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

; O) k5 C# ?- F8 T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。
- ?0 I/ ]0 b5 [! F- p问题一：
* L" k& x! g9 j7 v: g' d4 X- D1、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
6 T7 L+ ~9 E3 e" B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
& f  C5 c; _/ q9 l+ G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、
- v/ [8 l3 r7 M, x- ?4 J' J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：
+ k& A' b# P& ?2 Z9 p* H0 JLnY = 2.3975Ln𝑋6 − 14.903𝐿𝑛𝑋7 + 19.4621Ln𝑋8 − 44.323𝐿𝑛𝑋9 − 21.929𝐿𝑛𝑋10 −
4 o3 K+ W$ h9 H9 L: s45.905𝐿𝑛𝑋11 − 85.1032
* c5 m6 d, Y0 b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
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
$ d' D2 ^; Q& x; [5 U; I9 e. i( \染情况下，污染源上风和下风 公里处的浓度。
2 F! R  A4 m0 i- B8 }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
- I1 Y& C8 J/ l; X( j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 -
$ L5 S. _; X0 M4 v: z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
7 v. ^8 V6 V+ G& c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。
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
" Q4 Z% j) E, `0 K0 J# Z  @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 v& M; I2 `- X2 `; `  i4、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。
问题三：
1、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：
6 G5 r% q  M4 [) ?4 y4 M9 D年份 第一年 第二年 第三年 第四年 第五年
. U4 |8 U- G' H- }* U4 OPM2.5 值变化额 2.3 7.3 18.3 61.3 155.9
' i. u8 V: `5 ?& _6 l" O9 ~' @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
PM2.5 值变化额 36.75 36.75 73.50 49.00 49.00
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
+ m: E  w; h. ^& F: N  `+ K  r% ~个指标浓度达到对 PM2.5 的治理，其每年的治理计划为：
名称
* M8 m. U, i3 v6 O$ M4 k二氧
" M% z9 l% G* }" s2 `8 [# h化硫
二氧
化氮
2 w1 h) m, c* g# Y* p可吸入颗
粒物
一氧
: I; I  n4 \- u0 f# C0 j8 H化碳
臭氧 PM2.5
PM2.5 的
8 `: Z3 m/ X/ M! M8 \: @3 P减少幅度
3 ~; g0 `1 ~% q% P) _一年后终值 47.88 74.76 121.80 50.02 14.10 220.77 18%
9 g+ Y9 {: c9 |: L# J, v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%
  r* n4 ]/ b; a' w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
% Y; {0 _# W8 Q: i/ U" x, S* kPM2.5 浓度减少的关系，建立最优化方程。
2 H0 Y1 M4 P3 A( D+ M