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

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。
$ I$ x2 {2 c; V  z* a: t  \: s问题一：
1、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
% d" h& T; [7 u1 o& s8 ^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
相关。最终给出 PM2.5 与其他 5 个物质 IAQI 值的拟合函数为：
6 q0 w* y; @: ~2 V( O0 m2、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、
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 V- [$ y# r6 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：
LnY = 2.3975Ln𝑋6 − 14.903𝐿𝑛𝑋7 + 19.4621Ln𝑋8 − 44.323𝐿𝑛𝑋9 − 21.929𝐿𝑛𝑋10 −
45.905𝐿𝑛𝑋11 − 85.1032
2 k- z" r5 u! Y6 J' o' y问题二：
. ^6 F* ?, j& |$ t  P3 S6 ~0 V% p" A- v1、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
1 H8 Z$ ~2 o) j) r9 I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 -
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
9 \4 q) c) W2 o1 [3 F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
* x) y8 c& Y# x$ n) o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- G3 ~% e( E扩散与稀释速度加快，污染浓度最大值明显降低。
6 ?4 J- Q% Y* y  I3 H3、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。
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
7 O* Z: U! M0 i! t4 w5 k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。
9 T8 h& H; |+ E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：
年份 第一年 第二年 第三年 第四年 第五年
# A8 F: m# t* c( r/ ^' wPM2.5 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
6 m4 z0 t6 w7 D3 d! `PM2.5 值变化额 36.75 36.75 73.50 49.00 49.00
$ P* J$ c1 h  \0 f+ {7 C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：
% q: G& ^2 F# }* S. ]& |名称
二氧
$ q* w& M% P' g化硫
8 Q3 @4 S# M( B: c+ I/ G二氧
化氮
" o! j& P( Y, N/ U3 C% v* H可吸入颗
; W5 H: l5 S6 a! u/ i粒物
一氧
化碳
臭氧 PM2.5
PM2.5 的
减少幅度
一年后终值 47.88 74.76 121.80 50.02 14.10 220.77 18%
, y. e& A# Q% I3 x' r! V" w( j* `二年后终值 38.76 60.52 98.60 39.04 13.20 172.44 36%
( l5 W% U9 O9 O% }三年后终值 29.64 46.28 75.40 28.06 12.30 124.97 54%
- A" `9 k# J# t8 T" h& X( U8 F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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