环境系统分析复习整理复习笔记.doc

第一章 环境系统分析概论1.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。2.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3.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 *4.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）5.系统最优化：系统最优化通常通过最优化模型实现6.环境系统分析：概念：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。7.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1 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）。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，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为测量值与计算值的偏差，则：diyiyi=yi（b+mxi）偏差平方和： 为使平方和最小，他们必需满足必要条件： 解得： 。2. 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：其中，为测量值和计算值 ，为测量值和计算值的平均值。为计算方便，可写成：可以证明：-1r1,r 越大，相关性越好当R=1时，x，y 完全线性相关；当r=-1时，x，y 完全负线性相关；当r0时，x，y 完全没有相关性，完全线性不相关；当0<r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：3灵敏度定义灵敏度的定义：（单个变量时的灵敏度）在附近，状态变量（或目标函数）相对于原值的变化率和参数相对于的变化率的比值，称为状态变量（或目标函数）对参数的灵敏度。 式中： 当时， 式中：和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：；2.       分散作用：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。3.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:0aAx0aAx0aAx(1) 推流迁移 (2)推流迁移+分散 (3)推流迁移+分散+衰减A=a A=a A>a图 3-1 推流迁移,分散和衰减作用假定在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t (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 a<A(图3-1(3)。4. 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x、y和z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 单位时间内的输出量为图3-3 体积元的质量平衡分析若体积元内污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,有化简上式, 得均匀流场中 ux,Dx 均作为常数,上式简化为式中，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。5.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：若忽略弥散作用，既Dx=0则用特征线法求解，得解析式： 考虑弥散：当Dx不为零时，解析解为：在瞬时投放下， 6. 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： 则解析解为 式中：称为理论停留时间 一维模型的稳态解：假定只在x方向上存在浓度梯度，则当稳态时，这是一个二阶常系数齐次线性微分方程，其特征根为：对于守恒或衰减的污染物，（取负值），所以初始条件为：x0，cc0，则对于一般河流： ，：河流的流量，q：污染物流量，：本底浓度；：污染物浓度。若考虑弥散系数，则解析解：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，QAux7.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：在断面x处出现最大浓度值的时间是：（对称轴），相应的最大浓度值：，式中；表示图中钟形曲线的离散程度，在同一断面，如果越大， 越小，离散程度越好。二维流场中的分布（稳定源） 令，则 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轴上，扩散羽的宽度：包含断面上95污染物量的宽度（4）（无穷大环境中排放或者中心排放）或者2（边界上排放），当越大，越大，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。8.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： 岸边排放：9.完成横向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0.951.05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混合的距离称为完成横向混合所需的距离。计算公式中心排放： 岸边排放：10.扩散羽宽度：中心排放：岸边排放： 11.估计弥散系数 作图法：一维流场瞬时排放时：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，写出如下方程：，两边分别写对数：作 图，则斜率= 对于二维模型，忽略 、则解为：；作，则 矩法求解原理：将污染物的分布曲线设为：，则零阶矩： 一阶矩： 二阶矩：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；M2：分布的方差，浓度分布的离散程度Dx= Dy=第四章 内陆水体水质模型1.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2.大气复氧：Cs=468/（31.6+T）3完全混合模型： 沃伦威德尔模型 狄龙模型4 对于可接受的磷负荷5.一维河流水质模型 （重点）s-p模Sp模型的解溶解氧浓度最低的点（亦即氧亏值最大的点）称为临界点（此点变化速度为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可由下式计算： 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 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。为燃料的消耗量，固体燃料 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，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）基本模型：模型的解：（k=0） （k0） 多箱模型：AC=D 7-11 7-134.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+HH1 物理高度；H 烟气抬升高度5.高斯模型C：污染物浓度 Q：排放率 Z：承受點距地面之高度 u：平均水平风速 H：有效烟囱高度 ：水平垂直扩散系数 x：下风距离 y：接受點至煙流中心線之侧风距离。：高架连续点源的地面浓度模型（z=0）=：高架连续点源的地面轴线浓度模型 （z=0， y=0）：高架连续点源最大落地浓度模型 当x=x*=时max= 6.烟囱有效高度 He*7大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8.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9标准偏差和 雷特尔模型：=B =A t=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=F =G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1.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 表示第j个污染源第i种污染物的排放浓度表示第i种污染物的排放标准表示第j个污染源第i种污染物的等标污染指数2.等标污染负荷：反映了污染物总量的概念表示第j个污染源第i种污染物的等标污染负荷表示第j个污染源含有第i中污染物的介质的排放流量3.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 一个地区中某种污染源的污染负荷比为一个地区中某种能够污染物的污染负荷比为4.污染源预测-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5.单因子指数：Ii= Ci/Si Ii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6.加权型多因子指数I= n为参与评价的因子数7.环境指数评价法-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/21/2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1.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。、2.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3.河流环境容量 :S=V -QCo+QC-rV4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）（如果污水流量相对于河水流量可以忽略） 情形二：一维环境，污水集中排放，存在混合区。 此时允许排放量=目标允许排放量+降解允许排放量 G=Q（-Co） 求混合区宽度5.湖泊水库的环境容量：由于湖泊水库的水力停留时间比较长，污染物存在积累效果，不太那个季节的污染物会产生叠加效应，点源污染物和非点源污染物都需要考虑。6.允许排放量的分配：公平性策略 效率策略7.污水处理效率的经济效应：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称为污水处理效率的经济效应指数8.全部处理或者全不处理策略 N个小区 有 2n-1 种策略9.排放口处理最优规划模型目标函数： min Z=约束条件： UL+mL0 VL +nOo L0 10.情景分析：有多少种情景列出来， 4个一个不同 例题9-6第十章 大气环境规划1.大气环境容量：对于一个特定的单元，根据其净化能力，在特定的污染源布局和结构及自然边界的条件下，为达到大气环境质量目标所允许的污染物最大排放量。2.大气环境容量计算模型箱式模型 Qa=ACs A=1.5768*3.比例下降规划 注意非负 模型假设：比例下降规划的假设是污染源的污染物排放量的下降，将导致空气中的污染物浓度的等比例下降4 A值法：（计算规划区和功能区的允许排放总量） 基本原理：Qa=ACs A=1.5768*A 称为总量控制系数 全规划区的允许排放总量为 功能区低架源的允许排放量： （ = =B/A）中架源的允许排放总量：+ ，（1-） ， 高架源的允许排放总量 ：Qa-Qb-Qm5. P值法基本原理 P为取决于当地污染气象条件的点源排放控制系数，计算基础是单个烟囱，在一个功能区或规划区存在多个烟囱是，需要对每一个烟囱的允许排放量进行修正允许排放量的分配