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：①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；②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：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①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：y＝Ic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，1／a；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=Jc②模型的解析解给定初始条件，模型解析解为：第五章河口及近岸海域水质模型[内容简介]一、河口及近岸海域水文特征1．河门水文特征(1)非稳定性棍合潮汐和风的作用，导致河口与近岸水流在半天或一天内呈周期性变化，以及小周期的随机性变化。

流动的非恒定性导使水体的混合具有了明显的时变特征。

(2)潮汐的抽吸和阻滞作用潮流除引起小尺度的紊动混合外还产生较大尺度的流动，包括剪切作用和环流，对河口中的混合产生抽吸和阻滞。

抽吸作用是河口段污染物的运动和盐水上溯的一个重要机理，是产生纵向离散的—个重要部分。

(3)密度分层与斜压环流作用河口中有来自河流的淡水和来自海洋的咸水，在浮力作用下发生分层流动。

河流是河口中密度变化的浮力源而潮汐则是密度变化的动能源。

对分层的河口而言，密度等值线呈顶部倾向海洋而底部倾向陆地的倾斜状，潮周平均流速在表层朝向海洋，而在底层朝向陆地，从而在水流内部产生—个因密度变化引起的环流——斜压环流。

2．河口的冲洗时间河口的冲洗时间是指由于上游径流作用，从河口的某一个特定位置将污染物输送到河口外所需时间。

河门冲洗时间基本反映了污染物进入河口后停留的时间。

河口冲洗时间的计算通常采用两种方法，即淡水分数法和修正进潮量法。

下面只介绍淡水分数法。

如果将河口分成”段进行冲洗时间的计算，其公式为：式中，丁为河段总的冲洗时间；f为第i河段的淡水分数；R：为第i河段在一个潮周期上所得的河水水量；P为第i河段在一个潮周期上的进潮量；vJ为第i河段河水的实际体积。

3．近岸海域水流特征海流有密度流、风生流、潮流，其中起上导作用的是潮流。

(1)潮汐和潮流潮汐是海面一种长周期的波动现象。

由于月球、太阳、地球三者之间相对位置的变化以及地形的影响，潮汐一般分为半日潮(一日两次潮)、日潮(一日一次潮)和混合潮三种类型。

潮流是水平水流运动，同潮汐类似，潮流具有周期性及旋转特性。

(2)风生流由于风作用引起的海水水平运动称之为风生流。

对于近岸海域，当已知离海面10m高处的风速为v1。

(m／s)时，可用下式估算海面风生流流速Vs(m／s)：Vs＝kVlo式中，A为经验系数。

一般取A＝o．3；当风向垂直于海岸时，取A＝o．4；当风向平行于海岸时，取A＝0．07。