西安市环境空气质量问题数模论文

西安市环境空气质量问题

一、 问题重述

大气环境是地球自然环境的重要组成部分之一。近年来，随着我国经济社会的快速发展，大气中各污染物浓度显著增长，尤其是臭氧（3O ）和细颗粒物（ 2.5PM ）污染加剧，环境空气质量评价以及污染治理等问题再一次引起大众的关注。

2012年2月29日，国家环保部发布了新修订的《环境空气质量标准》，其中增加污染物监测项目，加严了部分污染物限值，以客观反映我国环境空气质量状况，推动大气污染防治工作；而之前的评判则以GB3095-1996为依据，通过空气污染指数（API ）判断空气质量。

目前新标准中对大气质量的监测主要是监测大气中二氧化硫（SO 2）、二氧化氮（NO 2）、一氧化碳（CO ）、臭氧（O 3）、可吸入颗粒物10PM 以及细颗粒物 2.5PM 等六类基本项目和总悬浮颗粒物（TSP ）、氮氧化物（NO x ）、铅（Pb ）、苯并[a]芘（BaP ）四类其他项目的浓度。研究表明，城市环境空气质量好坏与季节、城市能源消费结构等因素的关系十分密切。

通过附件中给出的西安市13个监测点从2010年1月1日至2013年4月28日污染物浓度监测数据，回答以下问题：

1) 分别使用空气污染指数（API ）（旧标准）和环境空气质量指数（AQI ）对西安市的空气质量进行评价（新标准），并对评价结果进行对比、分析； 2) 分析影响西安市空气质量的原因；

3) 对未来一周（取2013年4月30日至5月6日）西安市空气质量状况进

行预测；

4) 试就环境空气质量的监测与控制对西安市环保部门提出建议。

二、 问题分析

2.1 对空气质量的评价以及对新旧两种标准的对比分析

1） 对空气质量进行评价时，应首先确定城市的总体污染程度，即该城市各阶段

的空气质量级别和各级别之间的比例关系，据此通过数据的统计分析并利用Excel 做出相应图表；同时，选取的样本应足够大，应对近几年的数据进行处理，可以描绘API 随时间变化的折线图来说明西安市空气质量的变化特点。 2） 对上面的评价结果对比分析，由于环境质量指数（AQI ）从2013年1月1

日开始执行，而之前都采用旧标准（API ），为便于分析比较，我们根据2013年1月—4月的各项空气污染分指数计算出采用旧标准得出的API 值。而2013年之前由于数据不足无法计算AQI 值。因此，在对比分析时，本文只选取了2013年的4个月份作为比较样本。 2.2 对影响西安市空气质量各个因素的分析

研究表明，城市环境空气质量与季节、城市能源消费结构等因素十分密切，一方面是自然环境对空气质量的影响，另一方面主要是工业生产、尾气排放等人为因素的作用。由于两者之间不存在严格的对应关系，本文对两个因素分别采用了不同的方法和模型进行讨论。

分析季节等诸多自然因素时，可以通过API随时间变化的折线图并对曲线的趋势和走向分析说明。

分析城市能源消费结构等人为因素时，我们首先对监测的各项污染物进行了关联性分析，从而确定出影响空气质量的主要污染物。然后，再对具体因素分析，我们发现原因有很多，对这些因素分类汇总，可大致分为工业生产、尾气排放、生活污染以及地域条件四种。这些因素涉及到经济、社会、人文等各个方面，这些因素的重要性或者优先程度难以量化，人的主观选择会起着相当重要的作用，在此，我们采用了定性和定量相结合的、系统化、层次化的分析方法，即层次分析法。

2.3 对未来一周西安市空气质量状况进行预测

对西安市空气质量状况的预测应包含环境空气质量指数（AQI）和首要污染物两个方面：

由于影响城市空气质量的因素较多，并且存在很多不确定性因素，如：季节等自然因素的变化会影响空气质量但不具有一般规律，这对未来空气质量的预测十分不利，基于以上考虑，我们拟采用灰色预测的方法，从而对未来一周的空气质量进行大体的分析预测。

为保证结果的准确性，我们又建立了神经网络模型，对数据再次预测，并将这两种结果进行对比分析。

2.4 就环境空气质量的监测与控制对西安市环保部门提出建议

主要根据本文之前对空气质量的评价，并结合影响西安市环境质量的主要因素，从各方面对西安市环保部门提出切实可行的建议。

三、问题假设

1. 表格所给的数据真实可靠，可信度较高，具有一定的使用价值。

2.该市影响空气质量的季节等自然因素和城市能源消费等人为因素在一段时间

内保持平稳变化。

3.该市一段时间内不会发生火灾、海啸等重大自然灾害。

4.城市能源消费结构等人为因素对自然环境无显著影响。

5.未进行浓度监测的大气污染物对环境空气质量的影响非常小。

6.西安未来一段时间内，没有大规模工业的迁入迁出。

四、名词解释与符号说明

五、模型建立与求解

5.1空气质量评价和新旧标准的对比分析：

5.1.1使用旧标准（API）对西安市空气质量进行评价：

1）为了对空气质量的评价更加客观准确，我们用API的标准对2010年1月到2013年4月的数据进行统计分析，分别计算出各月的平均值。

依据表1中的分析数据，通过Excel软件绘出API变化的折线图，如图1：

图1: API变化的折线图

对图表数据和折线图的走向分析可从以下几方面对空气质量进行评价：

西安市环境空气质量与季节变化有一定关系，每年的7月份左右API值相对于全年都比较低，即每年夏季西安市环境空气质量较好，而每年冬季空气质量较差。此外，API的稳定变化表明西安市大气自净能力令人满意。

2010年1月至2012年12月，API的变化基本处于稳定状态，没有较大的升降，这表明西安市的空气质量总体变化不大，空气等级为良。空气质量可以接受，但某些污染物可能对极少数异常敏感人群的健康造成较弱影响。

由折线图我们不难发现，在进入2013年之后，API有较大的增幅，在长时间内都属于中度污染，空气质量状况有明显下降，可能对健康人群心脏、呼吸系统有影响。

5.1.2两种标准下对2013年1月至4月的监测数据按照污染程度进行汇总：

按照上面的表格可绘出污染程度的柱形图，可以更加直观的显示出API和AQI 的对比效果，柱形图如下：