基于高斯模型对空气污染问题研究

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1、2015第十二届五一数学建模联赛题目基于高斯模型对空气污染问题的研究摘要本文针对空气污染问题进行研究，分析京津冀地区空气质量等级、主要污染物种类和性质，构建污染扩散模型，并为环保部门提出合理建议。问题一要求参考国标和美标，对空气质量优劣程度等级进行划分。在国标和美标下,采用爛权法对模糊综合评价法进行改进，将地区划分为/级，〃级，/〃级三个空气质量等级。问题二要求通过查找数据，列出京津冀地区的主要污染源及其污染参数并分析主要污染源的性质和种类。通过查找资料得知主耍污染源是汽车尾气和工业废气，并将两种污染源的排放占污染指标的比重定义为污染参数。按照不同的指标，污染源可分为人为污染、有机污染、

2、无机污染、工业污染这四大类，由污染源组成可知其具有化学性、生物性、放射性。问题三要求建立单污染源扩散模型，求解河北某工厂51公里内在8点、12点、21点吋空气污染浓度及空气质量等级。在10千米以内，建立高斯烟羽扩散模型：C(x,得到每一时刻的浓度值，在10千米以外，选择ADMS模型进行研究，mMatlab绘制浓度分布图，可得8点、12点的空气质量等级均为/级，12点时为〃/级。问题四要求建立多污染源扩散模型，求解北京二、四、六坏在实行单双号限行措施第二天8点、12点、21点时空气污染浓度梯度变化及空气质量等级。将汽车污染问题转化为有限长线状问题，利用高斯烟流公式计算得出浓度变化值。根据浓

3、度梯度图得到以下结论：8点时三个环的空气指标均为〃/级，12点时二环和四环的空气等级为〃级，六环等级为/级，21点时二环和六环的空气等级为/级，四环的空气质量等级为〃级。问题五要求根据前几问的模型及结果，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写建议报告。本文依据上述研究结果及相关经验，从汽车尾气及工业废气两方面，给部门领导提出合理建议，旨在实现“APEC”蓝犬。关键词污染源爛权法模糊综合评价高斯烟羽扩散模型ADMS模型一、问题重述1.1问题背景与条件1.1.1问题背景近I•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

4、的弊病FI益突出，特别是F1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，说明国家己经把能源坏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。空气污染，乂称为大气污染，按照国际标准化组织（/SO）的定义，空气污染通常是指由于人类活动或自然过程引起某些物质进入大气中，呈现出足够的浓度，达到足够的时间，并因此危害了人类的舒适、健丿隶和福利或环境的现象。大气污染源可分为口然和人为两大类。自然污染源是由于自然原因（如火山爆发、森林火灾等）而形成，人为污染源是由于人

5、们从事生产和生活活动而形成。在人为污染源屮，又分为固定的（如烟囱、工业排筒）和移动的（如汽车、火车、飞机、轮船）两种。曲于人为污染源普通和经常的存在。所以比起口然污染源來更为人们所密切关注。空气质量的好坏反映了空气污染程度，它是依据空气中污染物浓度的高低来判断的。空气污染是一个复杂的现彖，在特定时间和地点空气污染物浓度受到许多因素影响。来自固定和流动污染源的人为污染物排放大小是影响空气质量的最主要因素之一。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。1.1.2所给条件现有河北境内某一工厂废气排放烟囱高50m,主要排

6、放物为氮氧化物。早上9点至下午3点期间的排放浓度为406.92加g/M,排放速度为1200m3///；晩上10点至凌晨4点期间的排放浓度为1160mg/m3,排放速度为5700m3//?o1.2问题重述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耍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并求解上述工厂方圆51公里分别在早上8点、小午12点、晚上9点空气污染浓度分布和空气质量等级；4、若北京2015年1月15日连续三

7、天发生重污染，假设16日开始启动汽车单双号限行管制措施，建立多污染源空气污染扩散模型，以汽车尾气污染源为例分析北京市二环、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、在前几问的基础上，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。二、问题分析2.1对于问题一的分析要根据国标与美标建立衡量空气质量优劣程度等级的模型，首先口J通过网上资料了解到国标与美标的数据。考虑