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

% T2 D0 t# N( k  w7 q8 |+ x
0 T$ V, |. l7 o& Y. D9 v
本文主要研究空气污染中的
2 x$ w& i2 D' d- D" Z: y+ bPM2.5 与 SO2，NO2，CO，PM10
9 ?, O3 d1 _4 P: J, w# F0 ^1 c- [, a建立一维的反应扩散方程，预测了
市的空气污染状况；接着建立高斯烟羽模型
" Z% I; R3 Y: X5 M& l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
  P2 ^! s1 G% h检验，结果得到模型是合理的
7 ]; B/ X, T# p1 K1 S4 \& r2 f& r问题一主要探讨 PM2.5 与
/ S( g8 q& `6 ^. e3 D$ ?: l9 G% [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
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
通过空气质量分指数时序图和
( l" `: S9 u' X; [5 `# c4 A空分布规律是：PM2.5 浓度随时间的推移呈下降趋势
0 h( ^6 h1 ~  v2 \峰期，随后转入低谷区，13 个分区的变化趋势一致
潭是 PM2.5 浓度较高的两个区域
5 n: A* a  e8 M, l! j1 A& a度较低的区域。接着分区进行污染评估
; ?0 d6 J+ Q- L4 H8 s3 P/ w& ^' ^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
心，PM2.5 的浓度较高，而且持续时间也较长
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
3 g0 ~4 j1 ~: {4 x* d- n' `- 1 -
, i' c; X* m4 }; ?参赛密码
# T6 I! O3 b$ w/ X9 u# V（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
空气中 PM2.5 问题的研究
摘 要：
, d3 ]; G3 z8 ~: J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
PM10，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
接着建立高斯烟羽模型，拟合了持续高浓度 PM2.5
+ L* k% @. K* `( s* N4 I5 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
$ O3 E9 i& p3 ?- [, ^4 M) y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
7 G1 D! A& Q- s+ X9 T/ @8 `结果得到模型是合理的。
与 SO2，NO2，CO，PM10，O3 的相关性和关系
，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
& P( J' T2 ^. M使用线性回归方程分析 PM2.5 与其他污染物的关系
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 = - + + + +
8 x2 g0 l% t; g3 i* r的扩散规律与应急处理。对于第一个子问题，
) Q: p: Q% C' d: Y) B5 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
- S: x% M* b4 i0 U# M9 A浓度随时间的推移呈下降趋势，1 月和 2 月份是浓度的高
9 c3 _8 ]9 z* `个分区的变化趋势一致，而且，高压开关厂和广运
; e: v- b9 \/ H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
6 d! N6 ~( c+ w5 W' A1 e# q5 A" H% 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
6 h; {3 ?3 T9 N4 F( M7 o、纺织厂、曲江文化集团、兴庆小区，这些都是生活
3 q) L/ j' w! V5 G6 t$ S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
在考虑风力、气温、压强的自然条件下，建立一维的反
6 f: n+ P1 g0 h4 R2 ~* F+ `' a/ W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
9 s* z; y$ R$ Y. j, {）
. t5 L8 l" N) e: y  i* I赛赛
首先使用相关分析探讨了
然后通过
6 H) {: `) z3 X2 q- {定量与定性分析了西安
PM2.5 扩散的
# K8 K3 x/ U, F( ], y% l# a最后通过
" K! e% ~$ D7 d( y同时对模型的
8 M; A1 ]% ~2 N% S% r7 @% ~! C# L的相关性和关系。首
1 x; ?; Y8 h- Z4 l呈正相关，且相
PM2.5 还会
& O0 q8 c1 G' z2 H4 x7 }% u" ]  P与其他污染物的关系，
, B- I4 y4 `0 h) X9 }6 G9 Q129.7536 0.5845 0.3854 0.5548 2.2064 PM SO NO PM CO y x x x x
5 _0 {6 H) ?$ R6 F，首先，
PM2.5 的时
月份是浓度的高
高压开关厂和广运
PM2.5 浓
西安市的东南部的空气质量
4 w1 u0 R0 U7 O6 A4 l5 v: C5 \这些都是生活
而广运潭和高压开关厂是城市的两大污染中
这应该是未来治理的重点。
建立一维的反
的发生与演变规- 2 -
. Y8 h7 g5 ~" W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
) Y3 a% K" |, I8 {! b7 h8 Q, B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
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
  L, d$ U8 j2 S3 W5 N/ b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
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
# C! X% e& o% n2 C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；
9 }! S" v) c, a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
' {/ v. E! ?+ Z2 Y  x9 h$ Y& C域，空气质量指数类别为优。
/ V$ L( j" u1 h3 n, b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
" [2 y  W- k- S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
) Q, O1 T7 S5 `2 E' Q: t! f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。
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。
7 X" S& s/ t+ K4 h8 j8 o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
, a' f' ]5 T( l1 {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 T0 B- {9 e3 @+ {7 S! d8 m# i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
4 [$ S4 D2 P6 z' R6 v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。
& q6 S- A$ d8 }! R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
mg m/ 降到 35
" n: l+ x. h4 t% O+ g. U3
% F& \) u5 t+ a7 P, q) q1 |& S+ P7 bmg m/ 的治理计划：逐步提升空气质量指数级别法，总投入经费
+ t& z% j: h8 E# o  q) }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
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+ q: d9 r, e7 ^! K: r, E$ C7 f2 h6 vmg m/ ，五年需
2 n' {' j/ o! H" M$ R' j. ~% A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
8 X4 E! m) @; U, ~6 Z; I了一份治理空气污染的建议。
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