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

/ b( P6 N1 d; M: |1 S( j

4 V* [5 C/ R$ ^0 ~本文主要研究空气污染中的
PM2.5 与 SO2，NO2，CO，PM10
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
9 c. O3 u: g% w* U: O( F7 g8 L情形，预测了污染物扩散的范围
9 Y. ^7 M( v! l) B" |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
/ P/ }2 I$ D" R% ^检验，结果得到模型是合理的
问题一主要探讨 PM2.5 与
先使用相关分析，结果表明，
- q1 X4 z' B5 Y; R  }; S2 }关性逐步减弱，PM2.5 与 O3 呈负相关
/ R( ]. e& [% E) O5 r$ Q: x) p与季节、降雨有关。然后，使用线性回归方程分析
- E5 f! [; [+ r! T  H) j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 = - + + + +
( ]$ ], r' r: d8 ~4 |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
. Z% S) E6 f/ ]# A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
7 v1 }2 f+ r4 E5 _, ?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
4 i2 _. R' W+ |$ K' c7 t% N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
- 1 -
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5 t" ^% v& k0 Z2 w5 c$ u1 P7 I% I0 s& o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
6 t/ l8 Q; p4 g+ d9 f. @! M* rPM10，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
. z5 I, a8 w. j/ W. r. B' n接着建立高斯烟羽模型，拟合了持续高浓度 PM2.5
( C8 h5 h* m0 V2 E' ]5 O7 [* z$ W/ i' d/ D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
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
9 s4 A  Q# o  `7 ~结果得到模型是合理的。
与 SO2，NO2，CO，PM10，O3 的相关性和关系
9 \5 a2 }, X, C, S0 `* ~，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
使用线性回归方程分析 PM2.5 与其他污染物的关系
8 ]; K! O9 f4 Z0 N2 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，
2 N, d' q( e% D  d. T6 S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
# v8 O6 v5 `( z2 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
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
% \% b5 q( |8 @7 {0 _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
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
* z+ _6 x' v- H7 q. P9 }& n; }0 j. s）
% c+ f% x+ e; N' ?0 |1 ^赛赛
1 G  ~6 o0 ]4 S* E首先使用相关分析探讨了
+ N9 B5 N' a% J6 A7 ], ^然后通过
定量与定性分析了西安
PM2.5 扩散的
+ N4 ^& R, K: a% c8 ^最后通过
2 B5 I; }$ G  w; v/ H0 s同时对模型的
的相关性和关系。首
. u) n' U8 R: ~; {/ \呈正相关，且相
9 B0 `# p* x  `9 T' RPM2.5 还会
8 O& a1 J, @& t* G. n: }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
$ I0 Y1 r' m2 i. `  Y! L7 W，首先，
PM2.5 的时
0 }: ?8 d! H# P6 [; L5 ?6 G月份是浓度的高
高压开关厂和广运
, s0 {, l/ j6 E  d7 PPM2.5 浓
2 c7 C7 u* a. j西安市的东南部的空气质量
% g, p+ @( H2 j/ P$ }; b2 S这些都是生活
2 ~# f; p  ^/ X4 b% X/ c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。
8 k8 v/ G( D& N" I建立一维的反
的发生与演变规- 2 -
+ h, {; j% g9 {' i$ c+ q% L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
& D$ I: W; D" x8 \' l+ O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
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
% A9 t8 R  `; P0 i' N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；
) t0 n+ c8 Y3 u/ D- q& ]  P& H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。
5 b& y+ _" m6 i( U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
* \+ E2 |% R6 _' a% S10 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
8 N$ G9 M) ?# H0 i: C& r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
8 g3 c8 n( r5 R, ]# M9 s& c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。
+ v- D4 M& h* ?' _" n" i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
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
# {: T$ C* v1 X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
3 s. ^' G; Y! a# Y& s/ `; Z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。
8 X1 [! r: B' b, q8 t8 L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/ h0 A- @4 u6 F) R- t( [mg m/ 降到 35
/ D- r/ q9 K5 [- ?7 |( B3
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
mg m/ ，五年需
9 s) Y. [4 Q/ V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。
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