第3章 环境生态规划的技术方法 2018

1环境现状调查与评价的基本程序和方法2环境与社会经济预测方法3环境规划的数学方法,第三章环境规划中的综合分析方法,1环境现状调查与评价的基本程序和方法,1.1环境现状调查内容1.2环境现状调查的方法1.3环境评价,1.1.1环境信息采集（1）信息源主要包括：先前的环境规划、计划及其基础资料；统计部门历年的统计资料；有关部门规划和背景资料；环境科研部门保管的文献资料；环境监测部门有关资料和历年环境质量报告书；专家系统提供的信息情报；实地考察、测试资料。,1.1环境现状调查内容,了解区域环境现状，发现和识别主要环境问题，从而确定主要污染源和主要污染物。,1环境现状调查与评价的基本程序和方法,查阅和收集公开发表的上述文献资料；召开专家和管理干部座谈会，请他们撰写有关资料或通过信函调查采集信息；吸收与环境规划有关部门的干部和专家参与环境规划编制；依靠当地环境局或上级协调部门疏通信息渠道，取得有关文献和资料；设立规划研究课题，委托科研单位进行关键问题的研究或关键数据的测试、核算等。,（2）环境信息采集方法,（1）自然环境特征地质、气候、水文、植被、地形地貌、土壤、特殊价值地区及生态环境（特别是生态敏感区或生态脆弱区）等。,1.1.2环境特征调查,（2）社会环境特征和经济社会发展规划区域相关的经济现状a.生产布局现状;b.生产力发展水平现状区域相关的社会因素a.社会人口状况b.社会意识状况c.社会制度和体制、体育等社会概况,（3）环境污染因素调查突出重大工业污染源调查和污染源综合调查。根据污染类型，进行单项调查，按污染物排放总量排队，由此确定评价区内的主要污染物和主要污染源。污染调查还应酌情包括乡镇企业污染评价和生活及面源污染分析等。污染调查还应考察现存环境设施运行情况、已有环境工程的技术和效益，作为新规划工程项目的设计依据和参考。,1.1.3生态调查,环境自净能力土地开发利用情况气象条件绿地覆盖率人口密度经济密度建设密度,污染源调查,工业污染源农业污染源生活污染源交通运输污染源噪声污染源放射性污染源电磁辐射污染源,1.1.4环境质量调查环保部门及工厂企业历年的环境质量报告和环境监测资料。1.1.5环保措施效果调查环保设施运行、达标率和环保措施削减污染物效果及其综合效益进行分析评价1.1.6环境管理现状调查包括环境管理机构、环境保护工作人员业务素质、环境政策法规实施和环境监督实施情况等,1.2环境现状调查的方法,1.2.1收集资料法,应用范围广、收效大，比较节省人力、物力和时间。但此方法只能获得第二手资料，而且不全面，不能完全符合要求，需其它方法补充。,直接获得第一手数据和资料，可弥补收集资料法的不足。该方法工作量大，需较多的人力、物力和时间，有时还受季节、仪器设备条件的限制。,1.2.2现场调查法,可从整体上了解一个区域的环境特点，弄清人类无法到达地区的地表环境情况，如大面积的森林、草原、荒漠、海洋等。在环境现状调查中，使用直接飞行拍摄的办法，只判读和分析已有的航空或卫星相片。不宜用于微观环境状况的调查，一般只用于辅助性调查。,1.2.3遥感技术,卫星遥感技术可在短时间内大范围获取地面的数据,珠三角洲COD污染分布卫星遥感结果，红色区域为重污染区,评价是评价主体依照一定的评价准则与方法程序对评价对象进行对比评定的过程。环境评价主要有评价对象与指标、评价准则、评价方法3个相互联系的技术要素构成。,1.3环境评价（本学期课程）,（1）评价对象与指标：评价对象主要包括污染源和环境质量两方面。评价指标（体系）,是指根据评价目的对评价对象的整体状态与属性特征进行刻画的一组概括性表征。,（2）评价准则（评价标准）：各评价指标赋值计算后与其相比评判。利用污染物排放标准和环境质量标准，是环境评价中确定评价准则的基础。,（3）评价方法：是对评价对象的属性建立评价指标，并与评价准则进行对照的规则程序。评价方法可分为单一指数法与综合指数法。前者明确直观，简便易行；后者系统全面，应用广泛。,在污染源调查的基础上进行，通过一些特征指标如等标污染指数、等标污染负荷、污染负荷比等找出区域内主要污染源和主要污染物。主要包括单项评价与综合评价两种类型。,1.3.1污染源评价,针对污染源中某一污染物的排放浓度或负荷量等，进行的有关指标的评价；可反映污染源中某一污染物的贡献或控制效果等。,1.3.1.1单项评价,（1）超标率,指某污染物超过排放标准的检出次数占该污染物检测总数的比率。即：,Di=fi/N100%,式中：Dii污染物超标率，%；fii污染物超过排放标准的检出次数；Ni污染物的检测总次数。,（2）排放强度,指单位时间某污染物的排放量。即：,Wi=CiQi,式中：Wii污染物单位时间的排放量；Cii污染物排放浓度监测值；Qi含i污染物的介质（污水、废气）排放量。,排放的某种污染物超过该污染物评价标准的倍数，又称污染物的超标倍数。,式中：Nij第j个污染源第i种污染物的等标污染指数；Cij第j个污染源第i种污染物的排放浓度；Coj第i种污染物的排放标准。,（3）等标污染指数,对污染源中多种污染物的排放浓度或负荷量等，通过标化处理，将其转换为在同一尺度下可比较指标的评价方法；可反映污染源中不同污染物的总体贡献或控制效果等。,1.3.1.2综合评价（环评课讲）,是对环境产生影响的污染物排放总量的表示。,式中：Pij第j个污染源中第i种污染物的等标污染负荷；Qij第j个污染源中含第i种污染物的介质的排放量。,（1）等标污染负荷,含有n种污染物的污染源总等标污染负荷为,一个地区的所有污染源和污染物的总等标污染负荷为：,（2）污染负荷比,指某种污染物或某个污染源的等标污染负荷在总的等标污染负荷中所占的比重，是确定某种污染物或某个污染源对环境污染贡献顺序的特征量。,根据Kij值可确定一个污染源内部的主要污染物，Kij值最大者即为主要污染物。,如：黄台电厂大气污染源，SO2的污染负荷比,确定一个污染源内部的主要污染物第j个污染源内，第i种污染物的污染负荷比为：,一个地区某个污染源的污染负荷比可用下式计算：,按Kj值大小可对污染源进行排序，Kj值最大者是一个地区的主要污染源。,如：济南市重点工业废气污染源的污染负荷比黄台电厂为：29.11%，济南钢铁集团总公司为：8.92%,一个地区某种污染物的污染负荷比可下式计算：,按Ki值大小排序，可确定一个地区的主要污染物。,【作业】已知某地区建有造纸厂，酿造厂和食品厂。其污水排放量和污染物监测结果如表,试确定该地区的主要污染物和主要污染源。,各厂污水排放量和污染物浓度（mg/L）(附污染物排放标准),确定某地区的主要污染物和主要污染源步骤：（1）首先计算各污染源的单项等标污染负荷（2）等标污染负荷求和（3）计算各单项的污染负荷比（4）污染负荷比汇总计算（5）污染物和污染源排序,计算污染源等标污染负荷的Excel工作表,练习,1.3.2.1单因子评价指数,说明：环境质量指数（1）无量纲，超标倍数（2）相对与某一评价标准而定（3）评价区功能确定标准（4）Ii值越大，表示单项环境质量越差,1.3.2环境质量评价（环评讲）,参与评价的因子数大于时，要用多因子环境质量指数；参与评价的环境要素大于1，要用综合环境质量指数。多因子环境质量指数分为均值型、计权型和几何均值型。,1.3.2.2多因子评价指数,均值型指数的出发点是各种因子对环境质量的影响是等级的。,（1）均值型多因子评价指数,式中：n参加评价因子的数目。,（2）计权型多因子评价指数,基础是各种因子对环境质量的影响不等权，它们的作用应计入各种因子影响的权重。,式中：Wi对应于第i个因子的权系数。,（3）几何均值型多因子评价指数,是一种突出最大值型的环境质量指数,式中：Ii最大参与评价的最大的单因子指数；Iij平均参与评价的单因子指数的均值。,对多个环境要素（水、大气、土壤、生物要素）进行综合评价,1.3.2.3综合评价指数,均权平均综合指数的计算式为,加权综合a指数的计算式为,第K个环境要素的多因子环境质量指数,某地区环境质量评价参数表,【例】某地区环境质量评价中选择的污染要素、污染因子、采用的评价标准及各污染物实测浓度如下表，采用均权评价法计算该地区环境污染综合指数P。P综合=P大气+P噪+P地面水+P地下水,某市环境质量评价各有关参数,【例】某市环境质量评价中选择的污染因子、评价标准实测浓度及确定的权值如下表，采用加权评价法计算该市环境污染综合指数P。,采用环境质量指数评价方法时，按计算数值大小划分几个范围或级别来表达其质量的优劣，并对每一个范围或级别赋予一定的质量评语或描述词。,1.3.3环境质量分级,环境空气质量指数（AQI）,环境空气质量指数技术规定(试行)，规定了环境空气质量指数的分级、计算方法和环境空气质量级别与类别，适用于环境空气质量指数日报、实时报和预报工作，用于向公众提供健康指引。,（1）空气质量：空气中所含PM2.5数量/m3，（2）空气质量指数(AQI)：定量描述空气质量状况的无量纲指数。,AQI分为六级，对应空气质量的六个级别。数值越大、级别越高，污染情况越严重，对人体健康危害越大。,作业1简答：环境现状调查的内容2简答：环境评价3个相互联系的技术要素,预测方法及模型回归预测方法时间序列平滑预测时间序列分析预测马尔可夫预测灰色系统理论系统动力学方法,2环境与社会经济预测方法,模拟模型人类社会的模拟（人口增长）；环境要素的模拟（三维流体力学模型）。预测模型趋势外推预测模型；一元线性回归模型;生长曲线（皮尔模型）；指数模型;生长曲线（皮龚珀兹模型）。因果关系模型：高斯模型。灰色预测模型专家系统预测模型其它预测模型人工神经网络；马尔可夫链预测模型；突变模型；遗传算法模型。,预测模型大体可分为5大类统计分析方法：掌握大量历史数据的基础上，运用数理统计方法进行处理，揭示数据资料所反映的内在规律，并据此对未来的状况进行预测。因果分析方法：对事物和它的影响因子间的因果联系进行定量分析，通过演绎或归纳获得其内在的规律，对未来进行预测。类比分析法：是把正在发展中的事物与历史上曾经发生过的相似事件作类比分析，从而对未来进行预测。专家系统方法：用层次分析技术将众多专家对事物未来所作的估计进行综合分析，从而对未来作出预测。物理模拟法：建立与原型相似的实物模型，如水槽、风洞等，通过实验预测。,2.1环境预测,在环境现状调查评价基础上，结合经济社会发展的情况，对环境的发展趋势作出科学分析和判断。根据环境预测掌握未来经济、社会发展对环境影响，找出主要的环境问题，以便确定环境目标，采取环保措施；是环境规划决策的基础。,警告型预测（趋势预测）,指在人口和经济按历史发展趋势增长,环境保护投资、防治污染和管理水平、技术手段和装备力量均维持目前水平的前提下，来来环境的可能状况。其目的是提供环境质量的下限值。,目标导向型预测（理想型预测）,指人们主观愿望想达到的水平。目的是提供环境质量的上限值。,规划协调型预测（对策性预测）,指通过一定手段，使环境与经济协调发展所可能达到的环境状况。,2.1.1环境预测的分类,规划协调性预测是环境预测的主要类型，是规划决策的主要依据。,社会发展预测重点是人口预测。经济发展预测重点是能源消耗预测、国民生产总值(GDP)预测、工业总产值预测，同时对经济布局与结构、交通和其他重大经济建设项目作必要的预测与分析。,经济发展预测要注重选用社会和经济部门(特别是计划部门)的资料和结论。,2.1.2环境预测的内容,（1）社会经济发展预测,根据环境功能区划、环境污染状况、环境质量标准预测区域环境容量的变化。预测区域内各种资源的开采量、储备量及开发利用效果。,一般是污染物浓度和排放量的预测。,污染和生态破环造成的各种损失。,（2）环境容量和资源预测,（3）环境污染预测,（4）社会和经济损失预测,各类污染物的治理技术、装置、措施、方案及污染治理投资效果的预测，未来环境保护总投资、投资比例、投资重点、投资期限和效益等方面的预测。,主要包括：水资源合理开发利用情况，城市绿地面积及环境影响，土地利用现状及城市发展趋势等。,（5）环境治理和投资预测,（6）生态环境预测,2.1.3环境预测的方法,专家会议法,特尔菲法,主观概率法,层次分析法,将有关人员集中起来，针对预测对象，交换意见预测环境变化情况,函询调查法,对所有专家预测期望值取平均值，得到预测结果,利用递阶层次结构和矩阵方程将思维过程数学化，求低层因素相对目标层的重要性权重值。,（1）定性预测(直观预测)方法,（2）定量（半定量）预测,时间序列法,数学模型,回归分析法,以运筹学、系统论、控制论、系统动态仿真和统计学为基础，根据历史数据和资料，应用数理统计方法预测事物的未来，或者利用事物发展的因果关系预测事物的未来。,依据科学定律，或者依据数据的统计分析，或者两者兼而有之。,通过对历史资料的统计与分析，寻求变量之间相互依存的相关关系,运用数学方法建立预测模型，使时间趋势向外延伸，预测未来市场发展变化趋势，确定变量预测值。,2.1.4大气污染预测,2.1.4.1大气污染源源强预测,式中Qi源强，瞬时排放源以kg或t计，连续稳定排放源以kg/h或t/d计；Wi燃料消耗量，固体燃料以kg或t计，液体燃料以L计，气体燃料以100m3计，时间单位以h或d计；净化设备对污染物的去除效率；Ki某种污染物的排放因子；i污染物的编号。,（1）二氧化硫排放量预测：,GSO2=1.6WS式中GSO2二氧化硫排放量，t/年；W燃煤量，t/年；S煤中的全硫分含量，%。,（2）烟尘排放量预测：G尘=WAB(1-)式中G尘烟尘排放量，t/年；A煤的灰分，%；B烟气中烟尘占灰分的百分数，%；W燃煤量，t/年；除尘效率，%。,（3）氮氧化合物排放量预测GNOx=1.63B（N+0.000938）式中：GNOx氮氧化物排放量，kg；B消耗的燃煤（油）量，kg；N燃料中的含氮量，%；取0.85%。燃料中氮的转化率，%。取70%燃烧1t煤产生氮氧化物量为18.64kg。,2.1.4.2大气环境质量预测,箱式模型,（1）箱式模型是预测和模拟大气质量，研究大气污染物排放量与大气环境质量之间关系的一种最简单的模式。适用于城市家庭炉灶和低矮烟囱分布不均匀的面源。其基本假设为：将所有研究空间范围看成一个尺寸固定的箱子，箱子高度从地面计算的混合层高度，污染物在箱子内处处相等。,根据整个箱子的输入、输出，可写出质量平衡方程,式中：C为大气污染物浓度预测值（mg/m3）；C0为预测区大气环境背景值浓度（mg/m3）；Q为面源源强（mg/(m2s)）；L箱体的长；u为进入箱体的平均风速（m/s）；h为箱高，即大气混合层高度；K为污染物的衰减速度常数;t为时间坐标。,如不考虑污染物衰减，k=0，当t很大时，箱内污染物处于稳定状态，此时，箱式模型可以表示为：,【例】已知某工业基地位于一山谷，计算的混合层高度为120m，该地区长为45km，宽为5km，上风向的风速为2m/s，二氧化硫的本地浓度值为0。该基地建成后的计划燃煤量为7000t/d，煤的含硫量为3%，二氧化硫的转换率为85%。试用箱式模型预测该地区的二氧化硫浓度值。,解：二氧化硫的面源源强为：,二氧化硫的预测浓度为：,（2）高斯扩散模式适合模拟平坦地区定场（气象条件稳定）情况下连续排放的污染源的浓度分布。,高斯模型的四点假设:a污染物在空间平面中按高斯分布(正态分布)，在X方向（主导风向）只考虑迁移，不考虑扩散；,b在整个空间中风速是均匀、稳定的，风速大于lms；c源强是连续均匀的；d在扩散过程中污染物质量是守衡的。,一般高斯扩散模式(高斯烟流模式)数学形式为：,式中：Q污染物排放源强，g/s;C某种污染物在大气中预测浓度，mg/m3;出口处平均风速，m/s；H烟流中心距地面的高度，m；用浓度标准差表示的y轴上的扩散系数，m；用浓度标准差表示的z轴上的扩散系数，m。,烟囱的有效高度为：,H=Hs+H,Hs为烟囱几何高度，H为烟气抬升高度,当烟气热释放率大于或等于2100kJ/s，且烟气温度与环境温度的差值大于或等于35K时，,H为烟气抬升高度的确定,当1700kJ/sQh2100kJ/s时,式中,排气筒出口处烟气排出速度（m/s）；D排气筒出口直径（m）；,按（1）中计算,当Qh1700kJ/s或者35K时，,4.1.4.3扩撒参数的确定确定大气稳定度,当使用常规气象资料时，大气稳定度等级可采用修订的帕斯奎尔(Pasquill)稳定度分级法（简记P.S），分为强不稳定、不稳定、弱不稳定、中性、较稳定和稳定六级。它们分别表示为A、B、C、D、E、F。,确定稳定度等级时,首先由云量与太阳高度角（日高角）,查出太阳辐射等级数。,云量分总云量和低云量，云所覆盖天空的量即为云量。云以不同高度分为低云和高云，总云量是低云量和高云量之和。云又以十等份来划分覆盖天空的量，一般认为总云量小于4即为晴天，总云量大于8，即为阴天。,太阳高度角h0使用下式计算：,再由太阳辐射等级数与地面风速确定稳定度等级。,r1、1为横向扩散系数的回归系数、回归指数r2、2为纵向扩散系数的回归系数、回归指数,扩散参数幂函数表达式系数值y=r1x1,z=r2x2(取样时间0.5h),（1）平原地区农村及城市郊区的扩散参数选取办法A、B级稳定度直接由表查出扩散参数y和z幂指数。C、D、E级稳定则需要向不稳定方向提半级后查表。（2）工业区或城区的扩散参数选取办法工业区A、B级不提级，C级提到B级，D、E、F级向不稳定方向提一级再查表。（3）丘陵山区的农村或城市其扩散参数选取方法同城市工业区。,烟囱出口处的风速,v为距离地面10m地面风速；Z1为距离地面10m的高度；Z2为出口处高度；P的取值见下表,【例】在东经104。、北纬31。的平原城郊，有一家工厂，厂内烟囱高H=90m，出口直径为2m的排气筒排出烟气量Q=105m3/h（标态下），烟气出口温度t=120，二氧化硫的排放量为400kg/h。在2015年7月13日北京时间13时观测到的气象状况为：气温35，云量2/2，风速3m/s，气压105Pa。试计算烟囱下风向3000m处，地面轴线的二氧化硫浓度。,解：计算太阳高度角,辐射等级为+3，风速为3m/s,确定大气稳定度为B,Ta=35+273=308K，Ts=120+273=393KT=Ts-Ta=85K,将标准状态下的排气量转换为实际排烟率，有,查表得n0=0.292,n1=3/5,n2=2/5,烟囱出口处的风速查表得p=0.15,查表得,r1=0.396353、1=0.865014、r2=0.057325、2=1.09356,扩散参数幂函数表达式系数值y=r1x1=403.5m,z=r2x2=361.8m,烟囱下风向3000m地面轴线二氧化硫的浓度为,地面意味着坐标Z=0；轴线意味着坐标Y=0,2.1.5水污染预测,2.1.5.1水污染源的预测（1）工业废水排放量预测,式中Wt预测年工业废水排放量;W0基准年工业废水排放量;rw工业废水排放量年平均增长率；t基准年至某水平年的时间间隔；,弹性系数法:,排污系数法:,Wt=AtQtGDP,Wt-预测年工业废水排放量;QtGDP-预测年工业产值;At-预测年万元工业产值工业废水排放量;,（2）工业污染物排放量预测,式中Wi预测年份某污染物排放量，t;qi预测年份工业废水排放量，万立方米;qo基准年工业废水排放量，万立方米；Co某污染物工业排放标准或废水中污染物浓度，mg/L；Wo基准年某污染物排放量，t,（3）生活污水量预测,式中Q生活污水量，万立方米;A预测年份人口数，万人;F人均生活污水量，L/(d人)；0.365单位换算系数。,2.1.5.2水环境质量预测,（1）零维模型：C=(Q0C0+qCi)/(Q0+q),（2）一维模型,适用于河流较小，流速不大，不考虑弥散系数的情况,考虑弥散系数的情况,弥散系数：又称纵向弥散系数，是表征流动水体中污染物在沿水流方向（或纵向）弥散的速率系数。单位常用m2s-1。物理意义：每秒钟污染物在纵向弥散的面积。,a.考虑弥散系数的情况,D=0.011u2b2/(hu*)u*摩阻流速式中：u为平均速度（m/s）；b为水面宽（m）；h为水深（m）；g为重力加速度（m/s2）；I为水面比降,b.斯特里菲尔普斯（SP、BODDO耦合模型）,S-P模型是反映河流水体中DO-BOD5之间变化规律及影响因素间相互关系的数学表达式。,图中a为有机物分解的耗氧曲线，b为水体复氧曲线，c为氧垂曲线，最低点Cp为最大缺氧点。若Cp点的溶解氧量大于有关规定的量，从溶解氧的角度看，说明污水的排放未超过水体的自净能力。,通常希望能找到溶解氧浓度的最低点临界点。在临界点河水的氧亏值最大，且变化速率为0,某拟建工厂，将废水经处理后排入附近一条河流，现有条件下，河流中BOD5的浓度为2.0mg/L,溶解氧浓度为8.0mg/L，河水温度为20，河流流量为14m3/s；排放工业废水，BOD5浓度处理前为800mg/L，水温为20，流量为3.5m3/s，废水排放前经过处理，溶解氧浓度为4.0mg/L。假定废水与河水在排放口附近迅速混合，混合后河道平均水深为0.8m，河宽为15m，参数k1(20)=0.231/d，k2(20)=3.0/d，若河流的溶解氧浓度标准为5.0mg/L，计算工厂排出废水中允许进入河流的最高BOD5浓度。,c.SP氧亏模型的应用,（计算临界氧亏发生的时候BOD的浓度）,零维模型C=(Q0C0+qCi)/(Q0+q),混合后的流量为：Q=(14+3.5)=17.5m3/s,起始DO浓度,20时饱和溶解氧的浓度,起始的氧亏值D0=（9.07-7.2=1.87mg/L）,则最大氧亏值Dmax=（9.07-5.0）=4.07mg/L）,计算工厂排放废水中最高允许BOD5浓度,（DO标准）,采用试算法，假定不同起点BOD5浓度，得到相应于DO浓度不低于5.0mg/L的临界氧亏值。,因此取C0=63.3mg/L。工厂处理后排出废水的BOD5允许浓度为,废水实际BOD5为800mg/L,必须削减（800-308.5）/800=61.44%才能排放。,则最大氧亏值Dmax=（9.07-5.0=4.07mg/L）,一般包括工业固体废物产生量、城市垃圾产生量及固体废物环境影响预测等内容。固体废物环境影响预测则可采用大气、水影响预测模型，以及因果关系分析法等。,2.1.6固体废弃物污染预测,（1）系数预测法：W=PS式中：W-预测年固体废物排放量，104t/a；P-固体废物排放系数，t/t产品；S-预测的年产品产量，104t/a。,2.1.6.1工业固体废物产生量预测,（2）回归分析法根据固体废弃物产生量与产品产量或工业产值的关系，可建立一元回归模型：y=a+bx,（3）灰色预测法固体废弃物产生量灰色预测是根据历年固体废弃物产生量序列来建立灰色预测模型。,采用排放系数预测法：W生=3.6510-5f生N式中：W生-预测年城市垃圾产生总量，104t/a；f生-排放系数，kg/(人d)；N-预测年人口总数。排放系数f生可采用经验数据。如对中小城市可取值13kg(人d)，粪便(湿)1kg(人d)。,2.1.6.2城市垃圾产生量预测,主要包括两方面：交通噪声和环境噪声预测。（1）交通噪声预测方法多元回归预测，即根据用车流量、道路宽度、本底噪声值与交通噪声等效声级之间的关系，建立多元回归预测模型。灰色预测方法，即根据历年噪声等效声级值，通过原始数据生成处理，建立灰色预测模型。,2.1.7噪声环境质量预测,（2）环境噪声预测方法多元回归预测方法，通过车流量、固定噪声源、本底噪声与噪声等效声级之间的关系，建立多元回归预测模型。灰色预测方法，即根据历年环境噪声值，建立灰色预测模型。,2.1.8生态环境预测,基本思路：首先按原始运行(或无有力措施)的状况，预测分析主要生态指标的变化，再根据经济发展和城市建设规划，预测分析主要生态指标的变化，然后综合分析各种状况可能引起的生态环境变化，为编制生态环境规划，调整城市建设总体规划提供依据。主要内容：水资源合理开发利用情况，城市绿地面积及环境影响，土地利用现状及城市发展趋势等。,2.1.9环境资源破坏和环境污染造成的经济损失预测,资源不合理开发利用造成的经济损失（资源损失、植被覆盖变化、地质灾害损失等）；环境污染造成的经济损失（农业减产、加工成本增加、减产损失等）；环境污染引起的人体健康损失。,（1）我国人口预测常用的经验模型基本形式为：式中：Nt-t年的人口总数；Nt0-t=t0年时，即预测起始年时的人口基数；K-人口增长系数或人口自然增长率；e-自然对数的底（e=2.718）。,2.2社会经济发展预测,2.2.1人口预测,（2）人口自然增长率k,k值的选取除与时间t有关外，还与预测的约束条件有关。约束条件：社会的物质生产水平；文化水平；战争与和平状态；人口政策和人口年龄结构有密切关系。,GDP：指一国所有常驻单位在一定时期内所生产的最终物质产品和服务的价值总和。我国GDP预测的常用经验模型的形式为：式中：-t年GDP数；-t0即预测起始年的GDP数；-GDP年增长速率（%）。,2.2.2国内生产总值（GDP）预测,环境规划中的能耗计算，主要包括原煤、原油、天然气三项。原煤是从矿井或露天矿采出没有经过加工的煤；石油也称原油；天然气的主要成分是甲烷。,2.2.3能耗预测,标准煤：能源种类很多，所含热量各不相同，为了便于相互对比和在总量上进行研究，我国把每千克含热7000kcal（29306焦耳）定为标准煤，也称标煤。能源折标准煤系数某种能源实际热值(千卡/千克)/7000(千卡/千克)折算系数：原煤0.714，原油1.43，天然气每立方米折1.33kg。,2.2.3.1能耗指标（1）产品综合能耗,（2）能源利用率,（3）能源消费弹性系数e指规划期内能源消耗量增长速度与经济增长速度之间的对比关系。,经济增长速度可采用工业总产值、工农业总产值、社会总产值或国民收入的增长速度等。,2.2.3.2能耗预测方法目前常用的方法有:人均能量消费法和能源消费弹性系数法。（1）人均能量消费法按人民生活中衣食住行对能源的需求来估算生活用能的方法。0.4吨标准煤/(人年)维持生存；1.2-1.4吨标煤/(人年)满足基本生活大于1.6吨标准煤/(人年)现代生活,（2）能源消费弹性系数法由已决定的国民经济增长速度，粗略地预测能耗的增长速度。=e式中：-能耗增长速度；e-能源消费弹性系数；-工业产值增长速度。,e受经济结构影响：工业化初期或国民经济高速发展时期，e大于1，甚至超过2；随工业生产的发展和技术水平的提高，e将下降，大都低于1，一般为0.4-1.1。若已知能耗增长速度，规划期能耗预测公式：式中：Et规划期t年的能耗量；E0规划期起始年t0的能耗量。,2.2.4.1用水总量预测Qt=KtZGDPt式中：ZGDPt规划期t年国内生产总值；Kt用水系数；Qt规划期t年用水总量。Kt需要在调查、统计分析等基础上，通过综合分析确定，既要考虑以往的用水水平，又要注意技术进步、节水措施等作用。,2.2.4用水预测方法,用水量关系到污水废水排放量，影响水资源及水环境的可持续性。,2.2.4.2生活用水量预测,式中：Q生活用水量；N规划年的人口数；k规划年用水普及率；q用水定额，包括城镇综合生活用水和农村生活用水定额。,2.2.4.3工业用水量预测,Wi-不同行业i在规划年的万元工业增加值取水量，m3/万元Ai-不同行业i在规划年的工业增加值，万元,2.2.4.4农业灌溉用水,Q-预测年农业灌溉用水总量，万t/年Si-预测年i种作物灌溉面积，hm2/年Ki-预测年i种作物灌溉系数万t/hm2,3环境规划的数学方法,3.1环境数据处理方法3.1.1数据的表示方法3.1.2异常数据剔除3.1.3数据的误差分析3.1.4数据的标准化处理3.2最优化分析方法3.2.1线性规划3.2.2非线性规划3.2.3动态规划3.3常用决策分析方法3.3.1决策树3.3.2决策矩阵3.3.3层次分析法3.4环境数学模型（自学）,3.4.1模型的建立3.4.2模型参数的估算方法3.4.3模型的检验,用于模拟计算和数据处理的语言或软件分为四类：（1）高级计算机语言如VC+、VB、VFortran、Pascal。这类语言没有很强的针对性，可用于编程计算解决各类问题。（2）计算数学软件包求解线性规划问题的LINDO和非线性规划问题的LINGO软件；绘图软件surfer、数据绘图和拟合分析的origin软件、动态模拟Modelmaker和stella软件、专门解决数理统计问题的spss和SAS软件包。,3环境规划的数学方法,（3）专业计算或绘图软件WASP(waterqualityanalysissimulationprogram)：水质分析模拟软件；WQRRS(waterqualityforRiverandReserviorSystem):水质动态和水流动力学分析计算软件；CALPUFF：多种类、非稳态高斯烟团扩散模式软件；ISC3：计算污染源排放大气污染物扩散模型软件；ISC-AERMOD：大气扩散模型软件，已有界面汉化版本。EIAA：大气预测软件，在国内用的比较多。,（4）计算机数学语言目前流行的四种计算机数学语言：MATLAB语言，美国Themathworks公司Mathematica语言，WolframResearch公司Maple语言，WaterlooMaple公司Mathcad语言，Mathsoft公司计算机数学语言相对于一般高级语言、专门的数学软件以及专业软件包，具有编程快捷方便、数值计算功能强大，功能全面、可扩展性强等优点。,3.1环境数据处理方法,3.1.1数据的表示方法,列表法：将数据列成表格，将各变量数值依照一定的形式和顺序对应起来。图示法：将数据用图形表示，可直观地看出数据变化的特征和规律。,3.1.1.1插值法计算数值（1）作图插值法,【例】用分光光度计法测定溶液中铁的含量，测得未知液吸光度为0.413，求未知液中铁的含量。做标准曲线数据如图。,在纵坐标0.413处找到直线上对应点，读出其对应的横坐标即为未知液中铁的含量8.122。,所以,从图可看出，用yc代替yd,产生了的误差。,（2）比例内插公式,（3）牛顿内插公式,一般非线性函数都可以展开为多项式,例：制作查分表。,表中y表示y的依次差值，y2表示y差值的差值，以此类推。,上面例子中，x的差值为1，实际上x的差值可以为任意恒量，令此恒量为h，做出差分表的通式。,3.1.1.2数据特征,数据特征是对环境总体状况进行估计判断的基础，通常可分为以下三类：,（1）位置特征数,表示数据集中趋势或刻画频数分布图中心位置的特征数。,算术平均数：,式中：x1,x2,xn为样本个体数据，n为样本个数,加权平均数,如果样本个体数据x1,x2,xn取值因频数不同或对总体重要性有所差别，常采取加权平均方法。,式中：wi是个体数据出现频数，或因该个体对样本贡献不同而取的不同的数值。,几何平均数,不同的平均值有各自适用场合，选择的平均数指标应能反映数据典型水平。,调和平均数,中位数,环境数据比较分散，甚至个别数据离群偏远，难以判断去留，这时往往用到中位数。样本数据依次排列（从大到小或从小到大）居中间位置的数即为中位数，若数据个数为偶数，则中位数为正中两个数的平均值。只有数据呈正态分布，中位数才代表这组数据的中心趋向，近似于真值。,（2）离散特征数:用来描述数据分散程度,（3）分布形态特征数,刻划根据所获数据绘制的分布曲线的形态。,3.1.2异常数据剔除,处理实验数据时，常遇到个别数据偏离预期或大量统计数据结果，影响到实验结果的准确性。如何判断异常数据，然后将其剔除？,物理判别法：根据对客观事物的已有认识，判别由于外界干扰、人为误差等造成的实测数据偏离。实验过程中随时判断，随时剔除。,统计判别法：给定一个置信概率，确定置信限，超过此限的误差，不属于随机误差范围，视为异常数据剔除。剔除异常数据实质是区别异常数据由偶然误差还是系统误差造成的问题。若是偶然误差就应剔除，如没有足够理由证实是偶然过失造成，应对数据进行统计处理，采用一定的检验方法决定取舍。,（1）拉依达准则,则应将xp从该组数据中剔除。选择3s还是2s与显著性水平有关，3s相当于显著水平0.01，2s相当于显著水平0.05。,若可疑数据xp与样本数据之算术平均值的绝对值大于3倍（2倍）的标准偏差，即：,（2）格拉布斯准则,则应将xp从该组数据中剔除，称为格拉布斯检验临界值，可查相关表格得到。,用格拉布斯准则检验可疑数据xp时，选取一定的显著性水平，若：,以上准则以数据呈正态分布为前提，呈偏态分布,特别是测量次数很少时，则判断的可靠性就差。另外,要保证测量条件稳定，防止因环境条件剧烈变化而产生的突变影响。,（3）狄克逊（dixon）法,n次测量结果，按其数值大小排列成如下次序：,当xi服从正态分布，用不同公式求f值，查表得到相应的临界值，进行比较，若计算值f(n,)视为异常值，舍弃；狄克逊通过模拟实验认为：n7，使用f10；8n10，用f11；11n13，用f21；n14，用f22效果好。,【例】用狄克逊法判断下列测试数据(40.02，40.15，40.20，40.13，40.16)中的40.02是否应舍弃？解：将数据排列，取=0.05，40.0240.1340.1540.1640.20，0.6110.64240.02应保留。,3.1.3数据的误差分析,绝对误差观测值-真值，反映了观测值偏离真值的大小，通常所说的误差一般是指绝对误差。,相对误差：是绝对误差和真值的比值，常用百分数表示。,标准误差：用来表示观测数据的精密度，标准差越小，说明数据精密度越好。,例题:滴定的体积误差,3.1.4数据的标准化处理,数据的物理量不同、单位或量值差别较大，给下一步分析带来困难，需要对数据进行标准化处理，从而提高计算的精度。环境规划中，常采用下面的公式进行标准化处理：,3.2最优化分析方法,环境规划中，将环境系统规划决策问题简化成在预定目标函数和约束条件下，对若干决策变量所代表的规划方案进行优化决策的数学规划模型。,3.2.1线性规划3.2.2非线性规划3.2.3动态规划,3.2.1线性规划线性规划常用来解决两类优化问题：一优化资源配置使产值最大或利润最高，二统筹安排以便消耗最少的资源或排放最少的污染物。,max（min）z=c1x1+c2x2+cnxna11x1+a12x2+a1nxn（或=，）b1a21x1+a22x2+a2nxn（或=，）b2am1x1+am2x2+amnxn（或=，）bmxj0（j=1,2,n）,aij、bi、cj(i=1,2,m；j=1,2,n)为已知常数,（1）比例下降规划模型求解(成比例削减规划模型、总量削减模型)前提是污染源排放的污染物数量的削减，将导致大气环境中污染物浓度的等比例下降。最简单的控制方案是要求各个污染源按其排放的负荷比例进行削减。根据上述假设，一个地区的气象条件相对一致，污染源位置不变，若对所有污染源的污染物按相同比例削减，则可使该地区的污染物浓度以相同比例下降。小的污染源，大气污染份额很小，在大气污染控制规划中可不将其按比例削减。故可进一步假设所有的污染源排放的污染物总量按比例削减，则污染物浓度也可同比例下降。,4.2.1.1环境规划的污染控制规划模型,比例削减规划模型建立的前提，是在大气污染控制规划模型中不必纳入大气环境质量标准的约束。只需将现实的大气环境质量与规定的标准比较，确定出现实大气环境某种污染物浓度下降的百分比。,【例】某一规划区有m个工厂，每个污染源存在n种可供选择的污染控制方法，控制p种污染物。,式中：m、n、q分别为工厂、排放控制方法、大气污染物的总数量；i、j、p分别为第i个工厂、第j种控制方法、第p种污染物；Cij为工厂i采用j种控制方法生产单位产品所需支付的污染控制费用；xij为决策变量，表示工厂i采用j种污染控制排放方法生产产品的数量；aij为生产逻辑变量，若工厂i采用j种控制污染排放方法可行，则aij=1，否则aij=0；Si表示对第i个工厂实施各种污染源控制方法（j为0-n）后产品产量约束；bijp为排放系数，表示工厂i采用j种排放污染排放方法生产单位产品时排放的污染物p的数量，若工厂i采用j种污染物控制排放方法不行，则bijp=0，否则bijp=1-；而表示工厂i采用j种污染控制方法时对第p种污染物的治理效率。Ap表示大气环境质量标准确定的第p种污染物的区域污染源排放总量限值。,根据环境规划的基本原理，按比例削减模型的通用线性规划形式建立模型,比例削减规划模型最大缺点：没有考虑污染物在大气环境中的扩散和运动规律以及气象条件的影响，没有考虑污染物在时间、空间分布上的不均衡性。因此对污染物的控制分配也不太合理。应用比例削减模型规划的结果，整个区域平均和大气环境质量可能达标，但在局部地区可能造成污染物浓度超标。因为局部地区环境质量要达标所需要污染源削减的比例可能要更大一些，或者局部地区环境质量要更加严格一些。,（2）污染迁移规划模型大气污染物迁移规划模型引入大气污染物扩散模型，并以此模型构成环境质量约束条件。其模型可表示为：,式中：表示污染物p在接受点k处的环境质量标准；k表示污染物的接受点；r表示接受点的个数；表示i污染源至k接受点的污染物迁移扩散系数。其余符号与比例削减模型的符号相同。,一般线性规划问题的求解，最常用的算法是单纯形法。,3.2.1.2一般线性规划问题的标准形式,其中：,其秩为m，若Bmm是Amn中的一个满秩子阵，则称B是线性规划问题的一个基。这就是说，矩阵B是由m个线性独立的列向量构成的。构成矩阵B的每一个列向量pj(j=1,2,-,m)称为基向量，与每一个基向量对应的决策变量称为基变量。线性规划中基变量以外的决策变量称为非基变量。,单纯形法表,单纯形法的计算步骤将线性规划问题化成标准型。找出或构造一个m阶单位矩阵作为初始可行基，建立初始单纯形表。计算非基变量xj的检验数j=CBPj-Cj，若所有j0，则问题已得到最优解，停止计算，否则转入下步。大于0检验数中，若某个j所对应系数列向量Pj0，则此问题是无界解，停止计算，否则转入下步。根据maxjj0=k原则，确定xk为换入变量(进基变量)，再按规则计算：=minbi/aij|aij0=bl/aij确定xBl为换出变量。建立新的单纯形表，此时基变量中xj取代了xBl的位置。以aik为主元素进行迭代，把xk所对应的列向量变为单位列向量，即aik变为1，同列中其它元素为0，转第步。,其他费用:450元/千吨,应如何分配水库供水量，公司才能获利最多？,若水库供水量都提高一倍，公司利润可增加到多少？,运输问题：自来水输送,收入：900元/千吨,支出,总供水量：160,确定送水方案使利润最大,问题分析,总需求量(300),每个水库最大供水量都提高一倍,利润=收入(900)其它费用(450)引水管理费,供应限制,B,C类似处理,问题讨论,确定送水方案使利润最大,需求约束可以不变,求解,OBJECTIVEFUNCTIONVALUE1)88700.00VARIABLEVALUEREDUCEDCOSTX110.00000020.000000X12100.0000000.000000X130.00000040.000000X140.00000020.000000X2130.0000000.000000X2240.0000000.000000X230.00000010.000000X2450.0000000.000000X3150.0000000.000000X320.00000020.000000X3330.0000000.000000,这类问题一般称为“运输问题”(TransportationProblem),总利润88700（元）,环境规划中某些问题的决策模型可能会出现：目标函数非线性，约束条件为线性；目标函数为线性，约束条件非线性；目标函数与约束条件均为非线性函数。上述情况均属于非线性规划问题，其数学模型的一般形式是：,3.2.2非线性规划,求解非线性规划的算法大体分为两类：采用逐步线性逼近，通过一系列非线性函数线性化过程，利用线性规划获得非线性规划的近似最优解；采用直接搜索，根据部分可行解或非线性函数在局部范围内的某些特性，确定迭代程序，通过不断改进目标值搜索计算，获得最优或满足需要的局部最优解。,3.2.2.1线性规划与非线性规划的区别如果线性规划的最优解存在，其最优解只能在其可行域的边界上达到（特别是可行域顶点上）；而非线性规划的最优解则可能在其可行域的任一点达到。【例】某商店经销两种产品，售价分别为20和380元。售出一件产品的平均时间为0.5小时，而售出一件产品的平均时间与其销售的数量成正比。若该商店总的营业时间为1000小时，试确定使其营业额最大的营业计划。解：设和分别代表商店经销A、B两种产品的件数，于是有如下数学模型：,3.2.2.2非线性规划的Matlab解法Matlab中非线性规划的数学模型写成以下形式,其中:是标量函数，是相应维数的矩阵和向量，是非线性向量函数。,Matlab中的命令是：X=FMINCON(FUN,X0,A,B,Aeq,Beq,LB,UB,NONLCON,OPTIONS)它的返回值是向量X，其中FUN是M文件定义的函数f(x)；X0是的初始值；A,B,Aeq,Beq定义了线性约束;如没有等式约束，则A=,B=,Aeq=,Beq=；LB和UB是变量X的下界和上界，如果上界和下界没有约束，则LB=，UB=，如果X无下界，则LB=-inf，如果X无上界，则UB=inf；NONLCON是用M文件定义的非线性向量函数C(x),Ceq(x)；OPTIONS定义了优化参数，可使用Matlab缺省的参数设置。,【例】求下列非线性规划问题,非线性规划的matlab实现：（i）编写M文件fun1.mfunctionf=fun1(x);f=x(1)2+x(2)2+8;和M文件fun2.mfunctiong,h=fun2(x);g=-x(1)2+x(2);h=-x(1)-x(2)2+2;%等式约束（ii）在Matlab的命令窗口依次输入options=optimset;x,y=fmincon(fun1,rand(2,1),zeros(