《Matlab在环境科学中的应用课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《Matlab在环境科学中的应用课件（21页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1,计算机在环境工程计算中的应用,1.MATLAB软件及其在环境工程中的应用 （1）MATLAB简介 MATLAB的特点与功能 MATLAB自1984年由Maths公司推向市场以来，历经十几年的发展和竞争，现已逐步风靡世界；可靠的数值和符号运算能力、简单易学的程序语言、强大的图形和可视化功能以及为数众多的应用工具包（Toolbox）是MATLAB区别于其它科技应用软件的显著特点。 a.数值和符号计算功能 b.MATLAB语言 c.图形和可视化功能 d.工具包,2,计算机在环境工程计算中的应用, MATLAB的运行环境 MATLAB4.0、4.1、4.2以上版本硬件要求： 基于IBM-PC的80
2、386、80486或奔腾的各种机型；80386必须有相应的数学协处理器； 至少4MB内存，推荐使用8MB以上； VGA以上的彩显卡； 鼠标虽非必需，但为了能在Windows下工作轻松而迅捷，建议使用； 至少16MB的硬盘空间（不包括工具包Toolbox时）。 软件要求： S-DOS或PC-DOS3.3版以上的操作系统，以及Microsoft Windows3.x或Microsoft Windows9英文版； 当使用Notebook时，还需要MSWord6.0或以上的中英文版。,3,计算机在环境工程计算中的应用, MATLAB的应用前景 MATLAB的功能和特点使它具备了对应用学科（特别是边缘学
3、科和交叉学科）的极强适应力，并很快地成为应用学科计算机辅助分析、设计、仿真、教学乃至科技文字处理不可缺的基础软件。在国外的高等院校里，MATLAB已经成为大学生、硕士生、博士生必须掌握的基本技能；在设计研究单位和工业部门，MATLAB已经成为研究和解决各种具体工程问题的一种标准软件。 MATLAB广泛流行的另一个表现是，国际上许多新版的科技书籍（特别是高校教材）在讲述其专业内容时都把MATLAB当作基本工具使用。在我国应用MATLAB的单位和个人近年来急剧增加，国内一些理工类重点院校已经或正在把MATLAB作为攻读学位所必须掌握的一种软件。,4,（2）MATLAB应用实例 MATLAB在水资源
4、线性规划方面的应用 【例1】水资源系统规划调度常应用系统分析方法处理，以一个水资源分配问题为例，讨论线性规划问题。例：有甲、乙两个水库同时给A、B、C三个城市供水，甲水库的日供水量为28万m3/d，乙水库的日供水量为35万m3/d，三个城市的日需水量分别为A 10万m3/d，B 15万mm3/d，C 20万m3/d。由于水库与各城市的距离不等，输水方式不同，因此单位水费也不同。各单位水费分别为c112000元/万m3、c123000元/万m3、c134000元/万m3、c214500元/万m3、c223500元/万m3、c233000元/万m3。试作出在满足对三个城市供水的情况下，输水费用最小
5、的方案。,5,计算机在环境工程计算中的应用,设甲水库向三城市日供水量分别为xll、x12、x13，乙水库向三城市日供水量分别为x2l、x22、x23。,图4.10 供水简图,6,建立约束条件： x11 + x21 10 x12 + x22 15 x13 + x23 20 x11 + x12 + x13 28 x21 + x22 + x23 35 x11，x12，x13，x21，x22，x23，0 目标函数：minZ=c11x11+c12x12+c13x13+c21x21+c22x22+c23x23 这样的问题用单纯形法求解是非常繁琐的，而MLTLAB求解是十分简单的，只要在命令行输入： f=0
6、.2 0.3 0.4 0.45 0.35 0.3； A=-1 0 0 -1 0 0；01 0 0 -1 0；0 0 -1 0 0 -1；1 1 1 0 0 0；0 0 0 1 1 1； b=-10 -15 -20 28 35； lb=zeros（6，1）； X，Zmin=linprog(f，A，b，lb)； 最后得出x=10 15 0 0 0 20万m3，Zmin=12.5万元。,7,计算机在环境工程计算中的应用, MATLAB在多项水质参数综合评价方面的应用 【例2】一个拟建项目的废水含挥发酚和各种无毒有机物以及CN、As、Cd和石油类污染物，经过处理达标排入一条河流，该河的功能为II类水体
7、，上列污染物的本底浓度和受纳该项目废水后的预测浓度见表4.9。该河的其它水质参数在受纳废水后仍保持I类水质。以下分别用幂指数法、加权平均法和向量模法对该项目废水排放前、后的河流水质作评价，并比较三种方法的特点。,8,计算机在环境工程计算中的应用,表4.9 河流本底浓度和和项目排水后预测浓度（mg/L）,多项水质参数综合评价小程序: M文件：function index1（） S1=7.5 3 15 0.002 0.005 0.01 0.001 0.05； % %各指标对应的级水质标准值,9,计算机在环境工程计算中的应用,S2=6 3 15 0.002 0.05 1 0.005 0.05；%各指
8、标对应的级水质标准值 S3=5 4 20 0.005 0.2 1 0.005 0.05;%各指标对应的级水质标准值 S4=3 6 30 0.01 0.2 1.0 0.005 0.5;%各指标对应的级水质标准值 S5=2 10 40 0.1 0.2 1.0 0.01 1.0;%各指标对应的级水质标准值 x1=6.3 6.0.001 0.002 0.005 0.0005 0.3;%各指标对应的河流水质本底浓度值 x2=3 8 32 0.005 0.01 0.01 0.01 2.0; S=S2；%各指标对应的河流水质预测浓度值 A=S1， S2， S3， S4，S5，x1，x2 ； W=0.120
9、0.115 0.115 0.110 0.110 0.105 0.115 0.110 ； % %各指标对应的权值,10,n=size(A，1)； w=1/n；T=30；DOf =468/(31.6+T)；% %溶解氧的计算方法: index1=ones(1，size(A，2)； index2=ones(1，size(A，2)； index5= zeros(1，size(A，2)； for i=1:size (A，2) if A(1，i) S(i) I(1，i)=abs(DOf-A(1，i)/(DOf-S(i)； else I(1，i)=10-9*A(1，i)/S(i)； end end for
10、j=2:n for i = 1:size(A，2) I(j，i)=A(j，i)/A(j，2)； end end,11,for i = 1 : size (A ， 2) for j = 1 :n index1 (1 ，i) = index1 (1 ，i) 3 power ( I (j ，i) ，w) ; index2 (1 ，i) = index2 (1 ，i) 3 power ( I (j ，i) ，W(j) ) ; index5 (1 ，i) = power ( I (j ，i) ，2) + index5 (i) ; end index5 (1 ， i) = sqrt (w 3 index5
11、 (1 ， i) ) ; end index1； % %幂指数法(等权值) index2； % %幂指数法(不等权值) index3 = sum (w * I)； % %加权平均法(等权值) index4 = W * I； % %加权平均法(不等权值) index5； % %向量模法 index = index1，index2，index3，index4，index5 bar (index) 注：以上index 编号次序与图1 中的水质综合指数编号一致。,12,计算机在环境工程计算中的应用,运行结果: index=,同时生成柱状图如图4.11所示。,13,计算机在环境工程计算中的应用,图4.1
12、1 不同水质类别的综合指数值,14, MATLAB在城市固体废物管理规划方面的应用 【例4.10】城市A和城市B的固体废物产量分别为700t/ wk和1200t/ wk。处理厂I计划建成焚烧厂，距离城市A 15km，距离城市B 10km；处理厂计划建成垃圾投海码头，距离城市A 5km，距离城市B 15km；卫生填埋场L 距离城市A 30km，距离城市B 25km；固体废物的运输费用是0.5元/ tkm。每个处理场的固定费用和可变费用及处理能力见表2。现要确定应如何规划处置设施， 使得两城市每年总的固体废物处置费用最小。,表2 拟建固体废物处置场的费用和处理能力,15,计算机在环境工程计算中的应
13、用,a.模型建立 本规划的目的有两个，其一是使固体废物运输和处理的总费用最小，其二是两个城市产生的所有固体废物都必须全部处置掉。首先考虑是否采取某一种处理方式，这需要定义一类离散变量（x1x3）。该离散变量应取整数，即xi=1 （采取处理方式）；xi=0 （不采取该处理方式）。另一类决策变量为每个城市所焚化、投海和卫生填埋的垃圾量。定义如下：xij为从城市i 到处理场j 所处理的固体废物量（twk-1）。现把得到的最优化模型的系数如表4.11 所示（在计算程序中， 为简便起见， 以变量名x4x9代替xij）。,16,表3 固体废物处理最优化模型系数,17,计算机在环境工程计算中的应用,b.应用
14、MATLAB 求解 建立m文件planning： function z = planning (x) y = 3850 1150 1920 19.5 18.5 21.0 17.0 23.5 18.5 ; % %固体废物处理最优化模型函数 z = y * x 建立m文件solidwaste: function solidwaste （） A = - 1000 0 0 1 0 0 1 0 0 ；0 - 500 0 0 1 0 0 1 0 ；0 0 - 1300 00 1 0 0 1 ；1 0 0 0 0 0 0 0 0 ；0 1 0 0 0 0 0 0 0 ； 0 0 1 0 0 0 0 0 0
15、；%最优化计算中不等式限制条件的系数矩阵,18,计算机在环境工程计算中的应用,b = 0 0 0 1 1 1 ; % %最优化计算中不等式限制条件的系数矩阵 Aeq = 0 0 0 1 1 1 0 0 0 ; 0 0 0 0 0 0 1 1 1 ； % %最优化计算中等式限制条件的系数矩阵 beq = 700 1200 ； % %最优化计算中等式限制条件的系数矩阵 x0 = 1 1 1 100 100 100 100 100 100 ； % %最优化计算的初始值定义 lb = 1 0 1 0 0 0 0 0 0 ； % %最优化计算的下限值 ub = 1 1 1 700 500 700 100
16、0 500 1200 ； % %最优化计算的上限值 x = fmincon ( planning，x0，A，b，Aeq，beq，lb，ub),19,计算机在环境工程计算中的应用, 运行结果 经过运行， 可以得出x = 1 1 1 200 500 0 800 0 400；z=41070；与参考文献中的计算结果相符。即A城市中的200吨固体废物将用焚化处置，其余500吨固体废物全部投海处置；B城市中的800吨固体废物将用焚化处置，其余400吨固体废物全部卫生填埋处置。这样的方案可以保证两城市的费用最小化，合计费用是41070 (元wk-1) （本例中只考虑两城市的处理费用最小化）。,20,计算机在环境工程计算中的应用,对该规划方案可以作多种灵敏度分析，例如考虑两地垃圾量的增加，用上述程序分别计算当A城市的垃圾量为800吨，B城市的垃圾量为1300吨时，计算结果为： x = 1 1 1 0 500 400 1000 0 300 ； z=4
