空气中 PM2.5 问题的研究 上海理工大学 D11075037

杨利霞

空气中 PM2.5 问题的研究 上海理工大学 D11075037

/ u& [) `8 M  p2 d# J% E: A
* Z! p6 i4 d9 R, {+ z; z# f2 v* T8 ?本文主要探讨的是 PM2.5 扩散、衰减模式的问题，根据该模式分析探究
5 T5 {" B& p8 T; b0 l& h1 iPM2.5 的危机治理与后 5 年的治理问题。建立了 PM2.5 与其它污染物之间的多
0 Y: B% v3 G( o" K/ ]  x) s元非线性对数模型；在静态、风力和湿度等因素下，分别探究污染物颗粒的运动
+ ]5 P- T- N. Z7 _$ }模式，并建立了 PM2.5 扩散演变模型；在污染物浓度突变的情况下，依据该模
型得出不同区域污染物的浓度，最后确定安全区域的范围。建立综合费用和专项
* `8 w2 B5 n+ B$ c% |费用的多目标优化模型，并运用系统动力学理论对目标值进一步优化。
2 W; o$ N8 }9 o针对问题一，首先，运用主成分分析法，按照方差贡献率的大小剔除臭氧这
' ?7 w( ]4 B7 `% o- d* a  I个指标；其次，运用 SPSS 软件分析剩余指标之间的相关性及独立性，并建立了
PM2.5 与其它污染物之间的多元非线性对数模型，得出西安市的拟合优度
；最后，搜集西安市的相对湿度数据，运用该指标对模型进行再度优
化，优化后的拟合优度 ，因而相对湿度是 PM2.5 影响因素。
2 r& R9 U$ @0 C5 {) L, u  T  h! |: c8 w针对问题二：（1）运用统计学原理分析 13 个监测点 PM2.5 的浓度，描绘
了西安市 PM2.5 的空间分布云图。同时添加时间因素，探究 PM2.5 颗粒四维空
" ]3 x" |; q+ s7 t5 N. D间分布情况，得出采集点之间的 PM2.5 具有较高的协同性。
（2）分析了静态下 PM2.5 粒子受力，漂移模式，通过结合风速、湿度、大
& D+ P- B4 g1 ^% }6 Q2 n4 m气稳定度等季节性因素从点源、面源两方面分析了 PM2.5 扩散模式；建立了
6 }% |, f# I' l3 ~; i9 z2 A' u0 }PM2.5 点源和面源扩散的偏微分方程模型；通过利用 P-G 曲线近似法，布里吉
斯扩散参数以及现有数据对季节参数进行求解，得出 PM2.5 扩散衰减模型。计
算结果与西安市地理位置和提供数据相吻合，说明模型所刻画传播衰减模式与事
实相符。
$ v7 ]; A0 E% K# P& k/ c' j（3）通过第 2 小问所得的 PM2.5 点源扩散模型与 PM2.5 面源扩散模型，以
4 g: T; N2 p' B2 U3 V; n# T+ Z高压开关厂为参考点，在 3 级北风状态下，运用 matlab 软件仿真模拟出的点源2
与面源扩散情况，其结果展示如下表：
扩散方向 向东 向西 向南 向北
扩散
4 a0 q3 j2 o) e* X距离(m)
/ g. }) ~1 {8 n. l( I# ~, v& F/ k点源模型 50 50 200 10
9 F1 R6 Z5 c, B$ ?7 Z面源模型 500 500 3000 200
- D5 }* m& Z4 Y' T, _1 e3 b（4）结合西安市各个地区的地理位置和天气、气候等条件，建立了各个区之
5 D9 F- O( G/ g5 t% U间的 PM2.5 扩散分析体系，利用西安市 2013 年 1 月 8 日—2 月 8 日的数据，通
过模型求解出各个区之间的 PM2.5 的相互扩散量，然后计算仿真出各个区的
/ r4 u, l, o9 q, p7 r9 O/ L0 z2 ?PM2.5 的浓度，通过与原始值进行对比，发现模型所得结果与实际相差在 10%
' f7 u( C3 K% l* K$ `/ i/ p- s3 D% [之内,说明模型可信。仿真与原始对比如下：
高压开关厂 兴庆小区
( d: Y; J3 V: S( H# U日期 真实值 计算结果 误差率 真实值 计算结果 误差率
2013-1-8 383 356.7054 -6.87% 373 381.1783 2.19%
! `/ _  x5 n1 N! f1 _, g; n2013-1-9 216 211.39 -2.13% 236 217.7147 -7.75%
针对问题三：基于系统动力学理论，考虑治理效果，建立了系统动力学多目
# `* }# f& ^" X+ A, _标复合治理的最优化模型。利用贝叶斯支持向量机方法对武汉市基本面数据进行
# F  K) l# J# e4 j( N% s6 R) _宏观预测，对 PM2.5 进行系统性预测，并且仿真求解出 PM 由 280 单位到 35 单
  P) Q0 G# ^+ T" I9 {位的五年治理方法，结果表明将综合治理与专项治理结合时治理效果最好。其最
优相结合治理计划为：
5 E) N" i6 |8 ]( m年份 2013 2014 2015 2016 2017
4 @: q# Y4 b8 n. x综合
治理
投入费用(百万) 51 42 32 22 12
PM2.5 减少浓度 4.5 19.3 34 48.7 63.5
9 o. y# r, N+ X$ b" g) {# r+ j专项
$ V* l, A3 k  h, i( b1 q5 X: P7 u治理
投入费用(百万) 20 21 19 20 18
5 ?8 v* |8 {$ i8 M8 m4 |! S& }% pPM2.5 减少浓度 28 21 15 8.5 2
4 S( X' ~5 H7 h. P/ ?/ R1 `' b最后结合本文研究结果，对研究实施进行总结撰写了一份研究试验报告。
7 ?8 {; u; q& R本文创新点在于，建立了基于贝叶斯理论的支持向量机方法和基于系统动力
学的多目标治理模型。

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