什么是环境数学模式?

[拼音]：huanjing shuxue moshi

[外文]：environmental mathematical model

环境体系变化规律的数学描述。在不改变原型体系的情况下，用于检验环境管理政策和污染控制措施的效果，或用于估计污染物的物理、化学和生物状态变化对环境质量的影响。

建立环境数学模式的目的在于：预测环境的污染状况，为规划、控制环境污染和评价环境质量提供数据;为环境污染警报、环境管理系统运转调节提供科学依据；研究环境污染特征以及环境容量、环境污染现象及其过程；验证环境监测数据。在环境设计付诸实施以前，环境数学模式可为模拟系统提供有效的方法。环境数学模式还可为环境设计家提供比较可选择对象、评价两个或多个作用过程之间增量效应的依据。借助于电子计算机，模式扩大了可选择的处理对象，有可能获得接近最佳情况的最终设计。

美国的环境卫生工程师H.W.斯特里特和E.B.费尔普斯在1925年建立了第一个环境污染数学模式，称为斯特里特－费尔普斯方程。数学模拟、系统分析和计算机技术同环境污染控制技术相结合，成为一个新的学科──环境系统工程。环境数学模式应用于环境科学的许多分支学科。它以环境科学各个分支学科的知识为基础，反过来又促使环境科学各分支学科所研究的物质运动形态从定性描述发展到定量描述。

环境数学模式从理论上可以分为静态的或是动态的，部分的或是完全的，集聚的或是解聚的，确定的或是随机的。当在物理意义上将模式建立起来时，可以将它公式化，并且应用于预报和工程设计。

根据所描述的对象，环境数学模式可以分为区域污染模式、水体质量模式、地下水污染模式、水力模式、大气污染模式）、大气烟羽扩散模式、污染物迁移模式、热污染模式和最优化环境管理模式。

模式的建立步骤是：

（1）概念表述：确定模式在时间和空间上的规模和范围；将物理体系描述为分立因素的一个连续区域，即具有一定形状、体积以及系统的集合分量的空间关系的网络。其中包括适当变量的选择。

（2）函数表达:用数学公式来描述体系每一个分量的过程，功能以及相互关系；确定在其范围内必须模拟的边界条件；确定表征体系响应的参数，制作模式的结构。

（3）模式参数的估计和灵敏度的识别：在野外或实验室的测量数据的基础上，使用适当的参数估计方法来确定模式中所出现的各种参数。参数估计方法分为线外法和递归法（线内法）两种。线外法是在每一次通过给定的一组 N个数据样品的迭代之后来重复估计的一种“爬坡”参数估计法。递归法是在一组N 次取样观察中每一次取样所采用的一种参数估计方法。模式的可变性是模拟过程所有阶段的基础，而模式的灵敏度正是这种可变性的一种量度。所谓灵敏度就是与另外一个因子的变化有关的某一因子变化的速度。如果这一步的结果不满意，则必须重新建立模式并重复上述每个步骤。

（4）模式有效性的验证：如果一个模式仅仅对于一套数据有重现性，那么它还没有预报能力。为了确定已建立的模式是否具有预报能力，必须使用新的野外观察数据（即与估计参数时所使用的数据无关的数据）来验证模式的有效性。如果验证结果不满意，就必须从头开始重复上述步骤来建立新的模式。

（5）计算表达和模式应用：选择求解技术；变换函数表达式为适合于求解的形式；形成输入和输出；应用已建立的模式解决实际问题。

真实的环境是一个十分复杂多变的体系，所以模式只能近似地反映真实环境的情况。环境数学模式今后趋势是向非点源模式和化学及生物反应模式发展，从而使模式能更充分地反映环境体系内部的真实状态。