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北極星環境修復網訊:1科學計算簡介
科學計算即數值計算，是指利用計算機完成科研和工程中複雜的數學計算，再現、預測和發現客觀世界運動規律和演化特徵的過程。
科學計算過程主要包括：建立數學模型、建立求解方法和計算機實現（部分依靠編程）三個步驟。
2 科學計算在環境科學中的重要地位
環境科學的研究對象是環境系統本身，而環境系統是環境各要素及其相互關係的總和，是一個複雜的多元動態開放系統，具有時間、空間、數量和質量等多個變量。隨著研究的深入，人們逐漸意識到，對於環境系統的研究需要量化，分割研究，然後簡單加和的形而上學的研究方法並不適合複雜的環境系統。由此，大量科研工作人員置身於環境系統理論研究，希望通過以數學模型來模擬環境系統，預測環境系統的變化規律。雖然，這些數學模型被人們廣泛認可，但是模型求解困難成為實際應用的瓶頸。
隨著科學技術發展，計算機水平不斷進步，科學計算逐漸被應用於環境科學。大量基於科學計算的計算機語言和軟件的出現，有效解決了環境系統模擬存在的計算問題，為環境系統的量化認識、優化規劃、準確調控以及科學決策奠定基礎。
如今，在環境科學研究、工程實踐、環境規劃、環境評價以及環境管理等工作中，科學計算發揮著越來越重要的作用。科學計算在環境科學中的應用總結如圖所示：
圖1 科學計算在環境科學的應用
3 科學計算在環境科學中應用實例分析
為進一步理解科學計算在環境科學中的應用，下面以實際的例子進行分析。
例：現有一連續排汙的汙染點源向河流中排汙，汙染物的初始濃度為0.04mg/m3，河流流速為1.2m/s，汙染物在河水中的擴散係數為15m2/s，求該汙染物在河流中的時空分佈和500米處汙染物濃度達到穩態的時間。
求解過程如下：
採用有水流穩態源時間擴散模型
已知：有水流穩態源時間擴散模型描述的是連續穩定汙染點源在形成穩態濃度前，各個空間點上的濃度隨時間變化和模擬汙染物在水流中形成穩態濃度後的情況。該模型為：
偏微分方程的解析解為：
其中，erfc為餘誤差函數：
對於該模型，顯然，很難通過人工計算進行求解。這裡採用Matlab語言對上述問題進行分析，結果如圖所示：
（a）濃度隨時空變化
（b）500米處濃度變化過程
圖2 Matlab求解結果
由圖可知，不同距離處的汙染物達到穩定濃度（40mg/L）所需時間不一樣，同時，500米處的濃度由0逐漸上升，在803秒時達到穩定。
實際應用中，科學計算可以對實驗數據、調查數據、工程數據進行統計、擬合、迴歸等數學處理分析，也能夠求解一些複雜模型，預測環境系統變化趨勢，從大量雜亂無章的數據中發現科學規律。定量化和模型化逐漸成為環境科學的一種發展趨勢，而科學計算在其中扮演著舉足輕重的作用。
原標題:科學計算在環境科學中的應用
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