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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

' O/ ^& G/ a( ~+ E7 X5 r* q' c( d+ \0 Y7 R) Y7 f8 R8 d1 T; y0 g3 X

# t  \9 n. x6 R" h1 S0 w6 w) g2 R本文主要研究空气污染中的' T" ~0 ^: H4 j! A+ G" S  o
PM2.5 与 SO2，NO2，CO，PM10
' R* F9 S* M/ Y8 f5 U5 W. n1 |建立一维的反应扩散方程，预测了, B/ N$ h& K% |3 d
市的空气污染状况；接着建立高斯烟羽模型: k, k& T8 i/ d# x
情形，预测了污染物扩散的范围
" e4 o& e/ Y; K/ u, p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# e, X) U& w  ^& B
检验，结果得到模型是合理的; L. N0 C& M3 [. _) o" M6 v
问题一主要探讨 PM2.5 与
. R; J4 a1 v* g先使用相关分析，结果表明，
, w0 ?  l# t2 [% l6 j9 \' c4 I. y关性逐步减弱，PM2.5 与 O3 呈负相关
) Q1 n" H/ V6 w: R与季节、降雨有关。然后，使用线性回归方程分析( E! k/ K2 C2 ~* f3 e4 W
结果得到. f3 _) M9 b/ J# g. u
2.5 10 129.7536 0.5845 0.3854 0.5548 2.2064 PM SO NO PM CO y x x x x = - + + + +2 X' L3 {- K1 Q
问题二主要探讨 PM2.5 的扩散规律与应急处理% d8 B' T9 w9 l3 v4 z" K2 q
通过空气质量分指数时序图和2 p& ^) n* d. f- _! A8 p1 R
空分布规律是：PM2.5 浓度随时间的推移呈下降趋势3 ^/ G# r8 O  L4 n
峰期，随后转入低谷区，13 个分区的变化趋势一致
% R3 t; f  j( G! G2 @潭是 PM2.5 浓度较高的两个区域
! I3 }. S6 x! G6 q: f3 F: |  {度较低的区域。接着分区进行污染评估0 l/ Y5 i! \; n8 S
相对较优，在该部分有小寨、: [1 }% V/ i, E* K" ^( k
区或者写字楼，因此污染相对较少* Q# [( W' q- v! D9 e" P
心，PM2.5 的浓度较高，而且持续时间也较长
0 G( b0 Q4 j7 N* B对于第二个子问题，在考虑风力
- h2 O0 I  P; ~+ k; k8 g应扩散方程，研究下风向方向的
# \1 b# M7 p) @( @- 1 -6 D7 e9 T4 S, Y# J/ S4 B, X
参赛密码# ^  R* z; }" w  w! V0 I$ u# J8 c
（由组委会填写） . Z, l* R/ M9 a1 g+ o* e* I+ u: r5 ]
杯杯全全国国研研究究生生数数学学建建模模竞竞赛赛3 k, u% u8 A2 F3 }* M+ I+ @
空气中 PM2.5 问题的研究
; \* J$ i7 o$ J3 e+ O( t摘 要：
! t9 R* I1 A; j7 W2 D# O/ @* Z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
$ m) s3 q: D* U' c0 fPM10，O3 的相关性，并建立了回归方程；然后通过
) p3 Y$ L  T- U+ q4 S; ]2 K2 H/ J* k预测了 PM2.5 的浓度变化，定量与定性分析了西安% k  @, l2 u# {& j- e! o8 k8 t
接着建立高斯烟羽模型，拟合了持续高浓度 PM2.5( \3 l% P! m0 E
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) l* v. o+ o* ^) O6 j
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
7 P, a3 ]$ M* _8 k. j* K: R" P结果得到模型是合理的。
' Q4 H+ `7 w2 E7 d  S; K8 m# R& t8 f与 SO2，NO2，CO，PM10，O3 的相关性和关系% G/ V" Y+ G1 m) b% r& x7 d
，PM2.5 与 PM10，CO，SO2，NO2 呈正相关
) k/ Q2 _# B3 s8 E/ L5 a; U2 X呈负相关，同时通过相关资料，发现了 PM2.5
* N2 X/ ~  s& ~1 J+ {( o使用线性回归方程分析 PM2.5 与其他污染物的关系" ?1 x9 B1 ?/ h+ K1 f1 x5 C
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 = - + + + +
3 ^% u8 b; f8 l2 Q的扩散规律与应急处理。对于第一个子问题，! {$ H5 ~5 N+ `+ v
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 PM2.52 l' B% Z, h; D; z: R
浓度随时间的推移呈下降趋势，1 月和 2 月份是浓度的高7 u3 ]% D& n; {2 a
个分区的变化趋势一致，而且，高压开关厂和广运. R' N8 T0 E7 x* C5 u, W( A8 r
浓度较高的两个区域，小寨、高新西区和曲江文化集团是 PM2.55 G% x2 Q/ c7 F: B# W3 r1 s4 l
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
$ ~8 n& Y0 ~, g6 V、纺织厂、曲江文化集团、兴庆小区，这些都是生活
! W  ]  i) t( p- c! t$ ?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
. \: `- a: x1 F- z3 W+ U" Q9 t而且持续时间也较长，这应该是未来治理的重点
. J" [) |. y7 E) ]: n$ q在考虑风力、气温、压强的自然条件下，建立一维的反' N9 n2 g0 g+ x  \( S; V8 q* v
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
. [( _" ]& L% W5 w+ W2 P）' Z" D2 d3 Z( J4 u' F4 @" H0 M
赛赛
3 P4 Y" T$ G& D$ A4 v首先使用相关分析探讨了
" `4 c8 M; e) c然后通过
5 n: B/ Y2 B, P2 h定量与定性分析了西安
% A* o6 X  l2 o5 P9 ?PM2.5 扩散的* R6 r! |- q- e% X# F, s
最后通过! i% z6 q# g) d2 C0 s
同时对模型的
2 W/ t" f) f1 B的相关性和关系。首4 Q6 s: c# q  X( I8 n1 h; [% _
呈正相关，且相3 K5 H7 r8 |8 `( W% L$ f
PM2.5 还会2 n: O! j- b5 k4 L0 V
与其他污染物的关系，
$ b+ l# U3 ^3 Q& u% ^129.7536 0.5845 0.3854 0.5548 2.2064 PM SO NO PM CO y x x x x- L2 y+ X0 L* a% R, [
，首先，4 P; g! j# X. |  j6 ~+ v* }/ J
PM2.5 的时
+ Z: e  r7 ~( P7 g月份是浓度的高: v  a( v' x7 X% \
高压开关厂和广运
; F/ y, V, R+ @  B4 M: b( UPM2.5 浓3 e, i/ p; O+ x# X; _8 A
西安市的东南部的空气质量+ l/ c" S: [5 P3 P
这些都是生活" x  u; a  N( M7 m( s' I+ l' L) W
而广运潭和高压开关厂是城市的两大污染中9 x$ J# y8 G, R( m! \
这应该是未来治理的重点。
) t+ Y$ [4 K( R5 x1 Y% z建立一维的反; a) g$ D5 i2 U$ I- E* `
的发生与演变规- 2 -
4 |, F7 }& W5 ]  x. x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
, E: y" y- }# y9 m5 p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
1 q- H: N. J1 a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
7 q2 h0 N6 i6 ]0 V: z' G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
" W6 q2 q6 D' y( X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
5 w/ C) J- _# {; f1 v5 D% D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；
. r  f% n5 r1 ~* X* e5 \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' |& }3 l+ ^- A# N4 j
域，空气质量指数类别为优。
. @8 O& R2 t# G5 z5 M) z6 i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
& J4 d" R, F" T5 [PM2.5 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* }* l( ~2 I# N0 l- H% `- s6 G, C
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
2 P( M1 W# B0 T5 k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
2 ~3 E. Y  @2 O3 _- U7 Z3 u7 ^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% v& a# S9 q6 ?4 Y6 L9 n% i
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。6 K. w8 K7 F8 a
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
5 a4 [) E# |, f3 i5 E# R于安全地带。% H) F" J) u! E; J0 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
5 E1 U) s4 ]7 J0 S1 O2 u2 b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
7 Z& A5 X/ K* e/ \' t8 Y: _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
- q4 g* N6 V( O+ }7 a- O1 K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
. Q0 V0 g6 r+ F$ x* p/ W; Q/ u地区一般 5 天左右可以将污染物的浓度降至无危害水平。9 C, M6 n2 J, e8 c$ E" D
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 2 o" L! b' g" V2 g7 V
mg m/ 降到 35
0 v. t% V1 b" H$ I3
( |$ r! Z2 [  q6 |) Jmg m/ 的治理计划：逐步提升空气质量指数级别法，总投入经费4 y4 _, b' A/ ~& B+ K
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# q# ~$ S* h# S9 v6 A; [+ o4 d! _
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
$ d$ U, z4 x; R& J+ K法所需经费最少，该方案是：每年使 PM2.5 的浓度平均下降 49 3 x/ I3 j$ g0 G: r
3
# R- w6 J5 T+ q: x3 W- `) c* @mg m/ ，五年需
/ E6 W) x) A7 [8 z* a- y# R2 t, t# k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. h  [. t1 M9 A6 n$ i- U7 ?! z
了一份治理空气污染的建议。. y2 Z0 u5 d- ^/ f; B
9 f7 Y6 s& C9 D

3 H7 T, w% F9 p6 b3 |& h& c  T* t

D题华南农业大学10564001队.pdf

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