环境系统分析复习整理复习笔记

1、第一章环境系统分析概论.系统的定义：系统是由两个或者两个以上相互独立而又相互制约，执行特定功能的元素组成的有机整体。.系统的特性：目的性集合性阶层性相关性整体性（重点）环境适应性.系统的整体性：组成系统的各个元素虽然个子具有不太那个的特性但他们都是根据逻辑统一性的要求而构成一个总 体的，因此即使每一个元素都不很完善，但也可以组合出一个具有良好功能的系统*.系统分析的定义：系统分析可以被理解为一个队研究对象进行有目的，有步骤的探索过程，通过分解与综合的反复协 调，寻求满足系统目标的最佳方案。（系统分析的最大特点是追求总体目标的最优）.系统最优化：系统最优化通常通过最优化模型实现.环境系统分析：概

2、念：是研究环境系统规划、设计管理方法和手段的技术科学，它以环境质量的变化规律、污染物对 人体和生态的影响，环境工程技术原理和环境经济学等为依据，并综合运用系统论、控制论和信息论 的理论，采用现代管理的数学方法和电子计算机技术，对环境问题和防止工程进行系统分析，谋求整 体优化解决。.环境系统的分类：环境保护对象：自然保护区系统，生态保护区系统，空气污染控制系统，水污染控制系统，都市生态环境 系统环境管理功能：环境监测系统，环境执法系统，环境规划管理系统，排污申报管理系统，环境统计管 理系统，排污收费管理系统污染物的发生与迁移过程产业类型：污染物发生系统，污染物输送系统，污染物处理系统，接受污染物

3、的环 境系统，矿山环境系统，冶金环境系统，环保产业系统第二章数学模型概述一元线性回归分析（最小二乘法）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设有n对x.,y的值适合线性方程y=mx+b。如果已知b、m的值 量值与计算值的偏差，则：di = yiyi=yi（b+mxi）与各自测量点拟合最好的直线为能使各点到直线的竖向偏差的平方和最小的直线（也就是将尽可能地靠近所 有的点）。就可以根据自变量Xi的值计算出对应的因变量的值设为yi，另di为测z = Zdi2 = X yi - (b + mxi)2偏差平方和:i=1i=1为使平方和最小，他们必需满足必要条件:解得:xixiyi

4、-yixi 2b = -i=i=2xi)i=1i=i=i2 - nExi2i=1xiyi-n Exiyim = -i=i=i=(Xxi)2-n Exi2i=1i=1.模型的检验：（图形表示法，相关系数法，相对误差法）相关系数法：相关系数是用来度量计算值和观测值的吻合程度的量，用r表示: (yi - y)(yi- yi)r = . i=1 (yi - y )2( yi- yi，)2i=1其中yi,为测量值和计算值y, yi为测量值和计算值的平均值。n yiyi，_(yi)(yi)n yi2 - ( yi)2 n yi12 - ( yi1 )2 为计算方便，可写成:i=1i =1i=1i =1可以

5、证明: 当R=1时 当r=-1时 当r=0时-11越大，相关性越好x,x,x,y完全线性相关；y完全负线性相关；y完全没有相关性，完全线性不相关;当0r的绝对值1时，x, y有一定的线性相关性，其决定值越大，相关性越好。相对中值误差:e = 0.67450.5 (yi- y )2_yn -13.灵敏度定义灵敏度的定义:在0 = *附近，（单个变量时的灵敏度）状态变量（或目标函数）相对于原值的变化率和参数0相对于60的变化率的比值，称为状态变量（或目标函数）对参数的灵敏度。Sx =(鸟)000d0 0=00 x*Az装，Az 0,A0=(A0暝00式中：Ax=x-x*Az=z-z*A0=0-00

6、当A0 T 0时，Slkd/ dL、kd *01=(dkd)kd=0.1 F =24-561228 = -0.20式中：（dx）0=0（空）d0 70_0。和 =0分别称为状态变量和目标函数对参数的一阶灵敏度系数，它可以反应系统的灵敏度特征。第三章环境质量基本模型1.推流迁移：流或水流作用下污染物产生的转移作用。推流作用只改变污染物的位置而不改变污染物的浓度。描 写推流迁移运动状态的变量主要有污染物浓度C,气流或水流速度U（ux,uy,uz）。推流作用下，污染物在x,y,z三个方向上的推流迁移通量fx, fy, fz,分别可以用迁移通量模型求出：f = u C f = u C f = u C分

7、散作用：污染物在环境介质中的分散作用包含三个内容:分子扩散，湍流扩散和弥散。污染物衰减和转化进入环境的污染物可分成守衡物质和非守衡物质两大类。许多污染物的衰减过程基本上符合一级反应动力学规律：dt假定在X=0处，向环境中排放的污染物质总量为A，其分布为直方状，全部物质通过X=0处的时间为At图3-1(1)， 经过一段时间该污染物的重心迁移至X=x，污染物质的总量为a，如果只存在推流作用，则a=A；且在X=x处的污染物分布形状与X=0处相同。如果存在推流迁移和分散的双重作用(图3-1(2)，则仍有a=A；但分布形状与初始时不一(1)推流迁移(2)推流迁移+分散(3)推流迁移+分散+衰减A=aA=

8、aAa图3-1推流迁移，分散和衰减作用 样，延长了污染物的通过时间。如果同时存在推流迁移、分散和衰减的三重作用，则不仅污染物的分布形状发生了变 化，且有 aA(图 3-1(3)。一维基本模型的推导一维模型是通过一个微小体积元的质量平衡来推导的。该体积元只有在x方向上存在着浓度梯度和 质量交换。图3-3示边长为Ax、Ay和Az的体积元的质量平衡关系，由于体积元在侧面上不存在 物质交换，只需考察流经x方向两端面上污染物量。单位时间内，流经端面的物质总量应为物质通 量与面积的乘积，故单位时间内输入量为一 a c(J +1 )AyAz = u C - D ax-AyAz单位时间内的输出量为若体积元内污

9、染物按一级反应式衰减,衰减量为根据体积元的质量平衡关系，有S CS CAx Ay A z u C D Ay A zS tx x SxSS C SS Cu C + 瓦(u C)Ax D x- + 瓦(-D )AxAyAz - KCAxAyAz 化简上式，得d td.xS S C(uC)-瓦(-D -) - KC均匀流场中ux,Dx均作为常数，上式简化为x d.x 2-u 巡-KCx d.x式中，C为污染物的浓度，它是时间t和空间位置x的函数；D为纵向弥散系数，ux断面平均流速，K 为衰减速度常数。该模型常用于河流水质的模拟和预测。.非稳定源排放的解析解：（一维流场时瞬时点源排放）忽略弥散：若忽略

10、弥散作用，既Dx=0则耍 + ux 展 + kc 0用特征线法求解，得解析式:c c e - kt = c一一k工 e ux考虑弥散：当Dx不为零时，解析解为:，、 M c (x, t).expA %/4 兀 D t(x i)2 exp - kt 4 D tx，/、 ，一 MIn ci (xi, ti)、tti = A *,/4兀 D(x - u ti )24 ti在瞬时投放下c0-MqQ Aux.稳定源排放的基本模型解析解零维模型的稳态解：在稳态条件下:vdCdtQ(C0 - C) + S - KCVdc市一则解析解为c - % Q + kVc1 kv1 +QV式中：Q称为理论停留时间d C

11、八 d 2 Cd.x=Du一维模型的稳态解:d tx d.x 2xdc假定只在x方向上存在浓度梯度，则当稳态时说一a2 c e cukc 0ax2x ax这是一个二阶常系数齐次线性微分方程，其特征根为:九1,2u qu 2 + 4Dxkx2Dxi ：i+也_J_j2 Dx2 DxA14冗 Dxtux(x u t)2,expx- exp( kt)4 Dxt%- a c o对于守恒或衰减的污染物，ax（取负值），所以初始条件为：x=0, c=c0,则r u x 八 4 . 4 Dxk c = c exp1 1 +02 Dx IV u 2,x/ kx、Qc + qcc c exp( )c =三T_

12、J对于一般河流：0ux Q + q , Q河流的流量，q：污染物流量，ci :本底.、 c浓度；2 :污染物浓度。若考虑弥散系数，则解析解:c (x, t) = -= exp- )2 exp( - kt)A %： 4兀 Dxt4 Dxt其中：M为瞬时投放的污染物的量，A为断面平均面积。瞬时投放时：C0=M/Q, Q=Aux7.污染物在均匀流场中的分布特征（浓度场的正态分布）：一维流场（瞬时点源）浓度分布在投放点下游x断面处观测浓度随时间的变化规律，可以得到如下所示的浓度随时间过程线，它反应 浓度分布的正态特征：- xt c （x, t）在断面x处出现最大浓度值的时间是：ux （对称轴），相应的

13、最大浓度值：max式中；x表示图中钟形曲线的离散程度，在同一断面，如果Ox越大，c（x）max越小，离散程度越好。二维流场中的分布(稳定源), 、2Qu y2、V r(2nB y儿 V (2nB + y)2kx、c (x, y) = =exp( x) + 乙 expu + 乙 expu exp() x4 D xx 4 D xx 4 D xuu h4兀 D yyyx j = 2 D 令Y J x，则exp- kx- L= exp(- -)u *.：2兀2 j 2x表明：在污染物下游排放点下游X断面上的污染物在横向上呈正态分布，最大浓度发生在x轴c (x, J)上，max u h J2g jkx

14、exp ux扩散羽的宽度：包含断面上95%污染物量的宽度（4 J ）（无穷大环境中排放或者中心排放）或者2 J （边界上排放），当DJ越大， J越大，c（x J）max越小，同时随着x越大，钟形曲线越趋于扁平， 最后接近直线，即在整个断面上达到污染物的均匀分布。.污染物到达边界所需的距离污染物到达岸边（或地面）所需的距离.定义：在二维环境中，污染物中心排放下，如果岸边的污染物浓度达到断面平均浓度的5%,则称污染 物到达岸边或地面，从污染物排放点到污染物到达岸边的距离称为污染物到达岸边所需的距离。公式计算结果中心排放:0.0137u B2x xDj岸边排放:0.055u B2x xDj.完成横向

15、混合所需的距离定义：当某一断面上任意点的浓度与断面平均浓度之比介于之间时，则称该断面已达到横向混合，由排 放点到完成断面横向断面的距离称为完成横向混合所需的距离。计算公式中心排放:0.1u B2 x xDj岸边排放:0.4u B2 x xDj.扩散羽宽度:中心排放:b = 4oj岸边排放:b = 2oj.估计弥散系数作图法：一维流场瞬时排放时:MA、：4kD tQexp- (x 4Dx exp 一 kt xh4 兀Dkx、 f u J2、 exp(-)exp( - ) x / u u 4 D xxxJ在初始断面搅拌均匀，在下游某断面（距投放点为X）处测得一组浓度Ci （xi, ti）和ti的值

16、，Mci (xi, ti htti .exp写出如下方程：A4 Dx(x - u ti)24 DXtiIn ci（xi, ti）、i =两边分别写对数：(x 一 u ti)2xA ：4n D 4D tix xx作 ln ci (xi, ti)i(x 一 u ti)24 ti uDy 图，则斜率=Dx对于二维模型，忽略Dxc (x, y )= y则解为：kxexp(一 一)exp(ux/.、“, u y 2c(x, yi) = A exp( xi) 4 D xu y2、 ln ci (x, yi) = In A - exp( xi)4 D xu yi2作1n ci(x, yi)4x ,矩法求解原

17、理：将污染物的分布曲线设为：丁=f(x)零阶矩:M =cii=1一阶矩:+8M = jxf (x) dx1一 8二阶矩:j +8-g各阶矩的物理意义：M0：污染物的总量；M1：污染物浓度分布重心的位置；乂2：分布的方差，浓度分布的离散程度M2X2Dy二M u 2 X 2x2n 2M3Dx= i第四章 内陆水体水质模型.污染物与河水的混合：竖向混合，横向混合 然后在纵向继续混合.大气复氧：Cs=468/ (+T).完全混合模型：沃伦威德尔模型狄龙模型.对于可接受的磷负荷.一维河流水质模型 (重点)s-p模Sp模型的解dL = - kLdtdDdt式中，L为河水中的BOD值；D为河水中的氧亏值;k

18、 1为河水中BOD耗氧系数；k2为河流复氧系数;t为河水的流动时间。2L = L e - k1tD = 勺-0 (e-k 1t e-k21) + D e-k2 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark60 o Current Document k - k021式中，L为河流起始点的BOD值；饱和溶解氧Cs复氧曲线速度X耗氧曲线t c氧垂曲线/SS下式流行时间0D0为河流起始点的氧亏值。河流中的溶解氧c (O)为饱和溶解氧减去D值。D0溶解氧浓度最低的点(亦即氧亏值最大的点)称为临界点(此点变化为0)用Dc表示由起始点到达临界点的流行时间tc即临界氧亏发生时间tc可由

19、 计算：tc= 1/ (KaKd) ln Ka/ Kd1-Do(KaKd)/ (Lo Kd) 6. s-p的修正模型托马斯模型(2) S-P模型的修正型在S-P模型基础上，引进了沉淀作用对 ROD去-除的塘响，其速度常数为Ks其 解为：D =出af+& y u t第七章大气质量模型1.污染源分类：按照污染物排放的几何形态：点源(高架，非高架)，线源，面源(高架点源：不经过排气筒排放以及排放高度低于15m的排气筒皆不视为高架点源)2.污染源源强：预测源强的一般模型Qi = K WQ丑）i i iQi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或者t/h计。Wi为燃料的消耗量，固体

20、燃料kg液体燃料L,时间单位以h或者D计，为净化设备对污染物的去除效率，Ki为某种污染 物的排放因子，i为污染物的编号3.箱式大气模型(从零维模型推导)模型的解：(k=0)Cp = Co + Q uh(k，0)厂厂 Q/h CokC = Co + u/l + k多箱模型：AC=D 7-11 7-13.高架连续排放点源模型计算中烟囱高度是指有效高度，有效高度He=H1+0HH1物理高度；力H烟气抬升高度.高斯模型c (x, j, z; H )=-exp e2兀 u o oexp I(z H )2e2o 2z)r+exp)C：污染物浓度Z：承受黠距地面之高度H：有效烟囱高度x：下风距离Q：排放率u

21、：平均水平风速:水平垂直扩散系数y：接受黠至理流中心之侧风距离。：高架连续点源的地面浓度模型9=0)c (x, j ,0; H e)exp 兀u o o-e2o 2z J基本模型:dClbh = ubh (C -C) + lbQ-kClbh dt0/：高架连续点源的地面轴线浓度模型(z=0, y=0)QH H 2、c(x,0,0; H ) =exp( 一 一)e兀 u o o2o 2J zzu He 2：高架连续点源最大落地浓度模型当x=x*= 4Ez时2Q ozc(x,0,0;H )max_c(x*,0,0;H )_兀euxo,He2I2-oz.烟囱有效高度He*，uxoJ。(x max.大

22、气质量模型中的参数估计适用条件：霍兰德公式-中性，中小型烟源较多 摩西，卡森公式-有风情况下的大型烟源 康凯维公式-有风情况下的中小型烟源 布里格斯公式-无风条件适用.大气稳定度：大气稳定度是指大气层稳定的程度。帕斯奎尔分级法分6级特纳尔分级法-分7级.标准偏差 y和 z雷特尔模型: y =Btb z=Atat=x/u , u为平均风速 其余是参数是大气稳定度的函数：Plugg2公式 y =Fxf z =Gxg均与大气稳定度和地面的粗糙程度有关第八章环境质量评价方法与模型.等标污染指数（等标污染评价法）：所排放的某污染物超过该污染物评价标准的倍数，亦称污染物的超标倍数CN 二 一i C0 iC

23、ij表示第j个污染源第i种污染物的排放浓度C C 0i表示第i种污染物的排放标准Nij表示第j个污染源第i种污染物的等标污染指数.等标污染负荷：反映了污染物总量的概念CPj= Cj Qij0 iPij表示第j个污染源第i种污染物的等标污染负荷Qij表示第j个污染源含有第i中污染物的介质的排放流量.污染负荷比：污染负荷比是指某种污染物或某个污染源的等标污染负荷在总的等标污染负荷中所占的比重。污染负荷 比是确定某种污染物或某种污染源对环境污染贡献的顺序的特征量。第j个污染源内，第i种污染物的 污染负荷比为Kj = Pj一个地区中某种污染源的污染负荷比为PKi = Pi一个地区中某种能够污染物的污染

24、负荷比为 P.污染源预测一弹性系数法弹 性系数的定义为污染物的年增长率与国民经济生产总值的年增长率的比值.单因子指数：Ii= Ci/SiIi为第i中环境因子的环境质量指数；Ci为第i种环境因子的实测浓度；Si为第i种环境因子的评价标准工 n WiIi.加权型多因子指数I= i=in为参与评价的因子数.环境指数评价法一内梅罗指数法某一种水用途j的分指数PIj计算，公式：I= (Ci/Si)2平均+(Ci/Si)2最大/2 1/2考虑水的一切用途的总的水污染指数PI计算，公式：两个特点：兼顾考虑最高值与平均值；考虑了不同类的水用途对整个评价区域水体的影响。第九章水环境规划.环境容量：一个环境单元在满足环境目标的前提下，所能接受的最大污染物量。、.允许排放量：在环境容量的约束下，污染源的最大排放量称为允许排放量dC.河流环境容量：S=V dt -QCo+QC-rV.河流允许排放量：情形一：一维环境，集中排放，没有混合区不存在降解容量G=Cs (Q+q) -CoQ=Q (Cs-Co)(如果污水流量相对