第四章_环境规划及管理数学基础.pptVIP

第四章 环境规划与管理的数学基础; 引言：在环境规划与管理中，遇到大量的有关环境质量、污染物排放、生态指标、水文气象以及经济和社会发展的基础数据。这些数据的特点是量大、多元和具有不确定性。 如何整理分析这些基础数据，并从这些基础数据中概况出一些描述环境的基本特征和概念？ 如何从这些数据中探讨和分析各种环境因素之间的关系，预测各种环境因素和环境系统的变化发展趋势？ 在进行环境规划时，如何将环境系统规划的决策问题简化为在预定目标函数和约束条件下，对由若干决策变量所代表的方案进行优化决策？如何建立此类优化决策的数学模型？ 这些都需要概率论、数理统计、最优化理论的基本计算方法。本章内容将介绍这些数学理论在环境规划与管理中的应用。 ;0.1、环境规划与管理对数学的依赖;数学基础的重要性体现： ① 环境科学以其所依托的传统学科之间交叉互动发展的需要 传统学科如化学、水文学、地学、流体力学、生态学、经济 学的定量化、模型化发展促使数学模拟在环境科学的大发展。 环境科学的许多模型都依托这些传统学科的发展而发展的。流 体运动方程用来描述水、大气环境介质中污染物迁移的重要基 础。物理化学中的吸附、挥发方程和流体力学基本方程结合用 于模拟吸附或挥发的污染物质在环境介质中的迁移扩散。 ② 量化认识、准确预测复杂环境系统的需要 环境系统是一个动态开放系统。对其量化认识和准确预测调 控必须借助计算机为工具的环境数学模型。原来那种将复杂环 境系统分割研究，简单相加的形而上的研究方法明显不足，反 映系统整体功能的模型比其某一个子系统模型要复杂很多。这 些模型往往是以常微分方程组或偏微分方程组的形式出现。这 就需要借助计算机工具进行模拟计算。 ;③ 环境科学研究的重要工具 相对简单的对数据的统计、拟合、回归分析还是较为复杂的数学模型都是我们从事环境科学研究的重要能力之一。环境科学研究中的定量化、模型化发展趋势也就是环境科学研究的发展趋势，是走向成熟的标志。任何学科的发展都遵循从现象到本质、经验到理论、定型到定量的研究发展模式。 ④ 环境规划、环境评价的核心技术之一 环境规划，很多时候需要求解几十个或上百个变化的规划模型；环境评价中的环境影响定量预测，需要对模型进行大量计算，甚至需要求解复杂的偏微分方程。相关的环境规划模型和评价模型的建立，求解、甚至模型运行结果的计算机直观图形表述都是环境规划、环境评价的核心技术。;0.2 环境科学研究者用于模拟计算和数据处理的计算语言或软件 环境科学研究者用于模拟计算和数据处理的计算语言或软件分为四类 ① 一般的高级计算机语言 如VC++、VB、V Fortran 、Pascal。这类语言的特点是没 有很强的针对性，可用于编程计算解决各类问题。需要的知识： 计算机语言语法的熟练掌握、计算的数学原理和复杂的数值计 算方法（如有限元法、有限差分分析等），这样才能写出算 法，进而编写计算机程序。难度很大。 ② 为解决某类数学问题而发展起来的计算数学软件包 目前流行的求解线性规划问题的软件LINDO和求解非线性 规划问题的软件LINGO、用于绘图的surfer软件、用于数据拟 合分析和绘图的origin软件、用于动态模拟的Modelmaker和 stella软件、以及专门解决数理统计问题的spss和SAS软件包。;③ 专门为解决某一类环境模拟计算或数值分析问题而发展起来的专业计算或绘图软件 目前针对河流、湖泊、环境空气和地下水等环境介质已有一些模拟模型软件系统。这类软件是为解决某一类环境系统数学模拟问题而编制的。如 WASP( water quality analysis simulation program),美国环保局开发的水质分析模拟软件包； WQRRS( water quality for River and Reservior System): 水质动态和水流动力学分析计算软件包； CALPUFF：美国加州空气资源局开发的多种类、非稳态高斯烟团扩散模式软件包； ISC3是用于计算污染源排放的大气污染物扩散模型软件包；ISC-AERMOD是由美国LAKES环境公司开发、美国环保署（EPA）推荐的大气扩散模型软件，有界面已经汉化的版本。 EIAA?：?这款大气预测软件在国内用的比较多 ; ④ 计算机数学语言 此类计算机语言的特点是和数学运算紧密结合。典型的，算法成熟的数值计算和符号运算可直接通过命令调用（如矩阵特征值求解、逆矩阵等）。比较复杂一点的要编写程序，但是程序较高级语言程序要简单很多。目前国际上流行的四种计算机数学语言： A、MA