1、第一章環境系統分析概論 一、系統及其特征 系統是由兩個或兩個以上相互獨立又相互制約的、執行特定功能的元素組成的有機整體。系統的元素又稱為子系統，每一個系統又是個比它更大的系統的子系統。 任何一個系統都具有整體性、相關性、目的性、階層性和環境適應性的特征。二、系統的結構化 系統結構化旨在研究系統內部各個子系統之間的分布規律和分布秩序，為系統模型化奠定基礎。結構模型解析法是研究系統結構化的有效工具。 結構模型解析法是系統結構化的常用方法。結構模型解析法從一堆雜亂的元素人手，通過構建有向連接圖、相鄰矩陣、可達性矩陣以及對矩陣的區域分解和級間分解，確定各子系統在系統中的位置，建立系統的遞階結構模型。三

2、、系統分析方法 系統分析是對研究對象進行有目的、有步驟的探索和研究過程，它運用科學的方法和工具，確定一個系統所應具備的功能和相應的環境條件，以確定實現系統目標的最佳方案。 系統分析的基本過程是對系統的分解和綜合，通常可以分為下述六個階段：明確問題的范圍和性質、設立目標、收集資料、建立模型、制定評價標準和進行綜合分析。 系統分析的基本內容是系統的模型化、最優化和決策分析。四、環境系統與環境系統分析 在研究人與環境這個矛盾統一體時，把由兩個或兩個以上的和環境保護、污染與控制有關的要素組成的有機整體稱為環境系統。 環境系統分析的兩大任務是：研究環境系統內部各組成部分之間的對立統一關系，尋求最佳的污染

3、防治體系；研究環境質量和社會經濟發展的對立統一關系，尋求經濟與環境協調發展的途徑。應用系統分析方法解決上述環境問題的顯著特點是通過模型化和最優化來協調環境系統中各要素之間的關系，實現經濟效益、環境效益和社會效益的統。 習題及題解 1什么是系統?一個系統應具備哪些特征? 2系統的各種特征在模型化和最優化過程中各起什么作用? 3簡述系統分析的研究對象與研究內容。 4簡述系統分析的基本原理和方法。 5系統結構化的目的和意義何在?第二章數學模型概述內容簡介一、定義和分類 根據對研究對象所觀察到的現象及實踐經驗，歸結成一套反映數量關系的數學公式和具體算法，用來描述對象的運動規律，這套公式和算法稱為數學模

4、型。 數學模型可以從不同的角度進行分類： 按照變量和時間的關系，可以分為動態模型和穩態模型； 按照變量之間的關系，可以分為線性模型和非線性模型； 按照變量的變化規律，可以分為確定性模型和隨機模型； 按照模型的用途，可以分別模擬模型和管理模型； 按照模型中參數的特征，可以分為集中參數模型和分布參數模型。二、模型的建立 一切應用于實際的模型，都必須滿足下述要求：要有足夠的精度；模型的形式要力求簡單實用；模型的依據要充分；模型中應具有可控變量。 個模型的建立，大體要經歷以下步驟。 1數據的收集和分析 數據收集可以通過兩個途徑：利用已有數據和現場監測采樣。要盡可能多地占有與研究對象有關的數據和資料，包

5、括與研究對象直接相關的數據(如大氣環境質量數據、污染源數據等)和間接相關的數據(如氣象數據、水文數據、社會經濟發展規劃數據等)。 對所收集的數據進行整理分析，通常要繪制成變量的時間過程線、空間變化曲線或各種表格以分析事物的發展變化規律。 要保證數據的可靠什。 2模型結構的選擇 模型的結構可分為白箱、灰箱和黑箱三種。白箱模型即機理模型，它是以客觀事物的變化規律為基礎建立起來的。灰箱模型又稱半機理模型，若僅知道各因素之間質的關系，并不確切明了量的關系，還需用一個或多個經驗系數來加以定量化。經驗系數要借助觀測數據或試驗數據確定。黑箱模型又稱輸入輸出模型。它是根據系統的輸入、輸出數據建立各個變量之間的

6、關系，而完全不追究其內在機理的純經驗模型。 3參數估計 一個灰箱模型中存在著至少一個待定參數，這些參數的值要根據實際觀測數據或實驗數據加以確定。 4模型的檢驗和修正 用實測的輸人輸出數據和已確定了參數的模型計算的輸出數據進行比較，以確定模型是否滿足精度要求。若模型計算誤差超過了預定的界限，則可通過修正參數或調整模型結構加以改進，并需要新估計參數和模型驗證。三、模型參數估計方法 模型參數估值通常有基于同歸擬合的方法、基于試驗或經驗的方法及基于搜索的方法三類。 1基于回歸擬合的方法 (1)圖解法 凡給定的公式可以直接描述成一條直線，或經適當處理后能轉換為直線時，可將自變量和因變量的各對應點繪于直角

7、坐標系中，用直尺連成盡可能靠近各個點的直線。若直線表達為 yb+mx 則上述直線的斜率就是式中的m，y軸上的截距即為式中的6。(2)一元線性回歸分析 線性問歸分析有兩個假設：所有自變量的值均不存在誤差，因變量的值則含有測量誤差；與各測量點擬合最好的直線為能使各點到直線的豎向偏差(因變量偏差)的平方和最小的直線。若模型形式為yb+mz，則可得下式： (3)多元線忭間歸分析 多元線性回歸分析與一元線性回歸分析原理相同。可建交起類似一元線性回歸分析中的目標函數來估計未知參數。 2基于試驗或經驗的方法 (1)試驗法 物理意義明確的參數可通過試驗測定的方式輔助確定，比如耗氧速度常數、復氧速度常數等，測定

8、方法參見后面章節或環境監測相關書籍。 (2)經驗公式法 利用經驗公式計算一些使用頻率高的參數，如復氧速度常數、大氣擴散方程中的標準偏差等經常采用經驗公式估計。 (3)基于搜索的方法 根據搜索方式的不同，基于搜索的方法可分為網格法(枚舉法)、最優化方法和隨機采樣方法等。基于搜索的方法適用于較復雜模型的參數估計以及計算機輔助F的參數自動識別(Auto Calibration)。網格法 設有幾個待定參數，其中O(i1，2，n)的搜索區間為(a；b)。如果把區間分成m等分，分點為O(Ao，1，2，m)，其中口；Od，d；”b，則參數空間o(Jl，O，Jn)被劃分成ml，mz，m。個網格。計算所有網格結

9、點，L的目標函數值，選取其中最小值所對應的參數值作為最優參數估計值。第三章環境質量基本模型內容簡介 一、污染物在環境介質中的運動特征 污染物進人環境后的運動形式比較復雜，既有隨著介質的推流遷移運動，也有污染物質點的分散運動，以及污染物的衰減轉化運動。 1推流遷移 推流遷移是指污染物在氣流或水流作用下產生的位置移動。推流遷移只能改變污染物所處的位置，不能降低污染物的濃度。其遷移通量為：守恒物質進人環境后僅隨介質運動而改變位置，因分散作用不斷向周圍擴散而降低其初始濃度，但它在介質中的總量不變。 非守恒物質進入環境后，除了隨介質流動而改變位置，并不斷擴散而降低濃度外，還因自身的衰減而不斷降低其總量。

10、污染物在環境中的衰減過程墓本上符合一級動力學規律，即 dc/dt=kc一Ac 式中，c為污染物濃度；為反應時間；A為污染物降解速度常數。 二、環境質量基本模型與解析解 1.零維模型 (1)模型形式第四章內陸水域水質模型 內容簡介 一、基本水質問題 污水排人水域之后，從污水排放口到污染物在水域中達到均勻分布，通常要經歷豎向混合和橫向混合兩個階段。河流中存在著以下的水質墓本問題。 生物化學分解 水體中的有機物由于生物降解而消耗河流中的溶解氧。生物化學反應可用一級動力學反應式表達。 人氣復氧 水中溶解氧的主要來源是大氣。氧氣由大氣進入河水的質量傳遞速度與河水中的氧虧成正比。 光合作用 水牛植物的光合

11、作用是水體中溶解氧的另一個重要的來源。 藻類的呼吸作用 藻類的呼吸消耗水中的溶解氧。 底棲動物和沉淀物的耗氧 底棲動物耗氧的主要原因是由于底泥中的耗氧物質返回到水中和底泥頂層耗氧物質的氧化分解。 二、湖泊水庫水質模型 1湖泊和水庫的水質特征 湖泊和水庫中的水流速很低，停留時間很長，它們屬于靜水環境，具有相對比較封閉的水生生態系統。富營養化是湖泊和水庫中最基本的水質問題。 在水深較大的湖泊和水庫中，水溫和水質的豎向分層是常見的水質特征。水溫的豎向分布隨四季氣溫的變化呈規律性變化。在大多數時間里，湖泊與水庫的水質呈豎向分層狀態。 2完全混合模型 完全混合模型又稱箱式模型，是一種從宏觀上研究湖泊、水

12、庫中營養物質平衡的輸入產出關系的模型。 (1)沃倫威德爾模型 模型的基本形式 假定湖泊、水庫中某種營養物的濃度是輸入、輸出和在湖泊、水庫內沉積的該種營養物質的量的函數： yIc一，CVQC 式中，y為湖泊或水庫的容積，m3；C為某種營養物質的濃度，8m；c為某種營養物質的總負荷，ga；s為營養物在湖泊或水庫中的沉積速度常數，1a；Q為湖泊或水庫出流的流量，m3a。 若令帥刷系數rQ，則上述方程為： dC/dt=Jc 模型的解析解 給定初始條件，模型解析解為：第五章河口及近岸海域水質模型 內容簡介 一、河口及近岸海域水文特征 1河門水文特征 (1)非穩定性棍合 潮汐和風的作用，導致河口與近岸水流

13、在半天或一天內呈周期性變化，以及小周期的隨機性變化。流動的非恒定性導使水體的混合具有了明顯的時變特征。 (2)潮汐的抽吸和阻滯作用 潮流除引起小尺度的紊動混合外還產生較大尺度的流動，包括剪切作用和環流，對河口中的混合產生抽吸和阻滯。抽吸作用是河口段污染物的運動和鹽水上溯的一個重要機理，是產生縱向離散的個重要部分。 (3)密度分層與斜壓環流作用 河口中有來自河流的淡水和來自海洋的咸水，在浮力作用下發生分層流動。河流是河口中密度變化的浮力源而潮汐則是密度變化的動能源。對分層的河口而言，密度等值線呈頂部傾向海洋而底部傾向陸地的傾斜狀，潮周平均流速在表層朝向海洋，而在底層朝向陸地，從而在水流內部產生個

14、因密度變化引起的環流斜壓環流。 2河口的沖洗時間 河口的沖洗時間是指由于上游徑流作用，從河口的某一個特定位置將污染物輸送到河口外所需時間。河門沖洗時間基本反映了污染物進入河口后停留的時間。 河口沖洗時間的計算通常采用兩種方法，即淡水分數法和修正進潮量法。 下面只介紹淡水分數法。如果將河口分成”段進行沖洗時間的計算，其公式為： 式中，丁為河段總的沖洗時間；f為第i河段的淡水分數；R：為第i河段在一個潮周期上所得的河水水量；P為第i河段在一個潮周期上的進潮量；vJ為第i河段河水的實際體積。 3近岸海域水流特征 海流有密度流、風生流、潮流，其中起上導作用的是潮流。 (1)潮汐和潮流 潮汐是海面一種長

15、周期的波動現象。由于月球、太陽、地球三者之間相對位置的變化以及地形的影響，潮汐一般分為半日潮(一日兩次潮)、日潮(一日一次潮)和混合潮三種類型。 潮流是水平水流運動，同潮汐類似，潮流具有周期性及旋轉特性。(2)風生流 由于風作用引起的海水水平運動稱之為風生流。 對于近岸海域，當已知離海面10m高處的風速為v1。(ms)時，可用下式估算海面風生流流速Vs(ms)： VskVlo 式中，A為經驗系數。一般取Ao3；當風向垂直于海岸時，取Ao4；當風向平行于海岸時，取A007。 二、污染物在水體中的混合稀釋 污水在海洋中的物理過程可分為三個基礎階段：初始稀釋階段，再稀釋和遷移階段，長期擴散和輸移階段

16、。1初始稀釋 初始稀釋階段是污水與周圍環境水體在排放口近區混合過程。這個過程主要受控于污水的動量、浮力和海流條件。污水在出口動量和浮力作用下邊上升邊發生紊動混合，當被稀釋的污水達到最大的浮升高度停止上升井水平運動或當射流最大速度衰減到噴口的動量再也不能產生顯著的混合時，初始混合即結束，此時達到的平均稀釋度稱為浮力射流的初始稀釋度。2污染羽流再稀釋和遷移 再稀釋和遷移階段是指污水場(此時常稱之為污染羽流)在海流作用下的湍流擴散和遷移過程。這一條件主要受控于海流條件及海水湍流強度，并且與污水場初始尺度或擴散管長度有關。污染羽流再稀釋預測常采用Brooks模式。3長期擴散和輸移階段 長期擴散和輸移階

17、段是指污水中的污染物在誨洋中的被動輸移和擴散過程。這一過程主要由誨洋中各種尺度的湍渦所控制。4，稀釋度 稀釋度即稀釋后的水體總體積與體積中所包含的污水體積之比。三、河口水質模型1河口水質基本模型 由質量平衡原理可以推導出與河流水質模型相似的河口水質基本模型，即：第六章 流域非點源模型 內容簡介 一、非點源污染概述 1定義 狹義的非點源污染指在降雨、徑流的淋溶和沖刷作用下，大氣中、地面和地下的污染物進入汀河、湖泊和海洋等水體而造成的污染。 廣義的非點源污染指時空上無法定點監測的，與大氣、水文、土壤、植被、地質、地貌、地形等環境條件和人類活動密切相關的，可隨時隨地發生的，直接對大氣、土壤、水構成的

18、污染。它包括大氣環境的非點源、土壤環境的非點源和水環境的非點源。與水環境有關的非點源污染主要包括人氣干濕沉降、暴雨徑流、底泥二次污染和生物污染等。 2非點源污染種類和來源 非點源污染物主要包括泥沙、營養物(氮和磷)、可降解有機物(BOD、COD)、有毒有害物質(包括重金屬、合成有機化合物)、溶解性固體、固體廢物等。 非點源污染主要分為兩大類：農業非點源污染和城市徑流污染。通常，農業非點源污染主要關注土壤、營養元素和農藥的流失，而城市徑流污染則主要關注有毒有害物質、有機物和固體廢物等的污染。 3非點源污染的危害 非點源污染的危害，不僅表現在其輸出的污染物對受納水體的污染，也會對農林牧業造成破壞，

19、如農田土壤侵蝕造成的作物減產、土地退化等。城市徑流污染能夠危害脆弱的城市及其下游的河湖水系，造成富營養化。 二、流域非點源的產生與特征 1非點源污染的特征 非點源發生機理復雜，影響因素眾多。具有以下特點：受氣象因素控制，發生時間上具有隨機性和間歇性；污染源的空間分布具有廣泛性；發生機理復雜，涉及水文學、水力學、土壤學、環境科學等多個學科；污染物組成和負荷影響因素眾多，具有不確定性；非點源污染控制和管理比較困難。 2非點源污染與水文過程 流域的非點源污染往往伴隨著降雨、徑流過程而產生，與暴雨過程關系密切。降雨前期地表條件、降雨的強度和歷時、徑流的發生過程和發生量是影響非點源負荷的主要因素。降雨前

20、期條件直接決定了污染物的類型和潛在污染負荷，降雨對地面的沖擊和徑流對地表的沖刷是污染物脫離土壤、進入水休的主要動力，而徑流量和流速則是污染物挾帶能力的主要決定因素。 3非點源污染模擬的歷史 圖61是非點源污染模擬歷史和進展。第七章大氣質量模型 內容簡介 一、大氣污染物的擴散過程 1大氣垂直結構 大氣層在垂向上具有層狀結構。按照大氣溫度的垂向分布，將大氣圈由地表向外依次分為對流層、平流層、中間層和暖層。其中對流層是對人類生產生活影響最大的一層，污染物的遷移擴散也主要在這層。 2大氣運動特征 大氣運動特征主要表現為湍流運動，湍流是一種不規則的運動，由若干大大小小的渦旋或湍渦構成。大氣湍流的形成與發展取決于機械或動力的因素形成的機械湍流及熱力因素形成的熱力湍流，是兩者綜合的結果。 3大氣污染物擴散過程 污染物質廣義的擴散過程包括層流、湍流擴散、沉降、降雨清洗、光化學反應等過程。因此，影響污染物在大氣中擴散的主要因素包括風、大氣湍流、大氣穩定度、氣溫的鉛直分布和逆溫以及降水與霧等。 4大氣污染物擴散模型分類 按污染物擴散狀態可以分煙流模型、煙團模型、箱式模型；按模型推導方法可以分為物理模型和統計模型；按污染源空間尺度町以分為點、線、面、體擴散模型。 二、污染源解析 1污染