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

6 ^5 E$ x" g, b( r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
# d. f! J! S! l! v5 j评估及污染治理等相关问题进行了研究，取得了以下成果。
问题一：
$ P5 L6 T& v( [* N7 q4 W  C1、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
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
& c/ b& g7 {) g/ \2 M: }相关。最终给出 PM2.5 与其他 5 个物质 IAQI 值的拟合函数为：
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、
1 R. T5 h- k" l  \2 N; \0 E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
! x; S$ V4 h- L7 n% Q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：
7 ], d$ E) w/ Y4 A; wLnY = 2.3975Ln𝑋6 − 14.903𝐿𝑛𝑋7 + 19.4621Ln𝑋8 − 44.323𝐿𝑛𝑋9 − 21.929𝐿𝑛𝑋10 −
, r( P, A9 K& H& \. Y' \4 u0 Z7 X45.905𝐿𝑛𝑋11 − 85.1032
  }+ C$ y# p; D/ G* c7 O0 h问题二：
% y3 [, a; h7 F0 Y4 R0 _- y9 ~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
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。
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
. G8 z/ F0 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 -
' S$ C: |, k( y6 e5 R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
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
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
" J3 o9 `1 |5 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，
/ N  W7 _1 c5 r( i; p1 c( Q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
1 Y4 G; `+ R$ o区。
& E' W  |+ [/ V% O2 M  ]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
" v4 o8 u; @- ^" h' x过 Matlab 实现了对 PM2.5 值的预测，预测拟合度较高。
" @( X+ C% q/ Z$ ~  d问题三：
& I0 G! a" r* N5 y' {0 y6 F1、提出三种治理方案：长期治理、快速治理、全面治理。
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 x/ P5 @5 T5 G+ l8 t年份 第一年 第二年 第三年 第四年 第五年
. ]  M8 I& u2 G" \2 KPM2.5 值变化额 2.3 7.3 18.3 61.3 155.9
  `3 @: }* X, E- h- B! K# L" `( D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
. }$ _7 |! L: H' _2 nPM2.5 值变化额 36.75 36.75 73.50 49.00 49.00
8 B2 e- `. P! r; }% k8 i" h" p% W: 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：
" f7 _) V6 v8 c0 p6 |- q8 O+ V名称
1 Y( p  s6 ~4 {0 l! m- d0 K二氧
化硫
二氧
; z& L4 }6 M2 K1 l8 H1 r3 V# Y$ s) z化氮
4 v$ M5 G3 M# c0 Y+ X/ D8 q9 i. F可吸入颗
  J5 Q% w* |4 Q6 ]; s$ ]粒物
一氧
# q/ ~+ Y1 T, f# E" Q- _  q化碳
$ B+ [( F" W0 x& y* D0 n臭氧 PM2.5
  |  N  g1 P# TPM2.5 的
减少幅度
7 O& G: x9 W$ i( d3 N% J: F7 \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%
- l- f  i* w5 |6 D1 i  q8 n5 u三年后终值 29.64 46.28 75.40 28.06 12.30 124.97 54%
) }0 }* `- Q- l' v3 N/ G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
$ |3 g: H8 u& Z2 i8 \PM2.5 浓度减少的关系，建立最优化方程。
" F! {4 H' K0 {& b5 g2 B
0 W" h4 }0 E8 D9 j9 N
5 q7 ^4 E8 ~7 z" C0 V