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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6 a& @" i) J' v+ @* o, [9 @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。
) O& }) B& A8 B2 g( x1 y' ]问题一：
. p1 s. N  G% K+ m1、研究二氧化硫X1、二氧化氮X2、可吸入颗粒物 PM10X3、一氧化碳X4、
! f* M, Y" `6 _" s6 w2 z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
6 t5 o) j& ~' @2 g5 [$ w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
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
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、
1 ^* E0 [* Q) [: T. @" i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
问题二：
1 S0 ~6 Z6 ]6 {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
$ ~* w- `# `; c! S% K: `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
1 z8 A. H, s6 I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
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 -
! @4 Z) B1 ~) l  g% K: _) [1 I3 N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
4 E8 H3 ^: p, `) v2 G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
- W, `4 Y2 g2 x! K: n( _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。
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。
! ~3 V. w) l8 D# ^' W) R% b问题三：
4 @4 ]0 M, L: Z  y2 x! {1、提出三种治理方案：长期治理、快速治理、全面治理。
2 C: u: u" l  L6 w4 ?6 B1 y% {( D5 G1 G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：
0 ^( A* D4 C7 L) @, }; H, x9 x, w年份 第一年 第二年 第三年 第四年 第五年
" S+ O( ?! k3 O! P- _PM2.5 值变化额 2.3 7.3 18.3 61.3 155.9
; ~% K) Z- q$ I9 o5 a快速治理考虑治理成效，其每年的治理计划为：
- O7 S- n; {; N年份 第一年 第二年 第三年 第四年 第五年
PM2.5 值变化额 36.75 36.75 73.50 49.00 49.00
. S1 e5 x9 X7 H7 v. E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
- m9 J9 Y( @. ]  k! }( _" I个指标浓度达到对 PM2.5 的治理，其每年的治理计划为：
6 Z& V: u1 T1 a6 U. w名称
* _0 f+ C. C) C4 V4 I( g  }二氧
5 r2 f+ N. d% z7 k" g化硫
二氧
7 I! C) f; m6 m- A8 {化氮
) [( r% @4 h# c9 x1 j可吸入颗
粒物
一氧
化碳
臭氧 PM2.5
. \) R* T. j( uPM2.5 的
减少幅度
" D8 N& b# I! |一年后终值 47.88 74.76 121.80 50.02 14.10 220.77 18%
1 {( X+ ^* q$ ]+ }* i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%
0 {/ P* m: `$ b2 a2 m, D. }四年后终值 20.52 32.04 52.20 17.08 11.40 78.79 74%
五年后终值 11.40 17.80 29.00 6.10 10.50 34.37 87%
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
$ l4 x* `7 [6 ]+ MPM2.5 浓度减少的关系，建立最优化方程。

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