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

9 y* W  }, t& q" t; X本文主要研究空气污染中的
$ s* Z- ]. B7 zPM2.5 与 SO2，NO2，CO，PM10
' q* o3 T# k4 Q; N- k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
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
, l0 e& n% T* v0 i: p4 Q检验，结果得到模型是合理的
问题一主要探讨 PM2.5 与
. f2 A- ~0 V8 N& X; x) A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
1 V9 ^1 K) k9 ^7 W( i2.5 10 129.7536 0.5845 0.3854 0.5548 2.2064 PM SO NO PM CO y x x x x = - + + + +
8 ^5 H/ |; x4 b- ^! @  X问题二主要探讨 PM2.5 的扩散规律与应急处理
% r0 C0 @# a" y. q! e: a3 x* |通过空气质量分指数时序图和
5 Z" J$ [' r" g: G& q2 ]5 D. M/ A/ R空分布规律是：PM2.5 浓度随时间的推移呈下降趋势
. D0 F7 U4 g- g' M) {6 q$ H- O峰期，随后转入低谷区，13 个分区的变化趋势一致
/ e$ A5 z/ N& |( |) S: a* G, o: Q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
* H9 w# p8 E9 ~) W  z4 k4 K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
7 q# a4 o5 o2 M! s应扩散方程，研究下风向方向的
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2 X2 Y, K  x. E) e: }1 M+ x（由组委会填写）
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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
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
. m" O: d6 C. R5 o) J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
& }" h+ U+ h% A+ u$ i( E, G6 H6 g6 g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。
* D* P: S8 D: h. q与 SO2，NO2，CO，PM10，O3 的相关性和关系
$ [; A+ r" a6 W& Z% U; `. h，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
3 I( F; R- N. _1 G4 [0 Z. _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 = - + + + +
的扩散规律与应急处理。对于第一个子问题，
3 m1 `+ ^- U2 h/ l0 i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
. L- U# [* }& E$ g浓度随时间的推移呈下降趋势，1 月和 2 月份是浓度的高
8 A2 T% t3 B# X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
, X; _0 ~5 r/ B5 N6 e0 g2 C* 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
: P1 [4 G- |+ M5 P; }. ~" C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
0 D, f. |1 [- l  k# @* H）
赛赛
首先使用相关分析探讨了
然后通过
$ c, ~7 y0 ~$ X. \9 W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
; o6 k9 S: J/ `0 @, `/ h  G1 C5 O呈正相关，且相
PM2.5 还会
与其他污染物的关系，
% Y3 z. X; Y4 v7 h; S! q129.7536 0.5845 0.3854 0.5548 2.2064 PM SO NO PM CO y x x x x
# n! P8 p5 x+ _5 l- b  W，首先，
PM2.5 的时
0 I! W- L$ C" E6 J  C# t月份是浓度的高
高压开关厂和广运
2 X5 Z- Y& h) DPM2.5 浓
2 E% u. y/ |: n' U$ H! ^* H西安市的东南部的空气质量
) x4 s7 d! ^( U" ]这些都是生活
' G$ g3 j( |0 i* b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 -
/ p7 g' X, r, m# ?: S. l  N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
8 m1 Q+ K& w! a7 x8 H( c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
" s* l, n$ N7 O- 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
$ o! c% N1 U& P  D4 ~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
/ d6 o# V. U7 Q/ C& T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；
/ A; N( K# c  V  D& G1 I3 s. e% k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
域，空气质量指数类别为优。
3 G8 c9 B7 T; z# p5 h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
* J: v' U, U8 ~7 U$ [0 W10 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
  ~$ X, R) g) J/ V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
0 C' f% \2 t0 H! _# \5 b, h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。
% g$ T2 h) r0 R  Y* 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
* K- }6 r3 c2 b7 C6 t于安全地带。
7 ~; L3 y# \% v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
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
) y+ u; `# L. 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
地区一般 5 天左右可以将污染物的浓度降至无危害水平。
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
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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
+ ?9 M+ _  p" J( @- T) x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
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
+ s) T3 i, k# d) [, g* F了一份治理空气污染的建议。
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