福师大环境系统教学模型期末考试考纲详解.k

一、解答题

1.系统的基本特征：（1）系统的整体性，具有功能的系统要素以及要素间的相互关系

是根据逻辑统一性的要求，协调存在于系统整体之中。（2）系统的层次性，系统作为一个相

互作用的诸要素的总体来看，它可以分解为一系列的子系统，并存在一定的层次结构。（3）

系统的相关性，组成系统的要素是相互联系、相互作用的，相关性说明了这些联系之间的特

定关系和演变规律。（4）系统的目的性，系统都具有某种目的，为达到既定的目的，系统都

具有一定的功能，而这正是区别不同系统的标志。（5）系统的适应性，任何系统都会与环境

进行物质、能量和信息的交换，经常与外界环境保持最优适应状态的系统，才是理想的系统。

2.系统模型的分类以及模型特点：实体模型（系统的大小适合研究不存在危险）、比例模型（是

放大或者缩小）、相似模型（相似原理，利用一种系统去替代另一种系统）、文字模型（描述

模型）、网络模型（用网络图来描述系统）、图表模型（用图像和表格来描述模型）、逻辑模

型（表示逻辑关系的模型）、解析模型（用数学方程式表示）

3.环境系统的特性：整体性（人与地球是一个整体，地球的每一部分或者每一个系统都是人

与环境的组成部分）、有限性（人与环境稳定性、资源、容纳污染物质的能力、自净能力的

有限）、不可逆性（能量流动）、隐显性（污染与环境破坏的影响，后果的显现要有一个过程）、

持续反应性（环境污染的持续性）、灾害放大性（在特定条件下环境污染深度广度的放大）。

4.（1）白箱模型又称为机理模型，它建立在客观事物变化规律的基础上，可以在相当大的

范围内适用（牛顿力学三大定律低速运动范围）；（2）灰箱模型又称为半机理模型，在只

知道各因素之间的质的关系而不确切明了量的关系时，借助于以往的观测数据或实验结果用

一个或多个经验系数来确定模型中各因素之间量的关系（如气象学、生态学、经济学等领域

的模型）；（3）黑箱模型又称为输入—输出模型，它属于纯经验模型，根据系统的输入—

输出数据建立各变量间的关系，而完全不追究其内在的机理.（GPS黑箱模型）

5.数学模型建立要求：(1)模型要有足够的精确度；(2)模型的形式要简单实用；(3)模型的

依据要充分；(4)模型中应该有可控变量。

6.环境系统的建立过程：（1）准备阶段：明确问题的社会背景、建模目的，搜集详细而又

全面的与建模有关的资料。（2）系统认识阶段（3）系统建模阶段：根据自然科学和社会科

学理论，建立一系列的数学关系式。（4）模型求解阶段：模型求解常常会用到传统的和现代

的数学方法，值得一提的是计算机数值解法是模型求解中的最有力的工具之一。（5）模型检

验阶段：模型的验证包括对模型精确度的验证和对模型可靠性的验证。

或者回答：（1）收集、整理、分析相关数据、资料；（2）选择模型结构；（3）估计模型

参数（4）检验模型的精确度和灵敏度，并修正模型。

7.建立预测类模型的方法：（1）逐步回归法（2）时间序列预测法（滑动平均，加权滑动平

均，指数平均）（3）数量化理论预测法（4）灰色系统预测（5）图解建模法（6）质量平衡

法（7）因次分析法（8）概率统计法

8.模型估参的方法及特点：（1）经验公式法：使用方便，节省工作量，但在使用经验公式

时，要求系统的条件与总结经验公式时的系统条件相似，否则就会出现很大的偏差；（2）

图解法：估参简单直观，但仅限于二维线性关系的数据，且精度较差；（3）最小二乘法：

对于线性模型，非常适用于最小二乘法进行估参，对于非线性模型需要通过一定的数学变换

将其变换为线性模型；（4）穷举法：计算量很大，有许多无用计算，如果离开了计算机，

这种方法是难以实际应用的；（5）最速下降法：以最快的速度找到使目标函数最小

（Z=minZ）的集合变量。9.模型检验的项目及问题：（1）精确度检验：考察、反映模型预

测的准确程度；（模型的计算结果与实际观测数据之间的吻合程度）

（2）灵敏度检验：考察参数估计误差对预测结果造成的影响，反映模型的稳健性；（状态

与目标对参数的灵敏度、目标对约束的灵敏度）

10.地表水水质参数的选择：（1）常规水质参数（反映水域水质的一般状况）（ph值、DO、BOD、COD、NH3-N、ASHg总磷水温）（2）特征水质参数（能代表建设项目将来排放的水质）11.污染物在环境介质中运动特征：

12.环境质量模型的种类和适用条件：（1）零维模型:当污染物在空间各方向的浓度梯度可以忽略时采用;如湖泊、某一河段或高空某一区域；（2）一维基本方程:当污染物浓度的空间分布只在某一个方向上存在显著差异常采用；完成横向混合后的河段;（3）二维模型:当污染物浓度分布在横向也存在显著差异时如模拟大型的河流、河口、海湾、浅湖以及点源

或线源的大气中的污染；（4）三维模型:当污染物在空间各方向都存在浓度梯度时如深海排污以及大气质量模型和预测等。

13.污染源的排放形式：点源，线源，面源，体源、有组织排放、无组织排放、无序排放连续稳定排放和非稳定排放（事故泄露）

14.建立水质模型时基本水质问题：污染物与河水的混合，生物化学分解，大气富氧，光合作用，藻类的呼吸，底栖动物和沉淀物耗氧。

15.河流断面设置的基本原则及理由：（1）在河流断面形状发生剧烈变化处，这种变化导致河流的流态发生相应的变化（2）支流或污水的输入处（3）河流取水口处
理由：使每一河段的水文条件基本上保持稳定，满足建立环境质量基本模型和单一河段水质

基本模型时的基本假设。此外,在桥涵附近便于采样的地方、现有的水文站附近等地方也应设立采样断面，以较低的成本获得用于建模或模型检验的数据。

16.河口的水文、水质具有显著的时变特征，涨潮时海水顶托，河口水流速度减慢甚至倒流，导致污染物在河口的停留时间延长，使水质有恶化的趋向；另一方面，由于海水带来大量的

溶解氧，这样会有助于可生化降解污染物的衰减，使河口的临界氧亏值减小，同时海水还会

带来大量的盐分。湖泊与水库的水质水文特征主要集中体现在湖库的水温垂直分层现象和水

体的富营养化问题上。

17.水污染控制规划分类：（1）按规划层次：流域、区域、设施（2）按规划的方法：排放口处理最优、均匀处理最优、区域处理最优（3）按解决问题：最优规划、规划方案模拟18.大气边界层的分层特点：粘性副层：紧贴地面的一薄层，分子粘性力远大于湍流切应力，分子输送过程处于支配地位。近地层：从粘性副层到50-100m，这一层大气运动呈现明显的湍流性质，湍流输送占有压倒优势作用。上部摩擦层：从近地层以上到1-1.5km。湍流粘性力、科氏力和气压梯度力同等重要，需要考虑风随高度的切变。

19.大气湍流对烟团扩散的影响过程：（1）烟团在尺度小于自身的湍涡中，烟团沿下风方向几乎成直线运动。（2）小烟团在大湍涡中，烟团主要被湍涡所夹带，本身增长不大，烟流做曲线运动。（3）烟团与湍涡的尺度相近，烟团被湍涡拉开撕裂而变形，扩散快横截面积大。20.烟气抬升原因与阶段：（1）原因：①动力抬升：烟气自身具有的动能使它离开烟囱后继续上升；②热力抬升：烟气温度高于周围空气温度，烟气密度小，浮力作用下提升。

（2）阶段：喷出、浮升、瓦解、变平。

21.（1）比例下降规划模型：比例下降规划的假设是污染源的污染物排放量的下降，将导致空气中的污染物浓度的等比例下降。比例下降模型在理论上并没有严格的证明，但有一些证据证明这个结论是合理的。在优化模型中不必直接纳入空气质量约束，而只需将现实的环境 确定必须削减的污染物总量，
比例下降规划的任务在于将污染质量与环境质量标准相比较，物的削总量分配给各个污染源。比例下降模型避免了复杂的空气迁移计算和复杂的参数估值过程，在计算上比较简单，在较大的空间尺度和较长的时间尺度上，计算结果有一定的可信度。但是比例下降模型没有考虑大气污染物的迁移扩散规律，忽略了污染物在时间上分布的不均匀性。（2）地面浓度控制规划模型：以空气质量标准为基础，通过空气环境质量模型推导污染源的允许排放量，及其在各个污染源之间的优化分配。从逻辑上讲，按照地面浓度控制规划得到的结果较比例下降规划科学、合理。

22.污染物在多介质环境中过程分析：水/气界面的物质传输过程、土壤/大气界面的物质传输、水/沉淀物界面的物质传输、污染物在水生食物链的迁移和归趋、污染物在多介质环境中的生物化学转化过程。

23.水体表面微层对污染物的富集：水体表面微层对金属、有机污染物、营养盐、金属有机物的富集。

24.影响挥发速率的因素：（1）吸附是控制污染物从土壤内部到挥发面迁移速度的主要因（2）土壤的湿度（3）土壤中有机质的含量（4）污染物的物化性质（5）温度（6）环境条件
25.底栖生物的作用：扰动作用、耗氧作用、固定作用、水/沉淀物界面的生物膜、富集作用

二、证明题
1.写出环境质量基本模型中一维基本方程的推导过程及基本假设；
基本假设：(1)污染物与环境介质具有很好的相容性，随环境介质一同运动，不发生沉降、挥发、吸附等现象；（2）环境介质处于稳态流动状态。

一维模型是通过一个只在一个方向（设为x轴向）上存在浓度梯度的微小体积元的质量平衡推导的，如图所示。

体积元中的质量平衡图
单位时间内输入该体积元的污染物的量为：

? u		C	?	??	?	D		?C	?	?	?y?z
? ?	x			?			x	?x	?	??

单位时间内由该体积元中输出的污染物的量为：

? u

C

?

?u

x

C

?x

?

??

?

D

?C

??

?

?

??

?

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?

?x

?

?y?z

? ?

x

?x

?

x

?x

?

?x

?

x

?x

?

??

若污染物在该体积元内发生以及衰减反应，则由衰减引起污染物量的变化为：

－KC?x?y?z

于是，单位时间内，该体积元的污染物的变化量为：

解：由S—P模型可以写出河流中BOD的变化规律：

L?L0exp(?K1t) (3—54)

对于图3—4中所示的各项水质模型参量，根据水流连续性原理及质量平衡原理，可以

写出每个断面的流量、BOD的平衡关系：

Q

2

?

Q 1 i

?

Q 3 i

?

Q i

(3—55)

Q 1 i

?

Q

2 ,

i

?1

( Q 1 i

?

Q 3

i

)

?

L i

Q i

（3－56）

（3－57）

L 2

i

Q

2

i?

L 1 i

另外，由S—P模型可以写出由i－1断面至i断面间的BOD衰减关系:

令

L 1 i

?

L 2

i

?1

exp(

?

K

1

i

?1 t i

?1

)

(3－58)

?i

?

exp(

?

K

1 ,

i

t

i

)

（3－59）

代入式(3—58)，得

L 1 i

?

?i?1

L

2 ,

i

?1

（3－60）

同时，由式(3—57)和式(3—60)可以写出

?

如果令：

则递推式（3－）可以用一个矩阵方程来表达

? A L

2

?

? B L

?

? g

（3－65）

由式(3—65)可以得出：

若令

U

? L 2

?

A

?1

? B L

?

A

?1

? g

（3－66）

?1

B

(3－67)

?

A

? m

?

A

?1

? g

（3－68）

则式（3－66）可表示为：

? L 2

?

?U L

?

? m

（3－69）

三、计算题