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PM2.5 扩散预测模型及相关问题研究 上海理工大学 10252094队 ( R' q' u, x: Y" \3 A
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( i3 p1 U! i0 Y' p, k2 |% c/ 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% e6 r. }1 b+ m8 _$ M) N
评估及污染治理等相关问题进行了研究,取得了以下成果。. d4 k7 d& h5 m. X
问题一:
5 j. L. _4 B% j- O1、研究二氧化硫X1、二氧化氮X2、可吸入颗粒物 PM10X3、一氧化碳X4、
6 a- Z W \ W7 V/ r1 ?+ y% ?" 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8 K2 M% e! a7 B4 y% b, W% j0 l
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
. P, ~1 w' v8 l* g0 |0 x6 ]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
' H, X+ R& \5 w$ E. |1 n: }6 ]0 r相关。最终给出 PM2.5 与其他 5 个物质 IAQI 值的拟合函数为: : n" p( \. E6 f
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
- Q- I" ?' M. R+ o% O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、& l, k" F; i6 Q. \4 B. F) z6 G
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
6 k, C* U" p4 _+ I7 ^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:1 w$ @, s- b z, K3 s8 k
LnY = 2.3975Ln𝑋6 − 14.903𝐿𝑛𝑋7 + 19.4621Ln𝑋8 − 44.323𝐿𝑛𝑋9 − 21.929𝐿𝑛𝑋10 −
; ]0 K2 Y5 n3 Z$ H; n45.905𝐿𝑛𝑋11 − 85.1032
' z# H% ~4 _8 k- {* O: ]' W2 @3 m! \问题二:
: @( b* k* J! D% G$ A5 I4 E1、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
7 q6 I0 s* [: @: A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: l6 [0 s5 D0 |! h9 [" D/ O
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
: v8 X% m$ a) f; ?- f7 Q1 o染情况下,污染源上风和下风 公里处的浓度。5 W* }6 ~' [ X! a; l7 P7 y8 J
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( r1 x9 N" q3 c* 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 -
$ H% k/ X% P& [( K# k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% A1 a/ y" R1 G. Z" x3 y& b
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0 K' f' k4 f& _7 s! G 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/ a K4 q# q* S' v2 m H
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,) c6 i2 @/ ?$ _8 e, z
扩散与稀释速度加快,污染浓度最大值明显降低。
9 `7 }/ Q- y; X$ _$ r- N. E; N, y3、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
A: d+ T. N0 z, Y* ?* ]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: t2 x) E' ?2 |8 l y
区。
8 u9 ^, X% P) U4、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
4 }- ^8 l3 z; u# B. l* z% ?过 Matlab 实现了对 PM2.5 值的预测,预测拟合度较高。
/ @7 u1 J- d' S' a' q问题三:
) u2 C) d2 @0 w8 l1、提出三种治理方案:长期治理、快速治理、全面治理。 Y2 H% s! r, z3 g
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:
# r5 ^) Y; d2 z* _年份 第一年 第二年 第三年 第四年 第五年' O% H% J# A" ]# {
PM2.5 值变化额 2.3 7.3 18.3 61.3 155.9
& X3 G% x: T9 `3 r6 t8 ^快速治理考虑治理成效,其每年的治理计划为:
, n; C1 v, }5 ^0 S- A7 w年份 第一年 第二年 第三年 第四年 第五年+ d9 r0 T( y3 s# `4 P6 E
PM2.5 值变化额 36.75 36.75 73.50 49.00 49.00
8 S3 v6 e% A3 ~. I0 `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 0 f6 \% f6 z# M" v
个指标浓度达到对 PM2.5 的治理,其每年的治理计划为:0 O4 T8 J6 G6 ^5 S. q, y" n
名称
6 } A/ `3 W. u+ a$ p8 h二氧
# G; ]) C W& V/ q8 F* M- G6 d化硫9 M# u5 I7 e. a9 ? Y' W
二氧
% p' U: p$ K7 s% ]+ v. x* m化氮; L) L( ]0 w! Z1 H6 z
可吸入颗
( ^+ \: C& E6 x; ~/ B粒物* M* { h$ l6 U
一氧
/ X3 ?1 G7 i( f* e4 W! y化碳 : p& o' H0 F# p8 {
臭氧 PM2.5 ) k3 M/ i7 Z- ?+ _- c! F2 R7 M
PM2.5 的
Z4 v& @; D8 H; a) [- G0 ~减少幅度; A# P4 S- |4 }& L
一年后终值 47.88 74.76 121.80 50.02 14.10 220.77 18%
e2 i5 a( C# |" H' I Z1 h二年后终值 38.76 60.52 98.60 39.04 13.20 172.44 36%+ i5 X' r9 w& P: ^* b" _: y
三年后终值 29.64 46.28 75.40 28.06 12.30 124.97 54%" t. @ P9 _- J o
四年后终值 20.52 32.04 52.20 17.08 11.40 78.79 74%6 u# N# `: S6 ?3 Q& s* n) G; G
五年后终值 11.40 17.80 29.00 6.10 10.50 34.37 87%6 L' u5 P3 ?- e
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 ! N1 J0 \0 C/ H! j8 Q; |9 \
PM2.5 浓度减少的关系,建立最优化方程。 & W7 K% ]4 b/ T; j+ ]% ]
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