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

% V, D% L' L: G0 V; q9 s
/ e* R( m% w1 Z4 q  Z
- n) a( x& T% R& F, w7 D本文主要研究空气污染中的
PM2.5 与 SO2，NO2，CO，PM10
. ]9 Z& V+ ?9 i' }' ~建立一维的反应扩散方程，预测了
5 O0 b5 C% J4 C7 U" j市的空气污染状况；接着建立高斯烟羽模型
9 h) A% w$ \# _& Q9 ~# r( Q情形，预测了污染物扩散的范围
/ ~  W5 A2 {# E6 _3 j2 h( _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
* {8 c2 d7 g  A检验，结果得到模型是合理的
9 A9 |* x2 A2 Q! U问题一主要探讨 PM2.5 与
5 D  O8 ]3 A( P- C7 l+ B先使用相关分析，结果表明，
! g( x# e1 w1 N6 G3 R关性逐步减弱，PM2.5 与 O3 呈负相关
* g2 u) u" l/ S: }" P  ~+ @与季节、降雨有关。然后，使用线性回归方程分析
$ R* O: C. c/ i& x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 = - + + + +
0 e$ W; q, j, l! W: F问题二主要探讨 PM2.5 的扩散规律与应急处理
  _; Y. r, j0 f) r' q8 h$ V通过空气质量分指数时序图和
1 C  U/ I9 h$ w, J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
潭是 PM2.5 浓度较高的两个区域
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、
  t3 b3 P4 k' }: Z) `区或者写字楼，因此污染相对较少
1 M" A, @. C: A1 g6 C% P% D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
( l% k& Y8 j$ [- 1 -
参赛密码
& @: b1 q/ q+ u* n% ?; W' b（由组委会填写）
% u3 U! _$ Q  L( ^( {. \( K- y杯杯全全国国研研究究生生数数学学建建模模竞竞赛赛
# l( V1 w7 b6 Z; K8 k5 _( f空气中 PM2.5 问题的研究
摘 要：
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
1 G! y% I" P, \& e$ ?; EPM10，O3 的相关性，并建立了回归方程；然后通过
" H* q: I3 d& k6 b! U2 @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
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
- R! b- O. i/ k" \8 N6 `5 D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
: C0 H$ J3 ^# Y3 T9 D% ]& [3 ~结果得到模型是合理的。
与 SO2，NO2，CO，PM10，O3 的相关性和关系
) U& F  p/ Z% H* ^( D7 F，PM2.5 与 PM10，CO，SO2，NO2 呈正相关
, s$ O- x5 M! N4 ^* T: c呈负相关，同时通过相关资料，发现了 PM2.5
6 O: [) \8 ?+ l$ V/ n3 I$ ?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 = - + + + +
! ^! ~$ A/ q9 ?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
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
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
' K6 u, n: F7 H3 I、纺织厂、曲江文化集团、兴庆小区，这些都是生活
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
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
% n. j, U' \: Z3 J. j% F7 b）
赛赛
' c# A' d( [. M+ r+ ~. a首先使用相关分析探讨了
然后通过
& Y+ D: q* v! W% E2 }# c7 I定量与定性分析了西安
PM2.5 扩散的
最后通过
同时对模型的
% o' r& a. H' u, V的相关性和关系。首
: B# j0 y  x$ ]- Q; |& Q呈正相关，且相
PM2.5 还会
与其他污染物的关系，
/ F7 E" S2 y, Y" m( @3 F: I( o129.7536 0.5845 0.3854 0.5548 2.2064 PM SO NO PM CO y x x x x
，首先，
PM2.5 的时
月份是浓度的高
+ R3 M) d6 `, {! _4 C高压开关厂和广运
* q5 M% @, t) K& u- S' Y8 uPM2.5 浓
西安市的东南部的空气质量
$ y" V" g+ E' ]$ x7 T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
0 W  B6 M* j5 J) X8 _* N  k这应该是未来治理的重点。
8 _8 t+ V" y7 e% b# i& k建立一维的反
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
6 q$ M1 b( _- b2 @' b4 ]" Z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
5 }) [1 T, \$ q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
/ e8 V7 m4 n& i1 R/ N( c6 r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
% e" }0 G% V" R: u' P; }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；
: H% @* z1 W' C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
7 N- C& k7 |; v9 H+ F! ^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
- Z7 k8 @+ w! m  Q7 D3 g; d9 `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。
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
* c; ~; h0 @9 r于安全地带。
7 v; d( G# U( `/ k8 T( x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
: O9 b+ b! q8 L3 r3 @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
# K! K% n; |# V4 v  m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
" N  J, Z7 R, A1 n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
2 I7 V8 ]* v$ v  Y; t$ t8 [地区一般 5 天左右可以将污染物的浓度降至无危害水平。
  d- ]: f  l" t! ^/ ]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
6 \6 L- T1 Z# h' }0 O3
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
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
, P  C: y+ E3 Ymg m/ ，五年需
& C4 h5 T5 A& e# A" F( Q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
! N% x7 r1 X/ e1 s了一份治理空气污染的建议。