数学建模答辩.

基于高斯扩散模型的大气污染建模研究答辩人：朱家佑成员：崔昊天、朱家佑、陈锐提纲010203研究概况结果及分析结论与建议雾霾中的“堵城”01020304建立衡量空气质量优劣程度等级的数学模型京津冀地区污染源情况建立单污染源空气污染扩散模型建立多污染源空气污染扩散模型目录05评价与建议问题1建立衡量空气质量优劣程度等级的数学模型从各项污染物的IAQI中选择最大值确定为AQI，当AQI大于50时将IAQI最大的污染物确定为首要污染物问题1空气污染指数与空气质量级别对照表空气质量指数AQI空气质量级别空气质量状况对健康的影响0～50Ⅰ优可正常活动51～100Ⅱ良极少数异常敏感人群应减少户外活动101～150Ⅲ轻度污染长期接触，易感人群症状有轻度加剧，健康人群出现刺激症状150～200Ⅳ中度污染进一步加剧易感人群症状，可能对健康人群心脏、呼吸系统有影响201～300Ⅴ重度污染心脏病和肺病患者症状显著加剧，运动耐受力降低，健康人群普遍出现症状＞300Ⅵ严重污染健康人群运动耐受力降低，有明显强烈症状，提前出现某些疾病问题1中美判别变准差异表1美国空气质量指数对应污染物浓度限值问题1中美判别变准差异表2中国空气质量指数对应污染物浓度限值问题二京津冀地区主要污染源与污染物参数（1）北京机动车尾气排放对大气污染影响最为严重市统计局、国家统计局北京调查总队发布数据称，2012年，京津冀机动车氮氧化物排放量68.2万吨，占氮氧化物排放总量的30%，其中北京机动车氮氧化物排放量占本地区氮氧化物的比重达45%，分别高于天津28.8个和河北13.9个百分点。（2）河北的二氧化硫排放占京津冀的八成数据显示，2012年，京津冀燃煤消费总量38927万吨。河北煤炭消费量占其能源消费总量的88.8%，远远高于北京的25.4%和天津的59.6%。煤炭消费排放出大量二氧化硫，对大气环境造成很大影响，2012年河北二氧化硫排放量占京津冀的80.8%。（3）天津的工业污染影响最大数据显示，2012年，京津冀工业二氧化硫排放量占二氧化硫排放总量的91.2%；工业氮氧化物排放量占氮氧化物排放总量的68.4%；工业烟（粉）尘排放量占烟（粉）尘排放总量的82.6%。分省市看，天津工业污染影响最大。问题二分析影响空气质量的主要污染源的性质和种类根据京津冀地区污染源数据，我们分析得出：京津冀地区主要污染源为工业污染源和交通污染源，前者属于固定污染源，后者属于移动污染源，同时，工业污染源属于还原型的物理污染源和氧化型的化学污染源，交通污染源属于石油型的化学污染源。问题三建立单污染源空气污染扩散模型22222(,0,)22222()()()exp(){exp[]exp[]},2()222=()()()exp(){exp[]exp[]}2(+)222ssyzyzzLzssyzyzzVxVxzhzhQxyLksCVxVxzhzhQxyLks上风向处，下风向处模型假设•扩散过程中浓度在、轴上的变化分布是高斯分布。•污染物的扩散看作是空间某一连续点源向四周等强度地瞬时释放放射性物质，放射性物质在无穷空间扩散过程中不发生性质变化，且不计地形影响。•污染物扩散服从扩散定律，即单位时间通过单位法向面积的流量与它的浓度梯度成正比。•污染物在穿过降雨区域时，其强度由于雨水的吸收而减少，减少比率为常数。•假设地面对污染物起全反射作用。•假设风向为水平风向，且风向风速不随时间变化。高斯扩散模型（点源的扩散模式）大量的实验和理论研究证明，特别是对于连续源的平均烟流，其浓度分布是符合正态分布的。因此我们可以作如下假定：(1)污染物浓度在y、z轴上的分布符合高斯分布（正态分布）；(2)在全部空间中风速是均匀的、稳定的；(3)源强是连续均匀的；(4)在扩散过程中污染物质量是守恒的（不考虑转化）。初始模型建立•以烟囱正下方的地面为坐标原点，平均风向为X轴、指向下风方向，铅直方向为Z轴，水平垂直于风向轴（X轴）为Y向，建立空间坐标系，则核电站泄漏点距有效地面的高度为，则泄漏点位置坐标为。(0,0,)OH初始模型建立•Qo：污染物总量•：空间任意一点的污染物的扩散系数•t：任意扩散时刻•C(x,y,z,t)：空间任意时刻一点的污染物浓度(,,)iixyz初始模型缺陷•此模型只是在不考虑风速的情况下建立的，但为了使模型具有更加的实用性，下面我们将考虑烟囱的实际高度、地面反射、降雨等因素对浓度的影响，完善模型。模型改进•烟囱有一定的高度，且烟囱是连续点源，则烟囱可视为高架连续点源•考虑到地面对扩散来的污染物有反射作用，根据假设4，地面对到达地面的扩散气体完全反射•这儿可认为地面就像镜子一样，对污染物起全放射作用，可用“像源法”处理模型修正•p点污染物的浓度为实源和像源的污染物扩散至此点浓度的叠加。则实际烟囱（实源）对点的浓度贡献部分可用来表示；因为地面对扩散物质完全反射，则像对称源（像源）对点的浓度贡献部分可用来表示。•修正完善的模型:2()2zzHe2()2zzHe2222()()()44403/21/2(,,,),(,,)(4)xyzxyzHzHtttimpCxyzteixyzt模型修正考虑风速为k，工厂排污口污染物自身扩散速度为s，点源的实际高度为h。以点源在地面的投影点为坐标原点，以风向方向为x轴，铅直方向为y轴，与轴水平面垂直方向为z轴建立三维坐标系。修正后方程：22222(,0,)22222()()()exp(){exp[]exp[]},2()222=()()()exp(){exp[]exp[]}2(+)222ssyzyzzLzssyzyzzVxVxzhzhQxyLksCVxVxzhzhQxyLks上风向处，下风向处•早上8点，扩散时间t=14400，假设扩散系数=0.00001，污染物的初始浓度0=1160，污染物总量=34200，模拟曲线•在图中数据，结合问题一的AQI模型分析得出，若以国标为标准计算，0-6km为严重污染区域；6km之后逐渐趋向良好状况发展，浓度变化符合高斯模型。但是如果以美标为标准进行计算，则6-50km均为中度污染区域，可见美标在中轻度污染区域较国标严格，而重度污染之后与国标相差不大•中午12点，扩散时间t=10800，假设扩散系数=0.00001，污染物的初始浓度=406.92，污染物总量=17100，模拟曲线•如上分析，若以国标为标准计算，0-9km为严重污染区域，9-50km之后逐渐趋向良好状况发展，浓度变化符合高斯模型。但是如果换算以美标为标准进行计算，则15-50km均为中度污染区域。•晚上9点，扩散时间t=21600，假设扩散系数=0.00001，污染物的初始浓度=406.92，污染物总量=34200，模拟曲线。•如上分析，若以国标为标准计算，0-6km为严重污染区域；6km之后逐渐趋向良好状况发展，浓度变化符合高斯模型。但是如果以美标为标准进行计算，则6-50km均为中度污染区域。与早上8点的拟合区域接近。问题四建立多污染源空气污染扩散模型2122221(,0,)expexp222sszzqHsCxHdsu模型建立•当污染物沿一水平方向连续排放时，可将其视为一线源，如汽车行驶在平坦开阔的公路上。线源在横风向排放的污染物浓度相等，这样，可将点源扩散的高斯模式对变量y积分，即可获得线源的高斯扩散模式。但由于线源排放路径相对固定，具有方向性，若取平均风向为x轴，则线源与平均风向未必同向。所以线源的情况较复杂，应当考虑线源与风向夹角以及线源的长度等问题。模型建立•如果风向和线源的夹角β＞45，无限长连续线源下风向地面浓度分布为：•当β＜45时，以上模式不能应用。如果风向和线源的夹角垂直，即β＝90，可得：222(,0,)exp2sinzzqHCxHu222(,0,)exp2zzqHCxHu模型建立•对于横风向的有限长线源，应以污染物接受点的平均风向为x轴。若线源的范围是从y1到y2，且y1＜y2，则有限长线源地面浓度分布为：q:污染源强度σy、σz：污染物在y、z方向分布的标准差C：任一点处污染物的浓度(g/m3)u为平均风速(m/s)(m)H：有效源高2122221(,0,)expexp222sszzqHsCxHdsu问题五政策建议•机动车尾气排放的治理迫在眉睫•京津冀地区作为工业区，工业污染尤为严重。因此，严控高耗能、高污染行业新增产能，加快对落后产能的淘汰工作。•京津冀地区作为一个整体，每一成员在做好自己分内事的同时，还应当联防联控，协同合作，共同努力。谢谢！欢迎各位老师批评指正