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标题: 空气中 PM2.5 问题的研究1 [打印本页]
作者: 杨利霞    时间: 2019-10-7 12:12
标题: 空气中 PM2.5 问题的研究1
空气中 PM2.5 问题的研究1

; d" j! G* S; g; D: ~( h' r1 ?( f9 T9 X0 H& y
. c$ S+ z8 O0 i! V4 Z+ y
本文主要研究空气污染中的
* a' N4 j% W& n% ~PM2.5 与 SO2，NO2，CO，PM10' Q$ f+ r2 @% e) F/ ?1 n! }
建立一维的反应扩散方程，预测了* r! D5 K, s+ O+ y) L
市的空气污染状况；接着建立高斯烟羽模型
4 R0 v/ B4 P5 V2 z9 ^3 ?情形，预测了污染物扩散的范围$ j! F$ n0 f: {/ T! D6 ~+ F* J7 R
建立了规划模型，得到了经费较为合理而又有效的空气治理方案
, P$ G7 z" J0 y& B* F  @+ C2 W检验，结果得到模型是合理的
! L5 W1 t# h7 n! U9 [- T8 ?6 Z  }问题一主要探讨 PM2.5 与
$ Q1 e1 e& E8 s+ H* J; V先使用相关分析，结果表明，' k6 H& I+ Y% P
关性逐步减弱，PM2.5 与 O3 呈负相关
1 \& ?) r( S2 y与季节、降雨有关。然后，使用线性回归方程分析" n1 F- ]2 j9 i9 `  b/ l7 [0 y: R  ^! N
结果得到
3 C# V2 m9 v/ K9 j& e; V7 s2.5 10 129.7536 0.5845 0.3854 0.5548 2.2064 PM SO NO PM CO y x x x x = - + + + +' D9 E) g7 O6 q) [# r& [1 o+ k8 v
问题二主要探讨 PM2.5 的扩散规律与应急处理7 i% J" l& C5 `/ g% I8 X
通过空气质量分指数时序图和
/ P" F( T5 K1 a8 V4 `空分布规律是：PM2.5 浓度随时间的推移呈下降趋势
& p8 B4 e6 N( Q  _- w峰期，随后转入低谷区，13 个分区的变化趋势一致
* c1 j) }2 }5 o" Q3 }$ Q潭是 PM2.5 浓度较高的两个区域* m9 f/ _$ \, w% ^* K4 T
度较低的区域。接着分区进行污染评估
$ y4 s/ ~; |) I相对较优，在该部分有小寨、* D$ C  u: b0 _, Y. m4 {9 x
区或者写字楼，因此污染相对较少
8 i$ [% G8 X; \) T1 D) r心，PM2.5 的浓度较高，而且持续时间也较长
3 T' p7 b0 r+ f2 j% m对于第二个子问题，在考虑风力
* Q8 F8 h/ _& M9 P- Q应扩散方程，研究下风向方向的
' ~' {: H6 u; M. j, V- 1 -
+ F, P: k5 v" g. T* f, i参赛密码: ~: l, X/ Y7 d/ p, V
（由组委会填写） $ h7 r' ]4 B! z7 x5 f
杯杯全全国国研研究究生生数数学学建建模模竞竞赛赛0 A" ^' h% X- \4 O5 U0 M) E; L
空气中 PM2.5 问题的研究& L# H3 _1 |  ?3 n( k! z4 r
摘 要：
( D4 ]6 E* u, ^  `3 V+ o本文主要研究空气污染中的 PM2.5 扩散问题，首先使用相关分析探讨了. X  B' b2 d# L& X
PM10，O3 的相关性，并建立了回归方程；然后通过, Y0 @7 u! ^- q9 s5 [" C# C
预测了 PM2.5 的浓度变化，定量与定性分析了西安. x( d! Q6 x4 B' B! s
接着建立高斯烟羽模型，拟合了持续高浓度 PM2.5
4 I" ~5 d7 M7 o6 L$ A预测了污染物扩散的范围，得到了重度污染和可能安全的区域；最后通过* x$ T1 I: @7 c) y2 ]! J; O
得到了经费较为合理而又有效的空气治理方案。同时对模型的
/ {% |$ J% p. v$ B结果得到模型是合理的。
/ u. E1 K7 i4 B& Y9 o  F( O4 N与 SO2，NO2，CO，PM10，O3 的相关性和关系
) l: E- I: \5 E. Q，PM2.5 与 PM10，CO，SO2，NO2 呈正相关. e5 _7 d5 G. a4 t% B
呈负相关，同时通过相关资料，发现了 PM2.5
7 X8 B, `- T3 A$ G9 s8 h! r4 V使用线性回归方程分析 PM2.5 与其他污染物的关系# z. E  \. ~0 ?6 T
2 2 2.5 10 129.7536 0.5845 0.3854 0.5548 2.2064 PM SO NO PM CO y x x x x = - + + + +
5 Q$ [8 B! q, [/ a的扩散规律与应急处理。对于第一个子问题，
; m! ^4 C* n3 @3 F. Y+ h3 p空气质量分指数时序图和 13 个分区的 PM2.5 空间分布图，得到 PM2.5; a$ D* ^' w% i8 A/ E& f8 ]- F# V
浓度随时间的推移呈下降趋势，1 月和 2 月份是浓度的高/ s; w6 F/ s' \
个分区的变化趋势一致，而且，高压开关厂和广运$ `5 N& L; R$ I9 o0 [1 O! P9 f0 T
浓度较高的两个区域，小寨、高新西区和曲江文化集团是 PM2.5) h- n% ?! n# h" i" I1 p( ?! e
接着分区进行污染评估，结果发现，西安市的东南部的空气质量( r. P2 e6 T4 q8 h9 _- o
、纺织厂、曲江文化集团、兴庆小区，这些都是生活
: Q# j, r2 H! [+ j# s* y因此污染相对较少；而广运潭和高压开关厂是城市的两大污染中& f8 K8 y0 |% n
而且持续时间也较长，这应该是未来治理的重点3 y+ I6 F5 y7 n, c
在考虑风力、气温、压强的自然条件下，建立一维的反1 j1 R. j' G7 U
研究下风向方向的 PM2.5 扩散规律。得到 PM2.5 的发生与演变规+ K7 y+ k6 s" v
）
2 a1 W2 E2 k% m  Q赛赛6 P/ N- j1 t# P9 H$ A
首先使用相关分析探讨了
& q5 W; ~- O/ H+ Z4 h5 }5 W然后通过
. Q3 w' v* _. }3 w, P7 ~0 q定量与定性分析了西安
' }6 X: s0 u0 g, G5 \) Y: LPM2.5 扩散的1 |- p& g3 c8 p7 U, s6 U5 n
最后通过
' J) o% P2 r; g0 A/ E5 ~& D" \同时对模型的
6 J! \4 h5 P& t. l' j4 D7 n的相关性和关系。首1 ]! H3 `$ X$ }* R4 M% f
呈正相关，且相
: w) X9 P2 X1 r, APM2.5 还会9 x6 F  s- w& s( @& x3 W  |9 Z
与其他污染物的关系，. U" S# [4 I" D6 Z0 C: n  K3 P
129.7536 0.5845 0.3854 0.5548 2.2064 PM SO NO PM CO y x x x x  c2 n* s5 K* e
，首先，5 o% J# a; m# o1 s" V
PM2.5 的时
* P: i7 _6 E9 T+ g月份是浓度的高
* v, J7 G  r+ a4 R  P9 ?$ z, h  K1 r高压开关厂和广运5 ?% i! ~# i9 G+ I" r
PM2.5 浓
9 V: U0 I& ^" \; R* D: K8 \西安市的东南部的空气质量. O4 J* l2 p. z& A1 Q
这些都是生活' ?6 I: T' ]8 H$ w- r* k( d
而广运潭和高压开关厂是城市的两大污染中
) ^% E% o; {5 L5 c4 J& v7 c. q这应该是未来治理的重点。
8 l, M0 P5 B6 c* q5 N6 U+ {建立一维的反
  z$ N" b7 U# r的发生与演变规- 2 -
& ~6 _. Y3 o& _( @; Q+ |律是：在污染源中心的浓度并不是最高，而是在大约 300 米处 PM2.5 的浓度才
! T) m* G  U, z( O% j( N4 x/ E! e达到最大值，随后开始衰减。通过该模型，可以对西安市的高压开关厂附近地区5 |1 q5 a% d6 u, {6 m9 r1 g6 J
的空气质量进行定量与定性分析，结果表明，在下风向方向，距离高压开关厂中
' g% b, h: P$ B# F1 Y心 272 米处浓度达到峰值，在该厂 1 公里之内 PM2.5 的浓度很高，空气质量指) y6 c6 N' O7 t( t
数类别属于重度污染；在该厂约 1 公里到 2 公里的地带，空气质量指数类别属于7 j- F% z0 D0 C. N; I
中度污染；在该厂约 2 公里到 3 公里的地带，空气质量指数类别属于轻度污染；* U6 R4 P, J2 ]
在该厂约 3 公里到 6 公里的地带，空气质量指数类别属于良；在 6 公里以外的地
0 x8 w, U: Q: G$ a域，空气质量指数类别为优。0 C5 D& b+ N  u# V
对于第三个子问题，在考虑污染源海拔的情况下，使用高斯烟羽模型，分析
$ y' H$ B/ |2 z. ?; B4 O6 a. ?, H0 u2 VPM2.5 持续高浓度情况下的扩散规律，并对污染扩散进行预测。在 2013 年 2 月; k# }0 K2 H+ A) W/ D
10 日，市人民体育场 PM2.5 的浓度最高，模型的仿真结果表明，在 PM2.5 的浓
5 ]9 @7 y5 b' v( V( q8 h6 |度值升高两倍后，西安市中心区几乎都处在重度污染(包括严重污染)的区域，这3 U. h8 |/ b7 `$ o9 X; \. y
时段几乎没有安全区域。两天后，PM2.5 的浓度得到降低，重度污染(包括严重' i& u& a( M8 R) u0 d
污染)的区域仅包括市体育场附近的街区，西安市的周边县城已处于安全区域。( ~/ D8 ~0 S' G: y! v/ i6 i0 M
五天后，市中心的重度污染区域已经消失，西安市的部分郊区及其外围地带也属
4 ]+ Q  M8 [6 c0 b# p1 K4 v3 Z于安全地带。5 n; `$ U, A. _
对于第四个子问题，通过与现实情况进行比对检验模型的合理性，上述两个8 x9 u; b: m: o: m' l( r9 L' A
模型的预测结果和实际较为吻合，说明模型是合理的。根据以上两个模型的仿真& J7 c4 G# I0 A& g3 s1 R
结果，可以得知 PM2.5 的一般性规律为：在下风向方向，PM2.5 的浓度下降得5 |9 V. ]1 ^1 z/ H7 L' ?+ }/ u  b
较快，在无持续风向的情况下呈辐射状扩散，若出现持续高浓度的污染物，周边" ~- x4 ~& U+ o; X4 L
地区一般 5 天左右可以将污染物的浓度降至无危害水平。2 b: p; W$ X! a4 r# Q
问题三探讨 PM2.5 的治理方案。子问题一提出了三个使 PM2.5 浓度从 2803 " s+ ?4 u. q5 Y- A3 Z$ o
mg m/ 降到 35
3 z) k8 H+ S2 v% {; J4 a3 : I' H- ^# g; F
mg m/ 的治理计划：逐步提升空气质量指数级别法，总投入经费9 W4 d0 w& G" ^, f6 J4 M# h7 H
最优化法，等差下降 PM2.5 浓度最优化法，并分析这三种方法的优劣性。在子. A* w1 j  D* M& l. Z
问题二中，在考虑经费的约束下，建立优化模型。结果表明，总投入经费最优化
! ~+ P4 `2 X# Q法所需经费最少，该方案是：每年使 PM2.5 的浓度平均下降 49 ! T# L9 `" T/ B- ]& F& \$ B
3 ! J2 a" `) ?. }
mg m/ ，五年需9 J" p: p: o7 i: [- Y
要投入总经费为 3.0503 亿元，每年投入经费约 6 千万元。最后给相关部门提出7 U2 ~* ]: G2 \& k1 i
了一份治理空气污染的建议。0 P+ a5 n8 u. u( c2 x( N0 k

3 V, g( `. D4 x1 N$ v" I- I7 ]) H# Q4 n: w' p6 x0 w

D题华南农业大学10564001队.pdf

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