环境数学模型（精选十篇）
环境数学模型 篇1
长江下游地区河网密布,水资源丰富。随着工农业的高速发展以及人民对生活环境要求的不断提高,水环境问题日益为社会所关注。目前治理水环境已引起沿江各级政府的高度重视,并在减少污水排放量和有效的处理污水等方面做了大量工作。利用现有水道通过科学的治理和调度管理,引长江水置换城区河道的污水,是一条使市区河道水环境质量得到尽快改善的可行方法。为此需要对引长江水治理水环境工程的具体问题进行研究。
一维河网模型在水利防洪、航运及水环境治理有着广泛的应用[1,2]。本文主要以张家港市河网为例进行水环境治理工程的对策研究,研究区域如图1所示。由于河网区城范围广大,因此采用一维数值方法进行模拟。根据控制方程及对河网处理方式的不同,数值模拟可分为两大类:第一类为一维圣维南方程组求解法[3],第二类为由法国Jean A.Cunge提出的所谓“组合单元法”[4]。本文采用一维圣维南方程组,并利用节点水位控制法,建立河网一维水流数学模型,可应用于沿江河网水环境治理的研究。
1 河网非恒定流数学模型的建立
1.1 控制方程
一维非恒定流Sain-tVenant基本方程
式中:t为时间坐标;x为空间坐标;Q为流量;Z为水位;u为断面平均流速;n为糙率;A为过流断面面积;B为主流断面宽度;Bw为水面总宽度;R为水力半径;q为旁侧入流流量。
1.2 方程离散
离散上述方程组时,采用四点线性隐式差分格式。
式中:ξ为变量,其表示时间坐标,下标表示空间坐标;θ为权重系数(0≤θ≤1),θ宜取大于0.5。
将Q、Z、u等变量按式(3)-式(5)进行离散,代入式(1)、式(2)并整理得差分方程:
1.3 边界条件
外边界,即入流、出流边界,给定随时间变化的流量Q(t)或水位Z(t)过程。
内边界,即堰、闸等水头突变处,Sain-tVenant方程已不再适用,需根据堰、闸的的过流特征专门给出。为使与方程离散式(6)、式(7)相统一,内边界作如下处理。
根据连续性条件得:
式中:上标i为闸上;下标i+1为闸下。
根据水工建筑物过流量得:
以堰流公式为例[5],当闸上水位高于闸下水位时,方程(9)离散式为:
当闸下水位高于闸上水位时,方程(9)离散式为:
式中:Bo为闸净宽;σ为淹没系数;ε为侧收系数;m为流量系数;H0为高水位侧的总水头;hs为低水位侧水头,即闸下水面高程减堰顶高程。
1.4 求解离散方程组
对每条河道的各计算子河段相应方程组(6)、(7)相互消元,最终可用河道首尾断面变量表示各子河段方程,形式如下:
式中:下标1、n+1分别表示各河道首尾的标号。
河网各节点满足质量和能量守恒条件,若忽略节点汇合容积和能量损失,得:
式中:K为节点编号;NR为流入(出)第K个节点的河道数;Qi为第i条河道流入、流出节点的流量,流入为正,流出为负。
将节点处各支流相应的式(11)或式(12)代入式(13),此时Qi和Qi+1应为Q1或Qn+1,并根据式(14)将节点各相邻断面水位统一表示成节点水位,得节点水位方程组:
式中:M为节点总数;Z邻为与第i节点直接相邻的节点水位;ki为第i个节点相连的节点数。
根据边界条件,另增加一水位方程,封闭节点水位方程组(15),解得各节点水位,利用所得节点水位和单一河道方程(11)、(12),最终求得各断面水位及流量。
2 模型条件及验证
模型范围:一干河、朝东圩港、南横套、东横河、新泗港、谷渎港、新市河、新沙河、高背塘、白子港、花园浜、新丰河、合兴横套、悦来横套、范港、大寨河等,河道总长约84 km,如图1所示。验证所采用当前地形,在数值计算中采用清淤开挖后的地形,包括图1中虚线的新河道及新泗港、白子港、新丰河及部分花园滨。数值计算中,断面距离从20 m至300 m不等,大部分断面间距为200 m左右,计算时间步长Δt=5 s。
验证水动力条件及边界条件均来自实测。验证点位于与东横河及南横套交界的一干河上(3号和4号点),水位及流速验证如图2。由图可见,数值计算值与实测值基本一致。故模型可用来计算河网水流运动情况,并预测治理工程后河网水道水位、流速、流量情况。
3 治理工程对策及数值计算结果
3.1 引水排污基本原则及要求
引水排污遵循北引南排的原则,即引水是从北侧一干河及朝东圩港引长江水,由新丰河及东横河排水至二干河。根据对该区域水环境分析计算,市区河道要达到三类水质标准,24 h内需从长江引水250.9万m3[6]。同时为保证城区管道正常排污及河道通航需要,城区河道的水位不得大于3.8 m。
3.2 杨舍套闸迁移及一干河过水断面问题研究
根据规划,拟将杨舍套闸拆迁改建,移至一干河与南横套的北侧。为研究其合理性,对不移闸与移闸(不同闸门宽)及两组实测水文边界条件下,进行数值模拟,计算进水量和满足水质要求时再需抽水时间。一干河、朝东圩港水泵设计流量均取10 m3/s,朝东圩港、南横套两侧、东横河两侧、新沙河均关闭闸门,使整个城区河道成为一封闭区域。计算结果如表1。
由表可见,水文边界1进水量要大,即潮位高,进水量大,可缩短水泵抽水时间,节省运行成本。双开闸时,水文边界1进水量均能满足水质要求,不需再开泵抽水;水文边界2进水量小于250.9万m3,还需抽水6-9 h。单开一干河时,两种条件进水量都不能满足要求,水文边界1需抽水8-18 h;水文边界2还需28-34 h。故一干河朝东圩港同时引水将有利于增大引水量,减小水泵抽水时间,节省运行成本。
计算结果可以看出,杨舍套闸迁移对主要水道的水位、引水量、水泵抽水时间影响较大。移闸后,闸北侧的一干河水位抬高,导致开闸引水时间缩短,进水量减小,水泵抽水时间加长。故杨舍套闸不宜移位。
计算结果可以看出,加大一干河过水断面将有利于增加进水量,缩短水泵抽水时间。
3.3 引水排污数值计算
引水排污计算考虑了3种水文条件:水文边界1(2001年7月23-24日大潮)、水文边界2(2001年6月8日大潮)、水文边界3(仅靠水泵抽调长江水)。每组水文条件下,引水方案又分为3种工况:一干河及朝东圩港同时引水、一干河单独引水、朝东圩港单独引水。各工况条件下排水时,水泵仍以继续抽水。计算结果如表2及表3所示。
从表2中可以看出,长江水位高时,对引水、排水有利;一干河、朝东圩港同时引水,引水量大,开泵抽水时间短,排水时间也短,可减小引水成本;在枯季长江水位低时,一干河、朝东圩港水泵也应同时开启,以利于城区污水以较短的时间向外排出。
表3为各种工况下,城区河道(包括新市河、古渎港和东横河)的最大水位,排水闸开启后4 h内的平均流速和流量。由表可见,对于水文边界1,当一干河、朝东圩港同时开闸引水时,由于长江潮位高,进水量大,城区水位达到3.8 m时,新丰河、东横河即开闸排水,而后城区水位仍会抬高10～20 cm,超出3.8 m控制水位;而对于水文边界2、水文边界3,城区水位均能满足低于控制水位的要求。因此当长江水位超过5.0 m时,可采取一干河闸或朝东圩港单开方式运行,或新丰河、东横河闸提前开闸放水(城区水位达到3.6 m时)。
从流速及流量看,无论何种运行工况,城区河道除谷渎港相对较小外,其他平均流速均能达到0.10～0.20 m/s,流量10～20 m3/s。将有利于城区河水向外排放,改善市区水环境质量。
4 结语
(1)利用节点水位控制法,建立了河网一维水流数学模型,并对张家港市河网进行了验证,计算结果吻合良好。
(2)应用河网数学模型进行数值计算分析,为张家港市河网水环境治理工程对策及引水排水运行调度方式提供了决策依据。
(3)该河网数学模型同样适用于其他沿江城市河网(如南京秦淮河)的水环境治理工程对策的研究。
参考文献
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[2]黄东,郑国栋,徐林春,等.同舟码头工程行洪纳潮影响计算和评价[J].中国农村水利水电,2005,(9):42-45.
[3]张二骏.河网非恒定流的三级联合解法[J].华东水利学院学报,1982,(1):1-12.
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[5]许荫椿,胡德保,薛朝阳.水力学[M].北京:科学出版社,1990.
水环境评价模型综述 篇2
水环境评价模型综述
摘要：水环境评价模型是用数学的手段来建立水环境中污染变化的规律.文章对水环境评价模型进行了概述.主要分为两大类,一类是确定性水质模型,包括:QUAL水质模型、WASP模型、MIKE模型、非点源污染模型、SWMM模型、HSPF模型、SWAT模型;另一类是不确定性水质模型,包括:马尔可夫模型、灰色模型、人工神经网络模型、层次分析模型.水环境评价模型的综述主要为环评工作者提供水质环评方法做参考.作 者：潘日华 Pan Rihua 作者单位：茂名市环境科学研究所,广东,茂名,525000期 刊：广东化工 Journal：GUANGDONG CHEMICAL INDUSTRY年，卷(期)：,37(5)分类号：X关键词：水环境评价模型 人工神经网络模型 环境影响评价
论网络环境下阳光反腐的模型构建 篇3
关键词：网络平台；阳光反腐；战略构建
随着互联网的普及，特别是微博、博客等的高速发展，网络深刻影响着传统反腐倡廉的格局。截至2012年6月底，中国网民数量达到5.38亿，互联网普及率为39.9%。我国手机网民规模达到3.88亿，网民中用手机接入互联网的用户占72.2%。网络的阳光性的特点要求我们加快建设反腐倡廉网络舆情信息工程，推动反腐倡廉建设取得新成效。因此，研究网络环境下“阳光反腐”发展问题，既有十分重要的理论价值，又有极其紧迫的现实意义。
一、当前网络反腐的现状及对策
随着社会民主化的不断发展，广大人民积极参与反腐的政治热情的不断提高，畅通的网络平台也给民众提供了非常便捷的参与反腐渠道。网民可以随时随地通过网络对权力进行监督，对腐败进行揭露，为反腐提供线索。随着中石化天价酒、周久耕事件等一系列官员的违纪问题在网络舆论的巨大压力下得到整治，“网络反腐”越来越为普通群众所认可。
但是，首先，由于网络反腐制度的不健全和技术的不成熟及案件受理者素质问题，会造成网络举报案件泄密从而使腐败分子有所准备，为案件查实带来难度。其次，由于网络举报多采取匿名举报，难以追究对他人进行人身攻击和诽谤的恶意行为的责任。另外，网络反腐与传统的反腐方式相比，缺乏制度上的保障，对于如何受理以及答复时限等没有相应的规定，因此相关部门在面对网络举报信息时抱着消极被动的心理，广大网民在网上提供的一些举报线索很难得到有关部门的重视，这就使公众对于网上举报漠不关心。
二、“阳光反腐”网络构建的必要性
阳光反腐，是贯彻落实党的十七届四中全会提出的“完善党员领导干部报告个人有关事项制度，把住房、投资、配偶子女从业等情况列入报告内容”要求的具体措施。通过推行实行领导干部报告个人有关事项制度，可以加强领导干部的管理，有效构筑领导干部“防腐墙”，进而塑造领导干部的良好形象，是从制度上保证各级领导干部防腐拒变、维护党的形象和干部形象，严格按照党的要求办事的一项重要举措。
近年来，在反腐倡廉的实际工作中，“网络反腐”可以有效地弥补传统反腐方式的缺位,有效促进反腐工作的进展。从“网络反腐”的概念来看，至少包括三层含义：一是具备通畅的信息传播工具——网络；二是有一批认真负责具备分析判断能力的行为主体——广大网民；三是具有能够迅速、正确地做出舆情判断的国家反腐机关。也就是说，所谓网络反腐，就是充分借助互联网、博客、微博等技术手段，以网络为依托，由广大网民和国家反腐机关对领导干部行为的监督及对腐败行为的预防、遏制及懲戒等活动。面对网络舆情和民意，各级纪检机构必须利用网络积极引导，抓住机遇，进一步推动反腐倡廉工作的顺利开展。
三、构建有效的“网络反腐”战略框架
进入新世纪的第二个十年，处于转型期的中国面临全面建设小康的重任，亟待以新思维和新方式来解决腐败问题。在网络时代的民主监督之下，官员成了公众面前的玻璃人，网络监督已成为促进反腐败工作的一股重要力量，“网络反腐”是新形势下反腐倡廉实践创新的一项重要内容。就整体构想而言，有效实施“网络反腐”的战略框架至少包括以下几个方面：
1.构建实时的反腐倡廉思想教育系统。面对信息空间巨大的互联网系统，要通过网络多媒体、移动多媒体等新兴领域和新兴传播阵地与网络新闻媒体有机结合，构建一个实时的网上思想舆论阵地，掌握网上舆论主导权，形成积极向上的主流舆论，让广大干部“不想腐败、不能腐败、不敢腐败”,形成积极向上的反腐倡廉的良好氛围。
2.构建智能化的电子反腐系统。电子反腐系统是一个典型的管理信息系统，它主要包括四个方面：一是反腐工作的自动化应用与反腐工作数据库建设处理。二是各级纪检部门间业务应用系统，包括纪检部门、反腐工作部门的管理与协同工作，实现统一电子邮件系统。三是决策支持系统。围绕网络反腐中心工作组织和开展决策信息支持系统建设，为各级纪检组织实施科学决策提供及时、准确的信息支持服务。四是建立有效的信息反馈体系。可以通过建立网络发言人制度以及官方的微博定期在线对话等及时有效地回应民意，提升网络问政的实效性。
3.必须建立网络舆情监控平台。要对网上反腐信息进行网上审查、网上督办；通过设立专门的网上举报系统、网上投诉平台等促进反腐工作的透明化与实时化。对带有全局性的重大问题进行深层次剖析，为各级纪检监察机关打开网络廉政舆情工作新局面提供决策参考。
户外热环境的评价模型 篇4
关键词：户外热舒适指标,等效温度,评价模型
长期以来,人们对室外热环境的关注一直很少,把主要精力都放在对室内热环境、热舒适的研究上,认为只要室内的热环境改善了,人们生活就舒适了,从而导致对室外热环境的研究与评价滞后于室内,至今为止还没有形成一套较为完整的世界公认的室外热环境评价体系。
近几十年来,随着城市化的迅速发展,城市人口剧增,城市的建筑密度逐渐加大,这在发展中国家尤为突出,因此造成城市热环境恶化,城市的热岛强度甚至高达几度。逐渐恶化的城市环境越来越引起人们的重视。同时随着人们生活水平的提高,也要求有一定的室外活动,如:夜市、城市文化广场、露天观演类场所。人们感觉到室外环境越来越成为影响人们生活的一个重要因素,因此,近20年来,对室外热环境和人体热感觉的研究也越来越多。
1 影响室外人体热感觉的因素
首先,影响室外人体热感觉的三个自然因素空气温度、空气湿度、气流速度是变化的,而在人工气候室中这些因素可以作到不变,因此可以用稳态计算模型来描述室内人体的热平衡,而在户外用稳态模型显然不够准确,但这些因素在短时间内变化非常小,所以在评价户外热感觉时也可以近似的采用准稳态模型建立热平衡方程。第二,在室内用平均辐射温度来描述包绕人体的周围壁面对实际人体的辐射热,而在室外人体所处的空间是开敞的,不仅受到周围建筑物外表面的长波辐射,还包括太阳的直接辐射、散射辐射以及地面等反射的短波辐射,因此把平均辐射温度的概念直接用在室外是不恰当的,可以用等效温度teq来代替。第三,室外人体的活动情况与室内也不相同。例如:一个人在室内步行时一般对外机械做功为零,然而在室外由于路面特征和周围状况,可能对外做正功或负功。此外,人的适应能力、习惯、空气质量、室外暴露时间、人对环境的期望值等社会因素也对室外环境中人体的热感觉产生影响。
2 评价模型
在热舒适状态下,人体将具有暂态热平衡,即产热等于散热。用方程表示为:
H-Ed-Esw-Ere-L=K=R+C。
其中,H为人体内的产热,H=M(1-η);Ed为水蒸气通过皮肤散发的热损失,Ed=0.35ADu(1.92ts-25.3-Pa);Esw为汗液通过皮肤表面蒸发的热损失;Ere为潜在呼吸的热损失,Ere=0.002 3M(44-Pa);L为干呼吸的热损失,L=0.001 4M(34-ta);K为通过皮肤传递至衣服外层的热量,
我们用室外热舒适指标(Outdoor Thermal Comfort Index,OTCI)表示室外人体热感觉(见表1),然后向室内热环境评价指标PMV值回归:
OTCI=0.01×S。
3室外行人的热舒适评价
假设有一行人在南方某一城市的空旷地域以3.2 km/h的速度行走,穿短袖、长裤。OTCI的计算结果如图1～图5所示。
参考文献
[1]李天麟,曹俊周,黄海潮.舒适[M].北京:科学技术出版社,1992.
[2]刘加平.建筑物理[M].北京:中国建筑工业出版社,2000.
[3]马克斯.莫里斯.建筑物气候能量[M].北京:中国建筑工业出版社,1990.
煤炭企业环境污染特性模糊评价模型 篇5
煤炭企业环境污染特性模糊评价模型
摘要：煤炭企业造成的环境污染是一个多方面、宽领域的问题,正确界定这些企业的环境污染等级能促进环境监管力量的有效使用,这是煤炭企业环境管理工作中的.一项重要任务.从5个方面建立了相应的模糊评价模型,并对具体企业进行了实证研究.结果表明,该模型具有一定的可行性,从而为煤炭企业环境监管提供了有效的评估手段.作 者：李创 LI Chuang 作者单位：河南理工大学,经济管理学院,河南,焦作,454000期 刊：资源开发与市场 Journal：RESOURCE DEVELOPMENT & MARKET年，卷(期)：,26(5)分类号：X322关键词：环境监管 模糊评价 煤炭企业
环境模型驱动的服务组合方法 篇6
服务组合的面临的困难包括：一是服务的数量和组合问题的复杂度，存在大量服务是服务优势的来源，但是手工组合方法很难应对大量服务的组合，同时组合问题是一种指数复杂度的问题；二是服务组合的动态性和开放性，服务实现的自主性和异构性以及客户的未知性等性质使得服务组合是动态开放的，而当前的很多自动组合方法和工具只支持封闭世界下静态的组合；三是推理和描述之间的矛盾，语言的描述能力与推理能力成反比，比如参考文献[2]中OWL-Little、OWL和OWL-Full的描述能力逐渐增加，但推理复杂度却分别为多项式时间、指数时间和不可推理。
当前对服务组合的研究可以分为对已有工具能力的应用、对推理工具的扩展和组合问题的定义和分析。如[3]中实现了服务组合问题到层次任务规划问题的转换，使得可以借助已有的Shop2工具组合服务；[4]则通过扩充已有的Golog语言，实现了一种客户化通用程序的组合方法。[5]从服务行为描述的重要性出发，提出了一种行为服务组合的方法，并实现了问题到自动机、描述逻辑等描述语言的转换，以借用已有的理论和工具；WSMO[6]则从组合问题的整体性质出发，提出了一种包含服务、本体、目标和中介四类元素的多层次组合框架。这些方法大多基于某种假设，而没有讨论在服务组合时如何满足对应的假设，而且组合的复杂度也比较高，如[4]等基于行为的组合方法都是指数复杂度的。
与以上方法不同，该文从环境建模的思想出发，提出了一种转换服务组合问题和模型驱动的组合方法。该文的主要创新点包括提出了一种通过创建领域环境模型、投影描述解决动态开放组合问题的方法；并提出了一种基于环境知识提高组合效率的方法，使得可以在多项式时间内组合服务，实验结果表明该方法是有效的。
1环境建模
环境建模是环境模型驱动服务组合方法的基础。本节先介绍了服务的环境概念、描述服务所需的环境本体、创建环境模型的方法以及如何描述服务和需求以把组合问题限定到环境模型中。
1.1服务的环境
文中环境的概念来源于需求工程[7]，通过定义环境来区分软件实现方案和问题，使得需求工程专注于获取问题而不陷入实现方案的设计。环境建模中环境的含义与[8]等中的环境不同，它们的含义分别如图1(a)和图1(b)所示。[8]中环境指用户和系统间交互的场景及相关因素，环境建模中的环境不仅包括用户和服务之间的媒介或其它要素，还包括服务的用户以及其它客户关心的且服务作用下发生过变化的内容，是服务可能影响到的现实世界中的所有内容。
服务组合是在单个服务不能满足客户需求的情况下组合多个已有服务来满足需求。服务组合是分布式环境下的一种软件开发方法[9]，从所要考虑的内容看，它与传统软件没有本质的区别，仍然要考虑从客户需求到领域知识以及软件性质等内容。
从环境建模的思想看，服务组合需要考虑系统、现实世界和需求三方面的内容。服务组合的动态开放性体现在服务和需求的动态开放性上，服务的动态开放性是由于为了促进服务间的竞争和服务的改善，难以限制服务的实现方式和范围；需求的动态开放性则在于要满足更多需求、争取更大利润的前提导致的客户或客户需求的多样化以及来源的不确定性等。而服务的环境指的是现实世界，它是客观存在的，不受服务和需求变化的影响。
1.2环境本体
为了统一服务提供者、服务请求者之间的术语，该文采用本体的方法。环境本体中的主要概念如下，其中部分概念的定义或含义可参见[10-11]中的内容。
定义1.环境，记为Env，定义为二元组：
其中，DomSet是建模环境中环境领域的集合，DomRelSet是领域之间关系的集合。
定义2.环境领域，记为EnvDom，是DomSet的元素，定义为四元组：
其中，DomName表示环境中环境领域的名字，DomAtrrSet表示领域的属性集合，用以区分不同的领域，EntSet是此环境领域中环境实体的集合，EntRelSet表示环境实体之间关系的集合。
定义3.环境领域关系，记为DomRel，是DomRelSet的元素，定义为三元组：
其中，sdom,tdomDomSet,表示DomSet中的任意两个领域，domrel表示领域之间的关系，它可以为：
定义4.环境实体记为EnvEnt，是EntSet的元素，定义为一个四元组：
其中，EntName是环境实体的名字，它是唯一的。Type表示环境实体的类型，环境实体分为自主实体、符号实体和可控实体三类，分别取值为A、S和C。自主实体时可以接收或发送服务或其它环境实体传递的事件，但没有确定的状态变化和内容变化；符号实体可以接收或发送服务或其它环境实体传递的数据，接收数据会改变环境实体的内容；可控实体可以接收或发送服务或其它环境实体传递的消息(事件或数据)，接收或发送消息能改变此环境实体的状态或内容。AttrSet={<attrn,at trv>|attrn和attrv分别表示静态属性的属性名和属性值}是环境实体静态属性的集合，描述环境实体的性质，它们不受服务影响。Eff=Events|Datas|Trans，表示环境实体的效果，它描述环境实体在服务的作用或触发下发生的动态变化，它的取值取决于环境实体的类型，自主实体的Eff为Events={<dir,event>|dir=?|!,event为命令消息}；符号实体的Eff为Datas={<dir,data>|dir=?|!,data为数据消息}；可控实体的Eff取值为Trans={<ss,mes,ts>|ss和ts表示环境实体的状态，mes为数据消息或事件消息}。
定义5.环境实体关系，是EntRelSet的元素，记为EntRel描述环境领域中环境实体之间的关系，定义为一个三元组：
其中，sent,tentEntSet,表示某个领域内任意两个环境实体，entrel表示环境之间的关系，可以分为：
1.3环境模型的构建
环境建模是环境驱动服务组合的基础，它是以环境本体为基础构建某个领域的问题的模型。在建模中需要考虑领域问题、客户和服务三方面的因素。对于相互之间关联较弱的问题直接分为多个领域分别建模，对于关联较强的领域，其任务如下：
步骤1：确定问题的范围。从领域角度看，要求描述耦合较强的内容。从客户角度看，要描述客户需要解决的问题，要满足的需求范围要适中，描述范围过大会造成领域过于复杂，描述过小则不能单独满足客户需求。从服务角度看，要描述服务能解决的问题，描述服务不能解决的问题不仅无法组合，也会提高描述、组合等的复杂度。
步骤2：确定环境实体。从领域角度看，一要尽可能选择问题领域中概念作为实体；二要选择功能紧密的内容作为同一实体，把耦合较弱的或没有关联的分为不同的实体。从客户角度看，环境实体要与客户需求相适应。从服务角度看，环境实体要适当考虑服务提供的功能之间的耦合。
步骤3：确定环境实体的类型、属性和行为。静态属性用于选择实体，静态属性的选择和取值范围的确定反映了实体性质和提供服务的范围。Eff描述环境实体的变化，其范围确定了可以对这个环境实体施加的功能，行为的粒度确定了服务描述和客户选择的粒度，描述粒度过小会提高描述或推理的复杂度，描述粒度过大或功能单位不一致会造成一些功能无法描述。类型反映领域对环境实体不同变化之间的约束，如变化依赖于实体状态则为可控实体。
步骤4：划分子领域。如果领域内存在不一致，或者领域的复杂度超过了期望的程度则要分解领域。不一致包括环境实体具有不同类型特征，环境实体的行为需要以不同粒度描述或者相同条件下可能发生多个不同的变化等。领域复杂度的要求则取决于具体的描述语言和推理工具以及客户的要求等内容。
以网上购物领域为例，其主要环境实体和实体之间的关系如图2(a)所示，具体行为的描述如图2(b)所示，(b)中虚线代表其它没有描述的变化。其中，确定问题范围是确定要处理的内容，如以买家为客户，是否处理卖家信息取决于购物者除了关心产品的内容外是否关心商家的规模或地址等内容。确定环境实体是确定环境不同变化之间的关系，不一定与现实实体完全对应，如当支持购物、彩票等具有不同行为买家时，可作为多个环境实体。确定环境实体的静态属性是确定服务可能改变的领域实体，比如支持信誉度为什么范围的买家；确定环境实体的动态属性是确定客户可以接收的服务或服务可以提供的服务范围，比如买家是否能够先收货再付款。划分领域是确定可以自动推理的问题范围，涉及多个领域时一般需要人工介入。
1.4服务描述和需求描述
基于环境描述服务和需求是环境模型驱动服务组合的前提，可以预先进行。服务基于环境的描述定义如下：
其中，ID是服务的标识，DomSet是服务作用的领域集合，是环境领域集合的子集，SerSet表示此服务成员服务的集合，服务为原子服务时是服务自身，FuncSet描述环境实体的变化和服务之间的关系。需求描述是一个没有SerSet和FuncSet部分的服务描述，描述需求时，ID是需求的标识，DomSet是客户期望改变的领域集合。
基于环境本体的服务描述和需求描述是一种投影。服务描述过程中，服务信息、环境模型和相关信息的充分性和形式化程度决定了描述的自动化程度。服务信息包括服务可作用的领域、可作用的实体、与实体间的交互及自身的变化特征等信息。描述可能遇到如下问题：一是服务提供了领域模型之外的功能，这时只描述服务在此领域内提供的且独立于其它功能的功能；二是服务提供的功能依赖于领域外的环境实体，则要求服务可以独立获取这些资源；三是服务提供功能的粒度与环境描述的粒度不一致，在服务提供的功能粒度大于环境模型粒度时按服务提供的功能描述，在服务功能粒度小于环境模型粒度时则根据环境模型描述，在服务功能与环境模型行为之间不存在可对齐的划分时，则无法描述。由于服务描述中各个领域是分别描述的，描述过程与单领域的服务描述一样，可参见[11]中的描述方法。
需求描述与服务描述的主要区别在于需求可能涉及多个领域。当需求属于单一领域时，可以采用与描述服务相似的方法描述需求，选择所需的环境实体、指定环境实体的性质变化以及推导环境实体的变化过程和依赖关系，具体内容可参见[12]；当需求描述涉及多个相互之间无关的领域时，则分为多个领域分别描述；当需求涉及多个相关的领域时，则需要客户、领域专家的介入，以处理不同领域之间的冲突，以获得一个一致的需求描述。
除了需求涉及多个相关领域时需要有领域专家或客户参与外，其它情况下服务组合问题都在单个领域内，新服务和新需求的出现不会改变问题的内容。描述的结果是领域模型的裁剪，如一个基于图2(b)的具体的买家服务描述如图2(c)所示。
2组合方法
该文假设服务在其所有可以提供功能的领域具有描述，而且服务的不同作用效果之间是独立的。利用环境模型中的知识，采用分解发现的方法来组合服务。
2.1需求的分解
基于环境本体描述的需求中，不同子需求之间的依赖类型有：
-领域依赖，两个子需求之间存在领域依赖当且仅当两个子需求属于同一个领域，即|req1.DomSet|=1req1.DomSet=req2.DomSet;
-消息依赖，两个子需求之间存在消息依赖当且仅当一个子需求的满足需要另一个子需求的消息，即(3)mes(mesreq1mesreq2req1.mes.dirreq2.mes.dir);-
-实体依赖，两个子需求之间存在实体依赖当且仅当两个子需求是关于同一个环境实体的，即req1.DomSet=req2.DomSet|req1.EntSet|=1req1.EntSet=req2.EntSet;
-状态依赖，两个子需求之间存在状态依赖当且仅当两个子需求是关于同一个可控实体的，即req1.DomSet=req2.DomSet|req1.EntSet|=1req1.EntSet=req2.EntSet(3)ent(entreq1ent.Type=’C’);
不同依赖之间的耦合程度不同。存在领域依赖仅表示需求属于同一个领域；存在消息依赖表示要满足一个需求需要满足另一个需求的过程中发送的消息；存在实体依赖的两个需求则需要改变同一个环境实体，在需要实体消息的同时还有资源上的约束；存在状态依赖时，在以上约束的同时还具有时间上执行次序的约束。以网上购物领域为例，存在领域依赖时，买家张三和支付者工商银行属于同一个领域，但张三不一定通过工商银行支付；存在消息依赖时，张三要通过工商银行支付，但可能涉及多家工商银行，如何转账没有限制；存在实体依赖时，张三的账户只能张三操作；存在状态依赖时，张三只能先存钱再取钱。
据此设计了表1中需求分解规则。其中，规则1根据领域划分需求，把不同领域的需求作为不同的子需求。规则2-5根据需求之间的消息依赖划分需求，规则2划分的是不存在消息依赖的需求；规则3划分的是存在单向消息依赖的需求；规则4划分的是与符号实体或自主实体存在消息依赖的需求；规则5划分的是存在多个环境实体的需求。规则6划分的是包含单个符号实体或自主实体的需求。规则7划分的是含有单个可控实体的需求。划分方法的实现可参见[12]，规则1、规则5和规则6具有线性时间复杂度，其它规则是多项式时间复杂度。
2.2基于分解的组合
基于环境的描述不仅提供了面向问题的描述，而且可以更加具体地描述服务的非功能属性和客户对各部分问题非功能属性的要求，同时可以支持基于行为的服务发现。其组合过程如算法1所示，分析可知当发现算法的复杂度不超过多项式时间复杂度时，组合算法具有多项式时间复杂度。
算法1：基于分解的组合算法
3实验分析
为实现本文组合方法，基于eclipse平台下开发了对应的组合原型系统。
3.1实现原型
原型分为应用层、功能层和数据层三个层次。应用层提供了描述需求和组合服务的面板，需求描述过程中支持对环境实体、消息和状态的选择，组合时支持对分解规则以及[12]中转换规则的选择，分别如图3和图4所示。功能层实现描述和组合的推理，可以在客户指定需求下推理可行的实现过程。数据层存放复合环境本体规范的服务描述和各个领域的环境模型。
3.2组合方法评价分析
为了验证该文方法的实际性能，在所开发平台上进行了性能验证。在服务数从10到110，需求行为数从100到300，没有优化发现算法的情况下(可选服务没有进行索引或排序)，进行了多次服务组合，所耗费的平均组合时间如图5所示。从中可以看出，与2n的指数趋势线比，该文方法受服务数的影响较小；组合复杂度随服务数的增加而增加，需求1、需求2和需求3都是上升趋势；组合复杂度随需求行为数的增加而增加，需求3的组合时间大于需求1的组合时间；实验还显示，服务粒度和服务选择次序对组合效率都有影响，当有大粒度服务匹配时，需求行为数的增加不一定导致组合时间的增加，如在服务数是20时，需求3的时间少于需求1的时间；而当采取选取第一个满足子需求服务的发现策略时，选取合适的发现次序能减少组合时间。
3.3组合方法对比
已有的很多服务组合方法是基于某种假设，但没有讨论实现其假设的方法，只能适用于特定的环境，如[5]中的Roman模型假设存在一个定义了原子行为的社区，[3]假设存在能分解需求的复合服务或简单服务。在区分描述内容的方法中，[6]是一种开放的多层组合模型，并引入中介作为不同层次、不同内容之间转换的机制，但没有具体的中介实现方法，其复杂度也很难控制。[13]也是基于服务的行为，但建模对象是服务与外部实体的交互信息及其次序；其复杂度依赖于服务间交互的机制，当允许无限消息队列时，它是图灵完全的。[14]侧重于对服务语境信息的处理，其语境该概念的含义与[8]中环境相似，并用不同类型的Agent来处理各类语境信息。在支持行为服务或复合服务的组合方法中，[5,13,15]都是具有指数级或以上的服务度。与前面基于环境的组合方法[16,17]相比，该文更侧重于对环境模型的构建和环境中知识的使用，[16]中方法没有考虑环境的建模，环境仅提供了描述服务语义的统一术语；[17]中服务描述是基于单个领域内的环境模型，但其采用的是一种通用的与[5]中类似的行为组合方法，具有与其相同的指数时间复杂度；[12]则没有考虑多领域需求的服务组合以及环境建模的问题。该文方法是在已有单个领域组合方法的基础上，不仅利用了环境模型的知识以支持高效的组合，而且通过扩充了环境本体的概念，可以支持复杂问题或多个领域问题的组合。
4总结
环境模型驱动的方法为组合服务提供了一种新的思路，有助于解决服务组合的开放性和动态性和提高组合的效率。前一个问题的解决在于它是以形式化的问题模型为基础，采用了与其它方法不同的描述方式，对一个具体的问题领域，仅描述服务对问题领域的作用效果，使得服务描述不仅不受服务实现方式变化的影响，还不受服务其它方面功能的影响，同时对客户的也具有相同的效果。对效率的提高在于环境模型引入的新知识和对知识的利用，知识的引入不仅限定了服务作用的范围，还限定了不同服务之间的关系，而且分解是降低问题复杂度的有效方法，基于知识的分解不仅可以简化问题，而且限定了组合的位置。
无线环境监测模型装置设计 篇7
关键词：MSP430F149单片机,环境监测,OOK调制
无线传感器网络技术的发展日趋成熟, 方向也越来越多越来越重要, 将其技术应用于环境保护和环境监督已成为众多科研单位和企业关注的焦点。 低功耗、 电池的容量、 体积、无线传感模块的适用寿命等都是无线技术发展的目标和要求,亦将变成一个趋势。 无线传感器网络由大量分布的不同规格和功能的具有感知、 计算和通信能力的微型传感器节点, 通过自组织的方式构成的一个以数据为中心的无线网络。 大量传感器节点通过相互之间的分工协作, 实时感知、 监测和采集分布区域内的监测对象或周围环境的信息。
1 系统总体方案
系统设计充分考虑到实际应用需求, 结构简易, 成本低,工作性能稳定, 功耗低。 总体框架由3 部分组成: 监测终端、无线收发电路以及传感探测电路。 通过微处理器和存储单元实现对所得数据的分析、 处理和存储; 传感探测单元由传感器进行对探测对象信号的采集: 无线传输部分实现收发端的半双工低功耗通信。 其系统的整体方案如图1 所示。
系统中用于信号的采集和处理的主控芯片采用MSP430F149。 发送模块采用二进制振幅键控(2ASK) 调制,键控法OOK实现方式, 其信号表达式为式1。
载波产生模块采用有源晶体振荡器, 发送方式采用电路简单、 高效、 快速的驱动芯片UCC37322, 输出9A的峰值电流, 能够快速地驱动MOSFET开关管, 在10n F的负载下, 其上升时间和下降时间典型值仅为20n S。 工作电源、 接收模块采用继电器开关控制, 倍压整流解调。
通信协议仿照NEC红外协议自定义通信协议的方式来完成通信要求。 通信方式由监测终端发送一次控制命令, 当最近节点接收到特定的控制命令, 自动设置成具有中转功能的节点, 同时对下一个节点发送控制命令, 将采集的信号发送给中转节点, 和中转节点的信号一起打包后发送给监测端。 可控性强, 同时发挥了作为监测端的功能, 对节点的控制性强。 并选用MSP430 内嵌温度传感器进行芯片内部温度的测量。
2 硬件电路和软件程序
硬件电路设计部分分为发送电路、 接收电路、 去噪声电路3 大模块。 发射电路由载波产生电路, OOK调制电路进行调制, 功率放大电路, 串联谐振电路进行电流放大, 最后通过线圈进行发送5 个部分组成。 接收电路由并联谐振电路、放大电路、 整形电路、 解调电路、 比较电路构成。 去噪声电路中主要包括地弹噪声、 串扰噪声和电源噪声的去耦和消减。
3 软件程序
软件程序部分主要是探测节点程序和监测端程序。 部分程序如下:
4 测试结果及分析
测试仪器选用RIGOL DS 5062MA示波器、 数字万用表LINI-T UT801、 绿扬YB1731A 2A直流稳压电源, 表1、 表2、 表3 是相关测试数据。
实际运行这个系统时, 大约4/5 处于接收状态, 这时的待机功耗小, 其余时间处于发送状态时处于高功耗, 可以估算平均功耗。 由于所采用的通信方式是监测终端发起控制着这个系统的发起, 所以完成一次两个节点的温度采集和显示需要4 次的信号传递, 所以提高了系统中断的可能性。 实际的温度采集的成功率在3/5。 为了保证整个系统运行一次在5 秒之内, 只要控制检测端发起控制命令的时间, 基本上能够满足4 秒至5 秒之间。 同时通过数据的测量汇总, 各节点之间,节点到监测终端之间的传输距离在20 左右。 测试结果满足无线环境监测系统的设计要求。
5 结语
基于公路环境的停车视距模型分析 篇8
关键词：交通安全,停车视距,公路环境,模型分析
0 引言
停车视距是指驾驶员发现道路前方的障碍物开始采取制动措施到车辆安全停止所需的距离, 包括反应距离和制动距离[1], 是评价道路使用质量的重要指标。
在直接影响停车视距的所有因素中, 驾驶员的反应时间是主要因素[2], 公路环境通过影响驾驶员的反应时间间接地影响停车视距。驾驶员能正确感知瞬息万变的道路环境信息, 并及时、有效地采取应变措施, 是预防交通事故的关键[3]。实验证明, 在紧急情况下, 立即刹车需要的时间中, 一半时间属于反应时间, 另一半时间是制动时间, 对车速为30km/h的汽车, 如果反应时间延长0.1s, 停车视距就会增加约1m, 这极有可能会造成交通事故[4]。
反应时间是机体通过视觉接受外界信息而做出反应动作的时距, 包含了感知、判断和操纵整个过程[5]。在一些紧急情况下, 如闪光灯型号指示时, 这个过程几乎在瞬时完成。而在一般情况下, 由于这个过程中存在人的判断行为, 所以比较复杂。
外因通过内因起作用, 内因受外因的影响, 公路环境作为外在因素, 直接或间接地影响驾驶员的反应时间。驾驶员在驾驶过程中通过视觉获得大约90%的信息[6], 在静止时和运动时的视觉特性有较大差异, 获得的视觉感受不同。驾驶员视野的深度、宽度和视野范围内的画面都在随着车辆的运动不断变换, 需要根据视野的内容操纵车辆, 不同的外界刺激具有不同的反应时间, 因此, 在驾驶员视野范围内的不同公路环境所形成的动态刺激, 对反应时间的影响不同[7,8]。文献[9]测试了高速公路路侧植物的色相变化、种植的起始位置、背景植物的种植面积比例和种类数量的改变对驾驶员反应时间的影响。有研究表明, 在复杂的环境下需要更多的反应时间, 好让驾驶员有足够的时间去发现和识别道路交通状况, 重新选择操纵方式, 以及在道路危险处启动运行反应, 美国在这种条件下采用的反应时间为3.0-9.1s[6]。
目前, 国内外对于停车视距的研究, 主要是改进制动距离公式, 缺少对驾驶员反应距离的修正的相关研究, 尤其是基于公路环境对停车视距的影响研究还未见报道。DELAGUE等[10]研究了轮胎和制动器悬架等因素影响下的停车制动距离。BOGDEVICIIUS等[11]考虑了车辆制动系统、轮胎质量及道路表面特性对制动性能的影响, 从制动力学的角度分析不同粗糙度和车速对制动距离的影响。袁浩[12]从运动学原理出发, 对停车制动过程进行分析, 并提出新的停车视距模型。姜虹, 李峰[13]等考虑了不良天气对公路路面附着系数和能见度的影响, 提出一种适用于不同路面条件的停车视距模型。刘建锁等[14]分析了高速公路小半径圆曲线对停车视距的影响, 计算出满足停车视距要求的最小圆曲线半径。
本文考虑了公路环境对驾驶员的反应时间的影响, 从运动学原理出发, 分析了对汽车的制动过程, 并基于公路环境对停车视距模型进行了分析及修正。
1 停车视距模型分析
1.1 汽车停车制动过程分析
汽车在紧急制动时, 以一定的制动减速度, 从初始速度逐渐减小为零。如图1所示, 整个停车制动过程的运行时间包括驾驶员反应时间、车辆间隙消除时间、车辆制动力上升时间和车辆全制动时间。驾驶员反应时间是从驾驶员意识到道路前方存在障碍物需要刹车的瞬时起到实际采取制动的瞬时止所经过的时间t1, 包括驾驶员发现、识别危险物并做出制动决定的时间以及将脚从加速踏板向制动踏板移动的时间。车辆间隙消除时间是驾驶员从踩下制动踏板到汽车开始产生制动力使车辆减速的时间t2;车辆制动时间包括车辆开始产生制动力到制动力最大的时间t3和车辆以最大制动力行驶到车辆停止的时间t4。根据文献[15]将制动力上升阶段的减速度变化简化为线性变化, t4时间内的减速度达到最大值, 并保持不变。为方便计算, 将车辆间隙消除时间和驾驶员反应时间合并为反应时间。
1.2 停车视距模型分析
1.2.1 指南的停车视距模型
传统停车视距模型是我国《公路项目安全性评价指南》中关于停车视距的计算公式, 从力学的角度出发, 将汽车的停车制动过程分为两个阶段, 即制动反应阶段和制动阶段, 制动阶段的制动力恒定, 没有考虑制动力上升过程, 停车视距计算公式如下[16]:
式中:Sc为小汽车停车视距 (m) ;v85为运行速度的计算值 (km/h) ;t为反应时间, 取2.5s;g为重力加速度, 取9.8m/s2;f为纵向摩阻系数, 依运行速度和路面状况而定, 其取值如表1所示。
1.2.2 改进的停车视距模型
指南中的停车视距模型对于制动过程的考虑较简单, 与实际制动过程差别大。袁浩[15]等从运动学原理出发, 用制动减速度综合考察汽车制动的复杂过程, 将制动过程分为制动反应阶段、制动力上升阶段和全制动阶段, 并把制动力上升过程的制动减速度变化简化为线性变化, 全制动过程中制动减速度达到最大值并保持不变, 推导了在制动力上升阶段和全制动阶段的制动距离, 进而对停车视距的制动模型进行了改进。其修正后的停车视距模型为:
式中:S为停车视距 (m) ;t为反应时间, 取2.5s;t3为制动力上升时间, 取0.6s, amax为最大制动减速度 (m/s2) , 由文献[17]可知, 汽车动力学公式, amax=gf;v为运行车速 (km/h) 。
1.2.3 基于公路环境的停车视距模型
由于指南和改进的停车视距模型, 只是对制动距离修正, 没有考虑不同的公路环境对驾驶员反应时间的影响。本文从运动学出发, 将停车视距分为驾驶员反应距离、车辆间隙消除距离、车辆制动力上升距离和全制动距离, 并考虑了公路环境对驾驶员反应时间的影响, 进而对反应距离进行修正, 得到基于公路环境的停车视距模型。
(1) 驾驶员反应距离。
驾驶员的反应距离S1是当驾驶员发现前方障碍物, 经过判断决策到采取制动措施的一瞬间车辆所行驶的距离。这一过程驾驶员的反应时间由感知时间、判断决策时间和操纵反应时间组成。不同的感觉器官和不同的刺激都具有不同的反应时间, 反应时间与外界的刺激性质有关, 与公路环境直接相关的是视觉反应。
在驾驶员反应过程中车辆的制动器还没有工作, 因此, 运行速度保持不变, 故驾驶员反应距离由初速度v0和驾驶员反应时间t1决定, 其计算公式为:
现有停车视距计算中, 驾驶员的反应时间没考虑到周围的公路环境的影响, 是从发现障碍物到采取制动措施的时间, 取值为2.5s。但是, 驾驶员反应时间t1受不同公路环境的影响而不同, 由文献[9]可知, 路侧植物的不同颜色、种类、种植位置和面积比例对驾驶员反应时间的影响值t′如表2所示, t′的取值范围为0.17s-0.43s。
(2) 车辆间隙消除距离。
车辆间隙距离S2是汽车在车辆间隙消除时间t2行驶的距离, 由初速度v0和车辆间隙消除时间决定, 由于此过程车辆的制动器还没有工作, 因此, 运行速度仍保持不变。t2取值为0.05s[13], 一般将其与驾驶员反应时间合并为反应时间, 车辆间隙距离计算公式为:
(3) 车辆制动力上升距离。
车辆制动力上升距离S3是汽车在制动力上升时间t3内行驶的距离, 制动力减速度为线性变化, 制动力上升距离计算公式为:
(4) 车辆全制动距离。
车辆全制动距离S4是车辆在全制动时间t4行驶的距离, 制动减速度为定值, 且为最大制动减速, 全制动距离计算公式为:
(5) 停车视距模型。
由式 (3) , 式 (4) , 式 (5) , 式 (6) , 得停车视距S计算公式为:
将v (m/s) 化为V (km/h) , 并整理得:
式中:S为停车视距 (m) ;t为基本反应时间, 取2.5s;t′为不同公路环境对驾驶员反应时间的影响值, 变化范围为0.17s-0.43s;t3为制动力上升的时间, 取0.6s[8];amax为最大制动减速度 (m/s2) , amax=gf;V为制动初速度, 即运行速度 (km/h) 。
2 停车视距计算结果分析
根据式 (1) 、式 (2) 、式 (8) , 计算各运行速度下的停车视距, 结果如图2所示。其中规定值按《公路项目安全性评价指南》, 式 (1) 计算所得, 改进值按改进的停车视距模型, 式 (2) 计算所得, 修正值是按基于公路环境的停车视距模型公式, 式 (8) 计算所得。
从图2中可以看出, 同一公路环境下, 在低速区域, 车速小于60km/h时, 规定值与改进值、修正值的差异不大, 但在高速区域, 车速大于80km/h时差值增大;在同一运行速度下, 考虑公路环境影响的停车视距最大, 即修正值最大, 其次是改进值, 最小的是规定值, 且不同公路环境对反应时间的影响值越大, 规定值与改进值和修正值的差值越大。分析其原因:对于指南中的停车视距, 停车制动过程较简单, 没有考虑制动力上升过程, 导致停车视距的计算值存在偏差;对于改进的停车视距模型, 虽然考虑了制动力上升过程, 但是忽略了不同公路环境对驾驶员反应时间的影响, 所以计算值偏小。
3 结语
公路环境是决定驾驶员驾驶行为的重要因素之一, 直接影响到驾驶员反应时间, 进而影响到停车视距。
本文考虑了公路环境对驾驶员的反应时间的影响, 对停车制动过程和视距模型进行分析, 得出了基于公路环境的停车视距计算公式。并与现有指南的规定值和改进的停车视距的计算值进行了比较, 结果表明:同一公路环境下的停车视距, 随着车速的增大, 修正值与指南、改进值的差异趋于增大;相同运行车速, 公路环境对反应时间影响越大, 修正值越大, 与指南、改进值的差异越大;现有指南的停车视距值较小, 位于取值区间底部, 从安全的角度来讲处于风险较高的范围。
水环境数值模型研究进展 篇9
关键词：富营养化,水质模型,水环境,数值模型
水质模型是污染物在水环境中变化规律及其影响因素之间相互关系的数学描述, 既是水环境科学研究的内容之一, 又是水环境研究的重要工具。它的研究涉及到水环境科学的许多基本理论问题和水污染控制的许多实际问题。水质模型的发展在很大程度上取决于污染物在水环境中的迁移、转化和归宿研究的不断深入, 以及数学手段在水环境研究中应用程度的不断提高。在理论上从最初的质量平衡原理发展到现在的随机理论、灰色理论和模糊理论;在实际应用上, 从最初的城市排水工程设计发展到现在的污染物水环境过程模拟、水环境质量评价、污染物水环境行为预测, 水生物污染暴露程度分析和水资源科学管理规划等水环境保护的各个方面;在研究方法上, 从最初的解析解和浓度表达发展到现在的以人工神经网络模拟辅助解析, 及与地理信息系统 (GIS) 相结合的数值解和逸度表达法。这些成果都极大地推动了水环境管理技术的现代化。文中重点介绍了水环境数学模型的发展阶段, 阐述了国内外水质模型的主要研究进展, 并分析了各模型的优缺点和今后的发展趋势。
1 水质模型的发展阶段
水质模型的形成和发展大致经历了半个多世纪, 大致可分为以下几个发展阶段[1]:
1) 1925年～1960年为水质模型发展的第一阶段 (基础阶段) 。在这一阶段中, 水质模型的研究处于最初时期, Streeter和Phelps共同研究并提出了第一个水质模型, 后来科学家在其基础上成功地运用BOD-DO模型于水质预测等方面[2]。
2) 1960年～1965年, 在S—P模型的基础上有了新的发展, 并将其用于比较复杂的系统。引进了空间变量、物理的、动力学系数。温度作为状态变量也引入到一维河流和水库模型, 水库 (湖泊) 模型同时考虑了空气河水表面的热交换。水力学方程、平流扩散方程作为水质迁移过程的基本描述而被用于水质模型。第一个简单的模型 (一维的稳态模型) 开始在水质管理中应用[2]。
3) 不连续的一维模型扩展到包括其他来源和丢失源是在第三阶段即1965年～1970年期间进行研究, 其他来源和丢失源包括氮化物耗氧 (NOD) 、光合作用、藻类的呼吸以及城建、再悬浮等。一维的网络系统被用于描述二维的垂直混合体系。计算机的成功应用使水质数学模型的研究有了突破性的发展。
2 国外水质模型的发展概况
2.1 Streeter-Phelps水质模型
第一个水质模型是1925年由美国工程师Streeter和Phelps提出的氧平衡模型, 由Phelps在1944年总结和公布, 即经典的Streeter-Phelps水质模型。这个模型的基本原理是相当合理的, 所以模型及其某些修正形式至今仍被用于模拟水质。Streeter-Phelps模型是最早的水质模型, 其主要假设为DO浓度仅取决于BOD反应与复氧过程, 并认为有厌氧微生物参与的BOD衰变反应符合一级反应动力学;水中溶解氧的减少是由于含碳有机物在BOD反应中的细菌分解引起, 与BOD降解有相同速率;由于氧亏和湍流而引起复氧, 复氧速率与水中氧亏成正比。
2.2 QUAL模型体系
QUAL2E[4]是一个一维水质模型, 适用于模拟混合良好的枝状河流。QUAL2E可以同时模拟如下任意组合的15种水质组分:BOD, DO, 温度, 叶绿素a, 有机氮, 氨氮, 亚硝氮, 硝氮, 有机磷, 溶解性磷, 大肠杆菌, 任意一种非守恒性物质和3种守恒性物质。允许河流沿程有多个污染源、取水口和支流汇入, 还可以模拟河道中水工建筑物对河流水质的影响。作为一个准动态模型, 它将恒定流水力学与水质参数结合起来, 而这些水质参数既可以是恒定的, 也可以是逐日变化的。QUAL2E既可以作为静态模型使用, 也可以用于动态模拟。
2.3 WASP模型体系
WASP (Water Quality Analysis Simulation Program) 是美国环境保护局提出的水质模型系统, 可用于对河流、湖泊、河口、水库、海岸的水质进行模拟[6]。WASP最原始的版本是于1983年发布的, 它综合了以前其他许多模型所用的概念。之后WASP模型又经过几次修订, 如WASP4, WASP5及WASP6。WASP包括两个独立的计算程序:DYNHYD和WASP, 它们可以联合运行, 也可以独立运行。DYNHYD是水动力学程序, 它模拟水的运动;WASP是水质程序, 它模拟水中各种污染物的运动与相互作用。
2.4 CE-QUAL-R1
CE-QUAL-R1确定水质参数垂向位置随时间变化的值。它将一个水库概括为垂直方向一系列的水平层, 且每一层内的热能和杂质都均匀分布。它所模拟的基本物理过程包括水面热传递, 短波与长波辐射与贯透, 对流混合, 风与水流诱生的混合, 因抽水蓄能的入流而使周围的水体掺气, 入流的异重流位置, 选择性取水以及温度异重流和溶解的、悬移的固体所造成的分层现象。
2.5 CE-QUAL-W2
美国陆军工程兵团水道实验站的模型CE-QUAL-W2是二维横向平均水动力学和水质模型[6]。该模型由直接耦合的水动力学模型和水质输移模型组成。水动力学的计算受可变化的水密度影响。密度的变化是由于温度、含盐度的变化以及溶解和悬移的固体造成的。该模型原来是针对水库研制出来的, 但是它也能够用于河流和分层的狭窄河口。
2.6 CE-QUAL-RIV1
美国水道实验站的模型CE-QUAL-RIV1是一个河川完全动态的一维水流与水质模拟模型[6]。该模型原来的版本基本上用来预测与暴雨径流有关的水质, 现在的CE-QUAL-RIV1已经修正得能够处理控制建筑物了。该模型能够分析非恒定性严重的河川条件, 诸如电站峰荷变化的尾水;还能模拟分支河流系统, 并可拥有许多的控制建筑物, 诸如河道整治用的丁坝、顺坝以及通航船闸和坝。CE-QUAL-RIV1软件包括两个独立的程序:RIVEH和RIVEQ, 它们既可联合使用, 也可独立使用。RIVEH根据全项圣维南方程的数值解法进行水力学演进, RIVEQ则是水质程序。该模型类似于QUAL2E的是它也模拟温度、溶解氧、生化需氧量和营养素, 但是CE-QUAL-RIV1能够模拟水流和水质梯度很陡的情况。
3 国内的水质模型应用
3.1 QUAL2E模型在大沽河干流青岛段水质模拟中的应用
采用QUAL2E模型对大沽河干流青岛段的水质进行了模拟和预测。针对大沽河的具体情况, 选用BOD, COD和氮作为模拟预测指标, 用实验模拟方法、模型率定法并参考相关文献确定了BOD耗氧系数k1, BOD复氧系数k2, BOD沉降系数k3, COD耗氧系数和弥散系数等水质参数, 并对模拟结果进行了验证, 表明预测值和实测值的相关性较好;对BOD5, k1, k2和流量进行了灵敏度分析, 结果表明, 对大沽河DO浓度影响敏感的参数依次是:Q, k2, BOD, k1, 即流量Q是模型最敏感的参数, 说明河流的水力学参数对DO影响较大。
3.2 基于HSPF模型的滇池流域非点源污染模拟
邢可霞等利用HSPF模型并且通过对该模型参数的灵敏度分析和参数调整, 利用滇池流域各入湖河流1988年, 1989年的水质监测数据及相关统计资料, 分别对该流域的水文、水质过程进行了模拟。结果表明, SS是滇池流域非点源污染的首要污染物, 大约80%的入湖SS来自非点源。在枯水年, 非点源贡献了约1/3的TN, TP入湖负荷量, 而BOD的主要贡献者则是点源污染。
3.3 CSTR水质模型在赣江流域的应用
1) 针对赣江流域范围广、水系复杂、支流众多的实际情况, 结合对水质模型的遴选, 建立了赣江流域的CSTR水质模型。2) 对可以获得的赣江流域水质模型数据进行分析表明:水文数据在空间上比较稀疏, 但单个水文站点能够比较好地反映流量和其他水文参数的时间变化过程;水质数据在时间和空间上代表性都比较稀疏;污染源统计数据可信度较低。3) 对模型的水力学参数和水质参数分别进行了筛选。采用拟合的方法确定了模型中的水力学参数, 并按3种河流类型分别确定了模型的水质参数。4) 对模型进行验证, 结果表明, 该模型能够达到赣江流域预定的规划目标的要求, 模拟的结果比较可靠。
3.4 滇池生态系统动力学模型
滇池的生态系统动力学模型[7]最早是由刘玉生等建立的, 将生态动力学模型与一维箱模型以及二维水动力学模型结合。该模型基于1988年4月和7月的湖面监测数据, 并通过系统聚类分析方法分别将外海和草海划分为3个和2个箱。模型主要变量包括:藻类细胞中的碳、氮、磷;有机碎屑中的氮、磷;沉积物中的氮、磷;可溶性磷;浮游植物、浮游动物生物量;COD研究的主要过程是藻类动力学和沉积、释放。藻类的生长用两阶段生长理论取代了典型的Michaelis2Menten方程, 将生态动力学模型代入箱模型, 得到生态动力学箱模型。
3.5 太湖生态系统动力学模型
太湖是目前国内在水动力学、水质和生态系统动力学模型方面开展研究相对较多的湖泊, 如太湖三维动态边界层模型、梅梁湾三维水动力模型和三维营养盐浓度扩散模型、凤眼莲对太湖生物—物理工程实验区水质影响的水质—生态模型、太湖地区的大气二水环境综合数值模拟、梅梁湾藻类生态模拟、太湖的水动力学三维数值试验研究、太湖藻类生长模拟、三维浅水模式下的太湖水动力数值试验等[7]。但大部分模型未对湖泊的生态动力学变化作深入研究, 仅为其提供水动力基础。
4 结语
国内外水质模型的发展迅速, 模型的种类繁多, 功能也越来越强大, 但是由于影响水质的因素太多且受到时间和空间的影响很大, 涉及到的参数也非常多, 参数的确定也需要庞大的数据给予支持, 使其非常难以找到准确的规律。所以迄今为止还没有一个放之四海而皆准的模型。目前, 利用随机微分方程的理论来探讨水质的不确定性变化是国内外研究随机水质模型的一个重要方向。随着人类对湖泊及水库内生态过程和机理的认识的加深, 水质模型在生态系统水平研究将持续深入, 各局部过程的模拟研究也将持续深化, 结构动力学模型以及生态模型与物理模型相结合的耦合模型将得到推广和应用。水质模型必将可以更好地应用于各自的研究对象, 成为湖泊、水库及河道综合管理的有效工具。
参考文献
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环境数学模型 篇10
1 实验材料
实验在山西农业大学设施实验基地的温室中进行。该温室为塑料连栋温室, 位于东经112°53′, 北纬37°42′。气候特征:四季分明, 光照适中, 雨热同期。四季中春、秋季短, 冬、夏季长, 春季天气多变, 夏季高温多雨, 秋季天高气爽, 冬季寒潮频袭。属暖温带大陆性半干旱季风气候。年平均气温9.8℃, 降雨量418～483 mm, 年内降雨量分布不均, 降雨季节多集中在7月—9月, 3个月的降雨量占全年的70%。春旱严重是该地区的主要气候特征。年日照时数2 662 h, 无霜期175 d。风向随季节转换, 11月到次年3月, 西北风最多, 3月起北东风渐盛, 4月—6月以东风为主, 7月—8月多西南风, 9月—10月多北风。主要气象灾害有旱、沙尘暴、霜、冻、冰雹等。
该温室为圆拱形, 南北延长, 东西向四连跨结构, 东西宽34 m, 南北长40 m, 沿东西方向共分为4跨, 温室柱高均为3.5 m, 脊高5.5 m, 室内容积为8 640 m3。单栋跨度8 m, 东、西两侧设计侧拱, 跨度各1 m, 是双层塑料薄膜保温结构, 内部设置80%遮光率的铝箔保温幕。后墙即北墙为砌砖结构, 厚37 cm, 高3.5 m, 长32 m, 墙体面积112 m2, 中空部分添加煤灰等填充料。墙体上设计有4个2 m长、1.2 m宽的湿帘降温系统。室内土地面积共1 370 m2, 为钢结构骨架, 覆盖材料为聚乙烯膜, 膜覆盖面积为2 640 m2。跨与跨之间的连接处设有水槽, 以便下雨时进行排水。开关棚通过屋顶的电机驱动卷帘机构卷放帘来完成。冬季温室加热采用校内暖气管道, 温室内设有上下2条管道以及保温幕, 可以减少热量损失, 节约能源。夏季高温时, 利用自然通风的降温不能达到预期的效果, 采用遮阳加湿帘—风机系统降温。风机装在温室的南方, 每跨1个。
温室内种植黄瓜, 成行种植, 行与行之间用加热管道隔开。黄瓜是典型的喜温植物, 耐弱光, 对空气湿度和土壤水分要求比较严格。黄瓜的适宜土壤湿度为土壤持水量的60%～90%, 黄瓜的适宜空气相对湿度为60%～90%。选用富含有机质的肥沃土壤, 这种土壤能平衡黄瓜根系喜湿而不耐涝、喜肥而不耐肥等矛盾。黄瓜喜欢中性偏酸性的土壤, 在土壤酸碱度pH值为5.5～7.2的范围内都能正常生长发育, 以pH6.5为最适。
2 数学模型的建立
温室是一个半封闭的系统, 它不停地与外界进行着物质与能量的交换。在获得太阳辐射热和加温热量的同时, 通过覆盖材料的传热、通风和地面传热等途径, 向外界不断传出热量。研究连栋温室的微气候时, 先进行如下假设: (1) 由于植物的含水率较高, 无论室内地面灌水情况和土壤湿度如何, 室内植物的蒸腾和呼吸值在一定时间内均视为是相对稳定和均衡的; (2) 温室内相对湿度没有梯度的变化; (3) 无论是室内的植物体还是气温均无梯度变化; (4) 室内土壤的热损失是稳定的; (5) 室内空气的热容性是保持不变的; (6) 温室进出口相对温室覆盖面积而言要小的多, 且都设有缓冲间, 它对温室内的能量平衡影响可忽略不计[3,4]。由此得温室内空气热能平衡方程为:
模型中符号意义及有关参数或常数的取值见表1。对数学模型中相关参数进行分析, 发现室内空气热容量Ha、覆盖材料热能吸收率ap、覆盖材料透光率τ、室内植物热能吸收率ap、温室周边综合传热系数hc、地表面到室内空气的传热系数hg、植物体光合换热系数h0等7个参数对温室数学模型最后数值的计算至关重要, 因这几个参数对于不同材料不同的地点进行的试验得到的结果差异较大, 也难以确定, 需通过数值计算或是通过实验的测定方法才能确定。如把空气热容量的值定为:温室容积1 006.0, 单位为J/℃。显然没有考虑室内水蒸气的影响。因干空气的比热容通常在100℃以下是可视为定值, 其平均定压比热容为1 005 J/℃, 二者在数值上相差很小, 显然没有考虑温室内水蒸气的影响。为此运用比热容、相对湿度、湿空气的饱和蒸汽压力与温度之间的关系、正常温度范围内空气的温湿图等有关知识, 以室内温度为一已知值, 空气相对湿度为已知值的状态下, 求得空气的热容量Ha的值。
3 温室内空气热容量的确定
湿空气的饱和蒸汽压力与温度之间存在一一对应关系, 可由下式计算:
相对湿度是指湿空气中水气的分压与同温度下的饱和蒸汽压的比值, 也就是绝对湿度和相同温度下的饱和蒸汽压的比值, 也就是绝对湿度和相对湿度饱和湿空气的绝对湿度的值[5qa], 以φ表示:
相对湿度表示湿空气距离饱和的程度, φ值越小, 表示湿空气继续容纳水分的能力越强。当φ=0时, 空气不含水蒸气, 为干空气。当φ=1时, 湿空气为饱和空气, 丧失继续吸收水分的能力。
空气的热容量Ha为每1 L空气升高或降低1℃, 温室内湿空气吸收或放出的热量:
式中cv为常温度下水蒸气的平均定压比热容, 取值1.86 kJ/ (kg·K) ;ρv为30℃饱和水蒸气的密度, 取值0.030 36kg/m3;ps为饱和水蒸气所占的分压;p为标准大气压, 取值p=101 325 Pa;c为干空气的比热容, 取值为1.005 kJ/ (kg·K) ;ρ为干空气的密度, 取值1.29 kg/m3;V为温室的容积, 单位m3。如在假定温室内温度为30℃, 空气相对湿度为80%的状态下, 计算得空气热容量Ha值为温室容积×1 254.5 m3·J/℃。
4 结论与讨论
本文对数学模型中相关参数进行了较为全面的考查和研究。由于篇幅有限, 只对模型中参数空气热容量Ha的取值情况作了较深入的分析, 如考虑到水蒸气的影响, 在假定温室内温度为30℃, 空气相对湿度为80%的状态下, 得到的温室内空气热容量Ha的值为:温室容积×1 254.5 m3·J/℃, 经实验验证该值较符合实际情况。
参考文献
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