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环境系统分析第4讲主讲:李明俊教授2006.5.8南昌航空工业学院环境系统分析课件2006.4.18.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。形象模型（放大、缩小）模型抽象模型（符号、图表）南昌航空工业学院环境系统分析课件2006.4.18.模拟模型（如电路系统模拟力学系统等）抽象模型（符号、图表）概念模型（质点、理想气体、原子结构）数学模型（用数学语言表达）2、模拟模型建立后，在人为控制的条件下，通过改变特定参数来观察分析模型的响应，预测真实环境条件下实际系统的行为，这一过程称为模拟。南昌航空工业学院环境系统分析课件2006.4.18.主要采用计算机模拟，分为两大类。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）河流水质模型可描述状态的连续变化，但由于监测的不连续性常将问题离散化，进行离散模拟。南昌航空工业学院环境系统分析课件2006.4.18.3、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。南昌航空工业学院环境系统分析课件2006.4.18.建立过程: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得出的一些数学表达关系，这些表达关系描述了环境系统中各变量及其参数间的关系。南昌航空工业学院环境系统分析课件2006.4.18.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。南昌航空工业学院环境系统分析课件2006.4.18.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。南昌航空工业学院环境系统分析课件2006.4.18.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。南昌航空工业学院环境系统分析课件2006.4.18.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进行描述。南昌航空工业学院环境系统分析课件2006.4.18.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。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，采用数理统计和分析的方法建立系统模型的理论和方法。在环境系统预测模型中应用居多。南昌航空工业学院环境系统分析课件2006.4.18.4、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动态模型：系统内的物持量随时间而变。南昌航空工业学院环境系统分析课件2006.4.18.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。平流扩散模型，两项均不可忽略时。南昌航空工业学院环境系统分析课件2006.4.18.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南昌航空工业学院环境系统分析课件2006.4.18.5.数学模型的建立步骤（5步）观测数据组Ⅰ模型结构选择模型应用观测数据组Ⅱ参数估计检验与验证图2-2南昌航空工业学院环境系统分析课件2006.4.18.参数估计：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，对模型参数进行估计，再用实际观测值进行检验、调整的反复试验过程。南昌航空工业学院环境系统分析课件2006.4.18.模型检验：检验与实际情况的吻合程度。原因：①建模时作过一些假定。②原始数据误差可能使参数估计产生误差。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，说明目标函数对这个参数不敏感，对这个参数的估计可不要求很准确，若特别不敏感，说明这个参数在该模型中是多余的，可剔除。南昌航空工业学院环境系统分析课件2006.4.18.二、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、空气等）的流体的流动状态的描述。②在污染物被输送过程中，污染物所发生的质与量的变化的描述。南昌航空工业学院环境系统分析课件2006.4.18.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－消灭量）（式2-1）南昌航空工业学院环境系统分析课件2006.4.18.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：△V△φ=（AiJi－A0J0）△t+（B－D）△V△t(式2-2)南昌航空工业学院环境系统分析课件2006.4.18.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）。Ai、A0——分别表示流入和流出的截面积。（L2）B、D——分别是单位时间、单位体积中φ产生和消灭速率（φ/T）南昌航空工业学院环境系统分析课件2006.4.18.南昌航空工业学院环境系统分析课件2006.4.18.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的意义所得的平衡方程式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流体中污染物浓度扩散方程式c~x、y、z、t流体温度或热量热扩散方程式T~x、y、z、t南昌航空工业学院环境系统分析课件2006.4.18.（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。南昌航空工业学院环境系统分析课件2006.4.18.三、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）和反应速度方程（D），以及描述环境系统的状态变量（φ）和参数（如温度、密度、压力、ＰＨ等）之间关系的“状态方程”。南昌航空工业学院环境系统分析课件2006.4.18.建立这些方程时的基础信息关系可参见下图：南昌航空工业学院环境系统分析课件2006.4.18.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消失速度表示出来。南昌航空工业学院环境系统分析课件2006.4.18.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。南昌航空工业学院环境系统分析课件2006.4.18.（1）流动特性的简化，a．弥散扩散方程式南昌航空工业学院环境系统分析课件2006.4.18.南昌航空工业学院环境系统分析课件2006.4.18.南昌航空工业学院环境系统分析课件2006.4.18.南昌航空工业学院环境系统分析课件2006.4.18.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，对三维湍流扩散方程作进一步假设，以设法减少它的独立变量的个数。南昌航空工业学院环境系统分析课件2006.4.18.降维的原则是：①只考虑特别重要的，表示系统动态的方向上的分量，而将其它非重要的方向上的状态变量视为定常。（空间上）②当系统的状态变量和条件处于相对稳定时，可将模型处理成稳态，（时间上）即：南昌航空工业学院环境系统分析课件2006.4.18.如：所研究的河段较长，大于下式L时采用一维的水质模型便可得到很好的结果。L=1.8bu2/4hu*其中：b——河流平均宽度u——河流平均流速h——河流平均水深u*=（ghs）1/2（其中：g—重力加速度，s—河底坡度）南昌航空工业学院环境系统分析课件2006.4.18.注意：降维简化后，其边界条件也必须做相应的变动。南昌航空工业学院环境系统分析课件2006.4.18.谢谢各位!请提宝贵意见.