节能减排与大气环境

浙江工业大学数学建模竞赛暑期培训题所选赛题：√A我们承诺：我们仔细阅读了浙江工业大学数学建模竞赛的竞赛规则。我们完全明白，在竞赛开始后参赛队员不能以任何方式（包括电话、电子邮件、网上咨询等）与队外的任何人研究、讨论与赛题有关的问题。我们知道，抄袭别人的成果是违反竞赛规则的,如果引用别人的成果或其他公开的资料（包括网上查到的资料），必须按照规定的参考文献的表述方式在正文引用处和参考文献中明确列出。我们郑重承诺，严格遵守竞赛规则，以保证竞赛的公正、公平性。如有违反竞赛规则的行为，我们将受到严肃处理。参赛队员（签名）：何丽娜学院年级：健行大二联系方式：527390参赛队员（签名）：汪伟学院年级：健行大二联系方式：527405参赛队员（签名）：陈冲学院年级：健行大二联系方式：527385√我们队伍愿意参加暑期数学建模培训，参加全国大学生数学建模竞赛节能减排与大气环境摘要随着社会经济的发展，工业生活废气的排放越来越多，大气环境污染也日益严重。所幸的是，现在的人们已经认识到了问题的严重性，开始逐渐寻求各种有效措施来改善环境，如我国已经在2007年提出了节能减排的措施。建设资源节约型社会、环境友好型社会，已成为了世界人民的广泛共识。本文正是在这样的背景下，分别立足全国或是各个省会城市，通过预测假如没有节能减排，近几年大气污染物的排放量来与现实情况作比较，定量分析讨论节能减排对大气环境改善所带来的影响。问题一中，我们通过对附录资料的学习，发现现有的空气质量指数AQI即是一个很好的可以用来评价各城市空气质量的指标，计算出每一年的AQI以后，取其平均值排名。排名前三位和末三位的城市分别如下：城市海口拉萨南宁乌鲁木齐北京兰州AQI38.553.312558.2591.437594.125103.875排名123293031发现就总体而言，重工业对空气质量影响还是比较大的。在对2012年污染状况进行分析时，以2003年到2010年的数据为基础，运用灰色预测GM（1,1）模型预测2012年的每个城市的AQI以及各个污染物的IAQI值。预测结果显示，就大部分省市而言，可吸入颗粒物将成为最主要的污染物，并且我们发现，若将城市按照污染严重情况进行排，与前半问得到的排名基本相似，同时也说明预测有一定的合理性。问题二三要求我们通过预测来说明节能减排的作用。我们根据2007年以前的数据对全国主要污染物进行预测，然后再与实际经过节能减排的数值绘制柱状图进行对比分析。我们发现，若是不实施节能减排，我国大气环境的发展前景不容乐观。特别是二氧化硫排放量的大量增加，酸雨将有可能会更加频繁出现，其pH值也有可能会越来越小。这无论对人类还是环境而已，隐患都是相当大的。而根据实际节能减排以后的数据，二氧化硫、烟尘和工业粉尘的排放量都有不同程度的降低，说明节能减排对于改善大气环境质量来说，起着相对有效的作用。问题四中要具体分析节能减排对于每个城市的作用。我们首先通过灰色关联分析法确定各个污染物IAQI之间的权重因子，建立的评价模型为：影响因子2SO2NO10PM权重0.4948670.273010.2321233然后分别将每年的预测值和实际值代入评价体系得到各自的空气综合指数，绘图比较，发现总体方向还是和对全国的预测保持一致的。不采取节能减排，空气综合指数Q在总体上有一个上涨的趋势，说明环境有可能进一步恶化；而通过分析实际数据，发现其Q值不仅在减小或是稳定在一个较小的值附近，与预测数据的差值是一年比一年大，说明节能减排的作用效果是越来越明显。关键词空气质量指数灰色预测灰色关联分析法空气综合指数评价目录一、问题重述及分析························································11.1.1问题背景····························································11.1.2问题要求····························································11.1问题分析······························································1二、模型假设······························································2三、符号说明······························································2四、模型的建立与求解······················································34.1.1模型一的建立························································34.1.2模型一的求解························································34.2.1模型二的建立························································44.2.2模型二的求解························································64.3.1模型三的建立························································94.3.2模型三的求解························································94.4.1模型四的建立·······················································104.4.2模型四的求解·······················································104.5.1模型五的建立·······················································114.5.2模型五的求解·······················································124.6对下一步实施节能减排的建议···········································16五、模型的评价与推广·····················································16六、参考文献·····························································17七、附录·································································17附一:空气质量指数AQI计算MATLAB代码·····································17附二:灰色预测模型代码····················································18附三:灰色关联分析MATLAB代码·············································19附四:各城市灰色预测后验差检验的精度······································20附五:各城市污染物分别预测时的精度检验····································21附六:各城市空气质量二级以上天数··········································22附七:1998年-2006年全国大气污染物的排放量································22附八:2007—2010年各城市三种污染物的IAQI预测····························23附九:各城市三种污染物的IAQI预测的精度检验·······························251一、问题重述及分析1.1.1问题背景环境保护是重大民生问题，随着社会对环境保护的日益重视，人们越来越重视环境的改善，工业革命以来，世界各国尤其是西方国家经济的飞速发展是以大量消耗能源资源为代价的，并且造成了生态环境的日益恶化。节约能源资源，保护生态环境，已成为世界人民的广泛共识。我国从2007年8月起，中央财政开始实施节能减排工作，既是对人类社会发展规律认识的不断深化，也是积极应对全球气候变化的迫切需要。《国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》提出了“十一五”期间单位国内生产总值能耗降低20%左右，主要污染物排放总量减少10%的约束性指标。根据这两个指标，如中国GDP年均增长一成，五年内就需要节能六亿吨标准煤，减排二氧化硫六百二十多万吨、化学需氧量五百七十多万吨。1.1.2问题要求现在我们需要做的就是根据我国近年污染物总量减排和大气环境相关数据，并结合经济发展情况，再结合相关资料，建立数学模型，完成以下五个问题：1、建立模型对全国各省会城市的大气环境质量做出定量的综合评价，并对2012年各地区大气的污染状况进行分析比较。2、假如不采取节能减排，依照过去几年的主要统计数据，对我国大气环境的发展趋势做出预测分析。3、建立模型分析讨论节能减排对大气环境质量改善所起作用。4、建立模型对节能减排实施前后各省会城市大气环境质量改善情况进行科学分析。5、对下一步实施节能减排提出建议。1.2问题分析针对问题一，首先要求我们对全国各省会城市的大气环境质量做出定量的综合评价，根据所给附录，我们发现，空气质量指数AQI是一个比较综合的评价指标，进而在解决这一小问时，我们可以先计算出各城市2003年到2010年的空气质量指数，将其取平均值后进行排序，然后根据排名先后来评价各城市的大气环境质量。第一问的后半问要求我们对2012年各地区大气污染状况进行分析比较，这显然是一个预测类的问题。根据附录所给的数据，我们发现它所提供的仅仅是2003年到2010年的数据量，因此此题是一种小数据量的预测问题。更何况影响大气污染的因素之间存在着很多的不确定性，综上所述，比较符合GM(1,1)模型的特征，所以我们通过灰色预测法来求解此题。确定模型以后，我们先是根据前几年的AQI值来预测2012年，得到一个总体的污染状况。然后再分别对二氧化硫、可吸入颗粒物以及二氧化氮作为主要污染物进行预测，来具体分析每个城市最严重的污染物。最后，在进行结果分析检验的时候，也可以统计一下各个城市空气质量达到二级以上的天数，由此来辅助说明每一个城市的大气污染状况。针对问题二，是以全国作为立足点来考虑问题的。我们需要做的是假设在不采取节能减排措施的情况下，分析我国大气环境的发展趋势。由于是预测发展趋势，首先我们应该先确定用来体现发展趋势的几个指标。根据中华人民共和国环境保护部给公布的相关文件，我们选取1998年到2006年全国二氧化硫，烟尘和工业粉尘排放量作为参数来进行预测。和第一问一样，由于数据量偏少，我们还是选取灰色预测理论，分别就各污染物排放量以及其增长趋势进行预测，从而对其发展趋势做出相关分析。针对问题三，是就实际情况对节能减排的作用进行分析。通过问题二，我们已经获得了若是没有采取节能减排现今大气污染的程度，那么只需将其与节能减排后的实际污染物浓度进行比较即可。在此，我们选择将预测值和实际值两者作差比较，并绘制相关2柱状图，从差值数字本身以及柱状图所带来的视觉差异来凸显出节能减排对于污染物排放量的改善作用。针对问题四，题目要求我们对节能减排实施前后各省会城市大气环境质量改善情况进行科学分析。根据题意，首先我们仿照第三小问，先计算出每个城市2003年到2006年各项