环境系统分析PPT第4讲课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,环境系统分析PPT第4讲,*,PPT,文档演模板,Office,PPT,环境系统分析PPT第4讲,2024/11/14,环境系统分析PPT第4讲,环境系统分析PPT第4讲2023/10/4环境系统分析PPT,1,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）,环境系统分析PPT第4讲,第二章 环境问题的模型化 一、模型与模拟 环境系统分析PPT,2,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。,环境系统分析PPT第4讲,3,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。,环境系统分析PPT第4讲,主要采用计算机模拟，分为两大类。环境系统分析PPT第4讲,4,3,、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。,环境系统分析PPT第4讲,3、数学模型概述（着重于系统问题的数学模型）环境系统分析PP,5,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,。,环境系统分析PPT第4讲,建立过程:环境系统分析PPT第4讲,6,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。,环境系统分析PPT第4讲,应用环境系统分析PPT第4讲,7,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。,环境系统分析PPT第4讲,B、环境影响评价和环境质量预测中的应用环境系统分析PPT第4,8,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。,环境系统分析PPT第4讲,C、污染物治理和给水、排水、水资源利用等方面应用环境系统分析,9,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。,环境系统分析PPT第4讲,系统模型化的基本理论（4种）环境系统分析PPT第4讲,10,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。,环境系统分析PPT第4讲,c“灰箱”理论环境系统分析PPT第4讲,11,4、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。,环境系统分析PPT第4讲,4、数学模型分类 a按模型变量的随机性分：环境系统分,12,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。,环境系统分析PPT第4讲,c.按空间维数分：环境系统分析PPT第4讲,13,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,环境系统分析PPT第4讲,e按反应动力学的性质可分为：环境系统分析PPT第4讲,14,5.数学模型的建立步骤,（5步）,观测数,据组,模型结,构选择,模型,应用,观测数据组,参数,估计,检验与验证,图2-2,环境系统分析PPT第4讲,5.数学模型的建立步骤（5步）观测数模型结模型观测数据组,15,参数估计：如弥散系数,E,、生物降解系数,k,1,、大气复氧系数,k,2,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。,环境系统分析PPT第4讲,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,16,模型检验：检验与实际情况的吻合程度。,原因：建模时作过一些假定。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。,环境系统分析PPT第4讲,模型检验：检验与实际情况的吻合程度。环境系统分析PPT第4讲,17,二、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：,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。,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。,环境系统分析PPT第4讲,二、环境系统现象模型推导基本原理环境系统分析PPT第4讲,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）,环境系统分析PPT第4讲,利用以上两方面信息，根据物质和能量的,19,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,（,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,=（,A,i,J,i,A,0,J,0,）t+（BD）Vt,(式2-2),环境系统分析PPT第4讲,在对象系统的介质流体中，取一均匀的微小,20,式中：,t时间间隔中单位体积中,的增量,（,）。,J,i,、,J,0,分别表示单位时间、单位截面上,流入、流出的,通量向量（L,3,/L,2,T）。,A,i,、,A,0,分别表示流入和流出的截面积。,（L,2,）,B,、,D,分别是单位时间、单位体积中产生和消灭速率（,/T,）,环境系统分析PPT第4讲,式中：环境系统分析PPT第4讲,21,环境系统分析PPT第4讲,环境系统分析PPT第4讲,22,式（,2-3,）中状态变量赋予不同意义时可得下列四种很有用处的平衡方程式：,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,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,环境系统分析PPT第4讲,式（2-3）中状态变量赋予不同意义时可得下列四种很有用处的,23,（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。,环境系统分析PPT第4讲,（场：速度场、密度场、浓度场、温度场等）环境系统分析PPT第,24,三、环境系统现象模型的建立（,B,、,D,、,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（）和参数（如温度、密度、压力、等）之间关系的“,状态方程,”。,环境系统分析PPT第4讲,三、环境系统现象模型的建立（B、D、的方程）环境系统分析P,25,建立这些方程时的基础信息关系可参见下图：,环境系统分析PPT第4讲,建立这些方程时的基础信息关系可参见下图：环境系统分析PPT第,26,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。,环境系统分析PPT第4讲,此处“状态方程”就是把作为介质的流体温度、,27,在适当的边界条件和初始条件下求解式（,2-3,）便可得,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。,环境系统分析PPT第4讲,在适当的边界条件和初始条件下求解式（2-3）便可,28,（,1,）流动特性的简化，,a,弥散扩散方程式,环境系统分析PPT第4讲,（1）流动特性的简化，环境系统分析PPT第4讲,29,环境系统分析PPT第4讲,环境系统分析PPT第4讲,30,环境系统分析PPT第4讲,环境系统分析PPT第4讲,31,环境系统分析PPT第4讲,环境系统分析PPT第4讲,32,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。,环境系统分析PPT第4讲,b湍流扩散方程的降维环境系统分析PPT第4讲,33,降维的原则是：,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）,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：,环境系统分析PPT第4讲,降维的原则是：环境系统分析PPT第4讲,34,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=1.8bu,2,/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*=,（,g h s,）,1/2,（其中：,g,重力加速,度，,s,河底坡度）,环境系统分析PPT第4讲,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,35,注意：降维简化后，其边界条件也必须做相应的变动。,环境系统分析PPT第4讲,注意：降维简化后，其边界条件也必须做相应的变动。环境系统分析,36,演讲完毕，谢谢听讲,!,再见，see you again,3rew,2024/11/14,环境系统分析PPT第4讲,演讲完毕，谢谢听讲!再见，see you again3rew