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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
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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
8 F5 y+ z2 ~ P3 w! |
7 U1 W& r V; f* s! h
* ?7 T7 j: q/ i3 U6 K
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
* g1 r9 e3 G8 q' ?0 w
评估及污染治理等相关问题进行了研究，取得了以下成果。
2 t, O" }$ J5 ^, Z9 H
问题一：
* B( i6 e2 V) n6 U9 L G$ E# ~
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、
* C0 A/ v. I- b2 k% j
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
% n! f7 ^' H5 |! x0 n
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! [" \% a* V% b5 T& s2 y: l
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
5 n- {, [$ a/ X& E5 I' S
相关。最终给出 PM2.5 与其他 5 个物质 IAQI 值的拟合函数为：
2 r6 k* H* {- {# m) Q
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
7 `+ C9 Y# H4 m Q: {: Z
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 j5 r0 x; o+ s
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
# E3 o; s$ n2 |; S7 |) O9 p8 u9 l
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：
# |, q* x3 d. V5 c9 T
LnY = 2.3975Ln𝑋6 − 14.903𝐿𝑛𝑋7 + 19.4621Ln𝑋8 − 44.323𝐿𝑛𝑋9 − 21.929𝐿𝑛𝑋10 −
! C) U7 h8 R, q# [& s2 ]7 R1 Y
45.905𝐿𝑛𝑋11 − 85.1032
2 H# }, X/ U I2 k9 k
问题二：
_2 w" G; K- z/ R
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
, N: p4 Q) Z0 l. r5 G: N
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
: J( J% W' d2 X6 U1 ]7 I. u2 p) w
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
0 j0 C4 Y3 G0 B7 L5 c) L5 l$ W
染情况下，污染源上风和下风 公里处的浓度。
* n' p+ B, i" ]* x* l
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
6 X% a/ K$ i9 {/ x4 z
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 -
, Y$ d' p8 f- s. j
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
; e+ O& {+ h/ y# l% M ^4 V, |
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
2 c1 V) p3 S! h3 W$ p
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
( ^6 P( U. G' {
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，
% }( K& U) ^. u( N" n4 l0 e
扩散与稀释速度加快，污染浓度最大值明显降低。
; h! w3 \; n# T7 E/ k1 r3 x( {
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
$ }* u q; Y' D3 K R
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
! D- i' y2 `* b6 e7 C" j* {
区。
0 p A% j9 C9 a/ Q
4、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
9 Q# C5 |6 K2 g' L" z
过 Matlab 实现了对 PM2.5 值的预测，预测拟合度较高。
, R1 Z' D# k. L, @
问题三：
+ x5 x0 B7 Q2 Y" I# \9 u2 d
1、提出三种治理方案：长期治理、快速治理、全面治理。
6 R8 d' V9 {" c6 r4 ?3 b) e
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：
. O; h, W- x) x( ]+ d( ]4 Q
年份 第一年 第二年 第三年 第四年 第五年
/ |$ i, \' ^# z+ {
PM2.5 值变化额 2.3 7.3 18.3 61.3 155.9
+ A, j+ T7 H1 K% B! a2 r
快速治理考虑治理成效，其每年的治理计划为：
x! v; G% L1 K: O* d
年份 第一年 第二年 第三年 第四年 第五年
! O# d8 [% Q" ?8 b ~
PM2.5 值变化额 36.75 36.75 73.50 49.00 49.00
" {0 \3 |) V& ~; K
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
/ H* ~" ]4 Z7 w
个指标浓度达到对 PM2.5 的治理，其每年的治理计划为：
9 Z- D' P: E5 I0 D4 P E9 o) U
名称
/ _7 U0 f% K- V! ~. y4 D
二氧
" ^. u0 t% O" m* @/ F
化硫
& d) u" z) S' p8 \
二氧
9 z3 B, ~3 E7 P; g2 ?. M
化氮
U$ c1 c' T+ {" L1 V
可吸入颗
& S" {' d- k3 H0 F/ |2 b! o9 \
粒物
* c+ ?5 {8 W. S* y* Q: m
一氧
3 U' [8 A/ I5 y$ I5 D- x
化碳
4 `; G6 o( d" e5 S. c$ w2 t+ b
臭氧 PM2.5
2 U8 W% P: U- K9 J/ e
PM2.5 的
8 H9 L5 \: k4 \1 p8 `; N% i
减少幅度
( B. ]1 W: _6 j. v
一年后终值 47.88 74.76 121.80 50.02 14.10 220.77 18%
* `& T [* A/ v, f5 [
二年后终值 38.76 60.52 98.60 39.04 13.20 172.44 36%
* N% }$ C; C% u2 b* ?, ^& T: v
三年后终值 29.64 46.28 75.40 28.06 12.30 124.97 54%
/ J# V2 i# \ k; V: U/ x& |
四年后终值 20.52 32.04 52.20 17.08 11.40 78.79 74%
/ z$ _/ z& X. U
五年后终值 11.40 17.80 29.00 6.10 10.50 34.37 87%
4 F) c3 t$ o- `* _+ O
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
: e2 @+ G* I8 ]; p
PM2.5 浓度减少的关系，建立最优化方程。
" v3 z) g9 _, D7 H8 v7 ~- _
+ O% a1 c! T3 g* u2 v7 t/ @4 \/ M
1 Y5 p# Y! W$ b0 F1 j% C3 J+ k) X
D题上海理工大学10252094队.pdf
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