PM2.5 扩散预测模型及相关问题研究 上海理工大学 10252094队

杨利霞

PM2.5 扩散预测模型及相关问题研究 上海理工大学 10252094队

0 U9 z* O" }5 n: l( E( q# x% O6 a3 e
6 T) q8 |$ Z7 A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。
3 f# V$ W1 g% ^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、
! o0 t9 ~$ m2 Z$ Z# U) h  Y2 {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
- E: O4 ?2 B& Y1 Y1 G$ Z# b8 s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
相关。最终给出 PM2.5 与其他 5 个物质 IAQI 值的拟合函数为：
% l2 p0 v7 O; ~3 X7 I' o3 q8 }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
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：
- Q  o* j0 I: \2 R& v( kLnY = 2.3975Ln𝑋6 − 14.903𝐿𝑛𝑋7 + 19.4621Ln𝑋8 − 44.323𝐿𝑛𝑋9 − 21.929𝐿𝑛𝑋10 −
45.905𝐿𝑛𝑋11 − 85.1032
% o3 W8 l1 q: ]* T7 k- ]5 n5 k问题二：
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
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
4 ^3 ?( K5 s$ r. G, G1 x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
染情况下，污染源上风和下风 公里处的浓度。
4 V. H6 _+ I" e# [: Q2、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+ f! G: u" Z' \. [% p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
) d5 \' Z  p" M7 a$ }2 _8 ?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
/ G, w- g+ _! _+ l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
1 x6 K& v3 g" [8 u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，
扩散与稀释速度加快，污染浓度最大值明显降低。
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
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
区。
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
过 Matlab 实现了对 PM2.5 值的预测，预测拟合度较高。
; F& x  w8 d1 S问题三：
1、提出三种治理方案：长期治理、快速治理、全面治理。
( n# \8 J5 n+ k: p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：
1 m/ H% ~2 C, h  H- s. }年份 第一年 第二年 第三年 第四年 第五年
5 f( I/ l3 y! R% z0 J7 m7 YPM2.5 值变化额 2.3 7.3 18.3 61.3 155.9
快速治理考虑治理成效，其每年的治理计划为：
年份 第一年 第二年 第三年 第四年 第五年
) H6 T- S1 x7 nPM2.5 值变化额 36.75 36.75 73.50 49.00 49.00
) ]$ A! J- T: B, X- l- G' W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
个指标浓度达到对 PM2.5 的治理，其每年的治理计划为：
* M( L5 q9 v9 Z名称
, h# i5 j/ @3 G二氧
$ q' {' ?* Q2 ]. b) ?! w! Q化硫
二氧
化氮
2 x3 u) _  o. `6 B- P可吸入颗
+ s3 v- ~6 G, c4 V" V; J粒物
一氧
% ~, ~# U, B3 F. K; \化碳
臭氧 PM2.5
PM2.5 的
减少幅度
一年后终值 47.88 74.76 121.80 50.02 14.10 220.77 18%
二年后终值 38.76 60.52 98.60 39.04 13.20 172.44 36%
; B, n( s+ `( J, B6 Z& s三年后终值 29.64 46.28 75.40 28.06 12.30 124.97 54%
' L1 n- v+ b  R4 J8 [四年后终值 20.52 32.04 52.20 17.08 11.40 78.79 74%
五年后终值 11.40 17.80 29.00 6.10 10.50 34.37 87%
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
" M4 F9 {8 R; w# XPM2.5 浓度减少的关系，建立最优化方程。

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