空气中 PM2.5 问题的研究 上海理工大学 D11075037

杨利霞

空气中 PM2.5 问题的研究 上海理工大学 D11075037

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本文主要探讨的是 PM2.5 扩散、衰减模式的问题，根据该模式分析探究
& A% H6 k/ g3 Z1 P5 g. {PM2.5 的危机治理与后 5 年的治理问题。建立了 PM2.5 与其它污染物之间的多
! M/ p* d% Q5 ]% r2 C元非线性对数模型；在静态、风力和湿度等因素下，分别探究污染物颗粒的运动
模式，并建立了 PM2.5 扩散演变模型；在污染物浓度突变的情况下，依据该模
型得出不同区域污染物的浓度，最后确定安全区域的范围。建立综合费用和专项
费用的多目标优化模型，并运用系统动力学理论对目标值进一步优化。
针对问题一，首先，运用主成分分析法，按照方差贡献率的大小剔除臭氧这
' I8 {' S& ]2 B2 t6 c8 U2 S' g个指标；其次，运用 SPSS 软件分析剩余指标之间的相关性及独立性，并建立了
PM2.5 与其它污染物之间的多元非线性对数模型，得出西安市的拟合优度
；最后，搜集西安市的相对湿度数据，运用该指标对模型进行再度优
! I% z$ p$ g1 T" ?% c$ |化，优化后的拟合优度 ，因而相对湿度是 PM2.5 影响因素。
针对问题二：（1）运用统计学原理分析 13 个监测点 PM2.5 的浓度，描绘
了西安市 PM2.5 的空间分布云图。同时添加时间因素，探究 PM2.5 颗粒四维空
4 A, M# q# Y# l. D2 e间分布情况，得出采集点之间的 PM2.5 具有较高的协同性。
- W/ ]8 O  L7 y) `（2）分析了静态下 PM2.5 粒子受力，漂移模式，通过结合风速、湿度、大
气稳定度等季节性因素从点源、面源两方面分析了 PM2.5 扩散模式；建立了
PM2.5 点源和面源扩散的偏微分方程模型；通过利用 P-G 曲线近似法，布里吉
7 \  S- i- S4 N8 L+ _斯扩散参数以及现有数据对季节参数进行求解，得出 PM2.5 扩散衰减模型。计
+ w% W  @1 l! [0 B4 P算结果与西安市地理位置和提供数据相吻合，说明模型所刻画传播衰减模式与事
实相符。
（3）通过第 2 小问所得的 PM2.5 点源扩散模型与 PM2.5 面源扩散模型，以
高压开关厂为参考点，在 3 级北风状态下，运用 matlab 软件仿真模拟出的点源2
; ^* h" {9 K" [: \* D与面源扩散情况，其结果展示如下表：
扩散方向 向东 向西 向南 向北
扩散
距离(m)
- R. U& }5 K/ B$ |点源模型 50 50 200 10
+ E9 B4 t) O: @' I6 m- S面源模型 500 500 3000 200
（4）结合西安市各个地区的地理位置和天气、气候等条件，建立了各个区之
( B% e! Q% {4 M. W; v, G  @' n% {间的 PM2.5 扩散分析体系，利用西安市 2013 年 1 月 8 日—2 月 8 日的数据，通
过模型求解出各个区之间的 PM2.5 的相互扩散量，然后计算仿真出各个区的
6 T9 D- n* O+ e# W% u. A/ q* L8 b# pPM2.5 的浓度，通过与原始值进行对比，发现模型所得结果与实际相差在 10%
" R) x7 e. g+ x8 i! ^  X: c之内,说明模型可信。仿真与原始对比如下：
, b: Z( ~: L4 q# D7 h高压开关厂 兴庆小区
" i, z3 w6 m$ y* P! ?日期 真实值 计算结果 误差率 真实值 计算结果 误差率
2013-1-8 383 356.7054 -6.87% 373 381.1783 2.19%
9 O' G3 ]$ o$ C4 n2013-1-9 216 211.39 -2.13% 236 217.7147 -7.75%
针对问题三：基于系统动力学理论，考虑治理效果，建立了系统动力学多目
& C! u2 s( w( ~7 }& M标复合治理的最优化模型。利用贝叶斯支持向量机方法对武汉市基本面数据进行
9 G# X4 k' n# R宏观预测，对 PM2.5 进行系统性预测，并且仿真求解出 PM 由 280 单位到 35 单
, k2 f0 ]# `" c* Z位的五年治理方法，结果表明将综合治理与专项治理结合时治理效果最好。其最
, R8 \) _% m/ Z  H8 ^优相结合治理计划为：
- n+ E, D  p9 Q! a* G0 A1 G年份 2013 2014 2015 2016 2017
综合
! N& ^5 R. n( T治理
投入费用(百万) 51 42 32 22 12
PM2.5 减少浓度 4.5 19.3 34 48.7 63.5
专项
治理
投入费用(百万) 20 21 19 20 18
PM2.5 减少浓度 28 21 15 8.5 2
最后结合本文研究结果，对研究实施进行总结撰写了一份研究试验报告。
本文创新点在于，建立了基于贝叶斯理论的支持向量机方法和基于系统动力
$ M1 X, C% Y" R6 A, G; e学的多目标治理模型。
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