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。
2 y9 j, ?! y! G# D! ~$ d. D% p: T问题一：
4 L* s+ y; P9 s' C1、研究二氧化硫X1、二氧化氮X2、可吸入颗粒物 PM10X3、一氧化碳X4、
3 g: x, d& {2 \8 U  Y* g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
" O3 \8 m$ |: p3 b7 J* y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
5 e% R! P9 A4 w4 E+ L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
! K) `3 `# p5 `3 ?2 o  {相关。最终给出 PM2.5 与其他 5 个物质 IAQI 值的拟合函数为：
7 S$ Z3 G! T5 T" t; t2、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
. ~4 E7 O( S, |2 ?0 S, B. 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 −
2 |. O  Z( V/ b5 I2 d45.905𝐿𝑛𝑋11 − 85.1032
问题二：
: d) x; `+ `$ A, B; 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
1 m$ P1 O# f* p4 m1 q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
. ^" B3 n' i" t染情况下，污染源上风和下风 公里处的浓度。
9 ]) J2 n; ^& x$ S6 {; R2、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 -
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
( [6 n! `  C, l* `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
9 m* y0 {  I5 `( Z" N# a8 ]4 h& S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
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
" ^6 Z! L2 @" R$ a: s: Z区。
! D( j/ n8 ~3 s3 M4 F3 g" a1 E& {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
过 Matlab 实现了对 PM2.5 值的预测，预测拟合度较高。
问题三：
3 O4 k" K6 A# z2 w9 C1 v1、提出三种治理方案：长期治理、快速治理、全面治理。
) I' F$ G: ?: M- k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：
- N! \/ q) \* j6 q年份 第一年 第二年 第三年 第四年 第五年
) e$ ?2 i8 h4 ~8 D  x* @* tPM2.5 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：
' B" [, F& Z& c8 i5 {+ [% U年份 第一年 第二年 第三年 第四年 第五年
* Q0 f9 {8 Z' C8 e2 Q! I0 C% uPM2.5 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
  u" X' R$ l( ^个指标浓度达到对 PM2.5 的治理，其每年的治理计划为：
. P% V- u' L  E! \名称
  \- z/ s0 a; o3 M二氧
+ B5 q1 w. Z. _. x化硫
二氧
6 h& [* `5 {8 T$ l: L" c化氮
$ F: q! N& L. ?/ o" R  R2 j  K可吸入颗
粒物
一氧
( ?5 E; d" @8 p& I' U/ z$ e6 D化碳
臭氧 PM2.5
PM2.5 的
( g- V0 ?4 y9 ^7 k: f7 h% u减少幅度
2 u  Q: G, D- s1 F" c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%
. N; k6 Y* L- }& ~1 q. @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%
( m+ x- `# l. q2 }, w& Q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。
* E% T7 [# x* g/ k$ F5 }8 P$ d

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