空气中 PM2.5 问题的研究-三峡大学11075008队

杨利霞

空气中 PM2.5 问题的研究-三峡大学11075008队

本文建立了相关性分析模型，灰色关联度模型，混合回归模型，高斯烟羽
模型，分期治理最优化模型等模型，通过定量与定性分析的方法，从相关因素、
& [1 W; Z% c! C& i分布与演变、控制管理三个方面，对 PM2.5 进行了深入的研究与探讨。
针对问题一：
1、以六种污染物为相关量，建立了相关性分析模型。将附件 1 的数据代入
模型中，求得的结果表明：相关性最高的指标组是 PM2.5 和 CO，其相关系数为
0.82，相关性最低的指标组是 NO2和 O3，其相关系数为-0.063，即独立性最强。
$ g* R% P1 d4 b) ?  Z$ M2、以 PM2.5 为参考数列，其它 5 种污染物为比较数列，建立了灰色关联
度分析模型，将附件 1 的数据代入模型中，求得的结果表明：PM2.5 与其它五
种污染物的平均关联度为 0.80，可见相关性较高。以 PM2.5 为因变量，其它
五种污染物为自变量，先后建立多元线性回归模型和混合回归模型，模型结果
表明：混合回归模型更优（相关系数由 0.85 增加为 0.89）。
9 z  ^" q' ?* k; y. S3、利用互联网收集到全国 76 个城市 AQI 的 6 个监测指标和湿度数据，以
PM2.5 为因变量，其它五种污染物为自变量，建立了线性回归模型。将湿度指
0 y2 A7 m% H! i$ f标也考虑为自变量后，回归模型的相关系数得到明显提升（由 0.88 提升到
0.92），表明湿度与 PM2.5 存在较强的相关性。
* m/ ?( s6 a" Y+ ~  s- r针对问题二：
1、通过伽马分布预测出 2013 年西安市 13 个地区 PM2.5 的全部数据，利用
MATLAB 画出了 PM2.5 时空分布图，并得出了三种分布规律。考虑到各地区
“污染程度”为较模糊的概念，因此建立了模糊综合评价模型，对每个地区的
. c* q- T$ E+ z# x$ `6 f2 ?, B污染程度进行了综合评价，模型结果表明：高压开关厂地区污染指数最高
（94.39），阎良区地区污染指数最低(75.27)。
7 c7 T' L. \8 I  S) P- 1 -2、对 PM2.5 受风力影响在大气中扩散的问题，建立了高斯烟羽模型进行
分析。假设风向为正北向，风速为 40 km h/ ，扩散系数σ 为 0.00001，排放源有
$ c) O) N1 g9 Q: P5 Y6 i8 D7 {. A效高度为 50 m ，初始浓度为各监测站点的最高值，对模型进行求解，得到 13
个地区的扩散数据（仅列出高压开关厂地区的上风处扩散数据）：
1 Z- K6 [' Y) y5 L& Z距离（km） 0 2 4 6 8 10 11 12
PM2.5 浓度（ m g/m
- }% G6 q( d. I- x7 x3 S! b3） 1000 850 703 480 292 108 21 0
时间（min） 0 20 36 58 82 106 115 121
' Y, Q* R1 l+ f3、将 PM2.5 污染程度划分为重度污染、中度污染和轻度污染（安全）三
个级别，同样假设风向为正北向，风速为 40 km h/ ，扩散系数σ 为 0.00001，排
放源有效高度为 50 m ，初始浓度为某站点最高值 2 倍，利用高斯烟羽模型求出
  n9 q6 [( c9 N" o0 q( o13 个地区的扩散数据，结合各个地区之间的距离，得到了各地区的污染程度。
5 P9 E; @' a( E7 g3 f& H# F) h以高压开关厂为例，得到结果如下：
轻度污染（安全） 中度污染 重度污染
. ~: L1 M9 I( q" g! D: g  \阎良区 临潼区 广运潭
% F( q8 X$ J7 z纺织城 长安区
市体育馆 曲江文化集团
兴庆小区
其它
, N* ^6 _$ f7 h1 z9 f, O地区
4、利用互联网收集到了福岛第一核电站的放射性物质扩散数据，将放射性
物质与 PM2.5 扩散数据进行对比，发现两者的扩散规律总体一致，从而验证了
: p) o! ~5 W0 H1 i" z% |3 h模型的合理性。利用物质的自身沉降作用和雨水吸附作用对高斯烟羽模型进行
了修正，得到了修正后更为一般性的扩散模型。
! ]  k8 M2 n  j8 M9 C7 ]针对问题三：
1、根据以往空气质量的变化趋势及 PM2.5 当前年平均浓度（280
3
mg m/ )，
预测出在不治理的情况下，五年后 PM2.5 年平均浓度为 324
3
mg m/ 。然后采用
分期治理的思想，将五年的治理时期分为前期、中期和后期。考虑到实际治理
: H; u8 o0 k) J/ Z进度的变化规律与柯西分布函数相似，通过计算机模拟找出了最理想的柯西分
布函数，由此确定了 PM2.5 的分期治理计划：
1 P- R4 T/ e2 B1 ~时期 前期（准备期） 中期（治理期） 后期（稳固期）
* f- \8 Z. c. P  Y3 y: b8 u年次 第一年 第二年 第三年 第四年 第五年
治理量百分比（%） 9.6 32.7 38.8 15.3 3.6
治理量 31.1 105.94 125.71 49.57 11.66
2、以专项治理总费用最小为目标，建立了最优化模型。然后同样采用分期
; B; c( }" C0 b  B治理的思想，利用柯西分析函数对最优化模型进行修正，得到修正后的分期治
理最优化模型。以数据 1 中 PM2.5 年平均浓度（82
3
: d! I- N) T1 ?6 _) w+ Cmg m/ ）为初始浓度，假设
最终治理目标为 30
3
9 n. _* j$ n/ V0 n/ Pmg m/ ，对模型进行求解，得到总费用为 3.38（百万），逐
% o9 Z9 k+ E0 P' T- {: s; O年治理计划如下表：
时期 前期（准备期） 中期（治理期） 后期（稳固期）
年次 第一年 第二年 第三年 第四年 第五年
( d# `6 o* U+ y8 g( N治理量
3
4 R8 M8 Q- ^( z: t; p$ [mg m/ 4.15 13.65 19.1 9.85 3.25
费用（百万元） 0.086 0.932 1.824 0.485 0.053
8 U; b' K3 h8 ~! n! P8 z将模型得到的治理计划与实际环境治理计划进行对比，发现两者的治理进
" Q9 [- ^. b+ D  s: b度变化规律总体一致，从而验证了模型的合理性。
关键字：相关性分析模型 灰色关联度模型 高斯烟羽模型 柯西分布函数

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