北師大 環(huán)境系統(tǒng)工程重點(diǎn)整理——18

1、環(huán)境系統(tǒng)工程重點(diǎn)整理（2014年1月8日）第一講1、系統(tǒng)科學(xué)思想：整體性、綜合性2、老三論、新三論 老三論：（美）馮·被他朗菲一般系統(tǒng)論1945；（美）C.E.香農(nóng)信息論1948；（美）N.維納控制論1948新三論：（比利時(shí)）I.普里高津耗散結(jié)構(gòu)理論1970；（法）湯姆突變理論1972；（德）哈肯協(xié)同學(xué)19773、系統(tǒng)工程VS系統(tǒng)分析系統(tǒng)工程包括系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)實(shí)施及其運(yùn)行管理；二者方法學(xué)上一致，研究階段不同，系統(tǒng)分析屬工程的前期研究階段.（系統(tǒng)工程研究階段：計(jì)劃準(zhǔn)備【明確目標(biāo)系統(tǒng)模型化系統(tǒng)最優(yōu)化系統(tǒng)評(píng)價(jià)】系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)施，其中【】?jī)?nèi)屬于系統(tǒng)分析。）4、系統(tǒng)相關(guān)概念系統(tǒng)定義：

2、系統(tǒng)是由相互作用和相互依賴的若干組成部分結(jié)合的具有特定功能的有機(jī)整體。三個(gè)基本特征：系統(tǒng)是由若干元素組成的；這些元素相互獨(dú)立又相互制約，相互作用又相互依賴；由于元素間的相互作用（系統(tǒng)結(jié)構(gòu)），使系統(tǒng)作為一個(gè)真題具有特定的功能。系統(tǒng)基本概念圖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：系統(tǒng)內(nèi)部各要素之間的相互作用，相互聯(lián)系的方式和秩序，及各要素之間在時(shí)間或空間商排列和組合的具體形式。系統(tǒng)的基本特性：目的性、整體性、集合性、層次性、相關(guān)性、適應(yīng)性5、系統(tǒng)分類分類：按成因：自然系統(tǒng)、人工系統(tǒng)、復(fù)合系統(tǒng)。按組成成分：實(shí)體系統(tǒng)與概念系統(tǒng)。按狀態(tài)的時(shí)間過程特征：動(dòng)態(tài)系統(tǒng)、穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)。按系統(tǒng)與環(huán)境的關(guān)系：孤立系統(tǒng)、封閉系統(tǒng)、開放系統(tǒng)。按復(fù)雜程度

3、：簡(jiǎn)單系統(tǒng)、簡(jiǎn)單巨系統(tǒng)和復(fù)雜巨系統(tǒng)。第二講1、信息論相關(guān)概念信息是能夠消除不確定的東西。信息熵：可能消息集合X的整體平均信息量稱為信息熵。設(shè)消息集合X中發(fā)出第i條消息的概率為pi（i=1,2,3，n），該消息的信息量定義為log（1/pi）。則集合X所有消息的平均信息量為可能消息集合X的整體平均信息量為pi log (pi)。2、耗散結(jié)構(gòu)理論耗散結(jié)構(gòu)：一個(gè)遠(yuǎn)離平衡態(tài)的開放系統(tǒng)，在外界條件發(fā)生變化達(dá)到某一特定閾值，變量可能引起質(zhì)變，系統(tǒng)通過不斷與外界交換能量與物質(zhì)，就可能從原來無序的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N時(shí)間、空間或功能的有序狀態(tài)，這種遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)的、穩(wěn)定的、有序結(jié)構(gòu)被稱作“耗散結(jié)構(gòu)”。耗散結(jié)構(gòu)基本觀點(diǎn)

4、：開放系統(tǒng)是產(chǎn)生耗散結(jié)構(gòu)的必要前提；非平衡態(tài)是有序之源；漲落導(dǎo)致有序。3、霍爾三維結(jié)構(gòu)霍爾三維結(jié)構(gòu)體系將系統(tǒng)工程的全部過程分為時(shí)間維，邏輯維，知識(shí)維。時(shí)間維表示從規(guī)劃到更新，按時(shí)間順序排列的系統(tǒng)工程全過程共六個(gè)階段：規(guī)劃階段、方案階段、研制階段、生產(chǎn)階段、運(yùn)行階段、更新階段。邏輯維包括七個(gè)步驟：明確問題、選擇目標(biāo)、系統(tǒng)綜合、系統(tǒng)分析、方案優(yōu)化、做出決策、付諸實(shí)施。知識(shí)維考慮為完成這些階段和步驟的工作所需的各種專業(yè)知識(shí)和管理知識(shí)。4、霍爾三維結(jié)構(gòu)VS切克蘭德調(diào)查學(xué)習(xí)模式（區(qū)別及適用條件）a.霍爾三維結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)工程方法適用于大型工程項(xiàng)目，尤其是搜索性強(qiáng)、技術(shù)復(fù)雜、投資大、周期長(zhǎng)的大型研究項(xiàng)目，可以

5、減少?zèng)Q策上的失誤和計(jì)劃實(shí)施過程中的困難。b.切特蘭德的“調(diào)查學(xué)習(xí)”模式適用于解決不良性結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，即偏重社會(huì)、機(jī)理上不清楚的生物型的軟系統(tǒng)，不是尋求最優(yōu)化，而是通過“調(diào)查”“比較”或者“學(xué)習(xí)”，從模型和現(xiàn)狀的比較中，學(xué)習(xí)改善現(xiàn)存系統(tǒng)的途徑，有很強(qiáng)的反饋調(diào)節(jié)的思想。第三講1、數(shù)學(xué)模型分類按照變量與時(shí)間的關(guān)系：動(dòng)態(tài)模型和穩(wěn)態(tài)模型按模型變量之間的關(guān)系：線性和非線性模型按變量的變化規(guī)律：確定性模型和不確定性模型（隨機(jī)模型與模糊模型）按模型的用途：模擬模型和管理模型按模型參數(shù)性質(zhì)：集中參數(shù)模型和分布參數(shù)模型2、模型建立過程：數(shù)據(jù)收集與分析，模型結(jié)構(gòu)選擇，參數(shù)估計(jì)，模型檢驗(yàn)與驗(yàn)證，模型應(yīng)用數(shù)據(jù)收集與分析：盡

6、量多占有數(shù)據(jù)、繪制變量的時(shí)間過程線、空間過程線、變量間關(guān)系曲線。模型結(jié)構(gòu)選擇： 白箱模型（機(jī)理模型、演繹模型）：根據(jù)對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的了解，以客觀事物變化遵循的物理化學(xué)定律為基礎(chǔ)，經(jīng)邏輯演繹而建立起的模型是機(jī)理模型。這種建立模型的方法教演繹法。機(jī)理模型具有唯一性與普適性。 黑箱模型（經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀w納模型）：即輸入-輸出模型。需要大量的輸入、輸出數(shù)據(jù)以獲得經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｋ鼈兛稍谌粘＠杏^察中積累，也可由專門實(shí)驗(yàn)獲得。根據(jù)對(duì)系統(tǒng)輸入輸出數(shù)據(jù)的觀測(cè)，在數(shù)理統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)上建立起經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷姆椒ㄓ纸袣w納法。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒痪哂形ㄒ恍浴?灰箱模型（半經(jīng)驗(yàn)、半理論模型）：理論公式+經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。由于人們對(duì)客觀事物的認(rèn)識(shí)不夠充分

7、，只知道各種因素之間的質(zhì)的關(guān)系，并不確切明了量的關(guān)系，還要用一個(gè)或多個(gè)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)來加以定量化。這些經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的確定則要借助一貫觀測(cè)數(shù)據(jù)或?qū)嶒?yàn)結(jié)果。參數(shù)估值：圖解法、一元線性回歸、多元線性回歸、最優(yōu)化方法模型檢驗(yàn)與驗(yàn)證：模型檢驗(yàn)數(shù)據(jù)要獨(dú)立于參數(shù)估計(jì)時(shí)所用的數(shù)據(jù)（所以至少要有兩套獨(dú)立數(shù)據(jù)）3、污染物在環(huán)境介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)特征污染物進(jìn)入環(huán)境之后，作著復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，隨著介質(zhì)的遷移運(yùn)動(dòng)，污染物的分散運(yùn)動(dòng)以及污染物質(zhì)的衰減轉(zhuǎn)化運(yùn)動(dòng)。推流遷移：推流遷移是指在氣流或水流作用下污染物產(chǎn)生的轉(zhuǎn)移作用。推流作用只改變污染物的位置而不改變污染物的濃度。分散作用：包括分子擴(kuò)散、湍流擴(kuò)散和彌散。分子擴(kuò)散是分子隨機(jī)運(yùn)動(dòng)引起的質(zhì)點(diǎn)分散

8、運(yùn)動(dòng)。湍流擴(kuò)散是湍流流場(chǎng)中質(zhì)點(diǎn)的各種狀態(tài)（流速、壓力、濃度等）的瞬時(shí)值相對(duì)于其時(shí)間平均值的隨機(jī)脈動(dòng)而導(dǎo)致的分散現(xiàn)象。湍流擴(kuò)散項(xiàng)可以看成是對(duì)取狀態(tài)的時(shí)間平均值后所形成的誤差的一種補(bǔ)償。彌散作用是由于橫斷面上實(shí)際的流速分布不均勻引起的，在用斷面平均流速描述實(shí)際運(yùn)動(dòng)時(shí)，就必須考慮一個(gè)附加的，由流速不均勻引起的作用：彌散。污染物的反應(yīng)與衰減作用推流、分散、衰減作用示意圖4、污染物到達(dá)岸邊距離（公式會(huì)給）主要掌握中心排放和邊界排放的關(guān)系：邊界是中心的2倍（一側(cè)有邊界）。若兩側(cè)均有邊界，即給定河寬，則邊界是中心的4倍。5、湖泊與水庫(kù)的水環(huán)境質(zhì)量特征湖庫(kù)（水溫與水質(zhì)）分層與翻池現(xiàn)象隨著一年四季的氣溫變化，湖

9、泊水溫的鉛直分布也呈有規(guī)律的變化。夏季的氣溫高，湖泊表層的水溫也高。由于湖泊水流緩慢處于靜水環(huán)境，表層的熱量只能由擴(kuò)散向下傳遞，因而形成了表層水溫高，深層水溫低的鉛直分布。整個(gè)湖泊處于穩(wěn)定狀態(tài)。到了秋末冬初，由于氣溫的急劇下降，使湖泊表層水溫亦急劇下降，水的密度增大，當(dāng)表層水密度比底層水密度大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)表層水下沉，導(dǎo)致上下層水的對(duì)流。湖泊的這種現(xiàn)象稱為“翻池”。翻池的結(jié)果使水溫與水質(zhì)在水深方向上分布均勻。翻池現(xiàn)象在春未夏初也可能發(fā)生。6、自然湖泊的演化規(guī)律自然界湖泊也存在富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象，由貧營(yíng)養(yǎng)湖泊富營(yíng)養(yǎng)湖泊沼澤干地，但速率很慢。人為污染所致的富營(yíng)養(yǎng)化，速率很快；致使湖泊的發(fā)生、發(fā)展與消亡周期大

10、大縮短。7、藻類生長(zhǎng)的富營(yíng)限制模型（計(jì)算題）8、S-P模型氧垂曲線（推導(dǎo)）9、逆溫：通常氣溫隨高度增加而降低，在特定條件下也會(huì)發(fā)生逆溫現(xiàn)象。逆溫為什么會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重空氣污染？a.逆溫像一個(gè)蓋子一樣阻礙者氣流的垂直運(yùn)動(dòng)，所以也叫阻擋層。由于污染空氣很難穿過此層而積聚在它的下面，所以逆溫會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境空氣污染。b. 環(huán)境空氣污染事件大多都發(fā)生在有逆溫又靜風(fēng)的條件下。因此，在研究環(huán)境空氣污染時(shí)，對(duì)逆溫必須給予足夠的重視。逆溫的形成條件？在晴空無云(或少云)的夜晚，當(dāng)風(fēng)速較?。ㄐ∮?ms）時(shí)，地面因強(qiáng)烈的有效輻射而很快冷卻，近地面的氣溫也隨之下降。越接近地面的空氣受地面冷卻的影響越大，降溫越大，而遠(yuǎn)離地

11、面的空氣降溫較小，因而形成了自地面開始向上的逆溫層。10、空氣污染源分類：按排放的幾何形態(tài)：點(diǎn)源（有組織排放）、面源（無組織排放）、線源點(diǎn)源：高架點(diǎn)源（100m以上，可以影響全控制區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量）；中架點(diǎn)源（100m以下及30m以上）中架點(diǎn)源與低架點(diǎn)源主要影響臨近區(qū)域所在功能區(qū)的環(huán)境空氣質(zhì)量。按排放時(shí)間：瞬時(shí)點(diǎn)源、連續(xù)點(diǎn)源與間斷源按存在形態(tài)：固定源與移動(dòng)源按污染物來源：工業(yè)、生活、交通等11、高價(jià)連續(xù)點(diǎn)源模型最大落地濃度（推導(dǎo)）第四講1、決策分類根據(jù)人們對(duì)自然狀態(tài)規(guī)律的認(rèn)識(shí)和掌握程度，決策問題通?？煞譃榇_定型決策、風(fēng)險(xiǎn)型決策（統(tǒng)計(jì)決策）以及非確定型（完全不確定型）決策。確定型決策如果決策者能完

12、全確切地知道將發(fā)生怎樣的自然狀態(tài)，那么就可在既定的自然狀態(tài)下選擇最佳行動(dòng)方案，這就是確定型決策問題，如資源的分配優(yōu)化、配置等。主要特征包括：只有一個(gè)環(huán)境狀態(tài)；有環(huán)境決策者希望達(dá)到的一個(gè)明確的目標(biāo)；存在著可供環(huán)境決策者選擇的兩個(gè)或兩個(gè)以上的方案；不同決策方案在該狀態(tài)下的收益值是清楚的。確定型環(huán)境決策分析技術(shù)包括用微分法求極大值和數(shù)學(xué)規(guī)劃方法等。非確定型決策如果決策者不但不能確定未來將出現(xiàn)哪一種自然狀態(tài)，甚至對(duì)于各種自然狀態(tài)出現(xiàn)的概率也一無所知，也沒有任何統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可循，全憑決策者的經(jīng)驗(yàn)、態(tài)度和打算，這類決策問題就是非確定型決策問題，也稱無概率資料風(fēng)險(xiǎn)型環(huán)境決策。風(fēng)險(xiǎn)型決策如果未來可能環(huán)境狀態(tài)不只一

13、種，究竟出現(xiàn)哪種狀態(tài)，不能事先肯定，只知道各種狀態(tài)出現(xiàn)的可能性大小（如概率、頻率、比例或權(quán)等），則稱為風(fēng)險(xiǎn)型環(huán)境決策問題。2、風(fēng)險(xiǎn)型環(huán)境決策分析風(fēng)險(xiǎn)型決策是指決策者在作決策時(shí)對(duì)客觀情況不甚了解，但可能通過調(diào)查，根據(jù)過去的統(tǒng)計(jì)資料，憑借經(jīng)驗(yàn)或主觀估計(jì)獲得各種自然狀態(tài)發(fā)生的概率。對(duì)風(fēng)險(xiǎn)型決策，一般采用期望值作為決策準(zhǔn)則最大期望收益和最小機(jī)會(huì)損失準(zhǔn)則，決策時(shí)常采用決策樹法。期望值準(zhǔn)則：如果將每個(gè)行動(dòng)方案看成是離散型隨機(jī)變量，隨機(jī)變量的取值是每個(gè)行動(dòng)方案在不同自然狀態(tài)下的益損值，其概率等于自然狀態(tài)的概率，則每個(gè)方案的期望值都可以計(jì)算出來式中：Ei第i個(gè)方案的益損期望值；xij第i個(gè)方案在自然狀態(tài)Sj下

14、的益損值；Pj自然狀態(tài)Sj出現(xiàn)的概率。期望值準(zhǔn)則是指計(jì)算出每個(gè)方案的收益或損失的期望值，并且以該期望值為標(biāo)準(zhǔn)，選擇收益最大或損失最小的行動(dòng)方案為最優(yōu)方案。風(fēng)險(xiǎn)型決策可采用決策樹的方法3、決策樹4、環(huán)境決策支持系統(tǒng)（EDSS）組成結(jié)構(gòu)三庫(kù)結(jié)構(gòu)：環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)、方法庫(kù)、模型庫(kù)四庫(kù)五部件：環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)、方法庫(kù)、模型庫(kù)、環(huán)境知識(shí)庫(kù)、推理機(jī)第五講1、水污染控制規(guī)劃的目標(biāo)協(xié)調(diào)水污染控制系統(tǒng)內(nèi)部各組成部分之間的關(guān)系，以最低的水污染控制費(fèi)用滿足水環(huán)境功能目標(biāo)。2、水污染控制系統(tǒng)的組成：污染源系統(tǒng)、污水收集與輸送系統(tǒng)、污水處理系統(tǒng)、接受水體。3、排水系統(tǒng)：直排式合流制、截留式合流制、完全分流制、半分制4、水污染控制規(guī)

15、劃的分類：按規(guī)劃層次：流域規(guī)劃、區(qū)域規(guī)劃、設(shè)施規(guī)劃按規(guī)劃方法：兩類：優(yōu)化方法（排放口處理最優(yōu)規(guī)劃；均勻處理最優(yōu)規(guī)劃；區(qū)域處理最優(yōu)規(guī)劃）；情景優(yōu)選排放口處理最優(yōu)規(guī)劃，也稱水質(zhì)規(guī)劃：a.以每個(gè)小區(qū)的排放口為基礎(chǔ)，在水體水質(zhì)條件的約束下，求解各排放口的污水處理效率的最佳組合，目標(biāo)是各排放口的污水處理費(fèi)用之和最低。b.在進(jìn)行排放口處理最優(yōu)規(guī)劃時(shí)，各個(gè)污水處理廠的處理規(guī)模不變，它等于各小區(qū)收集的污水量；只是處理效率的優(yōu)化組合。均勻處理最優(yōu)規(guī)劃（最佳實(shí)用技術(shù)）：在區(qū)域范圍內(nèi)尋求最佳的污水處理廠位置與規(guī)模的組合在同一的污水處理效率條件下，追求全區(qū)域的污水處理費(fèi)用最低。均勻處理最優(yōu)規(guī)劃也稱污水處理廠群規(guī)劃問題

16、。在某些國(guó)家或地區(qū)規(guī)定所有排入水體的污水都必須經(jīng)過二級(jí)處理（即機(jī)械處理生物處理），盡管有的水體具有充裕的自凈能力，也不允許降低污水處理程度。這就是污水均勻處理最優(yōu)規(guī)劃的基礎(chǔ)。區(qū)域處理最優(yōu)規(guī)劃是排放口處理最優(yōu)規(guī)劃與均勻處理最優(yōu)規(guī)劃的綜合。a.在區(qū)域處理最優(yōu)規(guī)劃中，既要尋求最佳的污水處理廠位置與容量，又要尋求最佳的污水處理效率的組合。b.采用區(qū)域處理最優(yōu)規(guī)劃方法既能充分發(fā)揮污水處理系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效能，又能合理利用水體的自凈能力。c.區(qū)域處理最優(yōu)規(guī)劃問題比較復(fù)雜，迄今尚未有成熟的求解方法。最優(yōu)規(guī)劃局限性：過于理想化，往往有很多制約因素，而且得到的結(jié)果的可操作性往往不佳。根據(jù)污染源、水體、污水處理廠和輸水

17、管線提供的信息，一次性求得水環(huán)境規(guī)劃的最佳方案。只有在資料詳盡、技術(shù)具備的情況下，才能順利求出最優(yōu)解，最優(yōu)方案可以被視為理想方案。情景優(yōu)選與最優(yōu)規(guī)劃不同，情景規(guī)劃的工序是首先構(gòu)建水環(huán)境規(guī)劃的各種可能情景，然后對(duì)各個(gè)情景進(jìn)行水質(zhì)模擬，以檢驗(yàn)情景的可行性，并對(duì)情景的效益進(jìn)行分析。通過損益分析或多目標(biāo)決策進(jìn)行情景選優(yōu)。情景規(guī)劃是水環(huán)境規(guī)劃的實(shí)用方法。5、水污染控制規(guī)劃的依據(jù)水污染控制系統(tǒng)的費(fèi)用的決定因素包括：水體自凈能力、污水處理的規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)、污水處理效率的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。水體的自凈能力a.水體能夠同化污染物質(zhì)，保證水質(zhì)滿足某種既定功能要求的能力稱為水體的自凈能力。b.水體自凈能力可以被看作是一種特殊的

18、自然資源，合理利用這一資源，可以降低污水處理的費(fèi)用，但水體自凈能力又是一種有限的資源，不能濫用。c.在決定水體自凈能力的諸因素中，水體自身的特性是不可控制的。制定合理的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，合理布置污水排放口的位置是合理利用水體自凈能力的保證。污水處理與輸送規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)a.污水處理的費(fèi)用函數(shù)反應(yīng)了污水處理的規(guī)模、效率的經(jīng)濟(jì)特征。b.污水處理的費(fèi)用函數(shù)只是作為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠硖幚?。下面是采用較多的一種形式：（其中K2小于1，處理單位污水的費(fèi)用將隨著處理規(guī)模的增大而下降，費(fèi)用與規(guī)模的這種關(guān)系稱為污水處理規(guī)模的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，K2 稱為污水處理規(guī)模的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)指數(shù)。）c.污水輸送系統(tǒng)也存在類似的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，隨著輸水量的增加，輸送單位污水的費(fèi)用下降。污水處理效率經(jīng)濟(jì)效益a.如果污水處理規(guī)模不變，即Q為常數(shù)，污水處理費(fèi)用函數(shù)可以寫成：（K4大于1，處理單位污染物的費(fèi)用將隨著污水處理效率的增加而增加。污水處理費(fèi)用與處理效率之間的這種關(guān)系稱為污水處理效率的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，K4稱作污水處理效率的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)指數(shù)。）