数学建模海洋带问题.docx

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数学建模海洋带问题

太平洋垃圾带的形成与治理

摘要

一．问题重述

最近的一项深入太平洋涡旋（垃圾碎片不断累积的汇流地带）进行的科学探险，

揭露出大量与处理这些垃圾碎片相关的科技问题。

倾倒废弃物流入海洋不是新鲜事，

但是科学界却首次发现这些垃圾碎片（尤其是塑料制品）在太平洋领域中密集出现。

科学界同时也发现这些垃圾碎片对海洋生态，对人类的福祉都带来了多潜在威胁。

研究

者把这些塑料垃圾描述成塑料汤或是塑料彩屑。

今ICM

的问题是利用跨学科建模，来解决由于海洋中垃圾存在与累积所带来的各种复杂问题，借此帮助研究者，最终帮助政府政策制定者来了解该问题的程度、围和对全球潜在的影响。

作为科学探险的建模顾问，你的任务是要关注垃圾问题中的某一个因素，建立模型并分析它的性质，确定其对影响海洋生态、政府政策的潜在影响，以及改善它的负面影响的具体措施。

一定要考虑未来科研的需求和这一问题的经济因素，然后给科学探险的领队写一份报告，总结你的研究发现，提出解决建议、需要制定的政策

和采取的措施

选择的问题如下：

问题四：

这些塑料从处来？

可以采取什么步骤来控制或减少与这一情况相关的各种风险？

经济成本如？

控制或结束这种状态会带来什么经济效益？

如比较成

本与效益？

有多少塑料被生产，丢弃与回收？

有多少有可能被排入海洋？

进入海洋

的又有多少可能会到处漂浮？

为了明确你的任务，重点应该集中在问题的某个重要面，对重要的问题和现象

的表现进行建模分析，对你选择进行建模和分析的那个面当中对当前和未来影响

最显著的因素进行定量分析。

你的ICM报告应以如下形式提交：

它将是篇幅为

10页的小组报告，提交给一位调查负责人，目的在于帮助她找出所探讨问题或现象的

相关表现，主要分析这些问题或者现象的后果，并针对在问题进一步恶化之前政

府能够采取哪些措施来遏制该问题向她提出可行性建议。

二．模型假设

1．垃圾来源仅为太平洋沿海，不考虑陆排污情况。

2．垃圾带水域的塑料颗粒不分种类，形状质量均看作一致。

3．垃圾带被污染水域各处的浮游生物数量密度、塑料颗粒数量密度均视为一致。

4．再生岛所处的位置是平稳的，材料均匀且所处海域海水密度一致；。

三．模型分析与建立

3.1塑料垃圾

一、海滩垃圾的分类：

1、漂浮垃圾

监测结果表明，海面漂浮垃圾主要为塑料袋、漂浮木块、浮标和塑料瓶等。

海面漂浮的大块和特大块垃圾平均个数为0.001个/百平米；表层水体小块及中块垃圾平均个数为0.12个/百平米。

海面漂浮垃圾的分类统计结果表明，塑料类垃圾数量最多，占41%，其次为聚苯乙烯塑料泡沫类和木制品类垃圾，分别占19%和15%。

表层水体小块及中块垃圾的总密度为2.2克/百平米，其中，木制品类、玻璃类和塑料类垃圾密度最高，分别为0.9克/百平米、0.5克/百平米和0.4克/百平米。

2、海滩垃圾：

海滩垃圾主要为塑料袋、烟头、聚苯乙烯塑料泡沫快餐盒、渔网和玻璃瓶等。

海滩垃圾的平均个数为0.80个/百平米，其中塑料类垃圾最多，占66%；聚苯乙烯塑料泡沫类、纸类和织物类垃圾分别占8.5%、7.6%和5.8%。

海滩垃圾的总密度为29.6克/百平米，木制品类、聚苯乙烯塑料泡沫类和塑料类垃圾的密度最大，分别为14.6克/百平米、4.3克/百平米和3.5克/百平米。

3、海底垃圾：

海底垃圾主要为玻璃瓶、塑料袋、饮料罐和渔网等。

海底垃圾的平均个数为0.04个/百平米，平均密度为62.1克/百平米。

其中塑料类垃圾的数量最大，占41%；金属类、玻璃类和木制品类分别占22%、15%和11%。

二、垃圾的来源：

三、海上垃圾的危害：

其一，可以阻碍海上交通线，损坏船只；

其二，对海洋生物造成伤害，例如，“绿色和平”发现至少267种海洋生物因误食海洋垃圾或者被海洋垃圾缠住而备受折磨，并导致死亡；

其三，通过生物链危害人类，如重金属和有毒化学物质可通过鱼类的食入而在体富集，人吃了这些鱼类会受到伤害。

3.2垃圾漩涡的形成的原因：

一地区，顺时针流动的海水形成了一个可让塑料垃圾飞旋的永不停歇的强大漩涡。

数年来，北太平洋亚热带涡流将来自海岸或船队的塑料垃圾聚集起来，卷入漩涡，再通过向心力将它们逐渐带到涡流中心——一个面积为343万平公里的区域（超过欧洲的三分之一）。

据统计，这片水域中的塑料垃圾与浮游生物的比例已为6吨对1吨。

在这一水域的主要部分，塑料垃圾的厚度可达30米。

美国西海岸环保组织阿尔加利塔海洋研究基金会公布了经过10年调查得出的这些数字。

尽管人们现在还无法在这个巨大的垃圾板块上行走，但旋转运动使之日益密实。

绿色和平组织提供的数据显示，在太平洋的这一水域每平公里海面就有330万件大大小小的垃圾。

“第七”的总重量约有350万吨，主要由塑料垃圾构成。

据阿尔加利塔海洋研究基金会计算，1997年至今，这一垃圾板块的面积增加了两倍；预计2030年，这一块的面积还可能增加9倍。

3.3垃圾对生态系统的影响（微塑料颗粒威胁模型）

应用

3.4垃圾处理

控制、减少太平洋垃圾带所带来的风险，可以从两面着手：

从塑料的源头减

少塑料污染；就地处理垃圾-

垃圾处理工序：

永康垃圾中塑料是回收与再生，环境卫生工程，1994,2:

10

[2]永康垃圾塑料的回收与再生[J],环境卫生工程，1994，

（2）

：

9-10

A工序：

人工将回收的废旧塑料按种类、大小、厚薄分类进行码放。

B工序：

采用水洗或风力净化的法，除去附着在废旧塑料上的各种污物，以提高废料的净度和干燥程度。

C工序：

此工序从塑料熔融到制成调料呸都在料机理进行，操作过程中应格控制加热温度及出料速度，以保证呸料各项性能指标和技术参数的稳定性。

D工序：

将上道工序制成的条状呸料采用机械法进行破碎，

F工序：

任一种塑料性能都是可以改变的。

此工序是根据不同成品的需要，加入某种添加剂，改变塑料原有性能。

例如：

据最新专利介绍，在农用塑料地膜成分中加入一定成分配比的食用淀粉，可以彻底改变塑料不易腐烂的性能，根据加入成分的多少控制腐烂时间，在农作物生长不需要地膜阶段，便很快腐烂成碎块，既保护了土壤的墒情，又促进作物生长。

再例如，用塑料制成工业仪表上微调锁紧螺母，加入一定的添加剂-----固态二硫化钼，大大的改善了零件自润滑的性能，经实验证明锁紧力和润滑效果均不低于同类型的金属件。

由此可见，回收的聚乙烯原料通过加入各种添加剂，完全可以改变其物理和化学性能。

3.4.1陆上处理垃圾

目前，全球已采取了很多措施减少塑料污染，一面多数有效地提高了塑料垃圾的回收率，另一面，很多对塑料制品（塑料袋）进行了限制或收税，取得了较好的效果。

多元线性回归模型：

陆基垃圾的源头主要是沿岸人类活动的废弃物，可以简单地划分为生活垃圾和工业垃圾。

令

表示t时刻陆基垃圾的总质量，

和

分别表示t时刻的生活垃圾和工业垃圾的质量。

通过多元线性回归分析寻找

和

与

之间的关系，得到

其中，

和

是多元线性回归分析模型的自变量，

是模型的应变量，

和

与

之间的关系是通过线性程描叙的。

分别是

和

对于

的偏回归系数，分别表示

和

变化时对于

的效应。

是

的常数项，而

是回归模型的误差，表示其他因素对于

的效应。

类似的，令

表示t时刻海基垃圾的总质量，和表示海洋运输业和海洋渔业的排放和废弃物的质量，得到：

那么，进入AOI的漂浮垃圾总量为：

3.4.2海上处理垃圾

一、构建再生岛：

首选的法是将垃圾从海洋中打捞后焚烧发电，用其灰烬填海或建造人工岛屿，家坡的实马高窟就是这样建成的。

早在1998年，早在1998年，新加坡在实马高岛和西康岛之间建造了1千米长的岩长堤，并且划分出11个相互连接的海湾的

单元。

在把单元里海水抽干后，并排放好一层层厚厚的塑料。

海洋垃圾焚烧留下的灰烬被倾倒在这些单元里进行密封，其中也包括棉一类不能焚烧和回收的材料。

每月从单元围的海水取样检测，迄今为止没有发现任有泄漏和污染海水的情况。

当垃圾填到2-3米高时，就铺沙种草，然后继续埋置垃圾，最高至30米，在上面栽种植物。

当然由于需要打捞，运输、晾晒等，因此处理成本比陆地垃圾更高，而且需要更成熟的技术。

二、海上垃圾变废为宝：

[1]海洋垃圾变废为宝化工时刊[J],2011,25（4）:

30

（1）

由于海上垃圾大部分是塑料，解决的办法可以是打捞后焚烧发电，其灰烬可以用以填海造地或建造岛屿。

研究人员已经计算过塑料焚烧的能量利用。

几乎所有塑料主要成分是碳氢化合物，可以燃烧，如聚苯乙烯燃烧热量比燃料油还高，是热值很高的大分子材料。

（2）垃圾塑料，那么就形成了处理海洋垃圾的另外一些法，即把塑料这种资源转化为另外的资源。

例如：

可以用废塑料制造燃油，生产防水冻胶、制取芳香族化合物和制备多功能树脂胶等

如果这些技术成熟和投产，将可以消化海上垃圾，而且可能会让一些争抢这些海上无主的垃圾资源。

3.5悬浮物输运的模型

悬浮物是水环境研究中的重要参数，主要由泥沙，藻类，微生物和动植物的碎屑组成

[3]

悬浮物的存在直接影响了水体透明度和溶解氧，影响大型沉水植物生长及鱼类等水生动物的存在，使水质变差。

3.5.1控制程

水流运动程：

其中：

式中:

向的藦阻底坡；Sfy为y向的藦阻底坡；Sox为x向的河底底坡；Soy为y向的河底坡底；Fx为摩擦力在x向上的分量；Fy为摩擦力在y向上的分量；风应力就是通过Fx、Fy而起作用；

分别为水和空气的密度；h为水深；

风拖系数；

和

分别为分速在x,y向上的分量；u,v分别x,y向垂深平均水流速分量；g为重力加速度；f为科氏参数。

悬浮物输运程　　综合考虑悬浮物在水流中的输移扩散及沉降起悬，二维悬浮物输运程为如下形式

式中：

Ｓ为悬浮物浓度；

、

分别为水流作用下的悬浮物纵向和横向扩散系数；

为悬浮物源汇项。

模型的应用价值

　　　　该模型用于研究太平洋环流区域垃圾输移的运动规律，分析过程中考虑到风场及潮流对污染物的输运产生的影响。

运用该模型有助于我们对太平洋大垃圾带中垃圾的密度、广度和分布进行定量分析和预测，进而制定相关的预防污染和治理污染的措施。

POM模式与污染物扩散模型

POM模式：

培.POM模型在海峡潮波形态分布及污染物扩散研究中的应用，大学，2008

POM是一个三维斜压的原始程海洋模式，最早应用与解决普林斯顿大学大气海洋科学系，NOAA的地球流体动力学实验室（GFDL）的海洋问题。

经过30多年的发展和很多海洋科学家的贡献，现在已经发展成为物理海洋学流行的数值模型之一。

他有以下几个主要特点：

（1）基于原始动力学程。

（2）垂直向采用

坐标，在大洋环流计算时保证浅水区与深水区有相同的垂直层数。

（3）水平向采用曲线正交

3.6模型的敏感性分

人口密度

3.7模型的优缺点

3.8治理的建议【4】

3、治理建议

经过上述分析计算，根据得出的结论给政府得出了一下治理建议。

（1）及时清理入边垃圾，定期排查。

入处的垃圾是陆地垃圾流入海洋进而形成海洋污染的罪魁祸首，及时对其进行清理，有助于防止在暴风雨季节雨水将垃圾冲刷入海。

（2）实施流域水面垃圾分段拦截，建立层层拦截和日常巡查责任制。

（3）规海上垃圾处置与管理，建立海上清运保洁队伍。

（4）加快滨海旅游区卫生基础设施建设，增加垃圾回收点数量。

海洋污染会对滨海旅游区带来巨大损失，与此同时，滨海旅游区也在源源不断的把大量产生的垃圾排入海洋，进而形成恶性循环。

为解决该问题，需要加快滨海旅游区的卫生基础设施建设，使产生的垃圾得到及时合理的处理。

（5）完善相关法律，提高公众环境意识.目前，大部分在保护海洋环面的法律体系并不完善，使得海洋生态保护有时无法可依，因此，必须完善相关法律。

除此之外，政府还应通过各种途径宣传海洋保护，提高公众保护海洋生态的自觉性。

参考文献

[1]海洋垃圾变废为宝化工时刊[J],2011,25（4）:

30

[3]黄宜凯，濮培民，春华等，湖泊水中悬浮物降解的实验研究[J].水资源保护，1998,4:

27-31

[4]斌，项一男，太平洋大垃圾带的模型分析及治理建议[J],科技与管理，2010,3（12）：

47-49