蕪湖市大氣污染物的時(shí)空特征及動(dòng)力學(xué)分析

曹琪，朱敏，張永亮，張?zhí)煊睿钛┥彛閯?/p>

蕪湖市大氣污染物的時(shí)空特征及動(dòng)力學(xué)分析

曹琪，朱敏，張永亮，張?zhí)煊?，李雪蓮，麻?/p>

（安徽師范大學(xué) 數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院，安徽 蕪湖 241000）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，大氣污染問(wèn)題日益顯著．以蕪湖市六個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)2022年大氣污染部分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，通過(guò)污染物的相互反應(yīng)關(guān)系，建立相應(yīng)的微分方程組模型，以此研究蕪湖市大氣污染的時(shí)空特征．通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)和模型的分析，發(fā)現(xiàn)居民生活小區(qū)樓層較高，居民生活軌跡密集，周?chē)S(chǎng)廢氣排放較密集等現(xiàn)象都會(huì)導(dǎo)致大氣污染物密集，不易散開(kāi)．相關(guān)結(jié)論為蕪湖市治理大氣污染工作提供了一定的科學(xué)依據(jù)．

大氣污染；反應(yīng)機(jī)制；時(shí)空特征；動(dòng)力學(xué)

1 引言及模型的建立

大氣污染是由于人類(lèi)活動(dòng)或自然過(guò)程引起某些物質(zhì)進(jìn)入大氣中，呈現(xiàn)出足夠的濃度，達(dá)到足夠的時(shí)間，并因此危害了人的舒適、健康、福利或環(huán)境的現(xiàn)象．污染物來(lái)自人為因素或者天然因素，進(jìn)入大氣中，參與大氣循環(huán)的整個(gè)過(guò)程，又經(jīng)過(guò)一系列化學(xué)物理反應(yīng)會(huì)有一部分聚集在大氣中，造成大氣中部分物質(zhì)濃度升高，進(jìn)一步降低空氣質(zhì)量．室外大氣污染物的種類(lèi)繁多，主要可分為顆粒狀污染物和氣態(tài)污染物兩大類(lèi)，如常見(jiàn)的PM2.5，PM10為顆粒狀污染物，而NO，NO2，SO2，CO，O3等屬于氣態(tài)污染物，這些污染物都會(huì)對(duì)人類(lèi)健康造成危害[1]．

PM2.5，PM10等顆粒物上附著的多種有害物質(zhì)會(huì)隨著人的呼吸進(jìn)入肺部，極大可能會(huì)危害人的呼吸系統(tǒng)，有些物質(zhì)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(huì)刺激人的肺部，使人較難抵抗感冒之類(lèi)的呼吸系統(tǒng)疾病，達(dá)到一定濃度時(shí)，還會(huì)破壞人體的中樞神經(jīng)，長(zhǎng)期吸入會(huì)引起腦性麻痹或手腳萎縮等[3]；SO2形成的工業(yè)煙霧達(dá)到一定濃度時(shí)會(huì)使人呼吸困難，進(jìn)入大氣層時(shí)還會(huì)形成酸雨[4]；CO極易與人或動(dòng)物血液中運(yùn)載氧的血紅蛋白結(jié)合，在極低濃度時(shí)就能使人或動(dòng)物遭到缺氧性傷害[5]；O3也會(huì)對(duì)動(dòng)物和人類(lèi)產(chǎn)生多種傷害，特別是傷害呼吸系統(tǒng)，加重哮喘等過(guò)敏性癥狀[6]．

華東地區(qū)是全國(guó)大氣污染防治的重點(diǎn)區(qū)域，2018-11-23—2018-12-03華東地區(qū)遭受了一次持續(xù)性、大范圍的霧霾過(guò)程[7]，嚴(yán)重危害了人們的正常生活，隨著當(dāng)?shù)刂卫砉ぷ鞯膶?shí)施，SO2，NO2和可吸入顆粒物質(zhì)量濃度大幅度下降，但PM2.5和O3的質(zhì)量濃度仍處于高值，治理華東地區(qū)空氣污染問(wèn)題是華東大氣環(huán)境治理中首要解決的難題．

目前，我國(guó)東部地區(qū)的污染區(qū)域性特征主要表現(xiàn)為京津冀和長(zhǎng)三角的污染連片，以長(zhǎng)三角地區(qū)為例，由于開(kāi)發(fā)強(qiáng)度大，工業(yè)化程度逐年提高，居民不可避免地會(huì)受到大氣污染帶來(lái)的危害．長(zhǎng)三角北部區(qū)域PM10污染較為突出，而長(zhǎng)三角南部和沿海區(qū)域則O3污染較為突出．安徽省蕪湖市地處中國(guó)華東地區(qū)，長(zhǎng)三角西南部，長(zhǎng)江下游，得天獨(dú)厚的地理位置為城市發(fā)展帶來(lái)了巨大機(jī)遇，但隨著工業(yè)的快速發(fā)展，不可避免地出現(xiàn)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(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)2022年大氣污染部分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以此來(lái)研究蕪湖市大氣污染物的時(shí)空特征，為該城市治理大氣污染工作提供一些科學(xué)依據(jù)．

評(píng)價(jià)大氣污染程度的主要指標(biāo)有PM2.5，PM10，NO，NO2，SO2，CO，O3等污染物質(zhì)量濃度，這些污染物之間的相互反應(yīng)關(guān)系[8]如下：

（1）在自然環(huán)境下，有機(jī)體腐敗過(guò)程中微生物將有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為NO，NO繼續(xù)被氧化為NO2，但在城市中大量工廠(chǎng)進(jìn)行礦物燃料的燃燒所產(chǎn)生的氮氧化物也以NO為主．燃燒過(guò)程中氮氧化物的化學(xué)反應(yīng)機(jī)制為

2NO+O2→2NO2

（2）NO2可以與HO，HO2，O，RO，RO2等自由基反應(yīng)，NO2的轉(zhuǎn)化會(huì)引發(fā)大氣中O3的生成反應(yīng)，具體反應(yīng)機(jī)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(lái)源于化石燃料的燃燒，SO2能與多種化學(xué)物質(zhì)混合反應(yīng)，最常見(jiàn)的就是與水反應(yīng)形成酸雨．另外，正四價(jià)的硫非常容易氧化，即使不加催化劑也會(huì)有少量的二氧化硫被氧化成三氧化硫，具體化學(xué)反應(yīng)機(jī)制為

SO2+H2O→H2SO3，2SO2+O2→SO3

根據(jù)以上描述，構(gòu)建了大氣污染物反應(yīng)關(guān)系圖，即大氣污染流程框圖（見(jiàn)圖1）．

圖1 大氣污染流程框圖

事實(shí)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(zhì)量濃度也遠(yuǎn)低于NO2，且CO轉(zhuǎn)化成CO2對(duì)人體產(chǎn)生危害相對(duì)較?。虼?，只考慮SO2，NO，O3，PM2.5等的質(zhì)量濃度變化．根據(jù)化學(xué)反應(yīng)機(jī)制建立常微分方程組模型

本文通過(guò)蕪湖市部分監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)，結(jié)合模型（1）分析蕪湖市大氣污染的時(shí)空特征．

2 監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)的處理及模擬

2.1 數(shù)據(jù)的采集和選定

圖2 各站點(diǎn)SO2，NO，O3，PM2.5監(jiān)測(cè)質(zhì)量濃度

2.2 數(shù)據(jù)的修勻處理

由于原始的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)受到自然因素和人為因素的影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的波動(dòng)比較大，采集到的個(gè)別數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大誤差，可能對(duì)后續(xù)研究造成一定影響．為此，采用移動(dòng)平均法[10-12]對(duì)原始誤差較大的數(shù)據(jù)進(jìn)行修勻．

移動(dòng)平均法中各元素的權(quán)重都相等，計(jì)算公式為

表1 P3站點(diǎn)2022-06-01—2022-06-14每天9時(shí)SO2質(zhì)量濃度原始數(shù)據(jù)和修勻后數(shù)據(jù) μg/m3

借助EXCEL工具箱進(jìn)行運(yùn)算，將圖2中所有原始數(shù)據(jù)進(jìn)行修勻，得到修勻后的數(shù)據(jù)圖（見(jiàn)圖3）．

圖3 各站點(diǎn)SO2，NO，O3，PM2.5修勻后監(jiān)測(cè)質(zhì)量濃度

2.3 數(shù)據(jù)與模型的擬合

將模型（1）中所有系數(shù)統(tǒng)一記號(hào)為數(shù)組，其向量形式為

為了獲得模型（1）中每個(gè)站點(diǎn)大氣污染物中各系數(shù)的值，將修勻后的數(shù)據(jù)代入方程組（1）中利用Matlab進(jìn)行反解，得到方程組各系數(shù)近似值（見(jiàn)表2）．

表2 各站點(diǎn)參數(shù)近似數(shù)值

利用Matlab將模型（1）在參數(shù)近似值條件下進(jìn)行擬合，分別得到各站點(diǎn)不同污染物的擬合變化曲線(xiàn)．各監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的修勻后實(shí)測(cè)曲線(xiàn)與模型（1）的擬合曲線(xiàn)見(jiàn)圖4．

圖4 站點(diǎn)實(shí)測(cè)曲線(xiàn)與擬合曲線(xiàn)

3 模型的動(dòng)力學(xué)分析

定理1 六個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的零平衡點(diǎn)都是不穩(wěn)定的．

定理2 在表2的擬合參數(shù)取值條件下，第五監(jiān)測(cè)點(diǎn)和第六監(jiān)測(cè)點(diǎn)具有正平衡點(diǎn)，且正平衡點(diǎn)均是局部漸進(jìn)穩(wěn)定的，第一監(jiān)測(cè)點(diǎn)到第四監(jiān)測(cè)點(diǎn)均不存在正平衡點(diǎn)．

4 結(jié)論

本文通過(guò)收集相關(guān)部門(mén)提供的蕪湖市2022-06-01—2022-08-31六個(gè)站點(diǎn)上午9時(shí)SO2，NO，O3，PM2.5部分質(zhì)量濃度監(jiān)測(cè)值作為原始數(shù)據(jù)，根據(jù)各指標(biāo)相互關(guān)系，建立微分方程組模型，并通過(guò)修勻后數(shù)據(jù)進(jìn)行模型動(dòng)力學(xué)分析．

從本文數(shù)據(jù)和模型分析看，無(wú)論居民生活小區(qū)的密集還是工業(yè)企業(yè)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(shū)肖．大氣污染控制工程[M]．３版．北京：高等教育出版社，2010．

[2] 趙英政，徐光翠，吳衛(wèi)東．大氣顆粒污染物對(duì)心血管系統(tǒng)的毒性作用及機(jī)制[J]．新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào)，2015，32（2）：96-100．

[3] 王禹蘇，張蕾，陳吉浩，等．大氣中氮氧化物的危害及治理[J]．科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2019（7）：137-138．

[4] 周琴．大氣中二氧化硫的污染及防治對(duì)策[J]．內(nèi)蒙古環(huán)境保護(hù)，2002，14（3）：12-13．

[5] 薛連璧．防治一氧化碳中毒當(dāng)深入民心[J]．醫(yī)藥與保健，2011（12）：20-22．

[6] 閆家鵬．臭氧污染的危害及降低污染危害的措施[J]．南方農(nóng)業(yè)，2015，9（6）：188-189．

[7] 周述學(xué)，鄧學(xué)良，王傳輝，等．華東2018年冬季一次典型霧霾過(guò)程的氣象成因分析[J]．高原氣象，2020，39（5）：1110-1121．

[8] 倫小秀．幾種大氣污染物的形成和轉(zhuǎn)化過(guò)程研究[D]．北京：中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，2003．

[9] 張青，饒燦．典型區(qū)域城市PM2.5與PM10比值相關(guān)性研究[J]．綠色科技，2019（12）：129-130．

[10] 雷瑜，張小玲，唐宜西，等．北京城區(qū)PM2.5及主要污染氣體“周末效應(yīng)”和“假日效應(yīng)”研究[J]．環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)， 2015，35（5）：1520-1528．

[11] 陳少玲．應(yīng)用移動(dòng)平均法預(yù)報(bào)年最高洪峰水位[J]．惠陽(yáng)師專(zhuān)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1990（3）：13-18．

[12] 劉世明，劉澤春．移動(dòng)平均法在研究流腦季節(jié)性中的應(yīng)用[J]．?dāng)?shù)理醫(yī)藥學(xué)雜志，2002，15（1）：75-76．

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(xué)基金項(xiàng)目（2208085MA08）；安徽省教育教學(xué)改革研究重大項(xiàng)目（2022jcbso20）；國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)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(yīng)用微分方程模型與動(dòng)力學(xué)研究．E-mail：min_zhuly@163.com