第八讲在环境科学中的应用优秀课件.ppt

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1、第八讲在环境科学中的应用第1页，本讲稿共20页1计算机在环境工程计算中的应用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80386、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

2、；当使用Notebook时，还需要MSWord6.0或以上的中英文版。第2页，本讲稿共20页2计算机在环境工程计算中的应用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

3、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。第3页，本讲稿共20页3 （2 2）MATLABMATLAB应用实例应用实例 MATLAB在水资源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

4、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，输水费用最小的方案。第4页，本讲稿共20页4计算机在环境工程计算中的应用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 供水简图第5页，本讲稿共20页5 建立约束条件：x11+x21 10 x12+x22 15 x13+x23 20 x

5、11+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=0.2 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

6、得出x=10 15 0 0 0 20万m3，Zmin=12.5万元。第6页，本讲稿共20页6计算机在环境工程计算中的应用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，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。第7页，本讲稿共20页7计算机在环境工程计算中的应用计算机在

7、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）水质参数本底浓度预测浓度水质参数本底浓度预测浓度溶解氧63CN0.0020.01BOD538总Cu0.0050.01CODCr632总Cd0.00050.01挥发酚0.0010.005石油类0.32.0 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 第8页，本讲稿共20页8计算机在环境工程计算中的应用计算机在环境工程计算中的应用S S2 2=6 3 15 0.002 0.05 1 0.00

8、5 0.05=6 3 15 0.002 0.05 1 0.005 0.05；%各指标对应的各指标对应的级水质标准值级水质标准值S S3 3=5 4 20 0.005 0.2 1 0.005 0.05;%=5 4 20 0.005 0.2 1 0.005 0.05;%各指标对应的各指标对应的级水质标准值级水质标准值S S4 4=3 6 30 0.01 0.2 1.0 0.005 0.5;%=3 6 30 0.01 0.2 1.0 0.005 0.5;%各指标对应的各指标对应的级水质标准值级水质标准值S S5 5=2 10 40 0.1 0.2 1.0 0.01 1.0;%=2 10 40 0.1

9、 0.2 1.0 0.01 1.0;%各指标对应的各指标对应的级水质标准值级水质标准值x x1 1=6.3 6.0.001 0.002 0.005 0.0005 0.3;%=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各指标对应的河流水质本底浓度值度值x x2 2=3 8 32 0.005 0.01 0.01 0.01 2.0;=3 8 32 0.005 0.01 0.01 0.01 2.0;S S=S S2 2；%各指标对应的河流水质预测浓度值各指标对应的河流水质预测浓度值A A=S1=S1，S2 S2，S3 S3，S4 S4，S5S5，

10、x1x1，x2 x2；W W=0.120 0.115 0.115 0.110 0.110 0.105 0.115 0.110=0.120 0.115 0.115 0.110 0.110 0.105 0.115 0.110；%各指标对应的权值各指标对应的权值 第9页，本讲稿共20页9n=size(An=size(A，1)1)；w=1/nw=1/n；T=30T=30；DOf=468/(31.6+T)DOf=468/(31.6+T)；%溶解氧的计算方法溶解氧的计算方法:index1=ones(1index1=ones(1，size(Asize(A，2)2)；index2=ones(1index2=o

11、nes(1，size(Asize(A，2)2)；index5=zeros(1index5=zeros(1，size(Asize(A，2)2)；for i=1:size(Afor i=1:size(A，2)2)if A(1 if A(1，i)S(i)i)S(i)I(1 I(1，i)=abs(DOf-A(1i)=abs(DOf-A(1，i)/(DOf-S(i)i)/(DOf-S(i)；else else I(1 I(1，i)=10-9*A(1i)=10-9*A(1，i)/S(i)i)/S(i)；end endendendfor j=2:nfor j=2:n for i=1:size(A for i

12、=1:size(A，2)2)I(j I(j，i)=A(ji)=A(j，i)/A(ji)/A(j，2)2)；end endend end 第10页，本讲稿共20页10for i=1:size(A for i=1:size(A，2)2)for j=1:nfor j=1:nindex1(1 index1(1，i)=index1(1 i)=index1(1，i)3 power(I(j i)3 power(I(j，i)i)，w);w);index2(1 index2(1，i)=index2(1 i)=index2(1，i)3 power(I(j i)3 power(I(j，i)i)，W(j);W(j);

13、index5(1 index5(1，i)=power(I(j i)=power(I(j，i)i)，2)+index5(i);2)+index5(i);endendindex5(1 index5(1，i)=sqrt(w 3 index5(1 i)=sqrt(w 3 index5(1，i);i);endendindex1index1；%幂指数法幂指数法(等权值等权值)index2index2；%幂指数法幂指数法(不等权值不等权值)index3=sum(w*I)index3=sum(w*I)；%加权平均法加权平均法(等权值等权值)index4=W*Iindex4=W*I；%加权平均法加权平均法(不等

14、权值不等权值)index5index5；%向量模法向量模法index=index1index=index1，index2index2，index3index3，index4index4，index5index5bar(index)bar(index)注：以上注：以上index index 编号次序与图编号次序与图1 1 中的水质综合指数编号一致。中的水质综合指数编号一致。第11页，本讲稿共20页11计算机在环境工程计算中的应用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。第12页，本讲稿共20页12计算机在环境工程计算中的应用计算机在环境工程计算中的应用图4

15、.11 不同水质类别的综合指数值第13页，本讲稿共20页13 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。处置场代号处置方式固定费用（元a-1）固定费用（元kw-1）

16、可变费用（元t-1）处理能力（twk-1）I焚烧2000003850121000O投海60000115016500L卫生填埋100000192061300表2 拟建固体废物处置场的费用和处理能力第14页，本讲稿共20页14计算机在环境工程计算中的应用计算机在环境工程计算中的应用 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

17、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）。第15页，本讲稿共20页15表表3 3 固体废物处理最优化模型系数固体废物处理最优化模型系数 x1x2x3x4（x11）x5（x12）x6（x13）x7（x21）x8（x22）x9（x23）38501150192019.518.521.017.023.518.5=Z111=700111=1200-1000110-500110-1300110111111第16页，本讲稿共20页16计算机在环境工程计算中的应用计算机在

18、环境工程计算中的应用 b.应用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 ；%最优化计算中不等式限制条

19、件的系数矩阵 第17页，本讲稿共20页17计算机在环境工程计算中的应用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 1000 500 1200 ；%最优化计算的上限值x=fmin

20、con(planning，x0，A，b，Aeq，beq，lb，ub)第18页，本讲稿共20页18计算机在环境工程计算中的应用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）。第19页，本讲稿共20页19计算机在环境工程计算中的应用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=47120；计算结果为A城市中的500吨固体废物将用投海处置，其余400吨固体废物全部卫生填埋处置；B城市中的1000吨固体废物将用焚化处置，其余300吨固体废物全部卫生填埋处置。第20页，本讲稿共20页20