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

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/ H5 q+ z. D) _2 g4 x! n7 d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
# F( y4 C8 k2 P6 V- k# l% e  I评估及污染治理等相关问题进行了研究，取得了以下成果。
; d% a- K% l5 E' I( e8 W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、
& ~( y. E/ C& r2 u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
* b& b' e' ]/ J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
6 B4 L( U+ f% C7 Q8 M相关。最终给出 PM2.5 与其他 5 个物质 IAQI 值的拟合函数为：
) ~- F) A$ n# o2 s# ^5 z2 O: _4 T, C2、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、
* n5 W7 Y! {8 W4 T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：
LnY = 2.3975Ln𝑋6 − 14.903𝐿𝑛𝑋7 + 19.4621Ln𝑋8 − 44.323𝐿𝑛𝑋9 − 21.929𝐿𝑛𝑋10 −
45.905𝐿𝑛𝑋11 − 85.1032
4 b" u% A1 X$ n+ k% K# ~; k问题二：
) e8 c; [' L$ e# s. c" S- H1、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
9 g" n/ w7 K$ @0 A4 _6 K1 {$ d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
5 T0 H% c7 r; t: U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
. a( F! P- R7 M5 u; h染情况下，污染源上风和下风 公里处的浓度。
( U' F2 A# r) R$ i2、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 -
2 M4 e7 F: {, X# l! Y, U5 b$ R' y& W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
1 A$ }6 b0 A" h+ P9 s( d2 r- 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，
" U/ Y' o+ u  ?5 m# S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
区。
% V, a; \. X1 |1 A: _. A7 {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。
: D+ E; Z$ H! {- ^2 N问题三：
1、提出三种治理方案：长期治理、快速治理、全面治理。
5 i/ r3 _+ _# U: P! Y: A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：
9 ?) O# Z5 F7 v1 o6 W- {& f! B年份 第一年 第二年 第三年 第四年 第五年
; L! p7 X6 c6 VPM2.5 值变化额 2.3 7.3 18.3 61.3 155.9
# C- i$ ^7 f) o+ s1 b/ F快速治理考虑治理成效，其每年的治理计划为：
  j% }( U: x$ n/ D0 A年份 第一年 第二年 第三年 第四年 第五年
+ b% R7 n  q+ T" FPM2.5 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
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 z5 G# v& U4 b  |2 m二氧
' Q: o! k" m; M* x0 `( o化硫
二氧
( W: b# e2 ]4 @' m) v化氮
, P# E+ ^5 R2 K) F+ ^+ x可吸入颗
8 @: \; j% i% }" q! i粒物
0 U' K+ |% f2 {& `2 g一氧
化碳
臭氧 PM2.5
PM2.5 的
8 W/ d& T/ `: `减少幅度
一年后终值 47.88 74.76 121.80 50.02 14.10 220.77 18%
( x& c! k- }" s% @/ E9 i+ V5 r二年后终值 38.76 60.52 98.60 39.04 13.20 172.44 36%
+ c  P  e9 T% c' Z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%
; V/ a/ e3 G5 T2 u# h五年后终值 11.40 17.80 29.00 6.10 10.50 34.37 87%
% p# Z; A( v: ^0 W- q5 L; R/ j2、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
$ b8 S; ^4 N4 x* Z% M& I8 v3 NPM2.5 浓度减少的关系，建立最优化方程。
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