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

1 j; o, U5 r$ E- y; ?( G* B
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：
! P/ w+ Q( c+ x0 J+ Y) y1、研究二氧化硫X1、二氧化氮X2、可吸入颗粒物 PM10X3、一氧化碳X4、
' k2 E% E0 u& v) Q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
5 s+ p3 y+ J) _' V- w4 G8 X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 v! p1 k% p7 H4 `& H相关。最终给出 PM2.5 与其他 5 个物质 IAQI 值的拟合函数为：
, \7 W1 ]+ I5 e4 ^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
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 J! e: d. Y8 e- C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
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
: t8 @0 g( H! @5 L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。
8 Q, ?5 n7 }+ j; C9 J5 q2、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
# N; X/ Y- W9 T, ^$ [  |' Z. n$ K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 -
' R  i  t0 X  M, D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
+ q% G. U( u' _4 d/ n! p' _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
6 Y. `! \' C7 m& @/ K- D3 Z2 N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
: V: U9 H; k9 t5 L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
过 Matlab 实现了对 PM2.5 值的预测，预测拟合度较高。
4 }  U6 M& z! X' }; j: l9 p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 {  J4 Y3 d& O6 K  L8 v( e" i4 B) T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
& B( }5 X' ~& }# P6 \( Z8 \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
0 C7 ]( h$ G4 T# jPM2.5 值变化额 36.75 36.75 73.50 49.00 49.00
! z9 s: \! f) K1 s. W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：
名称
% C5 x/ q: g/ x2 e" a二氧
化硫
二氧
8 g4 n: `! J; \  q+ T% d化氮
8 t. |  h6 _8 G0 J2 p1 V- l可吸入颗
' r2 W2 [5 }' Y粒物
7 [; p/ l$ h- R3 A9 k一氧
化碳
% I$ r! O' s! z6 Z$ w8 ~臭氧 PM2.5
9 u) a. _; b5 f9 q5 yPM2.5 的
' G+ Q1 M; v$ H减少幅度
/ f5 s6 e+ \: J) D8 [1 i  n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%
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%
" u* W3 |( {" D7 l& W2 z五年后终值 11.40 17.80 29.00 6.10 10.50 34.37 87%
, m3 N1 F  s% m: \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。


2 {1 l* Y% p- H' q2 T1 V$ C