空气中 PM2.5 问题的研究-D题华南农业大学10564001队

杨利霞

空气中 PM2.5 问题的研究-D题华南农业大学

' l# L, |' Y3 ^0 ?0 B# E3 q% U
! y' b4 s( m5 b2 u5 R5 o. ?$ r本文主要研究空气污染中的
PM2.5 与 SO2，NO2，CO，PM10
; {' Y# \! k  [# k' x建立一维的反应扩散方程，预测了
- }4 f& U# p+ W: v* I5 L市的空气污染状况；接着建立高斯烟羽模型
- _6 y" c3 Q3 n9 l; Y情形，预测了污染物扩散的范围
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
0 L. R# c2 U  d" m; H% c/ g检验，结果得到模型是合理的
问题一主要探讨 PM2.5 与
先使用相关分析，结果表明，
关性逐步减弱，PM2.5 与 O3 呈负相关
( T& S7 S& o8 D9 H与季节、降雨有关。然后，使用线性回归方程分析
结果得到
2.5 10 129.7536 0.5845 0.3854 0.5548 2.2064 PM SO NO PM CO y x x x x = - + + + +
问题二主要探讨 PM2.5 的扩散规律与应急处理
$ t0 I- J+ j0 {& s/ d通过空气质量分指数时序图和
( [/ w  t* T/ r$ C7 r+ V  U空分布规律是：PM2.5 浓度随时间的推移呈下降趋势
峰期，随后转入低谷区，13 个分区的变化趋势一致
/ I; H6 O& k( ?$ j2 L/ I3 [潭是 PM2.5 浓度较高的两个区域
/ ~" l# q5 b# H& {1 J. W8 f9 U# j( b度较低的区域。接着分区进行污染评估
相对较优，在该部分有小寨、
区或者写字楼，因此污染相对较少
* @# @2 r$ X9 j4 {. F: _心，PM2.5 的浓度较高，而且持续时间也较长
7 Y8 e: X$ _. r. D4 Z对于第二个子问题，在考虑风力
应扩散方程，研究下风向方向的
- 1 -
6 M3 F3 u9 D& d参赛密码
# |4 b% G8 i2 q4 o, L  |* T8 Z( p（由组委会填写）
杯杯全全国国研研究究生生数数学学建建模模竞竞赛赛
! @+ G- K) l" M" @空气中 PM2.5 问题的研究
摘 要：
# d( x: [  ^0 a& M/ w% y# k9 Q6 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
' M. @" O9 a2 ]) mPM10，O3 的相关性，并建立了回归方程；然后通过
预测了 PM2.5 的浓度变化，定量与定性分析了西安
) g& c/ j0 [1 [$ m接着建立高斯烟羽模型，拟合了持续高浓度 PM2.5
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
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
" S$ I3 f/ C% a结果得到模型是合理的。
与 SO2，NO2，CO，PM10，O3 的相关性和关系
$ H2 }& V4 Q3 M: q: O5 K，PM2.5 与 PM10，CO，SO2，NO2 呈正相关
呈负相关，同时通过相关资料，发现了 PM2.5
+ E$ W  w% b. t使用线性回归方程分析 PM2.5 与其他污染物的关系
8 ]& W) K- G/ u. U' z. g2 2 2.5 10 129.7536 0.5845 0.3854 0.5548 2.2064 PM SO NO PM CO y x x x x = - + + + +
" J$ w+ g0 {: m' Z的扩散规律与应急处理。对于第一个子问题，
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
浓度随时间的推移呈下降趋势，1 月和 2 月份是浓度的高
个分区的变化趋势一致，而且，高压开关厂和广运
, e0 q$ I' N9 g$ M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 s5 Q- M( ?, x  ]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
8 [  x3 Z, w8 v% [1 m、纺织厂、曲江文化集团、兴庆小区，这些都是生活
/ M' Y; h3 ^) K( l1 j# ?4 I8 p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
而且持续时间也较长，这应该是未来治理的重点
0 @1 z" R* C6 W在考虑风力、气温、压强的自然条件下，建立一维的反
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
5 w, c( u/ y( D2 t- ?( L! N' t3 L+ p）
  F6 R0 y. i+ ~赛赛
首先使用相关分析探讨了
然后通过
定量与定性分析了西安
* E; C! M( `# y8 S6 `# s1 kPM2.5 扩散的
最后通过
同时对模型的
% I  [' n3 h5 i1 N3 ?; g的相关性和关系。首
. k1 K0 R1 e2 a6 K0 A呈正相关，且相
PM2.5 还会
与其他污染物的关系，
129.7536 0.5845 0.3854 0.5548 2.2064 PM SO NO PM CO y x x x x
，首先，
PM2.5 的时
" G5 Y, G" t7 x6 L0 {月份是浓度的高
高压开关厂和广运
PM2.5 浓
# S* o4 K, u+ j西安市的东南部的空气质量
这些都是生活
$ G# L  y. T7 Q4 g; W! g8 A; D- u而广运潭和高压开关厂是城市的两大污染中
+ \" k! W: S6 _( e. Q- g& E这应该是未来治理的重点。
建立一维的反
+ m9 |/ u( L' d的发生与演变规- 2 -
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
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
# N; U+ r6 @6 F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
' T4 Z! a1 X+ t0 Z. A; ~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
  q0 Q! A2 H. g5 t% t) J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
+ r, N' ?9 R  C) g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；
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
* L8 W0 ^  S+ M5 S域，空气质量指数类别为优。
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
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
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
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
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
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。
+ d0 {, Y' s  r& c* _, H8 [9 _- i. G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
于安全地带。
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
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
; v- n* \- m! b. H1 {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
( h  H/ D5 f1 W/ I: E4 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
地区一般 5 天左右可以将污染物的浓度降至无危害水平。
! }: E9 v3 \  e% N. K1 r7 m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
2 N" ], Q! h6 e  Y0 i- vmg m/ 降到 35
3
0 `  U# C3 `% S$ dmg m/ 的治理计划：逐步提升空气质量指数级别法，总投入经费
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
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
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
6 L! k: V3 T$ i# @$ Smg m/ ，五年需
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
* z& u4 N* }. W* [了一份治理空气污染的建议。
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