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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
  G  w: y* `) _) Z, H
5 d0 S& b' {. b! k& M

6 s6 p" k  L2 w本文主要研究空气污染中的
7 a+ l! I" W2 f( hPM2.5 与 SO2，NO2，CO，PM10
% v, z  C7 N6 x* {9 [: g建立一维的反应扩散方程，预测了
6 S3 X& Q, G. A! T1 p$ s- h; d& i市的空气污染状况；接着建立高斯烟羽模型. ~  H7 B8 h! `5 L! i/ C
情形，预测了污染物扩散的范围2 G2 H" j( s# X/ v; X$ W. U7 ]
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. h- |) f9 L7 A) y6 T) G
检验，结果得到模型是合理的$ T6 L5 s, k' b" m& q
问题一主要探讨 PM2.5 与
5 j( W: c/ c- G' }1 N6 a先使用相关分析，结果表明，
# K- b; }( z0 B! f7 `$ c+ G关性逐步减弱，PM2.5 与 O3 呈负相关7 u6 c9 k) i+ y# k
与季节、降雨有关。然后，使用线性回归方程分析1 z' I; }8 e  T, {; x( ]
结果得到5 H7 Z0 @$ s9 G( H) ^/ z
2.5 10 129.7536 0.5845 0.3854 0.5548 2.2064 PM SO NO PM CO y x x x x = - + + + +
5 g$ |, n1 {# B( Z- @, N问题二主要探讨 PM2.5 的扩散规律与应急处理# h% M  q) @3 r0 R. s$ P
通过空气质量分指数时序图和
7 e. ^+ n8 a. D& Q* p' ]. w空分布规律是：PM2.5 浓度随时间的推移呈下降趋势: S, x& }0 t  S0 c7 z# v
峰期，随后转入低谷区，13 个分区的变化趋势一致% Q4 r0 k5 U9 |1 N; E
潭是 PM2.5 浓度较高的两个区域2 m2 M) D5 U" r" }; g( A+ P
度较低的区域。接着分区进行污染评估2 ~' |) \" I, v. I' s
相对较优，在该部分有小寨、4 e4 B0 n! E% M* g1 u# E# v+ U& [
区或者写字楼，因此污染相对较少
) e/ V7 X) N# i) c5 v心，PM2.5 的浓度较高，而且持续时间也较长
7 Q# g" v' S- V" R对于第二个子问题，在考虑风力8 v3 ?  |$ n4 t' T
应扩散方程，研究下风向方向的
8 n7 s' P  I+ w. N6 w- 1 -1 S5 ]) e& @2 Z. b) I
参赛密码- C6 y- P+ L$ v7 g
（由组委会填写）
- [! |8 j8 A- x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 E2 V4 a! k+ Y% u7 }空气中 PM2.5 问题的研究7 X1 l3 F1 r) t3 T, b) b
摘 要：
- X' ^) H: \$ v$ Q8 Q% W# R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
+ ^- w! N! h% d" p* L: l3 EPM10，O3 的相关性，并建立了回归方程；然后通过
4 ]" G( `7 t1 ]4 a, ?预测了 PM2.5 的浓度变化，定量与定性分析了西安( W) C. a. _' U% D/ K% X- y
接着建立高斯烟羽模型，拟合了持续高浓度 PM2.56 ~4 p+ z1 {+ l0 F& f# O$ 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) F; `0 f9 Z: L' g8 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  k9 X% C; x, a, G* _3 H$ r  \% Q, W
结果得到模型是合理的。7 }/ _0 i/ R4 P# T' x. H4 k
与 SO2，NO2，CO，PM10，O3 的相关性和关系; K6 g& a* \- M- a% I1 j2 c" V
，PM2.5 与 PM10，CO，SO2，NO2 呈正相关9 P5 X- `+ A  T9 B
呈负相关，同时通过相关资料，发现了 PM2.5
1 _; N3 S  G  Z4 U使用线性回归方程分析 PM2.5 与其他污染物的关系
3 t# |+ a1 T+ m5 Q9 w  z2 2 2.5 10 129.7536 0.5845 0.3854 0.5548 2.2064 PM SO NO PM CO y x x x x = - + + + +  q) K% k3 \* X* Q. t- |( k/ R
的扩散规律与应急处理。对于第一个子问题，
; Z& f) W  O1 B. }4 v- @8 y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) E: o! S# ^! C# F  j/ X
浓度随时间的推移呈下降趋势，1 月和 2 月份是浓度的高/ ?2 R  I, I3 q: o! |, b
个分区的变化趋势一致，而且，高压开关厂和广运: P3 I" @- n3 O% m9 a1 K* 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  r7 ]1 O" Y: 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
1 k+ n( k& \- n( O8 C  N$ j8 H  d/ m/ s、纺织厂、曲江文化集团、兴庆小区，这些都是生活
* @: q- O$ v# Y- ^$ Q' _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
! H1 j, e7 r% M1 I- q而且持续时间也较长，这应该是未来治理的重点
) [) x. a. d- U. \: i& K在考虑风力、气温、压强的自然条件下，建立一维的反. D, Y  |: C- ~! 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1 W% l9 G# q6 i. l6 P1 C
）; D- B7 p6 F6 Y
赛赛
8 d! h5 _/ a+ Z; }8 u首先使用相关分析探讨了( s& x# F: D" w; }& @  N! h
然后通过
8 G7 B. A" Y& t+ P& b$ ~9 _. O- }/ c定量与定性分析了西安
" G: f' c: u0 C  G6 J; {0 }PM2.5 扩散的
/ l4 O' M: H& Q" k  r- r9 D4 j9 U最后通过
$ T9 Q3 K& O' d3 q/ }: |8 K同时对模型的( d1 p; d: y; Z8 @1 T: m# G4 S
的相关性和关系。首
/ J0 }1 |6 `. I  S. w呈正相关，且相+ U/ K$ J5 I- J4 E
PM2.5 还会& S' @0 ~0 e* x; D
与其他污染物的关系，
. K: ^4 Y5 g" E+ P3 ~$ m129.7536 0.5845 0.3854 0.5548 2.2064 PM SO NO PM CO y x x x x& ]; }8 W7 |4 \# L/ ^7 Q1 d7 y. N" V
，首先，9 Y! D; u3 o: W" v
PM2.5 的时  A  m! ^$ b  e7 }: }& R
月份是浓度的高
8 k& t1 O( Q& n9 O高压开关厂和广运
- j' f, |$ k* U. `# bPM2.5 浓
5 _9 a" l8 J' G8 v* R; h西安市的东南部的空气质量8 i5 c! t8 a* \' }, l
这些都是生活
8 X3 Q2 y! G2 U% v3 r而广运潭和高压开关厂是城市的两大污染中7 ~6 u; p. A0 q) Y& l1 [
这应该是未来治理的重点。( \- l0 b  [% C  w! X5 I
建立一维的反' Y3 M9 ^  `# r; H3 \  `9 D7 P
的发生与演变规- 2 -# k- i& M" ~1 s( b* k+ k, ^
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$ [- A1 t; l7 v# Q
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 V" G" \' i+ x) @( g
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
! D( [) R5 _( r, z' x; X" E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+ E$ ?9 |; B: K3 k7 Z. j8 p, g( W
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
( L" K: `) }3 @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；
( |3 W! i* _& v! ?( M4 i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
* i7 O* j% ~2 K域，空气质量指数类别为优。* }7 Z: e- S: V5 J; }
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
5 a$ M; V0 l5 d  A8 x% P- X4 o3 zPM2.5 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, u  t% M  Z- S' @
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
' n. X1 {& {2 o) j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 D: I( O2 s0 n! c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  u; G% n& f% ]0 L) G2 h
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。4 L, z$ ~$ Q+ _+ B+ 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/ Z, }0 P! e$ X) i% w  Q; p8 c. S
于安全地带。
) d; _. t1 n0 O# \- _# d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  l+ G0 R# w; m, N/ M# W% y
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
  j  \  o- A3 ^4 s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) y# D9 W* t5 p  ~- I. ?+ M
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
5 v! _5 b1 F2 h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 [) G# S$ H) k+ T+ N- v# D- ?; T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 ; ?. p6 [* B2 w5 D2 x
mg m/ 降到 35 . E5 E% z( Z+ o* C" Z
3 * M* ?2 {8 O4 C5 I6 ^7 o
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
4 s2 u4 y6 B$ u/ X) S; v4 b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
8 j' l! L1 @" j; F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 u' }" e+ h" S. O% w; [0 X9 s4 ?
法所需经费最少，该方案是：每年使 PM2.5 的浓度平均下降 49 9 E* G: S# b) ?8 j0 I) ^
3   o; d2 H" E8 _6 l; ]
mg m/ ，五年需- x% E% W0 m; Q# z# O
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: D* i  R6 m4 n9 X; h) \  ?' r" h
了一份治理空气污染的建议。7 H  ?: a+ A& q7 d0 ~( o

* U$ t9 h# A- s4 p% p) T3 W- L9 G, T% W5 u1 T3 i. ?1 b, E

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