環境系統工程總復習1環境問題的特點跨領域：社會學、工程學、經濟學、生態學、環境化學、環境地理學、環境物理學等。多系統：①自然保護系統、環境管理系統、監測系統、污染控制系統。②污染源發生和處理系統。這些系統互相聯系、互相作用。多層次：流域環境系統、區域環境系統、城市環境系統、水、氣、聲污染控制系統等不同層次的系統。多因素：多輸入、多變量。（多變污染源，遷移轉化影響因素多）隨機性：時間、空間、數量上均帶有隨機性。多目標：有時是費用、質量等同時尋優。動態的：隨時間在變化，周期性很長的開放性的系統。2環境問題的解決只靠單項技術已不能圓滿解決復雜的環境問題，更不能達到最優，必須綜合分析，系統設計規劃，就需借助系統工程處理法。①研究環境系統內部各組成部分之間的對立統一關系，尋求最佳的污染防治體系；②研究環境質量與社會經濟發展的對立統一關系，建立與環境保護相協調的經濟結構與經濟布局。穩態推流存在的情況下，忽略彌散作用，此時：Q,q分別為河流和污水的流量；Cl>C2河流中污染物的本底濃度和污水中污染物濃度。.污染物在均勻流場中的分布特征二維流場中的分布（穩定源）如果定義擴散羽的寬度為包含斷面上95%的污染物總量的寬度，則擴散羽的寬度為2y0.污染物到達岸邊所需的距離在中心排放時：在岸邊排放時：.完成橫向混合所需的距離在中心排放時：在岸邊排放時：內陸水體水質模型.污染物在水體中主要的過程.湖泊和水庫水質模型.一維河流水質模型—.污染物在水體中主要的過程.物理過程:污染物在進入河流后，經與河水的混合、擴散和沉積等作用得到稀釋。同時也經歷了河水的沖刷、再懸浮等作用。.生物化學過程含碳BOD(CBOD)的降解河流中有機污染物的降解一般情況下符合一級反應動力學方程：式中：為含碳有機物降解速度常數。河流橫斷面處BOD的測定值.水體的耗氧與復氧過程復氧的原因：大氣中的氧通過質量傳遞的作用進入水體中。氧虧定義：河流水體中溶解氧的不足量，指水中溶解氧的飽和濃度和實際濃度之差：D=Cs-C。ka一大氣復氧速度常數溶解氧濃度是溫度的函數：二.湖泊和水庫水質模型湖庫主要污染物的來源：由地面徑流輸入的營養源；由降水、降塵輸入的營養源；由城市或工業污水輸入的營養源。完全混合式模型：基本假定：對于停留時間長，水質基本處于穩定狀態的湖庫，可視為完全混合反應器。其中污染物濃度隨時間的變化率是輸入、輸出和在湖庫內沉積衰減的該種污染物的量的函數。t=0,c=cot—8Lc=Ic/As沃倫威德爾模型A.沃倫威德爾模型令水力停留時間：引入滯留系數RcRc,Lc為解決沉積作用難以測定的問題吉柯奈爾-狄龍模型B.吉柯奈爾-狄龍模型t—8三.一維河流水質模型適用于小型河流系統或者所研究的河流系統的縱向尺度遠大于寬度和深度,可以處理成一維河流系統。①S-P模型(Streeter-phelps)BOD-DO耦合模型A.基本假設：河流中的耗氧由生物降解引起，河流中的BOD衰減都是一級反應；耗氧和復氧的反應速度是常數；河流中溶解氧的來源只有大氣復氧。B.S-P模型的基本形式：式中：L—河流中有機物BOD濃度；D一河流的氧虧值；Kd—河流的BOD衰減速度常數Ka—河流復氧速度常數；有機耗氧大氣復氧54S-P模型的解析解為:其中L0和DO分別為河流起點的BOD和氧虧值。初始條件:x=0時,L=LO,D=DO55t時刻的實際DO濃度：56C.氧垂直曲線：根據S-P模型繪制的溶解氧隨沿程變化曲線稱為氧垂曲線:飽和溶解氧濃度CSDO溶解氧濃度C距離XD0057如果令：（找極值點）臨界點氧虧值和臨界點距離污水排放點的時間：Ka—河流復氧速度常數Kd—河流的BOD衰減速度常數58S-P模型的修正型：生物降解沉淀-再懸浮托馬斯模型（Thomas模型）：Thomas在S-P模型中引入沉淀作用對BOD去除的影響，其速度常數為ks,修正后的S-P模型為：主要內容一、環境系統分析概述二、數學模型概述三、環境質量基本模型四、內陸水體水質模型五、大氣質量基本模型六、環境質量評價模型七、習題練習環境系統分析概述一、系統的概念：(書)系統是由兩個或兩個以上相互獨立又相互制約、執行特定功能的元素組成的有機整體。(ppt)由若干元素組成；這些元素相互獨立又相互制約；作為一個整體具有特定功能。二、系統的基本特性即系統的特點：相關性、目的性、環境適應性、集合性、階層性、整體性三、什么是系統分析系統分析：對研究對象進行有目的、有步驟的探索，通過分解與綜合的反復協調，尋求系統目標的最佳方案。分解和綜合是系統分析的基本方法，也是系統分析的兩個主要環節。分解：研究和描述組成系統的各個要素的特征，掌握各要素的變化規律。模型化過程，研究描述環境系統主要功能的邏輯模式（定性的）和數學模式（定量的）；綜合：研究各要素之間的聯系和有機組合，達到系統的總目標最優。最優化過程，利用數學模式進行最優化分析。四、系統分析的一般步驟：（書）1明確問題；2設立目標；3收集資料；4建立模型；5制定系統評估標準；6綜合分析。（ppt）明確問題，設立目標收集資料、制定方案分析計算、評價比較檢驗核實，作出決策五、系統分析的主要原則：科學性原則、整體性原則、綜合性原則六、環境系統分析環境系統：（1）定義：廣義：指地球表面包括非生物和生物的各種環境因素及其相互關系的總和。狹義：在研究人與環境這個矛盾的統一體時，把由兩個或兩個以上環境污染及控制有關的要素組成的有機整體。(2)環境系統的分類和組成污染物的發生及遷移過程：污染物發生系統、污染物輸送系統、污染物處理系統、接受污染物的環境系統環境管理功能：環境監測系統、環境執法系統、環境規劃管理系統、環境統計與排污收費管理系統環境保護對象：保護區系統、大氣污染控制系統、水污染控制系統、城市生態環境系統環境系統分析：應用系統分析方法來解決環境保護領域的問題主要內容：環境系統可行性研究分析環境工程經濟分析環境系統收益-費用分析環境質量評價分析七、環境系統工程的工作步驟：①系統地提出問題，明確其目標和范圍；②選擇評價系統功能的指標或目標函數;③明確系統的組成因素，提出各種可選用的方案;④建立數學模式或進行數學模擬;⑤分析模式特點，確定選優方法，使系統最優化;⑥按選定的最優方案，建立環境污染控制系統。這些步驟往往需要反復進行。數學模型概述.數學模型的建立模型化的基本結構：白箱模型（機理模型）、黑箱模型（經驗模型）、灰箱模型（半機理半經驗模型）建立通用的數學模型必須滿足的基本要求:模型要有足夠的精確度;模型的型式要簡單實用;模型的依據要充分;模型中應該有可控變量。建模數學模型的一般過程:⑴有關數據收集與分析⑵模型結構選擇與確定(3)模型參數確定(4)模型檢驗與修正模型檢驗(5)靈敏度分析數學模型的建立步驟(5步)：(書)1、數據的收集與分析；2、模型結構的選擇與確定；3、模型參數估值；4、模型驗證與修正；5、模型的應用和反饋。一個模型要能真實的反應客觀實體，必須經過實踐-抽象-再實踐的多次反復。.數學模型的參數估值模型參數：由于人們對研究對象某方面的認識不夠深入，出于模型量化的需要，可用一些經驗參數來代表這些量，一個模型中至少含有一個或多個待定參數,這些參數就叫模型參數。對于具有確定估計范圍的參數，圖解法及最小二乘法等得到廣泛的應用。一元線性回歸法(最小二乘法)：適合于線性或者可以轉化為線性的模型。假設如下兩個條件成立：a.自變量沒有誤差，因變量存在誤差；b.測量的各數據點可以擬合成線性非常好的直線。因此，對于數學模型為y=mx+b的線性方程，其各點至直線的豎向偏差(因變量偏差)之平方和最小。各測量點的偏差為:di=yi-yi'=yi-(mxi+b)總的偏差為：總的偏差為：z=dl2+偏2+為2+總的偏差為：z=dl2總的偏差為：z=dl2+偏2+為2+dn2b,m取值要求使總誤差z最小，其必要條件為:由此求得最佳b和m:環境質量基本模型.污染物在環境介質中的運動：推流遷移運動擴散（稀釋）運動污染物的衰減和轉化擴散（稀釋）運動：物質濃度總從高處向低處擴散。污染物質在環境介質中的擴散作用包括分子擴散，湍流擴散和彌散三種。.基本模型的推導定義：反應污染物在環境介質中運動的基本規律的數學模型稱為環境質量基本模型。本質：反映了污染物在環境介質中運動的基本特征，即推流遷移，分散和降解。假設：污染物質點與介質很好融合，具有相同流體力學性質；可以均勻分散，不產生絮凝、沉淀和揮發。質量守恒原理：對于輸入端：物質總量:存量1+進入量（1）對于輸出端：物質總量=存量2+出去量（2）存量1+進入量=存量2+出去量存量2-存量1=進入量-出去量存量的變化量（增量）=進入量-出去量零維模型推導（完全混合）定義：研究范圍內，不產生環境質量的差異，類似一個連續流完全混合反應器。V為反應器的體積；k衰減速度常數；在At=tl-t2的時段內，濃度△c=c2-cl,質量變化：m=Vcl-Vc2=V（c2-cl）=VAc根據質量平衡原理,單位時間的物質變化量也可表示為：Vdc/dt-QcO+S+rV-Qc若s=o,污染物在反應器內的反應符合一級反應動力學降解規律，即r--kc,則Vdc/dt=QcO-kcV-Qc3.非穩定源排放