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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

! H+ A+ M/ j6 f& ]
. ^/ `* O# V3 f
: A( U2 ^3 v1 `" I3 g本文主要研究空气污染中的1 \* K5 E' ~0 A2 P0 s& \
PM2.5 与 SO2，NO2，CO，PM109 o6 ~0 r9 n; c8 I
建立一维的反应扩散方程，预测了
: H! y( g% d6 S( V7 R" S. _市的空气污染状况；接着建立高斯烟羽模型
, G) P" |" a9 ]) k$ ]情形，预测了污染物扩散的范围
3 b$ w2 ~, e% M9 K4 M$ @6 S8 ]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
3 u& y/ q1 b# D. ]1 H检验，结果得到模型是合理的
! O1 R2 d& x8 ?问题一主要探讨 PM2.5 与
6 g3 o- U# N* v; q6 M- d4 f6 s先使用相关分析，结果表明，! Y/ Z' M( m3 g- ~
关性逐步减弱，PM2.5 与 O3 呈负相关- g- A9 F& Z% p0 n8 [9 M0 A
与季节、降雨有关。然后，使用线性回归方程分析7 g+ M; n1 T& d- U/ E- y; n
结果得到4 H' B3 \4 h/ g% m
2.5 10 129.7536 0.5845 0.3854 0.5548 2.2064 PM SO NO PM CO y x x x x = - + + + +
! }$ Z% J* a. j. T( R! W) B4 K% [; }问题二主要探讨 PM2.5 的扩散规律与应急处理4 T9 I' r* M2 a' y% L, \; Z9 W
通过空气质量分指数时序图和
8 e* ]; q6 F6 Z8 h$ D7 u空分布规律是：PM2.5 浓度随时间的推移呈下降趋势7 q3 L6 F9 [  \7 s; F
峰期，随后转入低谷区，13 个分区的变化趋势一致
3 F7 [) z3 z2 `  ?- H' z3 b潭是 PM2.5 浓度较高的两个区域
0 u) P# r' N& A: {+ o* J度较低的区域。接着分区进行污染评估
8 b( @7 E, |# [8 V( Q! d. Q1 {相对较优，在该部分有小寨、
% [7 I6 P/ _$ ^7 `7 F( ^区或者写字楼，因此污染相对较少
2 b0 v; v+ C1 o! A% I: ]0 Y心，PM2.5 的浓度较高，而且持续时间也较长
+ v! V0 b" H, J/ a1 B* }$ I2 M% q对于第二个子问题，在考虑风力4 H: y2 R/ L: x+ r: ?
应扩散方程，研究下风向方向的2 U5 j2 J, \4 S# s
- 1 -: D; t6 b' M" ^7 D& R1 N
参赛密码0 f6 m, r$ `- V6 O7 c7 B; b
（由组委会填写）
2 ]6 w' w) w1 N! 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, C6 P! r( H4 A7 J9 t! X  @: Q. m
空气中 PM2.5 问题的研究
: [& t, T$ {/ g% a( ~! C( ?摘 要：( t0 y# g: @! ~
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5 b/ \2 l' n* ]# g, I% c
PM10，O3 的相关性，并建立了回归方程；然后通过
# G3 t6 r+ G( J$ p4 N" X预测了 PM2.5 的浓度变化，定量与定性分析了西安: y; P+ m  R0 ]
接着建立高斯烟羽模型，拟合了持续高浓度 PM2.5
& u. E$ _% o. X- c$ ]9 L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+ }7 h, @7 R. M$ y9 g3 u, G5 o
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2 `5 m: ?- i. A3 T
结果得到模型是合理的。! s1 k  F; q1 l0 h6 r& x
与 SO2，NO2，CO，PM10，O3 的相关性和关系
" z% `' \, Q  Z; r，PM2.5 与 PM10，CO，SO2，NO2 呈正相关
( r( \, ?4 a. j/ s$ ?呈负相关，同时通过相关资料，发现了 PM2.5: q) f! ?; c% `$ e, y
使用线性回归方程分析 PM2.5 与其他污染物的关系
/ _$ k! ?  Z# x3 s2 2 2.5 10 129.7536 0.5845 0.3854 0.5548 2.2064 PM SO NO PM CO y x x x x = - + + + +& K  ]4 i8 i: M. z0 a
的扩散规律与应急处理。对于第一个子问题，0 D8 ]$ m: H5 N! H( p* d& z
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' e  k& W% z- G9 |! Y" i. Y
浓度随时间的推移呈下降趋势，1 月和 2 月份是浓度的高1 M# I1 E" F7 w* b& R. E3 b$ C
个分区的变化趋势一致，而且，高压开关厂和广运" h* U3 O  b8 s0 c' K6 V
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& \1 w7 g% B2 x7 i% A: @$ }, k- 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" \( \4 n# Y5 U' m# l
、纺织厂、曲江文化集团、兴庆小区，这些都是生活
, S5 @; \3 {- n6 |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: Z- _) r) `3 a% ~8 B( z
而且持续时间也较长，这应该是未来治理的重点8 s& w: l0 l# n7 P5 D2 F, D
在考虑风力、气温、压强的自然条件下，建立一维的反9 {& K/ k: `' F3 \; n" m* {, T) g: E6 g
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: J6 d* L* r+ p. ~% ^; V0 n! z
）% d$ \2 u7 K; @7 S4 x8 d4 T. I
赛赛
: j9 P' J/ ^- L7 p8 {! O首先使用相关分析探讨了+ {6 ]. ?; H3 X1 p3 @, V
然后通过+ A) v- {5 y+ g% r% s) q" C6 n
定量与定性分析了西安) z: {, V2 G6 j  \! k
PM2.5 扩散的4 }; u( T# E9 a) G+ p! [1 B
最后通过9 I8 H3 b3 n0 P4 _$ v( u+ ^
同时对模型的8 w% j; p3 \: E8 T8 W1 G
的相关性和关系。首
# u0 j) P3 Z2 p8 a: b; C呈正相关，且相& F: v% m0 }( h9 X1 |: T
PM2.5 还会  h5 O) J# O$ }. n8 }
与其他污染物的关系，
- _: S, x" [2 G3 ~, Z# ?& c* c. ^( @129.7536 0.5845 0.3854 0.5548 2.2064 PM SO NO PM CO y x x x x
+ e! E7 f& {, r* v% M* [) F，首先，% I' b3 x8 {3 _( r7 N
PM2.5 的时' x  ]  C- ^4 }
月份是浓度的高3 {: F6 {2 T( k5 x* b
高压开关厂和广运4 ]" _8 v4 P' {* d% g
PM2.5 浓8 r2 q: _( K& k& x: l
西安市的东南部的空气质量. e' G3 ?4 `! X4 V# R& M
这些都是生活
9 E; H: ]9 E4 Y) a  a而广运潭和高压开关厂是城市的两大污染中, I0 Z6 W% a8 P7 Q: G7 O: |
这应该是未来治理的重点。
9 i9 U# b) Y; W* ~建立一维的反# N0 q0 v+ P. {/ ^# }* R
的发生与演变规- 2 -
# L4 m7 b  w0 [+ I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: \5 I) R3 H+ V
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
: U0 y5 ?7 `$ c' F2 P6 I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 h5 o: J7 @5 T( t
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  A+ Q) F5 F1 ?
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" x. P6 h9 c" M* h
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；2 M& `# J& L4 P/ P# u: E2 d
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' `, ^5 y% A/ d& S, D
域，空气质量指数类别为优。
6 r% ^5 J, Z5 H4 f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
7 w8 P* u. N  P; o9 x0 q5 i% nPM2.5 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
; R7 W/ h+ f: o' T" ~) @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1 H7 a' K- N. X4 |: b( r
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
% H1 a# g4 r) }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' H# g  u1 ~. f6 u2 z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。
( W6 ~6 g8 z" ^& k4 i3 J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0 q! \9 D8 @# }3 c# v
于安全地带。
& ~+ K6 u# N3 a3 x, N' F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 o# t6 k5 j) ~2 \; \2 {2 g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
* I3 [; f+ b7 p! a" W2 g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+ e. d$ _9 }7 p4 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- A" J% ~  W4 w' M6 M  c* 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。5 g2 P& y) }. d5 D: P
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 3 a) b& G5 l7 W, ~! T9 R' y8 X
mg m/ 降到 35
: I) C: J% T# J( M$ q+ w! d5 [3 8 P* K: [1 f0 z
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 l, o& Q0 Z9 R2 g
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. D# P0 k( ?( }
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* S3 f# N. d# J
法所需经费最少，该方案是：每年使 PM2.5 的浓度平均下降 49
; n7 ]; Y  Y) c- x1 f& H3 0 g7 ]7 x5 a* w) \
mg m/ ，五年需
- N9 F  t7 j+ M; G! 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
2 z# m+ V5 I8 `% ?了一份治理空气污染的建议。' X4 d3 x0 n; }" E
) N4 k. r0 G" g+ ^" W% c
! @" o; j! j- ~6 S: s5 G

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