2022年环境系统分析原理环境系统-系统分析.docx

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1、2022年环境系统分析原理环境系统-系统分析 环 境 系 统 分 析 原 理 ENVIR ONM ENTAL SYSTE M S ANALYSIS TH E ORY 赵全升 李 悦 编著 谢新民 魏永富 杨天行 北 京 内 容 提 要 本书 比较 全面地 阐述 了有关 环境 系统分 析 的基 本理 论和常 用方 法 。论 述 了在人类 活动影 响下 污 染物 在 环 境系统 中的迁移转 化规 律 。以环境 系统数 学模型 、环 境系统 规划 及预料 等原 理及方 法为重 点 内容 。本 书 既有理论 和方 法方面 的论 述, 又 有应 用实例 及算例 。 本书 内容 丰富、层次 分 明、结构

2、合理、简 明实 用 。可作为 高等 院校环 境科 学与工 程 、水 文 水资源 、水 利 水 电工 程等 专业及 其他 相关专 业本 科生、探讨生 的教 材或教 学参 考书, 也可 供有关 科技人 员参 考 。 图书在版编 目 ( CI P ) 数据 环境系统分析原理/ 赵全升等编著 . 北京: 地质出版 社, 2 00 5. 1 ISBN 7 - 116 - 042 10 - 5 . 环 . . . . 赵 . . . . 环境系统 - 系统分析 . X2 1 中国版本图书馆 CIP 数据核字 ( 2004) 第 0932 08 号 HUANJING XITONG FENXI YUANLI

3、责任编 辑: 蔡 卫东 责任校 对: 郭 慧兰 出版发 行: 地 质 出版社 社 址 邮编: 北 京海 淀区学 院路 31 号 , 101 0 83 电 话: ( 010 ) 82 32 45 0 8 ( 邮购部 ) 网 址: h ttp : / / www. gph . com . cn 电子 邮箱: zbs gph . com . cn 传 真: ( 010 ) 82 3107 5 9 印 刷: 北 京印刷学院实习工厂 开 本: 787mm 10 92 mm 1 / 16 印 张: 15 . 3 7 5 字 数: 40 0 千字 印 数: 1 10 00 册 印 次: 20 05 年 1

4、月北 京第一 版 第一次 印刷 定 价: 45 . 0 0 元 I SBN 7 - 1 16 - 042 10 - 5 / X 22 ( 凡购买地质出版社的图书, 如有缺页、倒页、脱页者, 本社出版处负责调换) 序 环境与发展是 当今世界各 国普遍关注的重大问题, 尤其是 自11012 年在 巴西里 约 热内卢召开 了 “联合 国环境与发展 大会 ” 以来, 各 国掀起 了研 究 “可持续发展 ”的 热潮, 人类对环境与发展的关系有了更新的和更深的相识 。面对全球性环境污染和生 态破坏对人类生存和发展构成的现实威逼, 爱护生态环境, 实现可持续发展, 已成为 全世界紧迫和艰 巨的任务。 长期

5、以来, 近代科学对客观世界进行 “分割”的研 究, 在取得 巨大成就的 同时, 也造成人们对客观世界相识的局限性和片面性, 以致在实践 中出现很多问题 。在环境 科学的初期发展阶段, 以对人类与环境 系统割裂地、片面性地相识来利用和改造统一 的整体性的 “人类与环境” 系统, 是产生环境 问题不 当相识的根源。随着环境科学研 究的深化发展, 对环境 问题的相识也在渐渐深化 。大量环境爱护工作的实践又使人们 相识到, 要有效地解决环境 问题, 必需统筹兼顾, 深思熟虑地处理好人类与环境 系统 的关系, 使环境科学向更 高层次发展。 人类与环境 系统的关系非常困难, 它是一个 以人类为中心的生态系

6、统。环境科学 在初期发展阶段所形成的分化形态与其研 究对象的整体性, 越来越不相适应, 这就促 进 了环境科学向整体化方向发展, 其特点是强调研 究对象的整体性。把人类与环境 系 统看作是具有特定结构和功能的有机整体, 运用系统分析和 系统组合的方法, 对人类 与环境系统进行全面的研 究, 是环境科学研 究的必定发展方向。环境 系统分析的理论 和方法是将环境科学由初期发展阶段推动到整体化发展阶段的重要理论基础 。环境 系 统分析将 区域环境 系统看成是一个 大系统。它由一 系列的多级子 系统构成, 各子 系统 有其本身特有的功能。它们之 间相互协调形成区域环境 系统的总体结构与功能。区域 环境

7、污染系统分析是对 “污染源环境 人群 ( 生物) ”的整个过程进行 系统分析, 即对污染物 自污染源排 出后, 进入环境的途径、行为及其最终的归宿进行全面系统分 析研 究。对影响和制约这个系统的社会经济和 自然环境 因素进行科学的描述, 建立污 染物在环境 系统中的输入、输出模型, 以及在各环境要素间的传递模型, 实现 区域环 境污染系统分析 的定量化和模型化 。通过环境 系统分析, 规划设计 出高效的 “人类- 环境 ” 系统, 并随时把它调控到最优化的运行状态。 该书作者在长期的科学探讨和工作实践的基础上, 对 国内外先进的、可用于环境 系统分析的理论与方法进行 了比较 系统的研 究和介绍

8、, 对各种方法的运用条件、优缺 点等进行 了比较全面的分析, 并配 以较多的例题加 以应用。该书从理论、方法到实际 操作的阐述非常清晰, 为读者娴熟驾驭和融会贯穿地运用环境 系统分析的理论与方法 解决实际问题供应 了便利条件。希望广阔读者通过大量的实践工作, 不断进行检验和 进一步改进、完善环境 系统分析的理论与方法, 推动我国环境科学事业的蓬勃发展 。 为了人类社会的长久 生存和发展, 人们 必需建立新的资源观、价值观和道德观, 树立科学的发展观 。以人类社会与 自然环境的和谐发展为 目标, 以经济与社会 、环境 之 间协调为发展途径, 不断充溢环境科学研 究内容的理论与实践, 将为实现人类

9、新的 文明时代人类社会、经济与环境协调可持续发展的时代作 出应有的贡献。 中国科学院院士 前 言 当代科学发展的显著特点是加强跨学科的横 向联系和多学科的相互渗透和交叉, 因而 产生很多综合性很强的跨学科性的新学科和 向相邻学科渐渐过渡的边际性学科 。环境系统 分析这一学科的诞生和发展正体现了这一特点。 人类与环境系统的关系非常困难。这是一个 以人类为中心的生态系统。环境科学在发 展阶段 已初步形成的分化形态和它所探讨对象的整体性, 越来越不相适应 。把人类与环境 系统看作是具有特定结构和功能的有机整体, 运用系统分析和系统组合的方法, 对人类与 环境系统进行全面地探讨, 是环境科学探讨的必定

10、发展方 向。环境系统分析将区域环境系 统看成是一个大系统。它是 由一系列的多级子系统构成, 各子系统有它本身特有的功能。 它们之间相互协调形成 区域环境系统 的总体 结构与功能。区域环境污染系统分析是对 “污染源环境人群 ( 生物) ” 的整个过程进行系统分析, 即对污染物 自污染源排 出后, 进入环境的途径、行为及其最终的归宿进行全面系统分析探讨。对影响和制约这个系统的 社会经济和 自然环境因素进行科学的描述, 建立污染物在环境系统中的输入、输出模 型, 以及在各环境要素间的传递模型, 实现区域环境污染系统分析的定量化和模型化。对所建 优化模型, 选择适当的计算方法求解, 使环境 目标函数在

11、规定的要求下达到最优 。 全书共 5 章。第一章, 环境系统分析概述, 主要介绍系统、系统分析及环境系统分析 等基本概念 。其次章, 地表水水环境数学模型, 主要论述水环境水体污染物迁移转化规律 和模拟预料方法。该部分主要包括水质迁移转化基本方程及其解、水温模型、河流水质数 学模型、水库湖泊富养分化的模拟预料、重金属迁移转化模拟预料及水质模型参数估算方 法等 内容。第三章, 地下水水环境数学模 型, 主要论述了地下水污染 的数学模型及其解 法, 包括多孔介质中物质输运现象的基本理论、流体动力弥散方程的各种解析解法及数值 方法等。第四章, 环境系统规划, 包括线性规划、 目标规划、动态规划、非线

12、性规划、多 目标规划及层次分析法等。第五章, 环境系统预料, 包括 回来分析法、数理统计法、模糊 数学法、灰色系统法、人工神经网络模型及遗传算法等。 本书的第一、二、四章由赵全升、李悦、魏永富编写; 第三章由杨天行、赵全升、魏 永富编写; 第五章由谢新民、李悦、魏永富编写; 本书地表水水环境数学模型的部分 内容 主要参考了 W. 金士博 德 、雒文生、宋星原、叶守泽、夏军、郭生练、陈小红等老师 有关著作的内容; 非线性规划的部分 内容主要参考 了刘肇 、郭元裕、袁宏源、邵东 国、 郭宗楼、杨悦所、李寿声等老师有关著作的内容。全书最终 由赵全升和李悦负责统稿 。 本书的成果得益于 “九五”国家重

13、 点科技攻关项 目 ( 96 - 912 - 06) 、 国家重点基础 探讨发展规划 ( 1013) 项 目、山东省优秀中青年科学家科研嘉奖基金项 目及青岛高校学术 著作出版基金的资助 。另外, 在本书编写过程 中, 参阅了大量的国内外资料、著作, 汲取 了同行们的辛勤劳动成果, 并得到有关专家、同行的热忱帮助, 在此 向他们谨表谢忱 。 探讨生纪书华、刘栋、张佃路、战昭君、吴美玲、聂丽曼、李静等为本书做了图件制 作和校核工作, 张小园打印了全部手稿, 在此 向他们表示诚心的感谢 。地质出版社蔡卫东 先生对本书的书稿进行了非常仔细的批阅和加工, 使本书质量有明显的提高, 在此表示深 切的谢意。

14、 由于环境系统分析涉及 内容广泛, 发展快速, 加之作者理论水平有 限和实践阅历不 足, 书中谬误之处在所难免, 敬请读者指责指正。 编 者 2 004 年 6 月 目 录 序 前 言 第一章 环境系统分析概述 ( 1 ) 第一节 系统与环境系统 ( 1 ) 一、系统 ( 1 ) 二、环境系统 ( 3 ) 其次节 系统工程与环境系统工程 ( 3 ) 一、系统工程 ( 3 ) 二、环境系统工程 ( 4 ) 第三节 系统分析与环境系统分析 ( 6 ) 一、系统分析的基本概念 ( 6 ) 二、环境系统分析 ( 6 ) 三、系统分析的主要内容 ( 7 ) 四、系统分析的基础理论 ( 7 ) 五、系统分

15、析的工作步骤 ( 8 ) 其次章 地表水水环境数学模型 ( 9 ) 第一节 水质迁移转化基本方程及其解 ( 9 ) 一、一维水质迁移转化基本方程 ( 9 ) 二、二维水质迁移转化基本方程 ( 13) 三、三维水质迁移转化基本方程 ( 13) 四、水质迁移转化基本方程 的解析解 ( 15) 五、水质迁移转化基本方程 的数值解 ( 23) 其次节 水体的温度模型 ( 27) 一、水体与大气之间的热交换 ( 27) 二、河流水温模型 ( 28) 三、湖泊、水库的水温模型 ( 32) 第三节 河流水质数学模型 ( 37) 一、河流一维 BOD-DO 模型 ( 37) 二、QUAL- 河流水质综合模型

16、( 43) 三、河 口一维 BOD-DO 模型 ( 45) 第四节 水质模型单一参数的估值方法 ( 50) 一、弥散系数 D 的估值 ( 51) 二、河流水力学参数估值 ( 55) 三、耗氧系数 K1 的估值 ( 56) 四、硝化系数 K 的估值 ( 59) N 五、复氧系数 K2 的估值 ( 59) 第五节 水质模型多参数同时估值法 ( 62) 一、概述 ( 62) 二、斯特里特-费尔普斯 ( Str eeter-Ph elps) 模型的参数估值 ( 63) 三、托马斯 ( Thomas) 模型的参数估值 ( 65) 四、奥康纳 ( O connor) 模型的参数估值 ( 66) 五、多宾斯

17、 ( Dobbins) 模型的参数估值 ( 67) 六、水质模型参数估值方法评价 ( 74) 第六节 水体重金属迁移转化模拟预料 ( 74) 一、重金属元素在水环境 中的污染特征 ( 75) 二、重金属迁移转化的基本方程 ( 76) 三、一维重金属迁移转化模型 ( 81) 四、完全混合型水库湖泊重金属预料模型及其分析解 ( 85) 第七节 非点源污染水质模型 ( 87) 一、非点源污染的概念及特征 ( 87) 二、非点源污染发生的机理 ( 89) 三、非点源污染数学模型 ( 91) 四、降雨径流污染负荷预料的阅历公式法 ( 92) 第八节 水库湖泊富养分化的数学模型及模拟预料 ( 95) 一、

18、磷元素在水体 中迁移转化的数学模型 ( 95) 二、混合型水库湖泊总磷数学模型及其分析解 ( 101) 三、浮游植物质量平衡模型及其分析解 ( 101) 四、总磷浓度与富养分化状态的统计相关模型 ( 103) 五、罗伦珍模型 ( 104) 六、氮迁移转化的数学模型 ( 104) 第三章 地下水水环境数学模型 ( 106) 第一节 地下水运动的基本方程及数学模型 ( 106) 一、地下水渗流的连续性方程 ( 106) 二、承压水三维流的偏微分方程 ( 107) 三、潜水含水层地下水流的偏微分方程 ( 109) 四、饱和和非饱和流的微分方程 ( 111) 五、孔隙-裂隙流微分方程 ( 112) 六

19、、定解条件 ( 113) 七、定解 问题的提法 ( 114) 其次节 多孔介质溶质运移数学模型 ( 115) 一、多孔介质溶质运移机制 ( 115) 二、溶液 中一种组分的质量守恒与对流-扩散方程 ( 118) 三、多孔介质溶质运移微分方程 ( 12 1) 第三节 解溶质运移模型的数值方法 ( 126) 一、概述 ( 126) 二、解流体动力弥散方程 的有限元法 ( 128) 三、参数确定方法 ( 133) 第四章 环境系统规划 ( 136) 第一节 线性规划 ( 136) 一、线性规划 问题及其数学模型 ( 136) 二、线性规划模型的解法 ( 140) 三、灵敏性论证 ( 148) 其次节

20、 目标规划 ( 150) 一、 目标规划 的概念 ( 150) 二、评价函数 ( 151) 三、 目标规划模型 ( 151) 四、 目标规划模型的求解方法 ( 154) 第三节 动态规划 ( 158) 一、动态规划 的基本概念 ( 159) 二、动态规划 的基本原理 ( 159) 第四节 非线性规划 ( 162) 一、非线性规划数学模型 ( 162) 二、基本数学概念 ( 162) 三、无约束条件 的非线性规划 ( 165) 四、有约束条件 的非线性规划 ( 176) 第五节 多 目标规划 ( 189) 一、概述 ( 189) 二、约束法 ( 190) 三、线性加权法 ( 190) 四、改进

21、的线性加权法 ( 191) 第六节 层次分析法 ( 191) 一、概述 ( 191) 二、层次分析法的分析步骤 ( 192) 第五章 环境系统预料 ( 1101) 第一节 回来分析法 ( 1101) 一、概述 ( 1101) 二、一元线性 回来分析法 ( 1101) 三、多元线性 回来分析法 ( 201) 四、逐步 回来分析法 ( 203) 其次节 数理统计法 ( 203) 一、 自回来模型 AR ( p) ( 204) 二、滑动平均模型 MA ( q) ( 208) 三、 自相关-滑动平均模型 ARMA ( p, q) ( 2 11) 四、随机模型的应用分析 ( 2 12) 第三节 模糊数学法 ( 2 15) 一、模糊模式识别法 ( 2 15) 二、模糊聚类分析法 ( 2 16) 三、模糊综合评判法 ( 220) 第四节 灰色系统法 ( 222) 第五节 人工神经网络模型 ( 224) 一、基本概念 ( 224) 二、BP 神经网络 ( 224) 三、神经网络 BP 算法 ( 225) 第六节 遗传算法 ( 228) 一、基本概念 ( 228) 二、简洁遗传算法 ( SGA) ( 229) 三、Schemata 定理 ( 231) 四、选择方法 ( 231) 五、交配和突变