本書是一本講授環(huán)境系統(tǒng)分析的指導(dǎo)性教材，著重講解環(huán)境系統(tǒng)最優(yōu)化和數(shù)學(xué)建模與分析。主要包括三部分內(nèi)容：其一為環(huán)境系統(tǒng)最優(yōu)化模型及應(yīng)用，包括線性規(guī)劃、整數(shù)規(guī)劃、非線性規(guī)劃和動態(tài)規(guī)劃等最優(yōu)化模型及其在環(huán)境系統(tǒng)中的應(yīng)用；其二為環(huán)境系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模與分析，包括水環(huán)境系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模與分析、大氣環(huán)境系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模與分析；其三為環(huán)境構(gòu)筑物的數(shù)學(xué)建模與分析。
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環(huán)境系統(tǒng)分析是環(huán)境科學(xué)與工程專業(yè)的基礎(chǔ)課程之一。本書是一本環(huán)境系統(tǒng)分析的指導(dǎo)性教材，著重講解環(huán)境系統(tǒng)最優(yōu)化和數(shù)學(xué)建模與分析。數(shù)學(xué)建模即應(yīng)用數(shù)學(xué)語言和方法來描述環(huán)境污染過程中的物理、化學(xué)、生物化學(xué)等內(nèi)在規(guī)律和相互關(guān)系的數(shù)學(xué)方程。所以該門課程理論性很強(qiáng)，涉及數(shù)學(xué)公式、數(shù)學(xué)過程推導(dǎo)較多，歷屆學(xué)生普遍反映該門課程難度較大、抽象和枯燥。為解決上述問題，本書在編寫過程中，強(qiáng)調(diào)以下原則：①案例的設(shè)計和運(yùn)用。通過圍繞案例教學(xué)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)系統(tǒng)分析和數(shù)學(xué)模型的興趣，使學(xué)生在解決環(huán)境問題的同時，提升理論水平和分析問題的能力。②多媒體動畫在教學(xué)中的運(yùn)用。將抽象性與直觀性相結(jié)合，強(qiáng)化感官認(rèn)識和視覺沖擊。③MATLAB和FLUENT軟件工具的使用。通過引入軟件，大大提高學(xué)生解決問題的能力和效率，有利于對問題的深入分析和理解。④學(xué)生的主動和深入?yún)⑴c。通過老師課上和課下指導(dǎo)、學(xué)生親自建模，使學(xué)生能夠運(yùn)用所學(xué)方法來解決環(huán)境問題。學(xué)生通過親自參與，把抽象的數(shù)學(xué)公式變成生動直觀的視覺結(jié)果，將會產(chǎn)生強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)熱情和成就感。
本書主要包括三部分內(nèi)容：其一為環(huán)境系統(tǒng)最優(yōu)化模型及應(yīng)用，包括線性規(guī)劃、整數(shù)規(guī)劃、非線性規(guī)劃和動態(tài)規(guī)劃等最優(yōu)化模型及其在環(huán)境系統(tǒng)中的應(yīng)用；其二為環(huán)境系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模與分析，包括水環(huán)境系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模與分析、大氣環(huán)境系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模與分析；其三為環(huán)境構(gòu)筑物的數(shù)學(xué)建模與分析，主要利用GAMBIT軟件和FLUENT軟件對平流式沉淀池、旋風(fēng)除塵器、卡魯塞爾氧化溝等環(huán)境構(gòu)筑物進(jìn)行數(shù)學(xué)建模與系統(tǒng)分析。
全書由中國計量大學(xué)丁濤老師統(tǒng)稿。2012級、2013級、2014級環(huán)境工程專業(yè)的本科學(xué)生參與了本書的編寫工作，包括2012級的程夙、謝斌暉、潘肖健等同學(xué)；2013級的阮唯佳、柴錚巍、朱家輝等同學(xué)；2014級的胡來鋼、胡新華、邵鑫等同學(xué)。張瑞芬、應(yīng)承希、王偉等碩士研究生在全書編排中也做了大量工作，在此一并表示感謝。
本書編寫過程中參考了許多相關(guān)資料和書籍，在此不一一列舉（詳見書后參考文獻(xiàn)列表），編者對這些參考文獻(xiàn)的作者表示真誠的感謝。本書的出版得到國家自然科學(xué)基金項目（51579046）、浙江省“安全科學(xué)與工程”重點(diǎn)學(xué)科和浙江省高等教育課堂教學(xué)改革研究項目的資助，在此深表感謝；同時感謝科學(xué)出版社文楊老師在本書出版過程中給予的支持和幫助。
目錄
前言
第1章 環(huán)境系統(tǒng)分析導(dǎo)論 1
1.1 系統(tǒng)的概念、特征和分類 1
1.2 環(huán)境系統(tǒng) 2
1.3 環(huán)境系統(tǒng)最優(yōu)化導(dǎo)論 7
1.4 環(huán)境系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模與分析導(dǎo)論 8
1.4.1 環(huán)境系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型定義和特征 8
1.4.2 數(shù)學(xué)模型的分類 9
1.4.3 數(shù)學(xué)模型的基本結(jié)構(gòu) 10
1.4.4 數(shù)學(xué)模型的建立步驟 11
1.4.5 數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用 12
1.5 環(huán)境構(gòu)筑物數(shù)學(xué)建模與分析導(dǎo)論 17
1.5.1 計算流體力學(xué) 17
1.5.2 FLUENT軟件基本結(jié)構(gòu) 18
1.5.3 FLUENT的基本模型 19
第2章 環(huán)境系統(tǒng)最優(yōu)化 24
2.1 環(huán)境系統(tǒng)最優(yōu)化模型概述 24
2.1.1 環(huán)境系統(tǒng)最優(yōu)化模型 24
2.1.2 最優(yōu)化模型求解方法 24
2.2 線性規(guī)劃 26
2.3 整數(shù)規(guī)劃 32
2.4 非線性規(guī)劃 34
2.5 動態(tài)規(guī)劃 37
第3章 水環(huán)境系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模與分析 41
3.1 污染物在環(huán)境介質(zhì)中的運(yùn)動與轉(zhuǎn)化特征 41
3.1.1 推流遷移 41
3.1.2 分散運(yùn)動 41
3.1.3 污染物的衰減和轉(zhuǎn)化 44
3.1.4 推流遷移、分散和衰減之間的關(guān)系 44
3.1.5 環(huán)境質(zhì)量基本模型 45
3.2 湖泊與水庫水質(zhì)建模 46
3.2.1 湖庫的水文和水質(zhì)特征 46
3.2.2 湖庫箱式水質(zhì)模型 48
3.3 河流水質(zhì)建模和仿真 52
3.3.1 河流水質(zhì)過程分析 52
3.3.2 河流一維水質(zhì)模型 55
3.3.3 河流二維水質(zhì)模型 64
3.4 河口及近海水質(zhì)建模和仿真 65
3.4.1 潮汐對河口水質(zhì)的影響 65
3.4.2 河口水質(zhì)模型基本方程 66
3.5 基于FLUENT軟件的河流突發(fā)性污染物三維水質(zhì)模擬 68
3.5.1 背景 68
3.5.2 利用GAMBIT軟件構(gòu)建河道幾何模型 68
3.5.3 FLUENT求解計算 71
3.5.4 計算結(jié)果分析 76
第4章 大氣環(huán)境系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模與分析 78
4.1 大氣污染的特征分析 78
4.1.1 大氣污染源分析 78
4.1.2 大氣的垂直分層及邊界層 80
4.1.3 大氣污染物擴(kuò)散過程 81
4.2 大氣污染物高架點(diǎn)源擴(kuò)散模型 84
4.2.1 高架點(diǎn)源擴(kuò)散模型的基礎(chǔ) 84
4.2.2 高架連續(xù)排放點(diǎn)源模型 88
4.2.3 多點(diǎn)源排放條件下的濃度計算 96
4.3 大氣污染物線源擴(kuò)散模型 101
4.3.1 風(fēng)向與線源垂直 101
4.3.2 風(fēng)向與線源平行 102
4.4 大氣污染物面源模型 102
4.4.1 單箱模型 103
4.4.2 多箱模型 105
4.5 AREMOD大氣預(yù)測模型及應(yīng)用 107
4.5.1 AREMOD模型簡介 107
4.5.2 AREMOD模型要求 108
4.5.3 AERMOD模型應(yīng)用 110
4.5.4 結(jié)果分析 116
4.6 基于FLUENT軟件的煙氣擴(kuò)散模擬 122
4.6.1 煙氣擴(kuò)散的幾何建模和網(wǎng)格劃分 122
4.6.2 網(wǎng)格文件導(dǎo)入與網(wǎng)格操作 124
4.6.3 模型相關(guān)的定義操作 124
4.6.4 控制方程求解方法的設(shè)置及控制 125
4.6.5 計算結(jié)果的處理與分析 126
第5章 環(huán)境構(gòu)筑物數(shù)學(xué)建模與分析 128
5.1 平流式沉淀池建模與分析 128
5.1.1 平流式沉淀池的幾何建模和網(wǎng)格劃分 128
5.1.2 網(wǎng)格文件導(dǎo)入與網(wǎng)格操作 131
5.1.3 模型相關(guān)的定義操作 131
5.1.4 控制方程求解方法的設(shè)置及控制 133
5.1.5 模擬結(jié)果顯示和分析 134
5.2 旋風(fēng)除塵器建模與分析 138
5.2.1 旋風(fēng)除塵器的幾何建模和網(wǎng)格劃分 138
5.2.2 網(wǎng)格文件導(dǎo)入與網(wǎng)格操作 141
5.2.3 求解類型的定義 141
5.2.4 計算求解 142
5.2.5 計算結(jié)果的顯示和分析 143
5.3 卡魯塞爾氧化溝數(shù)學(xué)建模與分析 149
5.3.1 卡魯塞爾氧化溝的幾何建模和網(wǎng)格劃分 150
5.3.2 網(wǎng)格文件導(dǎo)入與網(wǎng)格操作 154
5.3.3 模型相關(guān)的定義操作 155
5.3.4 控制方程求解方法的設(shè)置及控制 156
5.3.5 計算結(jié)果顯示 157
5.3.6 氧化溝在不同工況下的模擬結(jié)果分析 159
參考文獻(xiàn) 162
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