环境系统仿真与建模

1、环境系统仿真与建模一、名词解释环境质量模型环境质量模型就是以质量平衡原理为基础，对排放到环境介质中的污染物的迁移变化的最基 本规律进行的数学描述。P模型S-P模型描述一维稳态河流中的BOD-DO的变化规律，是关于河流BOD和DO耦合的基本 水质模型。黑箱模型又称为输入-输出模型，属于纯经验模型，它根据系统的输入、输出数据建立各个变量之间 的关系，而完全不追究其内在的机理。4 .人工神经网络人工神经网络是一种计算系统，包括软件与硬件，它使用大量简单相连的人工神经元来模仿 生物神经网络的能力。人工神经网络是生物神经元的简单模拟，它从外界环境或者其他神经 元取得资讯，同时加以简单的运算，输出其结果到

2、外界环境或者其他人工神经元。二、问答污染物进入环境介质后，有哪些运动变化？答：随着介质的迁移运动；污染物的分散运动；污染物被环境介质吸收或吸附；污染物的沉 淀；污染物的衰减与转化。如何对水质模型进行分类？答：(1)从使用管理的角度来分类，可分为：河流、河口(受潮汐影响)模型，湖泊、水库 模型，海湾模型等。从水质组分来分类：有机污染物、无机盐、悬浮物质、重金属、放射性物质，营养物 质，浮游植物，水温。从水质系统状态来分类：稳态、非稳态，确定性和随机性从混合程度来分类：完全混合型、平流型、平流扩散型从空间维数来分类：一维、二维、三维。P模型建立的基本假设答：(1)河流中的BOD衰减和DO的复氧都是

3、一级反应；（2）反应速度是恒定的；（3）河流中的耗氧是由BOD衰减引起的，而河流中的溶解氧来源则是大气复氧。写出单组分一维河流水质模型的基本方程组。答：包括以下三类方程（1）水流连续方程：B竺+丝=q dtdx（2）水流运动方程:dQ a,。Q2、4,8Z石+虱（3 3）+放否+ Jf）+华=0式中，Z为断面平均水位；Q,A,B分别为断面流量、过水面积、水面宽度；x，t为距离和时 间；q为旁侧入流，负值表示流出；P为动量校正系数；g为重力加速度；J f为摩阻坡降， 采用曼宁公式计算，J / = g / C2 ；气为单位流程上的侧向出流流速在主流方向上的分量。（3）水质变化方程冬 + 些_a 竺

4、）+ AkC = Sdt QxdxM dx1 m式中，C为污染物浓度；A为河道断面面积；Q为河道断面流量；Em为河段混合扩散系数; 匕为污染物降解速率常数；Sm为源、汇项；x,t分别为距离、时间。三、计算证明已知某河段的BOD降解规律可用下式表示:L = L e - w0式中L0为河段起点的BOD浓度；L为流经t时间后的BOD浓度；与为BOD的衰减速度 常数。若已知L0 =15mg/L，七=0.1d-1，假定与的变化幅度在土 10%，求t=2d处的BOD 浓度值及其变化幅度。解：由已知可得L *k. t=2 d=L e -kdt =15e -0.1x2 =12.28mg/L则BOD对kd的一阶

5、灵敏度系数为,dk /d k =0.1d=L te-kd0t = 15(2)e-0.2 = -24.56 0BOD对七的灵敏度为(dL )(k )L( 0.1 Sl =40=24.56 k d1 dk JA1L * J112.28 J=0.1kd= 0.2dL _ ALdkd AkdAk_因为已知m= 10%，所以BOD的变化幅度为: kd 0ALL*=(0.2)(10%) = 2%由孔的变化引起的BOD预测值的绝对值的变化为：AL = L* (2%) = 0.25mg/L由于BOD的变化方向与kd相反，且幅度小于kd的变化幅度，所以上述模型属于低灵敏度 模型。x轴方向与水流方向一致。假设渗流区域为无限平面，地下水流为纵向一维，即q=nv，在初始时刻在点P瞬时排入 质量为m的污染物，且污染物扩散形式为二维弥散，介质为多孔均质，求弥散浓度分布。 解：取P点为坐标原点，该无限平面为xy平面， 根据给定条件，可写出该问题的数学模型ac八 a 2 c 八 a 2 c=D + Datx ax 2y ay 2C (x, y,0) = 0+8+8ncdxdy = m18 8im c (x, y, t) = 0正8lim C (x, y, t) = 0【y T8先进行二维傅里叶变换，再进