1计算机在环境工程中的应用概述

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1、计算机在环境中的应用,主讲：邱凌峰,教材及参考书目,李光明.计算机在环境工程中的应用技术. 高等教育出版社，2006.4 白志鹏, 等. 计算机在环境科学与工程中的应用. 高等教育出版社，2005.1 程子峰, 等.环境数据统计分析基础. 化学工业出版社，2006.3 郑彤, 等. 环境系统数学模型.化学工业出版社，2003.4 孙培德, 等.环境系统模型及数值模拟. 中国环境出版社，2005.12 刘耀林. 环境信息系统.科学出版社，2005.9 张邦俊. 环境信息系统基础. 浙江科技出版社，2004.1,课程主要内容,l 概述 环境工程与计算机概况 计算机技术在环境工程中的主要应用领域 2

2、 计算机网络技术在环境工程中的应用 互联网上的环境工程信息资源 互联网上环境工程信息资源的检索 3 计算机在环境工程研究与管理中的应用 计算机在数据处理中的应用技术 计算机在数据管理中的应用技术 4 计算机在环境工程计算中的应用 计算机程序的编制Visual Basic 科学计算软件及其应用技术 环境工程中的模型及其计算,课程主要内容,5 计算机在环境工艺过程中的应用 计算机在废水处理工艺中的应用 计算机在大气污染控制过程中的应用 计算机在环境工程最优化设计中的应用 环境过程的计算机预测 6 AutoCAD在环境工程设计中的应用 AutoCAD图形绘制 AutoCAD在环境工程设计中的应用实例

3、 7 计算机在环境工程设施运行中的应用 计算机控制系统的典型应用方式 计算机控制系统在环境工程设施运行中的应用,第一章 计算机在环境工程中的应用概述,福州大学环境与资源学院,Chapter 1 Utilization Techniques of Computer in Environmental Engineering,本章内容 1.1 环境工程与计算机 1.2 计算机技术在环境工程中的主要应用领域 1.3 数学模型,1.1 概况,环境工程学 环境工程学（Environmental engineering）是环境学的一个分支学科，是一门研究运用工程技术和相关学科的原理和方法，保护和合理利用自然

4、资源、防治环境污染，以改善环境质量的学科。其中包括： 提供安全、可口和充足的公共给水； 适当处置和循环使用污水与固体废物； 建立城市和农村符合卫生要求的排水系统； 控制水、土壤和空气污染，并消除这些问题对社会和环境所造成的影响。,环境工程学涉及的问题,因此，涉及到公共卫生领域中的工程问题， 消除工业健康危害； 为城市、农村和娱乐场所提供合适的卫生设施； 评价技术进步对环境的影响，等。 环境工程学还研究： 环境污染综合防治的方法和措施； 利用系统工程方法，从区域的整体上寻求解决环境问题的最佳方案。,环境工程学概述,环境工程学是一个庞大而复杂的技术体系，不仅研究防治环境污染和公害的措施，而且研究自

5、然资源的保护和合理利用，探讨废物资源化技术、改革生产工艺、发展少害或无害的生产系统，以及按区域环境进行运筹学管理，以获得环境效益、经济效益和社会效益等三者最大程度的统一。,环境工程学的最终目标,自然资源的有限性和人类对自然资源需求的不断增长，特别是环境污染的控制目标和对能源需求之间的矛盾，促使环境工程学对现有技术和未来技术发展进行环境影响评价，为保护自然资源和社会资源提供依据。 有人认为：预测科学技术进步所产生的副作用，实质上就是预测未来的环境问题。,美国从60年代中期开始探讨一些科学技术革命带来的二次影响。如： 建设原子能电站，虽然与传统的能源工业相比，二氧化碳和二氧化硫的污染大约减少了一半

6、，但是增加了放射性污染的可能性。 因此，资源、生态、经济三者发展的动态平衡，决定着环境工程未来的发展趋势。,1.1.2 计算机概述,计算机具有： 处理信息快 存储容量大 可靠性高 准确性高 可以通信 等5个方面特点。,计算机概述,计算机在科学计算、信息处理、过程控制、人工智能方面具有独到优势。计算机辅助功能，如： 计算机辅助设计（Computer Aided Design，简记CAD）； 计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing，简记CAM）； 计算机辅助教学（Computer Assisted Instruction，简记CAI）； 计算机辅助测试（Compu

7、ter Aided Test，简记CAT）； 计算机通讯与网络等方面取得了极为广泛的应用； 在环境工程领域也得到了广泛的应用。,1.2 计算机技术在环境工程中的应用领域,1.2.1 计算机网络技术在环境工程中的应用 计算机网络是计算机技术与通信技术相互渗透、不断发展的产物，是现代生活获得信息、相互交流的重要手段。运用计算机网络技术可充分利用互联网上的环境工程信息资源，进行环境工程信息和数据的检索、收集、管理、交换，远程计算机的登录、操作使用，网上多媒体课件的制作与使用。 环境保护信息系统涉及到城市宽带网络、3S技术、基于网络技术的软件平台、数据共享和挖掘、系统安全性、环境数据网络协调管理技术和

8、环境信息发布等多项网络技术。,1.2.2 计算机在环境工程科研与管理中的应用,近年来，计算机在环境污染监测、环境影响评价和环境污染统计等环境保护管理中的应用日益广泛，包括宏量数据信息库的建立、数据的统计分析和报表，以及数据发布等。因此一些计算机数据管理软件的使用率非常高。 目前，在环境数据处理中常用的计算机应用软件包括Excel和Spss软件等，在数据管理中的常用软件有Access和FoxPro等，在信息分析、图形化处理和发布中常用的软件是Origin、Visio、Smartdraw、ChemOffice和PowerPoint软件等。,环境自动监测监控系统,随着国家对一环境保护管理的不断规范和

9、执行力度的加大，特别是排污总量控制的实施，对企业排污必须进行自动监控，安装自动流量计和环保“黑匣子”，重点污染企业还必须安装在线监测仪，并逐步实现网络自动监控等，都必然涉及到计算机的应用。,环境自动监测监控系统,环境监测是环境管理的一项重要工作。20世纪70年代世界许多发达国家城市相继建立了污染源在线监测（CEMS）和环境质量自动监测系统（EQAMS）； 80年代中期EQAMS技术已趋于成熟，我国开始引进这些设备建立大气环境质量自动监测系统，污染源在线监测系统在国内尚处于研究探索阶段，并且主要集中在在线监测设备的研究上。,环境自动监测监控系统,环境自动监测系统利用通讯网络平台集中采集监测设备发

10、出的数据信息并进行分拣、计算、入库、匹配等工作，系统在基础地理数据的支持下，把空气监测点、流域水质、噪声屏数据等按图层进行管理，对污染源点进行监控，并把监控数据及时传送到监控中心，实施进行环境现状的监控统计，通过数据库报表，查询最新数据、历史数据，按年、季、月统计出相应的数据，可进行污染物的统计分析，配合排污收费的工作，从而为各环境监测站提供了一套功能强大、安全可靠的网络版环境地理信息系统。,污染源控制 1）污染区域控制 2）污染区域主管单位查询 3）排放去向控制 4）污染源统计分析,环境质量监测 1）流域水质监测 2）空气质量监测 3）噪声污染监测,系统管理 1）污染源统计 2）监测点信息查

11、询 3）监测仪器设置查询,网络信息发布 网络数据共享,环境自动监测监控系统,1.2.3 计算机在环境工程计算中的应用,环境工程涉及对污染物迁移转化过程和污染控制等方面的大量计算，如生态环境保护和生态模型、大气污染模型、江河湖泊的水质模型和水处理技术动力学模型等。应用计算机进行大量的数据计算和模型求解会涉及计算机程序的编写与使用。常见的有：应用VISUAL BASIC程序进行程序设计和计算的程序编制与调试；一些科学计算软件，如MatLab、Mathematica和MathCad等，也在环境工程计算中获得了日益广泛的应用。,环境模型技术,环境模型是环境学研究中较为成熟的一个领域，是进行环境评价和环

12、境预测的有力手段。 由于许多环境问题和环境过程都具有空间分布特性、非线性、随机性以及随时间变化特性，因此环境模型大都比较复杂。 环境模型对各种环境问题和环境过程描述准确、算法精练。且大都具有明显的空间特性，如，二维和三维水质模型、大气扩散模型、污染物在地下水中运移模型等。,河流水质模型简介,水质模型是一个用于描述污染物质在水环境中的混合、迁移、转化过程的数学方程或方程组。建立水质模型，首先要针对所研究污染的性质选择合适的变量，明确这些变量的变化趋势以及变量相互作用的实质；然后用数学方程或方程组予以描述，建立模型，利用数学方法求解；最终与实际资料对比、验证，修改、提炼模型，以解决实际问题。,地表

13、水水质模型,地表水模型的主要技术指标,地表水水质模型,续表：,地表水水质模型,续表：,WASP系统简介,WASP全称The Water Quality Analysis Simulation Program，即水质分析模拟程序。由美国国家环保局环境研究实验室于1993年开发，为EPA推荐使用的水质模型软件。WASP由两个独立的程序组成：水动力模型程序DYNHYD和水质模型程序WASP，既能相连接运行也能分开运行。 水动力模拟为水质模拟提供必要的水力参数如流速、流量、水位等。 在WASP系统中，水质模型程序既可和DYNHYD相连运行，也可和其它水动力程序如RIVMOD(一维)，SED3D(三维)

14、相连运行，如果有已知水力参数，还可单独运行。它由两个模块组成：模拟常规水质的EUTRO，模拟有毒物质污染的TOXI。,WASP系统简介,WASP的应用，首先是河网模型概化，然后按照如下4个主要步骤进行： 水动力研究：应用水动力模型程序DYNHYD； 质量传输研究：研究水流中物质的传输，要靠示踪剂研究和水质模型程序WASP的TOXI模块校验来完成； 水质转化研究：研究水流和底质中的物质转化，要依靠实验室研究、现场观察和试验、参数估计、模型研究相结合来完成，其模型计算结果要验证； 环境毒理学研究。研究污染物怎样影响我们关心的事物，例如人、鱼、或生态系统。,1.2.4 计算机在环境工艺过程中的应用,

15、计算机在环境工艺过程中的应用包括环境工艺过程分析和模拟，环境工艺和设计的最优化等。 过程分析和模拟是对设计过程中的流程和技术条件的一个优化选择，是对运行中的参数控制和考察的改进，甚至对工艺过程的研究、开发以及环境影响的预测。 最优化在其它学科如化学工程中的应用早已存在，并得到了前所未有的发展，而在环境工程领域，最优化技术的应用还刚刚起步，应用前景极为广泛。,1.2.5 计算机在环境工程设计中的应用,环境工程设计与化学工程、给排水工程、能源工程、信息技术和环境科学等学科有着密切的联系。 环境工程设计是运用工程技术和有关学科的原理和方法，以各种设计文件、图纸的形式，具体落实和实现环境保护设施的建设

16、。 目前，计算机辅助环境工程设计已获得广泛应用，掌握和应用AUTOCAD软件进行工程设计已经成为环境工程专业人员的必备技能。,1.2.6 计算机在环境工程设施运行中的应用,计算机在环境工程设施运行中的应用主要包括在线数据的计算机监测和处理以及计算机过程控制技术等方面。 计算机在环境工程设施运行中的应用不仅可节省人力、降低劳动强度，还能加强各个生产环节的合理运行、提高设备运行效率、节约运行费用、保证安全生产和科学管理。,数学建模的基本方法,机理分析,测试分析,根据对客观事物特性的认识， 找出反映内部机理的数量规律,将对象看作“黑箱”,通过对量测数据的 统计分析，找出与数据拟合最好的模型,机理分析没有统一的方法，主要通过实例研究 (Case Studies)来学习。,二者结合,用机理分析建立模型结构, 用测试分析确定模型参数,1.3 数学模型概述,数学建模的方法,数学建模的方法按大类来分，大体上可分为三类： 1、机理分析法 机理分析法就是根据人们对现实对象的了解和已有的知识、经验等，分析研究对象中各变量（因素）之间的因果关系，