PM2.5 扩散预测模型及相关问题研究

madio

摘 要：
/ L) X' H  B1 ?* {" H5 ]# X4 M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
  E% y  {8 \# c1 z& K评估及污染治理等相关问题进行了研究，取得了以下成果。
3 q; n1 c6 j$ _6 m- w问题一：
- d9 N4 A5 K5 p. h- v: a3 i1、研究二氧化硫X1、二氧化氮X2、可吸入颗粒物PM10X3、一氧化碳X4、
: L5 I# ~% O! `3 c( |) k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
8 t/ }/ G' W: U, _! I- p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
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
- X6 _" c" c' i" r相关。最终给出PM2.5 与其他5 个物质IAQI 值的拟合函数为：
0.2262 0.2416LnX 0.3526LnX 0.3546LnX - 0.2154LnX 0.969 1 2 3 4 5 LnY  LnX    
1 i; k! D; a2 d) h; J4 R! L- _: g6 y4 \) i2、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
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
5 f( T4 |4 V7 o/ D) n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：
& V/ t1 t7 s% y: jLnY = 2.3975Ln𝑋6 − 14.903𝐿𝑛𝑋7 + 19.4621Ln𝑋8 − 44.323𝐿𝑛𝑋9 − 21.929𝐿𝑛𝑋10 −
$ C" H# h# g# ?3 J6 x8 x45.905𝐿𝑛𝑋11 − 85.1032
问题二：
6 U$ ]  d; @. o% s. Z- u1、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
染情况下，污染源上风和下风L公里处的浓度。
6 F3 S5 T" @- K; C  L) z2、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
& g* ]+ t$ R' g) [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
% _$ X0 y( h8 \8 Z" \  ^- 3 -
" ?( H. i$ j7 X* z1 V; A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。
4 \  C  k+ S+ D: I0 O3、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。
: F: n$ d( t, e' ]. M  H8 ^9 R4、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。
  [, I' y+ g* C; D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：
4 A6 [8 W& [0 O- Y年份
! q" U0 e! }0 S  U/ y" o# {第一年
) R# w0 R' |( \5 w/ O4 u2 F2 y第二年
第三年
3 v" X$ D- ]. @第四年
第五年
. i, P0 [. O) t, I" ~; lPM2.5 PM2.5PM2.5PM2.5值变化额
/ i& P6 A6 H; Z$ S2 O' m2.32.32.3
, q8 p! ?( U: r6 w) h7.37.37.3
18.318.318.318.3
61.361.361.361.3
0 F% ~" Y. C" q) f& i9 |( |155.9155.9155.9155.9155.9
快速 治理 考虑 治理 成效 ，其每年 的治理 计划 为：
年份
: n# B$ r. U- t" R" X$ v3 \第一年
9 _2 j, s0 |& \8 h2 y5 h# a第二年
  n# X' p$ @" Z% V第三年
第四年
第五年
$ u, ~( l# C3 O+ r- R: @PM2.5 PM2.5PM2.5PM2.5值变化 额
36.7536.7536.7536.7536.75
! w" K( i" k6 M+ A8 U  {36.7536.7536.7536.7536.75
& P0 i+ f5 B: U. @1 I73.5073.5073.5073.5073.50
5 j/ V2 i4 J, z$ S) |49.0049.0049.0049.0049.00
49.0049.0049.0049.0049.00
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：
名称
6 Q/ x7 _& x2 L/ a( c, t4 Y二氧
2 k, D4 B( D0 H) X) E化硫
二氧
化氮
; W) o& z! D1 |. M- l( q; {8 x% s可吸入颗 粒物
一氧化碳
臭氧
PM2.5
/ x6 p4 N: O7 i% ?$ vPM2.5 的 减少幅度
1 g" ~2 S+ \: U) E- h! S" Y1 ~5 L9 T一年后 终值
47.88
74.76
0 G2 b- L/ Q, \5 u" E* @121.80
50.02
1 L' @1 T, E( a2 z- ]/ _6 E, \2 T14.10
) U; X+ G2 |& y$ u9 R& j7 O' |220.77
18%
  _/ p# t- @4 M+ K, s二年后终值
38.76
60.52
98.60
1 o9 S7 V# M3 G0 r4 k39.04
/ W) p. B' G5 U13.20
( a5 v9 _$ j& S$ Q+ `' h. s172.44
36%
三年后终值
' o7 S. B# W6 g1 w29.64
$ y$ {5 [6 Z- Q2 V- B46.28
+ u: X3 I) ^9 {' Q, D75.40
28.06
12.30
124.97
5 |9 M5 [/ C! ^0 j# A54%
" A: J/ B+ S3 ~7 _% p1 r0 J四年后终值
20.52
- e+ o4 R: |1 z# n$ t, \' p4 g32.04
52.20
17.08
11.40
78.79
  ?4 x! Y3 b$ ~7 X! \9 J( g74%
五年后终值
. V5 S' r1 _" X11.40
17.80
) d7 L8 m9 J$ ]. E! Q0 I& B7 c7 w, h5 f$ B29.00
6.10
' I  a8 M, |. S* }* @" Q) j* h" ?10.50
34.37
87%
' g9 _% l) s9 W7 k$ `; F8 ~6 {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 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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