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

$ w3 C; w5 C. z/ k- T9 c) \- W5 [
4 U. \# \. m8 W3 |( g8 E# a& E. n
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
' A# c! M. X2 y& H评估及污染治理等相关问题进行了研究，取得了以下成果。
) k  O. ?7 R' _8 g) ]7 n4 r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、
7 o  p* g7 X6 h. _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
$ _- O; e6 i! ^. c7 F6 w0 L8 ]  s. R相关。最终给出 PM2.5 与其他 5 个物质 IAQI 值的拟合函数为：
( O% E* t: }1 s) p2 E/ y: X2、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、
: T! a$ d& z$ O1 `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
4 J/ t# ]- t. l' _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
# v, _7 X9 b/ r, L# Z% ]0 f$ y问题二：
: E" v: T  A) g1、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
) f# ]: Z7 ?0 J) h% ~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。
! c. s! ]* [, S- R4 w; ~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 -
7 X: f& u) W3 C9 n; T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
+ K; `: l) A+ y4 i  W% b0 D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
0 k% ~5 V) P. a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，
1 e9 Y- U: Y4 S3 C' {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
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。
% Y/ j" D9 o& E* t( f4、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
) \& I  l: R1 ?: [/ M1 j! B过 Matlab 实现了对 PM2.5 值的预测，预测拟合度较高。
问题三：
6 d, q2 x% s1 V; a$ o1 c- @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
PM2.5 值变化额 2.3 7.3 18.3 61.3 155.9
+ l, H* `4 B9 S" Y3 c3 w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
7 t# v) A1 {1 P, I; z; n5 f; O% FPM2.5 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
: |8 N3 l) L, S8 \9 \' J个指标浓度达到对 PM2.5 的治理，其每年的治理计划为：
' Y/ s+ t: ]4 H3 @  n" I" n/ U- t名称
/ M  w1 ?# U, i6 o二氧
) H. x8 `% I  g' v/ q+ j6 u) C% {' d化硫
, @6 i! \2 {% F二氧
, j2 h8 l- W5 b5 O2 B# s  F+ \化氮
  E# T& D4 @7 P! W0 p可吸入颗
, s* f! ]4 D7 W0 x8 \$ M- B+ e粒物
* h2 q9 J! L; c一氧
化碳
臭氧 PM2.5
7 f/ A) T3 Z, R3 }3 C3 P1 F7 \PM2.5 的
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%
% l% Y6 |  ~, P' W! x. @$ G三年后终值 29.64 46.28 75.40 28.06 12.30 124.97 54%
! h9 ^+ ?7 K% S& I) y3 L2 q四年后终值 20.52 32.04 52.20 17.08 11.40 78.79 74%
; [. R* q2 x/ ?  T1 J0 J% s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
PM2.5 浓度减少的关系，建立最优化方程。
8 {2 B1 u  R) Z

7 s+ x- b  ^- n7 l9 r