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标题: PM2.5 扩散预测模型及相关问题研究 上海理工大学 10252094队 [打印本页]
作者: 杨利霞    时间: 2019-10-8 11:26
标题: PM2.5 扩散预测模型及相关问题研究 上海理工大学 10252094队
PM2.5 扩散预测模型及相关问题研究 上海理工大学 10252094队
: H. a' P- d: h$ \. E4 |: C* B
1 H/ D7 M7 ?! q! |# c
, j+ |) d$ s2 Q- `, `, _3 ?
本文以武汉为例，就 PM2.5 污染物的影响因素、扩散与衰减规律、预测与
& |5 V4 M) [& p评估及污染治理等相关问题进行了研究，取得了以下成果。  p& _6 G) M- |+ [3 n4 ?& [) b
问题一：
9 @+ A( G' q# e9 E* X: m/ r/ F  Z1、研究二氧化硫X1、二氧化氮X2、可吸入颗粒物 PM10X3、一氧化碳X4、
0 X) Q7 b7 T4 N; f臭氧X5和细颗粒物 PM2.5Y这 6 个基本监测指标之间的相关性及独立性，并对影
/ Y3 q# f) }" o响 PM2.5 的其它 5 项分指标做出主成分分析及回归分析，得出二氧化硫、二氧
; n$ F6 D5 Z. H) R化氮 、可吸入颗粒物 PM10、和一氧化碳与 PM2.5 正相关，而臭氧与 PM2.5 负
* C4 k* W% b* v4 X! q. J5 m' p相关。最终给出 PM2.5 与其他 5 个物质 IAQI 值的拟合函数为：
7 [+ p1 [7 V; ]0 y2、探求其他影响 PM2.5 的因素，分析得出，气象的变化对 PM2.5 值得影响非常2 U* _# w% E- z) I& G" p5 Y! S
剧烈，其中 PM2.5 值与湿度X6、气压X8成正相关，与大型蒸发量X7、风速X9、1 s' i8 [; [2 B8 e$ Z9 E+ z/ [" a, O
气温X10、水汽压X11则负相关，并且在所有影响因素中，风速和水汽压对 PM2.5$ c% E1 u% z4 M& ]  Z5 L) g9 n7 J
值的影响相对较大。最终给出 PM2.5 与其他 7 个大气因素之间的拟合函数：3 Z% y* y  D( a# K1 D
LnY = 2.3975Ln𝑋6 − 14.903𝐿𝑛𝑋7 + 19.4621Ln𝑋8 − 44.323𝐿𝑛𝑋9 − 21.929𝐿𝑛𝑋10 −
, w8 u7 B2 @3 W! k45.905𝐿𝑛𝑋11 − 85.1032# O4 ?' [% m4 M) {0 q
问题二：
. b" o* `. Y' [, p9 \1、客观描述武汉地区 PM2.5 的时空分布规律，以高斯扩散模型为基础，充; e) S' f5 y$ L
分考虑影响 PM2.5 扩散的因素，分析地面与建筑物边界反射、干沉积、雨洗湿
; E. h! g, N% B& |9 e沉积及湿度的影响，逐步改进高斯扩散模型，并引入时间 ，计算当点源持续污6 O  I( `7 p  R, o: K, [/ _8 {# B
染情况下，污染源上风和下风 公里处的浓度。3 {+ W% D' A3 W. p& _" A8 H2 s' `
2、通过数值仿真，得到距污染源下风向距离一定条件下污染扩散浓度的分
. c/ f9 {5 H+ G9 \7 F布规律：1）在恒定条件下，PM2.5 扩散浓度呈正态分布，扩散浓度逐渐达到最- 3 -
& U; ^6 U. o7 ]- G9 a7 C大，在横向距离增大到一定值以后，扩散浓度逐渐降低，直至为零；2）随着距: @8 s, j* ]/ _! M# _
污染源下风向距离的增大，扩散浓度的变化渐趋平缓，但污染扩散所能影响的3 y- W/ i, i, }
范围有所增加；3）随着风速逐渐增大，PM2.5 浓度最大值变小，下降速率逐渐4 J! y0 X  k) Y% m* H3 L# N
变大，扩散速度增加；4）源高的增大将导致污染物浓度最大值向下风向偏移，1 X" T6 ?: K# J0 m. S  p) j6 K/ C
扩散与稀释速度加快，污染浓度最大值明显降低。
( }5 N' |& R3 \" A5 `# T$ k) p/ G3、预估突发情形下 PM2.5 的扩散距离及安全区域，以武汉为例，浓度值突7 {" Y' W: N. Q, c4 D+ R4 G
增至300mg/𝑚3并持续两小时情况下，结合三维图及平面图分析危险区及安全; g! b  K- T3 n, E$ y' q
区。
1 v" p. z3 z& m2 p; O  L  M1 W4、结合小波理论及神经网络理论，提出小波神经网络的结构及算法，并通
! X$ t0 W5 w3 g. Q8 y0 B过 Matlab 实现了对 PM2.5 值的预测，预测拟合度较高。
+ ?* d2 Z: w' n; H+ e; Q问题三：- N  o3 O6 Z1 b0 t, Y5 b
1、提出三种治理方案：长期治理、快速治理、全面治理。, J+ H" H* w4 _
长期治理方案着眼于经济的可持续发展，其每年完成计划为：6 @( b8 N+ m5 K( ?1 K1 b* f: ?
年份 第一年 第二年 第三年 第四年 第五年
# h5 H' ~: P% e) Y' B  N) QPM2.5 值变化额 2.3 7.3 18.3 61.3 155.9/ h8 K  D8 R; ^
快速治理考虑治理成效，其每年的治理计划为：! C5 y+ z+ w+ T
年份 第一年 第二年 第三年 第四年 第五年2 ?' n) M# `. r; P
PM2.5 值变化额 36.75 36.75 73.50 49.00 49.00' ^" b$ |% m' y* R1 s$ G
全面治理根据第一问中得出的 PM2.5 与其他 5 个指标的关系，通过降低其他 5 ! Y" M1 t0 ?+ T4 K
个指标浓度达到对 PM2.5 的治理，其每年的治理计划为：4 N7 L1 c% y1 ?; o
名称 $ a+ M# P& Z: r; V5 q- X/ s! P
二氧
4 ^, ~( E6 e3 y化硫+ j) o3 O8 F7 h& z
二氧
3 n2 ?+ Z) a. R- Z7 e' u3 _化氮$ Z- j' J/ x) s, r' l* u" Q; |
可吸入颗6 f) ?% c6 W# s: s9 x
粒物
% |1 P: u) Z3 M9 d0 z7 N' B% ]. c一氧
7 A( M0 Z) i* Y; A% |化碳
! c, R; ~" D! E+ u& y$ T臭氧 PM2.5
, g- w) D2 o! o" l: ~2 xPM2.5 的
, M* o! {# i1 U! C. @/ z; E% \6 Y减少幅度1 G/ F- a! p! ~6 r
一年后终值 47.88 74.76 121.80 50.02 14.10 220.77 18%
; Q$ S* V# m2 }/ f* J% v* A9 w二年后终值 38.76 60.52 98.60 39.04 13.20 172.44 36%9 e9 S# J. g, U
三年后终值 29.64 46.28 75.40 28.06 12.30 124.97 54%
, j5 }- [' u" w( ^& \' r四年后终值 20.52 32.04 52.20 17.08 11.40 78.79 74%/ x# ?8 q. g4 z& v" \
五年后终值 11.40 17.80 29.00 6.10 10.50 34.37 87%
. U; c, N5 b. K0 q2、以全面治理计划作为治污方案，根据本文提供的综合治理与专项治理费用与
4 ?. h5 t  t" I9 a, `* UPM2.5 浓度减少的关系，建立最优化方程。 1 t( F! E$ ~" O4 G
3 ?. V7 h4 r4 l/ C: A# N) }

3 X+ b/ P' a9 a9 E$ ^. ?3 {3 S

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