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。

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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=Jc

②模型的解析解给定初始条件，模型解析解为：

C= —— +

花湖泊、水库的出流和人流流绘及背养物质输人稳定的悄况下，晋ffx 时，可以达到 营养物

质的平衡浓度Cp ：

CP = (T ?v

（2>吉柯奈尔?迪龙模瞰

①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t

H

g<>jC 切

Rc-I

∑Φ?C ?

4?*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G t 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：

dC^∕c

d7 ----- V rC

②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=

+

Γ J C （I-J RC ）T

厂 _ y Rc _ LC （ i —∕?）

CV Tv _ Th LC=?

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* m ?

3?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P O e I

V 」：：=刀 Q,Pq — QPg -払“.Pg +Au < F C I I — P Oe ）

d/ 鈿h

对我层正磷輟盐F pc :

V e ?-∑QjPm 一QP yK -S e A Ih P Pt + P C V C P ot + 些Ah CP P E 一P PC ）

at , Z l h

对下层偏磷霰盐Pnh:

dFdl -r h Vh PPh + ^A Ih (F O e - P cJh )

Clh

对下层止磷酸盐Fphz

exp( — rt)

FV 在湖泊、木库的入流、出流与污染物的输人处于稳定状态时，当时.可得污染物 的平衡浓度为*

V F h岂J — S e A t h∕,pr -Sh九FPhJnIV F hPph-坐AIh (PP e-PPh)

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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。

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（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 。

二、污染物在水体中的混合稀释污水在海洋中的物理过程可分为三个基础阶段：初始稀释阶段，再稀释和迁移阶段，长期扩散和输移阶段。

1 ．初始稀释初始稀释阶段是污水与周围环境水体在排放口近区混合过程。这个过程主要受控于污水的动量、浮力和海流条件。污水在出口动量和浮力作用下边上升边发生紊动混合，当被稀释的污水达到最大的浮升高度停止上升井水平运动或当射流最大速度衰减到喷口的动量再也不能产生显著的混合时，初始混合即结束，此时达到的平均稀释度称为浮力射流的初始稀释度。2．污染羽流再稀释和迁移

再稀释和迁移阶段是指污水场（此时常称之为污染羽流）在海流作用下的湍流扩散和迁移过程。这一条件主要受控于海流条件及海水湍流强度，并且与污水场初始尺度或扩散管长度有关。污染羽流再稀释预测常采用Brooks 模式。3．长期扩散和输移阶段

长期扩散和输移阶段是指污水中的污染物在诲洋中的被动输移和扩散过程。这一过程主要由诲洋中各种尺度的湍涡所控制。

4，稀释度稀释度即稀释后的水体总体积与体积中所包含的污水体积之比。

三、河口水质模型

1．河口水质基本模型由质量平衡原理可以推导出与河流水质模型相似的河口水质基本模型，即：

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第六章流域非点源模型

［内容简介］

一、非点源污染概述

1．定义狭义的非点源污染指在降雨、径流的淋溶和冲刷作用下，大气中、地面和地下的污染物进入汀河、湖泊和海洋等水体而造成的污染。

广义的非点源污染指时空上无法定点监测的，与大气、水文、土壤、植被、地质、地貌、地形等环境条件和人类活动密切相关的，可随时随地发生的，直接对大气、土壤、水构成的污染。它包括大气环境的非点源、土壤环境的非点源和水环境的非点源。与水环境有关的非点源污染主要包括人气干湿沉降、暴雨径流、底泥二次污染和生物污染等。

2．非点源污染种类和来源

非点源污染物主要包括泥沙、营养物（氮和磷）、可降解有机物（BOD 、COD）、有毒有害物质（包括重金属、合成有机化合物）、溶解性固体、固体废物等。

非点源污染主要分为两大类：农业非点源污染和城市径流污染。通常，农业非点源污染主要关注土壤、营养元素和农药的流失，而城市径流污染则主要关注有毒有害物质、有机物和固体废物等的污染。

3．非点源污染的危害非点源污染的危害，不仅表现在其输出的污染物对受纳水体的污染，也会对农林牧业造成破坏，如农田土壤侵蚀造成的作物减产、土地退化等。城市径流污染能够危害脆弱的城市及其下游的河湖水系，造成富营养化。

二、流域非点源的产生与特征

1．非点源污染的特征

非点源发生机理复杂，影响因素众多。具有以下特点：①受气象因素控制，发生时间上具有随机性和间歇性；②污染源的空间分布具有广泛性；③发生机理复杂，涉及水文学、水力学、土壤学、环境科学等多个学科；④污染物组成和负荷影响因素众多，具有不确定性；⑤非点源污染控制和管理比较困难。

2．非点源污染与水文过程流域的非点源污染往往伴随着降雨、径流过程而产生，与暴雨过程关系密切。降雨前期地表条件、降雨的强度和历时、径流的发生过程和发生量是影响非点源负荷的主要因素。降雨前期条件直接决定了污染物的类型和潜在污染负荷，降雨对地面的冲击和径流对地表的冲刷是污染物脱离土壤、进入水休的主要动力，而径流量和流速则是污染物挟带能力的主要决定因素。

3．非点源污染模拟的历史

图6 —1 是非点源污染模拟历史和进展。

图61非点源污央模拟历史和进展

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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

Q＝KW ：(1 一N)

式中，Q为源强，对瞬时点源以kg 或t 计，对连续稳定排放点源以kg／h 或t／h 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ks／h 或t／L 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 ％。

(3)燃煤烟尘排放源强一般预测模型

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Qi=WAB(1 —V) 式中，Qc 为烟尘排放源强，对连续稳定排放点源以ks／h 或t／h 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／(m·s) ；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，8／km 。

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