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标题: 空气中 PM2.5 问题的研究-D题华南农业大学10564001队 [打印本页]
作者: 杨利霞    时间: 2019-10-8 11:03
标题: 空气中 PM2.5 问题的研究-D题华南农业大学10564001队
空气中 PM2.5 问题的研究-D题华南农业大学
5 U- q5 L1 b1 j$ B7 D
( g$ G. |6 g" W3 Z" S% u- x
$ {5 E' B1 \( j! ?8 P  k7 c  u
本文主要研究空气污染中的$ N8 A& B' y" h( l4 ~+ X$ @
PM2.5 与 SO2，NO2，CO，PM10
8 C. q, @, y; M建立一维的反应扩散方程，预测了4 j) O$ g+ D6 w
市的空气污染状况；接着建立高斯烟羽模型
" h0 t9 I* |5 _" s. ^' l! S+ L情形，预测了污染物扩散的范围
+ g! L* E6 H* J  ^! Y; Q; u9 ^, \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' s1 I7 R: s. z  l& X: F3 o
检验，结果得到模型是合理的
  }, Z: O( H, m+ |& }! W$ ?. J问题一主要探讨 PM2.5 与
: d8 e* X. ^0 c+ t先使用相关分析，结果表明，
- d- }; l  o" v/ l) t关性逐步减弱，PM2.5 与 O3 呈负相关
! k$ T* F( V& {  u$ g8 D- l与季节、降雨有关。然后，使用线性回归方程分析
. |+ q, A5 L  s! i# k6 {结果得到- r7 R0 D2 m, |+ x. Y# z  M+ v# }
2.5 10 129.7536 0.5845 0.3854 0.5548 2.2064 PM SO NO PM CO y x x x x = - + + + +) M3 P: ~' M6 N
问题二主要探讨 PM2.5 的扩散规律与应急处理
* y* |6 m2 p+ A. l4 @+ e通过空气质量分指数时序图和3 D, `$ x/ A0 }* R* a- Z: I
空分布规律是：PM2.5 浓度随时间的推移呈下降趋势* ^. B' f5 I; `$ O$ N" ]# c
峰期，随后转入低谷区，13 个分区的变化趋势一致
% Z5 C7 ~1 g" \5 H6 K潭是 PM2.5 浓度较高的两个区域: g- V& ?8 o5 t6 E3 w
度较低的区域。接着分区进行污染评估+ U$ b' p) y3 I1 O1 @" R
相对较优，在该部分有小寨、% Z% i9 \2 q, P5 F+ o1 `% j
区或者写字楼，因此污染相对较少" `3 s; x# s6 F* p3 B$ p( |
心，PM2.5 的浓度较高，而且持续时间也较长
$ w  U5 ^" X# G3 f4 j对于第二个子问题，在考虑风力
; T+ N$ W  L. R0 {* l  M应扩散方程，研究下风向方向的& H$ J, k7 _& E# r% e
- 1 -
6 V3 r' }& A, C; d: J参赛密码5 L* T/ b4 ?8 [: K" k
（由组委会填写） 0 p  A  e0 N3 E/ O
杯杯全全国国研研究究生生数数学学建建模模竞竞赛赛; ~7 B! |( a% l& K: G
空气中 PM2.5 问题的研究
7 Z0 i) `7 U% ?6 A) z* u摘 要：
% W- \; x& A$ h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
4 q6 s" c; j% o# }4 bPM10，O3 的相关性，并建立了回归方程；然后通过
& Q5 b6 R+ ?: ]. E4 {( C预测了 PM2.5 的浓度变化，定量与定性分析了西安
) @' ~0 j' p# k' o( B接着建立高斯烟羽模型，拟合了持续高浓度 PM2.5
" e) u. \7 u! q$ d  P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5 r# |6 M! Q1 S
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( D% l* E* C0 v8 X8 `; S
结果得到模型是合理的。
# k( d! `) P9 q- Q) `' b与 SO2，NO2，CO，PM10，O3 的相关性和关系
$ y* B: {, n* A$ Y2 o8 U8 ^，PM2.5 与 PM10，CO，SO2，NO2 呈正相关/ r7 N0 `  l  i+ L* t  J8 r% A
呈负相关，同时通过相关资料，发现了 PM2.5
! L1 v) s$ a: D! ]/ W! X使用线性回归方程分析 PM2.5 与其他污染物的关系" r+ _% ]* K- v: {9 v
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 = - + + + +
. `' X1 I8 I3 i) p的扩散规律与应急处理。对于第一个子问题，
3 H/ [. ?& w% s1 a. {, P! Q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* b# B+ g" A* T$ Z2 e" S! h+ ^. T0 _, E
浓度随时间的推移呈下降趋势，1 月和 2 月份是浓度的高. ]& `4 t! [5 v$ k- P
个分区的变化趋势一致，而且，高压开关厂和广运
( D. t, F4 U1 y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& z# z- G1 `: R- G! `
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6 V; u9 H' D/ Q+ k$ y. W
、纺织厂、曲江文化集团、兴庆小区，这些都是生活" D* V; C" R0 H3 W0 B* H* s8 ?5 x
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5 O3 ]/ v2 o' G: a4 a( |$ b2 O
而且持续时间也较长，这应该是未来治理的重点
* r8 j1 H( C. K" U4 U5 r在考虑风力、气温、压强的自然条件下，建立一维的反' t0 R% G6 e3 U+ A+ d
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
4 ?: }- F7 ^; y）
; f: A3 R$ P- Y$ `8 y& a) L/ ^赛赛
0 P3 x" b% y6 d- b首先使用相关分析探讨了
  @% v1 \1 q, h, N  n! G$ I1 n然后通过
- B  X( D# ~/ b5 k定量与定性分析了西安
) y& X1 N" w! m6 a; K5 V( i7 ]; BPM2.5 扩散的+ w0 v! i# G8 a
最后通过8 h7 ]" r8 X9 n' D9 D
同时对模型的: q% X4 D9 a0 l$ L3 c8 ?
的相关性和关系。首2 s- n( C: ^' \! G
呈正相关，且相
! r$ Z9 |+ `0 o: Q) r+ K" X; HPM2.5 还会
/ v. V9 d+ X3 d; l与其他污染物的关系，
1 F+ Q! ~  k* l9 {' Q: m( H- }129.7536 0.5845 0.3854 0.5548 2.2064 PM SO NO PM CO y x x x x5 `1 k; B3 r% W: {0 s) d$ G
，首先，1 a3 Q. ^6 P) h* L0 C8 t/ p5 L
PM2.5 的时( q2 f( w, B: O8 U0 w0 m
月份是浓度的高- t# r' B5 [& `2 w6 Y5 y8 A7 J3 \
高压开关厂和广运% r' ~% X' k- p$ \" a
PM2.5 浓
+ x% Y. [1 Z) N7 ^西安市的东南部的空气质量) D, w- }* o7 T9 p: i" t
这些都是生活7 ^: a) |, Z. t' h
而广运潭和高压开关厂是城市的两大污染中
' R- g% g: d) k# T- V这应该是未来治理的重点。
0 G; I% M" a( z建立一维的反
' ^1 a& s( u9 l的发生与演变规- 2 -
. z, z7 k8 E& O1 ^  `) Q# S$ m+ b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
% N9 F+ ^/ O' Q) Z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% t; o* \& V+ L
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 K! S. O  f" @
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
+ M# M8 X, X- R- t! d& J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- A- O4 u6 j; z& v, `: T8 n
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；  N: W, ?( Q) o6 }. y0 K
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1 \0 ^* {) W% ?$ z7 Z& s) n; t
域，空气质量指数类别为优。6 t, U5 j2 V# e' D
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& T7 J5 z, L$ g6 s% e' c9 m( C
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# y' G7 \2 i' Y4 D5 X+ ?
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
+ b6 A6 e2 Y! z; N4 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8 d! G5 c" x) Q
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
# O4 B9 g1 k  b' ]. R* x+ A3 }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。
$ I! T4 u4 ]* y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1 r- e* V9 ~4 ^7 V+ g9 l
于安全地带。
; R3 \1 D7 a2 ?! G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
( B$ t4 y/ J* B& n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
! i  |, t" `5 y# G* e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
2 n- R2 E) n* n; e7 P  h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4 j" o+ U* Q' K5 q* a8 ]( C2 R$ v
地区一般 5 天左右可以将污染物的浓度降至无危害水平。
, ?! O3 T) y' O2 ~3 C+ @8 b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
# k" g% V% p5 A; ]/ A  qmg m/ 降到 35 4 }5 d. z. A7 @& P; T
3
( H7 P0 A) Z! ^8 d7 Mmg m/ 的治理计划：逐步提升空气质量指数级别法，总投入经费1 U" y# x+ j* a' u9 R  s
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
5 g& \% D' a2 {" R' R9 Y1 J5 S+ g; I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
1 j% X0 v( [) T7 j- e# `法所需经费最少，该方案是：每年使 PM2.5 的浓度平均下降 49 2 F* w7 [3 A/ A7 V! D1 u' I3 a( A
3
& \% s: F( e& L" o4 }. Wmg m/ ，五年需
7 V* ?0 J- D. l8 `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 w  ?( I0 z$ L* e$ W& B: o) N) B了一份治理空气污染的建议。4 x. \) I' I/ m6 I8 i7 `3 C* x* v
6 |9 S- F* k) F$ G
7 w* a9 Y5 G/ F% ?3 `5 ^

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