鄭州空氣污染的治理

1、鄭州市空氣污染及治理摘要本文對鄭州空氣污染程度、未來空氣質量預測、城市污染主要因素進行分析，收集了必要的數(shù)據(jù)來研究影響城市空氣污染程度的主要因素。鄭州市人為大氣污染主要為燃煤污染、揚塵污染、尾氣污染。城市空氣質量與季節(jié)和氣象條件的關系十分密切。因此我們分不同月份討論。針對問題一，根據(jù)每月各污染物濃度及變化趨勢進行統(tǒng)計和曲線擬合等數(shù)學建模方法得到6種橫坐標為月份，縱坐標分別為PM2.5,PM10,SO2,NO2,CO,O3濃度的散點圖并用多項式擬合其變化趨勢。利用層次分析法對空氣質量進行評價與預測，綜合考慮各種因素建立如下模型，得到各種污染物按月分布變化規(guī)律。針對問題二，選取鄭州觀測的氣象數(shù)據(jù)與

2、WRF模擬的對應網(wǎng)格的風向，風速和地面的氣溫進行對比，使用嵌套網(wǎng)格，設置了河南鄭州及周邊的嵌套區(qū)域。模擬的觀測值在變化趨勢上能夠較好的吻合，基本反映風及溫度隨時間的變化特征。針對問題三，針對鄭州市的大氣質量狀況，根據(jù) 20042015 年鄭州市經(jīng)濟發(fā)展主要指標和大氣環(huán)境污染指標的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，分析了鄭州市人均 GDP 與二氧化硫、氮氧化物、可吸入顆粒物(PM10)的相關關系，并建立了經(jīng)濟發(fā)展與大氣環(huán)境污染之間的模擬模型。以環(huán)境庫茲涅茨曲線理論作為參照，探討鄭州市大氣污染狀況與經(jīng)濟發(fā)展水平之間的關系，提出針對性的意見。關鍵詞：空氣污染指數(shù)、多項式擬合、嵌套網(wǎng)格、spss統(tǒng)計、WRF模擬、NAQPMS

3、模式、庫茲涅茨曲線、離子風技術一、問題重述鄭州市空氣污染及治理2016年7月4日上午，河南省大氣污染防治攻堅動員大會召開，省委、省政府要求河南的省轄市2016年度在全國大氣排名中退出后5名，明年退出后10名。其中，河南給鄭州市提出的環(huán)境空氣質量改善目標為，鄭州市今年的PM10下降到150微克/立方米、PM2.5下降到79微克/立方米。鄭州市自己提出的目標為，今年在全國74個城市和重點區(qū)域中大氣污染排名將退出后十名。據(jù)2015年10月份政府公布的數(shù)據(jù)，鄭州市燃煤污染對空氣污染的貢獻率達41%,位居第一；揚塵污染對空氣污染的貢獻占了28%,排名第二；尾氣污染對空氣污染的貢獻占24%，排名第三。關于

4、大氣污染防治，河南省提出了針對大氣污染 “1+6+7”意見方案，其中“7”是指7個專項攻堅方案，即針對揚塵、工業(yè)大氣、燃煤、揮發(fā)性有機物、黃標車和老舊車、秸稈焚燒等重點污染源治理和重污染天氣應急應對方案。在上述背景下，針對鄭州市大氣污染狀況，建立模型，求解以下問題：1、收集相關數(shù)據(jù)，建立鄭州市內(nèi)源性（本地）空氣污染模型，分析工業(yè)企業(yè)數(shù)量、燃煤狀況、車輛保有量等因素對鄭州市空氣質量狀況的影響。2、大氣污染跨區(qū)域傳輸是區(qū)域大氣污染超標的一個主要原因。收集相關數(shù)據(jù)，建立鄭州市外源性（輸送通道）空氣污染模型，分析鄭州周邊地區(qū)大氣污染對鄭州市大氣污染的影響，以及鄭州對其他地區(qū)大氣污染的影響。3、根據(jù)鄭州

5、市的經(jīng)濟發(fā)展趨勢和計劃，為鄭州市制定一套污染治理方案，給出未來5年的污染治理投入強度計劃及預期效益，分析2016年底能否達到鄭州市制定的目標并預測2020年鄭州市空氣質量狀況。4、請推薦一種主動型治霾的措施（如“空氣捕捉”系統(tǒng)等）并評估其效果。二、問題分析1.問題一的分析通過對鄭州市各月空氣AQI指數(shù)及空氣污染物濃度處理得到各個污染物濃度散點圖，并用多項式擬合的方法擬合污染物濃度變化趨勢可預測短期變化情況。利用層次分析法對空氣質量進行評價與預測，綜合考慮各種因素建立如下模型，得到各種污染物按月分布變化規(guī)律。2.問題二的分析選取鄭州觀測的氣象數(shù)據(jù)與WRF模擬的對應網(wǎng)格的風向，風速和地面的氣溫進行

6、對比，使用嵌套網(wǎng)格，設置了河南鄭州及周邊的嵌套區(qū)域。模擬的觀測值在變化趨勢上能夠較好的吻合，基本反映風及溫度隨時間的變化特征。使用SPSS統(tǒng)計軟件計算模擬值和觀測值的相關性，得到，溫度：0.571，風向：0.351，風速：0.254。3.問題三的分析針對鄭州市的大氣質量狀況，根據(jù) 20042015 年鄭州市經(jīng)濟發(fā)展主要指標和大氣環(huán)境污染指標的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，分析了鄭州市人均 GDP 與二氧化硫、氮氧化物、可吸入顆粒物(PM10)的相關關系，并建立了經(jīng)濟發(fā)展與大氣環(huán)境污染之間的模擬模型。以環(huán)境庫茲涅茨曲線理論作為參照，探討鄭州市大氣污染狀況與經(jīng)濟發(fā)展水平之間的關系，提出針對性的意見。三、問題假設1.在

7、內(nèi)源性空氣污染模型中忽略外界對當?shù)乜諝馕廴境潭鹊挠绊?.以查閱到的數(shù)據(jù)為依據(jù)，假設收集到的數(shù)據(jù)與理論是準確合理的3.氣體的傳播服從擴散定律，非穩(wěn)態(tài)；4.假設各個污染源之間沒有相互反應5.假設在研究過程中采樣點濃度處于穩(wěn)定狀態(tài)四、問題解答問題一的解答根據(jù)每月各污染物濃度及變化趨勢進行統(tǒng)計和曲線擬合等數(shù)學建模方法得到6種橫坐標為月份，縱坐標分別為pm2.5,pm10,So2,No2,Co,O3濃度的散點圖并用多項式擬合其變化趨勢。利用層次分析法對空氣質量進行評價與預測，綜合考慮各種因素建立如下模型，得到各種污染物按月分布變化規(guī)律。1.對各種污染物的濃度進行曲線擬合（見圖一 - 圖六）圖一 PM2.

8、5擬合曲線F(x)=0.004596x5-0.2219x4+3.653x3-22.96x2+33.08x+133.5圖二 PM10擬合曲線F(x)=0.0005015x6-0.02524x5+0.4372x4-3.004x3+7.674x2-20.27x+236.6圖三 SO2擬合曲線F(x)=9.094*10-5x6-0.003704x5+0.03904x4+0.03508x3-0.6741x2-14.17x+88.62 圖四 NO擬合曲線F(x)= 2.798x5+2.415x4-21.4x3-8.924x2+24.36x+58.1 圖五 CO擬合曲線F(x)=0.1553x6+0.370

9、1x5-0.4501x4-1.535x3+0.1729x2+1.27x+1.563 圖六 O3擬合曲線F(x)= -26.25x5-17.01x4+105.9x3+47.58x2-80.77x+41.77 2.查閱2015年鄭州空氣質量狀況（見圖七、表一）圖七 鄭州15年每月空氣質量優(yōu)良天數(shù)表一 各月份平均空氣污染指數(shù)3.分析擬合曲線及數(shù)據(jù)用綜合分析法根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果，對空氣質量進行分析，最后給出評價結論：根據(jù)表一，分析可得。其原因是因為鄭州每年12月到次年2月為冬季，和冬季取暖增加有關。而冬季大氣層比較穩(wěn)定，不利于污染物的擴散；夏季污染物濃度相對較低，因為夏季降水量大，易于污染物附著沉降，同

10、時大氣穩(wěn)定性差，易于污染物擴散。2015年1月-2016年7月鄭州空氣質量污染類型為“煤煙型”污染特征，首要污染物為可吸入性顆粒PM2.5、PM10，二氧化硫。濃度擬合曲線的趨勢可知：主要污染物為二氧化硫、可吸入顆粒物、二氧化氮年平均質量有所下降。工業(yè)企業(yè)的大氣污染物種類多，主要是硫的氧化物、氮的氧化物、碳化合物。燃煤產(chǎn)生的空氣污染物主要是二氧化硫、一氧化碳等有害物質。汽車排放的污染物主要有一氧化碳、二氧化硫、氮氧化物和碳氫化合物。由于冬季燃煤消耗量大故二氧化硫主要由燃煤產(chǎn)生。問題二的解答1.利用嵌套網(wǎng)格方法對模型的建立與求解本題所使用的空氣質量模式是由中科院大氣物理研究所自主研發(fā)的嵌套網(wǎng)格空

11、氣質量預報模式系統(tǒng)（NAQPMS）,使用嵌套網(wǎng)格，設置了河南鄭州及周邊的嵌套區(qū)域。2.模式校驗為了檢驗NAQPMS模式的模擬性能，選取鄭州觀測的氣象數(shù)據(jù)與WRF模擬的對應網(wǎng)格的風向，風速和地面的氣溫進行對比。在模擬期間，網(wǎng)格與相應站點的觀測值在變化趨勢上能夠較好的吻合，基本反映風及溫度隨時間的變化特征。其中風向的模擬效果最好；溫度普遍低幾度；風速的模擬結果相對差別較大，不過可能和低風速時區(qū)域的差異性有關。使用SPSS統(tǒng)計軟件計算模擬值和觀測值的相關性，得到，溫度：0.571，風向：0.351，風速：0.254。（見圖八-圖十）圖八 模擬風向與觀測風向圖十 模擬風速與觀測風速圖九 模擬溫度與觀測

12、溫度3.污染過程分析本次污染過程中PM10的時空分布如圖十一所示。從模擬結果來看，首先在3月9日至11日期間，污染物逐步累積，鄭州以南大部分地區(qū)PM10的濃度開始增大，從12日開始，由于風向的影響，污染物開始由南向北的輸送過程，整個華北PM10濃度都很高；13日開始出現(xiàn)了北風；14日北風風力加大，大范圍的污染物被清除，不過河南地區(qū)的PM10濃度依然偏高，15日之后才徹底清除；北風過境之后，污染物又開始了新一輪的累積，這一次并沒有大范圍的輸送過程，不過從18日和19日的分布來看，京津冀地區(qū)的污染有向山東的一個短途輸送，對河南及鄭州地區(qū)影響不大；20日天氣形勢持續(xù)穩(wěn)定，污染物進一步累積；21日北風

13、開始出現(xiàn)，隨后22日在北風的影響下污染物清除。圖十一 PM10的時空分布圖4不同污染物的區(qū)域輸送情況有較大差異。本次模擬中PM2.5受外部區(qū)域輸送影響較大，一次污染物SO2和NOx受外部區(qū)域輸送影響較小。這主要是因為PM2.5中二次組分較多，而二次污染物的壽命更長，在遠程傳輸?shù)倪^程中影響更為顯著。5天氣條件尤其是風場對區(qū)域間污染物的輸送有很大影響。由此可見，其他地區(qū)污染物的輸送對鄭州的影響不可忽視，要改善鄭州的大氣環(huán)境質量，不但要在鄭州采取污染控制措施，而且需要和周邊地區(qū)實行聯(lián)防。問題四的求解1. 建立經(jīng)濟發(fā)展與大氣環(huán)境污染之間的模擬模型針對鄭州市的大氣質量狀況，根據(jù) 20042015 年鄭州

14、市經(jīng)濟發(fā)展主要指標和大氣環(huán)境污染指標的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，分析了鄭州市人均 GDP 與二氧化硫、氮氧化物、可吸入顆粒物(PM10)的相關關系，并建立了經(jīng)濟發(fā)展與大氣環(huán)境污染之間的模擬模型。以環(huán)境庫茲涅茨曲線理論作為參照，探討鄭州市大氣污染狀況與經(jīng)濟發(fā)展水平之間的關系，提出針對性的意見。2.利用環(huán)境庫茲涅茨曲線演示GDP與大氣污染的關系查文獻可知，庫茲涅茨曲線是上世紀50年代諾貝爾獎獲得者、經(jīng)濟學家?guī)炱澞挠脕矸治鋈司杖胨脚c分配公平程度之間關系的一種學說。研究表明，收入不均現(xiàn)象隨著經(jīng)濟增長先升后降，呈現(xiàn)倒U型曲線關系。當一個地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展水平較低的時候，環(huán)境污染的程度較輕，但是隨著人均收入的增加，環(huán)境污

15、染由低趨高，環(huán)境惡化程度隨經(jīng)濟的增長而加劇；當經(jīng)濟發(fā)展達到一定水平后，也就是說，到達某個臨界點或稱“拐點”以后，隨著人均收入的進一步增加，環(huán)境污染又由高趨低，其環(huán)境污染的程度逐漸減緩，環(huán)境質量逐漸得到改善，這種現(xiàn)象被稱為環(huán)境庫茲涅茨曲線，如圖十二。圖十二 環(huán)境庫茲涅茨曲線3.指標與數(shù)據(jù)選取人均 GDP 作為鄭州市經(jīng)濟發(fā)展指標，選取了 SO2、NOX排放量和 PM10質量濃度作為大氣環(huán)境指標的典型代表的發(fā)展更具指導意義，因此選取 20042015 年鄭州市經(jīng)濟 發(fā)展指標和環(huán)境質量指標。鄭州市的人均生產(chǎn)總值從2004年以來一直保持穩(wěn)定的增長，并且繼續(xù)增長的趨勢很明顯，但是SO2濃度值、NOX濃度值

16、以及PM10濃度值卻并沒有明顯下降趨勢，見表二以及圖十三。表二 污染物濃度隨時間變化統(tǒng)計表圖十三 2004-2015年GDP的曲線擬合圖F(x)=24.08x3-144900x2+290600000x-1.942*1011表二數(shù)據(jù)顯示其遠遠超過了中國的環(huán)境空氣質量標準，就單以PM10來說，環(huán)境空氣質量標準中PM10年平均二級質量濃度限值為0.07 mg/m3，而表二中都遠遠超出了這個限值。因此有必要對經(jīng)濟發(fā)展與大氣環(huán)境質量的相關關系做進一步的研究。本文以人均 GDP 為自變量(x)，分別以 SO2、NOX排放量和 PM10質量濃度3個大氣環(huán)境指標為因變量(y)，借助Matlab軟件進行 3 次

17、曲線回歸模擬,見圖十四SO2 擬合曲線PM10擬合曲線NOx 擬合曲線圖十四 曲線回歸模擬圖像4.模擬結果及分析根據(jù)模擬結果可以看出，三種污染物的擬合曲線均符合環(huán)境庫茲涅茨曲線，2004年至2015年間，隨著GDP的增加，三種典型污染物的濃度有上升，但期間又有一定的下降，說明在這期間政府對產(chǎn)業(yè)結構進行了一定的調(diào)整，污染物的濃度有了一定的下降，但從目前數(shù)據(jù)趨勢看來，目前的環(huán)境形式依然嚴峻，需要采取進一步的措施。5.污染治理強度投入計劃及預期效益從鄭州市市政府的文件可知，未來五年，鄭州要投入460億元用于環(huán)境治理，根據(jù)這個資金，提出以下治理方案：u 減少污染物排放。全面整治燃煤小鍋爐，加快重點行業(yè)

18、脫硫脫硝除塵改造。整治城市揚塵。提升燃油品質，限期淘汰黃標車。u 嚴控高耗能、高污染行業(yè)新增產(chǎn)能，提前一年完成鋼鐵、水泥、電解鋁、平板玻璃等重點行業(yè)“十二五”落后產(chǎn)能淘汰任務。u 大力推行清潔生產(chǎn)，重點行業(yè)主要大氣污染物排放強度到2017年底下降30%以上。大力發(fā)展公共交通，如公交，地鐵等。u 控制原煤的銷售量，加大選煤入洗率，保證原煤入洗率達到70%以上，并且民用煤灰分不得高于16%，硫分不得高于1%。u 加快調(diào)整能源結構，加大天然氣、煤制甲烷等清潔能源供應。u 強化節(jié)能環(huán)保指標約束，對未通過能評、環(huán)評的項目，不得批準開工建設，不得提供土地，不得提供貸款支持，不得供電供水。u 推行激勵與約束

19、并舉的節(jié)能減排新機制，加大排污費征收力度。加大對大氣污染防治的信貸支持。加強國際合作，大力培育環(huán)保、新能源產(chǎn)業(yè)。u 用法律、標準“倒逼”產(chǎn)業(yè)轉型升級。制定、修訂重點行業(yè)排放標準，建議修訂大氣污染防治法等法律。強制公開重污染行業(yè)企業(yè)環(huán)境信息。公布重點城市空氣質量排名。加大違法行為處罰力度。u 擴大綠化面積。繼續(xù)推進道路綠化，單位居住區(qū)綠化、立體空間綠化、綠道綠廊和公園綠地建設。推進周邊綠化、房前屋后綠化和防風防沙林建設。當前，鄭州市主要污染因素SO2為0.0317 (mg/m3)，NOX為0.0545(mg/m3)，PM10為0.165 (mg/m3)，通過以上措施及治理強度，使主要污染因素SO

20、2每年降低10個百分點，NOX每年降低20個百分點，PM10每年降低40個百分點，達到SO2為0.06(mg/m3)，NOX為0.04(mg/m3)，PM10為0.1, (mg/m3)這個二級標準，按照這個預期目標，可使鄭州在2016年底達到市政府制定的環(huán)境目標，預計2020年可達到空氣質量達到一級標準。問題四的解答推薦離子風技術為主動型治霾措施。查閱中國電機工程學報學報后，我們小組發(fā)現(xiàn)了一種主動性治霾措施-離子風技術，以下進行詳細介紹：1離子風技術簡介離子風空氣凈化器是設想利用電磁場，將空氣中的顆粒離子化，離子化的粒子繼續(xù)撞擊其它的灰塵細菌顆粒，使得所有經(jīng)過凈化器腔體的灰塵顆粒都帶電，隨后通

21、過電場的作用而驅動整個離子風的流動。最后利用特別設計的收集網(wǎng)格將所有的灰塵細菌都吸附。這種設計達到了無機械空氣流動的特點。2離子風產(chǎn)生機理（離子碰撞模型）離子風，即“電誘導二次流”，是指在不均勻電場中，放電發(fā)生時，相對曲率較大電極附近產(chǎn)生大量離子射流運動，離子射流對周圍流體流動產(chǎn)生強烈的擾動，形成的由曲率較大電極到曲率較小電極方向的流體運動。圖十五 離子射流運動示意圖產(chǎn)生離子風的途徑有很多種。就電極結構而言，基本的電極形式包括：尖板電極、尖環(huán)電極、線板電極、線管電極、翼形電極以及由這些基本電極形式演化出來的其他電極形式。就放電形式而言，空氣放電離子風采用的大多數(shù)以電暈放電和介質阻擋放電為主，輝

22、光放電形式在某些文獻中也有采用。雖然在電極結構和放電形式上有所差異，但離子風產(chǎn)生的原理基本相同，本文以經(jīng)典的尖板電極電暈放電為例加以闡述。尖板電極正極性電暈放電產(chǎn)生離子射流運動，起暈電極為曲率半徑極小的金屬尖電極，接有正極性直流高壓電源，且電源等級在電極的起暈電壓至擊穿電壓之間。接地電極為圓形金屬板，其直徑遠大于尖電極。由于高壓電源的作用，尖電極附近電場強度極大，使區(qū)域內(nèi)的大量空氣分子產(chǎn)生電離，稱為電暈區(qū)，而在此區(qū)域之外的電場較弱，不發(fā)生電離過程，稱為外區(qū)。強電場的作用下，帶電粒子作定向移動。向外區(qū)運動的粒子極性與電暈電極相同，且在運動過程中與外區(qū)不帶電的中性分子碰撞，一方面自身的電荷發(fā)生轉移

23、，使中性粒子帶上同種電荷，使得外區(qū)的帶電質點均與電暈電極同極性；另一方面部分動能傳遞給中性分子，使其一起做定向移動。因此形成了大規(guī)模的射流運動，即產(chǎn)生離子風。3.評估及其效果應用利用高度集中的電磁場，將空氣中的顆粒離子化，離子化的粒子繼續(xù)撞擊其它的灰塵細菌顆粒，如雪崩效應，使得所有經(jīng)過凈化器腔體的灰塵顆粒都帶電，隨后通過電場的作用而驅動整個離子風的流動。最后利用特別設計的收集網(wǎng)格將所有的灰塵細菌都吸附。這種獨一無二的設計達到了無機械空氣流動和高度過濾清潔的一體化。同時利用特有的電路和突破性的材料設計，解決了可靠性，穩(wěn)定性，和產(chǎn)生臭氧的技術難題。通過一系列效果預測與評估，我們認為，該離子風技術可

24、以有效吸附空氣中的顆粒物，降低空氣中污染物濃度，起到主動緩解霧霾的效果。利用高度集中的電磁場，將空氣中的顆粒離子化，離子化的粒子繼續(xù)撞擊其它的灰塵細菌顆粒，如雪崩效應，使得所有經(jīng)過凈化器腔體的灰塵顆粒都帶電，隨后通過電場的作用而驅動整個離子風的流動。最后利用特別設計的收集網(wǎng)格將所有的灰塵細菌都吸附。這種獨一無二的設計達到了無機械空氣流動和高度過濾清潔的一體化。同時利用特有的電路和突破性的材料設計，解決了可靠性，穩(wěn)定性，和產(chǎn)生臭氧的技術難題。通過一系列效果預測與評估，我們認為，該離子風技術可以有效吸附空氣中的顆粒物，降低空氣中污染物濃度，起到主動緩解霧霾的效果。參考文獻1李春生、李哲、李建國:

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