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

! \/ W# p: b+ ?, g
: t) n) h, g* j) c* v2 @$ B
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
, a4 t$ _/ j3 C! y) v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
7 u" ^- |) B5 C& D# [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 S5 h! D5 m( ?# X检验，结果得到模型是合理的
4 F. }; }; v9 U+ J/ ]问题一主要探讨 PM2.5 与
0 }$ }9 i/ Q0 \1 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
* V# m* Y  Y0 h' L: a( ^2 \与季节、降雨有关。然后，使用线性回归方程分析
) I$ P' Q, I4 }( v结果得到
3 H0 j$ k1 \# n2 t9 j8 ^$ x2.5 10 129.7536 0.5845 0.3854 0.5548 2.2064 PM SO NO PM CO y x x x x = - + + + +
/ N/ T" Q& T% d! D# _3 n5 B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
% B& _" S, g9 k" @- o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
2 I4 {, Q2 n- r9 R4 H潭是 PM2.5 浓度较高的两个区域
8 z4 r$ g( C, r& x, ~+ b  q& j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、
- C& l/ `9 f  a. B区或者写字楼，因此污染相对较少
# D, a+ h1 J3 ^0 v  M3 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
8 Q& j5 v9 H* @' T- 1 -
参赛密码
; i( q) C/ f5 X# `3 Q（由组委会填写）
杯杯全全国国研研究究生生数数学学建建模模竞竞赛赛
: e- T2 x  T/ E% @. B3 ~& |空气中 PM2.5 问题的研究
摘 要：
0 ^+ ]- p* z% B2 n7 d' k  n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
$ M$ \, i" @2 a& i) w  L$ ~% k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
: ]' C9 ~4 L, N. `' R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
  H2 Q4 ~. X7 \! K，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
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，
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
' t% Z, N) s+ i9 \) z' E3 H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
7 N9 n$ O9 D9 ~; b+ s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
) b5 o6 E: G8 }& c9 s: N: E、纺织厂、曲江文化集团、兴庆小区，这些都是生活
' I4 k1 {8 L8 I$ R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
& l: k. u8 ^& a2 u: V; L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
）
赛赛
! Y& M# m" r0 z首先使用相关分析探讨了
然后通过
# N1 k7 u8 A; k6 u) a& K" O定量与定性分析了西安
# N% h6 b& D8 j8 T- f/ c+ o# aPM2.5 扩散的
最后通过
; o) ]3 ^+ {! |+ l7 B+ `同时对模型的
, I) [1 i8 [' ^; I. e! Q5 Q8 ~/ H的相关性和关系。首
呈正相关，且相
PM2.5 还会
与其他污染物的关系，
  Z& c" u+ }+ ^7 P129.7536 0.5845 0.3854 0.5548 2.2064 PM SO NO PM CO y x x x x
，首先，
+ g3 z" ]; o' l% ]1 E# ePM2.5 的时
4 s6 `$ W: X/ w& L月份是浓度的高
) ^: y; }# ]; X- ]0 z高压开关厂和广运
) A" X7 \( V3 A2 u0 l4 KPM2.5 浓
西安市的东南部的空气质量
6 c; ]( F# W. G8 h2 L这些都是生活
: @( e6 R: _% ^$ A而广运潭和高压开关厂是城市的两大污染中
, a' n& h9 _9 ?& d# K7 ?这应该是未来治理的重点。
建立一维的反
- r2 I) {' V! f的发生与演变规- 2 -
8 {& k1 ]4 s( d5 J/ ~2 v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
- A( n8 A! |% f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
/ T2 n; j* F2 k# m* H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
/ Z$ ]+ A% J& Q/ Z( l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
域，空气质量指数类别为优。
. Z$ H! A( |" }1 a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
( {4 Q% S  C, Y& UPM2.5 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
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
7 w. R1 v2 e8 e$ W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
  |; }, }' J2 k2 P- I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
3 w& K& `; V1 n8 r/ e0 T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
3 y% e8 t$ Z7 Z! y2 y1 V. g) B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
3 J5 [6 F( C+ ^) G2 ]# G地区一般 5 天左右可以将污染物的浓度降至无危害水平。
" m' t! {6 T4 d/ G0 ~. v: E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
4 k8 m: N3 r, h% M* V" v) P3
4 R+ A8 e4 C- G* t% `6 \. i* I& @6 g% amg m/ 的治理计划：逐步提升空气质量指数级别法，总投入经费
- c! f9 V3 _5 v( ?  Y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
) x- J7 ]( _. q" F# h3
/ J* ~3 c; i1 w  T# u- emg m/ ，五年需
* c: I5 F, g% N6 s" h+ @5 k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
. I# x! z- w' z: M* U( u$ q- N了一份治理空气污染的建议。
2 m1 Y# _' ?. \
; M$ Y0 p2 Z$ r$ F