环境模拟知识汇总

环境生态工程的专业课—环境模拟课思维导图，环境模拟是环境科学领域的一门重要课程，它应用系统分析原理，建立环境系统的理论或实体模型，在人为控制条件下通过改变特定的参数来观察模型的响应，从而预测实际系统的行为和特点。

1基本概念

• 基本概念
  • 模型
    • 概念
      • 特点
        • 模型是现实世界的一种简化形式
        • 这种简化未必是完美的
        • 为了特定的目的，使用特定方法来对现实问题进行简化
      • 分类
        • 实物模型
          • 真实、昂贵、难修改
        • 数学模型
          • 使用已有模型公式建立
          • 可以推导出实际系统中的未知事物和规律
    • 原因
      • 模型是我们了解世界的方法和途径
    • 如何建立
      • 抓住事物的本质特征
      • 尺度问题
        • 根据研究目的选择适当的尺度
      • 找到实际系统的关键组分
        • 将模型与实际不断对比修正
  • 系统
    • 特征
      • 至少有两个/多个可分的成分
      • 成分之间存在相互作用
      • 相互作用能产生新的特性
    • 要素—整体
      • 一个系统可以看作是一个整体/各要素的综合
      • 要素可以独立分离，拥有自己的特点和属性
      • 但各部分整合在一起未必是一个系统
    • 还原—整体
      • 还原论
        • 将复杂系统简化到小的组分进行分析
        • 通过研究组分和相互作用—来了解系统
      • 整体论
        • 把系统看作整体，同时关注各成分的相互作用
        • 在整个系统框架下研究某个要素
          • 整体论
            • 沙利度胺药物的 短长期/对孕妇和胎儿
            • 要素-结构-层级-功能
    • 系统要素相互作用
      • 识别要素
      • 确定相互作用的要素
      • 描述相互作用的类型
        • 物质流
          • 原材料:食物、水
          • 能源:火🔥、电
          • 货币
          • 举例：食物-能源-水的流动
          • 特点：能被测量追踪；生产要素 的物质减少，接受要素的物质增加；确定边界后，遵循守恒定律
        • 信息流
          • 传递时生产要素 无损失
        • 描述流时需识别
          • 刺激效应
            • 正反馈-系统最终呈现无限制指数增长
          • 阻尼效应
            • 负反馈-系统最终稳定在某一水平
              • 举例:饮水机设定温度
    • 系统的结构和功能
      • 系统的结构—系统的要素组成及相互作用
        • 要素越多，相互作用越多，结构越复杂
        • 取决于期望达到的目的
      • 系统的功能—系统成为系统时表现的属性
  • 层级
    • 层级原则
      • 向下兼容
        • 较高层级的要素包括了较低层级的要素
    • 系统中的层级
      • 确定系统放在哪个级别层级重要
      • 受同级别/高系统级别的影响
    • 系统中的层级
      • 层级是人类思维的基本工具，包括识别问题要素，按照同质归类，将系列置于不同级别下
      • 层级类型
        • 线性 / 网络
      • 层级划分没有正确与否，其取决于研究目的
  • 建模过程
    • 1确定建模目的
    • 2观测信息、收集数据
      • 空间、时间、结构3维度定义系统
        • 尺度-层级级别-边界-静动
        • 时间跨度-时间单位
        • 结构：要素+过程
    • 3建立描述系统的概念模型
      • 清楚定义系统的边界、变量和参数
        • 边界-系统与外部环境的时间空间区分开，确定哪些是流入/流出；内生/ 外生
        • 变量-不断变化的量和模拟中输出的量
          • 中间/辅助变量
            • 为中间计算服务
          • 输出/状态变量
            • 由输入、内部结构和联系决定
        • 参数-在模型运行前确定的数据
          • 比如
            • 边界条件
            • 狭义常数/参数
            • 强制函数etc
          • 确定参数的方法
            • 试验法-适用物理意义明确的参数
              • 污染物的降解系数
            • 经验法-经验公式估算(查文献)
            • 最优化方法-最小二乘法 r²
            • 网格法
            • 区域敏感性分析
              • 获取参数的后验分布
    • 4概念模型的形式化
      • 用数学公式描述
    • 5模型校验
      • 步骤
        • 数学公式与现实系统对比
        • 求解方程并确定变量的曲线，与现有数据对比
        • 适当改变参数，更好的适应模型（敏感性分析）
        • 进一步测试，校验其他值是否良好运行
      • 模型检验方法
        • 相关系数法
          • 度量 模拟值与实际值的吻合程度
            • r越大越好
        • 相对误差法
          • 相对误差ei
            • ｜观-模拟｜ 观测
              • 误差累积频率曲线
                • 分析累积频率为10%，50%，80%的误差值
        • 图形法
          • 模拟值为纵坐标 ，实际值为横坐标
            • 画散点图，落在45°线附近合格
          • 最简单，直观，但不量化不好比较
• MCA多准则分析
  • multiple-criterion-analysis
    • MCA作用
      • 确定单一的最优选/ 对方案排序/ 区分可接受与不接受的可能性
      • eg.复杂的可持续性环境问题
    • 多属性MADA
      • 考虑多个属性，对决策进行排序
    • 多目标🎯MODA
      • 有多个目标下，使相互联系的目标得到最佳协调的最佳决策
    • 特点
      • 属性有不同维度
      • 属性的权重不同
      • 权重取决于愿景
      • 定性和定量一起考虑
  • 步骤
    • 1 确定标准
      • 标准能区分好和坏的方案
        • 完整但不冗余
          • 最小均方差-是否删除
          • 相关系数法—删除其一
      • 分清主次因子
        • 简单化，提高评价精度
    • 2 为选项打分
      • 得分具有可比性
        • 标准化
      • 定量/定性
    • 3 权重标准
      • 主观(MCA定量化方法)
        • 专家评分
        • 成对比较
        • AHP
      • 客观(MCA定量化方法)
        • 熵权TOPSIS
          • 熵值小，越离散，则对结果影响越大(权重大)
          • 1.数据标准化
            • 正向/极大化指标
          • 2.计算i方案在j指标的比重
          • 3. 计算指标的熵值
          • 4 计算权重
        • 相关系数法
        • 模糊定权法
    • 4 整体赋权重
      • 加权平均得分之和
        • 权重×标准化值
    • 5 排序和评估
    • 6 敏感性分析
      • 结果的不确定性
        • 数据质量
        • 权重的科学性...
• 提出问题DPSIR
  • DPSIR
  • Drivers
    • 人类某个具体宏观活动-驱动力
      • 人口、经济发展GDP、消费水平、三大产业
      • 自然灾害
  • Pressure
    • 对环境造成直接压力的输入/出
      • 人为污染排放、需要/使用资源
  • State
    • 环境所处的状态
      • 环境质量(下降、恶化)、资源的数量
        • 使用指标来反应
    • 生态系统的组成和功能
      • 生物多样性、自然栖息地
  • Impact
    • 环境功能/人类福祉的影响
      • 人类健康、食品安全、社会福祉
      • 中国北方沙尘暴强度降低
  • Responses
    • 采取个人/集体行动；
      • 水资源管理
      • 开展研究，投入资金
    • 福祉方面已有/预计的变化
      • 提高水质
• 2成本效益分析CBA
  • 基础
    • 作用/特点
      • 比较某一项目的成本和效益
        • 货币单位
        • 而决定值不值得施行
          • 效益是否超过成本
        • 排序方案得出最优决策
          • 选择净效益max
    • 理论基础
      • 福利经济学
        • 效益-社会福利增加
        • 成本-社会福利降低
        • 社会福利最大化—帕累托最优
      • 帕累托改进
        • 作用
          • 判断 政策是否合理/社会福利是否增加
        • 依据
          • 从受益者取走补偿给受损者—还有剩余
      • 边际分析
        • 作用
          • 判断资源分配是否达到最优/社会福利最大化
        • 依据
          • 资源配置最优：边际成本=边际效益
  • 具体步骤
    • 1 识别项目的成本和效益
      • 确定分析范围，识别主要的环境影响
        • 分析对象：开发项目/政策
        • 识别最主要的环境影响
      • 确定其环境影响的物理效果
        • 对环境功能/质量的损害
        • 导致的经济损失
      • 对物理效果进行货币估值
        • 3个方法
    • 2 量化成本和效益
      • 直接市场评价法
        • 思想
          • 把环境质量→生产要素
        • 概念
          • 使用市场价格— 估计环境变化对商品/服务 造成的损失
        • 包括
          • 人力资本法
            • 用收入损失→早死成本
      • 偏好揭示法
        • 思想
          • 把环境→市场商品的一个特征
        • 概念
          • 使用人们与市场相关行为—间接推断对环境的偏好—估计环境质量变化的价值
        • 包括
          • 防护费用法
            • 适用条件
              • 企业、服务业生产、居民生活影响损失
            • 思想
              • 人们为 减少/消除环境污染 而支付的费用
                • 购买净水装置
                • 安装隔噪音设备
            • 步骤
              • 识别环境危害—界定受影响人群
            • 数据来源
              • 直接观察
              • 对受到危害的人广泛调查
              • 感兴趣的人抽样调查
              • 专家意见
          • 旅行费用法
            • 思想
              • 使用 旅行费用 算环境质量变化后 给场所带来的效益变化—估算收益/损失
            • 适用条件
              • 没有市场价格的自然景点/环境资源的价值评估
          • 资产定价法
            • 思想
              • 使用 人们购买的具有环境属性的价格 推断
            • 适用
              • 房地产价格—反映环境质量
      • 陈述偏好法
        • 思想
          • 利用 调查问卷 直接调查物品/服务的价值，价值依赖于 模拟市场所描述
        • 适用条件
          • 针对 没有市场交易的环境服务，也无法通过其他方式与市场价格建立联系
        • 2个重要概念
          • 支付意愿
            • 为环境改善的支付意愿
              • 为消除雾霾影响，愿意支付多少钱
          • 接受意愿
            • 环境质量损失的接受赔偿
              • 得到多少赔偿，才能容忍环境恶化
        • 数据来源
          • 直接询问 支付/接受赔偿 的意愿
          • 询问 对以上的需求量—自己推断其支付/接受赔偿意愿
          • 询问专家—评定环境资产价值
    • 3 成本和效益进行贴现
      • 贴现
        • 通过一定方式，把不同时间的成本/效益→转化为现值
      • 现值PV
        • 成本/效益的价值 以今天的现金来计量
        • 贴现率r
          • 把未来价值→现值 使用的利率
          • 表示
            • 人们对货币的时间偏好
              • r越小，越注重长期的收益
    • 4 比较贴现后的成本和效应
      • 净现值NPV
        • 未来贴现后的收入-支出差额
          • NPV＞0 方案可行
      • 净现值率NPVR
        • 某方案 贴现后的效益/成本比值
          • NPVR＞1 方案可行
      • 内部收益率IRR
        • 贴现后收入=支出时，即NPV=0 的贴现率
          • IRR＞r 方案可行