác của thế giới thực 
cho phép dự báo hiện tượng này. Mô hình toán học mô tả hiện tượng thực bằng các phương 
tiện toán học như hệ phương trình vi phân, đồ thị, hệ các phương trình sai phân  Mô hình 
toán học trong lĩnh vực môi trường sinh thái phát triển mạnh mẽ trong thời gian qua. Việc sử 
dụng mô hình toán học để mô tả sự phát triển và dự báo tình trạng môi trường đã mang lại 
những hiệu quả to lớn. Bắt đầu từ năm 1926, Volterra đã ứng dụng công cụ toán học nhằm 
làm sáng tỏ mối quan hệ giữa hai loài cạnh tranh đến nay số lượng các mô hình lên tới hàng 
trăm và đang tiếp tục phát triển. Các mô hình này mô tả động lực học của các quá trình khác 
nhau với sự tham gia của nhiều tham số và với độ chính xác khác nhau dự báo sự thay đổi của 
chúng. 
Hệ sinh thái là tổ hợp của một quần xã sinh vật với môi trường vật lý mà quần xã đó 
tồn tại, trong đó các sinh vật tương tác với nhau và với môi trường để tạo nên chu trình vật 
chất và sự chuyển hóa của năng lượng. 
Hệ sinh thái được nghiên cứu từ lâu và vì vậy, khái niệm này đã ra đời ở cuối thế kỷ 
XIX dưới cái tên khác nhau như “Sinh vật quần lạc”, sau này được mở rộng thành khái niệm 
“sinh vật địa quần lạc” (biogeocenose) vào năm 1944. Từ “hệ sinh thái” (ecosystem) được A. 
Tansley nêu ra vào năm 1935 và trở thành phổ biến, được sử dụng rộng rãi nhất vì nó không 
chỉ bao hàm các hệ sinh thái tự nhiên mà cả các hệ sinh thái nhân tạo. Hệ sinh thái luôn là một 
hệ động lực mở, bởi vì trong quá trình tồn tại và phát triển, hệ phải tiếp nhận cả nguồn vật 
chất và năng lượng từ môi trường. 
Các dạng vật chất của một hệ sinh thái ứng với một điều kiện nhất định được gọi là 
một trạng thái của hệ và gọi là biến trạng thái (State variables). Các yếu tố bên ngoài có ảnh 
hưởng tác động đến các biến trạng thái được gọi là các biến ngoại sinh (exogenous variables) 
136
như mưa, nắng, gió, nhiệt độ, áp suất  . Các yếu tố do con người đưa vào để điều khiển sự 
biến động của hệ được gọi là biến điều khiển (decision variables). Các trạng thái khi mà thời 
gian biến đổi nó vẫn giữ nguyên được gọi là trạng thái bền vững (Steady state). 
Trong nghiên cứu các hệ sinh học người ta đặc biệt quan tâm tới việc đi tìm phương 
pháp giải thích sự biến đổi trạng thái của hệ và sự dẫn tới các trạng thái bền vững. Một số vấn 
đề cần quan tâm ở đây khi nghiên cứu hệ như: cỡ của hệ (tức là độ lớn của hệ như chiều dài, 
độ cao, ), thời gian tồn tại của hệ (tuổi thọ), khả năng phát triển (sinh sản, chết chóc), sự tổn 
thất đối với hệ (như bệnh tật, thiên tai)  Công việc thiết lập các mối liên hệ nào đó trong 
một hệ được gọi là mô hình hóa hệ sinh thái. Lưu ý rằng, một hệ có thể có nhiều loại đối 
tượng như quần thể, loài, cá thể . Để xây dựng được mô hình cho một hệ sinh thái cần thiết 
đến các kiến thức về môi trường, phương trình vi phân, tích phân, xác suất thống kê, lý thuyết 
tối ưu. 
6.4.2.1 Tốc độ dòng 
Một hệ sinh thái S gồm các thành phần (biến trạng thái) ký hiệu là Si . Khi đó có thể 
biểu diễn dưới dạng 1 vec tơ như sau: S = (S1, S2,  , Sn). n gọi là chiều của hệ sinh thái. Với 
n =1, S được gọi là hệ 1 chiều, n ≥ 2 , S được gọi là hệ nhiều chiều. Ngoài các thành phần là 
biến trạng thái ra hệ còn có các biến ngoại sinh và biến điều khiển ảnh hưởng đến các biến 
trạng thái. 
Ví dụ: Hệ sinh thái nước 
Hình 6.9. Sơ đồ hệ sinh thái nước 
Định nghĩa. 1. Dòng dịch chuyển vật chất từ trạng thái này đến trạng thái khác 
của hệ trong một đơn vị thời gian được gọi là tốc độ dòng giữa 2 trạng thái. 
Ký hiệu J(i,j) là tốc độ dòng từ trạng thái i đến trạng thái j. Ví dụ dưới đây là ví dụ của 
hệ thú mồi. 
Dinh dưỡng trong nước (S1)
Thực vật nổi (S2)
Động vật nổi (S3)
Động vật đáy (S4)
Cá (S5)
Mưa, gió, nhiệt độ, bức 
xạï, áp suất, không khí 
Chế độ đánh bắt cá và bổ 
sung dinh dưỡng 
137
Hình 6.10 Sơ đồ thú mồi 
Nếu quần thể chỉ có sinh, không chết, các điều kiện môi trường là dừng (trong một 
khoảng thời gian nào đó) thì 
1)1,1( rSJ ≡ 
trong đó r – là tốc độ sinh sản của một cá thể. Nếu quần thể có sự hạn chế bão hòa 
của môi trường là K thì Verhulst đã đề xuất công thức: 
1
1)1,1( S
K
SKrJ ⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛ −≡ 
trong đó K – là mức bão hòa. 
Dựa vào qui luật biến đổi các quần thể trong điều kiện có sự cạnh tranh giữa hai loài 
quần thể Volterra và các nhà nghiên cứu sau ông đã thiết lập: 
211)2,1( SSaJ ≡ 
22)2,2( SrJ ≡ 
6.4.2.2 Tốc độ biến đổi 
Định nghĩa 2. Tốc độ biến đổi của một biến trạng thái i của hệ bằng tổng tất cả các 
hiệu quả thực sự của các dòng vật chất đối với biến đó trong một đơn vị thời gian. Nói một 
cách khác là bằng tổng tất cả các dòng vật chất đi vào trừ đi tổng tất cả các dòng vật chất đi ra 
từ biến i trong 1 đơn vị thời gian. 
Ký hiệu tốc độ biến đổi của một biến trạng thái i là Fi . Khi đó 
Mồi S1 Thú S2 
J(1,1) J(2,2) 
J(1,2) 
∑ ∑−=
= ≠
N
j ij
iji jiJijJF
1 '
)',(),(α
138
Trong đó N – là số các biến trạng thái của hệ, trong đó αji - là tỷ lệ chuyển hóa vật 
chất từ j vào I (j=1,2,, N). 
Ví dụ trong trường hợp hệ sinh thái gồm hai loài quần thể cạnh tranh nhau ta có 
6.4.2.3 Phương trình dự báo 
Phương trình 
Được gọi là phương trình dự báo trạng thái (Si (t)) 
Ví dụ như hệ thú – mồi ta có hệ phương trình Volterra – Lotka: (trong ví dụ này ta ký 
hiệu lại S1 được thay bằng N, S2 được thay bằng P) 
- N – mật độ con mồi, t: thời gian, r1- hệ số sinh trưởng tiềm năng của con mồi khi 
không có vật ăn thịt; P – mật độ vật ăn thịt, t: thời gian, r2- hệ số chết tiềm năng của vật 
ăn thịt khi không có con mồi. 
- K1 : Hệ số thể hiện mức giảm sự phát triển của quần thể con mồi do một cá thể 
vật ăn thịt; 
- K2 : Hệ số thể hiện mức tăng sự phát triển của quần thể vật ăn thịt theo một 
đơn vị (hoặc sinh khối) con mồi; 
- Các điều kiện ban đầu là số lượng mồi và thú tại thời điểm ban đầu: N(0) = N0, 
P(0) = P0 . Dưới đây ta gọi bài toán này là bài toán A. 
6.4.2.4 Mô hình hệ sinh thái nước: 
Vào năm 1971, Ditoro có đưa ra mô hình hệ sinh thái nước với 3 biến trạng thái là 
dinh dưỡng (S1), thực vật nổi (S2) và động vật nổi (S3). Sơ đồ dòng thông tin và các tốc độ 
dòng được thể hiện trên Hình 6.11. 
211111 )2,1()1,1( QQaQrJJF −=−=
21222122 )2,2()2,1( QQaQrJJF +=+= α
).(tF
dt
dS
i
i =
NPKr
dt
dN )( 11 −=
PrNK
dt
dP )( 22 −=
(1) 
139
Hình 6.11. Sơ đồ hệ sinh thái nước với các tốc độ dòng chuyển hóa vật chất 
Việc xác định các tốc độ dòng đã được Diroto thực hiện như sau: 
- Động vật nổi không hút dinh dưỡng trực tiếp mà qua thực vật nổi: J(1,3)=0; 
- Thực vật nổi không ăn động vật nổi nên J(3,2)=0 
- Động vật nổi ăn thức qua sự lọc bởi thực vật nổi nên xem nó là vật chủ, thực vật là vật 
mồi và do đó thỏa phương trình Volterra J(2,3)=
V
Cg S2S3 trong đó Cg là tốc độ lọc của 
mỗi cá thể; V: thể tích; 
- J(1,2) là tốc độ tiêu thụ dinh dưỡng của thực vật nổi phụ thuộc vào một số biến ngoại 
sinh như: nhiệt độ, bức xạ, tổng số dinh dưỡng S1. 
M
SK
SSKaXGXGJ SSTT
11
2111).()()2,1( += 
GT(XT) và GS(XS) – là các hàm số lưu ý tới sự ảnh hưởng của nhiệt độ XT và bức xạ 
XS. M: tốc độ tăng trưởng cực đại; K1: là hệ số bán bão hòa giữa thực vật nổi và dinh dưỡng; 
a1:hệ số kinh nghiệm; 
- J(2,1) là tốc độ tái sinh dinh dưỡng qua thực vật nổi bài tiết và chết, nó phụ thuộc vào 
thời tiết và số lượng thực vật nổi: ( )TpT XGSJ 2)1,2( = 
- J(3,1) là tốc độ tái sinh dinh dưỡng qua động vật nổi , tức là do sự thối rữa của 
động vật nổi, và phần dinh dưỡng qua thực vật đến với động vật nổi, sau khi 
dùng không hết lại trở về với dinh dưỡng. 
140
32
22
22
2333)1,3( SSSK
KaaSKJ ⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡
+−+= α 
K3, α23 , a, a2 - là các hệ số thực nghiệm. 
Dựa trên định luật cân bằng Ditoro đã xây dựng phương trình dự báo như sau: 
MXGXG
SK
SSKa
SS
SK
KaaSKXGS
V
SqvqDF
dt
dS
SSTT
T
p
T
)()(
)()(
11
2111
32
22
22
233331221
1
11
1
+−
+⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡
⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛
+−+++−== ααα
322
11
2111
12
2
22
2 )()()( SaSXGaXGXMG
SK
SSKa
V
SqqCF
dt
dS
T
p
TssTT −−++−== α
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡
⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛
+−+−+−== 3222
22
23333223
3
33
3 SS
SK
KaaSKSaS
V
SqqCF
dt
dS αα
Các hệ số thực nghiệm được xác định dựa trên các nghiên cứu thí nghiệm thực tế. Hệ 
phương trình trên cùng với điều kiện ban đầu S1(0) = S1 , S2(0) = S2 , S3(0) = S3 tạo thành bài 
toán Cauchy. Tiếp theo đây ta sẽ gọi bài toán này là bài toán B. 
Để giải số bài toán A và B người ta xây dựng nhiều giải thuật khác nhau dựa trên giải 
số bài toán Cauchy cho hệ phương trình vi phân thường. Một trong những thuật toán thường 
được áp dụng là thuật toán Runge – Kutta. 
 Câu hỏi và bài tập 
1. Mô hình là gì và vì sao cần thiết phải xây dựng và ứng dụng mô hình. 
2. Trình bày các khái niệm phát tán, lan truyền, khuếch tán, lắng đọng trong bài toán mô 
hình lan truyền chất trong môi trường không khí. 
3. Hãy trình bày bốn phạm vi không gian – thời gian của đối tượng cần mô hình hóa 
trong nghiên cứu môi trường. 
4. Hãy trình bày công thức Berliand cho trường hợp khí và bụi nhẹ. Làm rõ các giả thiết 
để nhận được công thức này cũng như ý nghĩa các tham số tham gia vào công thức 
Berliand. 
5. Hãy trình bày công thức Berliand cho trường hợp bụi nặng. Nêu rõ ý nghĩa các tham 
số tham gia vào công thức Berliand. 
6. Hãy trình bày công thức Gauss cho nguồn liên tục. Làm rõ các điều kiện để nhận được 
công thức Gauss. 
7. Thế nào là nguồn vùng. 
8. Hãy trình bày mô hình Hanna – Gifford cho nguồn vùng. 
9. Hãy trình bày mô hình Paal cho nguồn điểm nằm trên bờ phải của sông. 
141
10. Tốc độ dòng là gì? 
11. Hãy trình bày phương trình Lotka – Volterra. 
Tài liệu tham khảo 
1. Falcovskya và các cộng sự, 1982. Cơ sở dự báo chất lượng nước mặt. Nhà xuất bản 
Khoa học, Matxcơva. 181 trang. 
2. Lê Thị Quỳnh Hà và các cộng sự, 2000. Mô hình hóa quá trình hình thành chất lượng 
nước sông Đồng Nai.// Đề tài nhánh của đề tài KH.07.17 “Xây dựng một số cơ sở 
khoa học phục vụ cho việc quản lý thống nhất và tổng hợp chất lượng môi trường 
nước lưu vực sông Đồng Nai”. 75 trang. 
3. Phạm Ngọc Đăng, 1997. Môi trường không khí. Nhà xuất bản khoa học và Kỹ thuật, 
Hà Nội. 371 trang. 
4. Trần Ngọc Chấn, 2000. Ô nhiễm môi trường không khí và xử lý khí thải. Tập 1, Nhà 
xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. 214 tr. 
5. Chu Đức, 2001. Mô hình toán các hệ thống sinh thái. Nhà xuất bản Đại học quốc gia 
Hà Nội. 204 trang.