环境系统分析教案.docx

1、环境系统分析教案第一章环境系统分析概论一、系统及其特征 系统是由两个或两个以上相互独立又相互制约的、执行特定功能的元素组 成的有机整体。 系统的元素又称为子系统， 每一个系统又是 个比它更大的系统 的子系统。任何一个系统都具有整体性、相关性、目的性、阶层性和环境适应性的特 征。二、系统的结构化 系统结构化旨在研究系统内部各个子系统之间的分布规律和分布秩序，为 系统模型化奠定基础。结构模型解析法是研究系统结构化的有效工具。结构模型解析法是系统结构化的常用方法。结构模型解析法从一堆杂乱的 元素人手， 通过构建有向连接图、 相邻矩阵、可达性矩阵以及对矩阵的区域分解 和级间分解，确定各子系统在系统中的

2、位置，建立系统的递阶结构模型。三、系统分析方法系统分析是对研究对象进行有目的、有步骤的探索和研究过程，它运用科 学的方法和工具， 确定一个系统所应具备的功能和相应的环境条件， 以确定实现 系统目标的最佳方案。系统分析的基本过程是对系统的分解和综合， 通常可以分为下述六个阶段： 明确问题的范围和性质、设立目标、收集资料、建立模型、制定评价标准和进行 综合分析。系统分析的基本内容是系统的模型化、最优化和决策分析。四、环境系统与环境系统分析在研究人与环境这个矛盾统一体时，把由两个或两个以上的和环境保护、 污染与控制有关的要素组成的有机整体称为环境系统。环境系统分析的两大任务是：研究环境系统内部各组成

3、部分之间的对立统 一关系，寻求最佳的污染防治体系； 研究环境质量和社会经济发展的对立统一关 系，寻求经济与环境协调发展的途径。 应用系统分析方法解决上述环境问题的显 著特点是通过模型化和最优化来协调环境系统中各要素之间的关系， 实现经济效 益、环境效益和社会效益的统 。 习题及题解 1什么是系统 ?一个系统应具备哪些特征 ?2 系统的各种特征在模型化和最优化过程中各起什么作用 ?3简述系统分析的研究对象与研究内容。 4简述系统分析的基本原理和方法。5系统结构化的目的和意义何在 ?第二章数学模型概述 内容简介 一、定义和分类 根据对研究对象所观察到的现象及实践经验，归结成一套反映数量关系的 数学

4、公式和具体算法，用来描述对象的运动规律， 这套公式和算法称为数学模型。数学模型可以从不同的角度进行分类：按照变量和时间的关系，可以分为动态模型和稳态模型； 按照变量之间的关系，可以分为线性模型和非线性模型； 按照变量的变化规律，可以分为确定性模型和随机模型； 按照模型的用途，可以分别模拟模型和管理模型； 按照模型中参数的特征，可以分为集中参数模型和分布参数模型。二、模型的建立 一切应用于实际的模型，都必须满足下述要求：要有足够的精度；模型的 形式要力求简单实用；模型的依据要充分；模型中应具有可控变量。个模型的建立，大体要经历以下步骤。1数据的收集和分析 数据收集可以通过两个途径：利用已有数据和

5、现场监测采样。要尽可能多 地占有与研究对象有关的数据和资料，包括与研究对象直接相关的数据 （ 如大气 环境质量数据、污染源数据等 ） 和间接相关的数据 （如气象数据、水文数据、社会 经济发展规划数据等 ） 。对所收集的数据进行整理分析，通常要绘制成变量的时间过程线、空间变 化曲线或各种表格以分析事物的发展变化规律。要保证数据的可靠什。2模型结构的选择 模型的结构可分为白箱、灰箱和黑箱三种。白箱模型即机理模型，它是以 客观事物的变化规律为基础建立起来的。 灰箱模型又称半机理模型， 若仅知道各 因素之间质的关系， 并不确切明了量的关系， 还需用一个或多个经验系数来加以 定量化。经验系数要借助观测数

6、据或试验数据确定。 黑箱模型又称输入 输出模 型。它是根据系统的输入、 输出数据建立各个变量之间的关系， 而完全不追究其 内在机理的纯经验模型。3参数估计 一个灰箱模型中存在着至少一个待定参数，这些参数的值要根据实际观测 数据或实验数据加以确定。4模型的检验和修正用实测的输人 输出数据和已确定了参数的模型计算的输出数据进行比 较，以确定模型是否满足精度要求。 若模型计算误差超过了预定的界限， 则可通 过修正参数或调整模型结构加以改进，并需要新估计参数和模型验证。三、模型参数估计方法模型参数估值通常有基于同归拟合的方法、基于试验或经验的方法及基于 搜索的方法三类。1基于回归拟合的方法（1） 图解

7、法凡给定的公式可以直接描述成一条直线， 或经适当处理后能转换为直线时， 可将自变量和因变量的各对应点绘于直角坐标系中， 用直尺连成尽可能靠近各个 点的直线。若直线表达为y b+mx 则上述直线的斜率就是式中的 m ，y 轴上的截距即为式中的 6。(2)一元线性回归分析 线性问归分析有两个假设： 所有自变量的值均不存在误差， 因变量的值则 含有测量误差；与各测量点拟合最好的直线为能使各点到直线的竖向偏差 ( 因变量偏差 )的平方和最小的直线。若模型形式为 y b+mz ，则可得下式：(3)多元线忭间归分析 多元线性回归分析与一元线性回归分析原理相同。可建交起类似一元线性 回归分析中的目标函数来估

8、计未知参数。2 基于试验或经验的方法(1)试验法 物理意义明确的参数可通过试验测定的方式辅助确定， 比如耗氧速度常数、 复氧速度常数等，测定方法参见后面章节或环境监测相关书籍。(2)经验公式法 利用经验公式计算一些使用频率高的参数，如复氧速度常数、大气扩散方 程中的标准偏差等经常采用经验公式估计。(3)基于搜索的方法 根据搜索方式的不同，基于搜索的方法可分为网格法 ( 枚举法 ) 、最优化方 法和随机采样方法等。 基于搜索的方法适用于较复杂模型的参数估计以及计算机 辅助 F 的参数自动识别 (Auto Calibration) 。网格法 设有几个待定参数，其中 O(i 1，2，n) 的搜索区间

9、为 (a ；b) 。如果 把区间分成 m 等分，分点为 O(A o，1 ，2 ，m) ，其中口； O d，d ；” b，则参数空间 o(Jl，O，Jn) 被划分成 ml ，mz ，m 。个网格。计 算所有网格结点， L 的目标函数值，选取其中最小值所对应的参数值作为最优参 数估计值。第三章环境质量基本模型 内容简介 一、污染物在环境介质中的运动特征污染物进人环境后的运动形式比较复杂，既有随着介质的推流迁移运动， 也有污染物质点的分散运动，以及污染物的衰减转化运动。1推流迁移推流迁移是指污染物在气流或水流作用下产生的位置移动。推流迁移只能 改变污染物所处的位置，不能降低污染物的浓度。其迁移通量为

10、：守恒物质进人环境后仅随介质运动而改变位置， 因分散作用不断向周围扩散而 降低其初始浓度，但它在介质中的总量不变。非守恒物质进入环境后，除了随介质流动而改变位置，并不断扩散而降低 浓度外，还因自身的衰减而不断降低其总量。 污染物在环境中的衰减过程墓本上符合一级动力学规律，即dc/dt=kc 一 Ac式中， c 为污染物浓度； 为反应时间； A 为污染物降解速度常数。二、环境质量基本模型与解析解1. 零维模型(1)模型形式第四章内陆水域水质模型 内容简介 一、基本水质问题 污水排人水域之后，从污水排放口到污染物在水域中达到均匀分布，通常 要经历竖向混合和横向混合两个阶段。河流中存在着以下的水质墓

11、本问题。1生物化学分解 水体中的有机物由于生物降解而消耗河流中的溶解氧。 生 物化学反应可用一级动力学反应式表达。2人气复氧 水中溶解氧的主要来源是大气。 氧气由大气进入河水的质量传 递速度与河水中的氧亏成正比。3光合作用 水牛植物的光合作用是水体中溶解氧的另一个重要的来源。4藻类的呼吸作用 藻类的呼吸消耗水中的溶解氧。5底栖动物和沉淀物的耗氧 底栖动物耗氧的主要原因是由于底泥中的耗 氧物质返回到水中和底泥顶层耗氧物质的氧化分解。二、湖泊水库水质模型 1湖泊和水库的水质特征 湖泊和水库中的水流速很低，停留时间很长，它们属于静水环境，具有相 对比较封闭的水生生态系统。富营养化是湖泊和水库中最基本

12、的水质问题。在水深较大的湖泊和水库中，水温和水质的竖向分层是常见的水质特征。 水温的竖向分布随四季气温的变化呈规律性变化。 在大多数时间里， 湖泊与水库 的水质呈竖向分层状态。2完全混合模型 完全混合模型又称箱式模型，是一种从宏观上研究湖泊、水库中营养物质 平衡的输入 产出关系的模型。(1)沃伦威德尔模型模型的基本形式 假定湖泊、水库中某种营养物的浓度是输入、 输出和在 湖泊、水库内沉积的该种营养物质的量的函数：yIc 一， CVQC式中， y 为湖泊或水库的容积， m3 ；C 为某种营养物质的浓度， 8 m； c 为某种营养物质的总负荷， g a ；s 为营养物在湖泊或水库中的沉积速度常 数

13、，1a；Q 为湖泊或水库出流的流量， m3 a。若令帅刷系数 r Q，则上述方程为：dC/dt=Jc模型的解析解 给定初始条件，模型解析解为：C= + 吉柯奈尔迪龙模瞰模型的基本形式 针对沃伦威德尔模型应用时确定沉积速度常数$的困难.古柯奈 尔迪龙引入滞附系数Rs RC定义为：营养物枉湖泊或水库屮的滞側分数.它可根据流 人和流出的支流的流址和营养物浓度近似计算tHgjC 切Rc-IC4*1式中伽、他分别为第八条支流的出流t和第矗条支流输人的流虽；G八Gt分别为第 j条支流的营养物浓度和第&条支流9营养物浓度J机、真分别为流人利流岀的支流数.引入滞留系数即町得到古柯奈尔-迪龙揆刮：dCcl-Kc

14、）厂d7 V rC模型的解析解 给定初始条件，当f = 0时.C=Co.可求得模型的解析解=+ JC（I-JRC）T厂 _ y Rc _ LC（ i）CV Tv _ ThLC=式中，办为湖泊或水库的平均水深，777t LC为湖泊或水库的单位面积营养负荷，R（m? Ph AS为湖泊或水库的水面面枳* m3分层箱式摸熨1）夏李分层模型该模型可以四个独立微分方程表述其水质组分为備磷酸盐CPQ和偏磷酸盐（PP几 対表层偏磷酸盐POeIV：=刀 Q,Pq QPg -払“.Pg +Au DO合模甩（192勺t)s)计算机和放丫技用发展 流域尺度水文榄也 SWMm ( 1966)(21世忙初) 多种模型現成

15、崎龜用/TMUL计算 地表术与地 Ffit/Il(SW-Modtlo* RASINSf(HSPF-SWAT.QUAIJ) WARMF0(FtTnWASSWMANSWERWASPffi 的尊法 祎点涼噢堂在流城水质规划和曾理中的应用(现在) J用T怙算年均的土壤说失(19s)此正的非点源污ur代流域水文过程和土壇侵谀的成功換拟幕于通用土增f失方程(USLE)开发的第-批非点源模星包括:CREAM5ffi. SWRRB, AGNPs模樂墙于物理过建的土增it失模型GUEST WEPP、USEM、EUROSEM權壁 華于U5LE的代表性非点j(M: CREAMAGNPS .SWAT. SWRRBtt

16、型(199OS)务学科结會曲非点滂污染摟撤制计算机化、楔块化、丸塑化方向发順与护点嬴肯燐负荷f JI相黄的流域决傲支持来统的矍立非点源椁染胃理模型和菲点源汚集凤险评枷疲为本Bf期应用模型的般新突破庶 GIS与菲点頑模舉的賞氐良好的输入输出界丽代丧性非点憑揍製：BASmS(Il成了 SWAK HSPR QUAL2)咅橡星 BN:.-fv? 览：皆H*:*:炸耶”：？：； ：；：汨*：:扶用于.199Cs 2000V： WMC即F ：=：汕戸；円f：:止：1Q25 196OS )97OS 198OS;:;二；：乞；：乂订活 *;:=;：；：砖：；“：-器二:：i： ：!?；:;SiiIM ：”&；

17、：隔如：丘：W；订；中t-；：d;話話g”*益 IiIJii:之=；：-*心二：5已小；时间第七章大气质量模型 内容简介 一、大气污染物的扩散过程1大气垂直结构 大气层在垂向上具有层状结构。按照大气温度的垂向分布，将大气圈由地 表向外依次分为对流层、 平流层、 中间层和暖层。 其中对流层是对人类生产生活 影响最大的一层，污染物的迁移扩散也主要在这层。2大气运动特征 大气运动特征主要表现为湍流运动，湍流是一种不规则的运动，由若干大 大小小的涡旋或湍涡构成。 大气湍流的形成与发展取决于机械或动力的因素形成 的机械湍流及热力因素形成的热力湍流，是两者综合的结果。3大气污染物扩散过程 污染物质广义的扩

18、散过程包括层流、湍流扩散、沉降、降雨清洗、光化学 反应等过程。因此，影响污染物在大气中扩散的主要因素包括风、大气湍流、大 气稳定度、气温的铅直分布和逆温以及降水与雾等。4大气污染物扩散模型分类 按污染物扩散状态可以分烟流模型、烟团模型、箱式模型；按模型推导方 法可以分为物理模型和统计模型；按污染源空间尺度町以分为点、线、面、体扩 散模型。二、污染源解析1污染源分类 污染源分类见表 7 l。2 大气污染物 大气污染物可根据化学特性分为无机气态物、有机气态物和颗粒物；根据 生成源可分为 次污染物和二次污染物。3污染源源强(1) 预测源强的一般模型QKW ：(1 一 N)式中， Q为源强，对瞬时点源

19、以 kg 或 t 计，对连续稳定排放点源以 kg h 或 th 计； W ，为燃料的消耗量，对固体燃料以 k8 或 t 计，对液体燃料以 L 计，对气体燃料以 100m ，计，时间单位以 L 或 d 计； N 为净化设备对污染物 的去除效率； K为某种污染物的排放因子， i 为污染物的编号。(2) 燃煤的二氧化硫排放源强一般预测模型Qso ： KW5(1 一 V)式中， Qs 。：为二氧化硫排放源强，对连续稳定排放点源以 kg h 或 t h 计；W 为燃煤量，以 ksh 或 tL 计；V 为二氧化硫去除效率，； S 为煤 中的全硫分含量，； K 为二氧化硫排放因子，表示煤中硫的转化率为 80

20、 。(3)燃煤烟尘排放源强一般预测模型Qi=WAB(1 V) 式中， Qc 为烟尘排放源强，对连续稳定排放点源以 ksh 或 th 计；A 为煤的灰分，；月为烟气中烟尘的质量分数； 为烟尘去除效率，。(4)流动源 (汽车尾气 )源强模型式中， Q 为汽车尾气源强， s(ms) ；n 为道路汽车类型总数；凡为 i 类 型汽车的车流量，辆 h；E 为 i 类型汽车尾气的综合排放因子， 8km 。4污染物排放因子 在污染源源强模式计算中，污染物排放因子的确定是非常重要的。各种污 染物排放因子受燃烧方式和燃烧条件影响很大。三、箱式大气质量模型1单箱模型 单箱模型是计算一个区域或城市大气质量的最简单的模型，箱子的平面尺 寸就是所研究的区域或城市的平面，箱子的高度是由地面计算的混合层高度 。(1) 基本模型