《【2017年整理】基于羊式计算法的空气污染问题研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《【2017年整理】基于羊式计算法的空气污染问题研究（21页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 基于羊式计算法的空气污染问题研究羊李华北科技学院 河北 廊坊摘 要初步了解各种绘图软件，认识到 MATLAB 具有方便的数据可视化功能，以将向量和矩阵用图形表现出来，并且可以对图形进行标注和打印。高层次的作图包括二维和三维的可视化、图象处理、动画和表达式作图。可用于科学计算和工程绘图。随后我们查阅知道了国内常用的高斯烟羽模型及高斯扩散模型和大气扩散模型，由于高斯模型的局限性，根据麦克斯韦提出的气体分子速率分布函数对高斯模型进行完善，得出羊式高架点源公式，再以地面浓度最大值计算空气质量分指数得出。又因为高斯模式只适用于 100 平方千米以下的面积，于是我们采用面源化点源在叠加的方式形成羊式面源
2、计算法进行计算。关键词：高斯模型，气体分子速率分布函数，分子扩散速率，羊式高架点源，面源化点源，叠加计算，羊式面源计算法1、问题的提出1.1问题背景近十年来，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。1.2已知条件一般认为影响空气质量的主要因素有 PM2.5、PM10、二氧
3、化氮、二氧化硫、一氧化碳、臭氧、硫化氢、碳氢化合物和烟尘等。1.3 目标任务问题一：参考现有国标和美标，建立衡量空气质量优劣程度等级的数学模型。问题二：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。问题三：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
4、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。问题四：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。问题五：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。2、问题分析2.1问题一分析国标和美标
5、存在差异，通过了解国际上现有的标准，建立适合的空气质量优劣程度等级模型。2.2问题二分析此问题要求我们对已知数据进行数据分析，由于此问题涉及多种污染物，因此我们就需要对数据进一步量化处理，将这些数据经过分析，分析影响空气质量的主要污染源的性质和种类。2.3问题三分析该问题的重点是分析污染物的传播特征，包括传播途径，方式等，再根据他的传播特征建立具体的数学模型，从而定量的来计算空气质量等级。基于已有的污染物传播特征，查阅相关资料我们了解到，高斯扩散模型适用于大气物理传播。由于我们不知道单污染源部分时间排放的具体参数，因此，我们就只能先扩大误差计算，再通过量化和合并不确定性的方法降低误差，进行计算
6、。根据高斯扩散模型和大气扩散模型，基于已有的函数模型，通过模糊评价法进行粗略计算确定的空气质量指数范围，得出空气质量等级。2.4问题四分析首先是根据建立的单污染源空气扩散模型分别其优缺点。其次是查阅相关的资料，基于已有的污染物的传播特征分析，我们在此分析的基础上收集关于汽车尾气污染扩散资料，北京地理信息等信息。有了这些信息，我们可以用具体的数据对其定量化，得出空气污染浓度梯度变化及空气质量等级。3、模型假设(1) 不考虑地质灾害对污染物扩散的影响；(2) 不考虑各单位数据测量误差；(3) 其他假设见各模型细则。4、符号假设符号 意义 单位IAQI 空气质量分指数 /IAQIp 污染物项目 p
7、的空气质量分指数 /1,2,3, 各污染物空气质量分指数 / 污染物项目的质量浓度值 (/3) 与 相近的污染物浓度限值的高位值 (/3) 与 相近的污染物浓度限值的低位值 (/3) 与 对应的空气质量分指数 / 与 对应的空气质量分指数 / 空气质量指数 / 过去 12h 颗粒物检测值最大浓度值 (/3) 过去 12h 颗粒物检测值最小浓度值 (/3) 浓度变化极差 (/3) 颗粒物浓度的变化率 / 权重因子（ ）0.5300 六级 严重污染 褐红色5.2 问题二的求解5.2.1 京津冀地区主要污染源及其污染参数京津冀地区主要污染源 所占比重 污染参数燃煤 22.2% 一氧化碳、二氧化硫、氮
8、氧化物机动车 16.7% 一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物工业 15.7% 二氧化硫、氮氧化物、颗粒物、氯化氢、 碳氢化合物、烟尘扬尘 16.3% 颗粒物其它 29.1% 臭氧、硫化氢5.2.2 影响空气质量的主要污染源的性质和种类主要污染源种类 主要污染源性质PM2.5 富含大量有毒有害物质，且在大气中停留 时间长，输送距离远PM10 危害呼吸道及相关器官二氧化氮 损害呼吸道、引发酸雨二氧化硫 引发酸雨一氧化碳 引发自然灾害臭氧 产生光化学烟雾硫化氢 危害人体健康碳氢化合物 产生光化学烟雾烟尘 引发呼吸系统疾病5.3 模型三的建立与求解5.3.1模型假设(1) 忽略污染源大小或直径；(2) 假
9、设风速为零；(3) 假设排出的污染气体都为理想气体；(4) 假设污染物到达地面后被完全吸收。5.3.2 模型三的建立5.3.2.1 软件选用和计算方法选择初步了解各种绘图软件，认识到 MATLAB 具有方便的数据可视化功能，以将向量和矩阵用图形表现出来，并且可以对图形进行标注和打印。高层次的作图包括二维和三维的可视化、图象处理、动画和表达式作图。可用于科学计算和工程绘图。随后我们查阅知道了国内常用的高斯烟羽模型及高斯扩散模型和大气扩散模型，由于高斯模型的局限性，根据麦克斯韦提出的气体分子速率分布函数对高斯模型进行完善，得出羊式高架点源公式，再以地面浓度最大值计算空气质量分指数得出。5.3.2.
10、2 具体计算方法根据高斯扩散模型高架点源扩散模式。点源在地面上的投影点 o 作为坐标原点，有效源位于 z 轴上某点， zH。高架有效源的高度由两部分组成，即 Hhh，其中 h 为排放口的有效高度，h 是热烟流的浮升力和烟气以一定速度竖直离开排放口的冲力使烟流抬升的一个附加高度，如图所示。(,)= 21222+()22 （1） 由于问题三中数据要求，及对模型的假设，认为风速为 0，由此使得： =0=0（2） 由于该公式不适用于风速 u=0 的模式，故增大部分误差，以气体分子平动速率代替：()=4( 2)32222计算积分平均值可得到气体分子的平均平动速度1.6并已知 =8.314()=298.1
11、5=46（3） 由于 , ，经查阅资料已知：=11=221 1 距离/m0.901074 0.425809 010000.850934 0.602052 10002 2 距离/m1.12154 0.0799904 03001.51360 0.00854771 3005002.10881 0.000211545 500（4） 完善得出羊式高架点源公式：(,0,)= 21222（5） 据源点距离 r 范围分别为开始排污后 0停止排污后 51此时，气体分子平动速率 已不适用于公式，我们以气体分子扩散速率 v 进行计算：100（6） 地面浓度分布如图所示。y 方向的浓度以 x 轴为对称轴按正态分布；沿
12、 x 轴线上，在污染物排放源附近地面浓度接近于零，然后向外不断增大，在离源一定距离时的某处，地面轴线上的浓度达到最大值，以后又逐渐减小。地面最大浓度值 Cmax及其离源的距离 xmax可以由式(,0,0,)= 1222求导并取极值得到。令 /0，由于 y、 z均为 x 的未知函数，最简单的情况可假定 y/ z常数，则当 时，得地面浓度最大值| =2= 225.3.3 模型三的求解5.3.3.1MATLAB 软件绘制污染浓度图5.3.3.2 模型三的求解结果(1) 早上 9 点-下午 3 点该工厂半径 51 公里内污染物浓度分布图，如下图 5.3.3.2.1图 5.3.3.2.1(2) 早上 8
13、 点该工厂方圆半径公里内污染物浓度分布图，如下图 5.3.3.2.2图 5.3.3.2.2(3) 晚上 9 点该工厂半径 51 公里内污染物浓度分布图，如下图 5.3.3.2.3图 5.3.3.2.3(4) 晚上 10 点-凌晨 4 点该工厂半径 51 公里内污染物浓度分布图，如下图 5.3.3.2.4图 5.3.3.2.4(5) 于是可以得到早上 8 点、中午 12 点、晚上 9 点空气污染浓度和空气质量等级如下：早上 8 点 中午 12 点 晚上 9 点空气污染浓度 78.23 64.73 2.93空气质量等级 二级 二级 一级5.4 模型四的建立与求解5.4.1 模型假设(1) 假设不同
14、污染源向四周扩散除相互重叠时，污染程度不受重叠影响；(2) 假定污染物排放量集中在各面源单元的形心上；(3) 假设北京市所有汽车全都上路并排放污染物；(4) 假设北京市所有汽车排量相同；(5) 不考虑大气稳定度对污染物扩散的影响；(6) 假设北京市所有汽车排污高度一致；(7) 假设北京市所有汽车平均分布在六环内；(8) 假设北京市所有未被限行的汽车在16号所有时间段全部上路。5.4.2 模型四的建立5.4.2.1 软件选用和计算方法选择初步了解各种绘图软件，认识到 MATLAB 具有方便的数据可视化功能，以将向量和矩阵用图形表现出来，并且可以对图形进行标注和打印。高层次的作图包括二维和三维的可视化、图象处理、动画和表达式作图。可用于科学计算和工程绘图。随后我们查阅知道了国内常用的高斯烟羽模型及高斯扩散模型和大气扩散模型，由于高斯模型的局限性，根据麦克斯韦提出的气体分子速率分布函数对高斯模型进行完善，得出方法建立模型，再以地面浓度最大值计算空气质量分指数得出。又因为高斯模式只适用于 100平方千米以下的面积，于是我们采用面源化点源在叠加的方式形成羊式面源计算法进行计算。5.4.2.2 具体计算方法根据高斯扩散模型连续面源扩散模式，当众多的污染源在一地区内排放时，可将它们作为面源来处理。因为这些污染源排放量很小但数量很大，若
