2025年大學(xué)《系統(tǒng)科學(xué)與工程》專業(yè)題庫——系統(tǒng)科學(xué)在工業(yè)廢水治理中的應(yīng)用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、名詞解釋（每題3分，共15分）1.系統(tǒng)整體性2.系統(tǒng)反饋3.系統(tǒng)邊界4.系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)5.工業(yè)廢水治理系統(tǒng)二、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述系統(tǒng)科學(xué)的主要研究對(duì)象和特點(diǎn)。2.系統(tǒng)科學(xué)視角下，工業(yè)廢水治理問題有哪些不同于傳統(tǒng)工程方法的獨(dú)特之處？3.在構(gòu)建工業(yè)廢水治理系統(tǒng)模型時(shí)，通常需要考慮哪些關(guān)鍵要素？4.解釋反饋在工業(yè)廢水治理系統(tǒng)中的重要作用，并舉例說明正反饋和負(fù)反饋的應(yīng)用。三、論述題（每題10分，共30分）1.論述系統(tǒng)思維在制定工業(yè)廢水治理策略中的重要性。請(qǐng)結(jié)合具體例子說明如何運(yùn)用系統(tǒng)思維分析某一類工業(yè)廢水（如印染廢水、化工廢水）的治理問題。2.比較系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型與傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)規(guī)劃模型在工業(yè)廢水治理系統(tǒng)分析中的應(yīng)用特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，并分析其局限性。3.闡述如何運(yùn)用系統(tǒng)優(yōu)化的思想對(duì)工業(yè)廢水治理過程進(jìn)行改進(jìn)。請(qǐng)從工藝選擇、資源利用、成本控制或環(huán)境影響等方面進(jìn)行論述，并說明可能涉及的關(guān)鍵優(yōu)化問題及解決思路。四、計(jì)算/設(shè)計(jì)題（共35分）1.某工廠排放的工業(yè)廢水中主要含有兩種污染物A和B，且污染物A的降解過程會(huì)受到污染物B濃度的抑制。假設(shè)工廠處理能力有限，每天最多可處理100噸廢水。請(qǐng)構(gòu)建一個(gè)簡化的描述該工廠廢水處理系統(tǒng)的因果關(guān)系圖，并說明其中主要的正負(fù)反饋回路。假設(shè)你被要求設(shè)計(jì)一個(gè)短期（一個(gè)月）的廢水處理方案，以提高污染物A的去除率，請(qǐng)從系統(tǒng)控制的角度提出至少兩種可行的控制策略，并簡要分析其可能的效果及潛在的風(fēng)險(xiǎn)。（15分）2.假設(shè)你正在為一個(gè)產(chǎn)生含鹽廢水的化工企業(yè)建立一個(gè)小型中水回用系統(tǒng)。該系統(tǒng)需要考慮鹽分濃度、處理成本、回用水水質(zhì)要求以及處理設(shè)施容量限制等多個(gè)因素。請(qǐng)運(yùn)用系統(tǒng)建模的思想，描述該中水回用子系統(tǒng)的核心要素，并選擇一種合適的模型類型（如概念模型、數(shù)學(xué)模型或仿真模型），說明其基本結(jié)構(gòu)和可用于分析的關(guān)鍵問題。（20分）試卷答案一、名詞解釋1.系統(tǒng)整體性：指系統(tǒng)作為一個(gè)整體，其功能和特性是各組成部分簡單相加所不能完全體現(xiàn)的，系統(tǒng)整體具有部分所不具備的新屬性。2.系統(tǒng)反饋：指系統(tǒng)中某一部分的輸出信息反過來影響該部分的輸入或系統(tǒng)的其他部分，調(diào)節(jié)系統(tǒng)行為，是系統(tǒng)維持穩(wěn)定和適應(yīng)環(huán)境變化的關(guān)鍵機(jī)制。3.系統(tǒng)邊界：指劃分系統(tǒng)與外部環(huán)境之間的界限，明確系統(tǒng)包含哪些要素、過程，以及系統(tǒng)與外部環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)、能量、信息交換的接口。4.系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)：運(yùn)用反饋回路、存量和流量等概念，模擬復(fù)雜系統(tǒng)隨時(shí)間演化的定量建模方法，特別關(guān)注系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和反饋機(jī)制對(duì)系統(tǒng)行為的影響。5.工業(yè)廢水治理系統(tǒng)：指將工業(yè)廢水作為核心對(duì)象，包含廢水產(chǎn)生源、收集輸送管網(wǎng)、處理設(shè)施、排放口、受納水體以及相關(guān)的管理政策、法規(guī)、監(jiān)測(cè)等要素構(gòu)成的，旨在控制廢水污染、保護(hù)水環(huán)境的復(fù)合人工或半人工系統(tǒng)。二、簡答題1.系統(tǒng)科學(xué)的主要研究對(duì)象和特點(diǎn)：*研究對(duì)象：主要研究復(fù)雜系統(tǒng)，特別是那些包含大量相互作用的子系統(tǒng)、具有非線性特征、結(jié)構(gòu)和行為隨時(shí)間動(dòng)態(tài)演化的系統(tǒng)。*特點(diǎn)：強(qiáng)調(diào)整體性、關(guān)聯(lián)性、動(dòng)態(tài)性、反饋性、層次性和開放性。研究方法上注重定性與定量相結(jié)合，強(qiáng)調(diào)從整體上、動(dòng)態(tài)地、關(guān)聯(lián)地看問題，并運(yùn)用模型模擬和仿真等工具進(jìn)行探索。2.系統(tǒng)科學(xué)視角下，工業(yè)廢水治理問題有哪些不同于傳統(tǒng)工程方法的獨(dú)特之處？*整體性考量：不僅關(guān)注處理廠本身，還將工廠生產(chǎn)、廢水產(chǎn)生、輸送管網(wǎng)、處理技術(shù)、排放擴(kuò)散、環(huán)境受體、經(jīng)濟(jì)成本、社會(huì)影響等視為一個(gè)相互關(guān)聯(lián)的整體進(jìn)行考察。*動(dòng)態(tài)性與時(shí)變性：關(guān)注系統(tǒng)隨時(shí)間的變化，如水質(zhì)水量波動(dòng)、處理效果變化、技術(shù)進(jìn)步、政策調(diào)整等，強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的適應(yīng)性管理。*反饋機(jī)制分析：重視識(shí)別和分析系統(tǒng)中各種正負(fù)反饋回路，如污染物濃度反饋影響處理效率、處理成本反饋影響經(jīng)濟(jì)決策、排放標(biāo)準(zhǔn)反饋影響預(yù)處理要求等。*不確定性處理：承認(rèn)系統(tǒng)存在各種不確定性（如進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)、氣候變化、政策變動(dòng)），并研究如何在不確定條件下進(jìn)行決策和管理。*多目標(biāo)優(yōu)化：往往需要在水質(zhì)達(dá)標(biāo)、成本最低、環(huán)境影響最小、資源回收最大化等多個(gè)相互沖突的目標(biāo)之間進(jìn)行權(quán)衡和優(yōu)化。3.在構(gòu)建工業(yè)廢水治理系統(tǒng)模型時(shí)，通常需要考慮哪些關(guān)鍵要素？*系統(tǒng)邊界：明確模型的范圍，包含哪些要素，忽略哪些次要因素。*核心變量：定義系統(tǒng)狀態(tài)變量（如污染物濃度、水量、庫存量）、決策變量（如處理工藝選擇、運(yùn)行參數(shù)）、輔助變量和常數(shù)。*反饋回路：識(shí)別系統(tǒng)中主要的因果關(guān)系鏈和反饋機(jī)制。*功能模塊：將系統(tǒng)劃分為若干個(gè)子系統(tǒng)或功能模塊（如廢水產(chǎn)生、收集、預(yù)處理、主體處理、后處理、排放、環(huán)境影響等）。*連接關(guān)系：明確各模塊之間的物質(zhì)、能量、信息流動(dòng)關(guān)系及其量化表達(dá)式。*外部輸入與擾動(dòng)：考慮氣候、政策、市場等外部因素對(duì)系統(tǒng)的影響。*目標(biāo)與約束：設(shè)定模型需要優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)以及必須滿足的各種約束條件（如排放標(biāo)準(zhǔn)、處理能力、資源限制等）。4.解釋反饋在工業(yè)廢水治理系統(tǒng)中的重要作用，并舉例說明正反饋和負(fù)反饋的應(yīng)用。*重要作用：反饋是系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)和適應(yīng)的關(guān)鍵。負(fù)反饋有助于系統(tǒng)維持穩(wěn)定狀態(tài)（如維持水質(zhì)達(dá)標(biāo)），正反饋則可能使系統(tǒng)狀態(tài)快速偏離平衡（如污染物累積導(dǎo)致處理系統(tǒng)崩潰）或引導(dǎo)系統(tǒng)向特定方向發(fā)展（如激勵(lì)機(jī)制促進(jìn)減排）。理解反饋有助于找到有效的控制點(diǎn)。*負(fù)反饋例子：工業(yè)廢水處理系統(tǒng)中，出水污染物濃度（輸出）高于排放標(biāo)準(zhǔn)（設(shè)定值），觸發(fā)自動(dòng)控制系統(tǒng)增加藥量或調(diào)整曝氣量（輸入），降低出水污染物濃度。這是一個(gè)典型的負(fù)反饋，使系統(tǒng)趨向于穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。*正反饋例子：某印染廢水處理廠，初期處理能力不足，導(dǎo)致處理后廢水仍有一定色度排入河流。色度污染對(duì)下游水體造成影響，引發(fā)環(huán)保部門的關(guān)注和更嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)（外部輸入），迫使工廠投入更多資金進(jìn)行擴(kuò)建或升級(jí)處理設(shè)施（輸入增加）。這種情況下，處理能力不足（初始狀態(tài)）通過一系列事件，最終可能導(dǎo)致處理能力進(jìn)一步提升，但過程可能加劇短期環(huán)境壓力。三、論述題1.論述系統(tǒng)思維在制定工業(yè)廢水治理策略中的重要性。請(qǐng)結(jié)合具體例子說明如何運(yùn)用系統(tǒng)思維分析某一類工業(yè)廢水（如印染廢水、化工廢水）的治理問題。*重要性：系統(tǒng)思維強(qiáng)調(diào)從整體、關(guān)聯(lián)、動(dòng)態(tài)的角度理解和解決工業(yè)廢水治理問題，有助于克服傳統(tǒng)方法中“頭痛醫(yī)頭、腳痛醫(yī)腳”的局限，制定更全面、有效、可持續(xù)和經(jīng)濟(jì)的治理策略。它能夠識(shí)別關(guān)鍵子系統(tǒng)及其相互作用，發(fā)現(xiàn)潛在的瓶頸和風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，評(píng)估不同干預(yù)措施的綜合影響，并促進(jìn)跨部門協(xié)作。*印染廢水治理分析：*整體性：將印染廢水治理系統(tǒng)視為一個(gè)包含源頭（染色工藝）、過程（廢水收集、處理）、排放（受納水體）、以及相關(guān)管理政策、企業(yè)生產(chǎn)、市場需求的整體。策略制定需考慮全流程，而不僅僅是末端處理廠。*關(guān)聯(lián)性：分析染色工藝與廢水水質(zhì)特性（如高色度、COD、鹽度、特定助劑）的關(guān)聯(lián)；處理廠與上游企業(yè)生產(chǎn)管理的關(guān)聯(lián)；處理成本與印染企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)聯(lián)；廢水排放與環(huán)境生態(tài)的關(guān)聯(lián)。*動(dòng)態(tài)性：考慮印染行業(yè)技術(shù)升級(jí)對(duì)廢水水質(zhì)水量帶來的變化；季節(jié)性因素對(duì)受納水體的影響；環(huán)保政策法規(guī)的演變；處理技術(shù)的進(jìn)步等。*反饋：識(shí)別關(guān)鍵反饋，如：末端處理難度大、成本高（反饋給企業(yè)）->推動(dòng)企業(yè)改進(jìn)工藝、加強(qiáng)源頭減量（正反饋，改善系統(tǒng)）；處理后水回用于廠內(nèi)其他工序（正反饋，節(jié)約資源）；嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)（外部輸入）->促使企業(yè)采用更先進(jìn)、高效的治理技術(shù)（正反饋）。*策略制定：運(yùn)用系統(tǒng)思維，治理策略不應(yīng)僅限于末端深度處理，更應(yīng)強(qiáng)調(diào)源頭控制（如優(yōu)化染色工藝、替代高污染助劑、加強(qiáng)生產(chǎn)管理減少廢水量）和過程控制（如雨污分流、清污分流收集系統(tǒng)）。同時(shí)，考慮將處理后的中水回用，形成資源循環(huán)。政策上可結(jié)合排放標(biāo)準(zhǔn)、排污權(quán)交易、綠色信貸等手段，激勵(lì)企業(yè)從系統(tǒng)角度優(yōu)化治污方案。2.比較系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型與傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)規(guī)劃模型在工業(yè)廢水治理系統(tǒng)分析中的應(yīng)用特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，并分析其局限性。*系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型(SD)：*應(yīng)用特點(diǎn)：強(qiáng)調(diào)內(nèi)部反饋機(jī)制和動(dòng)態(tài)行為；通過存量流量圖等可視化工具構(gòu)建模型；擅長模擬系統(tǒng)隨時(shí)間演化的路徑和穩(wěn)定性；適用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、存在多重反饋、非線性關(guān)系強(qiáng)、且數(shù)據(jù)不完整或存在噪聲的“軟”或“半結(jié)構(gòu)化”問題。關(guān)注“如何”（How）系統(tǒng)運(yùn)作。*優(yōu)勢(shì)：揭示系統(tǒng)深層結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)行為模式；進(jìn)行政策模擬和“假設(shè)-探索”分析，評(píng)估不同干預(yù)措施的長期影響和unintendedconsequences；有助于理解系統(tǒng)復(fù)雜性和脆弱性，支持適應(yīng)性管理。*局限性：模型結(jié)構(gòu)構(gòu)建依賴專家知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，可能存在主觀性；參數(shù)估計(jì)困難，尤其是在數(shù)據(jù)缺乏時(shí)；對(duì)于高度精確的定量預(yù)測(cè)能力有限；模型驗(yàn)證和確認(rèn)復(fù)雜。*傳統(tǒng)數(shù)學(xué)規(guī)劃模型（如線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃）：*應(yīng)用特點(diǎn)：基于明確的數(shù)學(xué)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)和線性/非線性約束條件；尋求最優(yōu)解或滿意解；通常需要精確的數(shù)據(jù)。關(guān)注“什么”（What）最優(yōu)決策。*優(yōu)勢(shì)：提供精確的最優(yōu)或次優(yōu)解；數(shù)學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)性強(qiáng)，易于求解和解釋；在結(jié)構(gòu)清晰、目標(biāo)明確、數(shù)據(jù)充分的“硬”問題中效果顯著；可用于資源分配、工藝優(yōu)化等具體優(yōu)化問題。*局限性：假設(shè)條件嚴(yán)格（如線性、凸性、確定性），可能無法反映現(xiàn)實(shí)的復(fù)雜性；難以處理動(dòng)態(tài)變化和反饋機(jī)制；數(shù)據(jù)要求高，對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量敏感；模型構(gòu)建可能過于簡化，忽略重要因素。*比較總結(jié)：SD和數(shù)學(xué)規(guī)劃模型各有側(cè)重，適用于不同類型的問題。SD更擅長理解復(fù)雜系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為和反饋機(jī)制，支持戰(zhàn)略和政策層面的探索；數(shù)學(xué)規(guī)劃更擅長在明確目標(biāo)和約束下進(jìn)行具體的優(yōu)化決策。在實(shí)踐中，兩者可結(jié)合使用，例如用SD模型探索不同情景下的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)趨勢(shì)，再用數(shù)學(xué)規(guī)劃模型對(duì)其中某個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)或短期問題進(jìn)行精確優(yōu)化。3.闡述如何運(yùn)用系統(tǒng)優(yōu)化的思想對(duì)工業(yè)廢水治理過程進(jìn)行改進(jìn)。請(qǐng)從工藝選擇、資源利用、成本控制或環(huán)境影響等方面進(jìn)行論述，并說明可能涉及的關(guān)鍵優(yōu)化問題及解決思路。*系統(tǒng)優(yōu)化思想：運(yùn)用系統(tǒng)優(yōu)化的思想，意味著要從整個(gè)廢水治理系統(tǒng)的角度出發(fā)，識(shí)別核心優(yōu)化目標(biāo)（如整體成本最低、環(huán)境影響最小、資源效益最高、處理效果最佳等），考慮各子系統(tǒng)（如預(yù)處理、主體處理、后處理、回用、排放等）之間的相互關(guān)聯(lián)和約束，尋求系統(tǒng)層面的最優(yōu)或次優(yōu)解決方案，而不僅僅是局部最優(yōu)。*應(yīng)用方面：*工藝選擇優(yōu)化：目標(biāo)可能是綜合考慮處理效果、運(yùn)行成本、能耗、占地、污泥產(chǎn)量、環(huán)境影響等多重目標(biāo)下的最優(yōu)工藝組合或參數(shù)設(shè)定。關(guān)鍵優(yōu)化問題：如何根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)水量特征、排放標(biāo)準(zhǔn)、場地條件、經(jīng)濟(jì)承受能力等因素，選擇或組合不同處理單元（如物理、化學(xué)、生物法），確定最佳運(yùn)行參數(shù)（如曝氣量、pH、溫度、停留時(shí)間），以實(shí)現(xiàn)整體最優(yōu)性能。解決思路：建立多目標(biāo)優(yōu)化模型，或采用分層優(yōu)化策略，先確定主流程，再優(yōu)化細(xì)節(jié)參數(shù)。*資源利用優(yōu)化：目標(biāo)是最大化回收和利用廢水中的資源（水、能源、物質(zhì)）。關(guān)鍵優(yōu)化問題：如何從廢水中回收回用水、再生水、有用化學(xué)物質(zhì)（如磷、氮、鹽、重金屬、生物質(zhì)能）、壓縮污泥中的資源等，以降低處理成本、減少排放、創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。解決思路：構(gòu)建資源回收子系統(tǒng)模型，分析不同回收技術(shù)的經(jīng)濟(jì)可行性和環(huán)境效益，優(yōu)化回收工藝流程和能量梯級(jí)利用。*成本控制優(yōu)化：目標(biāo)是在滿足處理要求的前提下，最小化廢水治理系統(tǒng)的全生命周期成本（包括建設(shè)投資、運(yùn)行費(fèi)用、維護(hù)費(fèi)用、環(huán)境損害成本等）。關(guān)鍵優(yōu)化問題：如何在建設(shè)階段（如工藝選擇、設(shè)備選型）和運(yùn)行階段（如能耗管理、藥劑投加、污泥處理處置）進(jìn)行成本優(yōu)化。解決思路：采用成本效益分析、生命周期評(píng)價(jià)（LCA）等方法，識(shí)別成本驅(qū)動(dòng)因素，優(yōu)化操作管理，采用節(jié)能降耗技術(shù)，探索融資模式創(chuàng)新。*環(huán)境影響優(yōu)化：目標(biāo)是最大化系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的正面效益，最小化負(fù)面沖擊。關(guān)鍵優(yōu)化問題：如何優(yōu)化工藝以