计算机在环境科学与工程方向的应用

计算机技术与环境应用

21世纪是信息时代，作为信息化社会标志的计算机也愈来愈广泛地为人类所掌握和利用。计算机的便捷和高效性提高着社会的生产力，使人们创造着前所未有的物质财富。与此同时，人口的快速增长、资源的过度消耗、环境污染和生态破坏等也日益成为全球性重大问题，严重阻碍着社会经济的发展，甚至威胁着人类的生存。随着人类对物质世界认识的不断深化，生产的发展与环境保护日益统一，需以牺牲人类生存的环境为代价的发展也就失去了它原有的意义。

环境工程学（Environmental engineering）是环境学的一个分支学科，它研究运用工程技术和有关学科的原理和方法，保护和合理利用自然资源、防治环境污染，以改善环境质量的学科；其中包括：提供安全、可口和充足的公共给水，适当处置和循环使用污水与固体废物；建立城市和农村符合卫生要求的排水系统；控制水、土壤和空气污染，并消除这些问题对社会和环境所造成的影响。该学科涉及到公共卫生领域中的工程问题，消除工业健康危害，为城市、农村和娱乐场所提供合适的卫生设施，以及评价技术进步对环境的影响等。环境工程学还研究环境污染综合防治的方法和措施，以及利用系统工程方法，从区域的整体上寻求解决环境问题的最佳方案。

随着现代科技的日新月异的发展，计算机技术在环境科学和工程专业领域发挥着越来越重要的作用，对于解决一些环境科学与工程上的问题起到了不可替代的作用。

计算机具有处理信息快、存储容量大、可靠性高、准确性高和可以通信等5个方面特点。当前亿万计算机用户遍布世界上的各个行业与角落。计算机在科学计算、信息处理、过程控制、人工智能、计算机辅助功能，如计算机辅助设计（Computer Aided Design，简记CAD）、计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing，简记CAM）、计算机辅助教学（Computer Assisted Instruction，简记CAI）、计算机辅助测试（Computer Aided Test，简记CAT）、以及通讯与网络等方面取得了极为广泛的应用；在环境工程领域也得到了广泛的应用。

一、环境科学与工程中计算机的用途

(一)环境科学与工程中的数据处理和决策支持

环境科学与工程中的数据处理和决策支持:易表XP、数据库技术、Visual FoxPro6.0、MATLAB、决策支持系统。

环境问题常常面临着多因素多水平的实验，如何选择因素，如何确定最佳实验条件是一个非常重要的问题。例如做一个有毒物质降解实验,实验反应温度、时间、pH值这些数据得处理都需要耗费大量的人力、物力、财力，易表XP的分组统计功能为争叫实验设计中数据处理提供了巨大的方便。

(二)环境科学与工程的网络应用

环境科学与工程的网络应用：Elevier SDOS全文数据库检索、中国期刊全文数据库检索、科学引文索引SCI、期刊应用报告JCR。

中国期刊全文数据库检索该库是目前世界上最大的连续动态更新的中国期刊全文数据库，收录国内8200多种重要期刊，以学术、技术、政策指导、高等科普及教育类为主，同时收录部分基础教育、大众科普、大众文化和文艺作品类刊物，内容覆盖自然科学、工程技术、农业、哲学、医学、人文社会科学等各个领域，全文文献总量2200多万篇。产品分为十大专辑：理工A、理工B、理工C、农业、医药卫生、文史哲、政治军事与法律、教育与社会科学综合、电子技术与信息科学、经济与管理。十专辑下分为168个专题和近3600个子栏目。

(三)环境科学与工程之徒和图像处理

环境科学与工程之徒和图像处理软件：Flash、3DSMAX、AutoCAD、CorelDRAW CAXA。

AutoCAD具有完善的图形绘制功能；有强大的图形编辑功能；可以采用多种方式进行二次开发或用户定制；可以进行多种图形格式的转换，具有较强的数据交换能力；支持多种硬件设备；支持多种操作平台；具有通用性、易用性，适用于各类用户此外，从AutoCAD2000开始，该系统又增添了许多强大的功能，如AutoCAD设计中心（ADC）、多文档设计环境（MDE）、Internet驱动、新的对象捕捉功能、增强的标注功能以及局部打开和局部加载的功能。

(四)GIS在环境科学与工程中的应用

GIS实现了以集成先进信息技术的环境监控与预警平台，实现地表水、大气、噪声以及污染源的实时监测信息基于地理信息系统（GIS）的可视化显示、检索、统计、分析、预警、控制、上传、实现环境质量和污染源的综合管理和监控；以一套适用于手持PDA安装的软件系统，实现移动执法的信息管理；结合GPS技术，实现了对车辆进行精准的三维地图定位跟踪、调度和管理；通过三维地图直观展现业务信息，实现之间的无缝切换和查询；实现实时监测数据和视频（水、气、声）的跨平台调用。

通过不同例子，可以更加深入地了解GIS的环保应用，使原本繁复的环保工作，透过在一个直观、图形化化的三维地图为基础的信息应用平台上，把各个环保工作业务系统中的数据整合在一起，使环保决策人员可以快速地、实时地、高效地、了解与监控全市各个环境状态和与环境保护相关各种信息的变化，并做出准确有效地分析决策和快速响应，对环境保护作出一份贡献。

(五)环境科学与工程中的常用软件

环境科学与工程中的常用软件有：Chemwindow、SPSS、室内空气质量模型软件Risk、ISC3大气扩散模型软件、化学质量平衡（CMB）受体模型等。

ChemWindow包括三大部分：(1)绘画化学结构、化学反应式和化学实验装置；(2)光谱曲线处理：可直接调入色谱图、光谱图、NMR图、质谱图等曲线进行处理、标注，并以使用者的意愿和要求的格式输出其图谱或转入其它应用软件中如Microsoft Word、PowerPoint等，便于出版或报告；（3）光谱解释工具：红外光谱、质谱和核磁共振(NMR)谱与化学结构的相互关联。

SPSS是世界上公认的三大数据分析软件(SAS、SPSS和SYSTAT)之一，即数据录入资料编辑数据管理统计分析报表制作图形绘制为一体，界面友好，容易上手。SPSS在环境科学与工程的应用主要包括:（1）统计报表与综合分析（2）环境统计分析与预测（3）环境参数的比较等。

空气质量模式是用数学方法定量描述大气中污染物从源到手提所经历的全过程的一种工具，其核心部分是大气扩散模式，用以模拟大气对污染物的输送、扩散和稀释作用以及大气污染物在扩散过程中所经历的干湿沉积和化学转化等过程。ISC3长期扩散模拟可对大气污染物浓度的月、季、年时空变化规律进行计算和分析，为环境规划、污染控制管理提供科学依据。

化学质量平衡（CMB）受体模型应。用在源与受体上所测量的大气颗粒物的物理化学特性以确定对受体有贡献的源类及其贡献值，在源与环境受体这两个定量管理目标之间建立一定的输入响应关系

二、计算机在环境科学与工程中的应用

计算机网络技术在环境工程中的应用，在环境工程科研与管理中的应用，在环境工程计算中的应用，在环境工艺过程中的应用，在环境工程设计中的应用，在环境工程设施运行中的应用.

(一)计算机网络技术在环境工程中的应用

计算机网络是计算机技术与通信技术相互渗透、不断发展的产物，是现代生活获得信息、相互交流的重要手段。运用计算机网络技术可充分利用互联网上的环境工程信息资源，进行环境工程信息和数据的检索、收集、管理、交换，远程计算机的登录、操作使用，网上多媒体课件的制作与使用。

计算机网络的特点有:（1）资源共享。建立计算机网络最重要的目的就是实现计算机硬件、软件和数据的资源共享。目前，在机关、企事业单位、学校内部都使用许多的计算机，若将各自单位的计算机连成网，就可实现本单位的资源共享。一些跨国公司在多年前就已将分布在世界各地机构的计算机连接在一起，以实现对全公司的生产、经营及客户资料和协作伙伴的信息等进行收集、整理、分析和管理，并实现实时信息资源共享。（2）数据通信。计算机网络提供的通信服务包括电子邮件、传真、电子公告牌BBS、文件下载、远程登陆、信息浏览、以及视频会议、网上聊天和新闻组等。（3）分布式处理。通过有关算法将大型的计算机处理任务交给联网的多台计算机进行协同处理，可以合理利用网络资源，较快地完成大型任务。目前分布式处理系统被广泛用于办公室自动化、自动控制、企业管理、银行系统、计算机教学系统的等许多方面。在许多部门中，通常将个人计算机与一个大的计算机中心设施相连以实现全部门的数据处理。个人计算机用来支持和处理企业内小的业务部门的具体工作和数据采集、处理。这些个人计算机具有十分友好的图形用户界面（GUI），便于一般用户使用。而中心计算机则装有数据库管理和信息系统所需的公共数据库和一些复杂的软件。在地域分布上十分分散的个人计算机之间，以及个人计算机与中心计算机之间用局域网（LAN）或广域网（WAN）相连。（4）电子商务。电子商务是指在Internet 上进行的商务活动，目前已经越来越红火。狭义的电子商务也可称为电子交易（e-commerce），主要指利用Internet提供的通信手段在网上进行交易；而广义的电子商务（e-business），则包括利用Internet进行的全部商务活动，如市场分析、广告宣传、客户联系、咨询洽谈、网上定购、物资调配、电子支付与网上结算等。

(二)计算机在环境工程科研与管理中的应用

近年来，计算机在环境污染监测、环境影响评价和环境污染统计等环境保护管理中的应用日益广泛，包括宏量数据信息库的建立、数据的统计分析和报表，以及数据发布等。因此一些计算机数据管理软件的使用率非常高。

目前，在环境数据处理中常用的计算机应用软件包括EXCEL和SPSS软件等，在数据管理中的常用软件有ACCESS和FOXPRO等，在信息分析、图形化处理和发布中常用的软件是ORIGIN、VISIO、SMARTDRAW、CHEMOFFICE和POWERPOINT软件等。

中文Microsoft Excel是微软公司推出的基于中文Windows操作系统的电子表格软件，是目前较为优秀的办公自动化软件之一。它可以进行复杂的数据计算、分析和统计，完成多种图和图表的设计，具有友好的图形界面、易学易用的按钮式操作和汉字处理能力。作为电子表格软件，广泛用于环境工程科学研究中的数据处理。

Excel最重要的功能之一就是能使用公式和函数进行数据的自动处理。对于工作表中的数据，除了可对它进行编辑、改变格式外，用户还可在表格中定义计算公式，并利用系统提供的函数，进行复杂的数学分析和统计。

Origin是美国microcal公司出的数据分析和绘图软件，使用简单，采取直观的图形化的面向对象的窗口菜单和工具栏操作。

Access是一个功能强大而且易于使用的桌面关系型数据库管理系统应用程序生成器，不管是处理公司的客户订单数据，管理自己的个人通讯录，还是大量科研数据的记录和处理，人们都可以利用它来解决大量数据的管理工作。

数据库管理系统DBMS完成的任务是科学的组织数据并将其存储到数据库中，并高效的处理这些数据。数据库系统是介于用户和操作系统之间的一层数据系统管理软件。

(三)计算机在环境工程计算中的应用

环境工程涉及对污染物迁移转化过程和污染控制等方面的大量计算，如生态环境保护和生态模型、大气污染模型、江河湖泊的水质模型和水处理技术动力学模型等。应用计算机进行大量的数据计算和模型求解会涉及计算机程序的编写与使用。常见的有应用VISUAL BASIC程序进行程序设计和计算的程序编制与调试），一些科学计算软件，如MATLAB、MATHEMATICA和MATHCAD等也在环境工程计算中获得了日益广泛的应用。

MATLAB是当今国际上公认的在科技领域最为优秀的应用软件和开发环境。有可靠的树枝和符号运算能力，简单易学的程序语言，强大的图形和可视化功能和为数众多的应用工具包，被广泛的用于研究和解决各种具体的工程问题。

(四)计算机在环境工艺过程中的应用

计算机在环境工艺过程中的应用包括环境工艺过程分析和模拟，环境工艺和设计的最优化等。过程分析和模拟是对设计过程中的流程和技术条件的一个优化选择，是对运行中的参数控制和考察的改进，甚至对工艺过程的研究、开发以及环境影响的预测。最优化在其它学科如化学工程中的应用早已存在，并得到了前所未有的发展，而在环境工程领域，最优化技术的应用还刚刚起步，应用前景极为广泛。

计算机在废水处理工艺中的应用有A/B/C/活性污泥中的应用，MATLAB在SBR 工艺仿真上的应用；在大气污染控制中的能源规划，大气监测布点的应用；环境工程最优化设计中其态污染物吸收净化塔的设计，非均相固定床反应器的设计等等。

(五)计算机在环境工程设计中的应用

环境工程设计与化学工程、给排水工程、能源工程、信息技术和环境科学等学科有着密切的联系。境工程设计运用工程技术和有关学科的原理和方法，以各种设计文件、图纸的形式，具体落实和实现环境保护设施的建设。

目前，计算机辅助环境工程设计已获得广泛应用，掌握和应用AUTOCAD软件进行工程设计已经成为环境工程专业人员的必备技能。AUTOCAD不仅在机械、建筑、环境、电子、石油、化工和冶金等部门得到了大规模的应用，还可以用在地理、气象、航海、拓扑等的特殊图形绘制甚至用于乐谱、灯光、幻灯和广告制作等极其广泛的领域。

(六)计算机在环境工程设施运行中的应用

计算机在环境工程设施运行中的应用主要包括在线数据的计算机监测和处理以及计算机过程控制技术等方面。计算机在环境工程设施运行中的应用不仅可节省人力、降低劳动强度，还能加强各个生产环节的合理运行、提高设备运行效率、节约运行费用、保证安全生产和科学管理。