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城市大气污染实时监测与控制系统中污染物的扩散特性研究

韩明山  
【摘要】:本研究课题是建设数字城市的一部分,研究的主要目的是探讨大气污染物在城市条件下的扩散规律,从理论上给出一套切实可行的监测方法,并用试验方法对试验结果进行验证。课题研究从理论上来说需要解决的问题包括:在城市边界条件下的污染物扩散规律,如何将GPS技术和GIS技术相结合进行污染物的浓度监测,如何对测量数据进行处理,怎样建立计算的物理和数学模型。 研究的主要内容是均匀紊流条件下的污染物扩散规律,从物理意义上来说即为综合利用物质质量守恒定律,动量守恒定律,能量守恒定律来导出扩散的基本运动方程,然后由运动方程从理论上得出污染扩散的一般规律,在试验方面,本研究利用直流吸式风洞来模拟各种不同边界条件下的污染扩散规律,采样方式则利用直接取样的方法连续测量,通过M9000型燃烧分析仪实时测量浓度变化,在物理模拟上通过调整风洞设备电机的工作电压来控制风速,采用缩小比例的模型建筑物,用金属丝网消除流场不稳定等方法来保证模拟试验的动力相似,几何相似和运动相似。 课题研究的主要内容以及结论分为以下几个方面: 1)针对目前普遍采用的城市大气污染监测方法的不足之处,提出了一套如何将车载移动GPS技术和GIS技术结合起来对城市大气污染状况进行实时监测与控制的技术方案,并重点探讨了如何利用车载或手持式GPS系统结合GIS数据库对城市大气质量状况进行流动巡检,确定污染源方位,为重大城市大气污染事故快速提供疏散方案并实时在线向公众发布污染状接受公众查询与监督。 2)从理论和试验方法上探讨了污染物在城市条件下的扩散规律,在平坦区域,浓度分布大致呈正态分布,而复杂条件下的扩散规律则与具体边界条件和建筑物布局方式密切相关,这些在文章中有较为细致的描述。 3)课题研究就城市大气污染实时监测与控制系统模型的核心问题,即如何利用已知浓度场反求污染源项的问题进行了初步探讨,通过求解扩散偏微分方程建立了一维非定常条件下的污染物扩散反问题模型,在此基础上对模型进行了数值 模拟验证和讨论,数值模拟结论很好地验证了反问题模型的实用性。 综合课题研究内容来看,本研究的创新点主要体现在: 1.将GPs系统和Gls系统相结合,设计了一套环境污染监测与控制系统,弥 补了当前系统在特定条件下难以发挥作用的不足之处。同时引入了目前最为流行 的网络技术和数据库技术作辅助决策。在系统后端把基于大气环境评价、污染识 别以及环境污染预测的信息技术和传统的数据库技术带入到可视化的空间中,将 环境保护的管理者置身于自然和社会环境中,使抽象的大气环境污染识别、大气 环境影响分析、评价以及大气污染预测工作变得主动、直观和全面。 2.通过求解浓度场反问题在系统控制模型方面做了部分工作,使工作人员能 够在分析部分数据的情况下了解整个区域内的污染状况,避免了监测工作的盲目 性,减少了工作量,并且通过该核心模型能在电子地图上直观地生成可视化的分 析计算结果图表,动态仿真可更有效地提高环境管理者决策水平。 3.将试验方法和理论方法相结合来研究污染物的扩散规律突破了多数学者只 注重研究其中某一方面的常规,利用风洞模拟试验验证了所建立的污染模型的适 用性,运用试验方法探讨了诸如风向变化,建筑物结构变化等等因素对大气污染 的影响,为实际工作提供了定性参照依据。 从工程利用价值方面来说,本研究具有很现实的实用价值,在工程建设中可 指导设计者如何合理安排建筑物布局方式以将城市污染减到最小,提出的实时监 测方案可对现有的监测系统进行合理改造,利用反问题模型可以大大减少现有监 测任务的工作量,提高工作效率,避免了监测工作的盲目性


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