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书名：环境系统分析
定价：48.0
ISBN：9787030523624
作者：丁涛
版次：1
出版时间：2017-03
在线试读：
第1章 环境系统分析导论
本章主要介绍环境系统优化和数学建模与分析的基本概念及相关知识，并通过案例来阐明本门课程的主要讲授内容，使读者能在学习之初对本门课程有个整体的、直观的认识。
1.1 系统的概念、特征和分类
以人体为例，构成人体的呼吸、消化、循环、排泄、神经等各组成部分，它们通过特定的相互依存、相互制约的关系而有机地结合在一起，成为人体这一具有特定功能的集合体，才使人成为一种具有特殊高级功能和高度智慧的高等动物。如果某一器官出现了问题，就会影响其他部位器官的正常运行，因此人体本身就是由不同元素或子系统组成的一个复杂系统。
1)系统概念
系统是由一组相互依存、相互作用和相互转化的元素(或客观事物)所构成的具有特定功能的有机整体。
2)系统特征
不同的元素组合成一个系统，这个系统具有不同于组成它的每个元素的特征，主要表现为以下几方面。
集合性：系统是由各要素所构成的具有特定功能的集合体(根据逻辑统一性要求来构成)。各要素不完善也可能构成良好功能的系统，要素良好也可能作为整体却不具有某种良好的功能。如果以X 表示系统，以xi表示子系统或系统元素，它们之间的关系可以表示为。
相关性：组成系统的各部分要素之间及系统与环境之间相互联系、相互制约和相互作用，就是系统的相关性。仅有一些多种多样的要素，而它们之间没有任何联系，就不能称为系统。
目的性：系统特别是人造系统都具有目的性。复杂系统往往是一个多目的系统。而系统目的又可以分解为多层次的目标，从而构成一个目标体系。实现全部的系统目标，就等于实现了系统目的。
整体性：系统是由两个或两个以上可以相互区别的要素，按照作为系统应具有的综合整体性而构成的。系统整体性表明，具有独立功能的系统要素及要素间的相互关系是根据逻辑统一性的要求，协调存在于整体之中的。不能离开整体去研究任何一个要素，要素间的联系和作用也不能脱离整体协调去考虑。
环境适应性：指系统对环境变化的适应程度。系统存在于环境之中，是特定环境的产物。同时，系统又是环境的组成部分，环境是一个更复杂、更高级的大系统。系统与环境既相互关联、相互依存，又相互独立。系统不断地与环境进行物质、能量和信息的交换，使其与外部环境相适应。环境发生变化传送到系统内部，必然引起系统要素的波动，导致系统内部有序结构的变化和调整。反之，系统要素功能和结构的变化返传到系统外部，也会引起环境要素的波动。在交换、运动和调整中，系统保持与外部环境的适应性。
3)系统的分类
(1)按系统组成部分的属性划分：可划分为自然系统、人造系统、复合系统。自然系统：由各种自然物质构成，如由水、矿物、植物、动物等自然物质构成的海洋系统、生态系统、矿藏系统等，其特点是自然形成的。人造系统：人类为了达到某一需求目的而建立起来的系统，如给水系统、排水系统和污水处理系统等。复合系统：人们借助于认识和利用自然规律为人类服务而建造的系统，如气象预报系统等。
(2)按系统形态划分：可划分为实体系统和概念系统。实体系统：组成元素是物质实体，如由格栅、沉砂池、初沉池、曝气池、二沉池等组成的城市污水处理系统。概念系统：由概念、原理、原则、法则、制度等非物质所组成的系统，如法律系统、教育系统。
(3)按系统所处的状态划分：可划分为静态系统、动态系统。静态系统：系统的状态不随时间而变化，即处于稳态的系统。动态系统：系统的状态随着时间变化而变化，即系统的状态变量是时间的函数。
(4)按系统与环境的关系划分：可划分为闭环境系统、开环境系统。闭环境系统：指系统内部与外界环境没有交换的系统。开环境系统：指系统与外界发生能量、物质、信息等交流时的系统。实际生产和生活中，一个系统不能与外界环境绝对封闭，所以闭环境系统是基于研究问题需要而忽略外界环境影响的一种近似。
(5)按系统内变量之间的关系划分：可划分为线性系统、非线性系统。线性系统：系统内变量之间呈线性关系。非线性系统：系统内变量之间呈非线性关系。
(6)按系统规模划分：可划分小型系统、中型系统、大型系统。
1.2 环境系统
1)环境系统的概念
广义环境系统：是指地球表面包括非生物和生物的各种环境因素及其相互关系的总和。环境系统提出的目的是把人类环境作为统一体看待。避免人为地把环境分割为互不相关的支离破碎的各个组成部分。环境系统的内在本质在于各种环境因素之间的相互关系和相互作用过程。
狭义环境系统：指在研究人与环境这对矛盾统一体时，由两个或两个以上与环境污染及控制有关的要素组成的有机体。
2)环境系统的分类
表1.1 给出了几种常见的环境系统分类方法及相应的系统名称。
表1.1 环境系统的分类
从经济发展与环境保护之间的关系来看，可将一个城市或一个区域分解成三个系统：污染发生系统、处理系统、生态环境系统。其中，污染发生系统主要包括工业、生活和交通系统等。各系统均对应着三个量及其时空分布：污染物发生量、去除量和环境容量。相应地存在三类措施来协调经济发展与环境保护的关系，即降低发生量、提高环境容量、合理组建处理系统(保证必要的去除量)。协调和优化经济建设及环境建设的关系是环境规划的基本思路，而这一过程的实现依赖于环境系统建模与优化分析方法，以实现环境系统的定量化分析与整体优化分析。
3)环境系统分析
环境系统分析是以环境质量的变化规律、污染物对人体和生态的影响、环境自净能力、环境工程技术原理及环境经济学等为依据，综合运用系统工程学、数学和电子计算机等技术方法，研究建立一个合理的环境污染预防控制系统的数学模型，分析污染控制过程中的可调因素(或各种可替换方案)对环境目标或费用、能耗等的影响，寻求*优决策方案。
【案例1-1】排污口允许*大排污量
已知某河流长70km，平均流量Q=20m3/s，流速ux=0.10m/s，水体中BOD5浓度为3mg/L，溶解氧DO浓度为6mg/L，水温为20℃；岸边有一处污水排放口，污水排放量为0.5m3/s，污水中的BOD5 浓度为600mg/L，溶解氧DO浓度为0mg/L；该河流水体的耗氧系数K1为0.12d-1，复氧系数K2为0.20d-1。为了保证整条河段的溶解氧浓度不低于5mg/L，即满足地表水Ⅲ类水质标准，试计算排放口污水的处理程度。
1)河流水污染控制系统分析
图1.1为该河段水污染预防控制系统示意图。该河段水污染预防控制系统由污染发生子系统(岸边污水排放)、污水处理子系统(排放口污水处理)、收纳污染物的生态环境子系统(河流水体)组成。各子系统之间相互联系、相互制约和相互作用，岸边排放口的污水排放量和污水的处理程度(即污染物去除量)会影响受纳水域的水环境质量，而河流水体的自净能力(环境容量)反过来也会限制排入河流的污染物总量，对污水处理程度会提出相应要求。只有正确处理好污染物排放量、去除量和环境容量三者之间的关系，才能协调和优化好城市经济建设和河流环境保护之间的关系。
应建立一个合理的河流水环境污染预防控制系统的数学模型，利用该模型描述环境要素之间的相互关系，进而分析污染控制过程中的可调因素对环境目标的影响，寻求*优决策方案。本案例中的环境要素主要包括：①与环境容量相关的环境要素，即河流流量、河流流速、本底水质和目标水质等；②与污染物发生相关的环境要素，即污水排放量、污染物种类、污染物排放浓度；③与污水处理相关的环境要素，即污水处理率。
图1.1 河流水污染预防控制系统示意图
依据河流水环境质量变化规律可知，河流水体在未污染前，河水中的氧一般是饱和的。污水排入河流之后，初始阶段由于耗氧速率大于复氧速率，溶解氧不断下降。随着有机物的减少，耗氧速率逐渐下降，而随着氧饱和不足量的增大，复氧速率逐渐上升。当两个速率相等时，溶解氧到达*低值，该位置即为临界点。随后，复氧速率大于耗氧速率，溶解氧不断回升，*后又出现饱和状态，污染河段完成自净过程。溶解氧的变化过程如图1.2所示，只要保证临界点(即溶解氧*低值的位置)处的溶解氧浓度达到5mg/L的要求，全河段的溶解氧浓度就均会满足水质目标的要求，即由临界点的溶解氧浓度来约束排放污水的处理程度。
图1.2 河流水污染控制系统分析
2)河流水污染预防控制系统数学模型的构建
一个合理的河流水污染预防控制系统数学模型的构建必须以水环境质量的变化规律为依据。首先应了解污染物在水体中的物理、化学和生物变化规律，然后利用数学语言构建数学模型来描述各环境要素之间的关系。本问题可采用Streeter-Phelps 水质模型，该模型于1925年由美国两位工程师斯特里特和费尔普斯提出，并在1944年由费尔普斯总结公布，是河流水质模型中用得*早的一个。具体表达式为
(1-1)
式中，L、DO为河水中BOD5值、溶解氧浓度，mg/L；K1、K2 为耗氧、复氧系数，d-1；DOf 为饱和溶解氧浓度，mg/L；Dx为弥散系数，m2/s。
该水质模型描述了一维稳态河流中的有机物降解过程和溶解氧的变化规律。上述模型的求解需借助于数学理论和电子计算机技术。
3)完整的求解过程
解：由已知条件可得Q=20m3/s，ux=0.10m/s，LQ=3mg/L，DOQ=6mg/L，T=20℃，q=0.5m3/s，Lq=600mg/L，DOq=0mg/L，K1=0.12d-1，K2=0.20-d。
起始断面河水的BOD5和DO：
初始氧亏D0的确定：
临界距离：
由上述计算结果可以看出，在不对污水进行处理的情况下，临界点的溶解氧浓度不能够满足目标水质5mg/L要求，因此需要对排放口污水中的BOD5进行削减处理。如果临界点DO浓度等于5mg/L，则可反推出污水排放口断面的初始BOD5浓度L0'：
得到
因此，要满足全河段溶解氧浓度不低于5mg/L 的水质要求，排放污水的处理程度应为
【案例1-2】城市污水处理系统
图1.3为城市污水处理系统，该系统首先将通过粗格栅的原污水经过污水提升泵提升后(污水提升泵站的作用就是将上游来的污水提升至后续处理单元所要求的高度，使其实现重力流)，经过格栅，之后进入沉砂池，经过砂水分离的污水进入初次沉淀池，以上为一级处理(即物理处理)。初沉池的出水进入生物处理设备，有活性污泥法和生物膜法，其中活性污泥法的反应器有曝气池、氧化沟等，生物膜法包括生物滤池、生物转盘、生物接触氧化法和生物流化床，生物处理设备的出水进入二次沉淀池，二沉池的出水经过消毒排放或者进入三级处理，一级处理结束到此为二级处理。三级处理包括生物脱氮除磷法、混凝沉淀法、砂滤法、活性炭吸附法、离子交换法和电渗析法。二沉池的污泥一部分回流至初次沉淀池或者生物处理设备，一部分进入污泥浓缩池，之后进入污泥消化池，经过脱水和干燥设备后，污泥被*后利用。
图1.3 城市污水处理过程图
在图1.3的城市污水处理工艺中，可以利用环境系统分析方法对其中的某一处理单元进行建模分析，也可以对整体污水处理工艺进行建模分析。
1)某一处理单元的建模分析
平流式沉淀池是污水处理中应用*早的沉淀池类型，结构简单，沉淀效果好，对冲击负荷和温度变化的适应能力较强，受风力影响较小，广泛应用于污水处理中。但是在实际工程运行中也发现了一些问题，如涡流、异重流、进水分布不均匀或短流现象等，这些都会干扰沉淀池的正常运行，导致沉淀效果变差，影响整个水处理系统。因此，可以采用环境系统分析的方法来模拟沉淀池水流流态及悬浮物的沉淀过程，找出限制性因素，优化池型结构。
2)污水处理工艺全过程建模分析
运用环境系统分析的方法来建立污水处理工艺中集物理、化学和生物工艺的综合模
定价：48.0
ISBN：9787030523624
作者：丁涛
版次：1
出版时间：2017-03
在线试读：
第1章 环境系统分析导论
本章主要介绍环境系统优化和数学建模与分析的基本概念及相关知识，并通过案例来阐明本门课程的主要讲授内容，使读者能在学习之初对本门课程有个整体的、直观的认识。
1.1 系统的概念、特征和分类
以人体为例，构成人体的呼吸、消化、循环、排泄、神经等各组成部分，它们通过特定的相互依存、相互制约的关系而有机地结合在一起，成为人体这一具有特定功能的集合体，才使人成为一种具有特殊高级功能和高度智慧的高等动物。如果某一器官出现了问题，就会影响其他部位器官的正常运行，因此人体本身就是由不同元素或子系统组成的一个复杂系统。
1)系统概念
系统是由一组相互依存、相互作用和相互转化的元素(或客观事物)所构成的具有特定功能的有机整体。
2)系统特征
不同的元素组合成一个系统，这个系统具有不同于组成它的每个元素的特征，主要表现为以下几方面。
集合性：系统是由各要素所构成的具有特定功能的集合体(根据逻辑统一性要求来构成)。各要素不完善也可能构成良好功能的系统，要素良好也可能作为整体却不具有某种良好的功能。如果以X 表示系统，以xi表示子系统或系统元素，它们之间的关系可以表示为。
相关性：组成系统的各部分要素之间及系统与环境之间相互联系、相互制约和相互作用，就是系统的相关性。仅有一些多种多样的要素，而它们之间没有任何联系，就不能称为系统。
目的性：系统特别是人造系统都具有目的性。复杂系统往往是一个多目的系统。而系统目的又可以分解为多层次的目标，从而构成一个目标体系。实现全部的系统目标，就等于实现了系统目的。
整体性：系统是由两个或两个以上可以相互区别的要素，按照作为系统应具有的综合整体性而构成的。系统整体性表明，具有独立功能的系统要素及要素间的相互关系是根据逻辑统一性的要求，协调存在于整体之中的。不能离开整体去研究任何一个要素，要素间的联系和作用也不能脱离整体协调去考虑。
环境适应性：指系统对环境变化的适应程度。系统存在于环境之中，是特定环境的产物。同时，系统又是环境的组成部分，环境是一个更复杂、更高级的大系统。系统与环境既相互关联、相互依存，又相互独立。系统不断地与环境进行物质、能量和信息的交换，使其与外部环境相适应。环境发生变化传送到系统内部，必然引起系统要素的波动，导致系统内部有序结构的变化和调整。反之，系统要素功能和结构的变化返传到系统外部，也会引起环境要素的波动。在交换、运动和调整中，系统保持与外部环境的适应性。
3)系统的分类
(1)按系统组成部分的属性划分：可划分为自然系统、人造系统、复合系统。自然系统：由各种自然物质构成，如由水、矿物、植物、动物等自然物质构成的海洋系统、生态系统、矿藏系统等，其特点是自然形成的。人造系统：人类为了达到某一需求目的而建立起来的系统，如给水系统、排水系统和污水处理系统等。复合系统：人们借助于认识和利用自然规律为人类服务而建造的系统，如气象预报系统等。
(2)按系统形态划分：可划分为实体系统和概念系统。实体系统：组成元素是物质实体，如由格栅、沉砂池、初沉池、曝气池、二沉池等组成的城市污水处理系统。概念系统：由概念、原理、原则、法则、制度等非物质所组成的系统，如法律系统、教育系统。
(3)按系统所处的状态划分：可划分为静态系统、动态系统。静态系统：系统的状态不随时间而变化，即处于稳态的系统。动态系统：系统的状态随着时间变化而变化，即系统的状态变量是时间的函数。
(4)按系统与环境的关系划分：可划分为闭环境系统、开环境系统。闭环境系统：指系统内部与外界环境没有交换的系统。开环境系统：指系统与外界发生能量、物质、信息等交流时的系统。实际生产和生活中，一个系统不能与外界环境绝对封闭，所以闭环境系统是基于研究问题需要而忽略外界环境影响的一种近似。
(5)按系统内变量之间的关系划分：可划分为线性系统、非线性系统。线性系统：系统内变量之间呈线性关系。非线性系统：系统内变量之间呈非线性关系。
(6)按系统规模划分：可划分小型系统、中型系统、大型系统。
1.2 环境系统
1)环境系统的概念
广义环境系统：是指地球表面包括非生物和生物的各种环境因素及其相互关系的总和。环境系统提出的目的是把人类环境作为统一体看待。避免人为地把环境分割为互不相关的支离破碎的各个组成部分。环境系统的内在本质在于各种环境因素之间的相互关系和相互作用过程。
狭义环境系统：指在研究人与环境这对矛盾统一体时，由两个或两个以上与环境污染及控制有关的要素组成的有机体。
2)环境系统的分类
表1.1 给出了几种常见的环境系统分类方法及相应的系统名称。
表1.1 环境系统的分类
从经济发展与环境保护之间的关系来看，可将一个城市或一个区域分解成三个系统：污染发生系统、处理系统、生态环境系统。其中，污染发生系统主要包括工业、生活和交通系统等。各系统均对应着三个量及其时空分布：污染物发生量、去除量和环境容量。相应地存在三类措施来协调经济发展与环境保护的关系，即降低发生量、提高环境容量、合理组建处理系统(保证必要的去除量)。协调和优化经济建设及环境建设的关系是环境规划的基本思路，而这一过程的实现依赖于环境系统建模与优化分析方法，以实现环境系统的定量化分析与整体优化分析。
3)环境系统分析
环境系统分析是以环境质量的变化规律、污染物对人体和生态的影响、环境自净能力、环境工程技术原理及环境经济学等为依据，综合运用系统工程学、数学和电子计算机等技术方法，研究建立一个合理的环境污染预防控制系统的数学模型，分析污染控制过程中的可调因素(或各种可替换方案)对环境目标或费用、能耗等的影响，寻求*优决策方案。
【案例1-1】排污口允许*大排污量
已知某河流长70km，平均流量Q=20m3/s，流速ux=0.10m/s，水体中BOD5浓度为3mg/L，溶解氧DO浓度为6mg/L，水温为20℃；岸边有一处污水排放口，污水排放量为0.5m3/s，污水中的BOD5 浓度为600mg/L，溶解氧DO浓度为0mg/L；该河流水体的耗氧系数K1为0.12d-1，复氧系数K2为0.20d-1。为了保证整条河段的溶解氧浓度不低于5mg/L，即满足地表水Ⅲ类水质标准，试计算排放口污水的处理程度。
1)河流水污染控制系统分析
图1.1为该河段水污染预防控制系统示意图。该河段水污染预防控制系统由污染发生子系统(岸边污水排放)、污水处理子系统(排放口污水处理)、收纳污染物的生态环境子系统(河流水体)组成。各子系统之间相互联系、相互制约和相互作用，岸边排放口的污水排放量和污水的处理程度(即污染物去除量)会影响受纳水域的水环境质量，而河流水体的自净能力(环境容量)反过来也会限制排入河流的污染物总量，对污水处理程度会提出相应要求。只有正确处理好污染物排放量、去除量和环境容量三者之间的关系，才能协调和优化好城市经济建设和河流环境保护之间的关系。
应建立一个合理的河流水环境污染预防控制系统的数学模型，利用该模型描述环境要素之间的相互关系，进而分析污染控制过程中的可调因素对环境目标的影响，寻求*优决策方案。本案例中的环境要素主要包括：①与环境容量相关的环境要素，即河流流量、河流流速、本底水质和目标水质等；②与污染物发生相关的环境要素，即污水排放量、污染物种类、污染物排放浓度；③与污水处理相关的环境要素，即污水处理率。
图1.1 河流水污染预防控制系统示意图
依据河流水环境质量变化规律可知，河流水体在未污染前，河水中的氧一般是饱和的。污水排入河流之后，初始阶段由于耗氧速率大于复氧速率，溶解氧不断下降。随着有机物的减少，耗氧速率逐渐下降，而随着氧饱和不足量的增大，复氧速率逐渐上升。当两个速率相等时，溶解氧到达*低值，该位置即为临界点。随后，复氧速率大于耗氧速率，溶解氧不断回升，*后又出现饱和状态，污染河段完成自净过程。溶解氧的变化过程如图1.2所示，只要保证临界点(即溶解氧*低值的位置)处的溶解氧浓度达到5mg/L的要求，全河段的溶解氧浓度就均会满足水质目标的要求，即由临界点的溶解氧浓度来约束排放污水的处理程度。
图1.2 河流水污染控制系统分析
2)河流水污染预防控制系统数学模型的构建
一个合理的河流水污染预防控制系统数学模型的构建必须以水环境质量的变化规律为依据。首先应了解污染物在水体中的物理、化学和生物变化规律，然后利用数学语言构建数学模型来描述各环境要素之间的关系。本问题可采用Streeter-Phelps 水质模型，该模型于1925年由美国两位工程师斯特里特和费尔普斯提出，并在1944年由费尔普斯总结公布，是河流水质模型中用得*早的一个。具体表达式为
(1-1)
式中，L、DO为河水中BOD5值、溶解氧浓度，mg/L；K1、K2 为耗氧、复氧系数，d-1；DOf 为饱和溶解氧浓度，mg/L；Dx为弥散系数，m2/s。
该水质模型描述了一维稳态河流中的有机物降解过程和溶解氧的变化规律。上述模型的求解需借助于数学理论和电子计算机技术。
3)完整的求解过程
解：由已知条件可得Q=20m3/s，ux=0.10m/s，LQ=3mg/L，DOQ=6mg/L，T=20℃，q=0.5m3/s，Lq=600mg/L，DOq=0mg/L，K1=0.12d-1，K2=0.20-d。
起始断面河水的BOD5和DO：
初始氧亏D0的确定：
临界距离：
由上述计算结果可以看出，在不对污水进行处理的情况下，临界点的溶解氧浓度不能够满足目标水质5mg/L要求，因此需要对排放口污水中的BOD5进行削减处理。如果临界点DO浓度等于5mg/L，则可反推出污水排放口断面的初始BOD5浓度L0'：
得到
因此，要满足全河段溶解氧浓度不低于5mg/L 的水质要求，排放污水的处理程度应为
【案例1-2】城市污水处理系统
图1.3为城市污水处理系统，该系统首先将通过粗格栅的原污水经过污水提升泵提升后(污水提升泵站的作用就是将上游来的污水提升至后续处理单元所要求的高度，使其实现重力流)，经过格栅，之后进入沉砂池，经过砂水分离的污水进入初次沉淀池，以上为一级处理(即物理处理)。初沉池的出水进入生物处理设备，有活性污泥法和生物膜法，其中活性污泥法的反应器有曝气池、氧化沟等，生物膜法包括生物滤池、生物转盘、生物接触氧化法和生物流化床，生物处理设备的出水进入二次沉淀池，二沉池的出水经过消毒排放或者进入三级处理，一级处理结束到此为二级处理。三级处理包括生物脱氮除磷法、混凝沉淀法、砂滤法、活性炭吸附法、离子交换法和电渗析法。二沉池的污泥一部分回流至初次沉淀池或者生物处理设备，一部分进入污泥浓缩池，之后进入污泥消化池，经过脱水和干燥设备后，污泥被*后利用。
图1.3 城市污水处理过程图
在图1.3的城市污水处理工艺中，可以利用环境系统分析方法对其中的某一处理单元进行建模分析，也可以对整体污水处理工艺进行建模分析。
1)某一处理单元的建模分析
平流式沉淀池是污水处理中应用*早的沉淀池类型，结构简单，沉淀效果好，对冲击负荷和温度变化的适应能力较强，受风力影响较小，广泛应用于污水处理中。但是在实际工程运行中也发现了一些问题，如涡流、异重流、进水分布不均匀或短流现象等，这些都会干扰沉淀池的正常运行，导致沉淀效果变差，影响整个水处理系统。因此，可以采用环境系统分析的方法来模拟沉淀池水流流态及悬浮物的沉淀过程，找出限制性因素，优化池型结构。
2)污水处理工艺全过程建模分析
运用环境系统分析的方法来建立污水处理工艺中集物理、化学和生物工艺的综合模