PM2.5 扩散预测模型及相关问题研究

madio

摘 要：
) q7 z3 H; J( k- G; v) i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
评估及污染治理等相关问题进行了研究，取得了以下成果。
: h# f7 k& \' O" S% @问题一：
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、
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
. o1 Q% I, s8 b/ j; x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; r* J6 C9 y: w7 b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
相关。最终给出PM2.5 与其他5 个物质IAQI 值的拟合函数为：
) d, {6 Y* A0 t# L0.2262 0.2416LnX 0.3526LnX 0.3546LnX - 0.2154LnX 0.969 1 2 3 4 5 LnY  LnX    
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
8 K! J- u7 N! a) J; \7 u8 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、
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
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：
LnY = 2.3975Ln𝑋6 − 14.903𝐿𝑛𝑋7 + 19.4621Ln𝑋8 − 44.323𝐿𝑛𝑋9 − 21.929𝐿𝑛𝑋10 −
45.905𝐿𝑛𝑋11 − 85.1032
0 E; [6 p8 k1 l( g问题二：
+ ~1 ^+ L  t$ w1、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
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
沉积及湿度的影响，逐步改进高斯扩散模型，并引入时间t ，计算当点源持续污
  q" {: i1 w4 C/ P; E, O染情况下，污染源上风和下风L公里处的浓度。
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
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 -
( ]& t" u; N7 p大，在横向距离增到一定值以后扩散浓度逐渐降低直至为零； 大，在横向距离增到一定值以后扩散浓度逐渐降低直至为零； 大，在横向距离增到一定值以后扩散浓度逐渐降低直至为零； 大，在横向距离增到一定值以后扩散浓度逐渐降低直至为零； 大，在横向距离增到一定值以后扩散浓度逐渐降低直至为零； 大，在横向距离增到一定值以后扩散浓度逐渐降低直至为零； 大，在横向距离增到一定值以后扩散浓度逐渐降低直至为零； 大，在横向距离增到一定值以后扩散浓度逐渐降低直至为零； 大，在横向距离增到一定值以后扩散浓度逐渐降低直至为零； 大，在横向距离增到一定值以后扩散浓度逐渐降低直至为零； 大，在横向距离增到一定值以后扩散浓度逐渐降低直至为零； 大，在横向距离增到一定值以后扩散浓度逐渐降低直至为零； 大，在横向距离增到一定值以后扩散浓度逐渐降低直至为零； 大，在横向距离增到一定值以后扩散浓度逐渐降低直至为零； 大，在横向距离增到一定值以后扩散浓度逐渐降低直至为零； 大，在横向距离增到一定值以后扩散浓度逐渐降低直至为零； 2）随着距 ）随着距 ）随着距 污染源下风向距离的 增大，扩散浓度变化渐趋平缓但所能影响污染源下风向距离的 增大，扩散浓度变化渐趋平缓但所能影响范围有所增加； 3）随着风速逐渐增大， PM2.5 浓度最大值变小，下降速率逐渐 浓度最大值变小，下降速率逐渐 浓度最大值变小，下降速率逐渐 浓度最大值变小，下降速率逐渐 浓度最大值变小，下降速率逐渐 浓度最大值变小，下降速率逐渐 浓度最大值变小，下降速率逐渐 浓度最大值变小，下降速率逐渐 变大，扩散速度增加； 4）源高的增大将导致污染物浓度最值向下风偏移， ）源高的增大将导致污染物浓度最值向下风偏移， 扩散与稀释速度加快，污染浓最大值明显降低。
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 的扩散距离及安全区域，以武汉为例浓度值突 的扩散距离及安全区域，以武汉为例浓度值突 增至 300mg/𝑚3并持续两小时情况下，结合三维图及平面分析危险区安全 并持续两小时情况下，结合三维图及平面分析危险区安全 并持续两小时情况下，结合三维图及平面分析危险区安全 并持续两小时情况下，结合三维图及平面分析危险区安全 并持续两小时情况下，结合三维图及平面分析危险区安全 并持续两小时情况下，结合三维图及平面分析危险区安全 并持续两小时情况下，结合三维图及平面分析危险区安全 并持续两小时情况下，结合三维图及平面分析危险区安全 并持续两小时情况下，结合三维图及平面分析危险区安全 并持续两小时情况下，结合三维图及平面分析危险区安全 并持续两小时情况下，结合三维图及平面分析危险区安全 并持续两小时情况下，结合三维图及平面分析危险区安全 并持续两小时情况下，结合三维图及平面分析危险区安全 并持续两小时情况下，结合三维图及平面分析危险区安全 并持续两小时情况下，结合三维图及平面分析危险区安全 并持续两小时情况下，结合三维图及平面分析危险区安全 区。
1 H7 t+ N) _) s1 m( m" s9 |" s4 l0 T4、结合小波理论及神经网络，提出的构算法并通 结合小波理论及神经网络，提出的构算法并通 结合小波理论及神经网络，提出的构算法并通 过 Matlab 实现了对 PM2.5 值的预测，拟合度较高。
问题三：
1、提出三种治理 方案：长期、快速全面。
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：
. c! y; J" S) ^! g7 P: b3 o年份
0 h% J+ u* i" Y% l第一年
第二年
第三年
0 L( G7 C  i/ Y) n. S% \第四年
! H! H. {8 [* f, k第五年
PM2.5 PM2.5PM2.5PM2.5值变化额
/ f, n1 h6 |3 N  @: s2.32.32.3
7 G6 p& d# @$ f' x  q7.37.37.3
18.318.318.318.3
61.361.361.361.3
$ P; b# \: A% V155.9155.9155.9155.9155.9
快速 治理 考虑 治理 成效 ，其每年 的治理 计划 为：
; T" A# ?( x  _# Y. u8 {& U年份
第一年
6 @" \) p" _! t( \  ]$ H第二年
* d  Z4 K7 d" I第三年
, e/ L# ]* \7 e1 `- h6 \2 N0 L第四年
, l  c5 K/ Z0 a$ H( K/ A8 W第五年
PM2.5 PM2.5PM2.5PM2.5值变化 额
- a! s: M% D1 T2 C4 f1 i% |36.7536.7536.7536.7536.75
# G0 e, V- G& [% ~. g36.7536.7536.7536.7536.75
73.5073.5073.5073.5073.50
6 W* J: C! @. z3 }+ d" D49.0049.0049.0049.0049.00
9 c6 g3 M! ?4 T1 j) Y/ ?) v49.0049.0049.0049.0049.00
& K' N7 p$ g1 _& F3 h全面 治理 根据 第一问 中得出 的 PM 2.5 与其他 5个指标 的关系 ，通过 降低 其他 5个指标 浓度 达到 对 PM 2.5 的治理 ，其每年 的治理 计划 为：
- l; L$ H2 Y& v$ g5 J: E& p名称
二氧
. c+ H6 Z" o$ t+ A& O化硫
二氧
化氮
8 }- O7 B1 h5 n' J, T4 \8 }可吸入颗 粒物
一氧化碳
臭氧
PM2.5
1 \2 F+ v7 n, Q! r/ |0 C6 Z0 y2 yPM2.5 的 减少幅度
一年后 终值
47.88
74.76
& |0 _* T/ \3 U) k3 Q, D' K) W121.80
50.02
9 [! e8 j, Q$ y  H8 }7 G14.10
220.77
1 z. h( T$ G; [$ ~18%
二年后终值
38.76
3 [4 `% ^- F) i" k60.52
" d5 F: h! v( k6 `5 m% q9 f1 v98.60
39.04
13.20
172.44
36%
6 V% m4 U- a; N! c. R* t三年后终值
29.64
. i: p6 w/ O1 I+ S% S2 n46.28
8 W3 E" Z9 r8 \75.40
28.06
12.30
1 G3 H& h1 M% _124.97
54%
四年后终值
20.52
& a/ p" ~/ \) [9 Y; C32.04
52.20
17.08
11.40
9 F9 y5 n& c& a5 o78.79
0 N: e3 j- C  A' y+ W74%
; m. v$ c5 k# q# [- Q7 ^- Q( d/ f) \五年后终值
11.40
17.80
; n/ V7 S( H& h; p0 c! W: f29.00
6.10
# ^$ a- Z. {$ V% d. h10.50
34.37
87%
) z+ \( }. a' p# X) B; F( D2、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 PM2.5 浓度 减少 的关系 ，建立 最优化方程 。
关键词：主成分析，多元回归改进高斯模型小波神经网络最优化 关键词：主成分析，多元回归改进高斯模型小波神经网络最优化

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