环境系统分析教案1.ppt

环境系统分析教案1.ppt

《环境系统分析教案1.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《环境系统分析教案1.ppt（206页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

n第一章概述n一.系统：

由两个及两个以上要素组成，它们相互独立又相互作用与联系，构成能完成特定功能的完整有机体。

n从系统的定义可知从系统的定义可知系统具有以下四个基本特征：

系统具有以下四个基本特征：

1.1.集合性集合性各要素所构成的具有特定功能的集合体。

（根据逻辑统一性各要素所构成的具有特定功能的集合体。

（根据逻辑统一性要求来构成）各要素不完善也可能构成良好功能的系统，要素良要求来构成）各要素不完善也可能构成良好功能的系统，要素良好也可能作为整体却不具有某种良好的功能。

（例如球队组成）好也可能作为整体却不具有某种良好的功能。

（例如球队组成）2.2.相关性相关性系统内各要素既相互作用又相互联系，构成有机整体。

系统内各要素既相互作用又相互联系，构成有机整体。

3.3.目的性目的性系系统统特特别别是是人人造造系系统统都都具具有有目目的的性性，要要达达到到规规定定的的目目的的，系系统统都都具具有有一一定定的的功功能能，目目前前一一些些尚尚不不能能控控制制和和改改造造的的自自然然系系统统不不属于此。

属于此。

4.环境适应性环境适应性（自身调节）自身调节）任任何何一一个个系系统统都都存存在在于于一一定定的的物物质质环环境境中中，必必须须适适应应外外部部环环境（信息、物质、气象等等）的变化。

境（信息、物质、气象等等）的变化。

n二.系统分析与系统模拟1.系统分析系统分析它研究系统中各要素的具体性质，解决系统要素的它研究系统中各要素的具体性质，解决系统要素的具体问题之外（分解），还具体问题之外（分解），还着重研究和揭示各个要着重研究和揭示各个要素的有机联系，特别是研究如何使得系统中各个要素的有机联系，特别是研究如何使得系统中各个要素的关系协调融洽素的关系协调融洽，达到系统总目标最优的目的。

，达到系统总目标最优的目的。

（综合）（综合）22系统分析过程系统分析过程系统分解系统分解-系统综合系统综合-运用系统工程方法求解运用系统工程方法求解举一个浅近的例子：

举一个浅近的例子：

一个人，只有一个炉子，准备一顿饭菜。

目标是耗费一个人，只有一个炉子，准备一顿饭菜。

目标是耗费时间最少时间最少。

系统分解，初估各单项任务所需时间系统分解，初估各单项任务所需时间如：

如：

淘米淘米洗菜洗菜切菜切菜烧水烧水烧饭烧饭炒菜炒菜5分钟分钟6分钟分钟5分钟分钟7分钟分钟12分钟分钟7分钟分钟系统综合：

找出各部分的相互联系及制约系统综合：

找出各部分的相互联系及制约如：

先后次序的限制；工作转换的间隙；人手的如：

先后次序的限制；工作转换的间隙；人手的忙闲；炉子的忙闲等。

忙闲；炉子的忙闲等。

运用系统工程方法求解：

（作图法）运用系统工程方法求解：

（作图法）只只需需26分分钟钟完完成成全全部部工工作作，若若6件件事事连连着着做做，则则需需42分分钟钟，未增加劳动强度及先进设备就节省未增加劳动强度及先进设备就节省38%的时间。

的时间。

更更重重要要的的是是，系系统统分分析析的的结结果果还还揭揭示示提提高高效效率率的的关关键所在键所在，这方面的意义远远超过前者。

，这方面的意义远远超过前者。

通通过过上上面面系系统统分分析析，可可提提出出进进一一步步缩缩短短总总时时间间的的可可能能性性，如如：

烧烧水水和和淘淘米米要要同同步步加加快快，洗洗菜菜、切切菜菜要要和和烧烧饭饭同同步步加加快快，炒炒菜菜可可单单独独加加快快，以以免免盲盲目目加加快快无无效效果果，如如：

单单纯地提高洗菜速度就不能节省总时间，仍需纯地提高洗菜速度就不能节省总时间，仍需26分钟。

分钟。

n环境系统问题也与此类同，只是由于条件、任务、目标不同，对环境系统问题也与此类同，只是由于条件、任务、目标不同，对某一治理单元设备盲目要求高的处理指标未必能改善环境效益，也许某一治理单元设备盲目要求高的处理指标未必能改善环境效益，也许是徒劳。

对于标准的制定也同样有系统问题。

是徒劳。

对于标准的制定也同样有系统问题。

n系统分析的过程是对系统的分解和综合，系统分解和综合的过程都要系统分析的过程是对系统的分解和综合，系统分解和综合的过程都要建立和运用数学模型，定量分析是必要的。

建立和运用数学模型，定量分析是必要的。

例2环境中的系统工程决策问题，如污水处理厂的选址城镇污水厂河3、环境系统工程的思路结构n环环境境系系统统分分析析=环环境境科科学学+系系统统分分析析方方法法学学

（1）数据的收集-污染源数据、浓度数据、水文数据气象数据、社会经济数据

（2）系统与过程的模型化-用数学模型描述系统的过程及其相互关系（3）系统模拟-验证模型再现真实情况的程度，使模拟的结果与试验监测数据相符（4）方案优化-根据建立的数学模型或定量关系对系统中各种可能的状态，进行预测，提出方案，并采用适当优化的方法对方案进行评价决策。

n（5）（5）系统评价系统评价，主要包括：

，主要包括：

系统的功能（所起作用与所应完成的任务）系统的功能（所起作用与所应完成的任务）系统的费用（寻求低费用）系统的费用（寻求低费用）系系统统的的可可靠靠性性（系系统统的的各各层层次次和和组组成成部部分分，在在预预定定期期限和正常条件下，运行成功的概率）。

限和正常条件下，运行成功的概率）。

系统实现的时间（建立一个系统所需的时间）系统实现的时间（建立一个系统所需的时间）系统的可维护性（长期运行过程中应便于维护管理）系统的可维护性（长期运行过程中应便于维护管理）系统的外部影响（对诸如生态平衡影响、资源和能源系统的外部影响（对诸如生态平衡影响、资源和能源消耗等）消耗等）n（6）（6）设计实施设计实施：

根据最优化结果进行实施控制，：

根据最优化结果进行实施控制，包括建立具体实施方案和具体实施行动。

包括建立具体实施方案和具体实施行动。

数学模型是主要工具n主要参考书目：

（1）美美列奇著环境系统工程，水利出版社，列奇著环境系统工程，水利出版社，1981

（2）日日高高松松武武一一郎郎，内内藤藤正正明明美美林林三三方方合合著著环环境境系系统统工工程程，中国环境科学出版社，中国环境科学出版社，1985。

（3）付付国国伟伟、程程声声通通主主编编，水水污污染染控控制制系系统统规规划划，清清华华大大学学出出版社，版社，1985。

（4）程声通等编，环境系统分析，高等教育出版社，）程声通等编，环境系统分析，高等教育出版社，1990。

（5）孟孟繁繁坚坚，杨杨汝汝均均编编，环环境境系系统统工工程程导导论论，烃烃加加工工出出版版社社1987年。

年。

（6）韦鹤平，编著，环境系统工程，同济大学出版社，）韦鹤平，编著，环境系统工程，同济大学出版社，1993.4。

第二章n数学模型概述n1模型定义、分类、建立n一、基本概念：

n1、原型：

客观事物本身，其状态（由许多n状态参数决定）在不断变化之中。

n2、模型：

用少数（主要）状态参数描述、模n拟客观事物状态变化的工具。

（数学n模型，物理模型）n二、模型分类：

n

（一）模型分类n

（1）物理模型：

用物体本身或者按比例放大或缩小的实物做实验,模拟客观事物（原型）状态变化。

（遵循相同的物理、化学变化规律）如：

太阳系九大行星运行（对应万有引力公式），葛洲坝室内比例缩小模型；n

（2）数学模型：

用一系列图表、数学公式通过计算描述客观事故（原型）主要状态的变化。

数学公式可以是统计的统计模型，可以是描述物理（化学）运动的机理模型。

ny=f（x1,x2,x3,）n（3）文字模型：

如技术报告、说明书等（在物理、数学模型度很难建立时使用）n

（二）数学模型分类n

（1）按认识程度分：

nA）黑箱模型：

因果关系不明，只有输入、输出统计关系；仅在一定区间内基本正确；n例：

污水处理厂提供的3月日常监测台帐如下表所示，试根据3月份的数据建立其出水COD对应入水COD的数学模型。

n设：

入水COD量为输入xn出水COD量为输出yn方程为：

Y=0.137X+43.257黑箱输入输出n表3月4月nB）白箱模型：

因果关系十分清楚，物理、化学运动机理（参数）完全掌握；可精确描述事物运动状态的全部变化，又称机理模型n如：

工厂投入确定数量人力、资金、原材料-各种加工程n序-确定数量的产品n或：

（作用力）F=ma（加速度）nC）灰箱模型：

复杂问题，主要因果关系清楚，但许多机理细节（参数）不明，可描述事物运动状态的大致变化，与实际情况有一定误差，又称半机理模型。

n（摩擦力）f=a（摩擦系数）*N（正压力）n模型参数：

参数n

（2）白箱、灰箱数学模型的细分（重要）nA）动态模型：

含时间变化项S=f（t,X,Y,Z）；n例:

1.（距离）s=（速度）v*（时间）tn2.nn稳态模型：

不含时间变化项S=f（X,Y,Z）；n例：

万有引力公式：

F=G*m1*m2/R*RnnB）线性模型：

函数、自变量都是一次项；ny=ax1+bx2+cx3+kn非线性模型：

函数、自变量中有二次项及二次以上的项与超n越函数；ny=ax2+bx+cny=aex1+bx2+cx3n超越函数:

自变量之间的关系不能用有限次加、减、乘、除、乘方、开方运算表示的函数。

nC）常系数（参数）模型：

不随时间、空间变化；nf=k*N（k摩擦系数）n变系数（参数）模型：

随时间、空间变化；n中的Ex为湍流扩散系数nD）空间0维Y=f（t）、一维S=f（t,X）、二维nS=f（t,X,Y）、三维S=f（t,X,Y,Z）；n解为：

nn问题：

下列模型分别是什么模型？

nE）解析模型：

用解析公式表达表达微分方程的解；n数值模型：

用计算值表达微分方程的解。

n三、数学模型的优点：

成本低，周期短，自由度大；缺点：

参数不明情况下误差大。

参数的确定常要用到物理模型和现场实验方法（费用大）。

n四、模型建立：

n基本要求：

1）理论（有关概念及其应用）正确；输入数据可靠；n2）形式简单、实用n3）有足够的精确度；n4）含可控变量，适用性强。

n环境建模过程：

n1）有关数据收集：

水文、气象、污染、污染n源、经济；通过数据分析确定问题的性质、n涉及的领域，需要那些变量，变量之间的关n系。

n2）模型结构选择：

选择白、黑、灰箱模型；（物n理、化学、生物过程），确定模型具体形n式；模型性质确定：

动态、稳态、几维运动n等问题；n3）模型参数确定：

实验数据收集，最小距离法n估算（最小二乘法）（例2-1）n4）模型检验与修正n例1.下表是十二胺在水中的降解数据n时间（h）0135792327n浓度（mg/l）2.32.221.921.61.521.070.730.5n1步：

取得调查或试验数据n2步：

确定模型结构n3步：

确定输出输入关系配线过程n常用线型：

Y=lnxY=ax2Y=ae-bxY=ax-1n符合Y=A*e-bx关系n因此确定函数：

C=C0e-kt（2-1式）n4步：

求C0及参数、k：

求C0：

t=0,C0=C（0）；2.30n求k：

对C=C0e-kt求对数，n得：

lnC=lnC0kt令：

lnC=Y，lnC0=Y0得：

Y=Y0kt。

（直线关系）问题：

能否通过直接将某点C值带入2-1式，求得k吗？

（作业）nY0即一维线性回归线的截距，k为斜率。

可用最小n二乘法、图解法求。

n（作业）n5步（模型检验）:

nC*=2.30e-0.0519t，n代入t，得C*（t）n与C（t）比较误差分析（作业）n预习：

概率统计最小二乘法，回归方程等内容n2数学模型的参数估值、误差分析、n一、模型参数的估值方法n模型参数：

由于人们对研究对象某方面的认识不够深入，出于模型n量化的需要，可用一些经验系数来代表这些量，模型中n含有的一个或多个经验系数，就叫模型参数，参数不能n通过推导得出，需试验获得。

n例：

f=k*N（k摩擦系数）n1、图解法（应用范围：

函数关系为一元线性关系，或可通过n转化变成一元线性关系）nn

（1）已知函数关系式：

y=mx+b,其中m,b为待定参数，有一组实n测数据：

xi（i=1,2,3,）nyi（i=1,2,3,）nn图：

y=mx+bn

（2）有些非线性问题，