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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2 i1 {( k& R: U- D7 J% r. e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：
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、
' k9 ~( h9 c7 y$ x: \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
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
1 Y& I" L6 T6 F* M相关。最终给出 PM2.5 与其他 5 个物质 IAQI 值的拟合函数为：
* U/ S8 x% P+ v$ H2、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、
9 ]3 R" ~6 h! ^# q5 K/ P/ M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
8 C( m8 m: Q2 d2 \5 i8 ]问题二：
2 s9 O8 h( m6 L' h' c6 X1、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
% |6 J5 f, N& o6 n0 O% U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
$ g) E, p  S+ b3 P, G5 h% b* |  F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# _, y2 ^+ d2 f; e4 `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
5 a0 A5 E2 s2 h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
) a2 N. @- T7 y3 u% f% z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。
; P  k. w2 L, L7 |3 i3、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 y8 ^/ u5 }) C$ o* o2 L区。
0 K. j& c8 [( R9 G. Q0 l4、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。
5 z+ O3 }& p& x: M问题三：
4 d; Y7 X# x. F. s- M1 c1、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：
年份 第一年 第二年 第三年 第四年 第五年
0 E" c0 f4 }8 o" sPM2.5 值变化额 2.3 7.3 18.3 61.3 155.9
, f1 A' s5 Y! x0 f0 }9 L快速治理考虑治理成效，其每年的治理计划为：
0 o, |1 n1 C, j" s7 z! @年份 第一年 第二年 第三年 第四年 第五年
. g7 @) v9 {' C" g  `PM2.5 值变化额 36.75 36.75 73.50 49.00 49.00
" H- {5 u0 \: w/ K) ?2 V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：
) H" n3 v! z" a# M( }# f# `% `名称
二氧
) q3 S  T7 s/ h! z. |1 N化硫
6 G2 f) y/ S' }. E二氧
化氮
/ \- N2 w0 i* \! e6 D+ ]可吸入颗
粒物
+ }1 \8 P$ ^0 m9 {7 q一氧
化碳
臭氧 PM2.5
) D: Y: }$ w. f5 A% _. cPM2.5 的
减少幅度
一年后终值 47.88 74.76 121.80 50.02 14.10 220.77 18%
" O& ~- O0 Z6 B二年后终值 38.76 60.52 98.60 39.04 13.20 172.44 36%
% p0 }+ E1 {$ ~- |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%
2 d  v! h/ V* r3 |( p' d五年后终值 11.40 17.80 29.00 6.10 10.50 34.37 87%
1 K. I0 D$ p' ?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
* |- _/ d  J8 g0 q+ NPM2.5 浓度减少的关系，建立最优化方程。
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