【正文】 采用兩種方法，即淡水分?jǐn)?shù)法和修正進(jìn)潮量法。2．河口的沖洗時間河口的沖洗時間是指由于上游徑流作用，從河口的某一個特定位置將污染物輸送到河口外所需時間。河流是河口中密度變化的浮力源而潮汐則是密度變化的動能源。抽吸作用是河口段污染物的運動和鹽水上溯的一個重要機理，是產(chǎn)生縱向離散的—個重要部分。流動的非恒定性導(dǎo)使水體的混合具有了明顯的時變特征。(1)沃倫威德爾模型①模型的基本形式 假定湖泊、水庫中某種營養(yǎng)物的濃度是輸入、輸出和在湖泊、水庫內(nèi)沉積的該種營養(yǎng)物質(zhì)的量的函數(shù)：y＝Ic一，CVQC式中，y為湖泊或水庫的容積，m3；C為某種營養(yǎng)物質(zhì)的濃度，8／m’；／c為某種營養(yǎng)物質(zhì)的總負(fù)荷，g／a；s為營養(yǎng)物在湖泊或水庫中的沉積速度常數(shù)，1／a；Q為湖泊或水庫出流的流量，m3／a。在大多數(shù)時間里，湖泊與水庫的水質(zhì)呈豎向分層狀態(tài)。在水深較大的湖泊和水庫中，水溫和水質(zhì)的豎向分層是常見的水質(zhì)特征。二、湖泊水庫水質(zhì)模型1．湖泊和水庫的水質(zhì)特征湖泊和水庫中的水流速很低，停留時間很長，它們屬于靜水環(huán)境，具有相對比較封閉的水生生態(tài)系統(tǒng)。④藻類的呼吸作用 藻類的呼吸消耗水中的溶解氧。氧氣由大氣進(jìn)入河水的質(zhì)量傳遞速度與河水中的氧虧成正比。生物化學(xué)反應(yīng)可用一級動力學(xué)反應(yīng)式表達(dá)。河流中存在著以下的水質(zhì)墓本問題。污染物在環(huán)境中的衰減過程墓本上符合一級動力學(xué)規(guī)律，即dc/dt=kc—一Ac式中，c為污染物濃度；‘為反應(yīng)時間；A為污染物降解速度常數(shù)。其遷移通量為：守恒物質(zhì)進(jìn)人環(huán)境后僅隨介質(zhì)運動而改變位置，因分散作用不斷向周圍擴(kuò)散而降低其初始濃度，但它在介質(zhì)中的總量不變。1．推流遷移推流遷移是指污染物在氣流或水流作用下產(chǎn)生的位置移動。計算所有網(wǎng)格結(jié)點，L的目標(biāo)函數(shù)值，選取其中最小值所對應(yīng)的參數(shù)值作為最優(yōu)參數(shù)估計值。等分，分點為O(A＝o，1，2，…，m)，其中口；O＝d／，d；”’＝b，則參數(shù)空間o＝(Jl，O，…，Jn)被劃分成ml，mz，…，m。網(wǎng)格法設(shè)有幾個待定參數(shù)，其中O(i＝1，2，…，n)的搜索區(qū)間為(a；b)。(3)基于搜索的方法根據(jù)搜索方式的不同，基于搜索的方法可分為網(wǎng)格法(枚舉法)、最優(yōu)化方法和隨機采樣方法等。2．基于試驗或經(jīng)驗的方法(1)試驗法物理意義明確的參數(shù)可通過試驗測定的方式輔助確定，比如耗氧速度常數(shù)、復(fù)氧速度常數(shù)等，測定方法參見后面章節(jié)或環(huán)境監(jiān)測相關(guān)書籍。若模型形式為y＝b+mz，則可得下式：(3)多元線忭間歸分析多元線性回歸分析與一元線性回歸分析原理相同。若直線表達(dá)為y＝b+mx則上述直線的斜率就是式中的m，y軸上的截距即為式中的6。三、模型參數(shù)估計方法模型參數(shù)估值通常有基于同歸擬合的方法、基于試驗或經(jīng)驗的方法及基于搜索的方法三類。4．模型的檢驗和修正用實測的輸人—輸出數(shù)據(jù)和已確定了參數(shù)的模型計算的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以確定模型是否滿足精度要求。它是根據(jù)系統(tǒng)的輸入、輸出數(shù)據(jù)建立各個變量之間的關(guān)系，而完全不追究其內(nèi)在機理的純經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀＝?jīng)驗系數(shù)要借助觀測數(shù)據(jù)或試驗數(shù)據(jù)確定。白箱模型即機理模型，它是以客觀事物的變化規(guī)律為基礎(chǔ)建立起來的。要保證數(shù)據(jù)的可靠什。要盡可能多地占有與研究對象有關(guān)的數(shù)據(jù)和資料，包括與研究對象直接相關(guān)的數(shù)據(jù)(如大氣環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)、污染源數(shù)據(jù)等)和間接相關(guān)的數(shù)據(jù)(如氣象數(shù)據(jù)、水文數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃數(shù)據(jù)等)?！獋€模型的建立，大體要經(jīng)歷以下步驟。數(shù)學(xué)模型可以從不同的角度進(jìn)行分類：按照變量和時間的關(guān)系，可以分為動態(tài)模型和穩(wěn)態(tài)模型；按照變量之間的關(guān)系，可以分為線性模型和非線性模型；按照變量的變化規(guī)律，可以分為確定性模型和隨機模型；按照模型的用途，可以分別模擬模型和管理模型；按照模型中參數(shù)的特征，可以分為集中參數(shù)模型和分布參數(shù)模型。4．簡述系統(tǒng)分析的基本原理和方法。應(yīng)用系統(tǒng)分析方法解決上述環(huán)境問題的顯著特點是通過模型化和最優(yōu)化來協(xié)調(diào)環(huán)境系統(tǒng)中各要素之間的關(guān)系，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會效益的統(tǒng)——。四、環(huán)境系統(tǒng)與環(huán)境系統(tǒng)分析在研究人與環(huán)境這個矛盾統(tǒng)一體時，把由兩個或兩個以上的和環(huán)境保護(hù)、污染與控制有關(guān)的要素組成的有機整體稱為環(huán)境系統(tǒng)。系統(tǒng)分析的基本過程是對系統(tǒng)的分解和綜合，通?？梢苑譃橄率隽鶄€階段：明確問題的范圍和性質(zhì)、設(shè)立目標(biāo)、收集資料、建立模型、制定評價標(biāo)準(zhǔn)和進(jìn)行綜合分析。結(jié)構(gòu)模型解析法從一堆雜亂的元素人手，通過構(gòu)建有向連接圖、相鄰矩陣、可達(dá)性矩陣以及對矩陣的區(qū)域分解和級間分解，確定各子系統(tǒng)在系統(tǒng)中的位置，建立系統(tǒng)的遞階結(jié)構(gòu)模型。結(jié)構(gòu)模型解析法是研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu)化的有效工具。任何一個系統(tǒng)都具有整體性、相關(guān)性、目的性、階層性和環(huán)境適應(yīng)性的特征。第一篇：環(huán)境系統(tǒng)分析教案第一章環(huán)境系統(tǒng)分析概論一、系統(tǒng)及其特征系統(tǒng)是由兩個或兩個以上相互獨立又相互制約的、執(zhí)行特定功能的元素組成的有機整體。系統(tǒng)的元素又稱為子系統(tǒng)，每一個系統(tǒng)又是—個比它更大的系統(tǒng)的子系統(tǒng)。二、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)化旨在研究系統(tǒng)內(nèi)部各個子系統(tǒng)之間的分布規(guī)律和分布秩序，為系統(tǒng)模型化奠定基礎(chǔ)。結(jié)構(gòu)模型解析法是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)化的常用方法。三、系統(tǒng)分析方法系統(tǒng)分析是對研究對象進(jìn)行有目的、有步驟的探索和研究過程，它運用科學(xué)的方法和工具，確定一個系統(tǒng)所應(yīng)具備的功能和相應(yīng)的環(huán)境條件，以確定實現(xiàn)系統(tǒng)目標(biāo)的最佳方案。系統(tǒng)分析的基本內(nèi)容是系統(tǒng)的模型化、最優(yōu)化和決策分析。環(huán)境系統(tǒng)分析的兩大任務(wù)是：研究環(huán)境系統(tǒng)內(nèi)部各組成部分之間的對立統(tǒng)一關(guān)系，尋求最佳的污染防治體系；研究環(huán)境質(zhì)量和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的對立統(tǒng)一關(guān)系，尋求經(jīng)濟(jì)與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的途徑。[習(xí)題及題解]1．什么是系統(tǒng)?一個系統(tǒng)應(yīng)具備哪些特征?2．系統(tǒng)的各種特征在模型化和最優(yōu)化過程中各起什么作用?3．簡述系統(tǒng)分析的研究對象與研究內(nèi)容。5．系統(tǒng)結(jié)構(gòu)化的目的和意義何在?第二章數(shù)學(xué)模型概述[內(nèi)容簡介]一、定義和分類根據(jù)對研究對象所觀察到的現(xiàn)象及實踐經(jīng)驗，歸結(jié)成一套反映數(shù)量關(guān)系的數(shù)學(xué)公式和具體算法，用來描述對象的運動規(guī)律，這套公式和算法稱為數(shù)學(xué)模型。二、模型的建立一切應(yīng)用于實際的模型，都必須滿足下述要求：要有足夠的精度；模型的形式要力求簡單實用；模型的依據(jù)要充分；模型中應(yīng)具有可控變量。1．?dāng)?shù)據(jù)的收集和分析數(shù)據(jù)收集可以通過兩個途徑：利用已有數(shù)據(jù)和現(xiàn)場監(jiān)測采樣。對所收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，通常要繪制成變量的時間過程線、空間變化曲線或各種表格以分析事物的發(fā)展變化規(guī)律。2．模型結(jié)構(gòu)的選擇模型的結(jié)構(gòu)可分為白箱、灰箱和黑箱三種?；蚁淠Ｐ陀址Q半機理模型，若僅知道各因素之間質(zhì)的關(guān)系，并不確切明了量的關(guān)系，還需用一個或多個經(jīng)驗系數(shù)來加以定量化。黑箱模型又稱輸入—輸出模型。3．參數(shù)估計一個灰箱模型中存在著至少一個待定參數(shù)，這些參數(shù)的值要根據(jù)實際觀測數(shù)據(jù)或?qū)嶒灁?shù)據(jù)加以確定。若模型計算誤差超過了預(yù)定的界限，則可通過修正參數(shù)或調(diào)整模型結(jié)構(gòu)加以改進(jìn)，并需要新估計參數(shù)和模型驗證。1．基于回歸擬合的方法(1)圖解法凡給定的公式可以直接描述成一條直線，或經(jīng)適當(dāng)處理后能轉(zhuǎn)換為直線時，可將自變量和因變量的各對應(yīng)點繪于直角坐標(biāo)系中，用直尺連成盡可能靠近各個點的直線。(2)一元線性回歸分析線性問歸分析有兩個假設(shè)：①所有自變量的值均不存在誤差，因變量的值則含有測量誤差；②與各測量點擬合最好的直線為能使各點到直線的豎向偏差(因變量偏差)的平方和最小的直線?？山ń黄痤愃埔辉€性回歸分析中的目標(biāo)函數(shù)來估計未知參數(shù)。(2)經(jīng)驗公式法利用經(jīng)驗公式計算一些使用頻率高的參數(shù)，如復(fù)氧速度常數(shù)、大氣擴(kuò)散方程中的標(biāo)準(zhǔn)偏差等經(jīng)常采用經(jīng)驗公式估計。基于搜索的方法適用于較復(fù)雜模型的參數(shù)估計以及計算機輔助F的參數(shù)自動識別(Auto Calibration)。如果把區(qū)間分成m247。個網(wǎng)格。第三章環(huán)境質(zhì)量基本模型[內(nèi)容簡介]一、污染物在環(huán)境介質(zhì)中的運動特征污染物進(jìn)人環(huán)境后的運動形式比較復(fù)雜，既有隨著介質(zhì)的推流遷移運動，也有污染物質(zhì)點的分散運動，以及污染物的衰減轉(zhuǎn)化運動。推流遷移只能改變污染物所處的位置，不能降低污染物的濃度。非守恒物質(zhì)進(jìn)入環(huán)境后，除了隨介質(zhì)流動而改變位置，并不斷擴(kuò)散而降低濃度外，還因自身的衰減而不斷降低其總量。二、環(huán)境質(zhì)量基本模型與解析解(1)模型形式第四章內(nèi)陸水域水質(zhì)模型[內(nèi)容簡介]一、基本水質(zhì)問題污水排人水域之后，從污水排放口到污染物在水域中達(dá)到均勻分布，通常要經(jīng)歷豎向混合和橫向混合兩個階段。①生物化學(xué)分解 水體中的有機物由于生物降解而消耗河流中的溶解氧。②人氣復(fù)氧 水中溶解氧的主要來源是大氣。③光合作用 水牛植物的光合作用是水體中溶解氧的另一個重要的來源。⑤底棲動物和沉淀物的耗氧 底棲動物耗氧的主要原因是由于底泥中的耗氧物質(zhì)返回到水中和底泥頂層耗氧物質(zhì)的氧化分解。富營養(yǎng)化是湖泊和水庫中最基本的水質(zhì)問題。水溫的豎向分布隨四季氣溫的變化呈規(guī)律性變化。2．完全混合模型完全混合模型又稱箱式模型，是一種從宏觀上研究湖泊、水庫中營養(yǎng)物質(zhì)平衡的輸入—產(chǎn)出關(guān)系的模型。若令帥刷系數(shù)r＝Q，則上述方程為：dC/dt=Jc②模型的解析解 給定初始條件，模型解析解為：[內(nèi)容簡介]一、河口及近岸海域水文特征1．河門水文特征(1)非穩(wěn)定性棍合潮汐和風(fēng)的作用，導(dǎo)致河口與近岸水流在半天或一天內(nèi)呈周期性變化，以及小周期的隨機性變化。(2)潮汐的抽吸和阻滯作用潮流除引起小尺度的紊動混合外還產(chǎn)生較大尺度的流動，包括剪切作用和環(huán)流，對河口中的混合產(chǎn)生抽吸和阻滯。(3)密度分層與斜壓環(huán)流作用河口中有來自河流的淡水和來自海洋的咸水，在浮力作用下發(fā)生分層流動。對分層的河口而言，密度等值線呈頂部傾向海洋而底部傾向陸地的傾斜狀，潮周平均流速在表層朝向海洋，而在底層朝向陸地，從而在水流內(nèi)部產(chǎn)生—個因密度變化引起的環(huán)流——斜壓環(huán)流。河門沖洗時間基本反映了污染物進(jìn)入河口后停留的時間。下面只介紹淡水分?jǐn)?shù)法。3．近岸海域水流特征海流有密度流、風(fēng)生流、潮流，其中起上導(dǎo)作用的是潮流。由于月球、太陽、地球三者之間相對位置的變化以及地形的影響，潮汐一般分為半日潮(一日兩次潮)、日潮(一日一次潮)和混合潮三種類型。(2)風(fēng)生流由于風(fēng)作用引起的海水水平運動稱之為風(fēng)生流。(m／s)時，可用下式估算海面風(fēng)生流流速Vs(m／s)：Vs＝kVlo式中，A為經(jīng)驗系數(shù)。二、污染物在水體中的混合稀釋污水在海洋中的物理過程可分為三個基礎(chǔ)階段：初始稀釋階段，再稀釋和遷