平顶山市空气质量评价与预测

1、平顶山学院第四届大学生数学建模竞赛2011 年5月15 日5月30 日参赛编号_ (报名时自动产生的队号) 队员1队员2队员3姓名刘豪刘佳黄文涛学号101530409101530446101530401分院软件学院软件学院软件学院专业软件工程（网络工程师）软件工程（网络工程师）软件工程（网络工程师）年级班级10级软工三班10级软工三班10级软工三班联系电话187495708071874966899318749670606email47564399461958645413346271942011平顶山学院第四届大学生数学建模竞赛承 诺 书我们仔细阅读了平顶山学院大学生数学建模竞赛的竞赛规则.我们

2、完全明白，在竞赛开始后参赛队员不能以任何方式（包括电话、电子邮件、网上咨询等）与队外的任何人（包括指导教师）研究、讨论与赛题有关的问题。我们知道，抄袭别人的成果是违反竞赛规则的, 如果引用别人的成果或其他公开的资料（包括网上查到的资料），必须按照规定的参考文献的表述方式在正文引用处和参考文献中明确列出。我们郑重承诺，严格遵守竞赛规则，以保证竞赛的公正、公平性。如有违反竞赛规则的行为，我们将受到严肃处理。我们的参赛报名号为 所属分院（若属不同分院要按照队员编号次序分别填写）： 软件学院 参赛队员 (打印并签名) ：1. 刘 豪 2. 刘 佳 3. 黄文涛 日期 ：2011年 5 月 28 日平顶

3、山市空气质量评价与预测摘要：本文对河南省平顶山市近几年的空气质量详细列表进行科学分析，利用层次分析法和曲线拟合等数学建模方法对其空气质量进行评价与预测，综合考虑各种因素建立如下数学模型：一、对平顶山市空气质量进行评价。本文通过对平顶山市最近十年影响空气质量的因素进行统计，如首要污染物、可吸入性颗粒物以及污染指数、空气质量级别等进行统计。利用Quadratic Fit软件进行曲线拟合对数据进行处理，根据数据处理结果对平顶山市的空气质量进行评价。二、对2011-2020年空气质量进行预测。因为影响空气质量的因素主要是，工业废气，汽车尾气，以及居民日常生活产生的废气。用excel统计出平顶山市近几年

4、的工业发展情况，汽车数量变化情况，以及居民采暖房方式等数据。运用综合分析法预测未来几年各项指标的变化情况。根据分析结果来预测未来几年平顶山市的空气质量。关键词：空气质量等级、曲线拟合、综合分析法一、 问题提出1.1背景介绍平顶山市是中国重要的能源与化工城市，其工业化与城市化的快速发展对城市环境产生了重要影响。由于热电、煤化工等行业的发展，以及汽车数量的不断膨胀。至使城市的空气不可避免的受到污染，近年来，市委市政府立足资源型城市可持续发展战略，努力创建国家园林城市，国家卫生城市，国家森林城市，都对改善市区空气质量提出了更高的要求。1.2 需要解决的问题（1）。根据平顶山最近几年影响空气质量的因素

5、的进行统计分析，对平顶山的空气质量做出评价。（2）。建立综合分析模型，对平顶山20112020年的空气质量进行预测。 二基本假设2.1.根据空气污染指数（）来划分为个等级质量级别级级1级2级1级2级级状况优良轻微污染轻度污染中度污染中度重污染重度污染AP I指数05051100101150151200201250251300301500图1-122数据取自国家统计局，和平顶山气象局，具有真实可靠使用价值三问题的分析第一评价分析。I指数评价制度具有较大的局限性，其主要原因是API空气质量分级制具有跨度较大的特点，举例来说，以可吸入颗粒物或二氧化硫为最大污染物计算，API数值51到100都属于二级

6、,对应的日均浓度值是51到150微克/立方米。这种分级制度对观测数据进行了较大幅度的简化，分级制的数据较为简洁，而且能直观的反映出城市空气污染程度的变化，再配合对最近几年主要污染物的浓度的变化分析，就能够对空气质量进行比较准确合理的分析。第二 预测分析。 大气污染源就是大气污染物的来源，主要有以下三个： （1）工业：工业是大气污染的一个重要来源。工业排放到大气中的污染物种类繁多，性质复杂，我们通过对未来平顶山市的工业发展的趋向和行业的种类进行调查研究，从而判断来自工业的空气污染物的变化趋势。 （2）居民生活炉灶与采暖锅炉：城市中大量民用生活炉灶和采暖锅炉需要消耗大量煤炭，煤炭在燃烧过程中要释放

7、大量有害物质污染大气。特别是在冬季采暖时，这也是一种不容忽视的污染源。但由于科技的发展，居民做饭和取暖的方式正在发生转变，我们通过对方式转变的分析，来预测来自居民日常生活的空气污染物的变化趋势。 （3）交通运输：汽车会是城市去的主要运输工具，它们烧汽油或柴油产生的废气也是重要的污染物。特别是城市中的汽车，量大而集中，排放的污染物，对城市的空气污染很严重，成为大城市空气的主要污染源之一。我们将通过对未来几年平顶山市的汽车数量的变化情况进行分析，由此来预测来自汽车尾气的空气污染物的变化趋势。最后：综合以上各种因素，采用综合分析法对未来几年的空气质量进行预测。四模型的建立与求解一：建立数学模型，运用

8、曲线拟合的方法，对平顶山市的空气质量进行分析1. 对最近几年，、等污染物浓度的分析（曲线拟合）如图1-2为我国各项污染物的浓度限制。图1-2图1-3为2000-2009年各污染物的平均浓度年份 污染物 2000年0.0130.0450.3982001年0.0400.0400.2762002年0.0540.0420.1912003年0.0650.0420.1542004年0.0700.0490.1742005年0.0670.0430.1482006年0.0580.0450.1422007年0.0740.0500.1162008年0.0550.0510.0972009年0.0450.0460.09

9、6图1-3对各污染物的浓度进行曲线拟合，如下所示：图1-4 浓度的拟合曲线 图1-5 浓度的拟合曲线图1-6 浓度的拟合曲线对污染物的直接评价，离不开标准。评价标准选用我国空气质量评价标准GB3096-19963-1根据我国我国空气质量评价标准GB3096-1996，对各污染物浓变化对空气质量进行分析 如图1-4所示：浓度在2000年最低为0.015，为一级标准，从2000-2004年浓度明显上升，从一级标准降为二级标准，空气中的明显上升，从2004-2009年，浓度有明显的下降趋势。如图清晰的反映这一变化过程。如图1-5所示：浓度从2000-2009年持续上升浓度一直维持在0.04以上。如图

10、1-6所示：浓度在2000-2002，持续下降，但一直维持在三级标准一下，从2002-2005年继续下降，但标准为二级。进入2006年一直到2009年，曲线趋于平稳，浓度维持在一个平稳的状态，但标准仍为二级。2.对最近几年空气质量指数,和污染系数的分析研究（坐标分析）月份优良天数（天/月）月优良率Jan-05722.58%Feb-052382.14%Mar-051651.61%Apr-05723.33%May-051135.48%Jun-051756.67%Jul-052683.87%Aug-052787.10%Sep-051550.50%Oct-052580.65%Nov-052686.67

11、%Dec-052683.87%Jan-061961.29%Feb-062382.14%Mar-062580.65%Apr-062790.00%May-062787.10%Jun-062170.00%Jul-062374.19%Aug-062890.32%Sep-062170.00%Oct-061961.29%Nov-062374.19%Dec-061032.25%Jan-071754.84%Feb-072270.10%Mar-072374.19%Apr-072583.87%May-072890.32%Jun-072697.00%Jul-0731100.00%Aug-0731100.00%Sep

12、-0730100.00%Oct-0730100.00%Nov-072883.33%Dec-071636.67%Jan-082477.42%Feb-082796.30%Mar-083096.77%Apr-082996.67%May-083096.67%Jun-082996.67%Jul-0830100.00%Aug-0831100.00%Sep-0830100.00%Oct-083096.67%Nov-082893.33%Dec-081651.61%Jan-092683.87%Feb-092692.86%Mar-093096.67%Apr-092893.33%May-093096.67%Jun-

13、092893.33%Jul-093096.67%Aug-093096.67%Sep-092686.67%Oct-092580.65%Nov-092686.67%Dec-092683.87%Jan-101651.61%Feb-102485.71%Mar-102683.87%Apr-102893.33%May-1031100.00%Jun-102996.67%Jul-103096.67%Aug-102993.55%Sep-1030100.00%Oct-102787.10%Nov-102996.67%Dec-102374.19%Jan-112787.10%Feb-112175.00%Mar-1130

14、96.67%Apr-112996.67%May-112993.55%图1-7优良天数月份05年优良天数分析表月份优良天数06年优良天数分析表优良天数月份07年优良天数分析表优良天数月份08年优良天数分析表优良天数月份09年优良天数分析表月份优良天数10年优良天数分析表（横坐标为六年的月份连续变化值）六年优良天数综合分析表根据图1-7绘制了每年每月的优良天数分析表，并最后做出综合表。 根据五年来的，每月空气质量优良的天数结合综合表，分析可知每年的，10月到次年3月空气质量有两的天数明显低于4月到9月。分析其原因，因为平顶山地区为北方每年10月到次年3月为冬季，和冬季取暖增加有关, 而且冬季大气层

15、相对比较稳定, 不利于污染物的稀释扩散; 夏季污染物浓度低, 主要是因为夏季大气稳定度差, 污染物容易稀释扩散, 同时夏季降雨偏多, 也有利于污染物的沉降。3.用综合分析法根据数据统计结果，对空气质量进行分析，最后给出评价结论：2000-2004年平顶山市环境空气质量污染类型表现为典型的“煤烟型”污染特征,首要污染物为可吸入性颗粒和二氧化硫。与2005-2009年相比,主要污染物为二氧化硫、可吸入颗粒物、二氧化氮年均质量浓度均有大幅度下降;处于轻度污染的天数明显较少,良好天数明显增加;平顶山城市环境空气质量有明显改善。但采暖期污染仍很严重。二。空气质量预测（综合分析法） 大气污染源就是大气污染

16、物的来源，主要有以下三个： （1）工业：工业是大气污染的一个重要来源。工业排放到大气中的污染物种类繁多，性质复杂，有烟尘、硫的氧化物、氮的氧化物、有机化合物、卤化物、碳化合物等。其中有的是烟尘，有的是气体。 （2）生活炉灶与采暖锅炉：城市中大量民用生活炉灶和采暖锅炉需要消耗大量煤炭，煤炭在燃烧过程中要释放大量的灰尘、二氧化硫、二氧化碳、一氧化碳等有害物质污染大气。特别是在冬季采暖时，往往使污染地区烟雾弥漫，呛得人咳嗽，这也是一种不容忽视的污染源。 （3）交通运输：汽车会是城市去的主要运输工具，它们烧汽油或柴油产生的废气也是重要的污染物。特别是城市中的汽车，量大而集中，排放的污染物，对城市的空气

17、污染很严重，成为大城市空气的主要污染源之一。汽车排放的废气主要有一氧化碳、二氧化硫、氮氧化物和碳氢化合物等，前三种物质危害性很大下面将分别对各个因素进行分析：1工业发展分析（1）表1：平顶山市工业生产、能耗增长变化情况表年份规模以上工业其中:高耗能行业其中:低耗能行业生产指数能耗指数弹性系数生产指数能耗指数弹性系数生产指数能耗指数弹性系数2005年123.6121.6 0.98 123.8 124.5 1.01 122.8 104.1 0.85 2006年123.4117.1 0.95 118.8 117.7 0.99 141.1 113.5 0.80 2007年123.5112.4 0.91

18、 123.5 113.0 0.92 123.6 108.6 0.88 2008年119.8107.8 0.90 118.3 111.4 0.94 125.4 85.2 0.68 2009年1季度106.397.5 0.92 103.4 99.2 0.96 115.7 83.7 0.72 2009年2季度109.297.4 0.89 106.1 98.7 0.93 117.1 87.3 0.75 图2-1（横坐标为2005-2009年，如1代表05年）说明：系列1 为规模以上工业能耗指数 系列2 为其中:高耗能行业能耗指数 系列3 为其中:低耗能行业能耗指数（2）根据图2-1对未来几年平顶山工业

19、趋势进行分析如下：从2005年以来，平顶山市规模以上工业企业连续3年高速增长，业增加值增长速度保持在23%以上；2008年，受金融危机影响，工发展速度开始放缓，达到19.8%；2009年在金融危机的持续影响下工业经济更是迅速回落，上半年发展速度跌至个位数，只有9.2%。 “十一五”以来，平顶山市通过淘汰落后产能，关停小火电，小炼钢，小水泥工作卓有成效；通过煤炭资源整合，引进大火电化工、大水泥不断扩大产能。由于这些行业的推动，预计平顶山未来几年工业发展平稳增加，但是在发展过程中能源消费结构逐步优化，清洁能源使用比重有所提高。虽然工业的发展从一定程度上预示空气污染物的增加，但是由于工业的发展对空气

20、质量的影响，已不是影响空气质量的主要因素。2、居民生活炉灶与采暖锅炉分析：2005年集中供热用户已由最初的5 000户增至现在的4万余户,供热面积已达465万m2 ,城市居民住户集中供热普及率达到了60%。未来几年采暖方式主要有以下几个。1.暖气片采暖30%2.地暖采暖40%3.电热膜辐射供暖10%4.个人单户采暖20%结论：由于科技的发展，采暖方式的改善，城市区域基本全部采用低硫、低灰份及其它清洁能源,二氧化硫和烟尘排放量明显减少，但饮服务行业发展迅速,路边烧烤产生大量的油烟直接排放到空气中,对城市环境空气质量产生了一定影响。大量的油烟排放和茶炉、洗浴炉的废气排放以及分散型煤用户燃烧，由于居

21、民生活产生的污染物仍不容忽视。（3）平顶山市近几年汽车消费市场分析（一） 平顶山市汽车销售增长迅速 2010年，平顶山市限额以上批发零售贸易业汽车累计销售3032辆，同比增长34.8%；销售总额累计实现34201万元，同比增长37.6%；累计实现零售2590辆，同比增长33.6%，零售总额30840万元，同比增长43.8%，高于社会消费品零售总额增速25.5百分点，相比2002年的5830万元增加了25010万元，5年间增长了4.3倍。年底汽车库存157辆，同比增长72.5%，其中轿车库存45辆，同比增长66.7%。全市汽车市场总体特征：销售量与销售额迅速增长，库存增加。（二）轿车零售仍占较大

22、比重。2010年全市限额以上批发零售贸易业汽车零售累计2590辆，同比增长33.6%；零售总额累计实现30840万元，增长43.8%。其中，轿车零售1509辆，增长54.9%，占汽车零售比重的58.3%。自2008年至2010年以来，轿车零售占汽车零售的比重总体处于不断上升阶段（2008年占33.7%，2009年占50.3%），说明轿车消费的主流地位不断加强。（三）民用汽车拥有量六年翻了一番多民用汽车拥有量年均增长18.3%。2005-2010年，平顶山市民用汽车拥有量从57514辆增加到146899辆，环比增长分别为7.2%、12.5%、23.4%、44.2%、10.6%、15.3%，年均增

23、长18.3%。若按近三年年均增长18.3%速度推算，到2010年平顶山市民用汽车拥有量将达到243205辆，与2005年相比将翻二番多。2010年7月，平顶山市统计局针对平顶山市主要汽车销售市场进行了非生产经营用小汽车销售情况的市场走访与调查，通过对辖区内16家汽车销售公司市场调查数据与历年统计资料进行观察比较，综合分析影响汽车销售的有利因素与不利因素，认为全市汽车市场特别是轿车消费将在2011年及以后数年继续保持持续稳定的增长趋势，同时提出了发展汽车市场的几点政策性建议.(四)、平顶山市未来几年汽车数量走势预测随着本地居民汽车购买力进一步增强，平顶山地区整个汽车销售市场发展速度将稳中有升，二

24、手车市场随更新换代步伐加快将表现的更加活跃。2010年全市经济社会发展步入又好又快的轨道，综合经济实力大幅跃升，居民可支配收入稳步增长，汽车更新换代步伐加快，预计2010年及未来几年之内，平顶山市汽车市场销量将会继续放大，汽车数量的增加预示着未来几年，由于汽车尾气产生的污染物将成为空气污染物主要的污染源。综合分析影响空气质量的各个因素，我们给出预测结果如下：2011-2020年每月的优良率如下表:月份优良天数（天/月）月优良率Jan-111651.61%Feb-112485.71%Mar-112787.10%Apr-112893.33%May-1131100.00%Jun-113096.67%

25、Jul-113096.67%Aug-112993.55%Sep-112996.67%Oct-112787.10%Nov-112996.67%Dec-112374.19%Jan-122787.10%Feb-122275.00%Mar-123096.67%Apr-122996.67%May-122993.55%Jun-122996.67%Jul-1230100.00%Aug-123096.67%Sep-1230100.00%Oct-123096.67%Nov-122893.33%Dec-121651.61%Jan-132064.51%Feb-132382.14%Mar-132787.10%Apr-

26、132480.00%May-132686.70%Jun-132890.32%Jul-132890.32%Aug-133096.67%Sep-132583.00%Oct-132996.67%Nov-132686.67%Dec-132890.32%Jan-142683.87%Feb-142382.14%Mar-143096.67%Apr-142893.33%May-142993.55%Jun-143096.67%Jul-1431100.00%Aug-1431100.00%Sep-142996.67%Oct-142790.00%Nov-142893.33%Dec-142993.55%Jan-1526

27、83.87%Feb-152175.00%Mar-152890.32%Apr-152583.33%May-152890.32%Jun-152890.32%Jul-153096.67%Aug-1531100.00%Sep-152996.67%Oct-152893.33%Nov-152893.33%Dec-152790.00%Jan-162683.87%Feb-162485.71%Mar-162893.33%Apr-162686.67%May-162893.33%Jun-163096.67%Jul-1631100.00%Aug-1631100.00%Sep-162996.67%Oct-162686.

28、67%Nov-162583.33%Dec-162686.67%Jan-172787.10%Feb-172692.86%Mar-172892.32%Apr-172996.67%May-173096.67%Jun-1731100.01%Jul-173096.67%Aug-172993.55%Sep-172893.33%Oct-172790.00%Nov-172686.67%Dec-172583.33%Jan-182787.10%Feb-182385.71%Mar-183096.67%Apr-182686.67%May-182993.55%Jun-1831100.00%Jul-1830100.00%Aug-1831100.00%Sep-182996.67%Oct-182893.33%Nov-182790.00%Dec-182787.10%Jan-192787.10%Feb-192692.86%Mar-192993.54%Apr-192790.00%May-192890.32%Jun-193096.67%Jul-192996.67%Aug-1931100.00%Sep-192996.67%Oct-192790.00%Nov-192893.33%D