B大氣污染評價模型夏深寶、李品、胡世鋒

1、2015年河南科技大學模擬訓練二承諾書我們仔細閱讀了數(shù)學建模選拔賽的規(guī)則.我們完全明白，在做題期間不能以任何方式（包括電話、電子郵件、網(wǎng)上咨 詢等）與隊外的任何人研究、討論與選拔題有關(guān)的問題。我們知道，抄襲別人的成果是違反選拔規(guī)則的，如果引用別人的成果或其他 公開的資料（包括網(wǎng)上查到的資料），必須按照規(guī)定的參考文獻的表述方式在正 文引用處和參考文獻中明確列出。我們鄭重承諾，嚴格遵守選拔規(guī)則，以保證選拔的公正、公平性。如有違反 選拔規(guī)則的行為，我們將受到嚴肅處理。我們選擇的題號是（從 A/B/C/D中選擇一項填寫）： B隊員簽名：1.2. 3. 日期：2015/8/212015年河南科技大學數(shù)學

2、建模競賽選拔編號專用頁評閱編號（評閱前進行編號）：評閱記錄（評閱時使用）：評閱人評分備注關(guān)于大氣污染預報問題的數(shù)學建模摘要近年來，伴隨著社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，但經(jīng)濟增長模式相對傳統(tǒng)落后，對生態(tài)平衡和自然環(huán)境造成一定破壞， 因此， 控制大氣污染， 提高環(huán)境空氣污染質(zhì)量就成了迫切的需要。 本文正是以京津冀地區(qū)的空氣污染問題為背景， 針對單污染源空氣污染擴散和多污染源空氣污染擴散分別建立不同的模型來進行研究的。對于問題 1，我們借鑒國家空氣質(zhì)量標準，并采用加權(quán)平均的思想引入了綜合空氣質(zhì)量指數(shù)來評價某個地區(qū)的空氣質(zhì)量環(huán)境綜合空氣質(zhì)量指數(shù)數(shù)值越大， 則 表明綜合污染程度越重。對于問題 2，根據(jù)京津冀地區(qū)的

3、污染數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析，最后將大氣污染源分為三大類：工業(yè)源，生活源，交通運輸源，并分別對京津冀三個地區(qū)的主要污染物和他們的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)做研究和分析。對于問題 3，采用了經(jīng)典的高斯模式來建立單污染源空氣污染擴散模型，然后用Matlab模擬出工廠分別在早上8點，中午12點，晚上9點空氣污染濃度分 布和空氣質(zhì)量等級。對于問題 4，先建立了多污染源空氣污染擴散模型，然后以汽車尾氣污染源為例， 利用線源模式對汽車尾氣擴散濃度分布進行預測， 最后將我們用模型模擬出來的結(jié)果與實際結(jié)果進行對比， 結(jié)果發(fā)現(xiàn)誤差不是很大， 說明模型比較符合實際。最后， 針對京津冀地區(qū)空氣污染的具體情況和對自己建立模型的分析， 給京津冀地

4、區(qū)環(huán)保部門提出了實現(xiàn)“APEC藍天的可行性措施和建議。關(guān)鍵詞 ： 綜合空氣質(zhì)量指數(shù)污染源Matlab線源模式一問題重述大氣是指包圍在地球外圍的空氣層，是地球自然環(huán)境的重要組成部分之一。 人類生活在大氣里，潔凈大氣是人類賴于生存的必要條件。 一個人在五個星期內(nèi) 不吃飯或5天內(nèi)不喝水，尚能維持生命，但超過 5分鐘不呼吸空氣，便會死亡。 隨著地球上人口的急劇增加，人類經(jīng)濟增長的急速增大，對生態(tài)平衡和自然環(huán)境 造成一定的破壞，地球上的大氣污染日趨嚴重，其影響也日趨深刻，如由于一些 有害氣體的大量排放，不僅造成局部地區(qū)大氣的污染，而且影響到全球性的氣候 變化。空氣污染的弊病日益突出，特別是日益加重的霧霾

5、天氣已經(jīng)干擾到社會的 出行秩序和生活質(zhì)量。因此，加強大氣質(zhì)量的監(jiān)測和預報是非常必要。目前對大氣質(zhì)量的監(jiān)測主要是監(jiān)測大氣中 嵐、NO我、CO、O葭 懸浮顆粒物(主要為PM10)等的濃度，研究表明，城市空氣質(zhì)量好壞與季節(jié)及氣象條件的關(guān)系十分密切。以 城市京、津、冀地區(qū)的污染物含量及氣象參數(shù)的數(shù)據(jù)來解決以下問題：(1)參考現(xiàn)有國標和美標，建立衡量空氣質(zhì)量優(yōu)劣程度等級的數(shù)學模型。(2)查找數(shù)據(jù)并列出京津冀地區(qū)主要污染源及其污染參數(shù)，分析影響空氣質(zhì)量的主要污染源的性質(zhì)和種類。(3)建立單污染源空氣污染擴散模型，描述其對周圍空氣污染的動態(tài)影響規(guī) 律?，F(xiàn)有河北境內(nèi)某一工廠廢氣排放煙囪高 50m,主要排放物為

6、氮氧化物。早上 9點至下午3點期間的排放濃度為 406.92mg/m3,排放速度為1200m3/h;晚上 10點-凌晨4點期間的排放濃度為1160mg/m3,排放速度為5700m3/h;通過你的 擴散模型求解該工廠方圓51公里分別在早上8點、中午12點、晚上9點空氣污 染濃度分布和空氣質(zhì)量等級。(4)建立多污染源空氣污染擴散模型，并以汽車尾氣污染源為例求解分析以 下問題：北京在2015年1月15日已經(jīng)連續(xù)三天發(fā)生重污染，假設(shè)從 16日開始 北京啟動汽車單雙號限行交通管制措施，求解北京市二環(huán)、四環(huán)、六環(huán)路在 16 日早上8點、中午12點、晚上9點時空氣污染濃度梯度變化及空氣質(zhì)量等級。(5)根據(jù)你

7、們的模型和求解結(jié)果，分析總結(jié)影響空氣質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)，為京 津冀地區(qū)環(huán)保部門撰寫一份建議報告，給出實現(xiàn)“APEC藍天的可行性措施和建議。二、模型假設(shè)1、各組數(shù)據(jù)真實可信，各參數(shù)不隨測量地點的改變而改變，且是在同一地點同 一時間采集，不考慮人為因素，具有統(tǒng)計、預測意義。2、假設(shè)京津冀三個地區(qū)發(fā)展狀況相同，各個城市不會出現(xiàn)重大空氣污染事故， 或環(huán)境不會變好，環(huán)境不會出現(xiàn)強烈波動，即發(fā)展速度沒有明顯差異。3、各城市的檢測時間具有隨機性，城市空氣質(zhì)量好壞與氣象條件的關(guān)系十分密 切，與其他因素關(guān)系不大。4、污染物在擴散過程中，污染物本身是被動、保守的，即污染物和空氣無相對 運動。5、擴散時擴散面平坦、開闊

8、、性質(zhì)均勻，平均流場平直、穩(wěn)定，不考慮風場對 擴散的影響。6、假設(shè)北京啟動汽車單雙號限行交通管制措施后，車輛數(shù)較少為原來的一半， 忽略其他干擾因素。7、通常情況下，車輛在有坡度的道路上行駛，具排出的污染物要比平路上的高, 假設(shè)制定排放標準時不考慮道路坡度的問題。三、符號說明G：污染物項目i的空氣質(zhì)量分指數(shù)h:污染物項目i的空氣質(zhì)量分指數(shù)BIh ：與Ci相近的污染物濃度限值的高位值BIl：與Ci相近的污染物濃度限值的低位值HI :與BIh對應(yīng)的空氣質(zhì)量分指數(shù)LI :與BI l對應(yīng)的空氣質(zhì)量分指數(shù):第i個目標污染物的權(quán)系數(shù)CAQI:綜合空氣質(zhì)量指數(shù)C(x,y,z):空間點(x,y,z)的污染物濃度

9、，mg/sQ:源強，單位時間污染物排放量，mg/sU:風速平均速度m/sVt :顆粒的重力沉降速度，單位 m/s顆粒的地面反射系數(shù)x y：煙氣的擴散系數(shù)，與大氣穩(wěn)定度和水平距離X有關(guān)dp顆粒直徑m pPp:顆粒密度Kg/m:空氣粘度Pa*sg :重力加速度m/MVg：煙流出口處速度，m/s gD:煙囪出口內(nèi)徑，mTg：煙囪出口處的煙氣溫度，KgTa ：環(huán)境大氣溫度， KQijpw ： 某條線源道路， j 類型車 p 型燃料 w 種污染物排放源強， g/hLi ： 第 i 段路長， Kmqijp ： j 類型車 p 型燃料在 j 段路上的車流量/hn :某條線源道路上劃分的總段數(shù)Cjp ： j

10、類型車每輛每公里p 型燃料消耗量， Kg/KmEfpw ： p 類型燃料， w 種污染物的排放因子， Kg/t四、問題分析4.1 問題一的分析查找現(xiàn)有國家標準， 考慮國情， 以國標為基準找到國家大氣質(zhì)量標準中環(huán)境空氣質(zhì)量的標準規(guī)定，進一步分析可建立衡量空氣質(zhì)量優(yōu)劣程度等級的數(shù)學模型。4.2 問題二的分析查找北京、 天津， 石家莊三個代表城市一年內(nèi)主要污染源及其污染參數(shù)， 用Excel 處理數(shù)據(jù)并根據(jù)問題一建立的模型進行分析。4.3 問題三的分析對于問題 3 建立單污染源空氣污染擴散模型， 污染濃度的擴散模式是一種以處理大氣污染物在大氣中輸送和擴散問題的數(shù)學模型， 由于影響擴散過程的氣象條件、地

11、形、下墜面狀況及污染本身的復雜性，到目前為止，還不能找到一個適用于各種條件的大氣擴散模式來描述所有這些復雜條件下的大氣擴散問題， 所以我們必須建立一個比較研究污染物從高處向四周擴散的模型， 然后將所研究的工廠廢氣排放煙囪看作是高架點源。利用 Matlab 編程，將題中數(shù)據(jù)帶入公式即可求得空氣污染濃度分布和空氣質(zhì)量等級。4.4 問題四的分析問題 4 建立多污染源空氣污染擴散模型， 可以對問題 3 建立的單污染源進行疊加。 針對汽車尾氣污染源， 可以將汽車看成是一個一個的污染源， 將其轉(zhuǎn)換成多污染源問題，再利用多污染源對其進行求解。4.5 問題五的分析根據(jù)分析京津冀三個地區(qū)主要污染源的性質(zhì)和種類及

12、其擴散模型和求解結(jié)果，可以給出合理化措施和建議。五、模型建立及求解5.1 衡量空氣質(zhì)量優(yōu)劣程度等級模型5.1.1 模型建立我國現(xiàn)在通常采用AQI來衡量空氣質(zhì)量，AQI計算方便，根據(jù)對人體健康 影響最大的某項污染物來衡量空氣質(zhì)量狀況，有助于人們直觀的了解空氣污染狀 況。但當空氣中各類污染物質(zhì)量濃度差異較大時，AQI會掩蓋污染物對空氣的總 體影響狀況，丟失大量有用信息，這對研究各類污染物較為不利。因此可進一步 研究空氣質(zhì)量評價存在的模糊和灰色區(qū)域。 根據(jù)環(huán)境空氣質(zhì)量標準當中的所規(guī)定 的污染物排放限值，依據(jù)加權(quán)平均的思想來建立衡量空氣質(zhì)量優(yōu)良等級的評價模 型。在本模型中，我們引入了綜合空氣質(zhì)量指數(shù)來

13、評價某個地區(qū)的空氣質(zhì)量，指數(shù)數(shù)值越大表明綜合污染程度越重。首先假設(shè)空氣中只有一種污染物i,根據(jù)空氣質(zhì)量分指數(shù)的計算方法，我們 得到污染物i的空氣質(zhì)量分指數(shù)LHJ-LI實際空氣中含有多種污染物，當對多種污染物進行綜合評價時，我們要對各 種污染物值分別進行加權(quán)平均，從而確定評價指標的權(quán)重值，此權(quán)重是衡量因子 集中某一因子對空氣污染影響程度相對大小的量， 權(quán)重系數(shù)越大，則該污染對空 氣的影響程度越大。本文以相近的污染物濃度限值的平均值來決定權(quán)重，各污染 物的監(jiān)測值相對于大氣質(zhì)量標準限額的超標越大， 則對污染的貢獻越大，從而權(quán) 重也就越大，因此權(quán)重系數(shù)可以表示為：(2)耳奇其中P表示污染物i的權(quán)重值，

14、B表示與C1相近的污染物濃度限值的平均值, 得到了權(quán)重值后，為方便進行復合運算，還應(yīng)該對n個污染物因子的權(quán)重結(jié)果進 行歸一化處理，即第i個目標污染物的權(quán)系數(shù)可以表示為：最后，根據(jù)模糊運算關(guān)系，用每個污染物的空氣質(zhì)量分指數(shù)乘以相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)就可以得到衡量空氣質(zhì)量的參數(shù)CAQICAQI = 匕 h * 95.1.2 空氣質(zhì)量指數(shù)級別的劃分類似于國家空氣質(zhì)量指數(shù)級別的劃分方法，根據(jù)中國環(huán)境監(jiān)測總站發(fā)布的 2015 年 3 月份京津冀地區(qū) PM2.5、PM10、嗎、Nq、CO-95per和 O3-8H-90per六種污染物的月均濃度數(shù)據(jù)，大致算出它們分別的空氣質(zhì)量分指數(shù)，然后將他們累加得到綜合空氣質(zhì)量

15、指數(shù)，再根據(jù)環(huán)境監(jiān)測總站發(fā)布的空氣級別對其進行修正。根據(jù)修正后得到的綜合空氣質(zhì)量指數(shù)也將空氣質(zhì)量劃分為六個級別，依次為優(yōu)、良、輕度污染、中度污染、重度污染和嚴重污染。表1綜合空氣質(zhì)量指數(shù)級別及相關(guān)信息綜合空氣質(zhì) 量指數(shù)空氣質(zhì)量指 數(shù)級別空氣質(zhì)量指數(shù)類別及表 示顏色對健康影響 情況建議采取 的措施0-40一級優(yōu)綠色無影響各類人群 可止?；?動40-85二級良黃色可接受，對 少數(shù)異常敏 感人群健康 有影響極少數(shù)敏 感人群減 少戶外活 動85-140三級輕度污染橙色易感人群癥 狀輕度加 居IJ,健康人 群出現(xiàn)刺激 癥狀易感人群 減少時間、高強度的 戶外鍛煉140-195四級中度污染紅色進一步加劇 易

16、感人群癥 狀，對健康 人呼吸系統(tǒng) 有影響易感人群 應(yīng)避免高 強度的戶 外鍛煉，一 般人群適 量減少戶外活動195-270五級重度污染紫色心臟病和肺 病患者癥狀 顯著加劇， 健康人群出 現(xiàn)癥狀易感人群 停止戶外 活動，一般 人群減少 戶外活動270六級嚴重污染褐紅色健康人群運 動耐受力降 低，有明顯 強烈癥狀易感人群 停留在戶 內(nèi)，一般人 群避免戶 外活動5.1.3 首要污染物及超標污染物的確定方法Fi 二 Max。！ * 315* O2J3 * 3-Jn * Wn)Fj :對空氣污染程度最大的污染物i; n:污染物的項目F/50時，【口前3n最大的污染物為首要污染物； I j城3力最大的污染物

17、為兩項或兩項以上時，則他們并列為首要污染物;Fp140的污染物稱為超標污染物5.2 京津冀地區(qū)主要污染源及其污染參數(shù)PM2.5的排放源主要有：揚塵、交通源、燃煤源、建筑塵、生物質(zhì)燃燒和工業(yè)無組織排放等。止匕外，還存在。、N2及有機物轉(zhuǎn)化形成顆粒物的二次 排放源。揚塵和燃煤污染源貢獻率分別為 18.11% 16.14%,是PM2.5的主要來 源。比例 未究源 機機 燃煤 機動車排放 建筑平 楊生 生物貢燃燒 二次硫酸熱和植酸處圖1京津冀PM2.5主要來源的年均貢獻率數(shù)據(jù)顯示，2012年，京津冀燃煤消費總量38927萬噸，河北煤炭消費量 占其能源消費總量的88.8%,遠遠高于北京的4.3%和天津的

18、6.8%,煤炭消費排 放出大量的二氧化硫，對大氣環(huán)境造成很大影響。北京天津石家莊圖2京津冀燃煤消費總量比例冀區(qū)氮氧化物的比重達45%,分別高于天津28.8個百分點，河北26.2個百分點比例北京天津三家莊圖3京津冀機動車氮氧化物排放占比根據(jù)2015年3月及第一季度京津冀空氣質(zhì)量報告，我們統(tǒng)計出京津冀地 區(qū)3月份PM2.5、PM10、二氧化氮、二氧化硫、一氧化碳、臭氧等污染物月均 濃度分布表。圖4京津冀2015年3月份各污染物月均濃度通過上面的分析，我們把大氣污染源分三類：(1)工業(yè)源：工業(yè)生產(chǎn)是大氣污染的一個重要來源，工業(yè)生產(chǎn)排放到大氣中的 污染物種類繁多，有煙塵，硫的氧化物，氮的氧化物，有機化

19、合物，鹵化物，碳 化合物等，有的是煙塵，有的是氣體。(2)生活爐灶與采暖鍋爐源：城市中大量民用生活爐灶和采暖鍋爐需要消耗大量煤炭，煤炭在燃燒的過程中要釋放大量的煙塵， 二氧化硫，一氧化碳等有害物 質(zhì)污染大氣。特別是在冬季采暖時，造成很大污染。城市和人口密集的居住區(qū)是 人類消費活動集中地，是主要的生活污染源。(3)交通運輸源：汽車、火車、飛機、輪船是當代主要的運輸工具，它們燒煤 或石油產(chǎn)生的廢氣也是重要的污染源， 特別是城市中的汽車，量大而集中，尾氣 所排放的污染物能直接侵襲人的呼吸器官， 對城市的空氣污染很嚴重，成為大城 市空氣的主要污染源之一，汽車排放的廢氣主要有一氧化碳， 二氧化硫，氮氧化

20、 物和碳氫化合物等，前三種物質(zhì)危害很大。5.3單污染源空氣擴散模型污染濃度的擴散模式是一種用以處理大氣污染物在大氣中輸送和擴散問題的物理和數(shù)學模型。由于影響擴散過程的氣象條件、 地形、下墊面狀況及污染 本身的復雜性，我們采用了經(jīng)典的高斯模式來建立單污染源空氣污染擴散模型。高斯擴展模式是在大量的實測資料的分析基礎(chǔ)上，應(yīng)用湍流統(tǒng)計理論得到正態(tài)分 布假設(shè)下的擴散模式。一般總是把排放口或高架源在地面上的投影點作為坐標原 點，x軸正向沿平均風向水平延伸，y軸在水平面上垂直于x軸，x軸左側(cè)為正, z軸垂直于水平面，向上為正，形成右手坐標系。5.3.1 模型的建立連續(xù)點源一般指排放大量污染物的煙囪， 放散管

21、，通風口等，本模型就是 針對于地面連續(xù)點源或高架點源。針對排放口處于高空位置的高架點源，將點源在地面上的投影點作為坐標 原點，有效源位于Z軸上某點，Z=H，高架點源有效的高度有兩部分組成，H=h+lh,其中h為排放口的有效高度，Ah是熱煙流的浮升力和煙氣以一定的速度豎直離 開排放口的沖力使煙流抬升的一個附加高度。假設(shè)污染物到達地面后被完全吸 收，那污染物的濃度為：(6)若要計算高架點源的地面濃度公式，則可令 z=0,得：Cx. y, 0, H)=嬴黑;exP卜港鄢煙囪、放散管一般為顆粒物，要根據(jù)其粒徑大小來判斷其計算方法， 若顆粒的粒徑小于15Hm，其地面濃度可按上述氣體擴散模式計算，而對于大

22、于15rm的顆粒物，由于具有明顯的重力沉降作用，將使?jié)舛戎涤兴淖?，可按傾斜煙流模式計 算濃度：Cx, y, 0, H) = exp- exp -蜀 exp-3募力(8)其中，a顆粒的地面反射系數(shù)可查表：Vtdjppg表2粒子范圍一一反射系數(shù)粒子范圍他皿，15-3031-4748-7576-100平均粒徑俱m,22386085反射系數(shù)值0.80.50.30式中的4表示顆粒的重力沉降速度，單位 m/s,計算公式:煙流抬升高度及擴散參數(shù)的確定高斯擴散公式應(yīng)用的效果依賴于公式中各個參數(shù)的準確程度， 尤其是煙流抬 升高度H及擴散參數(shù)的估算，其中，平均風速u取觀測的常規(guī)氣象數(shù)據(jù)，源強Q 可以計算或測定，

23、即H與氣象條件和地面狀況密切相關(guān)。煙流抬升高度的計算煙流抬升高度是確定高架源的位置，準確判斷大氣污染擴散及估計地面污染 濃度的重要參數(shù)之一。連續(xù)點源的排放大部分是采用煙囪排放的，通常具有一定 速度的熱煙氣從煙囪排出口后，會繼續(xù)上升到很高的高度，相當于增加了煙囪的 幾何高度。圖5煙氣抬升示意圖因此煙囪的有效高度H,應(yīng)該為煙囪的幾何高度h與煙氣抬升高度Ah之和。即:(10)H=h+-對于一個煙囪來說，h是固定的，只要能計算出Ah ,就可以確定H的數(shù)值了產(chǎn)生煙氣抬升有兩方面原因：一是由于煙囪的出口煙氣具有一定的初始動量；二是由于煙氣溫度高于周圍氣溫而產(chǎn)生一定的浮力。初始動量的大小決定于煙氣出口流速和

24、煙囪出口內(nèi)徑，而浮力大小則主要決定于煙氣與周圍大氣之間的 溫差。止匕外，平均風速，風速垂直切變以及大氣穩(wěn)定度等因素，都會對煙氣抬升 產(chǎn)生影響。由于煙流抬升受諸多因素的影響，Ah的廣泛計算方法用霍蘭德公式:(11)Ah =產(chǎn)(L5 + 2.7 與與)=i (1,5VSD + 9.6 * lO-QJ上式的計算結(jié)果對很強的熱源比較適中甚至偏高，而對中小型熱(Qh1000B0.9143700.8750860.2818460.3963530-10001000B-C0.9193250.8750860.2295000.3142380-10001000C0.9242790.8851570.1771540.23

25、21231-10001000C-D0.9268490.8869400.1439400.1893961-10001000D0.9294180.8887230.1107260.1466691-10001000D-E0.9251180.8927940.09856310.1243081-10001000E0.9208180.8968640.08640010.1019471-10001000F0.9294180.8887230.05536340.07333480-10001000表4垂直擴散參數(shù)幕函數(shù)表達式系數(shù)值 = 丫/叼（取樣時間是0.5h）穩(wěn)定度Ya下風距離，m1.121540.07999040-

26、300A1.513600.00854771300-5002.108810.000211545500B0.9644350.1271900-5001.093560.057025500B-C0.9410150.1146820-5001.007700.075718500C0.9175950.1068030C-D0.8386280.1261520-20000.7564100.2356672000-100000.8155750.136659100000.8262120.1046341-1000D0.6320230.4001671000-100000.555360.810763100000.7768640.

27、1117710-2000D-E0.5723470.52899222000-100000.4991491.03810100000.7883700.09275290-1000E0.5651880.4333841000-100000.4147431.73421100000.7844000.06207650-1000F0.5259690.3700151000-100000.3226592.4069110000擴散參數(shù)選取方法如下：(1) 平原地區(qū)農(nóng)村和城市遠郊區(qū)，A、B、C級穩(wěn)定度按表4直接查算，D、 E、F級穩(wěn)定度則需要向不穩(wěn)定方向提半級后按表 7和表8.(2) 工業(yè)區(qū)域或城區(qū)中的點源， A、B不提

28、級，C級提到B級，D、E、F 級向不穩(wěn)定方向提一級，再按表 4和表5(3) 丘陵山區(qū)的農(nóng)村或城市，擴散參數(shù)選取方法同工業(yè)區(qū)。5.3.2模型求解已知：現(xiàn)有河北境內(nèi)某一工廠廢氣排放煙囪高 50m,主要排放物為氮氧化物。早上9點至下午3點期間的排放濃度為 406.92mgh?,排放速度為1200m3 Zh；晚上10點-凌晨4點期間的排放濃度為1160mgmm ,排放速度為5700m3 Zh；求解：該工廠方圓51公里分別在早上8點、中午12點、晚上9點空 氣污染濃度分布和空氣質(zhì)量等級。根據(jù)資料，取煙囪出口內(nèi)徑 D=1.7m、Ts=370K、Ta=293K,用Matlab模擬 出風速與煙流抬升高度間的關(guān)

29、系。然后根據(jù)查找的河北境內(nèi)風速方面的資料，假設(shè)取u=6.7m/s,模擬出在正下 風向0-5000m距離內(nèi)的擴散趨勢圖。2 S.* T I 1_ 11 Jl 1.1 II 1 II III III 111 II1 II hill ill in ill ii tn itu 1 ii 1*!1. 1QCI0胃口口口ZM。00?？?5OQ0O圖6正下風向氮氧化物濃度的擴散分布趨勢圖GO?？趫D形顯示出，氮氧化物濃度約在 750m處達到最大伯:，而在0-750m內(nèi)氮氧 化物濃度是逐漸遞增的，說明地面反射的作用是很強的。在 750m以后，氮氧化 物濃度在向遠處擴散過程中逐漸衰減。最后查到了河北石家莊的氣象資

30、料，得到河北 24小時整點溫度分布圖，得 到河北境內(nèi)早上8點，中午12點，晚上9點的溫度分別為18攝氏度，24攝氏 度，21攝氏度。圖7 河北境內(nèi)氣象資料然后將這三個時間點的溫度帶入到模型中求解，可得到該工廠方圓51公里分別在早上8點、中午12點、晚上9點空氣污染濃度分布和空氣質(zhì)量等級。表5空氣質(zhì)量等級時間距煙囪出口止卜方的跑離空氣質(zhì)量等級早上8點0-3Km四級（中度污染）3-12 Km三級（輕度污染）12-510 Km二級（良）中午12點0-4.5 Km四級（中度污染）4.5-14 Km三級（輕度污染）0-3.5 Km二級（良）晚上9點0-3.5 Km四級（中度污染）3.5-12.5 Km三

31、級（輕度污染）12.5-510 Km二級（良）5.4多污染源空氣污染擴散模型(14)若需要評價的點源多于一個，計算濃度時，將各個源對接收點濃度的貢獻進 行疊加。在評價區(qū)內(nèi)選一原點，以平均風的上風方為正x軸，各個污染源對評價 區(qū)內(nèi)任一地面店（x,y,0）的濃度總貢獻C,按下式計算：式中，Q是第i個點源對（x,y,0）點的濃度貢獻。5.4.1建立模型如果以汽車尾氣污染源為例，可以利用線源模式進行汽車尾氣擴散濃度分 布的預測，將道路劃分成一系列面積不等的路段單元，每個路段單元等效成與風向垂直的有限長線源，道路對接受點的貢獻濃度等效為所有有限長線源對接受點 濃度之和。以汽車為移動電源，當其在固定路線上

32、運行并達到一定車流量時，可視為固定線源。根據(jù)實際應(yīng)用，任意風向時的線源模式采用高斯點源迭加的方法 可得到較高的計算精度。1、風向與線源垂直時的地面濃度值的計算設(shè)x軸與風向一致，坐標原點在線源的中點，線源在y軸上的長度為Zy,由它 所產(chǎn)生的任一點（x,y,0）的濃度為CfxJyJO) =Qi*晨盧v+y 口(15)(16) 為誤差函數(shù)。當y-時，從(1)式可導出線源排放高度為 h時，無限長線源的地面濃公 式c(wyM 三Ql 電()附區(qū)P 喻X),：(17)2、風向與線源平行時的地面濃度值的計算取x軸與線源一致，坐標原點和線源中點重合，并設(shè)線源長度為2 ，近距離可作如下假設(shè)：=b(常數(shù))(18)

33、巴：三)(19)其中a,b為常數(shù)，則線源高度為h的地面濃度值的計算公式為：一一:(20)式中，一、，一若為無線長線源，因此只有上風向的線源才對計算點的濃度有貢獻，所以-(21)vZn Fua2ArJ3.風向與線源成任意交角時的地面濃度值的計算設(shè)風向與線源間的交角為(490度)，用簡單內(nèi)插方法估算兩者成任意交角時的地面濃度，其計算公式為：c = C（垂直）（中）+ c（平行）（中）（22）對無限長線源，C （垂直）按（2）式計算，C （平行）按（4）式計算。5.4.2模型中各參數(shù)的確定風速的計算考慮汽車排氣從低位置排出時，其擴散容易受到地表面的影響，因此，線源 排放高度的風速，是使污染物擴散的風

34、速，按下式求出： ：（23）式中，u為線源排放高度h（m）時的預測風速（m/s）,線源排放高度以路面高加1m計算，/為高度h（m）時的實測風速（m/s） , K為風速高度數(shù).擴散參數(shù)的確定擴散參數(shù)鼻、可通過查表4和5得到。研究汽車排氣擴散時，必須考慮汽車行駛時大氣的機械混合作用和因汽車排 熱而產(chǎn)生的大氣熱紊亂以及浮力效應(yīng)等現(xiàn)象， 也必須考慮在建筑密集地因道路兩 旁建筑物產(chǎn)生的大氣擾亂現(xiàn)象。當風向與線源垂直時，水平方向的擴散參數(shù) 對道路周圍的濃度影響不大，但當平行風時，叫的大小對濃度有較大影響。因此，開闊的道路和狹小的道路，其初始擴散參數(shù)值,田是不同的。如果考慮接近平行線源的風向時 口叫。隨車道

35、的 增大而增大。即“網(wǎng)京車+彳月行（24）式中，車為汽車行駛產(chǎn)生的擾亂而引起的初始擴散參數(shù)值（m）, 一般設(shè)為3m； %庫思為把繁忙的公路視為一個線源而引起的初始擴散值（ m）,按下專車道數(shù)(25)，二 1、車道數(shù)式中汽是從道路中心到行駛于第i車道的中心線的距離。(26)綜上所述，在考慮初始擴散參數(shù)后，垂直和水平方向的擴散參數(shù)按下式計算:% = %,。+河%三二。門 1列”（27）線源源強的計算移動線源源強通常可以用下面公式進行計算：3;，；上二 I二二不，.（28）q；.二1 12.（29）式中j車型P燃料類型Qupw某條線源道路第i段路上j類型車p型燃料w種污染物排放源強，g/h；Q|pw

36、某條線源道路，j類型車p型燃料w種污染物排放源強，g/h；%第i段路長，km.qtjp： j類型車p型燃料在i段路上的車流量，輛/h.n:某條線源道路上劃分的總段數(shù)。C|P： j類型車每輛每公里p型燃料消耗量，Kg/Km .Efpw:p類型燃料，w種污染物的排放因子,Kg/t.表6研究區(qū)內(nèi)各類機動車每輛單位里程燃燒消耗量項目輕型 汽油 出租 車轎車輕型 汽油 車4 汽油 車重型 汽油 車輕型 柴油 車低速 貨車4 柴油 車重型 柴油 車摩托 車單位 里程 油耗(Kg/ Km)0.0180.0590.0490.0940.0430.2160.20.050.170.238表7研究區(qū)各類機動車HC、C

37、O、NOx的單位里程平均排放因子項目輕型 汽油 出租 車轎車輕型 汽油 車汽油 車重型 汽油 車輕型 柴油 車及 二輪柴油 車重型 柴油 車摩托 車HC0.350.040.3612.6711.021.331.454.190.16CO3.010.603.0473.6786.622.612.675.631.25NO*2.303.452.294.669.562.392.5824.100.215.4.3模型求解已知：北京在2015年1月15日已經(jīng)連續(xù)三天發(fā)生重污染，假設(shè)從 16日開 始北京啟動汽車單雙號限行交通管制措施，求解北京市二環(huán)、四環(huán)、六環(huán)路在 16日早上8點、中午12點、晚上9點時空氣污染濃度

38、梯度變化及空氣質(zhì)量等級。我們根據(jù)得到的北京二環(huán)路的車流量數(shù)據(jù)來近似代替四環(huán)、六環(huán)路的車流 量。表8北京二環(huán)路7:30-19:30時段車流量統(tǒng)計7:30-8:30234011:30-12:30196015:30-16:3016208:30-9:3098012:30-13:30108016:30-17:3016309:30-10:30120013:30-14:30143017:30-18:30260010:30-11:30141014:30-15:30187018:30-19:302400然后我們將相關(guān)數(shù)據(jù)代入到上面模型中，模擬的結(jié)果與實際檢測得到的結(jié)果 比較相近，說明建立的多污染源空氣污染擴散模

39、型具有一定的可靠性，符合實際結(jié)果。氏： 混2底層污船：申JR后心： 度j虧奇： F*活用：圖11北京1月15日24小時空氣質(zhì)量指數(shù)tt： Eli輕篁污染： 中度活0：重度污染：嚴重污染：HQ5需輯騎出r什圖12 北京1月16日24小時空氣質(zhì)量指數(shù)趨勢5.5影響空氣質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)以及對京津冀地區(qū)環(huán)保部門的建議報告5.5.1 影響空氣質(zhì)量點哦關(guān)鍵參數(shù)通過對模型的分析，共總結(jié)出了三個影響空氣質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)，源強 Q,風 速u,高架點源的高度H。源強Q:污染物的源強指污染物的排放速率，污染物的濃度與源強成正比， 源強越大，污染越嚴重，若要研究某個地區(qū)污染情況，清楚地掌握該地區(qū)的源強 對于研究該地區(qū)污染

40、狀況十分重要，止匕外，如果我們減少某個地區(qū)的污染強度， 可以通過減少源強來達到減少污染的目的， 比如減少汽車尾氣的排放，控制煤炭 的燃燒都是通過較小源強強度來減少大氣污染。風速u:污染物在大氣中排放的濃度與總排放量成正比，而與平均風速成反比。 若風速增加一倍，則下風側(cè)有害氣體濃度就減少一半。 因為風力的加大，使單位 時間內(nèi)通過煙波斷面的空氣量增大和湍流擴散增強，起著稀釋煙塵污染的作用。高架點源的高度H:高架點源的有效高度由兩部分組成，即 H = h + Ah,其中h 為排放口的有效高度，Ah是熱煙流的浮升力和煙氣以一定速度豎直離開排放口的沖力使煙流抬升的一個附加高度。高架點源的高度H越大，污染物傳播的范圍越大。5.5.2 對京津冀地區(qū)環(huán)保部門的建議報告根據(jù)本文對大氣污染的數(shù)學模型以及參考的相關(guān)數(shù)據(jù)，我們對環(huán)境保護提出以下建議：(1)壓減燃煤，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，推行天然氣，電力等清潔能源，降低原煤消耗 所占的比例。特別是在冬季供暖季節(jié)，改造居民采取燒煤取暖的狀況，完善壓減 燃煤工作管理制度，強化排放標準，嚴格排放監(jiān)管。努力擴大天然氣、煤氣等清 潔能源消費量，強化能源節(jié)約。(2)加強工業(yè)污染的防治，以循環(huán)經(jīng)濟模式發(fā)展工業(yè)經(jīng)濟。如：加強大型火電 廠的脫硫、除塵以及低氮燃燒等措施。(3)調(diào)整工業(yè)企業(yè)的合理空間布局，將城區(qū)的大氣污染企業(yè)按照