蕪湖市大氣污染物的時空特征及動力學分析

曹琪，朱敏，張永亮，張天宇，李雪蓮，麻勝

蕪湖市大氣污染物的時空特征及動力學分析

曹琪，朱敏，張永亮，張天宇，李雪蓮，麻勝

（安徽師范大學 數學與統計學院，安徽 蕪湖 241000）

隨著社會經濟的不斷發展，大氣污染問題日益顯著．以蕪湖市六個監測站點2022年大氣污染部分監測數據為依據，通過污染物的相互反應關系，建立相應的微分方程組模型，以此研究蕪湖市大氣污染的時空特征．通過對數據和模型的分析，發現居民生活小區樓層較高，居民生活軌跡密集，周圍工廠廢氣排放較密集等現象都會導致大氣污染物密集，不易散開．相關結論為蕪湖市治理大氣污染工作提供了一定的科學依據．

大氣污染；反應機制；時空特征；動力學

1 引言及模型的建立

大氣污染是由于人類活動或自然過程引起某些物質進入大氣中，呈現出足夠的濃度，達到足夠的時間，并因此危害了人的舒適、健康、福利或環境的現象．污染物來自人為因素或者天然因素，進入大氣中，參與大氣循環的整個過程，又經過一系列化學物理反應會有一部分聚集在大氣中，造成大氣中部分物質濃度升高，進一步降低空氣質量．室外大氣污染物的種類繁多，主要可分為顆粒狀污染物和氣態污染物兩大類，如常見的PM2.5，PM10為顆粒狀污染物，而NO，NO2，SO2，CO，O3等屬于氣態污染物，這些污染物都會對人類健康造成危害[1]．

PM2.5，PM10等顆粒物上附著的多種有害物質會隨著人的呼吸進入肺部，極大可能會危害人的呼吸系統，有些物質還有致癌性，累積到一定程度可以引起癌變[2]；NO，NO2等氮氧化物會刺激人的肺部，使人較難抵抗感冒之類的呼吸系統疾病，達到一定濃度時，還會破壞人體的中樞神經，長期吸入會引起腦性麻痹或手腳萎縮等[3]；SO2形成的工業煙霧達到一定濃度時會使人呼吸困難，進入大氣層時還會形成酸雨[4]；CO極易與人或動物血液中運載氧的血紅蛋白結合，在極低濃度時就能使人或動物遭到缺氧性傷害[5]；O3也會對動物和人類產生多種傷害，特別是傷害呼吸系統，加重哮喘等過敏性癥狀[6]．

華東地區是全國大氣污染防治的重點區域，2018-11-23—2018-12-03華東地區遭受了一次持續性、大范圍的霧霾過程[7]，嚴重危害了人們的正常生活，隨著當地治理工作的實施，SO2，NO2和可吸入顆粒物質量濃度大幅度下降，但PM2.5和O3的質量濃度仍處于高值，治理華東地區空氣污染問題是華東大氣環境治理中首要解決的難題．

目前，我國東部地區的污染區域性特征主要表現為京津冀和長三角的污染連片，以長三角地區為例，由于開發強度大，工業化程度逐年提高，居民不可避免地會受到大氣污染帶來的危害．長三角北部區域PM10污染較為突出，而長三角南部和沿海區域則O3污染較為突出．安徽省蕪湖市地處中國華東地區，長三角西南部，長江下游，得天獨厚的地理位置為城市發展帶來了巨大機遇，但隨著工業的快速發展，不可避免地出現了一定程度的大氣污染．本文定位于蕪湖市，選取了該城市六個監測站點2022年大氣污染部分監測數據，以此來研究蕪湖市大氣污染物的時空特征，為該城市治理大氣污染工作提供一些科學依據．

評價大氣污染程度的主要指標有PM2.5，PM10，NO，NO2，SO2，CO，O3等污染物質量濃度，這些污染物之間的相互反應關系[8]如下：

（1）在自然環境下，有機體腐敗過程中微生物將有機氮轉化為NO，NO繼續被氧化為NO2，但在城市中大量工廠進行礦物燃料的燃燒所產生的氮氧化物也以NO為主．燃燒過程中氮氧化物的化學反應機制為

2NO+O2→2NO2

（2）NO2可以與HO，HO2，O，RO，RO2等自由基反應，NO2的轉化會引發大氣中O3的生成反應，具體反應機制為

NO2+hv→NO+OO+O2+M→O3+M，O3+NO→NO2+O2，NO2+O→NO+O2

式中：hv表示光照條件；M為空氣中N2，O2或其他第三者分子．

（3）空氣中的SO2主要來源于化石燃料的燃燒，SO2能與多種化學物質混合反應，最常見的就是與水反應形成酸雨．另外，正四價的硫非常容易氧化，即使不加催化劑也會有少量的二氧化硫被氧化成三氧化硫，具體化學反應機制為

SO2+H2O→H2SO3，2SO2+O2→SO3

根據以上描述，構建了大氣污染物反應關系圖，即大氣污染流程框圖（見圖1）．

圖1 大氣污染流程框圖

事實上，PM10主要成分是PM2.5，一般情況下PM2.5約占PM10的70%[9]129．另外，氮氧化物中NO質量濃度也遠低于NO2，且CO轉化成CO2對人體產生危害相對較?。虼?，只考慮SO2，NO，O3，PM2.5等的質量濃度變化．根據化學反應機制建立常微分方程組模型

本文通過蕪湖市部分監測站點的數據，結合模型（1）分析蕪湖市大氣污染的時空特征．

2 監測站數據的處理及模擬

2.1 數據的采集和選定

圖2 各站點SO2，NO，O3，PM2.5監測質量濃度

2.2 數據的修勻處理

由于原始的實測數據受到自然因素和人為因素的影響，導致數據的波動比較大，采集到的個別數據出現較大誤差，可能對后續研究造成一定影響．為此，采用移動平均法[10-12]對原始誤差較大的數據進行修勻．

移動平均法中各元素的權重都相等，計算公式為

表1 P3站點2022-06-01—2022-06-14每天9時SO2質量濃度原始數據和修勻后數據 μg/m3

借助EXCEL工具箱進行運算，將圖2中所有原始數據進行修勻，得到修勻后的數據圖（見圖3）．

圖3 各站點SO2，NO，O3，PM2.5修勻后監測質量濃度

2.3 數據與模型的擬合

將模型（1）中所有系數統一記號為數組，其向量形式為

為了獲得模型（1）中每個站點大氣污染物中各系數的值，將修勻后的數據代入方程組（1）中利用Matlab進行反解，得到方程組各系數近似值（見表2）．

表2 各站點參數近似數值

利用Matlab將模型（1）在參數近似值條件下進行擬合，分別得到各站點不同污染物的擬合變化曲線．各監測站點的修勻后實測曲線與模型（1）的擬合曲線見圖4．

圖4 站點實測曲線與擬合曲線

3 模型的動力學分析

定理1 六個監測點的零平衡點都是不穩定的．

定理2 在表2的擬合參數取值條件下，第五監測點和第六監測點具有正平衡點，且正平衡點均是局部漸進穩定的，第一監測點到第四監測點均不存在正平衡點．

4 結論

本文通過收集相關部門提供的蕪湖市2022-06-01—2022-08-31六個站點上午9時SO2，NO，O3，PM2.5部分質量濃度監測值作為原始數據，根據各指標相互關系，建立微分方程組模型，并通過修勻后數據進行模型動力學分析．

從本文數據和模型分析看，無論居民生活小區的密集還是工業企業的密集，都不利于城市大氣污染的防治．

[1] 郝吉明，馬廣大，王書肖．大氣污染控制工程[M]．３版．北京：高等教育出版社，2010．

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Spatio-temporal characteristics and dynamical analysis of air pollutants in Wuhu City

CAO Qi，ZHU Min，ZHANG Yongliang，ZHANG Tianyu，LI Xuelian，MA Sheng

（School of Mathematics and Statistics，Anhui Normal University，Wuhu 241000，China）

With the continuous development of social economy，the problem of air pollution is becoming more and more obvious．Based on the monitoring data of air pollution at six monitoring stations in Wuhu City in 2022，a corresponding differential equation model is established through the mutual reaction relationship of pollutants，so as to study the spatio-temporal characteristics of air pollution in Wuhu City．Through the analysis of data and models，it was found that high floors in residential areas，dense living trajectories，and dense exhaust emissions from surrounding factories all contribute to the concentration of atmospheric pollutants，making it difficult to disperse them．The relevant conclusions provide a certain scientific basis for the air pollution control work in Wuhu City．

air pollution；reaction mechanism；spatio-temporal characteristics；dynamic

O29

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2024.02.006

1007-9831（2024）02-0027-09

2023-06-08

安徽省自然科學基金項目（2208085MA08）；安徽省教育教學改革研究重大項目（2022jcbso20）；國家級大學生創新創業訓練計劃項目（202210370187）

曹琪（2002-），女，安徽銅陵人，在讀本科生．E-mail：caoqi0424@qq.com

朱敏（1979-），女，安徽淮南人，教授，博士，從事應用微分方程模型與動力學研究．E-mail：min_zhuly@163.com