环境系统分析PPT第1讲(1)

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2、环境系统分析的理论基础和专门技术基础：
n 理论基础：环境科学、环境经济学、环境工 程学和系统工程学的基本理论（如运筹学）
n 专门技术基础：数学建模、计算科学、环境 影响评估方法、生命周期评估、系统化的图 与网络分析方法。
计算科学主要涉及各种数值求解算法和优化方法。
3、环境系统的分类与组成 n 在研究人与环境这个矛盾的统一体时，把
由两个或两个以上的与环境污染及控制有 关的要素组成的有机整体称为环境系统。 n 常见分类方法及相应的系统：
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n 从协调经济与环境关系的角度来看： 一个城市或一个区域可分解成三个系统：
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由三个子系统组成： n l 工业：产业结构、技术结构、布局结构 n l 生活 n l 交通
2、环境问题定量系统分析的必要性
过去定性分析多，定量分析少，而由 于环境问题的复杂性和上述特点，更有必 要对所考虑对象作定量的系统分析，以便 实现最优控制和设计规划。
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首先举一个简单子系统的例子：
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现提出的可供考虑的治理方法为城市 污水经一级处理（最大可能削减量为31.8吨 BOD5/日及相应费用已知9000万元）或二级 处理（最大可能削减量84.8吨BOD5/日及相 应费用已知36500万元），制糖厂污水的综 合治理（最大可能削减量为48吨BOD5/日及 相应费用已知3300万元）。
1、环境问题的特点： n 跨领域：社会学、工程学、经济学、生
态学、环境化学、环境地理学、环境物 理学等。 n 多系统：①自然保护系统、环境管理系 统、监测、污染控制系统。 ②污染源发 生、处理系统。这些系统又互相联系、 互相作用。 n 多层次：流域环境系统、区域环境系统、 城市环境系统、水、气、声污染控制系 统等等不同层次的系统。
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n 环境系统问题也与此类同，只是由于条件、 任务、目标不同，对某一治理单元设备盲 目要求高的处理指标未必能改善环境效益， 也许是徒劳。对于标准的制定也同样有系 统问题。
n 系统分析的过程是对系统的分解和综合， 系统分解和综合的过程都要建立和运用数 学模型，定量分析是必要的。
⑤系统的可维护性（长期运行过程中应便于维护管 理）
⑥系统的外部影响（对诸如生态平衡影响、资源和 能源消耗等）
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n 设计实施：根据最优化结果进行实施控 制，包括建立具体实施方案和具体实施 行动。 环境系统分析为环境系统工程中除 规划准备和设计实施步骤外的四个步骤 所包含内容。
n 从系统的定义可知系统具有以下四个基本 特征：
1.集合性
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。（例如球队组成）
2.相关性
系统内各要素既相互作用又相互联系， 构成有机整体。
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多因素：多输入、多变量。（多变污染源， 迁移转化影响因素多）
随机性：时间、空间、数量上均带有随机 性。
多目标：有时是费用、质量等同时寻优。
动态的：随时间在变化，周期性很长的开 放性的系统（与周围环境有关）
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∴只靠单项技术已不能圆满解决环境问题， 更不能达到最优，必须综合分析，系统设 计规划，这就需借助系统工程处理法。
美、日进行“用系统工程方法防治环 境污染”的科技协作
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1977年，日本京都大学工学院高松武一郎 教授、日本国立公害研究所综合分析部主 任研究员内藤正明、和美国堪萨斯州州立 大学，林三方教授三人合编了《环境系统 工程》一书。
1978年，美、英、澳、加、挪等国二十几 名专家联合编写了“水污染控制的数学模 式”
近年来，又出现了许多研究成果。
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国内是1985年起步的 1985年，清华大学付国伟教授出版了 《水污染控制系统规划》一书
同年南京大学出版社出版了左玉辉教授 编的《环境系统工程导论》一书
1990年清华大学程声通教授出版了《水 污染控制系统规划》一书
此后又陆续出版了许多有关专著和书籍。
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二、环境系统分析的理论基础和专门技术基础
1、环境系统分析的定义：
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。
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值得一提的是：我国1972年在斯德 哥尔摩人类环境会议上就提出“全面规 划、合理布局、综合利用、化害为利、 依靠群众、大家动手、保护环境、造福 人民”的32字环保工作方针 ，充分体现 了系统思想。
但在具体系统分析上还有较大差距 （生产力发展水平、经济基础、管理水 平等原因）
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三、系统分析的基本要素和准则 1．系统分析的基本要素（6个） a.目标
明确所期望达到的目标及其选择该目标的 原因。 b.可行性方案 即可采取的各种手段和措施（多个） c.模型 描述所研究对象及其过程的某一方面的本 质属性。
它是对现实系统的抽象描述。它是由一些 与所分析的问题有关的主要因素所构成。 它表 明这些有关因素之间的关系。
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n 系统分析过程和传统的工程学科方法不同， 它除了要研究系统中各要素的具体性质，解 决系统要素的具体问题之外（分解），还着 重研究和揭示各个要素的有机联系，特别是 研究如何使得系统中各个要素的关系协调融 洽，达到系统总目标最优的目的。（综合）
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5分钟 6分钟 5分钟 7分钟 12分钟 7分钟 ②系统综合：找出各部分的相互联系及制约 如：先后次序的限制；工作转换的间隙；人手
的忙闲；炉子的忙闲等。
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③运用系统工程方法求解：（作图法）
只需26分钟完成全部工作，若6件事连 着做，则需42分钟，未增加劳动强度及先进 设备就节省38%的时间。
问题：采取何种治理方案（上述三种 方法各应承担的削减量为多少时）才能既使 排放总量削减到允许排放量以下，又使总的 治理费用最小。
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运用系统分析方法可得：84%的城市 污水经一级处理且制糖厂污水按最大可能 削减量处理即可达标排放，且可达最低费 用10855万元。
这仅是一个简单小系统问题，显然， 对于一个大系统，多变量，多输入的环境 问题，将越显示出环境系统工程的作用， 当然相应的求解也越难。
n 系统的定义：
“极其复杂的研究对象，即由相互作用和 相互依赖的若干组成部分组合成的具有特 定功能的有机整体，而且这个‘系统’本 身又是它所从属的一个更大系统的组成部 分”
（钱学森教授撇开了系统的具体物质运动形态，仅 从整体和部分之间的相互关系来考察而给出的 “系统”的定义）
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n 电子计算机的应用使这种求解得以实现，且 已成为不可缺少的重要手段，它不仅仅是一 个计算工具，而且是一种对系统进行模拟的 实验设备。
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3、最优化方法的选用 n 对确定性问题，可采用线性规划、 动态 规划、非线性规划、整体规划等。 n 对非确定性问题，可用马尔可夫过程， 排队论，对策论等方法进行最优化。 n 有的系统优化问题还应用网络理论、图 论和模糊数学等进行最优化。
n 最优化：选择目标函数，建立评价标准， 建立最优模型，最优求解，综合决策。
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n 系统评价，主要因素包括： ①系统的功能（所起作用与所应完成的任务） ②系统的费用（寻求低费用）
③系统的可靠性（系统的各层次和组成部分，在预 定期限和正常条件下，运行成功的概率）。
④系统实现的时间（建立一个系统所需的时间）
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更重要的是，系统分析的结果还揭示提 高效率的关键所在，这方面的意义远远超 过前者。
通过上面系统分析，可提出进一步缩 短总时间的可能性，如：烧水和淘米要同 步加快，洗菜、切菜要和烧饭同步加快， 炒菜可单独加快，以免盲目加快无效果， 如：单纯地提高洗菜速度就不能节省总时 间，仍需26分钟。
3.目的性
系统特别是人造系统都具有目的性， 要达到规定的目的，系统都具有一定的功 能，目前一些尚不能控制和改造的自然系 统不属于此。
4. 环境适应性
任何一个系统都存在于一定的物质环 境中，必须适应外部环境（信息、物质、 气象等等）的变化。
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一、环境问题的系统工程处理法
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四、环境系统分析发展简况及主要参考书目
1、发展简况
本世纪60年代后期，美、日、英开始这 方面的研究。
1972 年 ， 美 环 境 工 程 教 授 协 会 发 表 《 环 境工程的数学模式化》
1973年，美国克雷姆逊大学环境系统 程 学 教 授 L.G.Rich 编 著 出 版 《 环 境 系 统 工程》一书。
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、环境容量。
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n 相应地存在三类措施来协调经济建设与环 境建设的关系，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） 这三类措施是制定环境规划的基本依据。