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

+ O3 y. k, l- Z4 v( X/ Z# W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：
: W( r6 J/ x5 E9 b5 X/ k1、研究二氧化硫X1、二氧化氮X2、可吸入颗粒物 PM10X3、一氧化碳X4、
# m$ V3 K8 H- R3 t/ y. p* G3 K& L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
, S" m  T* x: c6 d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
2 ^! O5 x7 T$ u( h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：
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
" P% h5 I( o5 o% S  j0 Q! k3 O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、
- f) R0 \3 z4 n8 m, v4 o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
" E. R% T' h& k# P" w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
1 b; B$ k7 }7 E% I9 `0 \  |, D) k, F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
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
6 c2 _7 k. V" ~- y9 v% Q& M) }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
$ T' p) Q6 v% n  e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
% I3 g0 P; ?9 ~3 C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
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。
; Y) g! e7 S7 C! D1 ?6 v3、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
* `& _  U8 K. }* l3 y; ~5 @' _' {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。
8 P7 w7 S; [0 r4 i2 V, L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：
年份 第一年 第二年 第三年 第四年 第五年
: k0 R( N: y7 UPM2.5 值变化额 2.3 7.3 18.3 61.3 155.9
& z; ?- @+ n* U, `# }# i快速治理考虑治理成效，其每年的治理计划为：
9 X: t6 |4 _3 l% H年份 第一年 第二年 第三年 第四年 第五年
5 t  c- f3 s. \* k1 ~* H& c; uPM2.5 值变化额 36.75 36.75 73.50 49.00 49.00
; A9 Q: g3 v0 s4 O' }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
: B6 q2 T2 J2 @9 N: O- Q( ^个指标浓度达到对 PM2.5 的治理，其每年的治理计划为：
( i) g9 l* G/ I1 N/ ^名称
& l& |1 I6 ], B+ N二氧
化硫
二氧
; v  G1 N# X( ?) }9 x! S化氮
可吸入颗
粒物
0 V" @1 q7 L  C  \- a  P# A一氧
化碳
臭氧 PM2.5
9 H# |7 D! r; r* u, X/ HPM2.5 的
: [3 t7 T5 k  B: y# b9 o减少幅度
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%
3 D7 m4 q$ W$ a& s+ c9 ~+ F三年后终值 29.64 46.28 75.40 28.06 12.30 124.97 54%
: l# a  @! t8 @* t- p5 b四年后终值 20.52 32.04 52.20 17.08 11.40 78.79 74%
  Q" ~/ ]! z" s3 H( w- B6 x五年后终值 11.40 17.80 29.00 6.10 10.50 34.37 87%
. f5 z! F1 ?& W. Q& C9 H( U; e2、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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