环境科学应用

环境科学应用（精选12篇）

环境科学应用 篇1

摘要：简述了MATLAB软件的由来和发展,介绍了其主要功能模块及优点。根据其主要计算功能,将环境科学中的大气、土壤、水体的环境评价及污染预测等相关科学计算问题进行理论介绍和分析,讲述了这些科学计算问题的MATLAB实现。

关键词：MATLAB,环境科学,环境质量评价

环境问题的解决是非常困难的,这种复杂性源于原因的多样性,如生物、化学、物理等各种因素范围太广,可利用的满足模型的数据严重缺乏,数据获取的费用太高昂。运用合适的数学方法,通过简化的数学模型,往往可以克服许多困难,在一定的精度水平上给出可靠的答案或可行方案。由MathWorks公司于1984年推出的一套数值计算软件MATLAB可以实现数值分析、优化、统计、偏微分方程数值解、自动控制、信号处理、图象处理等若干领域的计算和图形显示功能[1]。它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少的基础软件。

1 MATLAB在环境科学中的应用

环境科学是一门综合性的交叉学科,诸多的分支学科里包含有大量的数值计算问题,如线性规划、多目标规划、相关性及误差问题等等。由于MATLAB已经将数学问题的具体算法编成了函数,因此,运用MATLAB软件解决环境科学中一些较为复杂的数值计算问题,比用C、FORTRAN等计算机高级语言简捷、快速和准确。

广义的环境系统包括了地球表面非生物的和生物的各种环境因素及其相互关系的总和。而环境科技工作者所讲的环境系统是一种狭义的环境系统概念,主要指地表水环境系统、大气环境系统、土壤环境系统、地下水环境系统,由水体、生物、大气、土壤等要素组成的多介质环境系统以及种群生态系统。随着计算技术水平的提高,环境科学研究和环境技术管理中定量计算的要求增高,计算难度增大,数据量增多。而MATLAB作为一种简单、高效、功能强大的计算和绘图语言,不但易学易用,而且能够满足科学计算和绘图的需要。在环境评价中,人们通常选用神经网络与MATLAB相结合的方法进行研究。神经网络工具箱是MATLAB环境下所开发出来的许多工具箱之一,它是以人工神经网络理论为基础,用MATLAB语言编写的各种网络设计与训练的子程序,提供了大量可供直接调用的工具箱函数、图形用户界面和Simulink仿真工具。神经网络工具箱几乎完整地概括了现有的神经网络的新成果,网络设计者可以根据自己的需要去调用自己所需的神经网络,如BP网络、LVQ网络、Kohonen网络等。神经网络工具箱具有以下几个特点:(1)开放式的体系结构;(2)先进的可视化界面;(3)丰富的技术支持;(4)集成了许多领域专家的智慧。

1.1 环境科学中的主要科学计算问题

1.1.1 解析解和数值解

环境系统模拟中(如多介质环境系统模型),一些复杂的微分方程(组)的求解都是通过数值计算获得的。MATLAB的符号工具箱可以求解一些问题的解析解,但MATLAB更强大的功能在于数值解的实现。

1.1.2 环境质量模拟预测

环境质量的模拟计算是环境科学研究、环境评价和环境技术管理实践中经常遇到的一类问题。它既包括对单一环境介质(如大气、水体、土壤、地下水)中污染物浓度的模拟计算,也包括对多介质环境中污染物浓度的模拟计算,这类模型比较经典的如地表水水质模拟中的S-P模型、QUAL-Ⅱ模型、地表水中污染物迁移的多孔介质模型;环境空气质量模拟中的Gauss点源模式;土壤和地下水中污染物迁移的多孔介质模型等。

1.1.3 系统最优化及环境规划模型

基于最优化的计算方法在环境科学研究和工作实践中也会经常遇到。从数学角度分类,这类问题分为无约束极值和有约束极值两大类。无论无约束极值,还是有约束极值,如果依靠一般的计算机高级语言求解,则需要掌握大量相关知识并需要编制复杂的计算机程序。而如果应用MATLAB,则可以直接通过调用相关命令实现。

1.2 非传统环境数学模块的MATLAB实现

1.2.1 模糊推理的MATLAB实现

模糊逻辑系统运行的基本过程是针对隶属度函数计算的结果,根据模糊规则进行推理,综合推理结果得到结论。在MATLAB中,模糊逻辑系统的使用有3种方式:命令行函数、图形交互工具和仿真模块,它们具有殊途同归的效果。利用模糊系统进行模糊综合评价时,应具备两个基本集合。输入变量集:U={u1,u2,……,un},共有n个元素。元素ui为影响评价对象的第i种因素。输出变量集:V={v1,v2,……,vm},共有m个元素。元素vj为评价对象归属的类别。从一个评价因素ui出发,确定评价对象归属类别vj的隶属程度rij(j=1,2,……,m)的过程称为单因素模糊评价。对第i个因素ui的评价结果Ri称为单因素模糊评价集Ri=(ri1,ri2,……,rim),它是评价标准集合V上的一个模糊子集。

1.2.2 人工神经网络的MATLAB实现

人工神经网络的运行分为2个阶段:(1)训练和学习阶段;(2)预测推广阶段。在训练或学习阶段,向神经网络提供一系列的输入-输出模式,并不断调整节点之间的相互连接权重,直到特定的输入产生期望的输出,这时系统成熟。然后调入新的同类型输入信息,利用训练好的神经网络预测输出信息。在MATLAB中应用神经网络一般有3种途径:利用GUI窗口、命令行函数(编程)、调整仿真模块。其中利用GUI窗口和一些命令行函数(编程)来创建和应用神经网络是最常用也较为容易掌握的。

1.2.3 灰色系统的MATLAB实现

系统预测的任务就是利用GM(1,N)模型和GM(1,1)模型描述、预测实际环境系统中各种的共同发展情况。将有关联的因素利用GM(1,N)模型描述其发展动态,而用GM(1,1)模型描述独立因素的发展动态。假设系统中有4个因素x1、x2、x3、x4,其中因素x2发展受x1和x3影响,其间有动态关联,则可建立模型为:dx2/dt=a21x1-a22x2+a23x3,式中a21、a22、a23为系统参数,可以通过GM(1,3)模型获得。若因素x3发展受x2影响,其间有动态关联,模型为:dx3/dt=a32x2-a33x3,式中a32、a33为系统参数,可以通过GM(1,2)模型获得。若因素x1和x4是独立发展的,则可分别对之建立GM(1,1)模型:dx1/dt=a11x1-u1;dx4/dt=a44x4-u4。联立上述方程,可得:

对上述微分方程组,可用龙格-库塔法求得数值解,并可利用其对系统各因素的发展变化进行动态预测。

1.2.4 蒙特卡罗算法的MATLAB实现

以概率模型作为近似计算方法的蒙特卡罗方法实际上是一种统计方法。其基本思想是:为了计算某些量,先构造概率模型,使概率模型的某些数字特征恰好重合于所需计算的量,而数字特征又可以通过数值实验,用统计的方法求出它们的值,这些值可以作为要求计算的量的近似值。设欲求积分,其中D表示积分区域,取D上任一联合概率密度函数p(x),令:,则有:。设x1,x2,…,xn为积分域D上按概率密度函数p(x)选取的随机样本,只要积分I的值是有限的,则I就是随机变量F(x)的数学期望,其算术平均值就是积分的近似值。选取p(x)的最简单方法是选取积分区域D上的均匀分布,设其体积为VD,则:。这时,F(x)=VDf(x),所以,,这就是求多重积分的蒙特卡罗方法。

2 MATLAB在大气、土壤及水体中的研究现状

2.1 MATLAB在大气中的研究现状

近几年来,我国学者在利用神经网络进行环境质量评价方面开展了不少的工作。早期李祚泳等人把BP网络模型应用于大气环境质量评价中[2],用已被大气环境标准训练好的网络对监测数据进行评价。在随后的研究中又尝试用BP网络进行综合环境质量的二级评价[3],即先评价各个单项,再把单项作为网络输入样本进行二次评价,得出综合环境质量状况。

许晓天等人[4]通过具体案例研究了MATLABA软件在大气环境质量现状评价、高架点源污染物扩散高斯模拟、城市能源系统优化等领域的应用,展示其在区域大气环境规划中的应用潜力,在大气污染物扩散模拟中,建立了有风状态下高架连续点源预测模式:;和静风或小风状态下高架连续点源预测模式:,再用MATLAB进行幕景分析,并总结了该软件在区域大气环境规划研究中的优势及今后进一步研究的方向。

2.2 MATLAB在土壤中的研究现状

赵玉杰等[5]对基于MATLAB 6.x的BP人工神经网络工具箱进行了简单的介绍,并将BP人工神经网络应用到土壤环境质量现状评价中,编制了基于MATLAB 6.x土壤环境质量评价程序,并对影响评价结果的训练集的构建、隐层神经元数量的选择、训练过程的建立等问题进行了探讨。结果表明,用随机函数rand或线性函数linspace内插生成网络的训练集是可行的,BP网络隐层的传递函数为tansing,神经元数量为5(用rand函数生成训练集)或8(用linspace函数生成训练集),输出层的传递函数为purelin,神经元数量为1。训练集中加入一定的噪声更有利于提高网络的识别能力。在此基础上,将构建的网络应用到实际土壤环境质量评价中,并将评价的结果与其他评价方法得出的结果进行了比较,表明BP人工神经网络应用到土壤环境质量评价中是切实可行的。

2.3 MATLAB在水体中的研究现状

近年来,环评工作者不断改进网络算法,应用各种不同的模型,如改进遗传神经网络[6]、LVQ网络模型[7]等进行评价。杜东,马震及孙晓明在对MATLAB遗传算法工具箱(GAOT)的参数使用进行优化的过程中,探讨了GAOT在水资源非线性规划和多目标规划中的应用,针对多目标规m划提出了几种方法:(1)权重系数变换法:,wi为权重,zi为目标函数,将u作为多目标优化的评价函数,将多目标优化问题转化为单目标优化问题,用单目标优化的遗传算法求解;(2)并列选择法:在目标群体中进行“分割-并列选择-合并”的操作,求出多目标优化问题的最佳权衡解(Pareto最优解);(3)排列选择法:对群体中的个体进行排序,依据排序次序来进行选择运算,从而使得排在前面的最优个体有更多机会遗传到下一代群体中,经过数代循环后即可得到Pareto最优解;(4)共享函数法:利用小生境数遗传算法——的技术,使得到的解尽可能的分布在Pareto最优解集合内,而不是集中在某一较小区域上。

郭宗楼、卢新卫等[8,9]把BP网络模型拓展到湖泊富营养化、地下水评价等方面。陆志波等[10]通过将MATLAB应用于多项水质参数的综合评价及城市固体废物管理规划的实例,极大提高了规划的水平和准确性,展示了其在环境科学研究中的应用潜力。

李惠萌等[11]对灰色预测原理及其建模步骤作了系统介绍,提出了MATLAB灰色预测编程思路,如图1所示。借助MATLAB软件建立等维灰数递补残差修正动态模型预测湘江流域未来10年工业固体废物年产量,为湘江流域今后工业固体废物的管理、污染防治工作提供了科学依据。

罗定贵等[12]介绍了MATIAB工具箱中提供的径向基网络(RBF)实现函数,并指出径向基函数的阈值b1可以调节函数的灵敏度,但实际工作中更常用另一参数c(称为扩展常数),b1和c的关系在实际应用中有多种确定方法,在MATIAB神经网络函数中bl和c的关系设置为b1i=0.8326/ci,此时隐层神经元的输出变为:,罗定贵等人将改进后的RBF函数应用于抚州市地下水环境质量评价中,尝试利用MATLAB的PREMNMX函数进行原始数据预处理,利用RAND函数在水质评价标准等级问内插构造足够数量的训练样本、检测样本及其目标输出、确立水质评价等级界限,取得良好的评价结果,对提高水质评价的精度与客观性具有十分积极意义。

3 结论

环境科学中许多复杂的数值计算问题,可以直接调用MATLAB软件中的函数并赋予实际函数就可以解决。MATLAB软件诸多的优点和强大的功能,能使广大的环境科研工作者在复杂的数值计算问题上节省大量的手工计算时间和摆脱调式高级语言程序的繁琐。本文简单论述了MATLAB在环境科学中的研究现状,展示了MATLAB软件解决环境科学中各问题简捷、快速和准确的优势。近年来,许多环境科学工作者对大气、水等领域的数学模型进行了广泛的研究,若能运用MATLAB软件对这些数学模型进行模拟和求解,将不失为一个好的方法。

参考文献

[1]苏金明.阮沈勇.MATLAB6.1实用指南(上、下册)[M].北京:电子工业出版社,2002.

[2]李祚泳,邓新民.大气环境质量综合评价的BP网络模型[J].重庆环境科学,1994,16(6):38-40.

[3]李祚泳,邓新民.综合环境质量的BP网络二级评价[J].环境科学研究,1995,8(3):32-35.

[4]许晓天,陆志波.MATLAB在区域大气环境规划中的应用[J].同济大学学报(自然科学版),2005,33(2).

[5]赵玉杰,师荣光,高怀友,等.基于MATLAB6.x的BP人工神经网络的土壤环境质量评价方法研究[J].农业环境科学学报,2006,25(1):186-189.

[6]杨立民,许有鹏.改进遗传神经网络方法在大气环境质量评价中的应用[J].环境科学研究,1999,12(2):28-31.

[7]袁玲.基于LvQ神经网络模型的道路交通大气环境质量评价[J].长安大学学报(自然科学版),2003,23(5):90-93.

[8]郭宗楼,刘肇.人工神经网络在环境质量评价中的应用[J].武汉水利电力大学学报,1997,30(2):75-78.

[9]卢新卫,胡明星.地下水环境质量评价的神经网络研究[J].煤田地质与勘探,1998,26(5):51-53.

[10]陆志波,陆雍森.MATLAB在环境评价和规划中的应用[J].四川环境,2003,22(3).

[11]李惠萌,袁兴中,曾光明,等.基于MATLAB的湘江流域工业固体废物灰色预测[J].环境科学与技术,2008,31(8).

[12]罗定贵,王学军,郭青.基于MATLAB实现的ANN方法在地下水质评价中的应用[J].北京大学学报(自然科学版),2004,40(2).

环境科学应用 篇2

人居环境”理论是研究人类与其生存环境相互关系的科学。而城市作为我们赖以生存的人居环境，其规划设计在这些年里逐渐成为人们关注的重点。如果要在城市规划设计中创造一个绝佳的人居环境，那么就应该始终坚持“以人为本”的原则。

一“人居环境”理论的内涵

我们既然将与人类活动有关的环境，包括人、城镇、城市乃至城市连绵区，都归类为人居环境，那么把这样庞大的人居环境作为研究对象，并进行多学科理论分析称为人居环境科学，就是所谓的“人居环境”理论。“人居环境”要求使所有社会功能在满足目前的平衡以及可持续发展的同时，创造节约能源及材料的规划设计且与周围环境相协调。

二“人居环境”理论在城市规划中应用的主要任务

(1)借鉴前人对“人居环境”理论的研究精华，取其精华去其糟粕，用于改善现代城市规划的实践和研究。

(2)对现代城市规划中的人口、职业、经济发展状况及趋势发展进行深刻的探讨与分析，提出改造措施。

(3)利用仪器和已有研究的资料对城市规划环境进行监测、评定和改造，判断其制约和促进居民发展的因素，研究影响居民健康的具体原因。

三“人居环境”理论在城市规划设计中的应用研究

现代城市规划设计绝不仅仅是绿化或美观的问题，我们对城市规划设计首先就要贯穿“以人为本”的思想，规划设计的内容要求是与居民的生活息息相关的，因而这是一项非常复杂的但却富有意义的工程。比如：在城市规划生态资源开发方面使用不当，这些我们都可以感受到，资源的浪费严重，造成资源相关环境的破坏，就像在非典期间，我们能感受到很多的难处。

公共环境基础设施、垃圾处理和污染处理的力度不高;就业机会减少、贫富差距拉大、不安全感增加;城市规划的建筑盲目模仿国外、丧失了城市的文化和个性，体现文化特征的古建筑历史大批消失，不可再生的历史资源受到严重破坏;城市中大量钢筋、水泥破坏了绿色生态;城市建筑能耗高、浪费严重;城市人口密度过大，遭受灾害的系数增加，公共安全凸现。把这些在这里再给大家罗列一遍，是想大家都有这样一个共识，人居环境的紧迫性和必要性，而且涉及的.范围和内容都是相当广泛，包括经济发展、社会关系、历史文化、健康生活等各个层面，这个不但是一个紧迫的问题，而且是一个非常广泛的问题。

3.1.1 城市规划设计忽视“以人为本”的基本设计理念。

规划设计的目的是为了给居民提供良好的人居环境的。没有对小区居民行为活动规律及使用的需求进行深入研究，很少真正关心居民身心与健康的需求，使近在咫尺的邻里关系变成得陌生;忽略了形式与功能的相结合的方式，没有从儿童、老年人、残疾人等一些特殊人群的心理需求、生活规律等特点出发来考虑小区的规划设计;不顾居民的生活需求，片面追求高容积率的住宅利润，盲目压缩居住小区内的生活环境，使得建筑之间太过紧密，居民没有生活的私密性。这样的小区规划设计很难达到“以人为本”的理念，更是埋藏了很多安全健康的隐患。

3.1.2 忽略原本的自然环境，过度盲目的破坏自然资源。

在我国许多居住小区的规划设计中，开发商只是打着“生态”、“自然”、“可持续发展”等口号去追求过高的利益，而没有从因地制宜、保护环境、改善生态等多方面角度对小区进行合理的规划设计。导致原有环境中最有价值的资源，如水资源、生物资源、地形资源、植物资源等自然资源遭到严重的破坏，造成人为的生活困难，很难达到居住小区与其环境的和谐统一。因此，所谓的园林绿化也仅仅成为了规划设计的形象点缀而已。

3.1.3 城市公共服务设施和空间缺失，居民的休闲娱乐生活难以维持。

据相关数据统计，在有些居住小区中，居住用地的比重就占到这个小区总用地的 75%~80%，这根本达不到国家有关的标准，从而真正留给公共服务空间的用地真是少之又少，居民交流和交往的公共空间就这样被压缩了。居住小区内的公共服务设施不齐全，一些体育设施表现不突出，文化设施的利用率不高，尤其是一些陈旧的设施缺乏修葺或者更新，带来了不安全的因素。应该合理地对居住小区公共服务设施和空间进行规划设计，强调居住小区的人文和交际功能，在此基础上，按照功能的需要再确定配置标准。

3.1.4 缺乏成熟系统的理论体系来直接指导城市的规划设计。

近些年来，国外内一些学者及业内人士围绕可持续发展观、生态观，或从环境心理学、行为心理学等方面对城市规划设计进行了一些研究。但关于城市气候的特征及成因、影响居民舒适度的综合因素、城市的规划设计如何满足居民从物质到心理需求等等，这些能够直接影响到居民生活安全健康的重要问题却常常被忽视，这方面的理论研究尚未成熟，实践层次也更是不为多见的。

因此，随着经济的快速发展、社会的高速进步以及人民生活水平逐步的提高，因此，人们对人居环境意识的认识开始不断理性化地觉醒;在住房和居住小区环境双重选择上，人们的价值取向也正在不断向外延伸扩大。有人买大买平方，有人买高买空间，有人买地段买升值，有人买小区自然景观，有人买人文环境文化氛围等等，这些都直接反映了人们对物质到精神的更高层次的综合追求。

为了突出城市规划设计的设计理念，当前最流行的说法叫做“人居环境”，“人居”就必须先要“安居”。本文通过这些现状和背景的认识分析，提倡运用“人居环境”的先进思想对居住小区进行规划设计，这对居住小区规划设计的研究有着十分积极和重要的现实意义。

四 “人居环境”理论在城市规划设计中的应用导则

4.1 依据人类因素，创造具备人性化的居住小区

“人居环境”理论的人类因素是其他所有因素的前提条件，在满足人类因素的前提下，进行城市的规划设计，这才是最重要的。在城市中的人类因素主要基点在于：一切从居民出发，满足居民在生理和心理的双方面的需求，同时避免受到威胁和伤害，保持自身安全和个人私密性，以及在城市中定向的需要，使人们能够生活在健康舒适、安全环保的室内和室外的人居环境中。

因此，人类因素可以直接理解为是一种体现在城市环境的方面，它不仅可以包括与居住相关联的物理量值，诸如，居住小区内小环境所产生的温度、湿度、通风性、噪音、光和空气质量等;而且还应包括主观性心理因素值，诸如，居住小区规划设计的平面空间布局、院落的私密性保护、建筑高度所带来的视野景观、建筑的色彩和材料选择等等，从而制止了因人居环境而引发的生理和心理的各种疾病，从而增进邻里的人际关系，营造安全健康生活，回归自然关注社会。

4.2 依托社会因素，创造满足共享性的城市

人类在社会环境中，便具有了社会性，人的社会属性决定了他们有不同的生活需要，相互之间进行分工协作，从事不同种类的活动和工作。因此，就需要合理组织城市中的各种生活空间和活动，城市在地域结构和空间结构上要顺从并适应人与人之间的关系特点，其中不仅包括居住小区内部的家庭内部之间、不同家庭之间、不同年龄之间、不同阶层之间的关系，同时也包括居住小区外居民与外来者之间的种种关系，最终促进整个居住小区的和谐幸福的可持续发展。

4.3 完善清晰的支撑因素，创造富有安全性的居住小区

支撑因素的规划设计一定要合理，一定要有超前的思想，使小区更具现代化气息，特别要注意智能化科技化，实现建设高舒适度，低能耗居住小区的目标要求。整体规划设计时，要使居住小区格局完整，疏密得当，要使得建筑群体之间最大限度的合理共存，使居住小区与周围的环境和谐统一，提升居住环境品质，引领居住未来;合理利用土地资源与能源，合理分级规划道路交通，做到“人车分流”的效果;高科技支撑因素带给小区前所未有的安全度。

4.4 完备多变的建筑因素，创造体现舒适性的居住小区

建筑是家庭生活的密切场所，建筑不是愈豪华、愈奢侈愈好。合理的规划设计好建筑更能体现居住的温馨、亲切的舒适度，建筑规划设计的不合理，只能引起居住者心理不安，承受不适、不健康的心理压力。以建设小康社会与和谐社会为目标，确保不同社会群体基本的生活居住环境，使其具备安全性、健康性和舒适性;应经济、合理地使用土地和空间，节约土地、水资源、材料和能源;应该规划方便的社会公共服务设施，各种生活配套要齐全，各种活动场地、场所要足够，并且靠近公共交通站和就业密集区;应符合社会融合的原则，共生互惠，便于交往，满足不同年龄段不同人群对公共设施空间的需求;在建筑的设计上要新颖，色调要协调，风格要跟上潮流。

4.5 配置丰富的自然因素，创造满足自然性的城市

人是自然之子，只有与自然因素融为一体才能够生活生存。在城市规划时，要根据城市内的地貌特征、土地面积及形态、土质条件及水资源情况进行规划设计。对原始的自然因素进行改造，加上人工的美化，是我国景观美学的一大特点。把水体按人工的需求进行改道，沿街道修建河流，建筑物前后种植花草树木，小区内修喷泉、养鱼池等，这种改造要有艺术性、实用性、科学性，符合人们的日常生活习惯。所以，人们不断地、永不退缩地追求着自然和谐的人居环境，森林、草原、田园等自然景物这才是人们所向往的;人们喜欢春天的和风细雨，热爱夏天的阳光浪漫，钟爱硕果累累的秋日，迷恋冬日的雪花飘扬，这些才是人们真正需要的自然生态的城市。

结语:

环境科学应用 篇3

【关键词】环境科学；化学物相分析；土壤；水体沉积物；工业废弃物；应用

化学物相分析是一种对物质所具有的化学性质进行分析和评价的方法，它是物相分析方法的其中一种，与物理物相分析相对。早期，化学物相分析被广泛应用于科学研究和工业生产之中，随着经济社会的不断发展，全民环境保护意识的不断提高，在当前，化学物相也开始涉猎并逐渐被实践和应用于环境科学，并且在环境检测、环境评价以及环境管理等多项工作中发挥着重要的作用。

1.环境科学和化学物相分析

环境科学是一门集物理、化学、生物、地理等多学科为一体的跨学科专业，它所研究的内容主要包括物理、生物和化学三个部分。概括来说，环境科学是一门研究人类活动对环境的影响，以及人类活动发展和环境演化规律之间的相互关系的学科。它的研究目的是为了寻求一条人类和环境和谐共生、共同进步的可持续发展途径。

化学物相分析是一种物相分析方法，它在环境科学中又被称为“化学形态分析”。一般而言，化学物相分析的实践范围大多属于科学研究和工业生产，尤其是在矿产资源利用，即矿质检测和冶金等学科中所发挥的作用最大。化学物相分析的理论基础是根据各种物质（矿物和化合物）在化学溶剂中的溶解能力和溶解速度的不同，通过选择不同的溶解方法来测定所检测样品中某一元素呈化学形式存在的不同含量。化学物相分析与物理物相分析相对，它是依靠检测化合物或矿物的化学性质而存在的一种物质分析方法，而物理物相分析则是检测矿物的物理性质。现阶段，化学物相分析在环境科学中的应用已经十分广泛，并且经过多年的发展，化学物相分析已经和其他先进的科学技术相互结合，所得到的分析和评价结果比以前更加准确、可靠，在环境检测和环境治理、污染控制中起着不可忽视的作用。

2.土壤的分析与评价

环境科学是一门研究环境和人类发展的学科，它所研究的具体对象是人类活动对环境的影响。植物作为地球环境中最为重要的一个组成部分，其也应该是环境科学所研究的重点对象。

众所周知，植物所需要的养分和水分，大部分都是来自于土壤的，植物的根系从深扎在土壤之中，并在生长发育期间从土壤土层中汲取其生长所需要的水分和營养物质。在植物根系所汲取的养分之中，包含着不同的元素，如Cu、Mn、Zn、Pb、Hg等，这些元素有的可能对植物的生长有用，有的可能没用，甚至还有可能会对植物生长造成危害。当然，这并不是我们所关心的主要问题，我们所关心的是植物所在的这一条食物链的最末端，即人类对植物的摄取是否是健康的，植物在土壤中所汲取的有毒性元素是否会对人类的健康产生影响。为了搞清楚这个问题，我们有必要利用化学物相分析对土壤中所存在的化学元素含量及其性质作相关分析，并通过土壤检测和分析为环境污染治理提供重要依据。

元素都是以物理化学形式所存在的，其形态极为复杂，土壤中常见的金属元素也是如此。一般来说，土壤中金属元素的物理化学形态主要包括以下几种：1）以离子交换态附着于颗粒物的表面；2）吸附在颗粒物的表面；3）同无定型态的铁锰氧化物共沉淀；4）以沉淀物存在；5）被包裹而存在；6）和有机物形成络合物；7）在土壤矿物晶格中存在。这些金属元素所呈现出的物理化学形态在不同化学溶剂中的溶解速度和溶解性质不尽相同，因此在对其进行测定时，我们多采用化学物相分析法，将其元素从化学形态中分离出来，然后对分离出来的元素含量和性质进行相关分析和测定。

采用化学物相分析进行分离，包括了两种具体方法：一步提取法与分级提取法。一步提取法，其作用机理在于元素通过不同形态存在土壤组分中，我们可以利用不同的存在形式与溶解能力，采用不同的溶剂提取出来。

3.水体沉积物的分析与评价

这些年，全球工厂与生活废水排量逐渐增加，大量重金属元素被带入了水体中，这对于环境构成了严重的威胁。这些污染物往往会与底层及水生生物之间产生物理、化学反应等，一些会产生沉淀物质沉积在底层，从而长期污染水源；同时，一些沉积物在特定条件下会发生释放作用，尤其是重金属元素，释放之后将会加剧水体的污染。因此，为了准确评价水体中重金属及相关物质的污染程度，若只采用一般的分析方法分析重金属元素含量是无法达到目的的，还应对沉积物的形态及分布进行研究与分析，而这就需要化学物相分析的介入。

对于水体沉积物中重金属元素的形态分析，一般采用的是五步提取法或者三步提取法。比如对长江、太湖、西湖、湘江、黄河等主要水资源进行考察与研究时，相关研究人员利用连续浸提技术对黄河中的污染元素进行了探析，分析了Cu、Fe、Mn等元素在不同沉积物中的分布及形态，并且比较了它们的聚集能力，从而给黄河治理带来了十分重要的数据。

4.工业废弃物的分析与评价

现代工业化发展不断深入，工业所产生的固体废弃物也越来越多，比如说矿山在开采之后往往会留下尾矿，冶炼厂则会产生大量的烟尘与废渣等。这些工业产生的“废物”往往是重金属最主要的“源泉”，并且某些“废物”中重金属的含量极高，产生的危害不言而喻。我们知道，重金属拥有不可降解性，因此其将长期存在并一直危害环境及人类。为了有效规避这些物质，就需要将其进行分离，这就有必要采用化学物相分析，从而为工业废弃物的处理提供科学的依据。

5.结语

化学物相分析在土壤、水体沉积物及工业废弃物中的分析与评价虽然取得了一定的成果，但是依然存在着一些问题，比如说化学物相分析采用的是理论化的方式，其溶解过程在某种程度上与自然界发生的方式并不相同，因此对于某些现象依然没有科学的解释。总之，工业化促进了人类的进步，但同时也带来了日趋恶化的环境问题，为了解决这个难题，全世界都应高度重视该问题，团结在一起，加大化学物相分析的研究与应用，从而为科学制定环境污染控制与治理策略提供科学的依据。

参考文献

[1]黄宝贵，张志勇，杨林等.中国化学物相分析研究的新成就（下）[J].中国无机分析化学，2011，01（3）：8-15.DOI：10.3969/j.issn.2095-1035.2011.03.0002.

[2]黄宝贵，张志勇，杨林等.中国化学物相分析研究的新成就（上）[J].中国无机分析化学，2011，01（2）：6-12.DOI：10.3969/j.issn.2095-1035.2011.02.0002.

浅析GIS在环境科学中的应用 篇4

关键词：地理信息系统,环境科学,空间数据,卫星遥感技术,专题制图

地理信息系统 (GIS) 是一种特定而又十分重要的空间信息系统, 它是采集、储存、管理、分析和描述整个或部分地球表面 (包括大气层在内) 与空间和地理分布有关的数据的空间信息系统。由于地球是人们赖以生存的基础, 所以GIS是与人类的生存、发展和进步密切关联的一门信息科学与技术, 受到人们愈来愈广泛的重视。

地理信息系统是一门多技术交叉的空间信息科学, 它依赖于地理学、测绘学、统计学等基础性学科, 又取决于计算机硬件与软件技术、航天技术、遥感技术和人工智能与专家系统技术的进步与成就, 如图1所示。此外, 地理信息系统又是一门以应用为目的的信息产业, 它的应用可深入到各行各业[1]。

1 GIS技术及其特点

GIS系统是在数据库管理系统 (DBMS) 和计算机辅助设计 (CAD) 两个比较成熟的软件技术基础上发展起来的, 并附加了对空间数据进行管理和分析的特殊功能[2]。GIS以其混合数据结构和独特的地理空间分析功能而别具一格。它所提供的专用函数可用来进行测量、坐标变换、图像生成、属性修改、统计分析、拓扑叠加、网络分析等。许多GIS产品还采用了工业标准的组件对象模型 (COM) 技术, 为用户进行功能和结构定制拓展了空间。GIS技术特点可归纳为:

1.1 数据输入

数据输入是把现有资料按照统一的参考坐标系统、统一的编码、统一的标准和结构组织转换为计算机可处理的形式, 输入到数据库中的过程。除了在地图上手扶跟踪数字化、图形扫描外, 目前GIS的输入越来越多地借助非地图形式, RS (遥感技术) 数据和GPS (全球定位系统) 数据已成为GIS的重要数据来源。

1.2 数据处理

GIS对空间数据的处理主要包括数据编辑、数据综合、数据变换等, 最终形成具有拓扑关系的空间数据库。GIS中的数据分为栅格数据和矢量数据, 如何有效地存储和管理这两类数据是GIS的基本问题。大多数GIS系统采用了分层技术, 即根据地图的某些特征, 把它们分成若干图层分别存储, 把选定的图层叠加在一起就形成一张满足某种特殊要求的专题地图。

1.3 空间分析和统计

空间分析和统计是GIS的一个独立研究领域, 它的主要特点是帮助确定地理要素之间新的关系, 为用户提供一个解决各类专门问题的工具。这也是GIS得以广泛应用的重要原因之一。GIS的空间分析分为两大类:矢量数据空间分析和栅格数据空间分析。矢量数据空间分析包括:空间数据查询和属性数据分析, 缓冲区分析, 网络分析等。栅格数据空间分析包括:记录分析, 叠加分析, 统计分析等。

1.4 地图显示与输出

GIS可将空间地理信息以地图、报表、统计图表等形式显示在屏幕上, 利用开窗缩放工具可以对所显示的地图中的任意点和范围进行无级开窗缩放, 也可以按照某一比例尺显示, 进行分析对比。还可按照用户需要设置制图符号和颜色, 根据编辑好的空间数据分层选择, 通过逐层叠加形成各种专题图, 通过绘图机、打印机等输出。

1.5 二次开发和编程

大多数GIS系统都提供二次开发环境, 包括提供专用语言的开发环境, 用户可在自己编程环境中调用GIS的命令和函数。系统配有专门的控件, 供用户的开发语言 (C++, VB, VC++, ……) 调用等等。用户可以很方便地编制自己的菜单和程序, 生成可视化的用户界面, 完成GIS应用功能的开发。

2 环境科学

环境科学是研究人类环境质量及其保护和改善的科学, 是一门综合性的新兴学科。它不仅包括各种自然因素, 也包括一定的社会因素。它以生态学为主要基础理论, 充分利用化学、生物学、地学 (包括气象学、地质学、地理学、土壤学等) 、物理学、数学、医学、工程学等领域的科学知识和技术, 对人类活动所引起的水、空气、土地、生物等环境问题, 进行综合的、系统的研究。其目的是学会认识和正确估价人类的生产和生活行为对自然界引起近期或比较远期的影响, 更好地掌握自然规律。

现代很多自然科学把人类活动对自然界变化的影响作为重要的研究内容, 从而出现了与环境科学相互渗透的许多分支学科, 如环境化学、环境地球化学、环境物理学、环境生物学、环境医学、环境工程学以及大气污染学、水污染学、土壤污染学、污染生态学、农业环境科学等等。

环境科学尚处在发展阶段中, 其研究内容目前大致有以下几个方面[3]:1) 环境状况的调查和质量评价;2) 环境污染综合防治技术;3) 污染物在环境中的迁移转化规律;4) 人类活动对生态系统影响;5) 自然资源的保护和合理利用;6) 环境污染与人体健康的关系;7) 环境监测分析技术。

3 GIS在环境科学中的应用现状

环境科学中, GIS应用领域包括环境影响评价、废弃物管理、环境修复、植被制图、自然资源管理、环境政策评估、地下水与土壤水模拟和环境污染物追踪等。目前涉及到生态环境评价的研究比较广泛, 包括生态环境的脆弱性评价、生态环境的敏感性评价、生态环境的安全性评价、生态环境的健康性评价以及生态环境的可持续性评价等等。另外还有一些功能区划以及管理系统的设计, 在实现目标的前期也是基于GIS的生态环境评价的过程。所有这些生态环境评价大部分都是按照流程 (图2) 来进行的。

GIS技术在废弃物管理、环境修复、植被制图、自然资源管理、环境政策评估、地下水与土壤水模拟和环境污染物追踪方面的应用也较广泛。利用GIS技术的辅助, 实现对整个区域的环境质量进行客观的、全面的评价, 以反映出区域中受污染的程度以及空间分布状态;在野生动植物保护中, 世界野生动物基金会采用GIS空间分析功能, 帮助大型猫科动物, 改变它们目前濒于灭种的境地, 都取得了很好的效果。在此过程中需要做海量的信息处理。包括对多种来源的信息的采集、处理、分析及对不同方案的比较、模拟、预测, 要求不同方式的输出与显示方式。GIS的基本功能——空间数据的采集、检查与编辑, 格式化、转换、概括, 存储与组织, 分析, 显示得到了充分的体现。

GIS技术在环境保护方面也得到了应用。目前, 全国27个省级环保局及一百多个城市环保部门都已购置了ESRI公司的ARCGIS、ARCVIEW地理信息系统平台软件和相应的硬件设施, 大部分省已经建立环境基础数据库, 在GIS平台上开发了城市环境地理信息系统、重点流域水资源管理、环境污染应急预警预报系统等, 取得了显著的成效。

4 GIS在环境科学中的应用展望

伴随着计算机技术的发展, GIS的主要发展趋势有:网络GIS、开放式GIS、虚拟GIS、多媒体GIS、集成化——3S技术的结合、空间多维性——三维GIS与时态GIS、部件组装化——组件式GIS。GIS技术在环境科学中的应用也将随着计算机技术的发展朝三个方面进一步延伸, 即与RS、GPS结合进行空间数据挖掘、过程模拟和环境信息服务[4]。

4.1 RS、GPS结合进行空间数据挖掘

目前, 利用3S技术提取研究区域的信息, 发现面临的一些生态环境问题和某些影响因子之间的关系, 继而做出决策这方面的研究较多。其中压力—状态一响应 (P—S—R) 框架模型能很好地反映现状和影响因子之间的关系, 因此在生态评价中的应用比较多。如发现生物多样性的减少与土地利用、土地覆被变化、气候之间的关系等。

4.2 过程模拟

动态模型允许GIS空间分析与过程模型相结合, 模拟区域环境随时间变化的情况。通过改变模型参数, 模拟出不同情况下的可能结果。

4.3 环境信息服务

开放式地理信息系统是指在计算机和通信环境下, 根据行业标准和接口所建立起来的地理信息系统。它不仅使数据能在应用系统内流动, 还能在系统间流动。Open GIS具有互操作性、可扩展性、技术公开性、可移植性、兼容性、可实现性、协同性等特点。Web GIS具有适应性强、应用面广、现实性强、维护社会化、使用简单等特点, 使不同的地理信息系统软件之间具有良好的互操作性, 以及在异构分布数据库中实现信息共享的途径。网络GIS可实现信息的网上发布、浏览、下载, 实现基于Web的GIS查询和分析。GIS的网络化和开放性使得数据的共享成为可能。网络GIS作为环境信息发布的网络平台, 可以直接发布环境信息。

5 GIS应用于环境科学领域中有待解决的问题

目前很多城市拥有GIS用户群或潜在用户群, 很多单位在不同程度上使用GIS技术来辅助业务管理, 他们熟悉GIS的方法和技术, 并通过实践积累了较丰富的应用经验, 社会对GIS的需求和要求越来越高。但实际上GIS在社会中的应用却遇到不少障碍, 除了技术、人才、数据安全等方面外, 更多的是来自地理信息数据方面的问题[5], 如数据的获取方式、更新渠道和共享机制等等。主要有以下五方面:

(1) 统一管理力度不大, 地理信息资源不完善;

(2) 价格因素困扰, 地理信息资源使用率低;

(3) 受保密制约, 地理信息推广的通道不畅;

(4) 检查监督不到位, 部分地理信息数据质量得不到保障;

(5) 政策与法规不健全, 部分共享的地理信息成果得不到保护。

6结束语

数据的建设是地理信息工作的基础, 具备现势性好、内容丰富的地理信息数据, 加之有效的管理和共享交换及科学有效的服务运行理念, 才能为城市的经济建设、社会发展及科学管理提供及时可靠的地理信息支持。

GIS在环境科学中的应用前景非常广阔, 利用GIS技术可以将数据与地图相关联、建立拓扑关系、进行空间分析、输出各类专题地图、辅助解决问题和管理, 可以说目前环境工作全部内容都可以分类用GIS加以表达、显示。基于GIS的环境信息系统或者环境决策系统 (DDS) 可以生成和管理省级空间数据库, 利用空间查询和空间分析模型, 提供多种环境决策支持功能, 并利用所提供的动态分段技术和栅格数据分析功能与环境模型相结合, 加强水、气污染物扩散浓度分布图的动态、直观显示效果, GIS的应用又使环境工作更科学、更直观地得以表现, 使决策部门能够更全面、更有力地决策、指挥, 同时也使公众更清晰、更明确自身与环境的关系, 提高公众的环保意识, 从而将大大加快提高环境质量的进程, 使人们早日拥有一个更清洁、卫生、舒适的生存空间。

参考文献

[1]李旭祥, 等.地理信息系统在环境科学中的应用[M].北京:清华大学出版社, 2008:1-20.

[2]李莉, 张雄志, 陈文英.GIS技术及其在环境保护中的应用[J].环境科学动态, 2003, (1) .

[3]何增耀, 等.农业环境科学概论[M].上海:上海科学技术出版社, 1991:7-9.

[4]罗永.GIS在环境科学中的应用[J].内蒙古科技与经济, 2009, (2) .

环境科学应用 篇5

然而，现阶段复杂适应的系统理论还存在一系列问题，主要包括以下几点。一是，这一理论中的大多数内容具有描述性，并不能将其称为整体化的理论体系;二是，复杂适应的系统理论当前还是在研究中的理论，要从具体的和复杂的系统中进行分析得出;三是，复杂适应的系统数学机理并不清楚，对适应性怎样造成稳定复杂性机制的原因还在研究中。总而言之，通过对复杂适应系统理论的利用，能够对环境科学领域中的一些问题，但是还是存在很大的困难，不能否认的是，其一直在朝着积极的方向发展。

4结束语

综上所述，现阶段复杂性的科学理论还处于进一步的研究中，一些新理论层出不穷。已经形成的复杂性的科学理论给予了传统环境科学和工程新的启示，具有十分重要的实际作用。反之，环境系统的问题已经成为复杂系统理论在研究过程中比较大的动力与挑战。人们可以预言，复杂性的科学理论在环境科学中的运用，不但可以实现在基础理论上的突破，还能够为环境科学的发展迎来更好地居于，会给予人类发展一个非常好的未来。

参考文献：

环境科学应用 篇6

关键词：环境噪声；监测管理；环境信息化

随着环境保护工作的深入开展和环境科学的形成和发展，人们逐渐认识到对环境所发生的种种变化及其影响如何度量和评价已成为亟待解决的重大问题之一。环境信息是一个涉及许多领域的综合信息，其内容极为丰富，来源也十分广泛，且各种环境信息之间具有十分强烈的相关性和综合性。随着计算机技术突飞猛进的发展，计算机已经成为现代社会人们处理信息的重要工具。环境信息化可理解为信息技术在环境保护的应用过程，在某种意义上来说就是将包括自然地理、经济社会、环境监测、环境统计、污染源申报登记、污染源分布及源强、自然资源和环境容量等各方面的环境信息数字化，使环境管理适应于信息经济时代。

1.我国环境噪声污染现状

环境噪声污染主要来源是交通噪声、工业噪声、施工噪声和生活噪声。在我国城市环境噪声污染已经成为干扰人们正常生活的主要环境问题之一。据统计，在影响城市环境的各种噪声来源中，社会生活噪声占47%，工业噪声占8%-10%，建筑施工噪声占5%左右，交通噪声占30%。我国重点城市区域环境噪声总体水平在56～58dB（A），处于中等污染水平，约有2/3的城市人口生活在高噪声的环境中。我国重点城市道路交通噪声总体水平近十年来居高不下，已有3/4以上的城市交通干线两侧噪声平均值超过70dB（A）；低于70Bd（A）的城市比例不到20%。全国每年因道路交通噪声污染导致的经济损失约合人民216亿元，仅北京市每年因道路交通噪声污染导致的经济损失就达15-20亿元。我国各类功能区噪声超标比较普遍。据全国统计，全国反映噪声污染的来信、来访占环境污染投诉的比例逐年增加，而且一直高居各类环境污染投诉的第一位。

2.我国环境噪声监测技术的问题

我国的环境噪声监测初步形成了监测体系，已具备了环境噪声常规监测的能力。但与发达国家相比，还存在很大差距。环境噪声监测技术和仪器的不成熟，严重不能够适应日益强化的环境噪声管理的需要。存在以下问题：

2.1监测频次低数据代表性差

我国环境噪声监测频次：道路交通噪声每年监测一次，区域环境噪声46个国家城考城市每年监测一次，其他城市每五年监测一次，功能区噪声每季度监测一次。而噪声的污染水平与人们的活动程度密切相关，春季北方风沙大、南方游人多；夏季人们户外活动频繁，昆虫鸣叫；秋季能流、物流量大；冬季北方采暖噪声源增加。四季的噪声污染程度存在很大的差异，仅靠一年一次的测量尚不足以真实反映一个城市本年度的平均噪声水平。但由于仪器设备和人员数量、素质的限制，目前尚难以大幅度地提高监测频次。各城市由于监测时段不统一，噪声城市间环境噪声监测数据可比性差。

2.2监测点位多监测设备落后

噪声信号不同于大气污染物、水体污染物等化学物质，其空间分布是不连续的。由于受地形地貌、建筑物等的遮挡，噪声信号发生诸如反射、折射、衍射、吸收等波动现象，而使声能量的分布发生变化，导致空间分布的不连续性。只有采用多点抽样法测量，才能较为真实地反映一个区域的噪声平均污染水平。然而，由于目前使用的监测仪器都是便携式，需要监测人员到现场。如此多的点位，需要浪费大量的人力物力。如此繁琐而简单的工作耗费了监测技术人员大量的精力，因而大多数噪声监测只停留在简单的数据获取阶段，而无暇进行更深层次的分析和评价，导致我国环境噪声监测水平的滞后。

3.环境信息系统的应用及发展趋势

3.1环境信息系统的应用

随着我国环境信息化快速发展，环境信息系统在我国环境保护管理和决策中发挥了重要的作用。环境统计工作已进行了近20年，环境统计软件运行多年，己有多个版本。环境监测有数据传输软件，该软件统一了环境质量监测的数据格式，经过了近10年的应用，积累了大量的数据，但对数据进行分析和加工处理还不够。排污申报是开展比较好的工作之一，每次排污申报工作都得到大量数据。城市环境综合整治定量考核和排污收费管理是各级环保局急需利用计算机进行管理的工作。环境管理所涉及的大量环境信息，除具有时间性和动态性特点外，还具有空间分布的特点。因此，将地理空间数据与环境监测数据有机结合在一起极为重要。GSI最大特点在于把社会生活中的各种信息与反映地理位置的图形信息有机地结合在一起，并可根据用户需要对这些信息进行分析。到目前为止，我国环境保护部门己陆续开展了各种形式和规模的GSI研究与应用，显示了其在环境保护工作中应用的巨大优势和潜力。

3.2现代化环境监测技术

我国环境常规和应急监测以人工为主。随着“全国环境信息卫星通讯网络建设”和“环境自动监测网建设”项目的启动，环境监测实现自动化，极大充实了信息系统的数据库，为数据分析、挖掘打下坚实的基础。随着科技的发展，决策所需的数据量也不断增长。随着积累的数据越来越多，数据处理的任务就更加繁重。面对堆积如山的数据：要在这样多的数据中寻找隐藏在其中的有用信息无异于大海捞针。数据挖掘技术是为了顺应这种要求而产生并迅速发展起来的。数据挖掘是在深层次上进行数据分析，从数据库中发现前所未知的、隐含的知识。经过多年的发展，我国建立了各种数据库，伴随着数据仓库的建设，21世纪应用数据挖掘技术从这些数据库中挖掘出有用的信息将对我国的环境决策提供重要技术支持。环境地理信息系统将得到全面发展，将对整个环境保护部门利用现代信息技术，迅速、准确地获取自然灾害和环境信息，及时、全面地掌握我国环境污染和生态破坏的发生、发展与演变过程，并作出科学分析和评价起到重要的作用。也将为地理信息系统与遥感技术（RS）、全球定位系统（GPS）技术的结合应用，形成国家完整的连续、动态、快速的环境信息获取与处理技术体系打下必要的基础。

4.环境噪声监测管理的环境信息化建议

环境信息系统目前正在全国多个城市进行试点工作，分别对交通及各种噪声源等进行噪声在线自动监测。其目的在于对不同地区、不同条件（如温度、湿度、气压等变化）的变化对仪器传感器的影响进行测试，对不同噪声类型的在线监测进行研究，为编写在线自动监测的技术规范和管理办法，及监测方法和标准提供依据。工作正在进行当中。目前正在进行超标录音、地理信息系统二次开发和网络安全性测试等功能的完善。由于噪声是物理污染，有时间和空间上的不同，只有在条件允许的情况下，尽可能多的布设监测点位，才可以反映真实的情况。点位的增多就意味着需要更多的前端仪表，降低单个仪器的成本来降低资金投入。尽快编写相应的管理办法和技术规范，这样才能够使在线自动监测系统更好的在全国范围内投入使用。与地理信息系统相结合是目前的发展趋势，可以使信息在空间上得以直观展现，更加直接。下一步的工作重点应放在GIS的二次开发工作上，这样我们就可以建立模型库，对未来噪声情况进行预测，并可以对噪声进行模拟。噪声的预测在噪声改善工程的可行性研究和城市规划中起了不小的作用。城市环境噪声预测方法，主要可归纳为两大类。一类是根据不确定性数学的原理，以实测数据在时间序列上的规律为基础，引用统计分析方法提出的预测方法。通过对噪声随时间变化规律性的研究以及对测点所得的噪声值序列进行分析，我们可以对噪声在时间上进行短期的预测。另一类是根据噪声产生与传播的物理原理所提出的理论计算预测方法，即噪声在空间上的预测。这类方法受噪声源和传播介质的限制大，需要足够多的监测点位和对所测区域的空间范围内全部噪声源、建筑物和边界进行全面了解，而且参数众多，有较为复杂的表达式，因此前期工作比较繁重。但这类以预测为主、实测验证的方法建立的预测模型能和先进的地理信息系统技术结合，具有预测、分析、评价、空间查询等功能，是许多国家目前所采用的主要方法。我国以往研究多以介绍和分析国外预测评价模型为主，对建立符合我国实际环境状况、环境标准的预测模型的研究报道比较少。噪声预测工作是我们今后研究的重点。有了噪声在线自动监测系统，管理人员的工作量明显减轻，并且数据由抽样式变为全样式，数据量大大增多。目前所获得的数据只能够做简单的处理，有了大量的数据和充裕的时间，我们可以进一步的对数据进行挖掘。

参考文献：

[1]柯瑞荣.试论城市环境信息化的发展趋势及内涵[J].学会月刊，2013

环境科学应用 篇7

1 化学物相分析的发展

化学物相分析方法是研究物质组成的过程中形成的一种综合性分析起来的, 是以全面性、综合性的工作流程和工作模式。早在上个世纪初期, 相关工作人员在研究中提出了物相概念, 并且将其有效的应用在各种矿物质分析工作中。在这之后的十几年时间里, 以美国为首的发达国家在工作中都采用了物相分析法的研究成果。但是直到二十世纪中期, 物相概念才得以形成一门独立的学科获得了广发的应用。而我国则是与新中国成立之后才逐渐引入, 并加以完善和总结的过程。近些年来, 随着科学技术的不断发展, 关于化学物相的研究不断深入和完善, 而与之配合的各种设备和理论体系都得到了我们的关注和重视, 成为了当前工作中最值得我们关注和重视的一部分。

2 化学物相分析在环境领域中的应用

近年来的社会发展中, 各种先进的科学技术不断的涌现了出来, 以化学物相分析法为主的新型分析和研究手段也受到了人们的重视与关注, 成为当前工作中最为完善的一项。而且在目前, 以X射线光谱仪、红外线光谱为主的新型手段都得到了人们的重视与关注, 成为目前工作中最值得我们研究和探索的一部分。在目前的化学物相分析发研究中, 其主要是应用在环境科学中, 同时主要的工作目标集中在土壤、水质、工业废渣以及大气监测等领域中。

2.1 土壤分析

土壤是人类生存和动植物生长的主要供给之源, 也是整个自然界得以存在的基础所在。自古以来, 人类在生活中就提出了大地母亲的说法。由于植物在生长的过程中是从土壤之中提取各种养料和能源来获得生长和生存的。因此, 在目前的社会发展中一旦土壤受到污染和影响, 极容易造成植物和人类的生存和生产影响, 在严重的时候甚至会导致植物的死亡和人类身体健康受到影响。在目前的植物生长中, 不同的微量元素对于植物生长有着不同的形态影响, 对植物生长的影响也不尽相同。在目前的微量营养元素主要有铜、锌、硒、钙等微量元素, 这些元素在土壤中的含量和分布形态对于植物生长有着极为重要的影响和关系, 同时其中也存在着各种有毒元素。在目前的人类生活和生产中, 人们最为关注的更是各种有毒元素在土壤中的氧含量。因为这些元素的存在一方面造成了植物生长的影响, 同时也给人类的生存与发展带来了一定的影响。所以, 在目前的工作中利用化学物相分析法来对土壤中元素含量进行总结和检测十分重要和关键, 是实现土壤治理的主要标准和基础依据。

2.2 水体分析与评价

近几年来, 我们在工作中对于工业生产规模不断扩大, 其生产的工业废水以及人们日常生活中所产生的生活污水都通过各种管道流入到江河里面去了, 这也就造成了各种金属元素以及其他元素进入水中, 对河流造成一定的污染。这些进入到水体中的金属元素, 与水中生物和其他物质会发生一系列的物理反应和化学反应, 其中一部分生成物就会在河流的两岸以及近海区发生沉积。当遇到一定的外部因素影响, 这些沉积在水体中的金属元素又会重新释放到水体中, 促使水体污染的负荷不断增加。因此, 为了对这些沉积的金属元素的污染程度进行正确的分析和评价, 就需要对金属的分布形态进行综合的研究, :能够为科学的治理措施提供必要的参考依据。

针对水体沉积物中的金属形态进行分析, 通常采用的是五步提取法或者是三步提取法。我国对化学物相分析方法的重视, 是从20世纪80年代开始的, 逐步提高对环境质量评价的准确性和科学性, 在实际的工作中, 将化学物相分析与生物暴露试验相结合也是当前一种常见的应用方式。通过二者的有效结合, 能够对不同金属物质的水溶态进行区别, 以此来判断水体中的金属属性和含量。

2.3 工业废弃物分析与评价

现代工业的快速发展, 产生了大量的固体废弃物, 尤其是矿山开采产生的尾矿、冶炼生产产生的废渣和废弃等, 都是造成环境污染严重的因素。在工业废渣中含有大量重金属, 这也是工业污染中最为严重的污染成分。含有大量重金属的物质, 不仅其本身具有不可降解性, 同时也会对其周围的环境造成巨大的潜在危险, 对人和其他的生物都产生重要的影响。工业废渣对环境产生的影响, 不仅仅是与其重金属含量有关, 同时也与其中包含的各种有害因素之间的转化和迁移有着密切的关系。

3 需要注意的问题

a.从理论的角度出发, 化学物相分析方法在溶解过程方面与自然界存在的世界的生长过程存在着一定的差异性, 因为在自然界中的生物反应过程, 是弱提取和慢动力的反应过程, 但是在在化学物相分析方法中所使用的很多操作程序, 确显示出较快的速度, 而且整个操作过程的完成并不是在热力学平衡状态下完成的, 因此在某一特殊的物相进行浸取时, 很可能会对另一种物相造成破坏, 所以很多化学物相分析方法所获得数据结果无法得到有效的解释。b.在进行分级提取操作时, 需要保证被检测的样本中存在着能够被单独提取的化学相, 但是在实际的自然环境中, 水质或者是空气中的沉积物并不能保证化学或者是物理相的存在, 因此该测定结果很容易受到人为因素的影响。

结束语

环境科学应用 篇8

地理信息系统GIS (Geographic information system) 是20世纪60年代中期开始发展起来的新技术, 是一个能够对空间相关数据进行采集、管理、分析和可视化输出的计算机信息系统。

地理信息系统最初是为解决地理问题而产生的, 1972年, 世界上第一个地理信息系统 (CGIS) 全面投入运行。此后, 地理信息系统在全球范围内获得了快速发展, 至今已成为一门涉及测绘科学、环境科学、计算机技术等多学科交叉学科。在西方发达国家GIS应用已经渗透到社会经济生活的各个方面, 目前已经成功地应用到了资源管理、环境科学、灾害预测、投资评价、城市规划建设、人口和商业管理、交通运输、石油和天然气、教育、军事等众多领域。在我国, 随着经济建设的迅速发展, GIS在城市规划管理、环境科学、交通运输、防灾减灾、农业、林业等领域发挥了重要的作用, 取得了良好的经济效益和社会效益。

由于环境科学的问题在不同程度上都具有某种地理含义, 因此, 许多国家将GIS技术引入到环境科学领域。如美国国家环保局从1989年起用ARE/INFO进行了大量科学研究和运用, 范围覆盖环境影响评价、地下水保护点源和面源污染分析、酸沉降分析、危险废物泄漏紧急相应等。

随着全球性环境的日益恶化, 环境保护在实现人类可持续发展战略过程中扮演着越来越重要的角色。而环境问题与地理因素紧密相关, 通常带有很强的地理或地理分布特征。因此, 运用GIS技术有效处理基于环境问题的大量复杂空间信息, 将在很大程度上提高环境科学工作的质量和效率。

通过GIS技术, 实时动态的对环境信息进行处理, 大大提高管理工作的效率和现时性;利用GIS软件, 环境工作者可有效组织数据库可视化;GIS数据参照同一空间坐标系, 使不同领域共享数据和结果变得简单高效, 各部门数据可集成支持整个项目的战略决策。

1 GIS在环境科学领域中的应用

1.1 制作环境地图

环境制图是环境科学研究的基本工具和手段。与传统的手工制图方式相比, 利用GIS建立起地图数据库, 可以达到一次投入、多次产出的效果。不仅可以输出全要素地形图, 而且可以根据用户需要分层输出各种专题图, 如污染源分布图、大气质量功能区划图等。GIS的制图方法比传统的手工绘图方法要灵活得多, 在基础电子地图上, 通过加入相关的专题数据就可迅速制作出各种高质量的环境专题地图。再根据实际需要从符号和颜色库中选择合适的图件, 就能更好地突出专题效果和特性。

1.2 建立各种环境地理信息系统

各级环保部门在日常管理业务中, 需要采集和处理大量的、种类繁多的环境信息。而这些环境信息85%以上与空间位置有关。GIS的强大功能之一是它的空间数据的采集、编辑、处理功能和对空间数据的管理能力。使用GIS, 可以建立各种环境空间数据库。例如:污染源空间信息数据库 (包括工业、农业、交通等污染源数量、属性和污染源发生的地域范围) 、环境质量信息数据库 (包括空气、水、噪声等) 、自然生态空间数据库 (包括地貌、水文动物、植物等) , GIS能够把各种环境信息与其地理位置结合起来进行综合分析与管理, 以实现空间数据的输入、查询、分析、输出和管理的可视化。例如, 基于GIS平台, 厦门市建立了城市环境空间数据库和污染源监测属性数据库, 在此基础上开发了污染源信息管理决策支持系统, 实现了城市环境污染源空间增减, 查询统计分析的可视化。武汉市环境信息中心建立了环境质量空间数据库, 开发了网络化城市环境质量地理信息系统, 该系统涵盖了大气、地表水、声学环境的监测信息, 以分布图、专题图、三维模型等形式, 生动直观地反映环境质量状况。

1.3 在环境规划中的应用

环境规划实质上是一种克服人类经济、社会活动和环境保护活动盲目性和主观随意性的科学决策活动。在环境规划的全过程中, 自始至终需要收集、消化、吸收、参考和处理各类相关的综合信息。如流域的水污染控制、固体废弃物的处置场址选择、自然保护区的规划等都需要处理大量的现时的环境状态与特征的空间信息。这些信息覆盖了不同类型, 来自不同部门, 存载于不同的介质之上, 表现出不同的形式, 要把这些信息进行筛选并转换成可用的形式, 只凭人脑是难以胜任的。因此, 在客观上需要一种基于电脑的信息集中储存、处理的环境来支持和帮助规划人员完成这一工作。GIS在环境规划方面具有很大的优越性, 它采用开放式的体系结构, 环境规划人员可以利用现有的表格数据和数据库管理系统查询、使用各个部门的信息;它可以把各种数据按类型进行分类, 并放在不同的图层上, 各层之间可以进行运算、变换、叠加、旋转等。

1.4 应用于环境监测

在环境监测过程中, 利用GIS技术可以对实时采集的数据进行存储、处理、显示、分析, 实现为环境决策提供辅助手段的目的。

陈莉, 吴小寅[6]在“GIS在环境监测分析中的应用”一文中研究了地理信息系统技术在环境监测分析中的应用, 研究表明在地理信息系统支持下的环境监测分析工作, 具有界面友好、形象直观、使用方便、易于操作和维护等优点。

罗鸿兵[11]的“二维条码和GIS联合技术在环境监测中的应用系统研究”一文中提到将GIS与与二维条码联合, 对废气、废水、固体废弃物、噪声等的监测应用进行了探讨, 研制出了其应用信息管理系统, 并以都江堰的环境监测为实例, 取得了一定的应用效果。

Hudak等利用GIS技术对地下水的监测网络进行了设计, 可以对所选研究区域进行详细的场地监测和分析, 有利于管理地表和地下废物设施, 及时发现潜在污染源, 加强对水源井的保护。同时根据河流上监测端面的监测数据可对重点流域 (淮河、辽河、海河、太湖、巢湖、滇池) 水质以及排放到该河流工业污染源贡献率进行合理评价, 为国家地方环保局决策人员及时提供信息。此外, 利用GIS对插点污染源进行管理, 监测其发展动态, 对实现污染物总量控制的分析、预报、计算、管理等具有重要的作用。

在水质监测过程中, 可以运用GIS对水质进行自动监测, 自动监测系统由信息采集系统、信息传输系统、信息管理及服务系统三部分组成。各组成部分在系统中所处位置和相互关系如图1所示。

信息采集系统包括自动采样器, 自动分析仪和多参数水质监测仪, 水量测定装置的配备、设计和安装, 能够完成自动监测系统的信息采集、整理, 并通过通信系统和计算机网络把各类信息传送给水质监测中心站, 使决策部门及时了解水质状况, 发布水质公报, 为控制水质和治理水环境提供科学依据。

信息传输系统则充分利用流域现有的通信网和计算机网络系统, 建立覆盖流域水资源监测实验室的计算机网络系统, 实现水资源信息的网上传输和资料共享, 达到快速、准确地传递水质信息的目的, 为水资源科学化管理和决策提供先进的科学手段。

1.5 环境模拟与预测

利用GIS数据中大量环境信息之间的相关性、耦合性可对环境的演变进行数值模拟, 发现其中的规律, 进而可以根据将来的生产、发展等相关情况对环境的演变进行预测, 更好地为环境保护服务。建立模拟与预测的数理模型是其关键问题。

1.6 自然生态现状分析

在进行自然生态现状分析过程中, 利用GIS可以比较精确地计算水土流失、荒漠化、森林砍伐面积等, 客观地评价生态破坏程度和波及的范围, 为各级政府进行生态环境综合治理提供科学依据。

在我国西部12省, 国家环保局把GIS技术与遥感技术相结合, 对生态环境现状进行调查, 得出了西部地区生态环境的空间分布与空间统计状况, 了解了生态环境质量状况和生态环境变化的空间规律, 为地区经济的可持续发展和资源环境的可持续利用提供了科学依据。

在黄芳[9]的“GIS在西部生态环境建设中的应用”一文中严格论证了GIS与西部生态环境建设的有机结合这个项目实施的可行性, 然后再可持续发展的理论指导下, 运用空间分析方法, 提出了项目的实施方案。

1.7 环境应急预警预报

建立重大环境污染事故区域预警系统, 能够对事故风险源的地理位置及其属性、事故敏感区域位置及其属性进行管理, 提供污染事故的大气、河流污染扩散的模拟过程和应急方案。例如, 大连市环境信息中心华秀青等人研制的“重大污染事故区域预警系统”把重大污染事故的多种预测模型与GIS技术相结合, 及时提供报警、救援信息和制定应急措施, 为重大污染事故应急指挥奠定了基础。北京市将“3S”技术相结合开发了环保预警预报系统, 该系统采用GIS技术进行污染源的搜索和定位, 运用GIS与GPS进行出警指挥和导航, 用RS技术获取地面信息, 解决了GIS基础底图动态更新问题, 更好地发挥了GIS在环保执法和应急事件中的作用。

1.8 环境质量评价和环境影响评价

由于GIS能够集成管理与场地密切相关的环境数据, 因而也是综合分析评价的有力工具。环境影响评价是对所有的改、扩、建项目可能产生的环境影响进行预测评价, 并提出防止和减缓这种影响的对策与措施。利用GIS的空间分析功能, 可以综合性地分析建设项目各种数据, 帮助确立环境影响评价模型。由于GIS系统具有层的结构, 可将不同的环境影响进行计算并叠加。深圳市环境保护研究所已利用GIS技术进行编制环境影响评价报告书和制图。

在区域环境质量现状评价工作中, 可将地理信息与大气、土壤、水、噪声等环境要素的监测数据结合在一起, 利用GIS软件的空间分析模块, 对整个区域的环境质量现状进行客观、全面的评价, 以反映出区域中受污染的程度以及空间分布情况。如通过叠加分析, 可以提取该区域内大气污染分布图、噪声分布图;通过缓冲区分析, 可显示污染源影响范围等。

1.9 水环境信息管理

由于水环境信息具有明显的空间属性和层次属性, 利用GIS技术可以更加明确地揭示不同区域的水环境状况, 反映水体环境质量在空间上的变化趋势。直观地反映如污染源、排污口、监测断面等环境要素的空间分布。同时可以进行污染源预测、水质预测、水环境容量计算、污染物削减量分配等, 以表格和图形的方式为水环境管理决策提供多方位、多形式的支持。还可以监测水土流失、地下水降落漏斗、土地沙化和盐碱化、森林和草场的退化与消失、海水入侵、黄河断流等。

汪亚峰, 卢玉栋等[8]“GIS在水土保持中的应用”通过分析GIS在国内外的应用现状, 引入了它在水土保持研究中的具体应用。主要应用方面包括基础数据调查与信息管理, 水土保持生态环境项目前期工作, 水土保持项目管理, 水土保持监测与管理, 水土保持规划。GIS的引入极大的促进了水土保持研究工作进展。

目前使用GIS软件的环保部分, 已完成各省水环境功能区划汇总工作, 在此基础上, 进一步开发水环境功能区管理信息系统, 实现水环境数据查询、水质评价、统计分析、水质预测等功能, 将各种水环境信息以可视化的方式表达, 将对水环境的科学管理具有非常重要的意义。

2 应用前景与发展趋势

随着网络技术的发展和信息高速公路的建成, 基于Web上的GIS应运而生, 并在逐渐的完善。借助Internet和这种新型Web GIS技术, 可对数据进行集中的网络化管理, 实现信息资源的充分共享, 提高工作效率, 同时网上实时、高效的信息发布, 使联系交流更为密切, 将提高管理的响应能力, 缩短环境管理的空间距离。

尽管GIS在环境科学领域的应用比较肤浅, 但是成效是显著的;而且随着新技术的发展, 应用的深入, GIS的应用必将为我国的环境保护领域做出巨大的贡献。

地理信息系统和遥感的一体化是今后研究的重点目标。地理信息系统与遥感的结台涉及数据结构及其转变, 面向专题目标的模型与软件接口等技术问题, 有待于进一步完善

为了加快地理信息系统这门现代化技术的普及和发展, 需要实现软件和硬件的标准化、通用化和小型化;标准化可以促进GIS网络的发展, 在网络中数据可以共享, 减少数据更新的重复工作。

引入全球定位系统 (GPS) 的研究成果可以提高GIS数据采集的精度。

全球定位系统 (GPS) 、遥感 (RS) 和地理信息系统 (GIS) 为环境科学提供了全新的观测手段, 尤其是三者的综合集成使用是今后发展的方向。它将最终建成新型的地面三维信息和地理编码影像的实时或准实时获取与处理系统。形成快速, 高精度的信息处理流程, 不但可以实时评价环境质量现状, 而且对环境的动态监测, 重大自然灾害的环境影响的追踪调查和评价, 重大工程基础上的超前论证及环境后效的动态监测和评价, 都将发挥无可比拟的优势。利用遥感 (RS) 解译查明土地利用、在建工地、绿化分布、固体废弃物分布、禽畜饲养场分布、滩涂资源与利用等情况, 在此基础上, 选择一些参评因子, 再结合环境监测数据对环境质量进行综台评价环境评价中, 专家知识的应用也很重要, 尤其对于环境影响评价, 专家的概率思维和模糊思维尤其重要。

3 结语

地理信息系统近年来迅速发展, 尤其是“3S”集成技术的出现, 使我国的环境地理信息系统开发与应用迈上新的台阶。不过我国在GIS的研究和开发上与国外相比还有较大的差距, 今后应着力加大开发力度, 而且必须向“3S”一体化方向发展, 实现信息实时动态采集、处理、分析。随着环境科学研究中研制的具有过程模拟、水污染控制、水资源规划与管理等功能的环保规划决策支持系统先进软件功能不断完善, 进行三维空间的动态模拟仿真系统将成为可能。这些技术的发展无疑对政府部门的决策具有重要的参考价值。

与此同时, 在我国环境类学科中应开设地理信息系统课程, 加快地理信息系统在我国环境科学领域研究中的推广和应用, GIS必将在环境科学领域中大放异彩。

[ID:001088]

摘要：地理信息系统GIS是一门以计算机为基础的新兴技术, 围绕着这项技术的研究、开发和应用, 形成了一门交叉学科。综合性地阐述了GIS在环境科学领域中的应用现状, 并探讨了GIS在此领域应用的未来发展趋势。

关键词：地理信息系统 (GIS) ,环境科学应用

参考文献

[1]曹静, 魏家红.GIS技术的特点及其在环境保护中的应用[J].黄河水利职业技术学院学报, 2005, 17 (2) :47-49.

[2]段智勇, 付忠诚, 李步年.GIS技术及其在环境保护领域中的应用[J].环境与开发, 2001, 16 (1) :30-31.

[3]李莉, 张维志, 陈文英.GIS技术及其在环境保护中的应用[J].环境科学动态, 2003, 28 (1) :10-11.

[4]何艳, 徐建明, 施加春.GIS在环境保护中的应用现状与发展[J].环境污染与防治, 2003, 12 (6) :359-361.

[5]冯文博, 李继军, 戴塔根.GIS在环境工程中的应用[J].湖南农业大学学报:社会科学版, 2001, 2 (2) :16-18.

[6]陈莉, 吴小寅.GIS在环境监测分析中的应用[J].甘肃环境研究与监测, 2003, 16 (S1) :32-34.

[7]胡春华, 汪文鹏, 李雄文, 等.GIS在环境领域中的应用于发展方向[J].地理空间信息, 2005, 3 (2) :17-19.

[8]汪亚峰, 卢玉东, 卢喜平, 等.GIS在水土保持研究中的应用[J].农业网络信息, 2004, 19 (12) :6-9.

[9]黄芳.GIS在西部生态环境建设中的应用[J].资源开发与市场, 2003, 19 (5) :284-286.

[10]吴丽娜.地理信息系统 (GIS) 与环境科学[J].厦门科技, 2000, 7 (4) .

环境科学应用 篇9

梅耶的这本书在我看来,就像是一个小小的学习、教学和评估理论的精品陈列室,能帮助读者快速地浏览积淀了上百年理论的精华。当然这其中不排除一些理论似曾相识,正因为经典所以才被反复强调,但是很有可能这些理论精华在脑中是存放杂乱的,而《应用学习科学》一书精心布置了展厅,整理了各种科学理论,帮助读者在脑中组织重构,并且有投入到这种科学探索之中的冲动。难怪梅里尔把这本书称为“冰激凌顶”,也就是冰激凌最诱人的那个部分,让读者忍不住进行更多的阅读和研究。

什么是学习与学习科学?

学习是指由经验引起的学习者知识的变化。这一定义表明学习由三个主要部分构成:学习是发生在学习者身上的一种变化;学习者的知识发生了变化;这种变化是由学习者的经验引起的。

学习科学的目标在于就如何开展学习,建立有实证依据的模式。学习科学之所以是一种基于研究的理论,是因为它建立在实证依据的基础上而不以专家的意见、口号或引文为转移。

——摘自《应用学习科学——心理学大师给教师的建议》,第14～18页

梅耶在书中总结了学习的三个组成部分,其中核心部分是“学习必然要让学习者发生改变”,那么紧接着要问的是“学习改变了什么”以及“如何开展学习”?这也就是学习科学是需要研究的。学习科学之所以被称之为科学,其标志就在于实证依据,之后所提到的教学科学和评估科学也是这个道理。在梅耶看来,学习、教学和评估要更有效,一定要破除主观臆断,去真实情境中寻找依据,这才是科学的精神。

让我们步入学习的展厅,来看看这一展区的珍品陈列。先看第一个问题,学习改变了什么?目前我们普遍达成的共识是,学习不仅仅表现在外显的行为上,更需要引起学习者心智结构的变化,这也解释了学习的三种隐喻的演进。隐喻一:学习即增强反应,还记得桑代克那只猫和它的迷笼吗?饥饿驱使它不断地抓咬猛扑,终于在无数次的尝试后它碰到了那个门栓,得到了食物,之后它就会越来越熟练。隐喻二:学习即知识记忆,艾宾浩斯的遗忘曲线是教育心理学课的必学知识。隐喻三:图式同化,说起图式同化,我们所熟悉的专家可能是皮亚杰。但实际上,巴特莱特做的研究很有意思,他找来10个英国的大学生,进行了一个类似于“传声筒”游戏的实验,他把一个故事讲给第一个学生听,后面的学生依次将故事传递过去,然后要求第10个学生复述故事,结果发现故事变短了。这说明学习者对故事进行了钝化(丢弃故事的细节)和锐化(突出他们认为重要的部分),并且用自己熟悉的经验对其进行合理化。这再次证明了皮亚杰的结论“学习是一种图式同化的建构过程”。

其次,如何开展学习。这里有几条学习的铁律。1.双重通道原则。人有两条主要加工通道,即言语和图示,相比于言语,图示有优势效应,也就是说人们更容易记住以图示呈现的信息,当然,如果两者并用会达到更好的学习效果。2.信息加工容量有限。在经过一系列的相关实验论证后,乔治·米勒认为人的注意广度是7,七加减二是人瞬时记忆的极限,所以这也解释了为什么切块学习会有效的原因。3.主动加工。在阅读时,学生每读完一段文字后进行总结能更好地促进学习,维特洛克的生成学习理论对比给出了合理的解释,因为这样就激发了学习者积极参与认知加工。

此外,动机和元认知对于学习来说也非常重要,几乎所有的教师都知道动机的重要性,可是不见得所有的教师都能讲全所有的动机。梅耶提到了基于兴趣的动机、基于信念的动机、基于归因的动机、基于目标的动机和基于社交伙伴的动机。我们只有全面了解这些动机,才能从各个方面去激发学生的动机。元认知是对认知的认知,一项对高考状元的研究发现,所有的高考状元都习惯对自己的学习进行阶段性的反省认知,其中一个外显的证据是他们中的很多人热衷于画思维导图。

什么是教学与教学科学?

教学是教育者为促进学生学习而对学习环境加以操控的过程。这个定义有两层含义:其一,教学是教学者发出的行为;其二,它的目的是帮助学生学习。

教学科学是关于如何帮助人学习的科学研究。它之所以具有科学性,是因为这些教学原则是可以验证的。

教学科学的目标是提出实证依据的教学设计原则,指出有效运用教学方法的边界条件,例如在特定的教学环境下,将特定的知识传授给特定的学习者。

应用教学方法的主要标准是其效果是否有实证依据。评估教学方法是否会产生意义学习的主要方式是进行对照实验,比较使用特殊教学方法的学习者和没有使用特殊教学方法的学习者,其学习结果有什么不同。

——摘自《应用学习科学——心理学大师给教师的建议》,第52～54页

教学是以学习为中心的学习环境的营造。教学目标的确定是很重要的,其核心是“学生发生了什么改变”,那么如何能够看出这种改变,就需要有应用和检测。目前教学设计专家达成的共识是,强调不同类型的知识要用不同的方式来教学和评价。所以,梅耶在书中提出了教学目标的五种知识类型,分别为事实性知识、概念性知识、程序性知识、策略性知识和信念性知识,这就比以往教育心理学提的是程序性知识和陈述性知识划分得更为细致了。在如何开展教学这部分,梅耶在书中特别提到了学习的三种认知加工要求,即无关认知加工(与教学目标没有关系的加工)、基础认知加工(初步认知加工)、生成认知加工(深层认知加工)。对于这三种加工方式,我们的策略不同。首先,要尽量减少无关认知加工,其原则有明确期望、聚焦要义、标记结构、空间邻近和时间邻近。其次,调节基础认知加工,其原则有切块呈现、提前准备、调整通道,比如切块呈现就是要把复杂的内容分成几个部分来学习,这样对学习就没有那么困难了。最后,促进生成认知加工,其原则有多媒体、人性化、具体化和抛锚式,这里最重要的一点就是要充分调动学生已有的经验。总结这三种加工方式的原则,有效的教学就是要让学习过程经历选择(关注新信息)一组织(对新信息进行梳理)—整合(与长时记忆的旧信息相联系)三个步骤。梅耶还给出了每个步骤的具体教学策略:促进选择的教学策略有明晰目标、前置问题、后置问题和强调重点;促进组织的教学策略有总概述、小标题、联系词、绘图表;促进整合的教学策略有具体先导和具体示范,也就是把新旧知识相关联,比如在关于电路运行的课程中加上水流系统的隐喻,因为学生对水流很熟悉,有助于促进他们对电流的理解。

什么是评估与评估科学?

评估涉及确定学习者学习到了什么,学习者的学习方式,以及与学习相关的学习者的个性特征。我们实施一项评估时,要设法描述学习结果(即知识)、学习过程(即建构知识的认知过程)或者学习特征(即建构知识的能力)。

如你所见,要在教育中应用学习科学,有效的评估工具是必不可少的。如果我们要开发有实证依据的学习理论和教学原理,那么就必须对学习者的学习效果进行评估。总之,教育评估要将“证据”纳入“有实证依据的实践”之中。教育研究面临的一个基本挑战是开发有效的评估工具——测验,以便能够真正了解学习者学到了什么。

——摘自《应用学习科学——心理学大师给教师的建议》,第93～94页

评估在大数据时代越来越受到重视,今天人们开始不再盲目地学、盲目地教,而是希望能够有根据地学、有根据地教,而这个根据很大程度上来自评估。我们都知道评估有三种,即预评估(教学前)、形成性评估(教学中)和总结性评估(教学后),作为一项评估工具,比如测验要关注四个指标,即信度、效度、客观性和参照性。当然,虽然测验在全世界来看,还是最重要的评估方式。但如果想要搞清楚学习和教学究意是怎么回事,包括是什么在起作用,什么时候起作用和如何起作用,我们还需要多样化的评估手段,比如实验。运用随机对照实验可以研究是什么在起作用?运用析因实验可以研究什么时候起作用;运用观察分析,可以研究如何起作用。

综上所述,学习科学从广义上来说,包括学习科学、教学科学和评估科学,称为科学的标准是一样的,就是基于证据。今天,我们欣喜地看到应用学习科学下的实验研究取得了很大的进展,为学习和教学提供了很多可供借鉴的依据。比如威特海默在其经典著作《创造性思维》一书中做了一系列的迁移实验,以平行四边形的面积求解为例,如下图所示,机械学习(控制组)的方式和意义学习(实验组)的方式不同,直接就这题来看,两者的教学效果没有什么太大区别,经过学习后,学生都能求平行四边形的面积。但是当给学生下面这两道题时,两者就有很大的区别了,控制组的学生在给左边的平行四边形作了一条垂线后就束手无策了,右边的他们更是觉得没有学过。而实验组的学生能重新调整形状,求出这两道题的答案,完成学习的迁移。相信未来学习科学会得到越来越多的应用,让我们的学习者能学得更有效。

两个图形的面积分别是多少?

环境科学应用 篇10

新型环境材料也称新型环保材料, 90年代被一位世界知名学者山本良一教授首次提出[1], 随后世界各地的学者不断的对其进行各种讨论研究并逐步取得完善。环境友好材料是指一些具有较低环境负荷和较高再生率的新型材料。新型环境材料能够改善环境, 对资源和能耗消耗少, 对生态和环境污染小, 有利于人类健康。这些新型材料的运用、制取、用后处理以及循环再利用的整个过程, 都对环境发展起着协同的作用, 有助于实现材料的可持续发展。

新型环境材料具有3个主要特征:一是先进性, 即主要的功能性;二是环境协调性, 这是当代新材料的一个基本性能要求;三是舒适性, 亦称经济性, 材料在使用中既要舒适美观, 又要良好的经济实用性[2]。新型环境材料目前已广泛应用于环保、工业和农业生产等领域。

2目前我国土壤污染态势

众所周知, 我国土壤污染具有以下几个特点:潜伏性、长期性、不可逆性以及污染后果的严重性。一旦土壤环境污染爆发, 人类可能就会成为这场灾难性直接受害者。鉴于这种假设, 一些学者形象地将土壤污染称之为“化学定时炸弹”[3]。我国的耕地面积只占世界7%, 但是却养活着占世界近25%的人口, 因此我们不仅要确保土壤生态环境的质量, 还要保障土壤资源的可持续利用。我国自90年代以来, 经济建设发展迅速, 再加上不断的使用一些新的农用化学物质, 最终造成土壤污染物的种类和数量发生了明显的变化。换而言之, 最近这20年是我国土壤污染比较严重的时期。

2.1耕地环境日趋严峻, 农产品安全无法保障

相关资料显示, 我国耕地污染较为严重, 不少于1 000万hm2耕地受到程度各异的污染。我国整体利用污水灌溉的农田总面积仅为361.8万hm2, 仅占国内总灌溉面积的7.3%, 在全国地面水总灌溉面积的比例为9.96%;因大气污染的农田面积约530万hm2;因固体废物堆放占用农田及垃圾、污泥处置不当污染的农田面积90万hm2。这些数据都表明, 我国粮食每年因为农田污染而造成的损失多达120亿kg。

全国多数城市近郊土壤都因此受到了不同程度的污染, 尤其是多地粮食、蔬菜、水果等食物中镉、铬、砷、铅等重金属含量严重超标和趋近临界值。而且, 农业环境污染也会造成土壤污染。通过对23个省 (区市) 的不完全统计, 其中发生的农业环境污染事故多达891起, 农田污染多达4万hm2, 最终造成的直接经济损失多达2.2亿元。

2.2稀有金属矿区土壤污染严重, 破坏生态, 危及饮用水源安全和人体健康

随着农业技术的不断发展, 有越来越多的稀土元素 (rare earth element, 简称RE) 深入土壤环境, 且进一步参与到生物链和食物链中。由于土壤中新的放射性污染物含量不断递增, 将衍变成为新的土壤环境安全问题[4]。多数媒体已有报道, 并且环境毒理学研究结果也显示, 这些稀土元素容易蓄积在人体脑部, 影响人的智力发育, 特别是对免疫功能不完善的儿童影响较大。因此由于这些潜在的稀土元素所造成的土壤环境污染问题必然引起国家的高度重视。

2.3土壤污染易引发其他环境问题

当土壤环境受到污染后, 因风力和水力等自然因素的作用, 容易使得高浓度的污染表土进入到大气和水体中, 引发大气污染、地下水及地表水污染, 造成生态系统退化, 引发其他次生生态环境问题。不断发生的事实说明, 如果没有清洁的土壤环境, 也就不会有人们可以放心使用的粮食、空气和水。

3新型环境材料在受重金属污染的土壤环境修复中的应用

最近几年, 我国环境污染和生态破坏态势日趋严峻, 对人类的健康和生存造成严重影响, 尤其是一些重金属元素对土壤造成的污染和破坏。造成土壤重金属污染的主要来源还是因为一些人类活动, 譬如农业种植、矿产开采、金属冶炼等, 其中尤以化学生产和金属冶炼两个过程释放的重金属为最。现在我国因受Pb、As、Cd、Cu和Cr所造成的土壤环境污染也比较严重。土壤因Pb、Cd、As所造成的污染不仅对农作物的品质和产量产生影响[5], 而且还会通过食物链进一步影响到人类的健康。多项研究数据表明, 因受到了铅的污染而对不同环境功能区造成影响的实例在全国比比皆是, 特别是一些功能区已遭到了严重危害。故此, 修复因重金属As、Pb、Cd和Cr等所造成的土壤环境污染已成为目前我国土壤环境科学及其他相关学科研究的热点问题。

近年来, 我国对造成土壤环境污染的一些重金属的吸附和解吸进行过一些研究, 可是将新型环境材料、培养液的p H值和吸附解吸过程联系起来的系统分析很少有比较客观的数据说明。通过采用模拟方法进行实验, 向土壤中加入As、Cd、Pb等重金属配制受污染的土壤, 根据不同的培养条件下加入新型环境材料蛇纹石和沸石后进行重金属吸附解吸模拟实验, 并对新型环境材料进行吸附前后的扫描电镜分析, 这些不但有助于选择土壤重金属固化的材料, 而且还可以为这些新型环境材料的应用提供科学依据。

在此主要介绍两种新型环境材料SS (蛇纹石) 和FS (材料沸石) 对土壤重金属Cd、Pb、As的吸附解吸[6,7]。由于本篇为综述性文章, 所以具体实验过程在此没有详细描述。通过实验可以得到以下几个结论:

1碱性条件下的新型环境材料FS (沸石) 在受Cd污染的土壤环境中有利于土壤吸附Cd, 证明碱性土壤中的FS有助于土壤对Cd的固化。

2酸性条件下的新型环境材料SS (蛇纹石) 在土壤对Pb的吸附效果上产生积极的作用, 在碱性条件下该效果并不明显。证明酸性土壤中的SS有助于土壤对重金属Pb的固话。

3新型环境材料SS在受As污染的土壤环境中可以增加土壤对As的吸附量, 但与土壤的酸碱度无直接关系。

4新型环境材料在植物修复技术方面的应用

鉴于当前土壤环境污染往往是由有机—无机多种环境污染物所形成的复合土污染, 再加上目前在植物修复中发现的超集累植物大多存在生物量小、生长速度缓慢以及一种植物一般只能吸收一种或两种重金属等原因[8], 使得植物修复技术在重金属污染土壤中的实际应用受到了很大的限制。因此借助其他技术的联合植物修复技术与一些生物量大、生长速度快的普通植物便成了有效可行的替代途径, 譬如一些金属螯合剂诱导的植物—化学联合修复技术被证实在植物—化学联合修复中发挥显著作用[9,10]。为了能够提高污染土壤的修复效率, 缩短修复年限, 通常运用螯合剂诱导植物修复技术。我国到目前为止研究较多的螯合剂EDTA在提高植物对重金属污染土壤的修复上面有着显著的作用, 但是在其作用的过程中会带来一些因生物不可降解性而产生的次生环境问题。

通过不断的进行研究和探索, 目前发现三种新型环境材料 —— 螯合剂ISA (Iminodisuccinic acid) 、AES (aspartic acid diethoxysuccinate) 和PESA[11], 和EDTA一样同为冬氨酸的衍生物, 与金属离子具有很好的亲和力, 具备很好的生物可降解性。通过多次研究和不断地进行各种试验, 获知新型螯合剂与EDTA、EDDS对受到重金属污染的土壤环境的修复潜力。进而可以使得螯合剂诱导的植物修复技术在受到污染的土壤环境修复过程中起到一定的促进作用。

通过多次进行不同种类及水平的螯合剂对污染土壤修复效率的研究试验, 相同溶液培养条件下不同螯合剂对植物吸收重金属的影响试验, 螯合剂对土壤中重金属的吸附解吸行为影响试验, 可以得到一些结论:

1螯合剂因种类和水平的不同造成修复污染土壤的效率不同

新型螯合剂中, ISA处理的植株根及地上部Cu含量、土壤中水提取态Cu含量显著低于EDDS。通过EDTA处理的植株根部及地上部Pb含量显著高于其他螯合剂处理。而PESA对植物影响并不明显。AES处理的植株根部Zn含量及土壤水提取态Zn含量显著高于其他螯合剂作用, 而且在根部的表现作用比地上部显著。AES处理后植物地上部Cd含量及积累量显著高于其他螯合剂作用, 通过EDTA、EDDS处理的植株根部中Cd含量明显高于其他螯合剂处理。

2相同条件下的不同螯合剂对植物吸收重金属的影响相同的溶液培养条件下, 植株根中重金属含量整体水平呈现明显的下降走势。有助于ISA对Cd, AES对Zn的吸收。说明螯合剂对植株地上部位重金属含量的影响在植株地上没有根部明显。

3螯合剂影响土壤对重金属的吸附解析。通过实验数据我们可了解到:在新型生物可降解螯合剂中, 新型螯合剂AES对受到污染的土壤环境中的Zn解吸的促进作用明显高于其他螯合剂的作用。新型螯合剂ISA对污染土壤中Cu解吸的促进作用显著高于除EDDS外的其他螯合剂的作用。新型螯合剂PESA在对污染土壤中Cu、Pb、Zn、Cd的解吸量方面无明显的促进作用。

5展望

新型环境材料的研究在国内外进展较快, 需要不断进行广泛和深入的研究。在研究的同时需要不断的贯彻循环经济和可持续发展的思想, 进行新型环境材料的研发工作。国家应根据当前土壤环境的现状制定相关标准, 不断进行深化和规范, 旨在取得最大化的环境收益。

当今社会越来越多的人都认识到环境保护的意义所在, 新型环境材料的功能和应用可以通过越来越多的个例生动的展示在大众的认知范围内。我国目前经济发展迅速, 正处于经济和社会的高速发展阶段, 资源与能源的消耗日益紧张、土壤环境恶化的现状日益加剧, 新型环境材料的广泛应用便成为材料及其产业在资源和环境问题双重制约下, 实现我国循环经济和社会可持续发展的必然选择。

摘要：众所周知, 一切技术的发展都是以材料为物质基础。近年来世界各国工业和经济建设相继取得快速发展, 工业在传统材料方面取得的成绩更为明显。不过鉴于自然资源的日益枯竭和传统材料使用性能相对局限, 再加上其他新型材料的兴起, 造成传统材料的重要地位不断被削弱, 使得一些性能优异、功能特殊的新型材料在技术发展的过程中扮演着越来越重要的角色。新型材料成为了现阶段企业发展和市场进步的重要部分。新型材料不仅要具备低碳环保的特点, 同时还要具有可持续、再利用等优势, 帮助各个行业持续发展、持续进步。本文主要讲述新型环境材料在土壤环境中的应用研究。

关键词：环境材料,土壤重金属污染,植物修复

参考文献

[1]山本良一, 环境材料[M].北京:中国化工出版社, 1996.

[2]黄占斌, 孙在金.环境材料在农业生产及其环境治理中的应用[J].中国生态农业学报, 2013, 21 (1) :88-95.

[3]林玉锁, 李波, 张孝飞.我国土壤环境安全面临的突出问题[J].环境保护, 2004, (10) :39-42.

[4]骆永明.中国土壤环境污染态势及预防、控制和修复策略[J].环境污染与防治, 2009, 31 (12) :27-31.

[5]彭丽成, 黄占斌, 石宇, 等.环境材料对Pb、Cd污染土壤玉米生长及土壤改良效果的影响[J].中国生态农业学报, 2011, 19 (6) :1386-1392.

[6]章智明, 黄占斌, 单瑞娟, 等.环境材料对污染土壤中Pb、Cd和As吸附解吸研究[J].环境工程, 2013, 31 (3) :122-126.

[7]刘云, 董元华, 杭小帅, 等.环境矿物材料在土壤环境修复中的应用研究进展[J].土壤学报, 2011, 48 (3) :629-638.

[8]王庆仁, 崔岩山, 董艺婷.植物修复—重金属污染土壤整治有效途径[J].生态学报, 2001, 21 (2) :326-331.

[9]彭自然, 王毓芳, 徐伯兴.螯合诱导植物修复被重金属污染土壤[J].上海化工, 2001, 17.

[10]王红旗, 陆泗进, 陈延君.污染土壤植物修复中螯合诱导和转基因技术的应用现状与前景[J].地学前缘, 2005, 12, 特刊.

环境科学应用 篇11

摘 要 计算流体力学在许多理论研究领域和实际工程应用中都扮演着十分重要的角色，但其在农业环境科学中的应用却并没有受到广泛的关注。基于此，简要介绍计算流体力学的基本原理，归纳并总结其在农业环境科学中的相关研究与应用，并探究此类研究与应用的发展趋势。

关键词 计算流体力学；农业环境科学；应用；发展趋势

中图分类号：O35；X53 文献标志码：B 文章编号：1673-890X（2015）15--02

计算流体力学是模拟流场特性、热传递、流体扩散等应用的重要技术之一。随着计算机技术的不断发展，计算流体力学在诸多理论研究领域和实际工程应用里面都获得了很高的关注度，其在国外已被很大程度上投入到了农业环境科学里面，但国内对于这一方面的研究还不是很成熟还属于比较落后的状态[1]。因此，国内基本上没有学者对计算流体力学在农业环境科学中的应用展开研究和总结。本文在大概介绍计算流体力学的基本原理同时，阐明其可以应用在农业环境科学里面的原因；归纳并总结其相关应用以鼓励农业环境工作者在具体实际工作里面能够最大程度的利用这一类型的工具；同时，探究其未来的走向用来激发以后的学者对这一方面展开更加深入的研究，促进我国在计算流体力学在农业环境中的具体运用，催动我国农业环境的发展和提高[2]。

1 基本原理

计算流体力学主要是将连续流体离散化并对各个单元进行Navier-Stokes及其它相关方程的求解。连续、动量和能量方程是流体运动的主要控制方程，其中连续方程描述了质量守恒，动量方程由牛顿第二定律推导而得，而能量方程则基于能量守恒。在计算流体力学中，解此控制方程的重要一步是将方程离散化从而使偏微分方程转换为离散方程，广泛应用的离散方法有3种：有限差分法、有限元法和有限体积法[3]。其中，有限体积法结合了前两种方法的优点，而且在计算机计算方面有很大的优势。因此，有限体积法在计算流体力学里面是最为常见的。当控制方程和离散方法选定后，设定相应的边界条件与初始条件则可对研究问题的流场进行计算，若同时在计算中结合了其它方程，如泥沙运输方程，则可对研究现象进行耦合模拟。综上，只要根据具体问题选取合适的控制方程、离散方法、边界条件、初始条件和耦合方程，计算流体力学则可以应用在此问题当中，当然包括许多农业环境科学的应用中。

2 相关应用

计算流体力学在农业环境科学中的应用主要能够分归为3类：农业建筑物的设计、农业水土治理以及气味与灰尘散播。

2.1 农业建筑物的设计

随着科学技术的不断发展与提高，近几十年计算流体力学已经在大量的农业建筑物设计中得到了普及推广与使用，如温室、禽舍和畜舍的优化设计。其中，在农业水利建筑物的设计里面是众多设计里面最为成功。在农业挡水建筑物方面，计算流体力学可以预测挡水闸的应力与表面压力。闸门运动与流体分析可以结合起来，分析闸门在不同状态下的水流及压力特性，得到的动态数据可用于高效地优化设计挡水闸门。在农业泄水建筑物方面，计算流体力学可以用于溢洪道的流量和气穴分析中。农业灌溉排水渠道的模拟相对较为复杂，因为其具有明显的湍流与三维特性、非规则的几何边界、非光滑的河床以及自由表面。目前，在这方面的模拟一般使用流体体积法进行自由表面的追踪，模拟结果与测量或实验数据的比较证明了此方法的有效性。

2.2 农业水土治理

在农业水土方面，计算流体力学可以用于确定污染物在水土中的传播以及对水土质量的影响，对合理选用肥料、保证灌溉水源及土壤的健康进行指导。计算一般需要一定的观测数据以确定模拟参数，其结果可以用于分析水资源退化的影响因素、化学物质对地下水的影响及污染物在含水层的散输等。除了对水质的分析，计算流体力学也可用于预测土壤侵蚀。例如，可以整合三维湍流和非均匀泥沙运输模型并考虑影响河岸侵蚀的其它因素，以此来模拟冲积河道在河岸侵蚀作用下的形态变化等，对农业工程选址提供信息。

2.3 气味与灰尘散播

气味与灰尘散播是农业环境科学里面的另一个比较重要内容，其对自然环境尤其是空气环境有着非常大的影响作用。计算流体力学既可以模拟温室还有禽畜舍内部的空气流通的具体特点，也可以模拟其气味在外部的传输散播。对气味散播的准确预测相对难度比较大，因为其范围及速度在很大程度上取决于气味散发点、气味浓度、地形条件及气象特性等多种不确定因素。传统的观测法可得到准确数据，但是这个方法难以分析大量的影响条件。经过验证的数值模型则可以更加经济地对不同情况进行试验研究，此类研究的例子有：考虑了降雨、蒸发和热量传输的气味传播模型、风及空气温度对气味散播的影响、喷洒农药后温室气味散播对周边环境的影响等。另外，计算流体力学也可以用于模拟灰尘扩散，可对农业荒漠化防治提供参考。

3 发展趋势

计算流体力学在农业环境科学领域里面的应用已经取得了非常大的成功，对于未来的展望，它一定能够获得更大程度上的发展，取得更高的成就，具体的主要表现在下面3个方面：第一，将来其一定能在更多的农业环境问题里面得到推广和普及，并且通过具体的实践与应用得到验证；第二，随着科学的不断前进与发展，技术也在不断的提升，所以进行计算精确度也会有很大的提高，因为会有越来越多的细微的影响因素将会被考虑进模拟系统里面而且其作用机制也会有更深层次的了解和认识。此外，随着计算技术的进步以及模型操作的大众化需求，它在计算速度和操作方式的简易度方面也将会有很大的提高。

4 结语

计算流体力学可以在农业环境工程的很多地方发挥非常重要的作用，如在农业建筑物的设计中、农业水土治理中以及气味及灰尘扩散分析里面。在未来，它将应用到更多的农业环境问题之中，精度会不断提高。同时，计算速度与简易程度也会进一步提升。农业环境工作者通过计算流体力学的应用能够在具体实际工作里面最大限度的运用这些工具，用来提升工作效率和工作质量。促进我国在计算流体力学在农业环境中的具体运用，促进我国农业环境的发展与提高。

参考文献

[1]周启星，魏树和.农业环境研究及国际发展趋势 [J]. 作物杂志，2006（2）：1-3.

[2]金杉，庄达民，张向阳.计算流体力学在现代建筑消防设计中的应用[J].消防科学与技术，2003（3）.

[3]陈耀松，单肖文，陈沪东.计算流体力学的新方向及其在工业上的应用[J].中国科学，2007（9）.

环境科学应用 篇12

重庆三峡学院化学与环境工程学院经过20多年的发展, 环境科学与工程专业建设为重庆市重点学科, 并于2013年顺利获批硕士学位授予权, 多年来按学校“立足三峡, 服务库区, 面向全国, 培养具有创新精神和实践能力的应用型高级人才”的办学宗旨, 坚持为库区和中西部地区经济建设服务培养应用型人才, 但是从教学体系、实践模式方面仍面临着前述问题。

1 应用型人才培养总规划

在学校“立足三峡, 服务库区, 面向全国”的办学指导思想下, 化学与环境工程学院确定了环境科学专业学生培养的总体思路, 以服务区域经济社会发展、培养高级应用型污染防治卓越工程师为目标, 以大工程观教育理念为指导, 以工程系统的构思、设计、实现和运作为教育环境背景, 以公共基础、学科基础、专业基础和专业方向四大平台课程体系为基础, 优化人才培养方案, 其中, 公共基础、学科基础和专业基础课程本着“必需、够用”的原则设置, 在专业方向课程与实践设置中, 突出水处理技术与大气污染治理技术两个主干方向, 以理论结合实践, 让工科学生走进生产单位的理念, 兼顾设计、施工、操作和设备安装及维护, 强调对工艺的运行操作技能和对各种不利运行工况的应变能力, 由此强化学生工程实践能力, 工程设计能力与工程创新能力的培养。

2 专业定位与区域特色

重庆三峡学院化学与环境工程学院以应用型人才总体规划为指引, 作为应用型科技大学转型的试点工程, 引领库区同类院校培养应用型科技人才的策略方向。本专业旨在培养具有良好的政治素质和道德修养, 具有扎实的环境科学的基本理论、基础知识和基本技能, 能在环境污染防治、环境评价、环境规划、环境管理、环境科学等方面的科研机构、企事业单位及行政部门等, 从事环境方面科研、教学、技术开发和管理等工作的高级应用型人才。

应用型人才的培养, 其核心环节是实践教学[5], 本专业依托“三峡库区盐气化工工程技术中心”和“水资源化工程技术中心”为实训平台, 保证实践教学这一核心环节与应用型人才培养无缝对接。正在建设中的实训平台顺应库区及周边地区经济和产业发展的技术和人才需求, 以培养“理论与能力并重, 毕业即能上岗”的技能型人才的教学理念, 力争建成区域特色的库区具有先进教学理念和实践条件的综合实践教学、科学研究及技术转化的示范性平台。

3 应用型人才培养模式设计与实践

3.1 应用型人才培养模式设计

应用型人才培养模式的确立决定了高等学校所培养人才的根本特征, 即在一定的教育思想和理念指导下, 以人才培养活动为主体, 为实现培养目标所设计的某种标准构造样式和运行方式[6]。

重庆三峡学院化学与环境工程学院以大工程观教育理念为指导, 以公共基础、学科基础、专业基础和专业方向四大平台课程体系为基础, 优化人才培养方案, 提出“基础专业化、专业工程化、学科交叉化”的人才培养方式, 即在全学程中, “基础专业化”:通识、基础课程设立与专业对口, 并由具有环境科学相关专业背景的老师直接参与教学大纲的制定与授课, 保证基础课程的知识体系零距离过渡到专业课程教学;“专业工程化”:在学校“十二五”规划中提出以“文工为主、服务地方经济”的办学定位, 并于近期提出了“向应用型科技大学转型”的办学理念, 为顺应这一办学理念, 专业培养要到工程运行中去, 以“实现专业教学与实际工作岗位全过程的无缝衔接”的教学改革, 使学生可以参与工程每个环节的运行、操作实践, 以提高学生的工程应用、分析故障、解决问题等方面的能力;“学科交叉化”:环境科学专业本身具有综合性强、研究领域广、分支学科多等学科特点, 故面向社会需求和新领域, 以多模式培养, 辅修化学、生物、新兴技术如遥感、GIS等, 培养学生复合技能。

通过本应用型人才培养模式的设计, 将建立不同层次的设计性、研究性、创新性、综合性等实践教学体系, 在整个实践环节的不同阶段贯穿逐步深入的水处理、大气污染防治及给、排水领域代表性技能项目;通过引入兴趣式、探究式、案例式、问题式、项目式、任务驱动式等教学方法引导学生实践, 使学生完成构思、设计、实现和运作多个完整专业技能项目实践, 并在完成多个设计、实践实训经历中逐步提高应用能力, 初步具备卓越工程师所应具备的知识、能力和素质。

3.2 应用型人才培养模式创新与实践

应用型人才的培养的核心环节是实践教学, 本专业依托“三峡库区盐气化工工程技术中心”和“水资源化工程技术中心”为实训平台, 保证实践教学这一核心环节与应用型人才培养的无缝对接。本文以“水资源化工程技术中心”这一实训平台阐述应用型人才培养模式的实践。

(1) 教学方法创新与实践

目前的环境科学类学科专业人才培养模式大多局限于理论学习, 实验技能, 生产实习相结合的方式。目前主要存在2个方面的不足: (1) 教学体系通常将单元操作剥离出来, 教学体系很难贯穿整个工程运行全流程, 也难以从系统的高度把握整体运行。 (2) 由于水处理运行过程的连续性, 并涉及到用水以及水环境安全, 学生进入工厂实习实训, 很难有动手的机会。难以在实习中体会设备检修、故障诊断等环节。

该实训平台构建“完整再现水资源的社会循环”和“全仿真”的水处理工程实践教学平台, 实施以“实现专业教学与实际工作岗位全过程的无缝衔接”的教学改革, 可有效解决这一问题, 使学生可以参与给水、污水处理工程及供水工程每个环节的运行、操作实践, 以提高学生的工程应用、分析故障、解决问题等方面的能力。

(2) 专业特色创新与实践

在水处理领域, 给水处理和污水处理属于水资源循环的两个关键环节。水处理则因地域的不同的气候、地形和经济发展特点, 处理对象的多样化和处理要求的不同, 常根据不同的需要选择不同的单元处理方法构成特有的工艺系统, 所以, 一般的水处理教学实验设施均只能实现某个特定工艺的模拟。

本实训平台采用“完全再现水的社会循环”的设计理念 (见图1) , 并引入模块化的设计思想, 将整个处理系统分为多个功能性模块, 每个模块包括目前行业内最具代表性的处理单元, 可通过手动调节或自动控制其连接管道的流动方向, 灵活的选择每个模块的单元构筑物来组成一个特有的工艺流程。通过不同的组合, 可以涵盖目前水处理领域内绝大多数具有代表性的的处理工艺, 既能从水资源利用和保护的高度上全面把握水的社会循环全过程, 同时又可以针对一个具体的处理工艺开展操作实训工作。实训过程中, 通过水质分析、工艺选择、运行操作和运行优化等实践环节, 可有效地培养学生对水处理工程的运行过程、监测过程维护过程全方位的实践技能, 并有助于理解单元构筑物及整个工艺的组成关系, 运行工况与处理效果之间的关系, 并通过加入对异常工况的分析和突发事故的处理环节, 锻炼学生的水处理工程实践操作技能, 以及工程的运行成本核算, 能耗计算, 装置经济指标的综合评估的能力。

综上, 将水处理专业人才培养与库区水资源开发利用、水环境保护及相关产业的发展的紧密结合, 因此, 这既是库区社会经济稳定可持续发展的需要, 也是水资源开发利用、库区水环境保护以及相关行业人才培养的需要。

4 结语

为了适应我国新时期高等教育的要求, 通过教育和行业、高校和企业的密切合作, 培养造就一批创新能力强、适应企业发展需要的优秀工程师, 构建环境科学专业应用型人才培养模式势在必行。重庆三峡学院提出了“向应用型科技大学转型”的办学理念, 化学与环境工程学院顺应这一办学理念, 创新专业培养要到工程运行中去, 以“实现专业教学与实际工作岗位全过程的无缝衔接”的教学改革, 逐渐形成了“基础专业化, 专业工程化, 学科交叉化”的应用型人才培养模式, 依托建设中的实训平台, 使面向创新的应用型人才培养模式在各个教学实践环节体现。相信随着环境科学失业和社会的日益进步, 本专业的应用型人才培养模式将不断补充和完善, 并逐渐引领库区同类院校培养应用型科技人才的策略方向。

参考文献

[1]游珍, 方淑荣.地理科学与环境科学专业的学科渗透与融合[J].高教论坛, 2010 (5) :55-57, 60.

[2]王艳, 李学军.环境科学人才培养模式的改革与实践[J].沈阳师范大学学报:自然科学版, 2010, 28 (1) :126-128.

[3]李顺兴, 邓南圣.环境科学本科专业人才培养模式探讨[J].漳州师范学院学报:自然科学版, 2002 (15) :92-96.

[4]周宏仓, 郑有飞, 汤莉莉.环境科学专业复合型人才创新培养模式的探索和实践[J].中国电力教育, 2008 (20) :112-113.

[5]李桂霞, 钟建珍, 王立虹.构建应用型人才模式的探索[J].教育与职业, 2005 (20) :4-6.