北师大 环境系统工程重点整理——18

1、环境系统工程重点整理（2014年1月8日）第一讲1、系统科学思想：整体性、综合性2、老三论、新三论 老三论：（美）冯·被他朗菲一般系统论1945；（美）C.E.香农信息论1948；（美）N.维纳控制论1948新三论：（比利时）I.普里高津耗散结构理论1970；（法）汤姆突变理论1972；（德）哈肯协同学19773、系统工程VS系统分析系统工程包括系统分析、系统设计、系统实施及其运行管理；二者方法学上一致，研究阶段不同，系统分析属工程的前期研究阶段.（系统工程研究阶段：计划准备【明确目标系统模型化系统最优化系统评价】系统设计系统实施，其中【】内属于系统分析。）4、系统相关概念系统定义：

2、系统是由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合的具有特定功能的有机整体。三个基本特征：系统是由若干元素组成的；这些元素相互独立又相互制约，相互作用又相互依赖；由于元素间的相互作用（系统结构），使系统作为一个真题具有特定的功能。系统基本概念图系统结构：系统内部各要素之间的相互作用，相互联系的方式和秩序，及各要素之间在时间或空间商排列和组合的具体形式。系统的基本特性：目的性、整体性、集合性、层次性、相关性、适应性5、系统分类分类：按成因：自然系统、人工系统、复合系统。按组成成分：实体系统与概念系统。按状态的时间过程特征：动态系统、稳态系统。按系统与环境的关系：孤立系统、封闭系统、开放系统。按复杂程度

3、：简单系统、简单巨系统和复杂巨系统。第二讲1、信息论相关概念信息是能够消除不确定的东西。信息熵：可能消息集合X的整体平均信息量称为信息熵。设消息集合X中发出第i条消息的概率为pi（i=1,2,3，n），该消息的信息量定义为log（1/pi）。则集合X所有消息的平均信息量为可能消息集合X的整体平均信息量为pi log (pi)。2、耗散结构理论耗散结构：一个远离平衡态的开放系统，在外界条件发生变化达到某一特定阈值，变量可能引起质变，系统通过不断与外界交换能量与物质，就可能从原来无序的状态转变为一种时间、空间或功能的有序状态，这种远离平衡状态的、稳定的、有序结构被称作“耗散结构”。耗散结构基本观点

4、：开放系统是产生耗散结构的必要前提；非平衡态是有序之源；涨落导致有序。3、霍尔三维结构霍尔三维结构体系将系统工程的全部过程分为时间维，逻辑维，知识维。时间维表示从规划到更新，按时间顺序排列的系统工程全过程共六个阶段：规划阶段、方案阶段、研制阶段、生产阶段、运行阶段、更新阶段。逻辑维包括七个步骤：明确问题、选择目标、系统综合、系统分析、方案优化、做出决策、付诸实施。知识维考虑为完成这些阶段和步骤的工作所需的各种专业知识和管理知识。4、霍尔三维结构VS切克兰德调查学习模式（区别及适用条件）a.霍尔三维结构的系统工程方法适用于大型工程项目，尤其是搜索性强、技术复杂、投资大、周期长的大型研究项目，可以

5、减少决策上的失误和计划实施过程中的困难。b.切特兰德的“调查学习”模式适用于解决不良性结构系统，即偏重社会、机理上不清楚的生物型的软系统，不是寻求最优化，而是通过“调查”“比较”或者“学习”，从模型和现状的比较中，学习改善现存系统的途径，有很强的反馈调节的思想。第三讲1、数学模型分类按照变量与时间的关系：动态模型和稳态模型按模型变量之间的关系：线性和非线性模型按变量的变化规律：确定性模型和不确定性模型（随机模型与模糊模型）按模型的用途：模拟模型和管理模型按模型参数性质：集中参数模型和分布参数模型2、模型建立过程：数据收集与分析，模型结构选择，参数估计，模型检验与验证，模型应用数据收集与分析：尽

6、量多占有数据、绘制变量的时间过程线、空间过程线、变量间关系曲线。模型结构选择： 白箱模型（机理模型、演绎模型）：根据对系统的结构和性质的了解，以客观事物变化遵循的物理化学定律为基础，经逻辑演绎而建立起的模型是机理模型。这种建立模型的方法教演绎法。机理模型具有唯一性与普适性。 黑箱模型（经验模型、归纳模型）：即输入-输出模型。需要大量的输入、输出数据以获得经验模型。它们可在日常例行观察中积累，也可由专门实验获得。根据对系统输入输出数据的观测，在数理统计基础上建立起经验模型的方法又叫归纳法。经验模型不具有唯一性。 灰箱模型（半经验、半理论模型）：理论公式+经验系数。由于人们对客观事物的认识不够充分

7、，只知道各种因素之间的质的关系，并不确切明了量的关系，还要用一个或多个经验系数来加以定量化。这些经验系数的确定则要借助一贯观测数据或实验结果。参数估值：图解法、一元线性回归、多元线性回归、最优化方法模型检验与验证：模型检验数据要独立于参数估计时所用的数据（所以至少要有两套独立数据）3、污染物在环境介质中的运动特征污染物进入环境之后，作着复杂的运动，随着介质的迁移运动，污染物的分散运动以及污染物质的衰减转化运动。推流迁移：推流迁移是指在气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。分散作用：包括分子扩散、湍流扩散和弥散。分子扩散是分子随机运动引起的质点分散

8、运动。湍流扩散是湍流流场中质点的各种状态（流速、压力、浓度等）的瞬时值相对于其时间平均值的随机脉动而导致的分散现象。湍流扩散项可以看成是对取状态的时间平均值后所形成的误差的一种补偿。弥散作用是由于横断面上实际的流速分布不均匀引起的，在用断面平均流速描述实际运动时，就必须考虑一个附加的，由流速不均匀引起的作用：弥散。污染物的反应与衰减作用推流、分散、衰减作用示意图4、污染物到达岸边距离（公式会给）主要掌握中心排放和边界排放的关系：边界是中心的2倍（一侧有边界）。若两侧均有边界，即给定河宽，则边界是中心的4倍。5、湖泊与水库的水环境质量特征湖库（水温与水质）分层与翻池现象随着一年四季的气温变化，湖

9、泊水温的铅直分布也呈有规律的变化。夏季的气温高，湖泊表层的水温也高。由于湖泊水流缓慢处于静水环境，表层的热量只能由扩散向下传递，因而形成了表层水温高，深层水温低的铅直分布。整个湖泊处于稳定状态。到了秋末冬初，由于气温的急剧下降，使湖泊表层水温亦急剧下降，水的密度增大，当表层水密度比底层水密度大时，会出现表层水下沉，导致上下层水的对流。湖泊的这种现象称为“翻池”。翻池的结果使水温与水质在水深方向上分布均匀。翻池现象在春未夏初也可能发生。6、自然湖泊的演化规律自然界湖泊也存在富营养化现象，由贫营养湖泊富营养湖泊沼泽干地，但速率很慢。人为污染所致的富营养化，速率很快；致使湖泊的发生、发展与消亡周期大

10、大缩短。7、藻类生长的富营限制模型（计算题）8、S-P模型氧垂曲线（推导）9、逆温：通常气温随高度增加而降低，在特定条件下也会发生逆温现象。逆温为什么会导致严重空气污染？a.逆温像一个盖子一样阻碍者气流的垂直运动，所以也叫阻挡层。由于污染空气很难穿过此层而积聚在它的下面，所以逆温会造成严重的环境空气污染。b. 环境空气污染事件大多都发生在有逆温又静风的条件下。因此，在研究环境空气污染时，对逆温必须给予足够的重视。逆温的形成条件？在晴空无云(或少云)的夜晚，当风速较小（小于3ms）时，地面因强烈的有效辐射而很快冷却，近地面的气温也随之下降。越接近地面的空气受地面冷却的影响越大，降温越大，而远离地

11、面的空气降温较小，因而形成了自地面开始向上的逆温层。10、空气污染源分类：按排放的几何形态：点源（有组织排放）、面源（无组织排放）、线源点源：高架点源（100m以上，可以影响全控制区环境空气质量）；中架点源（100m以下及30m以上）中架点源与低架点源主要影响临近区域所在功能区的环境空气质量。按排放时间：瞬时点源、连续点源与间断源按存在形态：固定源与移动源按污染物来源：工业、生活、交通等11、高价连续点源模型最大落地浓度（推导）第四讲1、决策分类根据人们对自然状态规律的认识和掌握程度，决策问题通常可分为确定型决策、风险型决策（统计决策）以及非确定型（完全不确定型）决策。确定型决策如果决策者能完

12、全确切地知道将发生怎样的自然状态，那么就可在既定的自然状态下选择最佳行动方案，这就是确定型决策问题，如资源的分配优化、配置等。主要特征包括：只有一个环境状态；有环境决策者希望达到的一个明确的目标；存在着可供环境决策者选择的两个或两个以上的方案；不同决策方案在该状态下的收益值是清楚的。确定型环境决策分析技术包括用微分法求极大值和数学规划方法等。非确定型决策如果决策者不但不能确定未来将出现哪一种自然状态，甚至对于各种自然状态出现的概率也一无所知，也没有任何统计数据可循，全凭决策者的经验、态度和打算，这类决策问题就是非确定型决策问题，也称无概率资料风险型环境决策。风险型决策如果未来可能环境状态不只一

13、种，究竟出现哪种状态，不能事先肯定，只知道各种状态出现的可能性大小（如概率、频率、比例或权等），则称为风险型环境决策问题。2、风险型环境决策分析风险型决策是指决策者在作决策时对客观情况不甚了解，但可能通过调查，根据过去的统计资料，凭借经验或主观估计获得各种自然状态发生的概率。对风险型决策，一般采用期望值作为决策准则最大期望收益和最小机会损失准则，决策时常采用决策树法。期望值准则：如果将每个行动方案看成是离散型随机变量，随机变量的取值是每个行动方案在不同自然状态下的益损值，其概率等于自然状态的概率，则每个方案的期望值都可以计算出来式中：Ei第i个方案的益损期望值；xij第i个方案在自然状态Sj下

14、的益损值；Pj自然状态Sj出现的概率。期望值准则是指计算出每个方案的收益或损失的期望值，并且以该期望值为标准，选择收益最大或损失最小的行动方案为最优方案。风险型决策可采用决策树的方法3、决策树4、环境决策支持系统（EDSS）组成结构三库结构：环境数据库、方法库、模型库四库五部件：环境数据库、方法库、模型库、环境知识库、推理机第五讲1、水污染控制规划的目标协调水污染控制系统内部各组成部分之间的关系，以最低的水污染控制费用满足水环境功能目标。2、水污染控制系统的组成：污染源系统、污水收集与输送系统、污水处理系统、接受水体。3、排水系统：直排式合流制、截留式合流制、完全分流制、半分制4、水污染控制规

15、划的分类：按规划层次：流域规划、区域规划、设施规划按规划方法：两类：优化方法（排放口处理最优规划；均匀处理最优规划；区域处理最优规划）；情景优选排放口处理最优规划，也称水质规划：a.以每个小区的排放口为基础，在水体水质条件的约束下，求解各排放口的污水处理效率的最佳组合，目标是各排放口的污水处理费用之和最低。b.在进行排放口处理最优规划时，各个污水处理厂的处理规模不变，它等于各小区收集的污水量；只是处理效率的优化组合。均匀处理最优规划（最佳实用技术）：在区域范围内寻求最佳的污水处理厂位置与规模的组合在同一的污水处理效率条件下，追求全区域的污水处理费用最低。均匀处理最优规划也称污水处理厂群规划问题

16、。在某些国家或地区规定所有排入水体的污水都必须经过二级处理（即机械处理生物处理），尽管有的水体具有充裕的自净能力，也不允许降低污水处理程度。这就是污水均匀处理最优规划的基础。区域处理最优规划是排放口处理最优规划与均匀处理最优规划的综合。a.在区域处理最优规划中，既要寻求最佳的污水处理厂位置与容量，又要寻求最佳的污水处理效率的组合。b.采用区域处理最优规划方法既能充分发挥污水处理系统的经济效能，又能合理利用水体的自净能力。c.区域处理最优规划问题比较复杂，迄今尚未有成熟的求解方法。最优规划局限性：过于理想化，往往有很多制约因素，而且得到的结果的可操作性往往不佳。根据污染源、水体、污水处理厂和输水

17、管线提供的信息，一次性求得水环境规划的最佳方案。只有在资料详尽、技术具备的情况下，才能顺利求出最优解，最优方案可以被视为理想方案。情景优选与最优规划不同，情景规划的工序是首先构建水环境规划的各种可能情景，然后对各个情景进行水质模拟，以检验情景的可行性，并对情景的效益进行分析。通过损益分析或多目标决策进行情景选优。情景规划是水环境规划的实用方法。5、水污染控制规划的依据水污染控制系统的费用的决定因素包括：水体自净能力、污水处理的规模经济效应、污水处理效率的经济效应。水体的自净能力a.水体能够同化污染物质，保证水质满足某种既定功能要求的能力称为水体的自净能力。b.水体自净能力可以被看作是一种特殊的

18、自然资源，合理利用这一资源，可以降低污水处理的费用，但水体自净能力又是一种有限的资源，不能滥用。c.在决定水体自净能力的诸因素中，水体自身的特性是不可控制的。制定合理的水质标准，合理布置污水排放口的位置是合理利用水体自净能力的保证。污水处理与输送规模经济效应a.污水处理的费用函数反应了污水处理的规模、效率的经济特征。b.污水处理的费用函数只是作为经验模型来处理。下面是采用较多的一种形式：（其中K2小于1，处理单位污水的费用将随着处理规模的增大而下降，费用与规模的这种关系称为污水处理规模的经济效应，K2 称为污水处理规模的经济效应指数。）c.污水输送系统也存在类似的经济效应，随着输水量的增加，输送单位污水的费用下降。污水处理效率经济效益a.如果污水处理规模不变，即Q为常数，污水处理费用函数可以写成：（K4大于1，处理单位污染物的费用将随着污水处理效率的增加而增加。污水处理费用与处理效率之间的这种关系称为污水处理效率的经济效应，K4称作污水处理效率的经济效应指数。）