环境系统分析环境问题的模型化.ppt

灵敏度分析：模型参数变动时造 成的影响。首先变动一个参数， 其余参数保持不变，然后检查目 标函数的变化程度，若变化不大，
二、环境系统现象模型推导基本 原理
所谓现象模型我们指的是环 境现象的物理模型（客观），而 不是经验模型（非物理模型）。 为了建立环境系统的现象模型， 需要以下两方面的知识：
①作为输送污染物的介质（如水、
所得的平
流体的动量
运动方程式 v~ x、
y、z、t
流体的质量 连续性方程式 ρ~ x、 y、z、t
（场：速度场、密度场、浓度场、温 度场等）
以上方程式是我们研究污染物 在大气和水体中迁移转化规律时的 基本方程式。
三、环境系统现象模型的建立（ B、 D、φ的方程）
在研究环境系统中污染物 的时空分布时，除上述的一些方 程式以外，还必须收集到有关污 染源产生强度以及污染物在输送 过程中所发生变化（如生物化学 反应等）的速率等信息，为此， 就需要建立污染源模型（ B）和
（1）流动特性的简化， a．弥散扩散方程式
b．湍流扩散方程的降维
经简化后的式（ 2-4）仍是 一个关于 x、y、z、t四个独立变 量的偏微分方程，求解需知道 v 和E在x、y、z方向上的分量，取 得这些数据是很困难的，所以在 实际应用中一般不直接采用三维 扩散方程，而是根据不同的目的， 不同的环境条件，针对不同的流 体混合特点，对三维湍流扩散方
它是建立在对环境系统进行 反复的观察研究，通过实验或现场 监测取得了大量的有关信息和数据， 进而对所研究的系统行为动态、过 程本质和变化规律有了较深刻认识 的基础上，经过简化和数学演绎而
应用 在环境问题中的应用分三类： A、环境规划和管理中的应用 如：制定环境质量标准和排放标准。
确定减少排放污染物的数量。 对不同治理方案的经济性，有效性的分析。
利用以上两方面信息，根据 物质和能量的守恒原理，对某一污 染物在流体介质中的浓度、流体的 质量、动量或热量进行衡算，即用 下列基本法则建立数学表达式：
积蓄量 =（流入量－流出量） +（产生量
在对象系统的介质流体中，取 一均匀的微小单元△ V，并设系统 的状态变量为φ（φ可以是流体的 动量、流体的质量、流体中污染物 浓度、流体温度、热量等）由（ 2-1） 可得：
d．数理统计和分析的理论
对属于“黑箱”但又不能进 行实验的系统，采用数理统计和分
4、数学模型分类
a．按模型变量的随机性分： ? 确定性模型：输入、输出均确定 ? 非确定性模型：输入是随机的，解
是不稳定的，不具有唯一性。 b．按随时间变化规律分： ? 稳态模型：系统内物质量不随时间
而变
c. 按空间维数分： ? 一维模型，仅一个方向上有梯度。 ? 二维模型，二个方向上有梯度。 ? 三维模型，三个方向上有梯
连续模拟（ 用状态连续变化 的模型）
模拟
离散模拟（ 用状态不连续变
化的模型， 或将连续模型离散化后进
行离散模拟）
3、数学模型概述（着重于系统问题 的数学模型）
定义：应用数学语言和方法来描述 环境污染过程中的物理，化学，生 物化学，生物生态以及社会等方面 的内在规律和相互关系的数学方程。
建立过程:
系统模型化的基本理论（ 4种）
a．“黑箱”理论 对环境系统内部结构和行为不
清楚，通过实验或现场实测方法得 到系统输入 —输出规律，常用传递 函数来描述系统。
b．“白箱”理论
对环境系统内部结构和行为 已掌握清楚，应用已知的科学知识
c．“灰箱”理论
介于上述两者之间，对系统内 部结构和行为的主要部分清楚，其 他部分不清楚，是“白箱”与“黑 箱”理论相结合的一种方法。
参数估计：如弥散系数 E、生物降 解系数k1、大气复氧系数 k2等的估 值。
参数估计数值准确与否，关系到 模型的实际应用中能否正确模拟 实际情况，是项极其重要的工作。
实际上，水质模拟过程，也就是 对系统模型进行识别，对模型参
模型检验：检验与实际情况的吻 合程度。
原因：①建模时作过一ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ假定。 ②原始数据误差可能使参数估计 产生误差。
度。 d．按物质的输移特性分： ? 平流模型，可忽略扩散项时。 ? 扩散模型，可忽略平流项时。
e．按反应动力学的性质可分为： ? 纯输移模型 ? 纯反应模型 ? 输移及反应模型 ? 生态模型
5. 数学模型的建立步骤（5步）
观测数 据组Ⅰ
模型结 构选择
参数 估计
检验与验 证
模型 应用
图2-2
观测数据组Ⅱ
环境系统分析
第4讲
第二章 环境问题的模型化
一、模型与模拟
1、模型
对真实系统的描述且是一种抽象。
小）
形象模型（放大、缩
模型
表）
抽象模型（符号、图
（如电路 力学系统等 ）
抽象模型（符号、图表 ）
（质点、理 原子结构 ）
（用数学语
2、模拟
模拟模型
系统模拟
概念模型
想气体、
数学模型
言表达）
主要采用计算机模拟，分为两大类。
建立这些方程时的基础信息关系可 参见下图：
此处“状态方程”就是把作 为介质的流体温度、密度、压力等 的热力学关系表示出来，以对温度 在垂直方向的不同来控制密度成层 的形成。
“变化速度式”是把水中的有 机污染物质的分解和沉积，大气中 的光化学反应等由于化学、物理和 生物学的各种原因而形成的发生和
在适当的边界条件和初始条件 下求解式（ 2-3）便可得 Φ在时间上 和空间上的分布信息，但是对于和 V、D、B，一起求解时往往很困难， 既使不考虑 B、D只考虑 V时也不容 易求解，因此，常必须考虑把流动 特性V及变化速度式 D、B按照实用 的目的来进行简化。
△V△φ=（AiJi－A0J0）△t+（B－D） Vt
式中：
△φ—△t时间间隔中单位体积中φ 的增量
（φ）。
Ji 、 J0 ——分别表示单位时间、单 位截面上
流入、流出的φ通量向量 （L3φ/L2T）。
? 式（2-3）中状态变量φ赋予不同意
义时可得下列四种很有用处的平衡 方程式：
φ的意义 衡方程式
B、环境影响评价和环境质量预测中 的应用
如：新、改扩工程的环境影响评价 （污染因子识别，污染程度预测模 式等）。
对城市结构变化、人口增长、 污染物增长、能源结构改变和经济 发展等造成环境质量变化进行预测。
大家学习辛苦了，还是要坚持
继续保持安静
C、污染物治理和给水、排水、水资 源利用等方面应用
如：城市污水处理流程优化、污染 治理最佳运行控制、给排水管网系 统的优化、多目标水资源开发等。