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随着中国生产力和经济的不断发展壮大，人们生活水平不断提高，大气污染也越来越重。从我国近几年主要地区大气污染的实际情况看，控制污染物排放及进行污染物去除研究迫在眉睫。而在区域协同发展战略部署进程中，利益的分配或成本的分摊已经成为区域间合作的核心问题。 本文在研究合作博弈的基础上，通过相关数据、变量分析去除成本函数，以及非线性区域优化模型和夏普利值合作收益分配模型，建立长江三角洲区域以上海、江苏、浙江为代表的三方大气污染治理合作博弈模型可知，在区域合作的大环境下，合作可以取得最优收益。以上海、江苏、浙江各省份去除方案为例进行实证分析，结果显示该模型的合理、有效性，并为中国区域合作发展给予切合实际、具体量化的相应建议。