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1、环境系统工程总复习1环境问题的特点跨领域：社会学、工程学、经济学、生态学、环境化学、环境地理学、环境 物理学等。多系统：自然保护系统、环境管理系统、监测系统、污染控制系统。污 染源发生和处理系统。这些系统互相联系、互相作用。多层次：流域环境系统、区域环境系统、城市环境系统、水、气、声污染控 制系统等不同层次的系统。多因素：多输入、多变量。（多变污染源，迁移转化影响因素多）随机性：时间、空间、数量上均带有随机性。多目标：有时是费用、质量等同时寻优。动态的：随时间在变化，周期性很长的开放性的系统。2环境问题的解决只靠单项技术已不能圆满解决复杂的环境问题，更不能达到最优，必须综合 分析，系统设计规划
2、，就需借助系统工程处理法。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；研究环境质量与社会经济发展的对立统一关系，建立与环境保护相协调的经济结构与经济布局。稳态推流存在的情况下，忽略弥散作用，此时：Q, q分别为河流和污水的流量；Cl C2河流中污染物的本底浓度和污水中污染物浓度。5 .污染物在均匀流场中的分布特征二维流场中的分布（稳定源）如果定义扩散羽的宽度为包含断面上95%的污染物总量的宽度，则扩散羽的 宽度为2 y0.污染物到达岸边所需的距离在中心排放时：在岸边排放时：6 .完成横向混合所需的距离在中心排放时：在岸边排放时：内陆水体水质模型.污染物在水体中主要的
3、过程一 .湖泊和水库水质模型.一维河流水质模型.污染物在水体中主要的过程.物理过程:污染物在进入河流后，经与河水的混合、扩散和沉积等作用得到稀释。同时 也经历了河水的冲刷、再悬浮等作用。1 .生物化学过程含碳BOD(CBOD)的降解河流中有机污染物的降解一般情况下符合一级反应动力学方程：式中：为含碳有机物降解速度常数。河流横断面处BOD的测定值.水体的耗氧与复氧过程复氧的原因：大气中的氧通过质量传递的作用进入水体中。氧亏定义：河流水体中溶解氧的不足量，指水中溶解氧的饱和浓度和实际浓 度之差：D=Cs-C。ka一大气复氧速度常数溶解氧浓度是温度的函数：二.湖泊和水库水质模型湖库主要污染物的来源：
4、由地面径流输入的营养源；由降水、降尘输入的营 养源；由城市或工业污水输入的营养源。完全混合式模型：基本假定：对于停留时间长，水质基本处于稳定状态的湖库，可视为完全混 合反应器。其中污染物浓度随时间的变化率是 输入、输出和在湖库内沉积衰减 的该种污染物的量的函数。t=0, c=cot8Lc=Ic/As沃伦威德尔模型A.沃伦威德尔模型令水力停留时间：引入滞留系数RcRc, Lc为解决沉积作用难以测定的问题吉柯奈尔-狄龙模型B.吉柯奈尔-狄龙模型t8三.一维河流水质模型适用于小型河流系统或者所研究的河流系统的纵向尺度远大于宽度和深度, 可以处理成一维河流系统。 S-P 模型(Streeter-phe
5、lps)BOD-DO耦合模型A.基本假设：河流中的耗氧由生物降解引起，河流中的BOD衰减都是一级反应；耗氧和复氧的反应速度是常数；河流中溶解氧的来源只有大气复氧。B.S-P模型的基本形式：式中：L河流中有机物BOD浓度；D一河流的氧亏值；Kd河流的BOD衰减速度常数Ka河流复氧速度常数；有机耗氧大气复氧54S-P模型的解析解为:其中L0和DO分别为河流起点的BOD和氧亏值。初始条件:x=0时,L=LO , D=DO55t时刻的实际DO浓度：56C.氧垂直曲线：根据S-P模型绘制的溶解氧随沿程变化曲线称为氧垂曲线:饱和溶解氧浓度CSDO溶解氧浓度C距离XD0057如果令：（找极值点）临界点氧亏值
6、和临界点距离污水排放点的时间：Ka河流复氧速度常数Kd河流的BOD衰减速度常数58S-P模型的修正型：生物降解沉淀-再悬浮托马斯模型（Thomas模型）：Thomas在S-P模型中引入沉淀作用对BOD去除的影响，其速度常数为ks,修 正后的S-P模型为：主要内容一、环境系统分析概述二、数学模型概述三、环境质量基本模型四、内陆水体水质模型五、大气质量基本模型六、环境质量评价模型七、习题练习环境系统分析概述一、系统的概念：(书)系统是由两个或两个以上相互独立又相互制约、执 行特定功能的元素组成的有机整体。(ppt)由若干元素组成；这些元素相互独立又相互制约；作为一个整体具有 特定功能。二、系统的基
7、本特性即系统的特点：相关性、目的性、环境适应性、集合 性、阶层性、整体性三、什么是系统分析系统分析：对研究对象进行有目的、有步骤的探索，通过分解与综合的反复 协调，寻求系统目标的最佳方案。分解和综合是系统分析的基本方法，也是系统分析的两个主要环节。分解：研究和描述组成系统的各个要素的特征，掌握各要素的变化规律。模型化过程，研究描述环境系统主要功能的逻辑模式（定性的）和数学模式（定 量的）；综合：研究各要素之间的联系和有机组合，达到系统的总目标最优。最优化过程，利用数学模式进行最优化分析。四、系统分析的一般步骤：（书）1明确问题；2设立目标；3收集资料；4 建立模型；5制定系统评估标准；6综合分
8、析。（ppt）明确问题，设立目标收集资料、制定方案分析计算、评价比较检验核实，作出决策五、系统分析的主要原则：科学性原则、整体性原则、综合性原则六、环境系统分析环境系统：（1）定义：广义：指地球表面包括非生物和生物的各种环境因素及其相互关系的总和。狭义：在研究人与环境这个矛盾的统一体时，把由两个或两个以上环境污染 及控制有关的要素组成的有机整体。(2)环境系统的分类和组成污染物的发生及迁移过程：污染物发生系统、污染物输送系统、污染物处理 系统、接受污染物的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、环境统 计与排污收费管理系统环境保护对象：保护区系统、大气污染控制系统、
9、水污染控制系统、城市生 态环境系统环境系统分析：应用系统分析方法来解决环境保护领域的问题主要内容：环境系统可行性研究分析环境工程经济分析环境系统收益-费用分析环境质量评价分析七、环境系统工程的工作步骤：系统地提出问题，明确其目标和范围； 选择评价系统功能的指标或目标函数;明确系统的组成因素，提出各种可选用的方案;建立数学模式或进行数学模拟;分析模式特点，确定选优方法，使系统最优化;按选定的最优方案，建立环境污染控制系统。这些步骤往往需要反复进行。数学模型概述.数学模型的建立模型化的基本结构：白箱模型（机理模型）、黑箱模型（经验模型）、灰箱模型（半机理半经验模型）建立通用的数学模型必须满足的基本
10、要求: 模型要有足够的精确度;模型的型式要简单实用;模型的依据要充分;模型中应该有可控变量。建模数学模型的一般过程: 有关数据收集与分析 模型结构选择与确定(3)模型参数确定(4)模型检验与修正模型检验(5)灵敏度分析数学模型的建立步骤(5步)：(书)1、数据的收集与分析；2、模型结构 的选择与确定；3、模型参数估值；4、模型验证与修正；5、模型的应用和反馈。一个模型要能真实的反应客观实体，必须经过实践-抽象-再实践的多次反 复。1 . 数学模型的参数估值模型参数：由于人们对研究对象某方面的认识不够深入，出于模型量化的需 要，可用一些经验参数来代表这些量，一个模型中至少含有一个或多个待定参数,
11、 这些参数就叫模型参数。对于具有确定估计范围的参数，图解法及最小二乘法等得到广泛的应用。一元线性回归法(最小二乘法)：适合于线性或者可以转化为线性的模型。假设如下两个条件成立：a.自变量没有误差，因变量存在误差；b.测量的各 数据点可以拟合成线性非常好的直线。因此，对于数学模型为y=mx + b的线性方程，其各点至直线的竖向偏差(因 变量偏差)之平方和最小。各测量点的偏差为:di=yi -yi = yi -(mxi+b)总的偏差为：z= dl2+偏2+为2+总的偏差为：z= dl2+偏2+为2+dn2b, m取值要求使总误差z最小，其必要条件为:由此求得最佳b和m:环境质量基本模型1 .污染物
12、在环境介质中的运动：推流迁移运动扩散（稀释）运动污染物的衰减和转化扩散（稀释）运动：物质浓度总从高处向低处扩散。污染物质在环境介质中的 扩散作用包括分子扩散，湍流扩散和弥散三种。2 .基本模型的推导定义：反应污染物在环境介质中运动的基本规律的数学模型称为环境质量基 本模型。本质：反映了污染物在环境介质中运动的基本特征，即推流迁移，分散和降 解。假设：污染物质点与介质很好融合，具有相同流体力学性质；可以均匀分 散，不产生絮凝、沉淀和挥发。质量守恒原理：对于输入端：物质总量:存量1+进入量（1）对于输出端：物质总量=存量2+出去量（2）存量1+进入量=存量2+出去量存量2-存量1=进入量-出去量存
13、量的变化量（增量）=进入量-出去量零维模型推导（完全混合）定义：研究范围内，不产生环境质量的差异，类似一个连续流完全混合反应 器。V为反应器的体积；k衰减速度常数；在At= tl-t2的时段内，浓度 c=c2-cl,质量变化：m=Vcl-Vc2=V （c2-cl） =V A c根据质量平衡原理,单位时间的物质变化量也可 表示为：Vdc/dt-QcO+S+rV-Qc若s=o,污染物在反应器内的反应符合一级反应动力学降解规律，即r- -kc,则Vdc/dt=QcO-kcV-Qc3.非稳定源排放的解析解一维流场中的瞬时点源排放a.忽略弥散作用，即Dx=O,可得：解为：b.考虑弥散作用，即DxWO,得：通过数学拉普拉斯变化及其逆变换求得方程解为：4.稳定源排放的解析解稳态：污染物在某一空间位置的浓度将不会随时间而变化，这种状态称为稳 O(1)零维模型的稳态解稳态条件下，dc/dt=O,可得：(1) 一维模型的稳态解稳态条件下，dc/dt=O,可得： 如果给定初始条件x=0, C=CO 一维模型的解析解为: