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

( 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
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：
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
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：
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、
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：
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
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。
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 -
$ 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
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
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。
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
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。
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
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
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
个指标浓度达到对 PM2.5 的治理，其每年的治理计划为：
名称
6 }  A/ `3 W. u+ a$ p8 h二氧
# G; ]) C  W& V/ q8 F* M- G6 d化硫
二氧
% p' U: p$ K7 s% ]+ v. x* m化氮
可吸入颗
( ^+ \: C& E6 x; ~/ B粒物
一氧
/ X3 ?1 G7 i( f* e4 W! y化碳
臭氧 PM2.5
PM2.5 的
  Z4 v& @; D8 H; a) [- G0 ~减少幅度
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%
三年后终值 29.64 46.28 75.40 28.06 12.30 124.97 54%
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
PM2.5 浓度减少的关系，建立最优化方程。

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