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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

# V5 k3 Y6 B; ?/ y8 [
! F( Y( r# u8 C1 W" m9 K& A, ]) G& Y; d" x' S
本文主要研究空气污染中的7 A% s% Q( k" c; `1 {, o1 A
PM2.5 与 SO2，NO2，CO，PM104 T. l- v/ m) T4 X
建立一维的反应扩散方程，预测了
5 c3 o7 m# a) A- R7 V5 r市的空气污染状况；接着建立高斯烟羽模型' P; j2 x+ ^' Q0 w& R# M9 y
情形，预测了污染物扩散的范围! [" b1 E' N$ f0 a& k" k
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0 \; f2 N0 M/ r8 L* v6 {
检验，结果得到模型是合理的/ z" C( ~+ b4 t; \
问题一主要探讨 PM2.5 与
( ]8 U# w; i' U/ U3 @! b! |  w先使用相关分析，结果表明，
8 z8 v' z5 R& A2 E3 z4 B  w: Q关性逐步减弱，PM2.5 与 O3 呈负相关0 }2 W1 I  s8 ]* s0 q3 F
与季节、降雨有关。然后，使用线性回归方程分析4 k0 L6 ?# `8 }6 [: D* ]) Q
结果得到
, y! Z* n: B# w3 r8 X2.5 10 129.7536 0.5845 0.3854 0.5548 2.2064 PM SO NO PM CO y x x x x = - + + + +
+ U1 t9 l" {; S7 O问题二主要探讨 PM2.5 的扩散规律与应急处理
) u/ f7 u! z* @7 z) ]/ E通过空气质量分指数时序图和' _( B6 A  {- ?, z4 y, ]2 a  k
空分布规律是：PM2.5 浓度随时间的推移呈下降趋势/ q3 p  n, n( a7 d/ u/ Q) d
峰期，随后转入低谷区，13 个分区的变化趋势一致
1 c2 K' z; [" F潭是 PM2.5 浓度较高的两个区域
& V: {5 y6 x' d  V度较低的区域。接着分区进行污染评估
2 b1 c, R) g; r# k相对较优，在该部分有小寨、  t( m. x8 v' U5 ~6 f
区或者写字楼，因此污染相对较少3 \6 R7 @! r3 Q; i
心，PM2.5 的浓度较高，而且持续时间也较长
. P" s. L) L" {3 A; b/ a对于第二个子问题，在考虑风力, W! B% e7 p0 }# B8 A5 c
应扩散方程，研究下风向方向的8 C" j3 ?  P. f8 ^- Z; [; N
- 1 -
3 p0 F+ Z/ ]: N参赛密码) ?# Q) A: X" R/ l4 `
（由组委会填写） ; t0 q" Q/ X: G9 l' h+ C* u* Y* G
杯杯全全国国研研究究生生数数学学建建模模竞竞赛赛
+ E5 z. f8 x/ P+ y' K空气中 PM2.5 问题的研究7 w2 g5 }! v; _0 o
摘 要：
2 I' U4 F8 F. X1 ?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
% v- w% G6 v; m' A" qPM10，O3 的相关性，并建立了回归方程；然后通过
0 Z8 U- t, s$ d; ^$ K7 S" V预测了 PM2.5 的浓度变化，定量与定性分析了西安
' ~+ c4 ^9 [) M' c* c# ~- b2 v9 q接着建立高斯烟羽模型，拟合了持续高浓度 PM2.5
! h* g, k- Z* [; x: m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2 P; \$ e. U3 p. l2 T( G1 }% D
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0 U; w4 B5 L+ f/ r, h0 }" Y; _
结果得到模型是合理的。
1 O' Z: f% t9 X与 SO2，NO2，CO，PM10，O3 的相关性和关系& u9 d0 u3 J! d- ?. \. C
，PM2.5 与 PM10，CO，SO2，NO2 呈正相关
( o3 o) f& ]& l; t呈负相关，同时通过相关资料，发现了 PM2.5
, x9 U- j" Y. G6 Y使用线性回归方程分析 PM2.5 与其他污染物的关系
+ e8 B8 P7 ~+ Q3 j2 d2 2 2.5 10 129.7536 0.5845 0.3854 0.5548 2.2064 PM SO NO PM CO y x x x x = - + + + +
: ?+ a2 h& n8 z8 |7 m的扩散规律与应急处理。对于第一个子问题，5 q6 k+ A  ^0 c3 l' T. U& h$ S
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
" q! a2 U8 F2 Q- g% g, i- F7 @浓度随时间的推移呈下降趋势，1 月和 2 月份是浓度的高
6 g6 s9 [& [3 j+ t个分区的变化趋势一致，而且，高压开关厂和广运, G3 K8 M5 r# M1 ~
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
- ~; p2 b" l8 `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
& J9 v! ?5 O+ M; ^、纺织厂、曲江文化集团、兴庆小区，这些都是生活
# X! x5 {: Z, Z  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# k( j! \. P9 \& E
而且持续时间也较长，这应该是未来治理的重点0 I" d) @- U8 W, k+ R# y" v
在考虑风力、气温、压强的自然条件下，建立一维的反% k, U0 q% l, d: F
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
$ [9 p* R9 i& @+ c9 m% K）
0 {5 m& f; S9 C0 z7 W赛赛
- R+ W5 {& m0 ?# V1 {; p首先使用相关分析探讨了
+ J% t3 i% V# B然后通过
9 m* E4 l: v/ i) u- \定量与定性分析了西安0 i$ U- _" E6 R0 g, R
PM2.5 扩散的6 m7 d: I( `! c; M- V  q! f8 J
最后通过( ?: q1 Q* T2 `, c
同时对模型的, m3 m, n$ Z  I; r/ p# M  U% C
的相关性和关系。首* }$ {- h( a% A3 y$ ~
呈正相关，且相
, Q; e9 `; q7 \$ ]  ^# v  }PM2.5 还会
2 x: y% N6 w! H0 H; s# D. M与其他污染物的关系，
! O; Q, \( w6 M: q129.7536 0.5845 0.3854 0.5548 2.2064 PM SO NO PM CO y x x x x- O: J1 H6 A& @" T
，首先，
5 C1 n  w& |, n# wPM2.5 的时: @; _' x5 @) J/ ~3 y; l$ r
月份是浓度的高1 Q6 k1 |) W( P. Z
高压开关厂和广运
" s2 x9 Y2 d& lPM2.5 浓
0 C! N4 `& R+ E5 P' B" |$ }3 ]西安市的东南部的空气质量
0 e2 f- w3 L4 h; w" r' b这些都是生活& g( E3 H. I' T& Q7 |, p/ L) m- f
而广运潭和高压开关厂是城市的两大污染中' G* {: g* i! }3 k0 ~( w8 Y
这应该是未来治理的重点。
- c# ]7 P* ^% c  W' `6 K建立一维的反5 N2 f% M* Q# z7 p/ d" y! s) b1 p2 I
的发生与演变规- 2 -- A. X+ `* |  b7 D: J3 E
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
3 ]1 S) \, o) \. |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2 f# Q5 H- u# o! f3 V0 N
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  ^4 N, n5 r) x, a
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0 s4 n# y' H' U5 Q
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
6 ]" c0 p7 Y* D; N3 `7 ?5 s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；% i* ?6 X* Y5 B" j5 ?  P" B
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
8 _0 R) v, v5 C* V域，空气质量指数类别为优。  Z- \9 l& t% f4 J- r* 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9 H4 p/ [0 ]* f5 t
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8 A( H; o/ n' t* x; @7 Z) ?
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: H$ e& q( R5 p! a" \" i
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6 P7 E/ |" q0 w" V
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
$ s  o# r  o4 b2 v7 v  ~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。
. k; a! z/ Q6 ~8 l# s: E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- j  ^- e7 @4 _  }. c7 C0 _4 n
于安全地带。
1 r8 G- ~0 f4 I% Z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 T" X8 w" ?' U7 l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1 |+ p- M6 l4 ?" o2 v1 w
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/ P5 b' j- x6 g% a+ u9 g
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
& q$ `. H$ e$ W$ B" ?' ^地区一般 5 天左右可以将污染物的浓度降至无危害水平。
! ~) _' D4 c* h/ }' s) @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
) z( R5 ^+ v1 I6 tmg m/ 降到 35
) o! d8 s0 `5 {: X5 {* P: P% u3
3 q  O7 s- _; X/ e4 R2 R0 k5 Wmg 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 a  S! R5 e+ 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# J0 u- ]1 X4 ~! Y
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2 R2 z0 [, w, Q* V
法所需经费最少，该方案是：每年使 PM2.5 的浓度平均下降 49 , X% k* y  m" k6 |+ V1 B
3 * a( H9 `) V1 ^! r
mg m/ ，五年需
! ]" C! ~$ O8 Y- h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
: k: m; t2 Q2 W# C( ]% I了一份治理空气污染的建议。; l3 t; s# |4 k* i0 W

/ r% l- j. P0 G4 Y6 G1 t! j9 f3 D. ?* S6 m- z  B) o; {; H' X3 I. _

D题华南农业大学10564001队.pdf

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