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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

+ o. ?. k# b, h7 z3 v0 i! N) Y8 U  O3 a) M

* t. z, n# Q# K6 h! \* b+ F# o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0 J7 N0 O, ^( M+ Q: r
评估及污染治理等相关问题进行了研究，取得了以下成果。
% T: e5 y; r5 Y: L; I) N' b, ^问题一：9 l/ ~+ G5 t' {. j% _
1、研究二氧化硫X1、二氧化氮X2、可吸入颗粒物 PM10X3、一氧化碳X4、
5 E! V+ V6 ?$ A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* |( H& i7 v8 y* u
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% B+ @( F: Q6 T6 C. X
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
# {* I1 c, a1 k5 B+ X5 L3 U9 _相关。最终给出 PM2.5 与其他 5 个物质 IAQI 值的拟合函数为： / U5 S# x% f& }0 n
2、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$ D$ M) d0 E  k% w0 j5 f
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、
+ e  t  p9 |. P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
9 e, c# Y6 z& o4 ^, M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：, [* B6 p6 k9 V6 Q7 I" h4 H" w
LnY = 2.3975Ln𝑋6 − 14.903𝐿𝑛𝑋7 + 19.4621Ln𝑋8 − 44.323𝐿𝑛𝑋9 − 21.929𝐿𝑛𝑋10 −5 E  s6 F4 o8 P/ E% ^
45.905𝐿𝑛𝑋11 − 85.1032* T* S$ g, X& H
问题二：
- c0 b8 r( \, ]; v8 d+ M1、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$ i: v& b, u" ^1 e. f/ \5 }: U( A8 e
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
1 n5 l1 {& b+ I) ^) z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5 p7 f% t- x- i7 V1 }
染情况下，污染源上风和下风 公里处的浓度。0 ?9 J% s" X0 }; w8 G" a- E
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- D+ ]* k) m4 e* F- C
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 -' L; t" D1 t3 x. ^
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+ l5 d; |, z7 Q2 |; x
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
- F+ F6 E7 Z9 d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
% L0 C: l. o) N& O1 P- Q. z# Y( c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，
# |* S" o  l1 T* B5 Y/ y" O$ @扩散与稀释速度加快，污染浓度最大值明显降低。0 h  @5 b5 ?6 C* }5 h$ S
3、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
6 [" S+ U/ a2 n1 K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  C% K# M$ l1 ~. G) T- r" H
区。
! X' F0 K; D' c' L/ k# v4、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) ^! G6 p& J5 B
过 Matlab 实现了对 PM2.5 值的预测，预测拟合度较高。/ v/ W6 [$ _( D. D0 J1 a
问题三：& }# i9 c( R+ F  k% H
1、提出三种治理方案：长期治理、快速治理、全面治理。
0 ~. y/ {+ q5 n2 ^9 x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：2 H( V7 f$ q( a
年份 第一年 第二年 第三年 第四年 第五年# H% m  _7 Z; p! b9 B( B
PM2.5 值变化额 2.3 7.3 18.3 61.3 155.9
5 d1 Y! T" b7 C& N4 K快速治理考虑治理成效，其每年的治理计划为：
3 a3 j1 C" {8 I" ~4 ~$ h7 M- l- D年份 第一年 第二年 第三年 第四年 第五年
# `( m( m% q/ P0 LPM2.5 值变化额 36.75 36.75 73.50 49.00 49.00  ]8 Q. B, u& |. P
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 - r: L" [% z' E( m2 V9 G- d' L
个指标浓度达到对 PM2.5 的治理，其每年的治理计划为：
, |+ P4 L& o- w7 U, E- v名称 $ O4 D0 J( `& f0 I
二氧
2 N6 a0 @4 \4 M3 k. o( g6 U化硫
8 i) j) g6 S% ^; A二氧
3 I' b' s4 B6 r( i化氮* W! b$ t2 @0 }" z! @+ K* M  g
可吸入颗2 ^* }. X6 X& V6 M8 O. \6 F
粒物7 M( a3 F" J' u2 U
一氧9 o$ b* a. E: \8 i5 q( q
化碳
3 B$ r4 A, p$ F% N臭氧 PM2.5
6 f! _3 {# P. e% N* xPM2.5 的3 y4 }, D4 W9 F# E
减少幅度$ c: O) a- U5 p) y$ M
一年后终值 47.88 74.76 121.80 50.02 14.10 220.77 18%
& r: y3 D% a6 W  m5 N. @二年后终值 38.76 60.52 98.60 39.04 13.20 172.44 36%" ^) ~; D' K$ a' K& h+ W% b
三年后终值 29.64 46.28 75.40 28.06 12.30 124.97 54%9 o8 `% R; }3 l
四年后终值 20.52 32.04 52.20 17.08 11.40 78.79 74%
" O2 L3 V7 m% u2 L$ r& b: W% v3 y五年后终值 11.40 17.80 29.00 6.10 10.50 34.37 87%4 H$ t' |- _( i) J
2、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
7 A  X! Y9 D! _" @, w3 U" F' iPM2.5 浓度减少的关系，建立最优化方程。 ( B0 c" ]7 N( h' R, h
/ {  ^+ Q( {, S+ i' Y1 ?

( F1 n) H6 ?( H, [" I, c" C! j

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