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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" [! s* j' g1 _9 R( L& M, G, u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
6 g1 m1 N0 Y8 W- c" N+ W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、
. g0 R* ?7 B2 \+ Q" A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
9 R3 Y- Q. [, J; m' p5 \' _, b8 M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：
( w( i- m8 b. V0 s' F% A- s! ]2 z2、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、
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：
& D8 j  M4 @- Q1 \- eLnY = 2.3975Ln𝑋6 − 14.903𝐿𝑛𝑋7 + 19.4621Ln𝑋8 − 44.323𝐿𝑛𝑋9 − 21.929𝐿𝑛𝑋10 −
45.905𝐿𝑛𝑋11 − 85.1032
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。
# i4 k- y2 y5 O0 @& \4 L$ v! H2 y2、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 -
$ U& i6 Z" a3 }( M3 ~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
% n  S7 ^( [! |" Q8 A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
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，
% s7 U4 B8 s3 I; o扩散与稀释速度加快，污染浓度最大值明显降低。
0 }) P- Y3 Z4 @: X4 ^' _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
$ I) W4 w/ L& Y& U: W( M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
5 ^: X5 P4 j. ~4 |* c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。
问题三：
* y: w8 G& u$ d) p4 x* _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：
" ^  p! R& m+ D# j9 x: L年份 第一年 第二年 第三年 第四年 第五年
) s* i; c- s, T% o: xPM2.5 值变化额 2.3 7.3 18.3 61.3 155.9
快速治理考虑治理成效，其每年的治理计划为：
年份 第一年 第二年 第三年 第四年 第五年
2 S8 k* K+ L3 T9 _  QPM2.5 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：
8 E$ k8 u" |# ~* B. R$ s名称
: V/ w1 U4 G: U9 x' m; n二氧
* Y) ]( ^) b$ n2 v化硫
2 K% J. ^% [: i4 t1 l二氧
化氮
: ?+ l3 ?- b1 c/ ~: m& Z* E1 B可吸入颗
粒物
一氧
4 o- L& i2 z+ x4 M2 ]2 h化碳
臭氧 PM2.5
PM2.5 的
减少幅度
9 n* h4 ?' @3 b* }8 k) E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%
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%
" {1 ]$ b0 G! \1 M- s6 t五年后终值 11.40 17.80 29.00 6.10 10.50 34.37 87%
, R4 R  i' W3 m$ 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
" z7 ^" V' N  L5 m+ F; qPM2.5 浓度减少的关系，建立最优化方程。
. }  d2 v. b# n0 _  k% C- Q7 w! |
7 f! q0 L( F$ M( t
0 S1 P9 e' w( X: N5 r  X! k