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

  G5 V; Y  [3 ^4 j8 q' q+ Q7 t! w
6 Z8 F4 x3 g( f4 Q& W; A/ I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：
% U# h/ B1 c( d; O& P1、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
' v. g3 C& R6 }6 e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
0 z. Y" c" e) D' D& }" q  ~4 Q相关。最终给出 PM2.5 与其他 5 个物质 IAQI 值的拟合函数为：
4 ~' _6 w- y9 _7 |; h9 _, i; [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
/ T* [5 P: G8 ^  g0 |2 P$ f; V9 l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：
4 ~5 ]  }8 \+ `- s9 l6 mLnY = 2.3975Ln𝑋6 − 14.903𝐿𝑛𝑋7 + 19.4621Ln𝑋8 − 44.323𝐿𝑛𝑋9 − 21.929𝐿𝑛𝑋10 −
6 h* g0 a# B- I45.905𝐿𝑛𝑋11 − 85.1032
问题二：
" X' i9 _3 i3 d" U1、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 j0 o  a4 n' y1 g6 E1 Y/ u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
( T4 l- D' N) t  C7 w4 X/ b5 E染情况下，污染源上风和下风 公里处的浓度。
7 p$ f: l' n& X) Q& f, A' g2、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 -
; R7 F' e1 |; \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
0 D/ _% z! f" V4 ~9 B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，
$ j" O2 W% `% o& Q$ C扩散与稀释速度加快，污染浓度最大值明显降低。
9 j2 ^; W8 i3 a3 g1 O( u5 ~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。
# `3 R" G  s4 ?  k$ h: l/ `! e4、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。
, V& b: G9 T  p# m3 ]问题三：
1 C$ l( l7 V5 ?) ~4 A' u- U1、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：
7 k5 u" d/ Y1 T# V+ J4 s) r1 C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
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
' m; u' z  }9 q+ t: \( YPM2.5 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
6 J' n! }& p: P' ?个指标浓度达到对 PM2.5 的治理，其每年的治理计划为：
名称
二氧
4 n. m% B4 S0 c! {* u3 h& w; W+ M化硫
二氧
- S0 y6 [5 Z  J9 ]% ^9 o化氮
可吸入颗
粒物
: h/ \: S8 Z5 T- Q4 G一氧
化碳
臭氧 PM2.5
) u$ u. E: h0 {$ L' NPM2.5 的
6 v# n" ~" F( [, D) U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%
4 h+ }% m/ s: C& n三年后终值 29.64 46.28 75.40 28.06 12.30 124.97 54%
0 U# R5 m, F0 a5 F* H5 s四年后终值 20.52 32.04 52.20 17.08 11.40 78.79 74%
' f" A, R1 R+ a8 M" D2 ^五年后终值 11.40 17.80 29.00 6.10 10.50 34.37 87%
8 D# @& W; I/ x% x' }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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