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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
( \( S! h) G4 q/ j8 v- y$ G
8 {' o  i3 n* m
7 F8 l6 u* M4 P& L# B# _
本文主要研究空气污染中的
; s- f9 V/ y! F$ |' ]9 RPM2.5 与 SO2，NO2，CO，PM10. [4 ]% H3 N" }, a$ J7 q6 `0 v
建立一维的反应扩散方程，预测了' z) l5 ^* L. D" o/ C8 X0 c; \
市的空气污染状况；接着建立高斯烟羽模型6 S" C8 C! O8 T3 Y0 t% |
情形，预测了污染物扩散的范围% Q( m, n# o4 f( g' R& w4 M+ g& v8 @
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
; Q1 u; g: o3 L- d检验，结果得到模型是合理的
/ J' `& u, E9 L% B7 B问题一主要探讨 PM2.5 与
; v2 N0 J6 o4 N; a$ H先使用相关分析，结果表明，
9 S( i2 P) [- e5 P关性逐步减弱，PM2.5 与 O3 呈负相关, w# U: Y  U( r( G" K( v4 s- F6 m# a
与季节、降雨有关。然后，使用线性回归方程分析! A! }% ]6 h' X5 R+ e
结果得到
- _* o  }, n( i0 A. D2.5 10 129.7536 0.5845 0.3854 0.5548 2.2064 PM SO NO PM CO y x x x x = - + + + +
& g2 ]/ e- [, T+ ?. i5 w问题二主要探讨 PM2.5 的扩散规律与应急处理
: g3 w) b: C+ w$ b- C8 [* c通过空气质量分指数时序图和
2 v& [% Q. Z- R- G5 i空分布规律是：PM2.5 浓度随时间的推移呈下降趋势
  `0 [5 W  l. i- z5 t* H峰期，随后转入低谷区，13 个分区的变化趋势一致
$ R7 H2 h3 E  h2 L潭是 PM2.5 浓度较高的两个区域
! M$ [4 T+ Y' o: M8 z" }度较低的区域。接着分区进行污染评估+ k. _6 n" H( h& q/ X2 ]: m# C
相对较优，在该部分有小寨、
0 Z% q/ G! g6 x' x区或者写字楼，因此污染相对较少9 c7 G" R- U. R$ D* p
心，PM2.5 的浓度较高，而且持续时间也较长
# s9 J" u: Q9 Q2 [7 ^% ^对于第二个子问题，在考虑风力
. k8 F) V5 ^  n, b5 v应扩散方程，研究下风向方向的
9 [1 |7 ~( m+ ~$ o" \+ k* h- 1 -
8 t9 \, N) m8 z. P4 F7 e& w+ g+ C参赛密码
) s* |, z' f" ]) d$ L. L! Z/ t（由组委会填写）
0 ?* U) h) w4 i* o' G杯杯全全国国研研究究生生数数学学建建模模竞竞赛赛' X8 ?5 C) y* |
空气中 PM2.5 问题的研究
. G+ a4 p" Z' R* p) v2 B摘 要：- L: L0 j3 z! B5 c
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0 @6 c0 Q9 u' Y8 V0 j, m
PM10，O3 的相关性，并建立了回归方程；然后通过
5 C7 }4 C) p- u4 |预测了 PM2.5 的浓度变化，定量与定性分析了西安
" y" V# j4 t" v" k接着建立高斯烟羽模型，拟合了持续高浓度 PM2.5
# ~) L+ V# C" j4 a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+ k  Q- U3 h4 y0 O) T
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
4 B' Q: k: P' w9 M结果得到模型是合理的。
2 z) O- {, T; @! ^! h4 M与 SO2，NO2，CO，PM10，O3 的相关性和关系
4 S* r% ]2 c- f& g3 n" b8 Z. \，PM2.5 与 PM10，CO，SO2，NO2 呈正相关" T5 {& ^( o- S8 l. \: [' `
呈负相关，同时通过相关资料，发现了 PM2.5
0 }4 W" b% y/ p使用线性回归方程分析 PM2.5 与其他污染物的关系3 ^5 a& }6 o2 M6 `2 z9 ]
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 = - + + + +
1 Z( t6 v0 X* M0 L/ ~的扩散规律与应急处理。对于第一个子问题，* L2 i% ^4 P7 S& P5 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
0 K( P0 X6 n! 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
0 M" K6 p, i% z  l个分区的变化趋势一致，而且，高压开关厂和广运4 p; L! L" o4 t
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
. v3 P0 s% M' Y4 c! v9 H' a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
2 n' H8 l% ^) R4 L、纺织厂、曲江文化集团、兴庆小区，这些都是生活1 H1 V# N! l; E/ h& o- x0 j
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+ @: M3 O# b: l) l5 R
而且持续时间也较长，这应该是未来治理的重点
; z9 _. }5 _5 T. m# k; P在考虑风力、气温、压强的自然条件下，建立一维的反$ c3 d, z* Y" L8 L! @  F' o: K
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
" d" \8 n& k/ K1 |9 R% X）
- X8 U/ S: b/ j! C+ X: [赛赛0 ^1 h0 a: D, F5 ^; b! ^
首先使用相关分析探讨了
, Q- o* C  {0 o7 }然后通过. i0 x( D2 t6 g
定量与定性分析了西安
2 V  u% R% e- w/ {: YPM2.5 扩散的8 L8 t! L4 o8 Z5 L, m# _
最后通过) M8 D' D2 L3 @+ v5 N4 z2 M
同时对模型的( @; E) V/ @) t
的相关性和关系。首
/ ~' R/ a& K0 M! o8 X2 {" y" }# K) A呈正相关，且相
( e( V, z' ]: ?0 H+ uPM2.5 还会: J, p! x& ^% l. H& t" n# g3 E  |* o
与其他污染物的关系，
8 t/ w9 H$ Q- F129.7536 0.5845 0.3854 0.5548 2.2064 PM SO NO PM CO y x x x x; }! G2 W: h) B' Q% O0 {' S: |* C
，首先，
3 r. p, f" C1 G" d. x$ z8 xPM2.5 的时
, G* Y# K0 g; B: \) ?! S月份是浓度的高
/ \  l( q' k: v- R3 E5 P高压开关厂和广运! y6 z8 Q4 p( z, K5 X6 U* E: w; W
PM2.5 浓8 H) j% Q! |) c
西安市的东南部的空气质量  j; r/ f; s' U" m: I' E6 `, i" n
这些都是生活- `; P7 |) \' }) r: {8 j
而广运潭和高压开关厂是城市的两大污染中
) Y6 r. y$ k2 _) X0 C# g这应该是未来治理的重点。
' C2 M7 B) J+ O' ]建立一维的反
$ w5 X' S  o  O/ c( b的发生与演变规- 2 -
, I* g$ U8 d# m6 S5 E8 D8 w# t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: l+ k3 C- E4 E
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7 X" J4 }2 d, B. g6 Y: ?
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' h. f3 _  y' Y) @) F( 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; V( h4 Y9 n0 k: m& G6 T% u
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
2 r) N1 V8 S: h# A/ y1 Y$ _- H* S& A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；
; B% Q+ v( A0 v) o+ q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
9 ^" s4 t: a9 d! x  O域，空气质量指数类别为优。: }5 B# e# L9 B1 s8 g% ~1 x  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
+ A# f" }7 ]5 n$ Q' x9 i& MPM2.5 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% g' N( n, s1 v" m
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 `' p8 M7 |; G) Y* g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
" L5 m! j4 Q8 h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7 h' e% Q, P* H5 K
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。
8 q  t; Y5 u4 g$ j# D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5 t' d5 q4 O1 C8 O+ Z6 j
于安全地带。/ c' S  K- {/ j$ A9 m
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; e( A2 G2 o9 c0 Y% 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
5 Z4 j; d. `( z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0 z. Z& C  Q- K, U+ o2 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
7 M" S+ [1 C) b地区一般 5 天左右可以将污染物的浓度降至无危害水平。
4 T( a2 M$ M; c' k  H3 \. j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
' I! t8 o5 F% C- W& }  }6 g: ^mg m/ 降到 35 * i& H( b% B+ w0 N7 t0 G
3
: f' ?7 e  D) x- K7 `8 F' M" P3 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
* B" L3 y% o. l) q% H# i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3 i3 ^/ i+ M7 S: T2 y
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; d7 R- |) P& {8 _
法所需经费最少，该方案是：每年使 PM2.5 的浓度平均下降 49
, N; u! l* A! j7 _: Q5 K3 ; i# D$ V7 ?* q" k$ w( H
mg m/ ，五年需
8 d, j; Y, Y, }. o$ U' \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# n; I/ c- v& y$ a0 M3 }1 y了一份治理空气污染的建议。& O5 X3 u) H" Q. p3 a& F
+ e: H3 s  R2 ?' ~% p" Y% b; D
8 `  y2 o/ o: w

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