环境系统分析复习题

概念解释：1.系统：是由两个或两个以上,相互独立又相互制约,执行特定功能的元素组成的有机整体。2.系统分析：对研究对象进行有目的、有步骤的探索和研究过程，它运用科学的方法和工具确定一个系统所应具备的功能和相应的环境条件，以确定实现系统目标的最佳方案。3.环境系统分析：是研究环境系统规划、设计管理方法和手段的技术科学，它以环境质量的变化规律、污染物对人体和生态的影响，环境工程技术原理和环境经济学等为依据，并综合运用系统论、控制论和信息论的理论，采用现代管理的数学方法和电子计算机技术，对环境问题和防止工程进行系统分析，谋求整体优化解决。4.环境质量基本模型：反映污染物在环境介质中运动的基本规律的数学模型，称为环境质量基本模型，简称基本模型。5.灰箱模型：复杂问题，主要因果关系清楚，但许多机理细节(参数)不明，可描述事物运动状态的大致变化，与实际情况有一定误差，又称半机理模型（许多含物理意义的统计模型）。6.黑箱模型：即输入-输出模型。因果关系不明，只有输入、输出统计关系，仅在一定区间内基本正确。需要大量的输入,输出数据以获得经验模型。它们可在日常例行观察中积累,也可由专门实验获得。.7．白箱模型：因果关系十分清楚，物理、化学运动机理(参数)完全掌握；可精确描述事物运动状态的全部变化，又称机理模型8.推流迁移：推流迁移是指在气流或水流作用下污染物产生的转移作用。推流作用只改变污染物的位置而不改变污染物的浓度。9.湍流扩散：湍流流场中质点的各种状态（流速、压力、浓度等）的瞬时值相对于其时平均值的随机脉动而导致的分散现象10.弥散：由于横断面上实际的流速分布不均匀引起的，在用断面平均流速描述实际运动时，就必须考虑一个附加的，由流速不均匀引起的作用。11.污染物到达岸边（或地面）所需的距离：在二维环境中，污染物中心排放下，如果岸边的污染物浓度达到断面平均浓度的5％，则称污染物到达岸边或地面，从污染物排放点到污染物到达岸边的距离称为污染物到达岸边所需的距离。12.完成横向混合所需的距离：当某一断面上任意点的浓度与断面平均浓度之比介于0.95~1.05之间时，则称该断面已达到横向混合，由排放点到完成断面横向混合的距离称为完成横向混合所需的距离。13.S-P模型：描述河流水质的第一个模型，由斯特里特和菲尔普斯在1925年建立，用于描述一维稳态河流中的BOD与DO的复合变化规律。它广泛应用于河流水质的模拟预测中，也用于计算允许最大排污量。其基本假设是河流中的BOD裒减和DO恢复都是一级反应，且DO的来源只有大气复氧14.瞬时排放排放源：瞬时排放污染源是指向环境中排放污染的时间短暂的排污源。如工厂的事故排放或定期排污。一般情况下，这种污染源反复的污染具有突发性和污染浓度高的特点，极易造成环境危害，应采取相应措施减少其危害性。15.稳定排放：排放强度变化很小(，变化率在±10%以内)；排放时间长(TX/u)。16.控制方程：反映约束物质变化、物体运动、物种进化规律的那些规则的数学模型叫控制方程，而把遵循控制方程控制在一定条件下求解得出的物质变化、物体运动、物种进化的规律，叫控制方程的解(它可以用另一个数学模型——数学公式表达，也可以用一组有规律的数据表达)。17.数值解:当问题复杂时(控制方程中含有复杂强迫项、或模式参数是变系数)，方程便无解析解，但仍可用数值计算的方法求得数值解。即直接求得：t=?,x=?,y=?,z=?时的C值。一般先求出t=0时的研究对象的空间分布值，再根据控制方程规定的规律推出下一时刻的研究对象的空间分布值，这样一步一步地推下去，也能得出研究对象的时、空变化规律，这种完全用数值表示事物运动规律的解，就叫数值解。18.解析解：微分方程通过积分可以求出的原函数，即解析解。根据目前的数学研究，微分方程可求解析解的不多、应该说很少——仅局限于那些低阶微分(仅有一阶、二阶)的、微分项前系数为常数的、强迫项函数形式简单的、初始条件和边界条件也不复杂的微分方程。19.空气污染指数（AirPollutionIndex,简称API）：将常规监测的几种空气污染物浓度简化成为单一的概念性指数值形式，并用于分级表征空气污染程度和空气质量状况。这种方法适合于表示城市的短期空气质量状况和变化趋势。20.点源污染：指有固定排放点的污染源，指工业废水及城市生活污水，由固定的排污口集中汇入江河湖泊。这种点源含污染物多，成分复杂，其变化规律依据工业废水和生活污水的排放规律，即有季节性和随机性。21.非点源污染：污染物以广域的、分散的、微量的形式进入地表及地下水体。这里的微量是指污染物浓度通常较点源污染低，但NPS污染的总负荷却是非常巨大。22.水污染非点源：在我国一般称为水污染面源，是以面积形式分布和排放污染物而造成水体污染的发生源。坡面径流带来的污染物和农田灌溉水是水体污染的重要来源。目前，湖泊等水体的富营养化主要是由面源带来的过量的氮、磷等所造成。】23.烟囱有效高度：烟囱的几何高度与由于排放物原始的动量及热量而造成的最大抬升高度之和，亦即水平的烟羽中心轴到地面的距离。因为污染物的最大落地浓度与烟囱有效高度的平方成反比，因此，它的正确确定已成为计算污染物地面最大浓度的重要问题。24.大气二次污染物：是各种一次污染物在大气中互相作用或与大气的正常组分发生化学反应，以及在太阳能（如紫外线）参与下所能引起的光化学反应而产生的，与一次污染的理化性状完全不同的新的大气污染物。23、二、理论题1.分析在什么条件下必须考虑分子扩散、湍流扩散和弥散？为什么？分子扩散是分子随机运动引起的分散现象。在研究实际的河流、大气问题时总是可以忽略分子扩散作用，这是因为在这样的流场中，分子扩散作用与湍流扩散或弥散扩散作用相比，量级很小。但在研究湖泊、水库问题时则应该考虑分子扩散，因此此时一般属于静水环境，分子扩散所造成的污染物分散可能成为主要的扩散作用。湍流扩散是由于湍流流场中分子的各种状态的瞬时值相对于其时间平均值的随机脉动而导致的分散现象。所以在介质具有一定流速的流场中，若采用时间平均值来描述质点的各种状态，则需引入湍流扩散，如在研究深海污染排放、大气质量模拟以及一些大河的污染物扩散时常常要考虑湍流扩散。弥散作用是由于流场中横断面上实际流速不均匀引起的。所以在用横断面平均流速描述实际的运动时，就必须考虑弥散作用。2.污染物与河水混合过程分为哪几个阶段完成？先后顺序是什么？反映了什么规律？污染物与河水的混合过程分为竖向混合、横向混合和纵向混合三个阶段。由于一般河流的深度要比宽度小很多，当污染物进入河流后在较短的距离内即达到竖向混合均匀，在竖向混合阶段的同时也进行着横向混合作用，而横向混合的完成要比竖向混合完成所需要的距离大得多。污染物与河水的混合过程反映了两者之间的质量传递、动量传递和热量传递规律。3.分析有机物排入河流后，受哪些过程作用，这些作用是如何产生的？有机物进入河流后发生三种水质作用：物理作用、化学作用和生物化学作用。有机物进入河流中后，在环境介质的推流输送过程中，由于分散作用使得有机物在河流中的浓度不断降低。有机物在河流中发生生物化学反应，消耗河水中溶解氧。一些悬浮状的有机物还会发生絮凝和沉淀，沉淀在河底的有机物有可能被水冲刷而再次悬浮，从而引起河水BOD的变化。溶解氧的消耗使得河流水质恶化。而分散作用、沉淀和凝絮又使得河流水质改善。溶解氧的降低使得河水中的氧亏增大，这将增加大气复氧的速率。河流的水质就是在耗氧和复氧对立的过程中达到水质平衡。4.分析有机物进入河道后，水体中的BOD和溶解氧的浓度从排放点到下游怎样变化，利用氧垂曲线分析溶解氧的浓度变化的原因并画出其示意图。溶解氧自源处开始，浓度变化符合氧垂曲线的变化特征，即自源点溶解氧浓度不断降低，到最大氧亏点，水质最差，这个过程水体中耗氧作用强于大气复氧作用。其后，水体中溶解氧浓度回升，这个过程，水体水体中耗氧作用弱于大气复氧作用。BOD浓度从源点向下游方向不断降低，符合S-P模型中BOD变化方程。5.环境质量模型中的源与汇主要指什么？在水质模型和大气质量模型中的源和汇都包括什么内容？环境质量模型中的源指输入该系统的污染源，汇则指使污染物从该系统中输出的那些因素。水质模型中包含的源有：污水排放源、底泥冲刷再悬浮，非点源侧向径流输入的污染物，底泥释放的污染物，藻类光和作用产氧等。水质模型中包含的汇有：河底渗漏、沉降絮凝、藻类呼吸以及有机物降解。大气质量模型中包含的源有：有害气体排放源、二次扬尘、光化学氧化反应产生的污染物。大气质量模型中包含的汇有：地表植物、建筑物的吸附、污染物的沉降、雨水冲刷等。6.基本模型中的一维动态解析解和稳态解析解的边界条件和初始条件是什么？一维动态解析解推导中的初始条件和边界条件分别为：C(x0,0)=C0C(∞,t)=0一维稳态解析解的初始条件是C(0)=07.二维解析模型的应用条件是什么？列举可以应用二维解析解进行模拟的问题。在假定进入环境的污染物质能与环境介质相互溶合，污染物质点与环境介质质点具有相同的流体力学特征，且在空间维度上的两个方向上存在浓度梯度，并不能被忽略时，就需要采用二维模型，如用于大型河流、河口、海湾、浅湖库的水质模拟。8.系统的特征（1）整体性：虽然各个要素不是很完美，但可以综合统一为一个具有良好功能的系统。（2）相关性：各个要素互相影响；要素的变化影响到整体性。（3）目的性：人工系统和复合系统都具有一定的目的性，都具有一定的功能。（4）阶层行（或层次性）：个系统之间存在物质能量信息的交换，也是系统实现系统阶段控制和目标管理的基础。（5）环境的适应性：目标管理的基础。三、计算题1.在流场均匀的河流中，河宽B为500m，平均水深h为3m，流速为0.5m/s，横向弥散系数yD=1m2/s，岸边连续排放污染物Q=1000kg/h，试求下游2km处的最大浓度，污染物的横向分布，扩散羽的宽度。解：应用二维模型稳态条件的解析解22222222(2)(2)(,){exp()exp[]exp[]}exp()44442*277.7844(,){1exp[]exp[]}440.5*3*4*1*2000/0.5xxxyyyxxyxxxyyuyQnBynBykxcxyuuDxDxDxuxuhDunBnBcxyuuDxDx其中Q=1000kg/h=277.78g/s当x=2km时的,2*1*2*1000289.440.5yyxxDmu污染物最大浓度发生在y=0处,代入得:22222*277.7844(,){1exp[]exp[]}440.5*3*4*1*2000/0.5xxyynBnBcxyuuDxDx22*277.780.5*500[12*exp(().....]20000.5*3*4*1*2000/0.51.65/mgl扩散羽的宽度:22*89.44178.88ybm完成横向混合所需的距离岸边排放：220.40.4*0.5*500501xyuBxkmD2.在一维流动渠道中瞬时释放了10000g守恒示踪剂。已知渠道内的流水平均速度为1m/s，纵向弥散系数Dx=1.5m2/s，渠道宽20m，水深2m，计算示踪剂投放处的下游500m和1000m处，t1=5min和t2=10min时的示踪剂浓度。若不考虑弥散作用，则浓度为多少？（答案在后）3.一维均匀稳态河流，已知河水平均流速为0.5m/s，初始断面污染物浓度为50mg/l，纵向弥散系数DX=2.5m2/s，污染物衰减系数k=0.1/d，试求下述各条件下的控制方程公式、解析解公式、解析解各子项图形与下游500m处的污染物浓度(答案在最后)。（A）存在弥散、推流、衰减三种运动情况下的公式与解；（B）忽略弥散情况下的公式与解；（C）忽略推流情况下的公式与解；（D）忽略衰减情况下的公式与解。4.有一均匀稳态河流河宽50m，河流的横向扩散系数DY=0.4m2/s，河水平均流速u=0.8m/s，。河流左岸有一排污口，试计算：（A）污染物扩散开始影响对岸所