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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

4 Y4 `. ]" z& i! d0 k
, R) f2 }4 w9 e7 O! c% I8 d# L2 Z: x0 q6 t7 o% J
本文主要研究空气污染中的
) P' J: x: b/ l! i: A* WPM2.5 与 SO2，NO2，CO，PM10
  i! `3 ?7 |( A# A& L1 g5 I建立一维的反应扩散方程，预测了) M9 A. B+ d& R" v7 R/ q
市的空气污染状况；接着建立高斯烟羽模型
: N) o1 x* Y3 ]( I, O0 t情形，预测了污染物扩散的范围
1 M. \3 ]* h7 `! i. W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* {) N% z# A, g4 D7 ^' a. Q
检验，结果得到模型是合理的
2 j; }9 w- T! Y4 i# i6 l- {  B问题一主要探讨 PM2.5 与; t1 Y; U/ `7 V3 c4 C
先使用相关分析，结果表明，
, Y5 S( S3 Z, g7 x关性逐步减弱，PM2.5 与 O3 呈负相关
3 M9 G9 A: d' O9 U. M% N- t与季节、降雨有关。然后，使用线性回归方程分析
$ s, ~4 n% D% c0 H$ J# F结果得到
) c1 r' G, a7 U# k6 F( m2.5 10 129.7536 0.5845 0.3854 0.5548 2.2064 PM SO NO PM CO y x x x x = - + + + +
- _; `$ X% x8 c( _5 D8 d问题二主要探讨 PM2.5 的扩散规律与应急处理0 p, [2 O7 ?/ r9 p7 M0 y1 k8 Z8 I
通过空气质量分指数时序图和1 j  @& {: M% h, g3 x
空分布规律是：PM2.5 浓度随时间的推移呈下降趋势
- t( @8 A6 x$ R% l8 R6 X峰期，随后转入低谷区，13 个分区的变化趋势一致
1 n9 a; D) S% z潭是 PM2.5 浓度较高的两个区域
( J6 F4 r, K5 U5 m7 V度较低的区域。接着分区进行污染评估
& h  H( t( h3 [: R' B% L4 K相对较优，在该部分有小寨、
5 Y/ }; K( v* S2 D6 q7 u区或者写字楼，因此污染相对较少+ E0 y3 v" P+ e9 p( c# k
心，PM2.5 的浓度较高，而且持续时间也较长6 t3 b1 L2 Q- h, I3 G" e5 @6 _
对于第二个子问题，在考虑风力
3 b$ J( ]1 P2 p+ m, L& n5 r+ q) K应扩散方程，研究下风向方向的* i' E+ e) }( @5 Y+ J) g
- 1 -
- {* E2 P4 F5 }% @! J参赛密码
7 g" t) k4 ^% w0 b& m( g（由组委会填写）
8 [% K0 f0 M. W+ T1 S. 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6 j0 w6 |% y: Z; X$ }, c) c1 X
空气中 PM2.5 问题的研究
/ A- B* C& r- e! l7 ?摘 要：' {- P6 `" J: x& U
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
) t, i: P! c# Q/ Q2 ZPM10，O3 的相关性，并建立了回归方程；然后通过
) d& m; l3 B3 H预测了 PM2.5 的浓度变化，定量与定性分析了西安
: v/ C( \7 q, M( y! V; s接着建立高斯烟羽模型，拟合了持续高浓度 PM2.5
8 R3 m  a/ c3 X1 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
6 Y- g2 c6 q' ^; c+ P# \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
$ z% e  }# r0 C' l$ A' F结果得到模型是合理的。5 [/ I) z4 M7 R& t8 }. b  N# }
与 SO2，NO2，CO，PM10，O3 的相关性和关系
1 _4 {* P5 q! V  C，PM2.5 与 PM10，CO，SO2，NO2 呈正相关: g( e( p' t8 k4 i1 U+ F# Y; p, W
呈负相关，同时通过相关资料，发现了 PM2.56 i% L. G  s) V% C6 a, g4 T
使用线性回归方程分析 PM2.5 与其他污染物的关系7 j6 x# @9 Z/ f
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 = - + + + +
7 u% ]# E6 z; ?. z& p3 s; |# R的扩散规律与应急处理。对于第一个子问题，0 j; l9 _% r" g* {6 y4 K
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
7 m+ c! @% d9 {1 _0 U5 s9 r( B, 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" O5 X2 e7 U: L) q! a/ b3 H7 `
个分区的变化趋势一致，而且，高压开关厂和广运
6 g8 q4 l8 m0 L3 L& g+ S# }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* [, Q% M) k+ @0 }3 A: B
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
: X! ~' v) O- f、纺织厂、曲江文化集团、兴庆小区，这些都是生活" {6 A$ W& |$ X, a4 L( ]4 p2 L
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
2 I9 R7 n' T# a$ N; F0 ^& W而且持续时间也较长，这应该是未来治理的重点1 ~) U. m. i( [' r+ a; x
在考虑风力、气温、压强的自然条件下，建立一维的反  }5 R  Z( _' V$ p2 @
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
- H7 N' x' H' _. h4 b$ w5 P1 Q- p+ v% D" I）
, r2 `- i5 _  T0 ^% @5 Q! _赛赛; |* C( \/ [; ?) [. G
首先使用相关分析探讨了3 p: F* n/ o* _7 M1 Z; p3 ?
然后通过
* m, b0 _4 I, M5 S定量与定性分析了西安: j9 ?/ D2 `( Q0 J& q0 A
PM2.5 扩散的
4 A6 Z! M; ~% _最后通过
+ ?# b7 E2 |! _7 ]4 R  }同时对模型的& Z8 t& s! Z, G/ ^
的相关性和关系。首
8 r( y" w* u! E7 F1 {呈正相关，且相
! N% q. p9 ^2 \4 B8 i0 |PM2.5 还会$ a* \* j$ Q* S* w# t
与其他污染物的关系，9 f. t- q) p, P) r8 |" g( ]! t
129.7536 0.5845 0.3854 0.5548 2.2064 PM SO NO PM CO y x x x x" E! k2 b8 ^4 W7 U) t' C
，首先，; I: _% G! v1 d. t1 S3 \
PM2.5 的时0 c$ m6 Y* ~2 v  X0 F3 J
月份是浓度的高$ x* u1 S% B. v# z2 H- C  z
高压开关厂和广运
- |% t  r/ X( gPM2.5 浓+ d- a4 {7 }! r
西安市的东南部的空气质量# z" n) |0 o# F  [) x
这些都是生活
* k4 X$ J. f2 }  {: s. r而广运潭和高压开关厂是城市的两大污染中
6 V/ ^2 H' F! z9 B这应该是未来治理的重点。
7 N9 u$ |$ o# G建立一维的反8 D9 Z/ ~5 b8 d9 }  H* g: Q* R
的发生与演变规- 2 -
+ o/ a  A0 V* w0 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
& w1 I9 d3 O9 _& b4 T  S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
! W/ L8 u( ~' T  \$ R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
* `: I# {2 E- K- S; N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
, W) f( L' o4 K1 G' r7 x) n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" _- r; D/ u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；8 K; D( L5 e$ e8 l) {  ]
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
- ~' N5 i% L  p+ P8 |7 M域，空气质量指数类别为优。
8 Z6 n/ N) Z. F5 f, K. ]' B% m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
0 l! o/ {+ [& ]) E( m' FPM2.5 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: }" T% |' W/ r0 y, e; i- P2 y
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
4 G! F9 s8 ?7 D% k8 L8 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
" H4 N* l* j% m5 u' B; 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$ s' r; R  O; ~8 i( b& t' A( A! ]/ 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。
/ ^3 S2 R5 u! W( C! i7 o- u; o% [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$ T% G  ~! E
于安全地带。# t, x' g0 p! G! W. c0 V$ {
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
4 y& f# M, g$ n: T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
0 W# x! I% W: s* r, I4 t+ d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% u( y0 B3 {: f5 g7 A) }; P3 a6 a2 q/ 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4 ~# l$ b. b! T4 a
地区一般 5 天左右可以将污染物的浓度降至无危害水平。
+ P! ~* J6 X) }, N6 c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 1 {( P$ K1 E! h
mg m/ 降到 35
* }1 x8 U8 K$ i+ U, E( w& Z3
7 f$ q! k1 p" F  ^3 t3 d) Pmg 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 W' S0 |+ J& ]2 M
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/ @! g4 E. ^! c5 l( u4 J
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
5 v( `  K" v* y' z- r* u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 I6 G! ?) I, q- F: V
3
5 |# C6 O- ^" P' Wmg m/ ，五年需( ^2 x! C7 P* e1 {
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
( X/ ], H0 V8 X' \1 X* T' b了一份治理空气污染的建议。$ S9 K7 @: D4 V- j
# ~2 R8 w' L% L, F) I
" s. }9 p( l+ s) ?/ x

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