气体扩散模型

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w(i ) I (i )
I (i)
i 1
n

c(i ) n ci /( ), s i 1 s
权向量系数表示为:
W {w1 , w2 , w3 wn }。
总浓度为:
C w(i) c(i )
i 1 n
最后,用总浓度 C 和 AQI 进行比较,即可得出地区的污染程度。 5.2 问题二模型建立与求解 我们取 2014 年京津冀地区主要五种污染源 PM2.5、 PM10、NO2、SO2、CO 为分析 对 象 , 设 它 们 权 重 分 别 为 wPM 2.5 , wPM 10 , wNO2 , wSO2 , wCO , 实 际 浓 度 分 别 为
cPM 2.5 , cPM 10 , cNO2 , cSO2 , cCO , 则总浓度为:
C wPM 2.5 cPM 2.5 wPM 10 cPM 10 wNO2 cNO2 wSO2 cSO2 wCO cCO ,
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再用总浓度与 AQI 相比较,则可得出京津冀地区污染程度。 我们根据 2014 年京津冀地区每天的空气质量指数 AQI 及五种污染源 PM2.5、 PM10、 NO2、SO2、CO 的历史数据计算出其月平均值和每季度平均值,分别如表 5.2-1、表 5.2-2、 表 5.2-3; 然后用饼状图分析每个地区五种污染成分所占比重, 分别如图 5.2-1、 图 5.2-2、图 5.2-3;最后用折线图分析了三个地区 2014 年五种主要污染成分的变化趋 势,分别如图 5.2-4、图 5.2-5、图 5.2-6 所示;北京、天津和石家庄污染源权重见表 5.2-4,权重百分比见图 5.2-7.
i 1 n
即可得出该地区空气质量优劣程度等级。 问题二,我们查找北京、天津和石家庄三个城市一年内每天 PM2.5 、 PM10 、 NO2、SO2、CO 的含量和 AQI 指标,用 Excel 进行统计分析,分别计算出三个城市每月 平均值、每季度平均值和一年内的平均值,并画出饼形图进行比较,再应用问题一中模 型求出各自权值,发现三个地区最大的污染源是 PM2.5,其次是 PM10。这两种污染源 都是可吸入颗粒物。最后求出 C ,确定污染等级,并与 AQI 进行比较,同时验证了问题 一模型的正确性。 问题三,该题为高架点源,分时间连续和断续,我们建立 CALPUFF 模型,该模型 能更好的处理长距离污染物运输(50km 以上的距离范围),也更符合题意。表达式为: Q 2 2 2 C g exp[ d a /( 2 x )] exp[ d c2 /( 2 y ] ,当点源停止排放时,转为衰减阶段,其模 2 x y 型表达式为: C
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2015 年第十二届五一数学建模联赛
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表 5.2-1
2014 年北京每月空气质量指数
2014 年北京空气质量指数 AQI 历史数据数值单位:μ g/m3(CO 为 mg/m3) 月份 AQI 指数 PM2.5 PM10 CO NO2 2014 年 1 月 121.00 90.57 119.57 1.89 63.33 2014 年 2 月 183.07 147.57 154.79 2.16 68.00 2014 年 3 月 123.97 86.77 130.42 1.34 59.87 一季度 142.68 108.30 134.92 1.80 63.73 2014 年 4 月 128.00 86.81 142.16 0.91 56.26 2014 年 5 月 102.18 61.82 120.91 0.87 47.27 2014 年 6 月 92.13 53.81 75.48 0.79 39.94 二季度 107.44 67.48 112.85 0.86 47.82 2014 年 7 月 127.69 86.13 97.75 0.91 38.31 2014 年 8 月 98.97 62.21 87.93 0.84 41.59 2014 年 9 月 94.30 64.57 87.07 0.98 49.00 三季度 106.98 70.97 90.92 0.91 42.97 2014 年 10 月 153.65 117.90 147.94 1.33 69.10 2014 年 11 月 123.13 86.10 130.32 1.58 64.10 2014 年 12 月 87.06 56.03 93.34 1.51 52.13 四季度 121.28 86.68 123.87 1.47 61.77 年平均 119.59 83.36 115.64 1.26 54.07 表 5.2-2 2014 年天津每月空气质量指数
1
2.5 问题五的分析 根据分析京津冀地区主要污染源的性质与种类及其扩散模型和求解结果,我们可以 给出合理化建议。
三、模型假设
3.1 问题一模型假设 1.假设以国标为基准,能正确反映实际空气污染程度。 3.2 问题二模型假设 1.假设天气后报网上的 AQI 数据及各种污染指数为实际值; 2. 假设题目给出的前五个指标能够有效的反映空气污染程度。 3.3 问题三、四模型假设 1.风的平均流场稳定,风速均匀,风向平直; 2.污染物的浓度在 y、z 轴方向符合正态分布; 3.污染物在输送扩散中质量守恒; 4.污染源的源强是均匀、连续的。 5.在扩散过程中污染物没有沉降、化合和分解;地面对其起全反射作用,不发生吸收或 吸附作用。
一 、问题重述
近十年来,我国 GDP 持续快速增长,但经济增长模式相对传统落后,对生态平衡 和自然环境造成一定的破坏,空气污染的弊病日益突出,特别是日益加重的雾霾天气已 经干扰到社会的出行秩序和生活质量。国家能源委员会《新能源产业振兴和发展规划》 等“国家新能源发展战略”政策的出台,说明国家已经把能源环境问题上升到国家安全 级别, 经济发展转型、 节能减排、 能源利用新途径和发展新能源等方面的问题亟待解决。 一般认为影响空气质量的主要因素有 PM2.5、PM10、二氧化氮、二氧化硫、一氧 化碳、臭氧、硫化氢、碳氢化合物和烟尘等,以京津冀地区为研究对象解决以下问题: (1)参考现有国标和美标,建立衡量空气质量优劣程度等级的数学模型。 (2)查找数据并列出京津冀地区主要污染源及其污染参数,分析影响空气质量的 主要污染源的性质和种类。 (3)建立单污染源空气污染扩散模型,描述其对周围空气污染的动态影响规律。 现有河北境内某一工厂废气排放烟囱高 50m,主要排放物为氮氧化物。早上 9 点至下午 3 点期间的排放浓度为 406.92mg/m3,排放速度为 1200m3/h;晚上 10 点-凌晨 4 点期间 的排放浓度为 1160mg/m3, 排放速度为 5700m3/h; 通过你的扩散模型求解该工厂方圆 51 公里分别在早上 8 点、中午 12 点、晚上 9 点空气污染浓度分布和空气质量等级。 (4)建立多污染源空气污染扩散模型,并以汽车尾气污染源为例求解分析以下问 题:北京在 2015 年 1 月 15 日已经连续三天发生重污染,假设从 16 日开始北京启动汽 车单双号限行交通管制措施,求解北京市二环、四环、六环路在 16 日早上 8 点、中午 12 点、晚上 9 点时空气污染浓度梯度变化及空气质量等级。 (5)根据你们的模型和求解结果,分析总结影响空气质量的关键参数,为京津冀 地区环保部门撰写一份建议报告,给出实现“APEC”蓝天的可行性措施和建议。
四、符号说明
序号 符号
Si
C
1
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
符号说明 各个等级都对应一个浓度限值; 空间点 ( x, y, z ) 的污染物浓度, mg / m ; 源强,单位时间污染物排放量, mg / s ; 平均风速, m / s ; 为烟气的扩散系数; 表示污染物权重; 归一化后污染源权重系数; 为顺风距离; 为有效高度; 为混合层高度; 为高斯方程垂直项 高架源的有效高度; 污染物的三个级别国家大气质量标准浓度标准限值的均值 污染物的实测值
3
Q
u
x , y , z
I wi
da
He h g
H s c
2
五、模型建立与求解
5.1 问题一模型建立与求解 首先,根据国家大气质量标准中环境空气质量标准规定,大气质量等级分成三类, 即基本没有污染、 一般污染和严重污染。 每一个等级都对应一个浓度限值, 用 S1 , S 2 , S3 来 描述,由它们可以构成评价标准集合,形式为 vi {S1 , S2 , S3} 。对多种污染物进行综合模 糊评价时,要对各种污染物值分别进行加权,从而确定评价指标的权重值,此权重是衡 量因子集中某一因子对空气污染程度影响相对大小的量,权重系数越大,则该污染物对 空气的影响程度越大。本文以污染物的超标情况决定权重,各污染物的检测值相对于大 气质量标准的超标越大,对污染的贡献越大,从而权重越大,因此权重系数表示为: c I , s 其中 I 表示污染物权重, c 表示污染物的实测值, s 表示污染物的三个级别国家大气质量标准浓度标准限值的均值, S S 2 S3 s 1 。 3 为了进行模糊复合运算,还必须对 n 个污染物因子权重进行归一化处理; 第 i 个目标的权系数 wi 表示为:
Q 2 x y
2 2 2 g exp[ d a /( 2 x )] exp[ d c2 /( 2 y ] exp( kt) 。
代入数据,用 MATLAB 编程,求得空气污染浓度分布和空气质量等级。 问题四,我们查到北京二、四、六环的总长,并将其近似等效成同心圆形环路,计 算出半径分别为 5.2km、10.4km 和 29.9km,并建立在同一直角坐标系内三个同心圆, 该题为多污染源空气污染扩散且范围近似满足高斯模型,因此建立高斯线源扩散模型, Q 1 y2 H 2 exp[ ( 2 2 )] 其表达式为: C ( x, y,0, H ) u y z 2 y z
2015 年第十二届五一数学建模联赛
题 目
空气污染问题研究
摘 要
本题以京津冀地区为对象研究空气污染问题: 问题一,由现有国标和美标可知,两者略有差异。我们从国情出发,参考中华人民 共和国国家标准中环境空气质量标准(GB3095-2012)规定,用三个等级的浓度限值构 成评价标准集合。 对多种污染物进行综合模糊评价, 分别求出各种污染源权重系数 w(i) , 并乘以各自实测浓度 c(i ) ,得到大气实际污染程度 C w(i) c(i ) ,并与 AQI 进行比较,
二、问题分析
2.1 问题一的分析 查找现有国标和美标并分析两者异同点,考虑国情,以国标为基准找到国家大气质 量标准中环境空气质量标准规定, 进一步分析可建立衡量空气质量优劣程度等级的数学 模型。 2.2 问题二的分析 查找北京、 天津和石家庄三个代表性城市一年内主要污染源及其污染参数, 用 Excel 处理数据并根据问题一建立的模型进行分析。 2.3 问题三的分析 该问题为高架点源,并考虑到传输距离较远,因此我们选择 CALPUFF 模型,该模 型能更好的处理长距离污染物运输(50km 以上的距离范围)。我们用 MATLAB 编程, 将题中数据带入公式即可求得空气污染浓度分布和空气质量等级。 2.4 问题四的分析 将北京二环、四环和六环近似为同心圆形环路,计算半径,得出其范围。该题为多 污染源空气污染扩散,且范围近似满足高斯模型,因此我们建立高斯线源扩散模型求解 其空气污染浓度梯度变化及空气质量等级。
我们参赛选择的题号为(从 A/B/C 中选择一项填写): 我们的参赛报名号为: 参赛组别(研究生或本科或专科): 所属学校(请填写完整的全名) 参赛队员 (打印并签名) :1. 2. 3. 1883 本科 中国矿业大学 代少猛 张迁 曾庆奇
B
日期:
2015

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获奖证书邮寄地址: 中国矿业大学南湖校区桃五 C212 收件人姓名: 代少猛

根据所查北京各环路车流量及车辆单位时间的排放量,可以得出源强 Q 的值,进而代入 假设数值即可得出在此模型下的结果。 问题五,我们根据建立的模型和求解出的结果,总结分析出京津冀地区空气质量主 要受污染源类型及分布的影响,并提出相应的合理化措施和建议。 关键词:空气质量标准 模糊 CALPUFF 模型 高斯线性扩散模型
2015 年第十二届五一数学建模联赛
承 诺 书
我们仔细阅读了五一数学建模联赛的竞赛规则。 我们完全明白,在竞赛开始后参赛队员不能以任何方式(包括电话、电子邮件、网 上咨询等)与本队以外的任何人(包括指导教师)研究、讨论与赛题有关的问题。 我们知道,抄袭别人的成果是违反竞赛规则的, 如果引用别人的成果或其它公开的 资料(包括网上查到的资料),必须按照规定的参考文献的表述方式在正文引用处和参 考文献中明确列出。 我们郑重承诺,严格遵守竞赛规则,以保证竞赛的公正、公平性。如有违反竞赛规 则的行为,我们愿意承担由此引起的一切后果。 我们授权五一数学建模联赛赛组委会, 可将我们的论文以任何形式进行公开展示 (包 括进行网上公示,在书籍、期刊和其他媒体进行正式或非正式发表等)。
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