郑州空气污染的治理

1、郑州市空气污染及治理摘要本文对郑州空气污染程度、未来空气质量预测、城市污染主要因素进行分析，收集了必要的数据来研究影响城市空气污染程度的主要因素。郑州市人为大气污染主要为燃煤污染、扬尘污染、尾气污染。城市空气质量与季节和气象条件的关系十分密切。因此我们分不同月份讨论。针对问题一，根据每月各污染物浓度及变化趋势进行统计和曲线拟合等数学建模方法得到6种横坐标为月份，纵坐标分别为PM2.5,PM10,SO2,NO2,CO,O3浓度的散点图并用多项式拟合其变化趋势。利用层次分析法对空气质量进行评价与预测，综合考虑各种因素建立如下模型，得到各种污染物按月分布变化规律。针对问题二，选取郑州观测的气象数据与

2、WRF模拟的对应网格的风向，风速和地面的气温进行对比，使用嵌套网格，设置了河南郑州及周边的嵌套区域。模拟的观测值在变化趋势上能够较好的吻合，基本反映风及温度随时间的变化特征。针对问题三，针对郑州市的大气质量状况，根据 20042015 年郑州市经济发展主要指标和大气环境污染指标的统计数据，分析了郑州市人均 GDP 与二氧化硫、氮氧化物、可吸入颗粒物(PM10)的相关关系，并建立了经济发展与大气环境污染之间的模拟模型。以环境库兹涅茨曲线理论作为参照，探讨郑州市大气污染状况与经济发展水平之间的关系，提出针对性的意见。关键词：空气污染指数、多项式拟合、嵌套网格、spss统计、WRF模拟、NAQPMS

3、模式、库兹涅茨曲线、离子风技术一、问题重述郑州市空气污染及治理2016年7月4日上午，河南省大气污染防治攻坚动员大会召开，省委、省政府要求河南的省辖市2016年度在全国大气排名中退出后5名，明年退出后10名。其中，河南给郑州市提出的环境空气质量改善目标为，郑州市今年的PM10下降到150微克/立方米、PM2.5下降到79微克/立方米。郑州市自己提出的目标为，今年在全国74个城市和重点区域中大气污染排名将退出后十名。据2015年10月份政府公布的数据，郑州市燃煤污染对空气污染的贡献率达41%,位居第一；扬尘污染对空气污染的贡献占了28%,排名第二；尾气污染对空气污染的贡献占24%，排名第三。关于

4、大气污染防治，河南省提出了针对大气污染 “1+6+7”意见方案，其中“7”是指7个专项攻坚方案，即针对扬尘、工业大气、燃煤、挥发性有机物、黄标车和老旧车、秸秆焚烧等重点污染源治理和重污染天气应急应对方案。在上述背景下，针对郑州市大气污染状况，建立模型，求解以下问题：1、收集相关数据，建立郑州市内源性（本地）空气污染模型，分析工业企业数量、燃煤状况、车辆保有量等因素对郑州市空气质量状况的影响。2、大气污染跨区域传输是区域大气污染超标的一个主要原因。收集相关数据，建立郑州市外源性（输送通道）空气污染模型，分析郑州周边地区大气污染对郑州市大气污染的影响，以及郑州对其他地区大气污染的影响。3、根据郑州

5、市的经济发展趋势和计划，为郑州市制定一套污染治理方案，给出未来5年的污染治理投入强度计划及预期效益，分析2016年底能否达到郑州市制定的目标并预测2020年郑州市空气质量状况。4、请推荐一种主动型治霾的措施（如“空气捕捉”系统等）并评估其效果。二、问题分析1.问题一的分析通过对郑州市各月空气AQI指数及空气污染物浓度处理得到各个污染物浓度散点图，并用多项式拟合的方法拟合污染物浓度变化趋势可预测短期变化情况。利用层次分析法对空气质量进行评价与预测，综合考虑各种因素建立如下模型，得到各种污染物按月分布变化规律。2.问题二的分析选取郑州观测的气象数据与WRF模拟的对应网格的风向，风速和地面的气温进行

6、对比，使用嵌套网格，设置了河南郑州及周边的嵌套区域。模拟的观测值在变化趋势上能够较好的吻合，基本反映风及温度随时间的变化特征。使用SPSS统计软件计算模拟值和观测值的相关性，得到，温度：0.571，风向：0.351，风速：0.254。3.问题三的分析针对郑州市的大气质量状况，根据 20042015 年郑州市经济发展主要指标和大气环境污染指标的统计数据，分析了郑州市人均 GDP 与二氧化硫、氮氧化物、可吸入颗粒物(PM10)的相关关系，并建立了经济发展与大气环境污染之间的模拟模型。以环境库兹涅茨曲线理论作为参照，探讨郑州市大气污染状况与经济发展水平之间的关系，提出针对性的意见。三、问题假设1.在

7、内源性空气污染模型中忽略外界对当地空气污染程度的影响2.以查阅到的数据为依据，假设收集到的数据与理论是准确合理的3.气体的传播服从扩散定律，非稳态；4.假设各个污染源之间没有相互反应5.假设在研究过程中采样点浓度处于稳定状态四、问题解答问题一的解答根据每月各污染物浓度及变化趋势进行统计和曲线拟合等数学建模方法得到6种横坐标为月份，纵坐标分别为pm2.5,pm10,So2,No2,Co,O3浓度的散点图并用多项式拟合其变化趋势。利用层次分析法对空气质量进行评价与预测，综合考虑各种因素建立如下模型，得到各种污染物按月分布变化规律。1.对各种污染物的浓度进行曲线拟合（见图一 - 图六）图一 PM2.

8、5拟合曲线F(x)=0.004596x5-0.2219x4+3.653x3-22.96x2+33.08x+133.5图二 PM10拟合曲线F(x)=0.0005015x6-0.02524x5+0.4372x4-3.004x3+7.674x2-20.27x+236.6图三 SO2拟合曲线F(x)=9.094*10-5x6-0.003704x5+0.03904x4+0.03508x3-0.6741x2-14.17x+88.62 图四 NO拟合曲线F(x)= 2.798x5+2.415x4-21.4x3-8.924x2+24.36x+58.1 图五 CO拟合曲线F(x)=0.1553x6+0.370

9、1x5-0.4501x4-1.535x3+0.1729x2+1.27x+1.563 图六 O3拟合曲线F(x)= -26.25x5-17.01x4+105.9x3+47.58x2-80.77x+41.77 2.查阅2015年郑州空气质量状况（见图七、表一）图七 郑州15年每月空气质量优良天数表一 各月份平均空气污染指数3.分析拟合曲线及数据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：根据表一，分析可得。其原因是因为郑州每年12月到次年2月为冬季，和冬季取暖增加有关。而冬季大气层比较稳定，不利于污染物的扩散；夏季污染物浓度相对较低，因为夏季降水量大，易于污染物附着沉降，同

10、时大气稳定性差，易于污染物扩散。2015年1月-2016年7月郑州空气质量污染类型为“煤烟型”污染特征，首要污染物为可吸入性颗粒PM2.5、PM10，二氧化硫。浓度拟合曲线的趋势可知：主要污染物为二氧化硫、可吸入颗粒物、二氧化氮年平均质量有所下降。工业企业的大气污染物种类多，主要是硫的氧化物、氮的氧化物、碳化合物。燃煤产生的空气污染物主要是二氧化硫、一氧化碳等有害物质。汽车排放的污染物主要有一氧化碳、二氧化硫、氮氧化物和碳氢化合物。由于冬季燃煤消耗量大故二氧化硫主要由燃煤产生。问题二的解答1.利用嵌套网格方法对模型的建立与求解本题所使用的空气质量模式是由中科院大气物理研究所自主研发的嵌套网格空

11、气质量预报模式系统（NAQPMS）,使用嵌套网格，设置了河南郑州及周边的嵌套区域。2.模式校验为了检验NAQPMS模式的模拟性能，选取郑州观测的气象数据与WRF模拟的对应网格的风向，风速和地面的气温进行对比。在模拟期间，网格与相应站点的观测值在变化趋势上能够较好的吻合，基本反映风及温度随时间的变化特征。其中风向的模拟效果最好；温度普遍低几度；风速的模拟结果相对差别较大，不过可能和低风速时区域的差异性有关。使用SPSS统计软件计算模拟值和观测值的相关性，得到，温度：0.571，风向：0.351，风速：0.254。（见图八-图十）图八 模拟风向与观测风向图十 模拟风速与观测风速图九 模拟温度与观测

12、温度3.污染过程分析本次污染过程中PM10的时空分布如图十一所示。从模拟结果来看，首先在3月9日至11日期间，污染物逐步累积，郑州以南大部分地区PM10的浓度开始增大，从12日开始，由于风向的影响，污染物开始由南向北的输送过程，整个华北PM10浓度都很高；13日开始出现了北风；14日北风风力加大，大范围的污染物被清除，不过河南地区的PM10浓度依然偏高，15日之后才彻底清除；北风过境之后，污染物又开始了新一轮的累积，这一次并没有大范围的输送过程，不过从18日和19日的分布来看，京津冀地区的污染有向山东的一个短途输送，对河南及郑州地区影响不大；20日天气形势持续稳定，污染物进一步累积；21日北风

13、开始出现，随后22日在北风的影响下污染物清除。图十一 PM10的时空分布图4不同污染物的区域输送情况有较大差异。本次模拟中PM2.5受外部区域输送影响较大，一次污染物SO2和NOx受外部区域输送影响较小。这主要是因为PM2.5中二次组分较多，而二次污染物的寿命更长，在远程传输的过程中影响更为显著。5天气条件尤其是风场对区域间污染物的输送有很大影响。由此可见，其他地区污染物的输送对郑州的影响不可忽视，要改善郑州的大气环境质量，不但要在郑州采取污染控制措施，而且需要和周边地区实行联防。问题四的求解1. 建立经济发展与大气环境污染之间的模拟模型针对郑州市的大气质量状况，根据 20042015 年郑州

14、市经济发展主要指标和大气环境污染指标的统计数据，分析了郑州市人均 GDP 与二氧化硫、氮氧化物、可吸入颗粒物(PM10)的相关关系，并建立了经济发展与大气环境污染之间的模拟模型。以环境库兹涅茨曲线理论作为参照，探讨郑州市大气污染状况与经济发展水平之间的关系，提出针对性的意见。2.利用环境库兹涅茨曲线演示GDP与大气污染的关系查文献可知，库兹涅茨曲线是上世纪50年代诺贝尔奖获得者、经济学家库兹涅茨用来分析人均收入水平与分配公平程度之间关系的一种学说。研究表明，收入不均现象随着经济增长先升后降，呈现倒U型曲线关系。当一个地区经济发展水平较低的时候，环境污染的程度较轻，但是随着人均收入的增加，环境污

15、染由低趋高，环境恶化程度随经济的增长而加剧；当经济发展达到一定水平后，也就是说，到达某个临界点或称“拐点”以后，随着人均收入的进一步增加，环境污染又由高趋低，其环境污染的程度逐渐减缓，环境质量逐渐得到改善，这种现象被称为环境库兹涅茨曲线，如图十二。图十二 环境库兹涅茨曲线3.指标与数据选取人均 GDP 作为郑州市经济发展指标，选取了 SO2、NOX排放量和 PM10质量浓度作为大气环境指标的典型代表的发展更具指导意义，因此选取 20042015 年郑州市经济 发展指标和环境质量指标。郑州市的人均生产总值从2004年以来一直保持稳定的增长，并且继续增长的趋势很明显，但是SO2浓度值、NOX浓度值

16、以及PM10浓度值却并没有明显下降趋势，见表二以及图十三。表二 污染物浓度随时间变化统计表图十三 2004-2015年GDP的曲线拟合图F(x)=24.08x3-144900x2+290600000x-1.942*1011表二数据显示其远远超过了中国的环境空气质量标准，就单以PM10来说，环境空气质量标准中PM10年平均二级质量浓度限值为0.07 mg/m3，而表二中都远远超出了这个限值。因此有必要对经济发展与大气环境质量的相关关系做进一步的研究。本文以人均 GDP 为自变量(x)，分别以 SO2、NOX排放量和 PM10质量浓度3个大气环境指标为因变量(y)，借助Matlab软件进行 3 次

17、曲线回归模拟,见图十四SO2 拟合曲线PM10拟合曲线NOx 拟合曲线图十四 曲线回归模拟图像4.模拟结果及分析根据模拟结果可以看出，三种污染物的拟合曲线均符合环境库兹涅茨曲线，2004年至2015年间，随着GDP的增加，三种典型污染物的浓度有上升，但期间又有一定的下降，说明在这期间政府对产业结构进行了一定的调整，污染物的浓度有了一定的下降，但从目前数据趋势看来，目前的环境形式依然严峻，需要采取进一步的措施。5.污染治理强度投入计划及预期效益从郑州市市政府的文件可知，未来五年，郑州要投入460亿元用于环境治理，根据这个资金，提出以下治理方案：u 减少污染物排放。全面整治燃煤小锅炉，加快重点行业

18、脱硫脱硝除尘改造。整治城市扬尘。提升燃油品质，限期淘汰黄标车。u 严控高耗能、高污染行业新增产能，提前一年完成钢铁、水泥、电解铝、平板玻璃等重点行业“十二五”落后产能淘汰任务。u 大力推行清洁生产，重点行业主要大气污染物排放强度到2017年底下降30%以上。大力发展公共交通，如公交，地铁等。u 控制原煤的销售量，加大选煤入洗率，保证原煤入洗率达到70%以上，并且民用煤灰分不得高于16%，硫分不得高于1%。u 加快调整能源结构，加大天然气、煤制甲烷等清洁能源供应。u 强化节能环保指标约束，对未通过能评、环评的项目，不得批准开工建设，不得提供土地，不得提供贷款支持，不得供电供水。u 推行激励与约束

19、并举的节能减排新机制，加大排污费征收力度。加大对大气污染防治的信贷支持。加强国际合作，大力培育环保、新能源产业。u 用法律、标准“倒逼”产业转型升级。制定、修订重点行业排放标准，建议修订大气污染防治法等法律。强制公开重污染行业企业环境信息。公布重点城市空气质量排名。加大违法行为处罚力度。u 扩大绿化面积。继续推进道路绿化，单位居住区绿化、立体空间绿化、绿道绿廊和公园绿地建设。推进周边绿化、房前屋后绿化和防风防沙林建设。当前，郑州市主要污染因素SO2为0.0317 (mg/m3)，NOX为0.0545(mg/m3)，PM10为0.165 (mg/m3)，通过以上措施及治理强度，使主要污染因素SO

20、2每年降低10个百分点，NOX每年降低20个百分点，PM10每年降低40个百分点，达到SO2为0.06(mg/m3)，NOX为0.04(mg/m3)，PM10为0.1, (mg/m3)这个二级标准，按照这个预期目标，可使郑州在2016年底达到市政府制定的环境目标，预计2020年可达到空气质量达到一级标准。问题四的解答推荐离子风技术为主动型治霾措施。查阅中国电机工程学报学报后，我们小组发现了一种主动性治霾措施-离子风技术，以下进行详细介绍：1离子风技术简介离子风空气净化器是设想利用电磁场，将空气中的颗粒离子化，离子化的粒子继续撞击其它的灰尘细菌颗粒，使得所有经过净化器腔体的灰尘颗粒都带电，随后通

21、过电场的作用而驱动整个离子风的流动。最后利用特别设计的收集网格将所有的灰尘细菌都吸附。这种设计达到了无机械空气流动的特点。2离子风产生机理（离子碰撞模型）离子风，即“电诱导二次流”，是指在不均匀电场中，放电发生时，相对曲率较大电极附近产生大量离子射流运动，离子射流对周围流体流动产生强烈的扰动，形成的由曲率较大电极到曲率较小电极方向的流体运动。图十五 离子射流运动示意图产生离子风的途径有很多种。就电极结构而言，基本的电极形式包括：尖板电极、尖环电极、线板电极、线管电极、翼形电极以及由这些基本电极形式演化出来的其他电极形式。就放电形式而言，空气放电离子风采用的大多数以电晕放电和介质阻挡放电为主，辉

22、光放电形式在某些文献中也有采用。虽然在电极结构和放电形式上有所差异，但离子风产生的原理基本相同，本文以经典的尖板电极电晕放电为例加以阐述。尖板电极正极性电晕放电产生离子射流运动，起晕电极为曲率半径极小的金属尖电极，接有正极性直流高压电源，且电源等级在电极的起晕电压至击穿电压之间。接地电极为圆形金属板，其直径远大于尖电极。由于高压电源的作用，尖电极附近电场强度极大，使区域内的大量空气分子产生电离，称为电晕区，而在此区域之外的电场较弱，不发生电离过程，称为外区。强电场的作用下，带电粒子作定向移动。向外区运动的粒子极性与电晕电极相同，且在运动过程中与外区不带电的中性分子碰撞，一方面自身的电荷发生转移

23、，使中性粒子带上同种电荷，使得外区的带电质点均与电晕电极同极性；另一方面部分动能传递给中性分子，使其一起做定向移动。因此形成了大规模的射流运动，即产生离子风。3.评估及其效果应用利用高度集中的电磁场，将空气中的颗粒离子化，离子化的粒子继续撞击其它的灰尘细菌颗粒，如雪崩效应，使得所有经过净化器腔体的灰尘颗粒都带电，随后通过电场的作用而驱动整个离子风的流动。最后利用特别设计的收集网格将所有的灰尘细菌都吸附。这种独一无二的设计达到了无机械空气流动和高度过滤清洁的一体化。同时利用特有的电路和突破性的材料设计，解决了可靠性，稳定性，和产生臭氧的技术难题。通过一系列效果预测与评估，我们认为，该离子风技术可

24、以有效吸附空气中的颗粒物，降低空气中污染物浓度，起到主动缓解雾霾的效果。利用高度集中的电磁场，将空气中的颗粒离子化，离子化的粒子继续撞击其它的灰尘细菌颗粒，如雪崩效应，使得所有经过净化器腔体的灰尘颗粒都带电，随后通过电场的作用而驱动整个离子风的流动。最后利用特别设计的收集网格将所有的灰尘细菌都吸附。这种独一无二的设计达到了无机械空气流动和高度过滤清洁的一体化。同时利用特有的电路和突破性的材料设计，解决了可靠性，稳定性，和产生臭氧的技术难题。通过一系列效果预测与评估，我们认为，该离子风技术可以有效吸附空气中的颗粒物，降低空气中污染物浓度，起到主动缓解雾霾的效果。参考文献1李春生、李哲、李建国:

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