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

8 {( I6 Z2 s. G; G% |; i  `
9 f- o0 S. @6 S4 B+ O5 t, v' P
本文主要研究空气污染中的
6 @* j6 a& f% t9 k$ Z' YPM2.5 与 SO2，NO2，CO，PM10
建立一维的反应扩散方程，预测了
% l) `& |6 Z) R0 o6 K  z市的空气污染状况；接着建立高斯烟羽模型
. R: E9 X. ^0 u5 V! B& w情形，预测了污染物扩散的范围
+ y2 S$ e: f0 U' d0 F$ Y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 p1 T) I4 Y+ J7 e, C检验，结果得到模型是合理的
) a9 k1 g3 _' B$ e8 f! z$ Q+ v问题一主要探讨 PM2.5 与
4 f( t. i/ P4 E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
: o, Y0 i+ [$ I- ^8 D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 = - + + + +
! a: j7 k* v3 _) g1 J. Q( {1 w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
5 W' ~# i7 X0 |( M- V8 C9 ^空分布规律是：PM2.5 浓度随时间的推移呈下降趋势
. W1 N9 D! M4 q4 {! [1 e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
" J. U. B5 @0 |9 Y: S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
7 A: E- Q. G) i( p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 n: f% e* Z$ R7 b应扩散方程，研究下风向方向的
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* ^% J/ [& [/ f' r- z5 ?- q杯杯全全国国研研究究生生数数学学建建模模竞竞赛赛
, X0 j5 F( ?, I7 ^7 O" r$ |% T# S空气中 PM2.5 问题的研究
4 m) s. e( l2 P' u5 v5 @5 W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
. F! h! g5 f0 z: x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
. X& R: U2 \& q) T( 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
呈负相关，同时通过相关资料，发现了 PM2.5
2 Q+ k5 Y. n0 \# L  o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，
; E' ^5 c  a0 e, a* x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
* ?- m: M$ {+ }: e0 T* I, g+ C浓度随时间的推移呈下降趋势，1 月和 2 月份是浓度的高
1 m' j4 {4 C: R个分区的变化趋势一致，而且，高压开关厂和广运
" d* a! h! x6 |( s* e. d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
, u% _+ j, j& w  H5 B  r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
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
4 K; _1 H1 [9 B- u/ Y+ H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
/ c/ K/ a6 o7 h+ F" A）
$ g9 D0 E0 k- Y9 N+ ]" \' y赛赛
首先使用相关分析探讨了
然后通过
5 x$ v* X* f4 U! L( D2 O: u5 ~' m定量与定性分析了西安
PM2.5 扩散的
+ c, O% d) q* f) M9 c7 i最后通过
同时对模型的
# h) @" S. o" y. I7 X的相关性和关系。首
: t$ S! j: E7 _2 _0 ~9 I呈正相关，且相
PM2.5 还会
: Q2 m9 }4 d7 z; f* Q3 ^与其他污染物的关系，
9 v$ ?" O! z) r4 I$ ?: O% D129.7536 0.5845 0.3854 0.5548 2.2064 PM SO NO PM CO y x x x x
# d& N5 T! t0 a( f9 T，首先，
PM2.5 的时
4 R  [" w  e2 e$ O% @6 t" x% @' I月份是浓度的高
高压开关厂和广运
$ d8 n$ e2 t3 C, p; G# C0 DPM2.5 浓
西安市的东南部的空气质量
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
& h) b, u, F& o8 u这应该是未来治理的重点。
0 n) J' F, T0 S: }: {1 {建立一维的反
  G2 |# R. T7 q% f6 I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
% l% j6 ]% Y9 i! V! }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
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
( R# `. B% |' g# U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
( X, q  l+ e5 `* I5 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；
) b% m( O% Q3 |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
0 f! A3 i- H! @0 X1 z. `! m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
2 d4 W2 n$ q" f4 E% HPM2.5 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
& `! z1 Q( T: L7 `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
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
  C! ]8 P/ U1 Z7 N  a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  J* T9 @  I: `1 @1 f' @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
! |- a3 x7 r- j: G6 X% P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
; _' F+ _9 J( Y$ nmg m/ 降到 35
3
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
: }: e  g# i) N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
$ f3 X8 i0 K. z  B; F& L/ u$ u( w+ \% v法所需经费最少，该方案是：每年使 PM2.5 的浓度平均下降 49
) w; w, f' |, t) ?( j/ d3
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
了一份治理空气污染的建议。
1 F* U' ^, m1 ~4 v1 C
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