【防洪?治河】
木兰溪下游防洪系统水动力学模型研究
刘 蕊,董增川,李 乔,李大勇,秦旭宝
(河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏南京210098)
摘 要:以木兰溪下游木兰陂至三江口干流河道及北洋地区水系构成的河网为主要研究对象,构建了木兰溪下游防洪系统水动力学模型。在对河网水系及水工建筑物概化的基础上,着重对建模过程中边界及初始边界的处理、闸门及桥梁过流衔接模拟等关键问题进行了探讨。结果表明,各断面的计算水位和流量与实测值拟合较好,验证了所建模型的合理性。
关 键 词:河网;边界处理;水动力学模型;防洪系统;木兰溪下游
中图分类号:T V131 文献标识码:A 文章编号:1000-1379(2009)01-0016-02
木兰溪是福建省主要河流之一,干流长105k m,流域面积1732k m2。木兰溪干流于三江口注入兴化湾,水面开阔,受非正规半日潮影响较大,下游木兰陂至三江口河段为感潮河段。北洋地区河道水系复杂,且布设了多个桥梁、进洪闸门及分水闸门等,构成了复杂的感潮河网。笔者对下游地区河网进行了概化,建立了感潮河网的水动力学模型,以期为解决莆田下游的防洪问题提供参考。
1 防洪系统概化及特点
木兰溪下游木兰陂至三江口河段为木兰溪防洪工程建设的主要河段。工程将原有天然河道裁弯取直,将木兰溪下游的防洪标准由不足2年一遇提高到左岸50年一遇、右岸20年一遇,大大降低了干流洪水对两岸堤防的威胁。治理后下游河道长25.7k m,旧河道蓄水量约为200万m3。
根据实际情况,笔者对木兰陂下游河道进行了概化:将旧河道作为重要的调蓄体,在交汇闸门处设置调蓄节点,用零维水流方程进行模拟。木兰溪下游干流河道水流控制满足一维非恒定流圣维南方程组,北洋地区河道众多,交叉分布,作为一维河网处理。北洋河网分两条水流汇入木兰溪干流,在进行河网计算后,可把计算后的两条水流流量过程作为旁侧入流并入一维河道计算。概化后木兰陂以下干流设有12个闸门,其中引水闸2座,进洪闸2座,排涝闸8座;北洋河网地区4座闸均为排涝闸。
概化时按照以下原则进行节点布设[1]:①作为调蓄体的湖泊与干流汇合处及集中入流点分别设置节点;②分别在闸门、桥梁控制建筑物的上下游设置节点;③在集中建筑物及旧河道于干流河道连接处设置节点。
为了尽量与实际干流河道的水流特性保持一致,在已有断面资料的基础上,根据河道走向变化,在河道突变处相应设置了较多的断面。如果河段比较顺直,而所给资料过于详尽,则可适当考虑删减断面个数。
在河网水系的概化中,对干流入流影响不大的次要小河道亦作为陆域上的调蓄水面处理。空间步长依河道实际情况取100～300m,为满足计算稳定性和迭代收敛性的要求,计算中取Δt=10m in。
2 模型构建与求解
2.1 水流控制方程组
2.1.1 零维水流模拟
研究区中的湖泊、水塘、蓄洪区等具有较大水面,可把这些水面归结到某些节点上作为可调蓄节点[2]。根据水量平衡原理建立如下方程:
∑Q=A s(Z)9Z
9t
(1)
式中:Z为水位(相对于基准面);A
s
(Z)为调蓄水面面积,通常是水位的函数;Q为流入零维调蓄节点的流量;t为时间步长。
2.1.2 一维水流模拟
(1)控制方程。将河网非恒定流问题归结为一维圣维南方程组的求解问题[3],该方程组可以表示为
9Q
9x+
9A f
9t=q lat
(2)
9Q
9t+
9
9x
(αQ
2
A f
)+gA
f
9Z
9x+gA f
Q|Q|
k2
=q latυx(3)
式中:A
f
为过水断面面积;q
lat
为单位长度河道上的侧向入流;α为动能校正系数;k为流量模数。
(2)汊点衔接条件。汊点衔接条件通常考虑水流连续和能量守恒两个条件[4],表示为
收稿日期:2008-08-10
基金项目:教育部科学技术研究基金资助项目(104197)。
作者简介:刘蕊(1982—),女,河南郑州人,硕士研究生,研究方向为水资源规划与管理。
E2mail:rebekah@https://www.doczj.com/doc/1615823242.html,
第31卷第1期 人 民 黄 河 Vol.31,No.1
2009年1月 YE LLOW R I V ER Jan.,2009
∑n i=1Q m i=
9Ωm
9t
(4)
Z n+1i+δn+1i |u n+1i|2
2g
=Z n+1
k
+
|u n+1
k
|2
2g
+δn+1k
|u n+1
k
|
2g
(5)
式中:n、m分别表示与某一汊点相连的河段号和汊点号;Ω
m
表示汊点m的蓄水量;u为流速;δ为校正系数。
式(5)为考虑流速水头的影响及断面能量损失情况下的能量衔接方程,可作一般线性化处理,计算时也可进行简化,表示成流量和水位校正值的形式。
在假设汇合区很小、水位变化引起的汇合区水面面积变化不大的情况下,式(4)可简化为
∑n i=1Q m
i
=0(6)
2.1.3 过闸流量模拟
模型中的闸采用宽顶堰平板闸门处理。在闸门开启情况下,过闸流量Q的计算式为[5]
Q=mB2gH3/20(7)
Q=φB2gH s Z u-Z d(8)式中:Q为过闸流量;m为自由出流系数,一般取0.32～0.385;φ为淹没出流系数,一般取1.0～1.18;B为闸门开启总宽度; H0为闸底高程;Z u为闸上游水位;Z d为闸下游水位。
在模拟过程中,可以把式(7)和式(8)合并为
Q=φH s B2g(Z u-Z d)(9)当δ≤σ时,φ=m
σ1-δ
,H′s=σH0;当δ>σ时,φ′=φ,
H′s=H s,δ=H s
H0
=
Z d-Z0
Z u-Z0
。σ可根据m与φ求得。
2.2 模型的求解
通常采用隐式差分法求解河网方程组,该法可分为直接解法和分级解法两大类。直接解法的基本思路是直接求解由内断面方程和边界方程组成的方程组[6];分级解法的基本思路是先将未知数集中到汊点上,待汊点未知数求出后,再将各河段作为单一河段求解。笔者对干流河道的计算主要采用Preiss2 mann格式[7]进行差分,河网计算主要采用分级解法中的三级解法求解[4]。
用Preiss mann格式得到的每一节点流量和水位值的递推公式为
ΔQ
i
=E iΔz i+F i
Δz
i =H iΔz i+1+K iΔQ i+1+M i
(10)
三级解法的基本思路是由二级连接方程组的河段方程自相消元,得到一对以水位或流量为隐函数的方程组[4,8]。二级连接河段方程组可表示为
ΔQ
2n-1=E2
n-1
Δz
2n-1
+F2
n-1
Δz
2n-1=H2nΔz2n+K2nΔQ2n+M2n
(11)
当水位改正值为隐函数时,转化为
ΔQ
2n-1
=E2n-1Δz2n-1+F2n-1
ΔQ
2n =
1
K2n
(Δz2
n-1
-H2
n
Δz
2n
-M2
n
)
(12)
方程组(12)可直接代入相应的汊点和边点方程,消去其中的流量改正值,则剩余的2N个方程就只含有2N个未知的水位改正值变量,求解连接矩阵得到各汊点上各断面的水位改正值,回代河段方程(11)得到汊点各断面的流量改正值,再回代方程(10),得到所有各断面上的水位和流量改正值,从而得出各断面的水位和流量值。
闸门的处理可采用迭代求解的方法,把进洪闸和排涝闸作为支流处理[1]。为了避免直接将过闸流量公式线性化带来的误差偏大、计算结果不合理、计算工作量大和计算时间过长的弊端,采用双消元法形成节点水位方程组,对方程组中的非线性方程过闸流量Q
g
采用解析式处理。
将闸作为特殊河段,N
1
为闸上节点,N
2
为闸下节点,则N
1
、N2的节点方程为
K N
1,1N1
+K N
1,2
Z N
=K N
1,R
+Q g(13)
K N
2,1
Z N
2
+K N
2,2
Z N
3
=K N
2,R
-Q g(14)
Q g=μ″e B2gH(15) 3 建模关键问题的处理
3.1 边界条件及初始条件
该模型建立在木兰溪上游洪水预报模型的基础上,模型上边界为濑溪站流量过程,采用马斯京根法演算到木兰陂,下边界为三江口潮位。由于木兰溪东甲潮位站只有逐日高潮潮位,因此移用临近站(秀屿潮位站)整点高低潮潮位资料,根据平均潮差,采用拉格朗日插值法获得三江口入海整点潮位资料[9]。在节点控制线上,有闸控制且常年关闭的按零流量边界条件处理。
计算过程中初始条件引起的误差会在计算中逐渐消除,为了使模型较快地达到计算稳定,节点、断面的初始水位和流量选用计算稳定后某一时段的输出结果。
3.2 闸出流、入流情况
木兰溪下游干流河道中,霞林闸和新下黄闸为进洪闸,其入流过程采用产汇流模型的计算结果;北洋四闸及港利以下诸闸为排涝闸,它们的出流根据闸上下水位控制模拟。
4 模拟结果及分析
河网计算中,干流河槽为一期、二期工程整治后的二级梯形复式断面。根据工程段河道分部位糙率数值,取其上下限经主槽、边滩及堤坡各部分湿周加权平均,得出全断面综合糙率,可按式(16)计算[10]:
n=
∑N
i=1
n iχi
∑k
i=1
χ
i
(16)
式中:n
i
为第i部分的糙率;χ
i
为第i部分的湿周;k为河道断面部分数;n为全断面综合糙率。
模型计算中,闸门计算包括了关闸、自由出流和淹没出流3种情况的模拟。关闸时,闸上、闸下可作为两条单一河道来处
理,对于上游河道来说,Q
i
为下边界流量已知条件,可单独求
解;对于下游河道,Q
i+1
已知,可按流量已知边界条件单独求解。同理可求解自由出流和淹没出流的情况。(下转第19页)
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7
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第1期 刘蕊等:木兰溪下游防洪系统水动力学模型研究
与占体轴线垂直。然后,在船上根据占体大小编织矩形网片,网片的一边用桩固定在进占起点的坝岸上,其他3条边分别固定在3艘船体上。最后,将半成品埽体用机械投放到河面上的网片内。四周固定的网片因中心受压下沉,形成一个向上开口的大网墙,形同一个四周封闭的大网围墙。
3.3 操作过程
在“饺子厢”和河面网箱围墙制作完成后,用自卸汽车将“饺子厢”沿占体边岸抛成两排,人工把“饺子厢”预留绳索前后左右进行连接,“饺子厢”之间形成前后左右相互连接的软沉排体,并将剩余绳索接长后拉向3艘船龙骨并固定。然后,用推土机推后排“饺子埽”,挤压前排埽体移动至河面网箱围墙内,后排埽变成前排埽。再在前排埽的后侧用自卸汽车将“饺子埽”再卸成一排,又组成两排新的埽体沉排。往复推抛作业至埽体出水到一定高度,并将部分预留绳固定到占面上,再将上、下游网墙的网边固定在新占体上,完成水中进占的一占。如此反复,完成机械化做埽的水中进占作业。
4 机械化做埽的优势
(1)工艺简单、易学易用。2004年兰考蔡集54坝水中进占50m,由技术人员操作演示“饺子厢”网片编织、成箱、车上网内装料、网箱封口、运输、抛投、人工连接成排、推土机推投过程后,抢险民工即可熟练操作。
(2)“饺子厢”最适合抢大险、抢恶险及堵口。机械化做“饺子厢”,充分利用了埽体适应性强、可减少冲刷及首先抢护河底等特点,利用大型机械迅捷、灵活、连续地工作,能够快速遏制险情的发展。根据2004年兰考蔡集54坝实际操作经验,在抢险现场500m以内的开阔地上,1台挖掘机、1台推土机、6辆自卸汽车、25个民工、3名指挥人员,就能持续不停地向河中推抛“饺子厢”沉排,直至完成抢险任务。
(3)机械化做埽能弥补传统埽的致命缺陷。机械化做埽时,埽体受到的水流冲力和“饺子厢”留绳拉向上游固定船的拉力,两者在同一方向,很容易平衡,所以机械化做埽的“饺子厢”弥补了传统埽在力学上的致命缺陷。
(4)机械化做埽适应性强。与钢木土石结构堵口技术相比,钢木土石结构堵口技术在黄河堵口中应慎用,而机械化做埽的基础在坝岸与船上,只要船只与已做好的坝岸稳定,那么机械化做埽的过程就会顺利实施。
(5)机械化做埽即可行又经济。用传统技术堵复口门,不论平堵或立堵,堵口料物都不免被水流冲走,机械化做埽时根据水深和流速,可变换网墙中“饺子厢”的铅丝笼筋和“饺子厢”留绳的强度,达到事半功倍的效果。与大量抛投石笼和散石抢险相比,石料因其密度大而易向冲刷坑大量滑塌,用石笼多时,更易产生猛墩猛蛰,形成更大的险情。而机械化做埽的埽体密度小、“饺子厢”之间既相互连接又生根于岸边与船上,不会出现埽体突然滑失的情况。
5 应用实例
黄河“96?8”洪水期间,兰考蔡集控导工程全面出现险情,采用在翻斗车上制作“饺子厢”、以点制线的方法快速做铅丝笼点,是黄河开封段防汛抢险最初使用石笼“饺子厢”的雏形。2004年兰考蔡集控导工程54坝水中进占至最后20m时,用传统埽工方法3d内占体没能前进,采用机械化做埽技术进占,36 h即完成进占任务。2004年王庵控导工程-13垛抢大险时,使用机械化做埽技术抢险取得很好的效果。2007年调水调沙期间,在兰考蔡集做单个“饺子厢”(用大土工包代替半成品厢)组合成“饺子厢”沉排,向险点组合推抛试验取得成功。
【责任编辑 翟戌亮】
(上接第17页)
为了验证模型的适用性及精度,采用2003年6～8月木兰溪干流及其主要支流延寿溪的实测水位、流量资料对所建模型进行验证,以南箕水闸放水流量及三江口潮位作为控制条件进行数值模拟。
研究区内按照设计值计算的干流综合河道糙率约为01028,其他河道糙率约为0.030。计算结果显示:典型率定断面中,水位计算值的误差小于10%;流量计算值误差基本在20%以内,同潮汐河道水文测验的流量误差相当。桥兜的水位模拟值与实测值拟合得比较好,但岳公桥附近流量误差稍大,说明编制的程序在模拟桥梁处水流时还存在一些偏差,需进一步改进,但误差基本控制在20%以内。综上所述,模型率定的误差在允许范围之内,检验结果达到了预期目标。
参考文献:
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【责任编辑 翟戌亮】
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第1期 王德智等:机械化做埽技术的研究与应用
环境系统数学模型
环境系统数学模型 引自文献《环境评价》 1环境系统简化图： 图中，系统A的状态参数（变量）以节点x表示（例如污染物浓度），影响状态变量变化的系数以支叉α表示（例如水体弥散系数或化学动力学的速率常数等），这里，假设系统只有单一输入的扰动u和单一输出的结果y；真实的环境系统结构远较图中复杂。为简化问题，我们将环境系统简化成如上图所示。2模型建立的目的 建立数学模型的目的，从理论上说是帮助人们理解环境系统的复杂的行为，并且对系统过去发生的行为进行解释；运用模型预测环境影响，则是以环境系统过去行为的规律来推断未来。 3灰箱模型建立 ·适用范围：当人们对所研究的环境要素或过程已有一定程度的了解但是又不完全清楚，或对其中一部分比较了解而对其他部分不甚清楚时，可以应用该模型。此模型多用于预测开发性对环境的物理、化学和生物过程为主的影响。在灰箱模型中，状态变量和输出常常是随时间变化的。
·不失一般性，可以将（3.1）代表环境系统输出变量的动态过程，（3.2）代表离散地采集的系统状态及其输出的观察结果，在稳态下的输出结果以（3.3）表示。如下： (){}(),,;y t f x u t t αξ∨ =+ （3.1） (){}(),;k k k y t h x t t αη=+ （3.2） {},,y g x u α= （3.3） 式中 x ——状态变量的向量（如在一定体积水体中污染物的浓度）； u ——实测的对系统产生扰动的输入向量（如降雨量、排入水系的各种污染物等）； α——模型系数向量（如弥散系数、有机物降解系数）； ξ——状态变量、是动态随机变化的向量（系统的噪声，一般是不能确定性地观测到的）； η——输出的观测误差向量（即测量噪声）； t ——时间历程； k t ——第k 次观测的时间； y ∨ ——表示随着时间t 变化的输出向量y 4 灰箱模型的灵敏度分析 输出变量对模型的灵敏度系数'y s 定义为 'y y s α ?=? （4.1） 'y y s s y α = （4.2） 式中 α——模型的系数值
第10章系统动力学模型 系统动力学模型(System Dynamic)是社会、经济、规划、军事等许多领域进行战略研究的重要工具，如同物理实验室、化学实验室一样，也被称之为战略研究实验室，自从问世以来，可以说是硕果累累。 1 系统动力学概述 2 系统动力学的基础知识 3 系统动力学模型 第1节系统动力学概述 1.1 概念 系统动力学是一门分析研究复杂反馈系统动态行为的系统科学方法，它是系统科学的一个分支，也是一门沟通自然科学和社会科学领域的横向学科，实质上就是分析研究复杂反馈大系统的计算仿真方法。 系统动力学模型是指以系统动力学的理论与方法为指导，建立用以研究复杂地理系统动态行为的计算机仿真模型体系，其主要含义如下： 1 系统动力学模型的理论基础是系统动力学的理论和方法； 2 系统动力学模型的研究对象是复杂反馈大系统； 3 系统动力学模型的研究内容是社会经济系统发展的战略与决策问题，故称之为计算机仿真法的“战略与策略实验室”； 4 系统动力学模型的研究方法是计算机仿真实验法，但要有计算
机仿真语言DYNAMIC的支持，如：PD PLUS，VENSIM等的支持； 5 系统动力学模型的关键任务是建立系统动力学模型体系； 6 系统动力学模型的最终目的是社会经济系统中的战略与策略决策问题计算机仿真实验结果，即坐标图象和二维报表； 系统动力学模型建立的一般步骤是：明确问题，绘制因果关系图，绘制系统动力学模型流图，建立系统动力学模型，仿真实验，检验或修改模型或参数，战略分析与决策。 地理系统也是一个复杂的动态系统，因此，许多地理学者认为应用系统动力学进行地理研究将有极大潜力，并积极开展了区域发展，城市发展，环境规划等方面的推广应用工作，因此，各类地理系统动力学模型即应运而生。 1.2 发展概况 系统动力学是在20世纪50年代末由美国麻省理工学院史隆管理学院教授福雷斯特（JAY.W.FORRESTER）提出来的。目前，风靡全世界，成为社会科学重要实验手段，它已广泛应用于社会经济管理科技和生态灯各个领域。福雷斯特教授及其助手运用系统动力学方法对全球问题，城市发展，企业管理等领域进行了卓有成效的研究，接连发表了《工业动力学》，《城市动力学》，《世界动力学》，《增长的极限》等著作，引起了世界各国政府和科学家的普遍关注。 在我国关于系统动力学方面的研究始于1980年，后来，陆续做了大量的工作，主要表现如下： 1）人才培养
弹簧阻尼系统动力学模 型a m s仿真 集团文件发布号：（9816-UATWW-MWUB-WUNN-INNUL-DQQTY-
震源车系统动力学模型分析报告一、项目要求 1）独立完成1个应用Adams软件进行机械系统静力、运动、动力学分析问题，并完成一份分析报告。分析报告中要对所计算的问题和建模过程做简要分析，以图表形式分析计算结果。 2）上交分析报告和Adams的命令文件，命令文件要求清楚、简洁。 二、建立模型 1）启动admas，新建模型，设置工作环境。 对于这个模型，网格间距需要设置成更高的精度以满足要求。在ADAMS/View菜单栏中，选择设置（Setting）下拉菜单中的工作网格（WorkingGrid）命令。系统弹出设置工作网格对话框，将网格的尺寸(Size)中的X和Y分别设置成750mm和500mm，间距（Spacing）中的X和Y都设置成50mm。然后点击“OK”确定。如图2-1所表示。 图2-1设置工作网格对话框 2）在ADAMS/View零件库中选择矩形图标，参数选择为“onGround”，长度（Length）选择40cm高度Height为1.0cm，宽度Depth为30.0cm，建立系统的平台，如图2-2所示。以同样的方法，选择参数“NewPart”建立part-2、part-3、part-4，得到图形如2-3所示， 图2-2图2-3创建模型平台 3）施加弹簧拉力阻尼器，选择图标，根据需要输入弹簧的刚度系数K和粘滞阻尼系数C，选择弹簧作用的两个构件即可，施加后的结果如图2-4 图2-4创建弹簧阻尼器
4）添加约束，选择棱柱副图标，根据需要选择要添加约束的构件，添加约束后的模型如2-5所示。 图2-5添加约束 至此模型创建完成 三、模型仿真 1)、在无阻尼状态下，系统仅受重力作用自由振动，将最下层弹簧的刚度系数K设置为10，上层两个弹簧刚度系数均设置为3，小物块的支撑弹簧的刚度系数为4，阻尼均为0，进行仿真，点击图标，设置EndTime为5.0，StepSize为0.01，Steps为50，点击图标，开始仿真对所得数据进行分析。 选择物块的位移、速度、加速度与时间的图像如图3-1、3-2、3-3所示，经过傅里叶变换之后我们可以清楚地看到系统的各阶固有频率。 图3-1位移与时间图像以及FFT变换图像 图3-2速度与时间图像以及FFT变换图像 图3-3加速度与时间图像以及FFT变换图像 通过傅里叶变换，从图中可以看出系统为三阶系统，表现出三阶的固有频率，通过测量得到w1=2.72，w2=4.29，w3=6.15.。 2）为了更进一步验证系统的各阶固有频率，我们给系统施加一定频率的正弦激振力，使系统做受迫振动，观察系统的振动情况， （a）F1=50*sin(2*3.14*w1*time)时，物块振动的速度与时间的图像如3-4所示。 图3-4 F1作用下速度与时间图像以及FFT变换图像
环境系统数学模型引自文献《环境评价》1环境系统简化图: 图中，系统A的状态参数（变量）以节点x表示（例如污染物浓度），影响状态变量变化的系数以支叉a表示（例如水体弥散系数或化学动力学的速率常数等）这里，假设系统只有单一输入的扰动u和单一输出的结果y;真实的环境系统结构远较图中复杂。为简化问题，我们将环境系统简化成如上图所示。 2模型建立的目的 建立数学模型的目的，从理论上说是帮助人们理解环境系统的复杂的行为，并且对系统过去发生的行为进行解释；运用模型预测环境影响，则是以环境系统过去行为的规律来推断未来。 3灰箱模型建立 ?适用范围：当人们对所研究的环境要素或过程已有一定程度的了解但是又不完全清楚，或对其中一部分比较了解而对其他部分不甚清楚时，可以应用该模型。此模型多用于预测开发性对环境的物理、化学和生物过程为主的影响。在灰箱模型中，状态变量和输出常常是随时间变化的。 ?不失一般性，可以将（3.1）代表环境系统输出变量的动态过程，（3.2）代表离散地采集的系统状态及其输出的观察结果，在稳态下的输出结果以（3.3）表示。如下： y t = f ,x ,u 打t t （3.1） y t k 二h「x, ：；t" t k （3.2） y = g ：x,u,二（3.3） 式中x——状态变量的向量（如在一定体积水体中污染物的浓度）； u――实测的对系统产生扰动的输入向量（如降雨量、排入水系的各种污染物等）; G ――模型系数向量（如弥散系数、有机物降解系数）； ――状态变量、是动态随机变化的向量（系统的噪声，一般是不能确 定性地观测到的）； ――输出的观测误差向量（即测量噪声）； t ――时间历程；
系统动力学模型介绍 1.系统动力学的思想、方法 系统动力学对实际系统的构模和模拟是从系统的结构和功能两方面同时进行的。系统的结构是指系统所包含的各单元以及各单元之间的相互作用与相互关系。而系统的功能是指系统中各单元本身及各单元之间相互作用的秩序、结构和功能，分别表征了系统的组织和系统的行为，它们是相对独立的，又可以在—定条件下互相转化。所以在系统模拟时既要考虑到系统结构方面的要素又要考虑到系统功能方面的因素，才能比较准确地反映出实际系统的基本规律。系统动力学方法从构造系统最基本的微观结构入手构造系统模型。其中不仅要从功能方面考察模型的行为特性与实际系统中测量到的系统变量的各数据、图表的吻合程度，而且还要从结构方面考察模型中各单元相互联系和相互作用关系与实际系统结构的一致程度。模拟过程中所需的系统功能方面的信息，可以通过收集，分析系统的历史数据资料来获得，是属定量方面的信息，而所需的系统结构方面的信息则依赖于模型构造者对实际系统运动机制的认识和理解程度，其中也包含着大量的实际工作经验，是属定性方面的信息。因此，系统动力学对系统的结构和功能同时模拟的方法，实质上就是充分利用了实际系统定性和定量两方面的信息，并将它们有机地融合在一起，合理有效地构造出能较好地反映实际系统的模型。 2.建模原理与步骤
(1)建模原理 用系统动力学方法进行建模最根本的指导思想就是系统动力学的系统观和方法论。系统动力学认为系统具有整体性、相关性、等级性和相似性。系统内部的反馈结构和机制决定了系统的行为特性，任何复杂的大系统都可以由多个系统最基本的信息反馈回路按某种方式联结而成。系统动力学模型的系统目标就是针对实际应用情况，从变化和发展的角度去解决系统问题。系统动力学构模和模拟的一个最主要的特点，就是实现结构和功能的双模拟，因此系统分解与系统综合原则的正确贯彻必须贯穿于系统构模、模拟与测试的整个过程中。与其它模型一样，系统动力学模型也只是实际系统某些本质特征的简化和代表，而不是原原本本地翻译或复制。因此，在构造系统动力学模型的过程中，必须注意把握大局，抓主要矛盾，合理地定义系统变量和确定系统边界。系统动力学模型的一致性和有效性的检验，有一整套定性、定量的方法，如结构和参数的灵敏度分析，极端条件下的模拟试验和统计方法检验等等，但评价一个模型优劣程度的最终标准是客观实践，而实践的检验是长期的，不是一二次就可以完成的。因此，一个即使是精心构造出来的模型也必须在以后的应用中不断修改、不断完善，以适应实际系统新的变化和新的目标。 (2)建模步骤 系统动力学构模过程是一个认识问题和解决问题的过程，根据人们对客观事物认识的规律，这是一个波浪式前进、螺旋式上升的过程，因此它必须是一个由粗到细，由表及里，多次循环，不断深化的过程。系统动力学将整个构模过程归纳为系统分析、结构分析、模型建立、模型试验和模型使用五大步骤这五大步骤有一定的先后次序，但按照构模过程中的具体情况，它们又都是交叉、反复进行的。 第一步系统分析的主要任务是明确系统问题，广泛收集解决系统问题的有关数据、资料和信息，然后大致划定系统的边界。 第二步结构分析的注意力集中在系统的结构分解、确定系统变量和信息反馈机制。 第三步模型建立是系统结构的量化过程(建立模型方程进行量化)。 第四步模型试验是借助于计算机对模型进行模拟试验和调试，经过对模型各种性能指标的评估不断修改、完善模型。 第五步模型使用是在已经建立起来的模型上对系统问题进行定量的分析研究和做各种政策实验。 3.建模工具 系统动力学软件VENSIM PLE软件 4.建模方法 因果关系图法 在因果关系图中，各变量彼此之间的因果关系是用因果链来连接的。因果链是一个带箭头的实线(直线或弧线)，箭头方向表示因果关系的作用方向，箭头旁标有“+”或“-”号，分别表示两种极性的因果链。
第10 章系统动力学模型 系统动力学模型(System Dynamic)是社会、经济、规划、军事等许多领域进行战略研究的重要工具，如同物理实验室、化学实验室一样，也被称之为战略研究实验室，自从问世以来，可以说是硕果累累。 1 系统动力学概述 2 系统动力学的基础知识 3 系统动力学模型 第1 节系统动力学概述 1.1 概念系统动力学是一门分析研究复杂反馈系统动态行为的系统科学方法，它是系统科学的一个分支，也是一门沟通自然科学和社会科学领域的横向学科，实质上就是分析研究复杂反馈大系统的计算仿真方法。 系统动力学模型是指以系统动力学的理论与方法为指导，建立用以研究复杂地理系统动态行为的计算机仿真模型体系，其主要含义如下： 1 系统动力学模型的理论基础是系统动力学的理论和方法； 2 系统动力学模型的研究对象是复杂反馈大系统； 3 系统动力学模型的研究内容是社会经济系统发展的战略与决策问题，故称之为计算机仿真法的“战略与策略实验室” ； 4 系统动力学模型的研究方法是计算机仿真实验法，但要有计算 机仿真语言DYNAMIC勺支持，如：PD PLUS VENSIM等的支持； 5 系统动力学模型的关键任务是建立系统动力学模型体系； 6 系统动力学模型的最终目的是社会经济系统中的战略与策略决策问题计
算机仿真实验结果，即坐标图象和二维报表； 系统动力学模型建立的一般步骤是：明确问题，绘制因果关系图，绘制系统动力学模型流图，建立系统动力学模型，仿真实验，检验或修改模型或参数，战略分析与决策。 地理系统也是一个复杂的动态系统，因此，许多地理学者认为应用系统动力学进行地理研究将有极大潜力，并积极开展了区域发展，城市发展，环境规划等方面的推广应用工作，因此，各类地理系统动力学模型即应运而生。 1.2 发展概况 系统动力学是在20世纪50年代末由美国麻省理工学院史隆管理学院教授福雷斯特（JAY.W.FORRESTERI出来的。目前，风靡全世界，成为社会科学重要实验手段，它已广泛应用于社会经济管理科技和生态灯各个领域。福雷斯特教授及其助手运用系统动力学方法对全球问题，城市发展，企业管理等领域进行了卓有成效的研究，接连发表了《工业动力学》，《城市动力学》，《世界动力学》，《增长的极限》等著作，引起了世界各国政府和科学家的普遍关注。 在我国关于系统动力学方面的研究始于1980 年，后来，陆续做了大量的工作，主要表现如下： 1 ）人才培养 自从1980年以来，我国非常重视系统动力学人才的培养，主要采用“走出去，请进来”的办法。请进来就是请国外系统动力学专家来华讲学，走出去就是派留学生，如：首批派出去的复旦大学管理学院的王其藩教授等，另外，还多次举办了全国性的讲习班。 2 ）编译编写专著
| 论坛社区 《机械系统动力学仿真分析软件》(MSC.ADAMS.2005.R2)R2 资源分类： 软件/行业软件 发布者： Coolload 发布时间： 2005-12-18 20:22 最新更新时间： 2005-12-19 07:04 浏览次数： 14548 实用链接： 收藏此页 eMule资源 下面是用户共享的文件列表，安装eMule后，您可以点击这些文件名进行下载 [机械系统动力学仿真分析软件].[$u]MSC.ADAMS.2005.R2.rar201.2MB [机械系统动力学仿真分析软 295.4MB 件].MSC_ADAMS_V2005_ISO-LND-CD1.iso [机械系统动力学仿真分析软185.0MB
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第三部分 大环境系统模型——环境质量基本模型 计算题 1、河流中稳定排放污水，污水排放量)(q 为·s -1，污水中BOD 5=30mg·L -1，河流径流量)(Q m 3·s -1，河水平均流速)(x u 为 m 3·s -1，河水BOD 5的本底浓度为 mg·L -1。已知，BOD 5的衰减速率常数12.0-=d k ，弥散系数1210-?=s m D x 。试求排放点下游10km 处BOD 5的浓度。 解（1）求起始点的5BOD 初始浓度 根据一维稳态初始浓度式，有（P36） 12 ,c q i o Q c c Q q += + q —污水流量 5.50.50.1530 0.15 5.5 ?+?= + 11.2832()mg L -=? ~ （2）求下游10km 处的5BOD 浓度 a.河流推流和弥散共同作用下的i c ,任一维稳态浓度分布公式，有： ,exp 12x i i o x u x c c D ?? ?=? ? ??? ?? （P36） （3） 30.310101.2832exp 1210?? ???=-?? ?????? 11.18793()mg L -=? b.忽略弥散作用，只考虑推流的i c ,exp i i o x kx c c u ?? =- ??? P36（4） ()310.2/8640010101.2832exp 0.31.18791() mg L -?? ??=-?? ??=?
} 由题可见，在稳态条件下，考虑和忽略弥散，两者的计算结果几乎一致，说明存在对流作用时。纵向弥散对污染物的影响可忽略。 2、连续点源排放，源强为50g.s -1，河流水深m .h 51=，流速-130s .m .u x =，横向弥散系数-125s .m D y =，污染衰减速率常数0=k 。试求： ⑴在无边界的情况下，)102000()(m ,m y ,x =处污染物的浓度； ⑵在边界上排放，环境宽度无限大时，)102000()(m ,m y ,x =处的污染物浓度； ⑶在边界上排放，环境宽度m B 100=时，)102000()(m ,m y ,x =处的污染物浓度。 解（1）依无边界条件下二维的连续点源稳态排放公式 若忽略横向流速y u =0，且纵向扩散的影响远小于推（对）流的影响0x D =P38（4）无边界 ( 2(,)exp 4x i y x u y kx c x y D x u ????=--?? ??????? 则：20.310(2000,10)1452000i c ???=-??????? 10.17()mg L -=? （2）边界排放，环境宽度无限大的i c 依公式（5） 2exp 4x i y x u y kx c D x u ????=--?? ??????? 即此种情况下i c 为（1）的2倍 故21(2000,10)2(2000,10)0.34()i i c c mg L -==?（）（1） （3）边界上排放，且B=100m 时的i c 公式（6） :
第一章 掌握系统工程解决问题的基本步骤： ①系统地提出问题，明确其目标和范围； ②选择评价系统功能的指标或目标函数； ③明确系统的组成因素，提出各种可选用的方案； ④建立数学模式或进行数学模拟； ⑤分析模式特点，确定选优方法，使系统最优化； ⑥按选定的最优方案，建立环境污染控制系统。 掌握系统分析的过程方法： 分解和综合是系统分析的基本方法； 分解：研究和描述组成系统的各个要素的特征，掌握各要素的变化规律。 模型化过程，研究描述环境系统主要功能的逻辑模式(定性的)和数学模式(定量的)； 综合：研究各要素之间的联系和有机组合，达到系统的总目标最优。 最优化过程，利用数学模式进行最优化分析。 记住环境系统工程的定义： 定义：以环境质量的变化规律、污染物对人体和生态的影响、环境自净能力以及有关环境工程技术原理为依据， 运用系统工程学的理论和方法， 研究如何建立起一个合理的环境污染预防/控制系统的数学模型， 并研究如何利用它来分析各种污染控制过程可调因素（或各种可替换方案）对环境目标或费用、能耗等的影响， 以及寻求最优决策方案。。 第二章 掌握数学模型的建立过程、方法： 分类：白箱模型（机理模型）、黑箱模型（经验模型）、灰箱模型（半机理半经验模型） 过程：数据收集-模型结构选择-参数估值-模型检验 参数的估计方法：图解法、一元线性回归、多元线性性回归、最优化法 模型的检验与验证：图形法、相关系数法、相对误差法 灵敏度分析：状态\目标对参数的灵敏度、目标对状态的灵敏度 第三章 污染物在环境介质中的运动特征： 推流迁移、分散（分子扩散、湍流扩散、弥散）、衰减和转化 环境质量基本模型： 零维模型（认为排放的污染物或其他物质进入该环境单元后，很快混合均匀，单元内污染物
水体污染：当污染物进入河流、湖泊、海洋或地下水等水体后，其含量超过了水体的自然净化能力，使水体的水质和水体底质的物理、化学性质或生物群落组成发生变化，从而降低了水体的使用价值和使用功能的现象，被称为水体污染。 地下水污染：主要是指由于人类活动引起的地下水化学成分、物理性质和生物学特性改变而使质量下降的现象。 污染治理；水环境系统：地下水污染< < －> > 地表水污染；地下水污染：滞后＋持久＋难以修复（一个污染场地平均3000 万美元）；地下水污染严重影响经济社会可持续发展。 中国水资源水环境研究与工程实践的中心问题：1. 水资源有效、安全利用2. 水环境、生态系统污染过程及其环境影响/ 风险评价3. 水污染优化控制/ 系统优化管理4. 水环境、生态系统修复===> 皆需定量评价===> 模拟方法( 尤其是对地下水环境系统) 9. 在环境保护中为什么必须全面系统地考虑整个水环境系统，包括地下水与地表水？ 现有研究成果充分表明点源、非点源污染物完全可通过先污染地下水并在其中扩散、传递进而排泄到地表水体将其污染，从而导致环境生态破坏、降低地表水水质。在环境保护中为什么必须全面系统地考虑整个水环境系统，包括地下水与地表水？地表水与地下水是有着直接的联系，它们或者直接相通，由地下水补给地表水或地表水补给地下水，或地表水通过底层渗透或者裂隙进入地下水。在这些过程中，污染物以水为载体，在地下水与地表水之间进行迁移转化，地下水与地表水环境差异大，污染物在各自的迁移转化状况不同，但是它们同属于水环境系统，不应该被分割来分析。 7. 地下水污染的特征。 具有普遍性、时空可变性、系统性与影响的广泛性、复杂性（PCE/TCE/DDT）、滞后性（经过一定迁移）、持久性（消除影响需要时间长）、修复的艰难性(USA superfund sites: 平均3000 万美元)、定量评价的可行性与超前优化调控的必要性。{地下水污染对整个水环境及生态系统的影响至关重要。地下水污染的普遍性、系统性、复杂性、滞后性、持久性、修复的艰难性等特征决定其对经济社会可持续发展的影响极大。地下水污染环境风险定量评价可行、必要，超前优化调控意义重大（模拟手段）。地下水污染环境研究不是简单的几个学科交叉问题，而是许多学科复杂有机的整合。} 1.水环境科学与工程面临什么样的机遇与挑战？ 中国水资源分布不均衡，水资源短缺；水环境污染严重；国策：走可持续发展之路，不走先污染后治理老路；水资源水环境问题严重影响社会经济可持续发展；法律法规不断健全与全面实施－－－谁污染谁负责治理；国家重视、严控，国家、地方、业主水环境保护投资力度不断加大－像８、９钟的太阳！；水资源可持续利用与水环境污染有效控制必需要“四化”；系统性强、问题复杂、多学科交叉技术、人才储备不足。 12.正确与全面理解水环境系统概念。 水环境：地球上分布的各种水体以及与其密切相连的诸环境要素，如河床、植被、土壤等；水环境主要由地表水环境与地下水环境两部分组成。
1.水环境科学面临什么样的机遇与挑战？ 中国水资源分布不均衡，水资源短缺 水环境污染严重 国策：走可持续发展之路，不走先污染后治理老路 水资源水环境问题严重影响社会经济可持续发展 法律法规不断健全与全面实施－－－谁污染谁负责治理 国家重视、严控，国家、地方、业主水环境保护投资力度不断加大－像８、９钟的太阳！水资源可持续利用与水环境污染有效控制必需要“四化”信息化、系统化、量化、优化 系统性强、问题复杂、多学科交叉 技术、人才储备不足 2.说明达西公式在水环境定量评价中的应用意义。 在达西定律中，渗透流速V 与水力梯度I 的一次方成正比，多次实验表明，只有雷诺数（Re）小于1 —10 之间某一数值的层流运动才服从达西定律，因此，只要确定公式中任意两个量就可以推导出第三个量。其工程意义：判断水库是否发生渗漏；库水位的极限高度；指导野外调查； 3.从水环境评价与保护角度如何看待地下水渗透的滞缓性？ 地下水渗透的缓滞性使得污染物在其中扩散缓慢，但是一旦地下水受到污染，那将很难修复。 4.弱透水层的水环境意义是什么？ 弱透水层对于其上层来说，意义不大，对其下层，承压水则时情况而定，在一般的供排水中它们所能提供的水量微不足道，似乎可以看作隔水层；但是，在发生越流时，由于驱动水流的水力梯度大且发生渗透的过水断面很大（等于弱透水层分布范围），因此，相邻含水层通过弱透水层交换的水量相当大，这时把它称作隔水层就不合适了。就是说，弱透水层对水及其污染物有一定的阻隔作用，其作用大小就要视水力梯度大小而定。 5.简述水环境调查方法与研究内容。 （1）.Development of conceptual model: Geology, Hydrology, and Chemistry; （2）. Unsaturated source zone characteristics （3）. Groundwater plum characteristics （4）. Two-stage site investigation approach：(A). Unsaturated source zone characterization (B).Groundwater contaminant plume delineation 6. 阐述水环境模拟在环境、生态保护中的重要作用。 通过一定的方法，获得水环境系统中污染物时空变化的规律并进行量化，根据目前的水质状况，污染物迁移转化规律以及今后可能的污染源发生情况来预测今后水体质量的变化情况，为环境保护规划提供科学依据。另外，水环境模拟对地表水、地下水流量和流速进行定量预测，有利于水资源的利用与有效管理。 7、地下水污染的特征。 地下水污染的普遍性、系统性、复杂性、滞后性、持久性、修复的艰难性 8. 从我国从可持续发展战略出发阐述水环境模拟预测的意义。 9. 在环境保护中为什么必须全面系统地考虑整个水环境系统，包括地下水与地表水？ 地表水与地下水是有着直接的联系，它们或者直接相通，由地下水补给地表水或地表水补给地下水，或地表水通过底层渗透或者裂隙进入地下水。在这些过程中，污染物以水为载体，在地下水与地表水之间进行迁移转化，地下水与地表水环境差异大，污染物在各自的迁移转化状况不同，但是它们同属于水环境系统，不应该被分割来分析。 10.地下水污染物运移中的主要过程及其环境学意义？ 地下水污染物迁移的主要过程包括平流、扩散、弥散、吸附、生物降解以及化学反应。平流、
环境系统数学模型 引自 文献《环境评价》 1 环境系统简化图： 图中，系统A 的状态参数（变量）以节点x 表示（例如污染物浓度），影响状态变量变化的系数以支叉α表示（例如水体弥散系数或化学动力学的速率常数等），这里，假设系统只有单一输入的扰动u 和单一输出的结果y ；真实的环境系统结构远较图中复杂。为简化问题，我们将环境系统简化成如上图所示。 2 模型建立的目的 建立数学模型的目的，从理论上说是帮助人们理解环境系统的复杂的行为，并且对系统过去发生的行为进行解释；运用模型预测环境影响，则是以环境系统过去行为的规律来推断未来。 3 灰箱模型建立 ·适用范围：当人们对所研究的环境要素或过程已有一定程度的了解但是又不完全清楚，或对其中一部分比较了解而对其他部分不甚清楚时，可以应用该模型。此模型多用于预测开发性对环境的物理、化学和生物过程为主的影响。在灰箱模型中，状态变量和输出常常是随时间变化的。 ·不失一般性，可以将（3.1）代表环境系统输出变量的动态过程，（3.2）代表离散地采集的系统状态及其输出的观察结果，在稳态下的输出结果以（3.3）表示。如下： (){}(),,;y t f x u t t αξ∨ =+ （3.1） (){}(),;k k k y t h x t t αη=+ （3.2） {},,y g x u α= （3.3） 式中 x ——状态变量的向量（如在一定体积水体中污染物的浓度）； u ——实测的对系统产生扰动的输入向量（如降雨量、排入水系的各种污染物等）； α——模型系数向量（如弥散系数、有机物降解系数）； ξ——状态变量、是动态随机变化的向量（系统的噪声，一般是不能确定性地观测到的）；
《环境系统分析A》 课程设计 姓名 学号 专业名称 提交日期 2016年1月12日
第一章任务书 (3) 1.1课程设计目的 (3) 1.2课程设计要求 (3) 1.2.1环境质量要求 (3) 1.2.2报告主要研究内容 (3) 第二章课程设计内容 (4) 2.1总论 (4) 2.1.1设计依据 (4) 2.1.2评价因子 (4) 2.2项目 (4) 2.2.1热电厂 (4) 2.2.1.1背景介绍 (4) 2.2.1.2模型运用 (6) 2.2.1.3分析模型 (8) 2．2.2污水厂 (8) 2.2.2.1背景介绍 (8) 2.2.2.2模型运用 (9) ①污水厂处理前水质 (9) ②污水厂处理后 (11) 2.2.2.3分析模型 (11) 第三章应对措施 (12) 3.1对热电厂所采取的措施 (12) 3.1.1增加烟囱物理高度 (12) 3.1.2使用除硫除尘设备: (12) 3.1.3其他措施 (13) 3.2对污水处理采取的措施 (13) 第四章课程设计总结 (14) 第五章附录 (15) 5.1小组分工 (15) 5.2大气环境质量标准（部分） (16) 5.3地表水环境质量标准（部分） (16)
第一章任务书 1.1课程设计目的 环境系统分析以模型化为手段描述环境系统的特征，模拟和揭示环境系统分析的发展与变化规律，并通过最优化对系统的结构与运行做出最佳选择。而本课程设计是《环境系统分析》课程学习之后的设计训练，目的在于让学生们把理论运用于实践。设计内容主要在以前布置的水环境质量模式与大气环境质量模式大作业的工作基础上展开。通过课程设计，可以了解求“水环境污染物”与“大气环境污染物”的污染贡献估算所需的主要资料、应做的主要工作、所用的主要模式、工作的一般步骤等等，并锻炼在微机上求解的实际工作能力。 1.2课程设计要求 1.2.1环境质量要求 某城郊区域（假设原来无任何大气和水污染物）要进行国家级经济开发示范建设，先行开发项目有污水处理厂和热电厂，为保证开发区的大气环境质量和水环境质量达标，必须对该二厂排放的大气污染物和水污染物进行控制。 控制标准如下： （1）大气环境质量控制在国家一级标准 （2）水环境质量控制在地表水III类标准 1.2.2报告主要研究内容 （1）调查、统计水、大气环境资料。 （2）使用相应的河流/水质模型以及大气质量模型进行水环境质量、大气环境质量（污染状况）分析，并做出相应的计算过程。 （3）列举污染预测结果为保证达标需要采取的相应的措施手段。 （4）课程设计的结果分析、结论及讨论。
第九章水环境规划 第一节规划的原则与依据 一、规划目标与水功能区划分 水环境规划的主要目标是通过对水污染物排放的合理组织与控制，保证水体的水质满足人类生活、生产，以及生态与景观的需求。一般说来，水环境规划是一个多目标规划，涉及生态环境、经济技术、社会生活的各个方面。作为一个具体规划，其主要的目标是水质和实现水质目标的费用。 人们对水质的需求体现在水功能区目标上。水功能区是指为满足水资源开发和有效保护的需求，根据自然条件、功能要求、开发利用现状，按照流域综合规划、水资源保护规划和经济社会发展要求，在相应水域按其主导功能划定并执行相应质量标准的特定区域。 地表水的水功能区一般分为水功能一级区和水功能二级区。水功能一级区分为保护区、缓冲区、开发利用区和保留区四类。在水功能一级区中的开发利用区中又可以划分为七类二级区，它们是：饮用水源区、工业用水区、农业用水区、渔业用水区、景观娱乐用水区、过渡区和排污控制区。每一类水功能区都对应特定的水质标准（表9-1）。 水功能区的划分是水环境质量标准在具体水域的具体应用，是水环境规划的依据。水功能区的划分需要遵循“自上而下”的原则，即从流域层次上制订宏观的功能区划，然后从区域或城市的角度制订具体的功能区划。
表9-1 水功能区划分的条件指标和水质标准 二、水环境容量与允许排放量 环境容量一词早先用于描述某一地区的环境对人口增长和经济发展的承载能力。20世纪70年代初，针对当时的环境污染和公害肆 一级区 二级区 区划条件 区划指标 执行水质标准 保护区 国家级、省级自然保护区；具有典型意义的自然生境；大型调水工程水源地；重要河流的源头 集水面积、水量、 调水量、水质级别 I ～Ⅱ级或维持现状 缓冲区 跨地区边界的河流、湖泊的边界水域；用水矛盾突出的地区之间的水域 省界断面水域；矛盾突出的水域 按实际需要执行相关标准或按现状控制 饮用水源区 现有城镇生活用水取水口较集中 的水域；规划水平年内设置城镇供水 的水域 城镇人口、取水量、取水口分布等 Ⅱ～Ⅲ类 工业用水区 现有或规划水平年内设置的矿企业生产用水集中取水地 工业产值、取水总囊、取水口分布等 Ⅳ类 农业用水区 现有或规划水平年内需要设置的农业灌溉集中取水地 灌区面积、取水总量、取水口分布等 V 类 开发利用区 渔业用水区 自然形成的鱼、虾蟹、贝等水生生物的产卵场、索饵场。越冬场及回游通道天然水域中人工营造的水生生物养殖场 渔业生产条件及 生产状况 《渔业水质标准》并参照执行Ⅱ～Ⅲ类 景观娱乐 用水区 休闲、度假、娱乐、水上运动所涉及的水域；风景名胜区所涉及的水域 景观、娱乐类型、 规模、用水量 执行《景观娱乐用 水水质标准》或Ⅲ～Ⅳ 类 过渡区 下游用水的水质高于上游水质状况，有双向水流且水质要求不同的相邻劝能区之间的水域 水质、水量 出流断面水质达到相邻功能区的水质要求 排污控制区 接受含可稀释、降解污染物的污水的水域；水域的稀释自净能力较 强，有能力接纳污水的水域 污水量、污水水质、排污口的分布 出流断面水质达到相邻功能区的水质要求 保留区 受人类活动影响较少、水资源开 发利用程度较低的水域；目前不具备开发条件的水域；预留今后发展的水资源区 水域水质及其周边的人口产值、用水量等 按现状水质控制
《水环境模拟》课程设计报告基于HSPF水文水质模型研究综述 班级0254121 专业水文与水资源工程 姓名陈玉超 学号025412125 指导教师梁峰；吴俊峰 市政与环境工程学院 2014年6月20日
河南城建学院本科课程设计 摘要 水环境作为一个开放的巨系统,充满着来自各方面的不确定因素,包括其内在的污染物在水中的扩散、迁移、沉淀、生物分解等物理、化学、生物与其综合作用的影响外,还包括种种来自于自然界、人类等外来条件的干扰。这就给水质规律方面的研究带来了很大困难。为了提高研宄者对水环境的认识并做出更加切合实际的决策,就需要借助水质模型来定量化水质变化过程，其在一定程度上能够定量反映水质变化规律。本文简单介绍了水质模型的分类和国内外研究现状,重点以HSPF( Hydrological Simulation Program-Fortran)水质模型为研究对象，探讨了其国内外的发展历史，结构和功能，以及在非点源水环境污染中的应用。最后，对HSPF水质模型研究方向进行了展望。 关键词：水质模型；HSPF模型；非点源；研究进展
河南城建学院本科课程设计 Abstract Water environment is a huge and open system, the uncertain factors from various aspects, including diffusion, the contaminants in the water migration, precipitation, biological decomposition, chemical, biological and physical interaction, including interference from all in nature, human and other external conditions. This has brought great difficulties to the research on water quality of. In order to improve the research on the knowledge of the water environment and make more realistic decision, we need the help of water quality model to quantify the variation process of water quality, which can quantitatively reflect the variation of water quality in a certain extent. This paper introduces the model of water quality classification and research status at home and abroad, focusing on HSPF (Hydrological Simulation Program-Fortran) water quality model as the research object, discusses the domestic and international development history, structure and function, and the application in water environment pollution. Finally, the research orientation of HSPF water quality model is discussed. Keywords:water quality model; HSPF model; non-point source; research progress
系统动力学模型介绍 1、系统动力学的思想、方法 系统动力学对实际系统的构模与模拟就是从系统的结构与功能两方面同时进行的。系统的结构就是指系统所包含的各单元以及各单元之间的相互作用与相互关系。而系统的功能就是指系统中各单元本身及各单元之间相互作用的秩序、结构与功能,分别表征了系统的组织与系统的行为,它们就是相对独立的,又可以在—定条件下互相转化。所以在系统模拟时既要考虑到系统结构方面的要素又要考虑到系统功能方面的因素,才能比较准确地反映出实际系统的基本规律。系统动力学方法从构造系统最基本的微观结构入手构造系统模型。其中不仅要从功能方面考察模型的行为特性与实际系统中测量到的系统变量的各数据、图表的吻合程度,而且还要从结构方面考察模型中各单元相互联系与相互作用关系与实际系统结构的一致程度。模拟过程中所需的系统功能方面的信息,可以通过收集,分析系统的历史数据资料来获得,就是属定量方面的信息,而所需的系统结构方面的信息则依赖于模型构造者对实际系统运动机制的认识与理解程度,其中也包含着大量的实际工作经验,就是属定性方面的信息。因此,系统动力学对系统的结构与功能同时模拟的方法,实质上就就是充分利用了实际系统定性与定量两方面的信息,并将它们有机地融合在一起,合理有效地构造出能较好地反映实际系统的模型。 2、建模原理与步骤 (1)建模原理
用系统动力学方法进行建模最根本的指导思想就就是系统动力学的系统观与方法论。系统动力学认为系统具有整体性、相关性、等级性与相似性。系统内部的反馈结构与机制决定了系统的行为特性,任何复杂的大系统都可以由多个系统最基本的信息反馈回路按某种方式联结而成。系统动力学模型的系统目标就就是针对实际应用情况,从变化与发展的角度去解决系统问题。系统动力学构模与模拟的一个最主要的特点,就就是实现结构与功能的双模拟,因此系统分解与系统综合原则的正确贯彻必须贯穿于系统构模、模拟与测试的整个过程中。与其它模型一样,系统动力学模型也只就是实际系统某些本质特征的简化与代表,而不就是原原本本地翻译或复制。因此,在构造系统动力学模型的过程中,必须注意把握大局,抓主要矛盾,合理地定义系统变量与确定系统边界。系统动力学模型的一致性与有效性的检验,有一整套定性、定量的方法,如结构与参数的灵敏度分析,极端条件下的模拟试验与统计方法检验等等,但评价一个模型优劣程度的最终标准就是客观实践,而实践的检验就是长期的,不就是一二次就可以完成的。因此,一个即使就是精心构造出来的模型也必须在以后的应用中不断修改、不断完善,以适应实际系统新的变化与新的目标。 (2)建模步骤 系统动力学构模过程就是一个认识问题与解决问题的过程,根据人们对客观事物认识的规律,这就是一个波浪式前进、螺旋式上升的过程,因此它必须就是一个由粗到细,由表及里,多次循环,不断深化的过程。系统动力学将整个构模过程归纳为系统分析、结构分析、模型建立、模型试验与模型使用五大步骤这五大步骤有一定的先后次序,但按照构模过程中的具体情况,它们又都就是交叉、反复进行的。 第一步系统分析的主要任务就是明确系统问题,广泛收集解决系统问题的有关数据、资料与信息,然后大致划定系统的边界。 第二步结构分析的注意力集中在系统的结构分解、确定系统变量与信息反馈机制。 第三步模型建立就是系统结构的量化过程(建立模型方程进行量化)。 第四步模型试验就是借助于计算机对模型进行模拟试验与调试,经过对模型各种性能指标的评估不断修改、完善模型。 第五步模型使用就是在已经建立起来的模型上对系统问题进行定量的分析研究与做各种政策实验。 3、建模工具 系统动力学软件VENSIM PLE软件 4、建模方法 因果关系图法 在因果关系图中,各变量彼此之间的因果关系就是用因果链来连接的。因果链就是一个带箭头的实线(直线或弧线),箭头方向表示因果关系的作用方向,箭头旁标有“+”或“-”号,分别表示两种极性的因果链。 a.正向因果链A→+B:表示原因A的变化(增或减)引起结果B在同一方向上发生变化(增或减)。