空气中 PM2.5 问题的研究1

杨利霞

空气中 PM2.5 问题的研究1

3 U$ A) t5 W/ i$ b. ?
, n; V% W3 l& _: P6 |" W5 M# S' o
本文主要研究空气污染中的
/ W- F/ p% ~2 p8 a/ ~7 j- K( jPM2.5 与 SO2，NO2，CO，PM10
: F0 G: I: H" L& A4 _建立一维的反应扩散方程，预测了
' W% U% |7 [) H/ R市的空气污染状况；接着建立高斯烟羽模型
" B/ i; U. ?4 |* I: D! _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
检验，结果得到模型是合理的
问题一主要探讨 PM2.5 与
$ s; v2 G5 p  q* ^% e先使用相关分析，结果表明，
  e2 q2 ~. Y: j1 b关性逐步减弱，PM2.5 与 O3 呈负相关
: m" R( E- R) f6 u, l与季节、降雨有关。然后，使用线性回归方程分析
& M  r' k, X' s  Z/ _* f) r" K3 G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
, V* k, n" J4 e- N3 O2 Z7 K通过空气质量分指数时序图和
空分布规律是：PM2.5 浓度随时间的推移呈下降趋势
& ~% ]% T$ a4 ?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
, a+ D, P/ i1 T' w) b( n度较低的区域。接着分区进行污染评估
  B# O, B  y3 D8 T$ J- Y3 ]8 }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
: F+ Q( ?7 W/ s3 T( _6 J$ e4 a心，PM2.5 的浓度较高，而且持续时间也较长
" [! e" ?1 j5 u% l对于第二个子问题，在考虑风力
# ]! Q. h5 A) v应扩散方程，研究下风向方向的
- 1 -
参赛密码
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空气中 PM2.5 问题的研究
, v# |! P4 u1 [摘 要：
0 i- y  `3 l7 {% o( T) v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
, g5 Y# V5 X! F0 MPM10，O3 的相关性，并建立了回归方程；然后通过
0 h6 S* B" N* w# _0 {3 U1 K6 W9 Y' H预测了 PM2.5 的浓度变化，定量与定性分析了西安
: o6 B; }6 r# Z! h0 Y8 ]( V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
+ b; S1 c, X9 p  q  F; |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
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
$ E/ T% m0 |5 T! b. M0 L7 K呈负相关，同时通过相关资料，发现了 PM2.5
% l& ~# [) `  z) T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 = - + + + +
) n; A9 D" z! A- R, C3 L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
、纺织厂、曲江文化集团、兴庆小区，这些都是生活
) g2 g3 w9 I2 Y3 E' B; t5 f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
3 ^) P' t& m+ B- {$ j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
; X9 S+ F0 z# ~  E* q& 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 l- o- N& e6 j& s）
$ V% M  b1 i7 l# P8 b赛赛
7 K$ A! h  M4 D" k- ^首先使用相关分析探讨了
然后通过
/ o2 n+ o4 R7 I, n) a' j# h3 \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
的相关性和关系。首
# C' G5 H  U( t; y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，
, v9 n1 i7 H  Y+ l7 uPM2.5 的时
月份是浓度的高
高压开关厂和广运
PM2.5 浓
: P9 l* X% }$ g6 u8 U8 c# L西安市的东南部的空气质量
+ h8 u$ Q( e3 J! x) |' F7 V6 |' q7 N这些都是生活
7 T( F0 f* ~; X: i. d3 y6 c4 Y1 E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。
" K! [2 ]4 T. u( R3 C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
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
$ _$ x0 ]0 O9 |/ 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
4 t7 w7 J' ~- E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
8 z6 j9 I- i) M$ i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
5 W' b; X( {# J+ k" i: X域，空气质量指数类别为优。
  O$ m( n+ T* \5 g) s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
5 H/ \1 l  m' \& o# K8 X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。
% @* t! ~/ ~' u1 a& X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
5 s0 F. i& H5 b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
+ I! F" X$ u# U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
8 E$ M0 I% C; ]( _& v+ j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。
( _( Q- ]9 K0 G" r' B" z, B6 x) |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
! V+ ^- I( V; p' B- L% F3
/ A$ d' W1 m5 ]1 [6 Hmg 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
; U/ h' f9 X& w% O8 x9 q5 w6 Z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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mg m/ ，五年需
! W  W$ Y. ]/ V/ h2 D9 s2 X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
, G8 F2 V: V  m9 t. G; H& O了一份治理空气污染的建议。
! K2 \) D4 d$ v: P9 H  U0 ^

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