2025年大學《系統(tǒng)科學與工程》專業(yè)題庫——海洋環(huán)境系統(tǒng)工程技術(shù)考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、名詞解釋（每題3分，共15分）1.海洋環(huán)境系統(tǒng)2.系統(tǒng)邊界3.反饋控制4.海洋承載力5.系統(tǒng)動力學二、簡答題（每題5分，共25分）1.簡述系統(tǒng)思維在海洋環(huán)境管理中的基本原則。2.列舉三種主要的海洋污染類型，并說明其來源。3.簡述海洋生態(tài)修復工程中系統(tǒng)方法的應用價值。4.什么是大系統(tǒng)？海洋環(huán)境管理系統(tǒng)是否屬于大系統(tǒng)？請說明理由。5.簡述海水淡化工程系統(tǒng)規(guī)劃需要考慮的主要因素。三、論述題（每題10分，共30分）1.論述系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)在海洋環(huán)境預測與評估中的應用，并分析其優(yōu)缺點。2.結(jié)合實例，論述如何運用多目標決策分析方法進行海洋空間資源的優(yōu)化配置。3.闡述人工智能、大數(shù)據(jù)等新興信息技術(shù)在提升海洋環(huán)境系統(tǒng)監(jiān)測與管理效能方面的潛力與挑戰(zhàn)。四、計算/分析題（共20分）假設(shè)某近海區(qū)域受到石油污染，污染源排放速率恒定為Q?（單位：噸/天）。石油在海水中的擴散系數(shù)為D（單位：米2/天），沉降速率為k?（單位：1/天），生物降解速率為k?（單位：1/天）。該區(qū)域水體體積為V（單位：立方米），初始石油濃度為C?（單位：毫克/升）。請建立描述該區(qū)域石油濃度隨時間變化的簡化系統(tǒng)動力學模型（StockandFlow模型），并簡述模型中各變量及參數(shù)的物理意義。*(注：無需進行具體計算，只需建立方程式并解釋)*五、綜合應用題（共30分）某沿海城市面臨日益嚴重的海水入侵問題，同時需要發(fā)展海水淡化產(chǎn)業(yè)解決淡水資源短缺。請運用系統(tǒng)科學與工程的方法，構(gòu)建一個綜合評估海水入侵風險、規(guī)劃海水淡化系統(tǒng)布局、并提出管理策略的框架。在框架中，需要明確系統(tǒng)的主要邊界和子系統(tǒng)、關(guān)鍵變量和參數(shù)、可能的相互作用關(guān)系，并簡要說明如何運用系統(tǒng)分析方法（如建模、仿真、評估等）來支持決策。試卷答案一、名詞解釋1.海洋環(huán)境系統(tǒng):指由海洋環(huán)境要素（如水體、沉積物、生物群落、化學物質(zhì)等）以及人類活動組成的，相互作用、相互制約的復雜整體，具有開放性、動態(tài)性和整體性特征。2.系統(tǒng)邊界:指界定系統(tǒng)范圍，區(qū)分系統(tǒng)內(nèi)部要素與外部環(huán)境的界線。在海洋環(huán)境系統(tǒng)中，邊界可以是地理上的（如海岸線、海域范圍），也可以是功能上的（如考慮污染物影響的主要區(qū)域）。3.反饋控制:指系統(tǒng)通過輸出信息返回到輸入端，對輸入或系統(tǒng)狀態(tài)進行調(diào)節(jié)，以減小偏差或維持穩(wěn)定狀態(tài)的控制方式。在海洋環(huán)境系統(tǒng)中，如污染物濃度升高引發(fā)生物效應，進而影響人類行為減少排放，就構(gòu)成了反饋控制。4.海洋承載力:指在維持海洋生態(tài)系統(tǒng)健康和功能可持續(xù)的前提下，特定海洋空間所能承載人類活動的最大負荷（如人口、經(jīng)濟活動、資源利用等）。5.系統(tǒng)動力學:一種研究復雜系統(tǒng)動態(tài)行為的理論與方法，通過建立包含存量、流量、輔助變量和反饋回路的模擬模型，分析系統(tǒng)隨時間演化的機制和路徑。二、簡答題1.系統(tǒng)思維在海洋環(huán)境管理中的基本原則:*整體性原則：將海洋視為一個相互關(guān)聯(lián)的整體系統(tǒng)進行考察，關(guān)注各要素間的相互作用。*動態(tài)性原則：認識到海洋環(huán)境是不斷變化的，分析其動態(tài)演變過程和趨勢。*開放性原則：考慮海洋系統(tǒng)與陸地、大氣等其他系統(tǒng)的物質(zhì)、能量和信息交換。*關(guān)聯(lián)性原則：識別系統(tǒng)中的關(guān)鍵變量、反饋機制和主導關(guān)系。*局部影響全局原則：認識到在復雜系統(tǒng)中，局部的改變可能引發(fā)全局性的后果。*確定性與隨機性結(jié)合原則：既要分析系統(tǒng)運行的規(guī)律性，也要考慮隨機事件和不確定性的影響。2.三種主要的海洋污染類型及其來源:*石油污染:主要來源于船舶事故泄漏、石油開采平臺排放、海底輸油管道泄漏以及沿海城市污水排放等。*化學污染:主要來源于工業(yè)廢水、生活污水排放中的重金屬、農(nóng)藥、化肥、持久性有機污染物（POPs）等，以及大氣沉降和海底沉積物釋放。*塑料污染:主要來源于陸源垃圾入海、漁業(yè)活動產(chǎn)生的廢棄漁具、微塑料的輸入等。3.海洋生態(tài)修復工程中系統(tǒng)方法的應用價值:*全面評估生態(tài)系統(tǒng)狀況，識別關(guān)鍵問題和限制因素。*模擬不同修復措施的效果，優(yōu)化修復方案設(shè)計。*預測修復后的生態(tài)演替過程和長期效果。*評估修復工程的成本效益和可持續(xù)性。*協(xié)調(diào)修復目標與其他海洋利用目標（如漁業(yè)、旅游）之間的關(guān)系。4.什么是大系統(tǒng)？海洋環(huán)境管理系統(tǒng)是否屬于大系統(tǒng)？請說明理由。*大系統(tǒng):通常指規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復雜、包含眾多子系統(tǒng)、要素間關(guān)系多樣、具有高度關(guān)聯(lián)性和整體性、且往往具有不確定性、信息不完全性的系統(tǒng)。*海洋環(huán)境管理系統(tǒng)屬于大系統(tǒng)。理由：海洋環(huán)境系統(tǒng)涉及物理、化學、生物等多個子系統(tǒng)；空間范圍廣闊（從海岸到深海、全球大洋）；時間尺度長（從短期污染事件到長期氣候變化影響）；包含自然因素和人為活動兩大類要素；子系統(tǒng)間相互作用復雜（如污染影響生態(tài)，生態(tài)變化影響碳循環(huán)）；系統(tǒng)邊界模糊，與大氣、陸地系統(tǒng)緊密耦合；受多種隨機因素和不確定性影響。5.海水淡化工程系統(tǒng)規(guī)劃需要考慮的主要因素:*淡水資源需求量與分布。*海水淡化技術(shù)選擇（如反滲透、多效蒸餾等）及其經(jīng)濟性、能耗、技術(shù)成熟度。*場址選擇（水源條件、能源供應、交通運輸、土地資源、環(huán)境影響等）。*能源供應保障與成本。*淡水輸送管網(wǎng)建設(shè)。*污染物處理與排放標準。*投資成本與經(jīng)濟可行性分析。*社會效益與環(huán)境影響評估。*相關(guān)政策法規(guī)與標準。三、論述題1.論述系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)在海洋環(huán)境預測與評估中的應用，并分析其優(yōu)缺點。*應用:*預測污染擴散:建立水文動力學-水質(zhì)耦合模型，模擬污染物在海水中的遷移、擴散和轉(zhuǎn)化過程，預測污染羽流的軌跡和影響范圍。*評估生態(tài)風險:構(gòu)建生態(tài)模型（如個體基于模型、景觀基于模型），模擬污染物或環(huán)境變化對生物個體、種群或群落的影響，評估生態(tài)風險等級。*模擬氣候變化影響:建立海洋環(huán)流-生態(tài)-碳循環(huán)耦合模型，模擬不同氣候變化情景下海洋物理、化學、生物特性的變化。*評估管理措施效果:模擬實施減排、生態(tài)修復等措施后，系統(tǒng)狀態(tài)的變化，評估措施的有效性和潛在影響。*支持決策:為管理決策提供科學依據(jù)，比較不同方案的預期效果和不確定性。*優(yōu)點:*可視化:直觀展示系統(tǒng)運行過程和結(jié)果。*動態(tài)性:能夠模擬系統(tǒng)隨時間的變化。*集成性:可以整合多源數(shù)據(jù)和多種科學知識。*實驗性:可以在模型中“做”實驗，探索假設(shè)情景。*不確定性分析:可以評估模型結(jié)果的不確定性。*缺點:*模型假設(shè)簡化:為簡化問題，常做假設(shè)，可能忽略重要因素。*數(shù)據(jù)依賴性強:模型精度依賴于輸入數(shù)據(jù)的質(zhì)量和數(shù)量。*構(gòu)建復雜:建立和校準模型需要專業(yè)知識和技術(shù)。*結(jié)果解釋:模型輸出結(jié)果需要專業(yè)知識進行解釋。*預測局限:對未來預測受模型假設(shè)和外部不確定性影響大。2.結(jié)合實例，論述如何運用多目標決策分析方法進行海洋空間資源的優(yōu)化配置。*概念:海洋空間資源優(yōu)化配置旨在協(xié)調(diào)多個相互沖突或競爭的目標（如經(jīng)濟發(fā)展、生態(tài)保護、資源利用、社會公平），在給定約束下，找到使所有目標達成最優(yōu)平衡或滿意解的方案。*方法:常用的方法包括層次分析法（AHP）、目標規(guī)劃、多屬性效用分析（MAUT）、多準則決策分析（MCDA）等。*實例（海洋保護區(qū)選址）：*目標:保護關(guān)鍵物種棲息地（生態(tài)目標）、保障漁民捕魚權(quán)（經(jīng)濟目標）、維持科研監(jiān)測需求（社會目標）、最小化對現(xiàn)有旅游開發(fā)的影響（經(jīng)濟/社會目標）。*準則/屬性:生態(tài)重要性（如生物多樣性指數(shù)）、保護成本、對漁業(yè)的影響（捕撈effort減少）、對旅游的影響（游客可達性降低）、可達性/交通便利性、社區(qū)接受度。*決策單元:潛在的保護區(qū)候選區(qū)域。*過程:1.確定目標層（保護、經(jīng)濟、社會）和準則層。2.通過專家打分或問卷調(diào)查，確定各準則的權(quán)重（如使用AHP構(gòu)建判斷矩陣）。3.對各候選區(qū)域，根據(jù)各準則進行評分（量化或定性等級）。4.計算各候選區(qū)域的總得分（如加權(quán)和法）。5.根據(jù)總得分排序，選擇最優(yōu)或一組備選方案。*價值:多目標決策方法有助于在復雜沖突中做出更科學、更全面的決策，提高決策過程的透明度和參與性。3.闡述人工智能、大數(shù)據(jù)等新興信息技術(shù)在提升海洋環(huán)境系統(tǒng)監(jiān)測與管理效能方面的潛力與挑戰(zhàn)。*潛力:*增強監(jiān)測能力:大數(shù)據(jù)分析可處理海量遙感（衛(wèi)星、無人機）、傳感器（浮標、岸基）數(shù)據(jù)，實現(xiàn)更廣范圍、更高頻率、更精細化的海洋環(huán)境要素（如水質(zhì)、氣象、海流、生物）監(jiān)測與異常識別。AI（特別是計算機視覺）可用于自動識別海洋垃圾、赤潮、油污、鯨魚等。*提升預測精度:AI算法（如機器學習、深度學習）能從歷史數(shù)據(jù)中學習復雜模式，提高海洋環(huán)境變量（如風暴路徑、海平面上升、漁業(yè)資源量）預測的精度和時效性。*優(yōu)化決策支持:基于大數(shù)據(jù)和AI構(gòu)建的智能預警系統(tǒng)（如溢油預測、赤潮預警）、風險評估模型、優(yōu)化調(diào)度模型（如漁船管理、資源分配），可為環(huán)境管理提供更及時、精準、智能的決策支持。*實現(xiàn)智慧管理:通過數(shù)字孿生（DigitalTwin）技術(shù)構(gòu)建海洋環(huán)境的虛擬鏡像，模擬不同管理策略的效果，進行情景推演，實現(xiàn)更精細化的區(qū)域管理。*提高效率與降低成本:自動化數(shù)據(jù)處理和分析可替代部分人工工作，提高效率，降低監(jiān)測和管理成本。*挑戰(zhàn):*數(shù)據(jù)挑戰(zhàn):海洋數(shù)據(jù)獲取成本高、存在時空空白、數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一、質(zhì)量參差不齊、數(shù)據(jù)共享與隱私問題。*技術(shù)挑戰(zhàn):AI模型的訓練需要大量高質(zhì)量數(shù)據(jù)，對計算資源要求高，模型的可解釋性有時不足，傳感器網(wǎng)絡的長期穩(wěn)定運行和維護困難。*集成挑戰(zhàn):如何有效集成不同來源、不同類型的數(shù)據(jù)和模型，實現(xiàn)信息融合與知識發(fā)現(xiàn)。*應用挑戰(zhàn):如何將技術(shù)優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為實際的管理效能，需要跨學科合作和體制機制創(chuàng)新。*倫理與安全挑戰(zhàn):數(shù)據(jù)安全、算法偏見、對就業(yè)的影響等問題需要關(guān)注。四、計算/分析題*模型構(gòu)建:*定義存量變量：`C(t)`，表示時刻`t`該區(qū)域海水中的石油濃度（單位：毫克/升）。*定義流入項：`In(t)=Q?*C_in(t)`，其中`C_in(t)`是污染源輸入的石油濃度（假設(shè)為常數(shù)或函數(shù)）。更簡單的形式可視為`Q?`乘以一個表示污染源持續(xù)性的因子。*定義流出項：主要包括擴散輸出、沉降輸出和生物降解輸出。*擴散輸出：`Out_Diff(t)=D*?2C(t)*A`，其中`?2C`是濃度梯度平方，`A`是有效表面積。在簡化模型中，可表示為與濃度成正比的項`k?*C(t)`。*沉降輸出：`Out_Sett(t)=k?*C(t)`。*生物降解輸出：`Out_Bio(t)=k?*C(t)`。*StockandFlow方程:`dC(t)/dt=In(t)-Out_Diff(t)-Out_Sett(t)-Out_Bio(t)`簡化為：`dC(t)/dt=Q?*f(t)-k?*C(t)-k?*C(t)-k?*C(t)`進一步簡化為：`dC(t)/dt=Q?*f(t)-(k?+k?+k?)*C(t)`令`k_total=k?+k?+k?`，則：`dC(t)/dt=Q?*f(t)-k_total*C(t)`*變量及參數(shù)解釋:*`C(t)`:存量，時刻`t`的石油濃度。*`Q?`:流入率，污染源排放速率（噸/天）。*`f(t)`:函數(shù)，表示污染源輸入的持續(xù)性因子。若為點源持續(xù)排放，可視為常數(shù)1。若考慮排放停止，則`t`超過停止時間后`f(t)=0`。*`D`:參數(shù)，海水中的石油擴散系數(shù)（米2/天），反映擴散的快慢。*`A`:參數(shù)，有效表面積，與水體體積和形狀有關(guān)。*`k?`:參數(shù)，石油沉降速率（1/天），反映沉降的快慢。*`k?`:參數(shù)，石油生物降解速率（1/天），反映降解的快慢。*`k?`:參數(shù)，擴散相關(guān)系數(shù)（1/天），綜合反映擴散作用的強度，與`D`和`A`有關(guān)。*`k_total`:參數(shù)，總?cè)コ俾剩?/天），`k?+k?+k?`。*`dC(t)/dt`:存量對時間的導數(shù)，表示石油濃度隨時間的變化率。五、綜合應用題*構(gòu)建框架:*1.系統(tǒng)界定與目標設(shè)定:*系統(tǒng)邊界:明確研究的地理范圍（如特定海灣、沿海區(qū)域）、時間范圍（如未來十年）、考慮的主要海洋環(huán)境要素（海水入侵范圍、水質(zhì)、生態(tài)）、人類社會活動（海水淡化廠、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、漁業(yè)、居民區(qū)）。*子系統(tǒng):劃分為海水入侵系統(tǒng)（含水動力、鹽度分布、地下水與海水交互）、海水淡化系統(tǒng)（取水口、淡化工廠、輸水管網(wǎng)）、社會經(jīng)濟系統(tǒng)（資源需求、經(jīng)濟活動、社區(qū)影響）。*核心目標:實現(xiàn)區(qū)域水資源安全、遏制海水入侵、保護海洋生態(tài)環(huán)境、促進經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展、保障社會公平。*2.關(guān)鍵變量與參數(shù)識別:*海水入侵系統(tǒng):入侵范圍、前鋒速度、地下水位、海水入侵量、近岸海水鹽度、陸源污染物濃度。*海水淡化系統(tǒng):淡水需求量、淡化產(chǎn)能、取水口位置與取水量、能源消耗、產(chǎn)品水水質(zhì)、投資成本、運營成本。*相互作用:淡水