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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
. z7 I6 o0 s/ V8 p3 `6 A4 x8 r
- {8 r- a5 U6 U6 C/ P
$ S! G9 W7 `$ r& H$ m0 X; a0 B
本文主要研究空气污染中的' `# t- ]1 a' O4 s) Z5 O; v8 @: f
PM2.5 与 SO2，NO2，CO，PM10
- v9 n* t/ S9 I建立一维的反应扩散方程，预测了) M) V& m% x" X* q' }4 R- ^  H- E
市的空气污染状况；接着建立高斯烟羽模型! p* v6 f, L) D+ n5 y  D
情形，预测了污染物扩散的范围
/ C. `6 m5 a- k; J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
; B0 W) n- S, q. ]  m6 i检验，结果得到模型是合理的& Y$ x# U0 \6 N* p8 s; @% |( [
问题一主要探讨 PM2.5 与
( |7 |7 q. k. b7 e4 w先使用相关分析，结果表明，
( S- |5 m( `5 A关性逐步减弱，PM2.5 与 O3 呈负相关
0 @# n* F8 z/ T与季节、降雨有关。然后，使用线性回归方程分析* d7 z% r2 R! m5 N7 Y8 \
结果得到
* M# r" z, r' r. @7 X; k6 L. H2.5 10 129.7536 0.5845 0.3854 0.5548 2.2064 PM SO NO PM CO y x x x x = - + + + +
: Q0 q, w% V! l- F问题二主要探讨 PM2.5 的扩散规律与应急处理
$ G7 c9 o% F/ G( S( m& c) B通过空气质量分指数时序图和
$ O# c0 G( j: Q* _4 Z5 S空分布规律是：PM2.5 浓度随时间的推移呈下降趋势
  `3 Z! K/ d# d& N+ R峰期，随后转入低谷区，13 个分区的变化趋势一致
- v! I: M, e4 p7 p: Z9 e) f. S潭是 PM2.5 浓度较高的两个区域! ]2 p4 Y3 L0 l9 p7 m& Q; i
度较低的区域。接着分区进行污染评估2 B, g" j8 ?- ]; R, v% ?
相对较优，在该部分有小寨、% u1 D! F$ V, S" ^7 |6 k; N% n
区或者写字楼，因此污染相对较少# m: l: v, ]0 w0 \
心，PM2.5 的浓度较高，而且持续时间也较长( _9 r9 N" N/ b; ?" Q
对于第二个子问题，在考虑风力+ L" F6 x) _, S5 O1 G
应扩散方程，研究下风向方向的' Q1 J* R5 W* A- `" {& y
- 1 -+ \; k$ \' k5 C9 R2 k0 O) V: m
参赛密码
0 W5 f4 D7 F9 W4 r0 l( _3 w6 f（由组委会填写）
* y# }' X7 u, A: B% E" V. m杯杯全全国国研研究究生生数数学学建建模模竞竞赛赛* }8 I- p7 M4 J
空气中 PM2.5 问题的研究
# h/ t( H  K; C" \5 m摘 要：
* q$ E3 ?4 x& A$ a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
- L4 t0 l# R2 {9 _, }8 ZPM10，O3 的相关性，并建立了回归方程；然后通过
4 {0 R  ?; n% l! s! B2 K预测了 PM2.5 的浓度变化，定量与定性分析了西安
1 b2 ]( Z$ U5 \% `% }1 Y' M7 ]接着建立高斯烟羽模型，拟合了持续高浓度 PM2.58 w9 `/ R7 a: u8 ?+ y3 ]
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6 P& m# ^. q( x. x; R* l
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' c  v* a5 W& T  i6 R0 p
结果得到模型是合理的。
& V. @# R9 d# s1 ~) ~与 SO2，NO2，CO，PM10，O3 的相关性和关系
% }( U6 g. M: Y6 ^，PM2.5 与 PM10，CO，SO2，NO2 呈正相关7 [  d7 M( F: G
呈负相关，同时通过相关资料，发现了 PM2.55 ]9 @/ o: P* c. ~# [( [: U1 i
使用线性回归方程分析 PM2.5 与其他污染物的关系1 m7 ~% c& X8 v! G& X& ^( 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 y6 o! e! W1 J( L; K/ |% m# {
的扩散规律与应急处理。对于第一个子问题，* t% B1 c; _& f& n* U( c
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: y: i  v6 ?7 S0 \* V! ?' d
浓度随时间的推移呈下降趋势，1 月和 2 月份是浓度的高
* A( p8 L- _" m6 L  Z个分区的变化趋势一致，而且，高压开关厂和广运
) T3 }2 ^0 F6 [3 @: Z5 N, I" Q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
" N" @9 W" h/ r4 h5 x+ L& I; s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
. ?! ~- W  ]1 V" v/ V/ j3 x, b( i、纺织厂、曲江文化集团、兴庆小区，这些都是生活8 B1 Q  X' B9 v
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
6 s5 o4 A8 B7 ^  k- Y* n/ y而且持续时间也较长，这应该是未来治理的重点' L6 N, |: d. q1 Y( h& U3 q( [
在考虑风力、气温、压强的自然条件下，建立一维的反; ^: t) o7 ?. `% a5 U/ c1 O" g* C
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" N0 e" Q4 f5 _9 ^$ s
）: w& {3 U9 s0 i& M- ]
赛赛( P. c2 V/ {+ _4 e7 F
首先使用相关分析探讨了) F$ w0 Q9 @# ^+ J; C; N
然后通过
, v! d  p( V7 l; g6 ]定量与定性分析了西安/ V3 z- }# j7 _! M# J+ {& _! z) o
PM2.5 扩散的
0 `$ K& K. o3 \# V9 K最后通过
: P1 }& Z; z0 z1 f9 f同时对模型的
0 _, \+ @1 }+ B2 D5 f( P的相关性和关系。首% m! {; _7 S- Z  Z; {! f* M: o# K
呈正相关，且相
4 u" `& v) ~6 U2 k$ }: L- PPM2.5 还会6 `7 g, W8 \" X) M
与其他污染物的关系，
: {/ C, [6 a) r" h- y: E  Z2 x7 m129.7536 0.5845 0.3854 0.5548 2.2064 PM SO NO PM CO y x x x x
6 ~1 C8 k! h7 l. A，首先，9 @4 T! I5 K. P; I$ G: u
PM2.5 的时
# k2 O. C* Y' q月份是浓度的高" t' R( l4 m- O9 V* b9 k
高压开关厂和广运
% N* X. T) R& [6 |$ gPM2.5 浓0 F* X& T% g; N3 b) ?7 h
西安市的东南部的空气质量7 Y8 C* V9 N5 y
这些都是生活
+ q' I" {) e& i3 d0 Z' N" {而广运潭和高压开关厂是城市的两大污染中
3 D/ U9 [2 ?/ q0 c: l+ n3 `这应该是未来治理的重点。7 t% K, I9 d4 O$ w1 M7 C
建立一维的反
# k9 D* d3 s- O  `+ m1 a- P. h- e的发生与演变规- 2 -2 p7 v( V) {: o5 T  h9 S  C' F
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
+ D% N3 D$ `  t' N' c2 k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3 p! e" R- x1 E! _+ f( o# N' e* 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
- a4 O1 G/ u6 A$ C0 p! o7 u( u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: t/ k: y# c- r  v& x' y" G) l9 h% 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% ~8 o$ Q0 u7 f% Z' w) Z2 T7 e8 L
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；5 ~5 b5 ?. i1 W/ R$ S* _- o
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+ I5 W, |9 }4 w& x) J+ C' S, C
域，空气质量指数类别为优。
% R* D: q/ D- K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
. O/ o: ^- a1 c6 Y# F$ \' ~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
5 ~: n: b# s, E( N: Y10 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& y& D& s( G% L, `! _
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- F  L5 T( o: _0 [+ B" Q# p/ K
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4 T; K5 E$ A1 s+ x# W
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。. C( [: q% C1 [9 ^" n
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
$ Q: e( b( X& K5 E8 M# M9 v于安全地带。/ n8 V4 f$ {1 }+ f. N/ |+ E
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
1 p) X8 n2 m' }( ?6 d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
! |( |  F, E5 W  L0 G  L8 u% [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; A/ \3 x! G, y; L
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
( E* R+ ]+ f2 t4 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。$ h; P5 p1 ^" _. c: T& n
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
5 d3 t" _8 q2 {7 C0 I& l  xmg m/ 降到 35 8 e7 w$ H) [, t
3
& ]6 A3 z6 g& S( Ymg m/ 的治理计划：逐步提升空气质量指数级别法，总投入经费
" @* L" C% `. Y! j& f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. J4 Z( p4 [# o; t: |( C- q6 w
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  }9 D$ {% U2 y4 S4 m
法所需经费最少，该方案是：每年使 PM2.5 的浓度平均下降 49 5 g) X# d( {5 J" z% b
3
! O. I/ Q5 m  Y$ \2 X: Dmg m/ ，五年需! b; ?) S2 w& `* b
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6 Z) m( ~; B2 f5 h* O. m2 s% }
了一份治理空气污染的建议。+ ?% M7 {8 |8 v9 j

+ j" J3 i- t: o7 ^$ w4 R: F5 m
5 u. ]' H6 N, u& @$ M* [$ M! m

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