02环境系统分析概念

环境系统分析主讲:李晓东2010.5绪论环境系统分析==环境科学+系统分析方法学环境系统工程==环境科学+系统工程学系统工程==系统分析+设计实施课程开设的目的建立和强化系统意识了解系统分析方法学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）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。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。一、环境问题的系统工程处理法1、环境问题的特点：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。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。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。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）∴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。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。首先举一个简单子系统的例子：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）。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。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。运用系统分析方法观察、分析、设计、控制、管理和协调所要求处理的事物将受益匪浅。再举一个浅近的例子：一个人，只有一个炉子，准备一顿饭菜。目标是耗费时间最少。运用系统分析的思路为：系统分解--系统综合--运用系统工程方法求解①系统分解，初估各单项任务所需时间如：淘米洗菜切菜烧水烧饭炒菜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。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。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。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。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。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）3、环境系统的分类与组成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。常见分类方法及相应的系统：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：l工业：产业结构、技术结构、布局结构l生活l交通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。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。三系统、三结构、三个量将经济发展、技术改造、城市规划、水利规划、能源规划与环境建设有机地联系起来，在三类措施研究的基础上，形成多种总体方案，寻优以协调经济建设、城乡建设和环境建设的关系，这就是环境规划的基本思路，这一过程的实现依赖于环境系统分析。4、环境系统工程的思路结构系统化：通过基础资料，污染源调查，环境质量和影响评价，明确污染控制问题和目标，提出各种可供选择方案及各要素的相互制约与联系，进行系统分析与综合。模型化：建立模型进行模拟，包括模型结构识别，参数估计，模型误差检验和灵敏度分析，模型应用等。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。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）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）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。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。2、环境系统分析的理论基础和专门技术基础：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）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。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。3、最优化方法的选用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。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。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。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。d.费用方案实施的实际支出，还要考虑非货币支出的费用。e.效果效益和有效性（达到目的所取得的成果）（其中效益是货币尺度，有效性是货币以外的指标）f.评价标准衡量可行性方案优劣的指标。2、系统分析的准则（四条）a.外部条件与内部条件相结合b.当前利益与长远利益相结合c.局部利益和整体利益相结合d.定量分析与定性分析相结合四、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工程学教授L.G.Rich编著出版《环境系统工程》一书。美、日进行“用系统工程方法防治环境污染”的科技协作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。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。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）定义：由两个或两个以上相互独立又相互制约的、执行特定功能的元素组成的有机整体。钱学森:系统是由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合的具有特定功能的有机整体。2.1.1系统系统是由若干元素组成的；这些元素相互独立又相互制约；作为一个整体具有特定功能。掌握自然系统、人工系统复合系统动态系统和静态系统开放系统与封闭系统控制系统与行为系统系统的分类实体系统与概念系统目的性集合性与阶层性相关性整体性环境适应性掌握系统的特性定义（广义）：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。狭义：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。2.1.2环境系统注：《中华人民共和国环境保护法》第二条规定：环境，是指影响人类生存和发展的各种天然的和经过人工改造的自然因素的总体，包括大气、水、海洋、土地、矿藏、森林、草原、野生生物、自然遗迹、人文遗迹、自然保护区、风景名胜区、城市和乡村等。定义：构成人类环境整体的各个独立的、性质不同的而又服从整体演化规律的基本物质组分，也称为环境基质。环境要素自然环境要素社会环境要素环境要素的特点最小限制律：整个环境的质量，不能由环境诸要素的平均状况去决定，而是受环境诸要素中与最优状态差距最大的要素所控制，即环境质量的高低，取决于诸要素中处于“最低状态”的那个要素，不能用其余处于优良状态的环境要素去代替和弥补。等值性集体效应互相联系、互相依赖掌握污染物的发生及迁移过程环境管理功能环境系统的分类污染物发生系统污染物输送系统污染物处理系统按受污染物的环境系统环境监测系统环境执法系统环境规划管理系统环境统计与排污收费管理系统环境保护对象保护区系统大气污染控制系统；水污染控制系统；城市生态环境系统。研究环境系统内部各组成部分之间的对立统一关系，寻求最佳的环境污染防治体系，建设健康的环境生态系统；研究环境保护与经济发展之间的对立统一关系，寻求经济与环境协调发展的途径。掌握环境系统分析的任务2、主要参考书目：（1）[美]列奇著《环境系统工程》，水利出版社，1981（2）[日]高松武一郎，内藤正明[美]林三方合著《环境系统工程》，中国环境科学出版社，1985。（3）付国伟、程声通主编，《水污染控